기전공학

기전공학(機電工學, )은 기계공학, 전기공학, 전자공학 및 컴퓨터 공학을 응용하여 기계, 전기 및 컴퓨터 시스템을 시너지 효과적으로 통합하는 학문이며, 로봇공학, 컴퓨터 과학, 전기 통신, 시스템 공학, 제어공학, 자동화 및 제품 공학의 조합을 포함한다.

시간이 흐르고 테크놀로지가 발전함에 따라, 공학의 다양한 하부 분야들이 적응과 증식에 성공해 왔다. 메카트로닉스의 의도는 이러한 다양한 하부 분야 각각을 통일하는 설계 솔루션을 생산하는 것이다. 원래 메카트로닉스 분야는 기계(mechanics), 전기 및 전자(electronics)의 결합 그 이상을 의도하지 않았으며, 따라서 그 명칭도 "mechanics"와 "electronics"의 혼성어였다. 그러나 기술 시스템의 복잡성이 계속 진화함에 따라, 그 정의는 더 많은 기술 영역을 포함하도록 확장되었다.

많은 사람들은 메카트로닉스를 자동화, 로봇공학 및 전기기계공학과 동의어인 현대적인 유행어로 취급한다.Lawrence J. Kamm (1996). Understanding Electro-Mechanical Engineering: An Introduction to Mechatronics. John Wiley & Sons. 

프랑스 표준 NF E 01-010은 다음과 같은 정의를 내린다. "제품의 기능성을 개선 및 최적화하기 위해, 제품 설계 및 제조 내에서 기계, 전자, 제어 이론 및 컴퓨터 과학의 시너지 통합을 목표로 하는 접근 방식".Bolton, W. Mechatronics. Pearson, 6th edition, 2015. 

 역사 
늦어도 1951년에는 'Nucleonics' 저널 9권 3호 99페이지에서 볼 수 있듯이, Servomechanisms, Inc. 사의 광고에 메카트로닉스라는 단어가 사용되었다.

메카트로닉스라는 단어는 일본어식 영어에서 유래되었으며, 야스카와 전기의 엔지니어인 모리 테츠로에 의해 만들어졌다. 메카트로닉스라는 단어는 1971년 일본에서 등록 번호 "46-32714"로 해당 회사에 의해 상표로 등록되었다. 이후 회사는 이 단어를 사용할 권리를 대중에게 공개했고, 이 단어는 전 세계적으로 사용되기 시작했다. 현재 이 단어는 많은 언어로 번역되어 있으며 첨단 자동화 산업의 필수 용어로 간주된다.Msc. Mechatronics and Automation Engineering, University of Strathclyde Glasgow, Institution of Engineering and Technology, United Kingdom. Retrieved 29 November 2020.

1980년대 정보기술의 출현과 함께 마이크로프로세서가 기계 시스템에 도입되어 성능을 크게 향상시켰다. 1990년대에 이르러서는 계산 지능의 발전이 메카트로닉스에 적용되어 이 분야를 혁신시켰다.

 설명 
섬네일|렌슬리어 공과대학교(RPI) 웹사이트의 오일러 다이어그램은 메카트로닉스를 구성하는 분야들을 설명한다.
기전공학자는 기계, 전기, 전자 및 컴퓨팅의 원리를 결합하여 더 단순하고 경제적이며 신뢰할 수 있는 시스템을 생성한다.

공학 사이버네틱스는 메카트로닉 시스템의 제어 공학 문제를 다룬다. 이는 그러한 시스템을 제어하거나 조절하는 데 사용된다(제어이론 참조). 협업을 통해 메카트로닉 모듈은 생산 목표를 수행하고 생산 계획에서 유연하고 애자일 제조 특성을 물려받는다. 현대적인 생산 장비는 제어 아키텍처에 따라 통합된 메카트로닉 모듈로 구성된다. 가장 잘 알려진 아키텍처에는 계층, 다두정, 이질적 위계 및 하이브리드가 포함된다. 기술적 효과를 달성하기 위한 방법은 제어 알고리즘에 의해 설명되며, 이는 설계에 형식 방법을 활용할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 메카트로닉스에 중요한 하이브리드 시스템에는 생산 시스템, 시너지 드라이브, 화성 탐사 로버, ABS 및 스핀 어시스트와 같은 자동차 하위 시스템, 그리고 오토포커스 카메라, 비디오, 하드 디스크, CD 플레이어 및 전화기와 같은 일상 장비가 포함된다.

