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공학
공학(工學, engineering)은 기술적 문제를 대상으로 하는 학문으로 문제를 발견하고 이에 대한 기술적 해결책을 제시하는 학문이라고 정의할 수 있다.[1]
목차
개요
공학의 기원은 자연의 재료와 힘을 응용하여 인간의 필요를 채울 목적으로 재능을 사용한 그때로 생각할 수 있다.
기원전 2800년, 이집트 상형문자는 일련의 공학, 건축학(architecture) 그리고 계약관계로 이루어진 조직적인 업무에 일차적 책임과 의무를 가진 개인을 작업의 책임자(chief of work)로 기록하고 있다. 거의 모든 형태의 공학이 이집트, 중국, 페르시아, 바빌로니아, 아시리아, 포에니시아, 팔레스타인, 모압 그리고 페루를 포함한 고대 문명에서 발견된다.
공학의 어원인 엔진(engine)은 라틴어의 '새로운 아이디어를 생각해내다.'라는 뜻을 가진 단어에서 유래한다. 엔지니어(engineer)라는 단어는 200년경부터 사용되었으며 대포나 포위 공격탑과 같은 군사적 장비 또는 시설들을 개발하고 운용하는 직업인을 일컫는 말이었으나, 현대에서는 공학 활동을 위하여 새로운 아이디어를 생각해 내는 전문가를 말한다.
산업혁명이 일어난 영국에서 1771년 존 스미턴(John Smeaton)은 군사공학(軍事工學, military engineering)이 아닌 도로, 교량, 운하 등 주로 토목과 관련된 그리고 일반 시민들의 일상생활에 도움이 되는 시민 공학(市民工學, civil engineering)을 제창하였다. 1818년에는 세계 최초의 시민 공학회(토목공학회)가 영국에서 결성되었으며, 공학은 자연에 있는 거대한 동력원을 사람들에게 유리하게 쓸 수 있게 하는 기술이라고 정의하였다.
그 후 산업혁명(産業革命, industrial revolution)으로 인해 증기기관차 등 기계공업이 발달하게 되어 기계공학회가 1847년에 분화 독립하였다. 또한 전신 기기의 발달로 전신 공학회가 1871년에 창립되었으며, 전력기기의 급속한 발달로 1881년에 전기공학회라 개칭하였다. 공학의 전문 분화는 20세기에 들어서자 더욱 진척되어 화학공학(化學工學, chemical engineering), 재료공학(材料工學, materials engineering), 원자력공학 등이 탄생하였다.
기계, 장치, 시설 등의 노동수단과 관련된 시스템뿐만 아니라 인간, 사회부문에도 공학적 기법을 적용하는 인간공학(人間工學, ergonomics), 경영공학(經營工學, management engineering), 사회공학(社會工學, social engineering), 교육공학(敎育工學, educational technology), 도시공학(都市工學, urban engineering), 환경공학(環境工學, environmental engineering), 정보공학(情報工學, information engineering) 등 인문·사회과학 분야, 그리고 우주공학(宇宙工學, space engineering), 해양공학(海洋工學, ocean engineering), 농생명공학, 의생명공학 등 자연과학 분야의 경계영역에까지 진출함으로써 공학은 삶과 관련이 있는 모든 분야에 관심을 갖게 되었다.[1]
역사
고대
알렉산드리아의 등대, 이집트의 피라미드, 바빌론의 공중정원, 그리스의 아크로폴리스와 파르테논 신전, 고대 로마의 수도와 도로나 콜로세움, 마야문명, 잉카제국, 아스테카의 테오티우아칸 등의 도시나 피라미드, 만리장성 등은 고대 공학의 정교함과 기능을 보여준다.
최초로 토목 기술자로 이름이 알려진 인물로는 임호테프가 있다. 이집트의 파라오인 조세로 왕을 섬기면서, 기원전 2630년부터 기원전 2611년쯤 사카라에서 조세로 왕의 피라미드(계단식 피라미드)의 설계와 건설 감독을 한 것으로 보인다. 고대 그리스에는 민간용과 군사용 양쪽의 분야에서 기계가 개발되었다. 안티키테라섬의 안티키테라 기계가 알려진 것 중 세계에서 가장 오래된 아날로그 컴퓨터라고 하며 아르키메데스가 발명한 기계는 초기 기계공학의 한 예이다. 그 후로 기계에 차동기어 또는 유성기어의 지식이 필요해지면서 그 두 가지 기계 이론의 중요한 원리가 산업혁명의 기어 트레인의 설계를 도와주었으며 지금까지도 로봇공학이나 자동차공학 등 여러 가지 분야에 넓게 사용되고 있다.
