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전기기계공학
전기기계공학(electromechanics)은 전기공학과 기계공학의 융합분야로서 전기시스템과 기계시스템의 상호작용을 다룬다. 전기기계공학적 장치들은 전기적 과정과 기계적 과정을 모두 수행한다. 가장 엄밀하게 말하자면, 손으로 눌러 입력하는 스위치조차도 "누른다"는 기계적 과정이 전기적 결과를 산출하기 때문에 전기기계공학적 부품이다. 그보다 복잡한 계전기, 솔레노이드 같은 것들도 전기기계공학적 부품에 해당한다.
현대적인 반도체 전자공학이 발달하기 전에는 여러 복잡한 서브시스템에 전기기계공학 장치들이 널리 쓰였다. 전기타자기, 전신타자기, 쇼트-싱크로놈 자유진자시계, 기계식 텔레비전 등이 그 사례이며, 극초기의 디지털 컴퓨터도 전자공학 장치라기보다 전기기계공학 장치에 가까웠다. 오늘날 전기기계공학은 고체전자공학으로 상당부분 대체되었다.
전기기계
전기기계는 전기와 기계의 원리를 결합한 학문으로, 두 개념을 모두 포함하는 시스템의 설계, 구축 및 유지 관리를 가능하게 한다. 이 연구 분야는 다양한 산업 및 부문에서 광범위하게 적용되어 현대 세계의 기본 학문이 된다.
전기기계의 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 산업 자동화 분야이다. 전기기계 시스템은 생산 라인의 기계 및 장비를 제어 및 작동하여 프로세스를 최적화하고 효율성을 높이는 데 사용된다. 이러한 시스템에는 자동으로 특정 작업을 수행하기 위해 함께 작동하는 전기 모터, 센서, 액추에이터 및 컨트롤러가 포함될 수 있다.
전기기계의 또 다른 중요한 응용 분야는 에너지 부문이다. 예를 들어, 전기 발전기는 전기 기계 원리를 사용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이러한 발전기는 발전소, 풍력 발전소 및 기타 시설에서 효율적이고 지속 가능하게 전기를 생산하는데 사용된다.
전자기계는 운송 분야에도 적용되다. 전기 자동차 및 고속 열차와 같은 차량의 전기 추진 시스템은 작동을 위해 전기 모터 및 전기 기계 제어 시스템을 사용한다. 이러한 시스템은 에너지 효율성 향상 및 오염 배출 감소와 같은 이점을 제공한다.
의학 분야에서는 전기기계도 중요한 역할을 한다. 심장 박동기 및 진단 영상 장비와 같은 의료 기기는 전기기계 기술을 사용하여 작동한다. 이러한 장치는 생명을 구하고 환자의 삶의 질을 향상시키는 데 도움이 된다.
이러한 응용 분야 외에도 전기 기계는 로봇 공학, 홈 자동화, 항공 우주 및 특수 기계 건설과 같은 분야에서도 사용된다. 이 학문은 계속해서 발전하고 다양한 분야에 적용할 수 있는 새로운 방법을 찾아 우리 사회의 기술 발전에 기여하고 있다.
역사
최초의 전기 모터는 1822년 마이클 패러데이(Michael Faraday) 에 의해 발명되었다 . 모터는 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted)가 전류의 흐름이 비례적인 자기장을 생성한다는 사실을 발견한 지 불과 1년 만에 개발되었다. 이 초기 모터는 바닥에 자석이 있고 부분적으로 수은 유리에 담긴 와이어였다. 와이어가 배터리에 연결되면 자기장이 생성되고 자석에서 발생하는 자기장과의 상호 작용으로 인해 와이어가 회전하게 된다.
10년 후 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 최초의 발전기를 다시 발명했다. 이 발전기는 와이어 코일을 통과하는 자석과 검류계로 측정된 전류를 유도하는 것으로 구성되었다. 패러데이의 전기 연구와 실험은 오늘날 알려진 대부분의 현대 전기 기계 원리의 기초이다.
장거리 통신에 대한 연구와 함께 전기기계에 대한 관심이 급증했다. 산업혁명으로 인한 생산량의 급속한 증가는 대륙 내 통신에 대한 수요를 불러일으켰고, 이로 인해 전기기계가 공공 서비스에 진출할 수 있게 되었다. 전기기계 장치가 전신 신호를 재생성하는 데 사용되었기 때문에 릴레이는 전신에서 유래되었다. 스트로거(Strowger) 스위치, 패널 스위치 및 이와 유사한 장치는 초기 자동 전화 교환기에 널리 사용되었다. 크로스바 스위치는 20세기 중반 스웨덴, 미국, 캐나다 및 영국에서 처음으로 널리 설치되었으며 이는 빠르게 전 세계로 확산되었다.