 하부 분야 

 기계 

기계공학은 기전공학의 중요한 부분이다. 여기에는 물체가 어떻게 작동하는지에 대한 기계적 성질에 대한 연구가 포함된다. 기계적 요소는 메카트로닉 시스템의 기계적 구조, 메커니즘, 열유체 및 유압 측면을 의미한다. 열역학, 동역학, 유체역학, 공압 및 수리학에 대한 연구가 포함된다. 기계 엔지니어로 일하는 기전공학자는 자동차 산업에서 볼 수 있는 유압 시스템 및 공압 시스템을 전문으로 할 수 있다. 기전공학자는 강력한 기계적 및 전자적 배경을 가지고 있기 때문에 차량을 설계할 수도 있다. 제품 설계를 위해서는 컴퓨터 지원 설계 및 컴퓨터 지원 제조와 같은 소프트웨어 애플리케이션에 대한 지식이 필수적이다. 메카트로닉스는 자동차 산업에서 널리 적용되는 기계 교과 과정의 일부를 다룬다.

메카트로닉 시스템은 자동차 기능의 큰 부분을 차지한다. 센서-정보 처리-액추에이터-기계적(물리적) 변화로 형성된 제어 루프는 많은 시스템에서 발견된다. 시스템 크기는 매우 다양할 수 있다. ABS(Anti-lock Braking System)는 메카트로닉 시스템이다. 브레이크 자체도 하나의 시스템이다. 그리고 주행 제어(예: 크루즈 컨트롤), 엔진, 실제 세계에서의 차량 주행 속도 및 속도 측정으로 형성된 제어 루프 역시 메카트로닉 시스템이다. 자동차 공학에서 메카트로닉스의 막대한 중요성은 차량 제조업체들이 종종 이름에 "메카트로닉스"가 포함된 개발 부서를 운영한다는 사실에서도 분명하게 드러난다.

 전자 및 전기 

전자 및 통신 공학은 메카트로닉 시스템의 전자 장치 및 통신 장치를 전문으로 한다. 전자 및 통신을 전공한 기전공학자는 컴퓨터 하드웨어 장치에 대한 지식을 갖추고 있다. 신호의 전송은 이 메카트로닉스 하부 분야의 주요 응용 분야이다. 디지털 및 아날로그 시스템 또한 메카트로닉 시스템의 중요한 부분을 형성한다. 통신 공학은 매체를 통한 정보의 전송을 다룬다.

전자 공학은 컴퓨터 공학 및 전기공학과 관련이 있다. 제어 공학은 상업용 항공기의 비행 및 추진 시스템부터 많은 현대 자동차에 있는 크루즈 컨트롤에 이르기까지 광범위한 전자 응용 분야를 가지고 있다. 집적 회로를 만드는 데는 VLSI 설계가 중요하다. 기전공학자는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 마이크로칩 및 반도체에 대한 깊은 지식을 가지고 있다. 전자 제조 산업에서의 메카트로닉스 응용은 휴대폰, 컴퓨터, 카메라 등과 같은 소비자 전자 장치에 대한 연구 및 개발을 수행할 수 있다. 기전공학자에게는 전자 제품을 설계하고 개발하기 위해 매트랩 및 시뮬링크와 같은 컴퓨터 애플리케이션 운영을 배우는 것이 필요하다.

기전공학은 학제간 과정으로, 전기 및 기계 시스템의 개념을 모두 포함한다. 기전공학자는 고전력 변압기 또는 무선 주파수 모듈 송신기 설계에 참여한다.