기원전 4세기경엔 그리스에 투석기가 개발되었고 중국과 그리스, 로마의 삼단 범선은 물론, 바리스타나 캐터펄트라고 하는 복잡한 기계식 병기가 사용되고 있었다. 중세에는 트레뷰셋(Trebuchet,중세 유럽에서 사용하던 투석기)이 개발되었다.
르네상스기
윌리엄 길버트는 1600년에 De Magnete을 저술하고, electricity(전기)라고 하는 단어를 세계 최초로 사용했다는 점에서 전기공학자의 창시자로 여겨지고 있다.
기계공학에서는 토머스 세이버리가 1698년에 세계 최초의 증기기관을 만들었다. 이 증기기관의 개발이 산업혁명을 이끌어 대량 생산의 시대를 열었다.
18세기에는 공학을 전문으로 하는 전문직이 확립되고, 공학은 수학이나 과학을 응용하는 분야만을 가리키게 되었다. 동시에 그때까지 군사와 토목으로 나뉘어 있던 공학에 단순한 기술로 간주되었던 기계제작까지 공학의 한 부분으로 추가되었다.
근현대
1800년대의 알렉산드로 볼타의 실험이 있고 그 후 마이클 패러데이나 게오르크 옴 등의 선구자의 실험을 거쳐 1872년에 전동기가 발명된 것이 전기공학의 발단이다. 19세기 후반에는 제임스 와트, 제임스 맥스웰과 하인리히 헤르츠의 성과에 따라 전자공학이 시작되었다. 그 후, 진공관이나 트랜지스터의 발명에 의해 전자공학의 발전이 가속되어 지금은 전자공학이 공학 중에도 특히 기술자가 많은 영역이 되었다.
토마스 세이버리와 제임스 와트의 발명에 의해 기계공학의 발전이 가속되었다. 산업혁명기(期)에 각종 기계나 그 수리와 보수를 위한 도구가 발달하고, 그런 도구들은 영국으로부터 다른 나라로 퍼져나갔다.
화학 공학도 산업혁명기(期)였던 19세기에 기계공학과같이 발전했다. 대량 생산은 신소재나 새로운 제조법을 필요로 하기 때문에 그에 따른 화학물질의 대량 생산이 필수적이었고 결국 그것이 1880년 경까지 새로운 산업으로 확립되었다. 화학공학은 그러한 화학공장이나 제조법의 설계를 맡았다.
항공공학은 항공기의 설계를 취급하는 분야로 항공우주공학은 우주선의 설계까지 확장된 비교적 최근의 학문분야이다. 그 기원은 19세기부터 20세기까지 걸쳐진 항공기의 선구적 발전이지만, 최근엔 18세기 말의 조지 케일리의 업적이 기원으로 인정받고 있다. 초기의 항공기는 다른 공학 분야의 개념이나 기법을 도입해서 대부분 경험론적으로 발전해갔다. 라이트 형제가 첫 비행에 성공해서 약 10년 후에는 항공공학이 크게 발전해, 제1차 세계대전에 군용 항공기가 발전되기까지 했다. 반면, 과학적 기초를 닦는 연구는 이론 물리학과 실험을 결합하는 것으로 행해졌다.[2]
영역
기계공학
물리학(物理學, physics)·역학(力學, mechanics) 등을 기초로, 기계의 설계 사용법 성능 따위를 연구하는 학문으로 정교한 기계 장치로부터 생체 로봇, 거대한 구조물을 완공시키는 건축 장비, 그리고 생물을 흉내 낸 생체모사공학의 발명품까지 모든 기계가 연구 분야가 된다.
생명과 직결되는 고체 역학(固體力學, solid mechanics)과 보이지 않는 것을 다루는 에너지 분야, 초미세 구조를 다루는 마이크로 나노 분야 그리고 생명을 구하는 바이오 엔지니어링(bioengineering) 분야 등으로 이루어져 있다.
화학공학
화학공업의 공정 기계 기구의 설계 및 운용과 공장 관계 사항을 연구하는 공학이다. 촉매반응(觸媒反應, catalytic reaction)을 포함한 모든 종류의 화학반응을 이용해 유용한 물질을 얻는 방법과 공정을 연구하는 분야로 이를 통해 인류의 생존과 번영에 필요한 물질과 에너지를 생산하는 방법을 연구한다. 과거에는 석유화학으로 대표되는 화학반응을 주로 연구하였으나 최근 주목받는 생촉매는 생화학 지식을 더한 더 폭넓고 깊이 있는 연구가 대세가 되었고, 생명화학공학이라는 용어로 정착했다.
전자공학
전자의 운동 현상과 그 응용 기술을 연구하는 공학의 한 분야이다. 구동력으로써 전력을 이용하는 장치·시스템·부품을 개발하기 위해, 전자의 운동을 과학적으로 연구하는 공학이다. 전자공학이 적용되는 대표적인 산업 분야는 크게 정보통신 산업, 컴퓨터 산업, 반도체 산업, 제어 산업으로 나눈다.