1910년부터 1945년까지 세계가 두 번이나 세계 대전을 겪으면서 전기기계 시스템은 엄청난 발전을 이루었다. 제1차 세계 대전에서는 조명과 라디오가 모든 국가에서 사용되면서 새로운 전기기계가 폭발적으로 등장했다. 제2차 세계대전까지 각국들은 전기기계의 다용성과 성능을 중심으로 군대를 발전시키고 중앙집권화했다. 오늘날에도 여전히 사용되는 것 중 하나는 교류 발전기이다. 이는 1950년대에 군사 장비에 전력을 공급하기 위해 만들어졌고 나중에 1960년대에 자동차용으로 용도가 변경되었다. 전후 미국은 가사 노동이 전자레인지, 냉장고, 세탁기와 같은 전기 기계 시스템으로 빠르게 대체되면서 군대의 전기기계 개발로 큰 혜택을 받았다. 19세기 후반의 전기기계 텔레비전 시스템은 덜 성공적이었다.
전기 타자기는 1980년대까지 "전력 보조 타자기"로 개발되었다. 여기에는 단일 전기 부품인 모터가 포함되어 있다. 이전에는 키 입력으로 활자 막대를 직접 이동했지만 이제는 모터의 기계적 동력을 활자 막대로 전달하는 기계적 연결 장치를 사용했다. 이는 이후의 IBM 셀렉트릭(Selectric)에서도 마찬가지였다. 1946년 Bell 연구소에서는 Bell Model V 컴퓨터가 개발되었다. 이는 전기기계 릴레이 기반 장치였다. 사이클에는 몇 초가 걸렸다. 1968년에 전기기계 시스템은 여전히 항공기 비행 제어 컴퓨터를 위한 고려대상으로 중앙 항공 데이터 컴퓨터에 대규모 통합 전기 장치를 기반으로 한 장치가 채택되었다.
미세전기기계 시스템
미세전기기계 시스템(MEMS, Microelectromechanical Systems)은 실리콘이나 수정, 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로, 머리카락 절반 두께의 초소형 기어, 손톱 크기의 하드디스크 등 초미세 기계구조물을 만드는 기술을 말한다. 멤스로 만든 미세 기계는 마이크로미터(100만분의 1 미터) 이하의 정밀도를 갖는다. 구조적으로는 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세공정기술을 적용해 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능케 하고, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력과 표면장력 등을 이용해 전류를 발생시켜 전력소비량을 크게 낮추는 원리를 적용한 것으로, 나노 및 시스템온칩(SoC) 기술의 등장과 함께 중요성이 날로 부각되고 있다. 멤스는 20세기의 대표적인 산업기술인 반도체 기술에 버금가는 21세기 최대 유망 기술로 현재 멤스 기술의 응용 범위는 자동차 에어백의 가속도 센서나 잉크젯 프린터 헤드 등에서 벗어나 유전자 정보 해독을 위한 바이오칩 등 생명의료 분야, 무선부품, 광부품, 미세기계 분야로 급속히 확산되고 있다.
MEMS는 실리콘 혁명에 뿌리를 두고 있으며, 이는 1959년 두 가지 중요한 실리콘 반도체 발명, 즉 페어차일드반도체(Fairchild Semiconductor)의 로버트노이스(Robert Noyce)가 개발한 모놀리식 집적회로 (IC)칩과 벨 연구소의 모하메드 M. 아탈라(Mohamed M. Atalla)와 다원 카흐(Dawon Kahng)가 만든 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)로 거슬러 올라갈 수 있다. MOSFET 스케일링, 즉 IC 칩의 MOSFET 소형화는 전자장치의 소형화로 이어졌다 (무어의 법칙과 데나드 스케일링에 의해 예측됨). 이는 엔지니어들이 실리콘 칩과 MOSFET이 주변 환경과 상호 작용하고 통신할 수 있으며 화학 물질, 모션 및 빛과 같은 것을 처리할 수 있다는 것을 깨닫기 시작하면서 실리콘 반도체 장치를 기반으로 한 미세 기계 기술의 발전과 함께 기계 시스템의 소형화를 위한 기초를 마련했다. 최초의 실리콘 압력 센서 중 하나는 1962년 허니웰(Honeywell)에 의해 등방성 미세 가공되었다.
MEMS 소자의 초기 예는 1965년 Harvey C. Nathanson에 의해 개발된 MOSFET의 변형인 공진-게이트 트랜지스터이다.1970년대부터 1980년대 초까지 물리적, 화학적, 생물학적 및 환경적 파라미터를 측정하기 위한 다수의 MOSFET 마이크로센서가 개발되었다. 21세기 초에는 나노전기계 시스템(NEMS)에 대한 연구가 있었다.