 항공전자 

섬네일|항공전자 기술자가 오실로스코프를 사용하여 항공기 전자 장비의 신호를 확인하고 있다.
항공전자 또한 전자공학 및 통신과 같은 여러 분야를 항공우주공학과 결합하므로 메카트로닉스의 변형으로 간주된다. 이는 항공기의 전자 시스템에 집중하는 공학 분야인 기전공학 및 항공우주공학의 하부 분야이다. 항공전자(Avionics)라는 단어는 항공(Aviation)과 전자(Electronics)의 합성어이다. 항공기의 전자 시스템에는 항공기 통신 주소 지정 및 보고 시스템, 항공 항법, 비행 조종 시스템, 항공기 충돌 방지 시스템, 비행 기록 장치, 기상 레이더 및 번개 탐지기가 포함된다. 이는 경찰 헬리콥터의 탐조등처럼 단순할 수도 있고, 공중 조기 경보 플랫폼을 위한 전술 시스템처럼 복잡할 수도 있다.

 산업 

섬네일|업무 중인 산업공학자들
산업공학 분야는 다양한 제조 산업의 기계, 조립 및 공정 라인의 설계를 포함한다. 이 분야는 자동화 및 로봇공학 등과 다소 유사하다고 할 수 있다. 산업공학자로 일하는 기전공학자는 제조 공장의 인프라를 설계하고 개발한다. 또한 그들은 기계의 건축가라고도 할 수 있다. 산업 레이아웃을 설계하고 제조 산업 설립을 위한 계획을 세우는 산업 디자이너로 일하거나, 특정 공장의 기술적 요구 사항과 수리를 감독하는 산업 기술자로 일할 수 있다.

 로봇공학 

섬네일|ABB에서 제조한 산업용 로봇|left
로봇공학은 메카트로닉스에서 가장 새롭게 떠오르는 하부 분야 중 하나이다. 로봇에 대한 연구와 로봇이 어떻게 제조되고 작동되는지에 대한 연구이다. 2000년 이후로 이 메카트로닉스 분야는 많은 지원자들을 끌어들이고 있다. 로봇공학은 인간의 개입이 많이 필요하지 않다는 점에서 자동화와 상호 연관되어 있다. 수많은 공장, 특히 자동차 공장에서 로봇은 조립 라인에서 드릴링, 설치 및 피팅 작업을 수행한다. 로봇공학 전공을 위해서는 프로그래밍 기술이 필요하다. 로봇 작동을 위해서는 프로그래밍 언어인 ROBOTC에 대한 지식이 중요하다. 산업용 로봇은 메카트로닉 시스템의 대표적인 예로, 일상적인 업무를 수행하기 위해 전자, 기계 및 컴퓨팅의 측면을 포함한다.

 컴퓨터 

사물인터넷(IoT)은 물리적 장치들이 전자공학, 소프트웨어, 센서, 액추에이터 및 네트워크 연결을 갖추어 이 객체들이 자료를 수집하고 교환할 수 있게 하는 인터네트워킹이다. IoT와 메카트로닉스는 상호 보완적이다. 사물인터넷과 관련된 많은 스마트 부품들은 본질적으로 메카트로닉스적일 것이다. IoT의 발전은 기전공학자, 설계자, 실무자 및 교육자들이 메카트로닉 시스템과 부품을 인식, 설계 및 제조하는 방식을 연구하도록 강요하고 있다. 이를 통해 그들은 데이터 보안, 기계 윤리 및 인간-기계 인터페이스와 같은 새로운 문제에 직면할 수 있게 된다.

프로그래밍에 대한 지식은 매우 중요하다. 기전공학자는 예를 들어 PLC 프로그래밍, 드론 프로그래밍, 하드웨어 프로그래밍, CNC 프로그래밍 등 다양한 수준에서 프로그래밍을 해야 한다. 전자공학과의 결합으로 인해 컴퓨터 측면의 소프트 스킬이 중요하다. 기전공학자가 배워야 할 중요한 프로그래밍 언어로는 자바, 파이썬, C++ 및 C 프로그래밍 언어가 있다.

 직업 전망 
미국 노동통계국(BLS)에 따르면, 2016년에서 2026년 사이 메카트로닉스의 직업 전망은 4% 성장했으나, 2021년에서 2031년 사이에는 -4%로 감소했다가 2023년에서 2033년 사이에는 -1% 감소로 회복되었다. 현재 2024년부터 2034년까지의 예측은 1% 성장이다.

 같이 보기 
 사이버네틱스
 제어이론
 전기기계공학
 로봇공학
 시스템 공학
 바이오메카트로닉스

 각주 

 외부 링크 


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