신소재공학
금속이나 플라스틱 등과 같은 종래의 재료에는 없는 뛰어난 특성을 가진 소재, 뉴 세라믹(new ceramic)·복합 재료(composite materials)·형상 기억 합금(shape memory alloy)·광섬유(optical fiber) 따위를 연구하는 학문이다. 산업 기술이 발달하면서 특수한 용도에 적합한 성질을 갖는 새로운 재료를 개발하고 연구하는 학문이다. 신소재공학은 재료과학 및 공학이라고 쓰며 단순히 조건에 맞는 새로운 신소재를 설계하거나 개발하는 것이 아니라 재료의 본질을 밝히고 이해하는 분야로, 소재가 나타내는 다양한 특성을 미시적·거시적으로 이해해야 새로운 특성을 나타내는 신소재를 개발할 수 있다.
건설 및 환경공학
인류의 역사와 함께 시작된 건설공학(建設工學, construction engineering)은 구조·재료·시공법 등에 대한 학문인 건축공학(建築工學, architectural engineering)과 도로·하천·도시 계획 등 토목에 관한 이론과 실제를 연구하는 공학의 한 부분인 토목공학(土木工學, civil engineering)을 포함한다. 토목공학이란 본래 서구에서 시민 공학이라고 하는데, 이 용어는 군사 목적으로 도로나 교량 등을 설치하는 것을 군사공학이라고 하는 것에 반해, 일상적으로 시민들이 생활의 편리를 위해 시설물을 설치하는 것을 시민 공학이라고 하는 데서 유래하였다. 그러다가 산업혁명 이후에 기계공학, 전기공학 등이 토목공학과 분리되어 독립된 학문 분야가 되었다. 하지만 아직도 다른 분야에 속하지 않는 공학은 건설공학에서 다루고 있다.
환경공학은 건설공학에 포함되기도 하지만, 최근 생활환경이 심각한 수준으로 나빠지자 독립된 분야로 분류되기도 한다. 넓은 의미로는 자연환경의 보전을 위한 학문을 의미하며, 좁은 의미로는 인류 활동에 동반되는 공해나 재해 방지 대책을 수립하는 학문이다. 미국 토목 학회에서는 환경공학을 ‘안전한 물을 공급하고 하·폐수를 적절히 처리하며, 수질·대기를 보존하고 관리하는 학문, 소음공해를 관리하고 각 영역에 대한 위해성 평가를 연구하는 학문으로 정의한다.
산업공학 및 시스템공학
산업공학은 복잡한 시스템이나 프로세스 또는 의사 결정 과정을 과학적 방법으로 최적화하고 합리화하는 학문이다. 자동차, 전자제품, 선박과 같은 제품의 제조 시스템은 물론이고 제조 기업은 그 자체로 최적화가 필요한 거대한 시스템이다. 통신, 물류, 금융, 교통 등의 서비스 시스템과 그 기업도 마찬가지이며 국방, 사회 인프라 시스템 등 공적인 분야도 포함된다.
시스템공학은 19세기 말에서 20세기 초에 철강 등 제조 산업에서 일했던 프레드릭 윈슬로 테일러(Frederick Winslow Taylor)가 철강 노동자들의 삽질 작업을 관찰한 뒤 가장 효율적으로 작업하는 규칙을 과학적으로 찾아내 작업 방법을 개선한 것에서 시작되었다.
테일러는 다양한 제조 공장에서 작업 방법을 과학적으로 개선하는 방법을 제안하고 노동 생산성을 높이는 방법을 연구, 발전시켜 과학적 관리의 원리라는 저서를 발간하였다. 이 책은 미국 제조 산업의 생산성을 개선하는데 크게 기여했으며, 이후 제조 및 관리 시스템에 대해서도 과학적 원리와 방법을 연구, 개발, 응용하는 기폭제가 되었다.
길브레스 부부는 생산현장의 작업 동작을 17개 기본동작의 조합으로 재구성하고 'Therblig'이라는 기호를 제안하였다. 이는 작업 과정을 모형화하고 분석해 불필요한 동작을 제거, 개선하는 체계적인 방법으로 시간 동작 연구의 기반이 됐다. 테일러와 길브 레드의 노력으로 후일 제조 혁신, 경영 혁신의 방법은 거의 모든 제조 기업에 널리 확산되었다.
과학적 관리 기술과 제조 시스템 기술의 또 한 번의 혁신은 포드 자동차에서 일어났다. 1913년 포드는 T형 자동차를 조립하는 작업을 표준화했다. 직렬로 배치된 작업 공정 라인을 따라 작업물을 흘려보내면서 조립하는 컨베이어 조립라인이다. 이 방식으로 3분 간격으로 자동차를 대량 생산하면서 총 작업시간을 8분의 1로 낮추고 품질을 균일화시켰다.