전기기계공학의 주요 응용 분야
- 공업 자동화 : 전기 기계 공학은 산업 공정 자동화에 있어 근본적인 역할을 한다. 전기기계 엔지니어는 전자 및 기계 기술을 사용하여 공장의 생산을 최적화하고 효율성을 향상시키는 기계 제어 및 감독 시스템을 설계하고 개발한다.
- 전기에너지 생성 및 분배 시스템 : 전기기계 기술은 전기 에너지의 생성과 분배에 필수적이다. 발전 과정에서는 수력 터빈이나 증기 터빈과 같은 전기기계 발전기를 사용하여 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 배전에서는 전기기계 변압기를 사용하여 전기의 전압을 높이거나 낮추어 장거리로 효율적으로 운송할 수 있다.
- 재생에너지: 보다 지속 가능하고 환경 친화적인 대안을 모색하면서 재생 가능한 자원을 기반으로 한 에너지 생성 시스템이 개발되었다. 전기 기계 엔지니어는 천연 자원을 활용하여 전기를 효율적이고 지속 가능하게 생산하는 풍력, 태양광, 수력 에너지 생성 시스템을 설계하고 개발하는 일을 담당한다.
- 교통수단 : 전기기계공학은 운송 시스템의 설계 및 개발에서도 중요한 역할을 한다. 전기 기계 엔지니어는 효율적이고 안전한 운송을 보장하기 위해 전기 자동차, 하이브리드 추진 시스템, 교통 제어 시스템 및 안전 시스템을 만드는 작업을 수행한다.
- 로보틱스: 로봇 공학은 전기기계공학이 널리 적용되는 또 다른 영역이다. 전기 기계 엔지니어는 제조부터 의학, 우주 탐사에 이르기까지 다양한 응용 분야를 위한 로봇과 자동화 시스템을 설계하고 구축한다.
- 에어컨 및 냉동 시스템 : 전기기계공학은 또한 산업 및 주거용 응용 분야 모두를 위한 공조 및 냉동 시스템의 설계 및 개발을 다룬다. 전자기계 엔지니어는 편안하고 안전한 환경을 제공하는 효율적이고 지속 가능한 시스템을 설계하는 일을 담당한다.
현황
전기기계공학은 최근 몇 년간 큰 발전을 이룬 학문이다. 이 엔지니어링 분야는 전기 및 기계 구성 요소를 결합하여 혁신적인 기술 솔루션을 만드는 시스템을 설계하고 개발하는 일을 담당한다.
현재 전기기계공학은 자동차, 항공우주, 에너지, 제조 등 다양한 산업 발전의 기초가 되었다. 기술 및 과학적 발전 덕분에 전기기계 엔지니어는 점점 더 효율적이고 안전하며 정교한 시스템을 설계할 수 있게 되었다.
전자기계공학 발전의 가장 주목할만한 측면 중 하나는 자동화와 로봇공학의 성장이다. 인공지능과 프로그래밍의 발전으로 복잡한 작업을 자율적으로 수행할 수 있는 기계와 로봇을 만드는 것이 가능해졌다. 이러한 전기기계 시스템은 산업을 혁신하여 생산을 개선하고 비용을 절감하며 프로세스 안전을 향상시켰다.
또 다른 중요한 측면은 재생에너지 시스템의 개발이다. 전기기계 공학은 에너지 생성 및 저장을 위한 지속 가능한 기술을 창출하는 데 중요한 역할을 해왔다. 전기기계 엔지니어들은 태양광 패널 시스템, 풍력 터빈, 축전지 등을 설계하고 개선하여 에너지 자원을 보다 효율적이고 깨끗하게 사용할 수 있도록 했다.
또한, 전기기계공학은 나노기술 분야에서도 발전해 왔다. 전기 기계 엔지니어들은 나노 규모의 장치와 시스템을 개발하여 의학, 전자, 제조 등의 분야에 새로운 가능성을 열어왔다. 이러한 발전으로 인해 무엇보다도 내구성이 뛰어난 재료, 더 작은 장치, 더 정밀한 센서를 만들 수 있게 되었다.
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참고자료
- 〈전기기계공학〉, 《위키백과》
- "Electromechanics", Wikipedia
- 〈전자기계 공학: 전기와 기계의 완벽한 융합 - Polaridad.es〉, Polaridad.es
- 〈전기 기계 공학의 가장 혁신적인 응용〉, Polaridad.es
같이 보기
