일렉트로닉스

일렉트로닉스()는 전기 회로와 관련된 학문과 기술을 통틀어 이르는 말로, 전자공학이나 전기공학 등을 아울러 말한다. 일렉트로닉스는 물리학의 원리를 연구하고 적용하여 전자 및 기타 전하를 띤 입자를 조작하는 장치를 설계, 제작 및 작동하는 과학 및 엔지니어링 분야이다. 일렉트로닉스는 전기공학의 한 분야이지만, 트랜지스터, 다이오드, 집적회로 등의 능동 소자를 이용해 전류의 흐름을 제어, 증폭하고 전류를 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 데 중점을 둔다는 점에서 일렉트로닉스와 다르다. 교류(AC)에서 직류(DC)로, 또는 아날로그 신호에서 디지털 신호로. 일렉트로닉스는 또한 마이크로일렉트로닉스, 나노일렉트로닉스, 광전자 공학, 양자전자공학 분야를 포괄하며, 이는 미세, 나노, 광학 및 양자 규모의 전자 장치 제조 및 응용을 다루고 있다.

일렉트로닉스는 통신, 엔터테인먼트, 교육, 의료, 산업, 보안 등 현대 사회와 문화의 다양한 측면에 지대한 영향을 미친다. 일렉트로닉스 발전의 주요 원동력은 전자소자 및 회로의 기초 소재와 부품을 생산하는 반도체 산업이다. 반도체 산업은 세계 경제에서 가장 크고 가장 수익성이 높은 부문 중 하나이며, 2018년 연간 수익은 4,810억 달러를 초과했다. 일렉트로닉스 산업은 또한 전자 상거래와 같이 전자 장치 및 시스템에 의존하는 다른 부문도 포함한다. 2017년 온라인 매출이 29조 달러에 이른다.

 역사 및 발전 
섬네일|1914년 리 드 포레스트가 제작한 초기 오디온 라디오 수신기 중 하나

1874년 카를 페르디난트 브라운의 첫 번째 반도체 소자인 수정 검파기 개발과 1897년 조지프 존 톰슨 경에 의한 전자의 발견, 그리고 뒤이어 작은 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관의 발명은 전자공학 분야와 전자 시대의 서막을 열었다. 실질적인 응용은 1900년대 초 앰브로즈 플레밍의 다이오드 발명과 리 드 포레스트의 3극 진공관 발명으로 시작되었으며, 이를 통해 라디오 안테나로부터 오는 라디오 신호와 같은 미세한 전기 전압의 검출이 가능해졌다.

진공관(열전자 밸브)은 개별 전자의 흐름에 영향을 주어 전류 흐름을 제어하는 최초의 능동 전자 부품이었으며, 전류 증폭과 정류를 사용하는 장치 제작을 가능하게 하여 라디오, 텔레비전, 레이더, 장거리 텔레포니 등을 우리에게 선사했다. 초기 전자공학의 성장은 급격했으며, 1920년대에 이르러 상업적 라디오 방송과 전기 통신이 널리 보급되었고 전자 증폭기는 장거리 텔레포니 및 음악 녹음 산업과 같은 다양한 분야에서 사용되기 시작했다.

다음의 큰 기술적 도약은 수십 년이 지난 후인 1947년, 벨 연구소의 존 바딘과 월터 하우저 브래튼에 의해 최초의 작동하는 점접촉 트랜지스터가 발명되면서 나타났다.
그러나 진공관은 1980년대 중반까지 마이크로파 및 고전력 송신은 물론 텔레비전 수신기 분야에서 계속해서 주도적인 역할을 했다.
그 이후로는 반도체 소자가 거의 완전히 자리를 대체했다. 진공관은 여전히 고전력 RF 증폭기, 음극선관, 전문 오디오 장비, 기타 앰프 및 일부 자전관 장치와 같은 특수 분야에서 사용되고 있다.

1955년 4월, IBM 608은 진공관 없이 트랜지스터 회로를 사용한 최초의 IBM 제품이었으며 상업 시장을 위해 제조된 최초의 완전 트랜지스터화된 계산기로 여겨진다. 608 모델에는 3,000개 이상의 저마늄 트랜지스터가 포함되어 있었다. 토머스 J. 왓슨 주니어는 향후 모든 IBM 제품 설계에 트랜지스터를 사용하도록 명령했다. 그때부터 트랜지스터는 거의 독점적으로 컴퓨터 논리 회로와 주변 장치에 사용되었다. 그러나 초기 접합 트랜지스터는 상대적으로 크기가 크고 대량 생산이 어려워 일부 전문적인 응용 분야에만 국한되어 사용되었다.

MOSFET은 1955년에서 1960년 사이에 벨 연구소에서 발명되었다. 이것은 광범위한 용도를 위해 소형화 및 대량 생산이 가능한 진정한 의미의 첫 번째 소형 트랜지스터였다. MOSFET의 장점으로는 높은 확장성, 저렴한 가격, 낮은 전력 소비, 그리고 고밀도화를 들 수 있다. MOSFET은 전자공업에 혁명을 일으켰으며, 세계에서 가장 널리 사용되는 전자 소자가 되었다. MOSFET은 대부분의 현대 전자 장비의 기본 요소이다.
회로의 복잡성이 증가함에 따라 여러 문제가 발생했다. 한 가지 문제는 회로의 크기였다. 컴퓨터와 같은 복잡한 회로는 속도에 의존한다. 부품이 크면 부품들을 연결하는 전선도 길어져야 한다. 전기 신호가 회로를 통과하는 데 시간이 걸려 컴퓨터 속도가 느려지게 된다. 잭 킬비와 로버트 노이스에 의한 집적 회로의 발명은 모든 부품과 칩을 동일한 반도체 물질 블록(단일체)으로 만들어 이 문제를 해결했다. 회로를 더 작게 만들 수 있었고 제조 공정도 자동화할 수 있었다. 이는 단결정 규소 웨이퍼에 모든 부품을 통합한다는 아이디어로 이어졌으며, 1960년대 초의 소규모 집적(SSI), 1960년대 후반의 중규모 집적(MSI)을 거쳐 초고밀도 집적(VLSI)으로 발전했다. 2008년에는 10억 개의 트랜지스터가 포함된 프로세서가 상업적으로 판매되기 시작했다.