컴퓨터공학
컴퓨터공학은 실생활과 밀접하게 관련된 재미있고 실용적인 문제로 가득 차 있다. 간단한 수식 계산을 도와주는 계산기와 사람의 유전자를 분석하는 거대 프로젝트, 학교 앞 문구점에 있는 작은 게임기와 온 가족이 모여 앉아 우리나라 가수의 미국 공연 동영상을 음성으로 검색하여 감상할 수 있는 스마트 TV까지 컴퓨터는 이제 사실상 우리 생활의 모든 곳에 있다. 컴퓨터공학은 다양한 세부 분야로 이뤄져 있다.
원자력공학
원자력공학은 반세기라는 짧은 역사를 가지고 있는 학문이다. 하지만 기계, 전자, 에너지, 핵물리학(核物理學, nuclear physics), 방사선 공학(放射線工學, radiation engineering) 등 다양한 분야의 학문과 기술로 이뤄져 있으며 학문의 깊이도 깊다. 물질을 이루는 원자핵(atomic nucleus)은 양성자와 중성자로 구성되어 있는데 만약 중성자 하나를 핵반응(nuclear reaction)으로 소모하더라도, 이어지는 핵반응에서 중성자가 계속 만들어진다면 핵 연쇄반응을 통해서 핵에너지가 대량으로 방출된다.
핵 연쇄반응의 비결은 핵분열반응(nuclear fission reaction)에 있다. 물질을 이루는 원자핵은 양성자와 중성자가 함께 결합해 있다. 만약 핵에서 중성자를 떼어낼 수 있다면 중성자 하나를 핵반응으로 소모하더라도, 이어지는 핵반응에서 중성자가 계속 다시 만들어져 중성자 공급이 저절로 이루어지는 중성 열반응 이 발생한다. 중성자를 떼어내기 위해서는 핵을 쪼개는 과정이 필요한데, 이것이 핵분열반응이다. 처음에 중성자로 핵을 분열시키면 이때 핵에너지가 나온다. 그런데 핵이 분열되는 과정에서 다시 중성자가 만들어지고 이 중성자가 다시 핵분열을 일으킨다. 이러한 과정은 연료가 다 사라질 때까지 연쇄적으로 일어난다. 핵에너지는 끊임없이 발생하는 것이다.
자동차공학
자동차 공학은 기계 공학의 한 분야다. 이 분야는 차량 전체 구성 요소와 개별 구성 요소의 설계, 구성, 시뮬레이션 및 기능을 다룬다. 자동차 공학은 자전거, 오토바이, 자동차, 상업용 차량, 철도 차량, 항공기 및 기계와 같은 모든 유형의 원동기에 관계되지만 일반적으로 자동차에만 적용된다.
자동차 엔지니어링의 주요 분야에는 엔진 및 드라이브 기술, 섀시 설계 및 건설, ABS, TCS, ESC, BA 및 ACC와 같은 고급 운전자 지원 시스템을 통해 능동적 및 수동적 보안을 향상시키는 솔루션과 같은 끊임없이 발전하는 분야 및 자동차용 고급 네비게이션 시스템 및 통신 시스템과 같은 개발 분야가 포함된다.자동차 공학의 연구 개발에는 충돌 테스트 및 차량 내부 및 외부의 기술 음향과 같은 차량 시뮬레이션 기술이 포함된다.[1]
관련 직업
- 기계공학을 전공한 사람은 건설기계 분야, 사무용 기계 분야, 엔진기계 분야, 플랜트 기계 분야, 냉난방 및 공조 분야, 안드로이드 로봇 분야, 자동차 분야에 관련된 업체에서 직업을 가질 수 있다.
- 토목공학을 전공한 사람은 건축시공, 건축감리, 건축설계, 토목안전환경, 토목구조설계, 토목시공, 토목 감리, 측량 및 지리 정보, 건설자재, 교통안전, 건설견적, 교통영향평가, 지도 제작 분야에 관련된 직업을 가질 수 있다.
- 화학공학을 전공한 사람은 석유화학, 고무 및 플라스틱, 도료 및 농약품, 비누 및 화장품, 의약품 분야에 관련된 직업을 가질 수 있다.
- 산업공학을 전공한 사람은 HCI 컨설팅, 회사 내 기획, 생산관리, 공정관리 및 품질관리 분야에 관련된 직업을 가질 수 있다.
- 재료공학을 전공한 사람은 금속재료, 국방과학, 인공어초, 국방과학 분야에 관련된 직업을 가질 수 있다.
- 전자공학을 전공한 사람은 음향기기, 신재생 에너지, 전자제어계측, 반도체 장비, 안드로이드 로봇 분야에 관련된 직업을 가질 수 있다.[1]
동영상
각주
참고자료
같이 보기
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