 하위 분야 

 아날로그 전자공학
 오디오 전자공학
 항공전자
 바이오일렉트로닉스
 회로 설계
 디지털 전자공학
 전자 부품
 임베디드 시스템
 집적 회로
 마이크로일렉트로닉스
 나노일렉트로닉스
 광전자 공학
 전력 전자공학
 인쇄 회로 기판
 반도체 소자
 센서
 전기 통신

 장치 및 부품 

섬네일|다양한 전자 부품들
전자 부품은 전자 시스템 또는 전자 장치 내의 능동 또는 수동 구성 요소를 말한다. 부품들은 대개 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜되어 함께 연결되며, 이를 통해 특정 기능을 수행하는 전자 회로를 형성한다. 부품들은 단일 패키지로 구성되거나 집적 회로와 같이 더 복잡한 그룹으로 패키징될 수 있다. 수동 전자 부품에는 축전기, 유도자, 저항기가 있으며, 능동 부품에는 전자 수준에서 전류 흐름을 제어하는 트랜지스터 및 사이리스터와 같은 반도체 소자가 포함된다.

 회로의 종류 
전자 회로의 기능은 아날로그와 디지털이라는 두 가지 기능 그룹으로 나눌 수 있다. 특정 장치는 두 유형 중 하나만으로 구성되거나 두 유형이 혼합된 회로로 구성될 수 있다. 많은 기능이 디지털화됨에 따라 아날로그 회로는 점차 줄어들고 있다.

 아날로그 회로 

아날로그 회로는 디지털 회로에서 사용되는 이산적인 수준과 달리 신호 처리를 위해 전압 또는 전류의 연속적인 범위를 사용한다. 초기 전자 기기에서 아날로그 회로는 라디오 수신기 및 송신기와 같은 장치 전반에 걸쳐 흔하게 사용되었다. 아날로그 전자 컴퓨터는 디지털 처리가 발전하기 전까지 연속 변수를 포함한 문제를 해결하는 데 유용하게 쓰였다.

반도체 기술이 발전함에 따라 아날로그 회로의 많은 기능이 디지털 회로에 의해 대체되었으며, 현대의 완전한 아날로그 회로는 드물어졌다. 그 기능은 하이브리드 방식으로 대체되고 있는데, 예를 들어 장치의 전면부에서 아날로그 신호를 수신할 때는 아날로그 회로를 사용하고, 그 이후에는 마이크로프로세서 기술을 이용한 디지털 처리를 사용하는 식이다.

때로는 선형 및 비선형 동작 요소가 모두 포함된 회로를 분류하기 어려울 수 있다. 전압 비교기가 그 예인데, 연속적인 전압 범위를 수신하지만 디지털 회로처럼 두 가지 수준 중 하나만 출력한다. 마찬가지로 과구동된 트랜지스터 증폭기는 기본적으로 두 단계의 출력을 갖는 제어된 개폐기의 특성을 띨 수 있다.

아날로그 회로는 엔터테인먼트 산업의 신호 증폭이나 산업 측정 및 제어 분야의 아날로그 센서 신호 처리 등에 여전히 널리 사용되고 있다.

 디지털 회로 

디지털 회로는 이산적인 전압 수준에 기초한 전기 회로이다. 디지털 회로는 불 논리를 사용하며 모든 디지털 컴퓨터와 마이크로프로세서 장치의 기초가 된다. 이들은 단순한 논리 회로부터 수백만 개의 게이트를 사용하는 대규모 집적 회로까지 다양하다.

디지털 회로는 논리 상태를 나타내기 위해 0과 1로 표시된 두 가지 전압 수준의 이진 시스템을 사용한다. 대개 논리 0은 낮은 전압(Low)으로, 논리 1은 높은 전압(High)으로 지칭된다. 그러나 일부 시스템은 반대의 정의를 사용하거나 전류를 기반으로 하기도 한다. 종종 설계자는 설계를 용이하게 하기 위해 한 회로에서 다음 회로로 넘어가며 이러한 정의를 임의로 뒤바꿀 수도 있다. 수준을 0 또는 1로 정의하는 것은 자의적이다.

3진법 컴퓨터(세 가지 상태를 가짐) 논리가 연구되었고 일부 시제품 컴퓨터가 제작되기도 했으나 실질적으로 널리 받아들여지지는 않았다.. 보편적으로 컴퓨터와 디지털 신호 처리 장치는 전자 논리 회로 내에서 이진 상태를 생성하기 위해 MOSFET과 같은 트랜지스터를 사용하는 디지털 논리 회로로 구축된다.
섬네일|디지털 전자공학에서 광범위하게 사용되는 논리 회로들
 논리 회로
 가산기
 플립플롭
 계수기
 프로세서 레지스터
 멀티플렉서
 슈미트 트리거

고밀도 집적 장치:
 메모리 칩
 마이크로프로세서
 마이크로컨트롤러
 주문형 집적 회로(ASIC)
 디지털 신호 처리 장치(DSP)
 FPGA
 필드 프로그래머블 아날로그 어레이(FPAA)
 단일 칩 시스템(SOC)

 설계 
전자 시스템 설계는 휴대 전화 및 컴퓨터와 같은 복잡한 전자 장치와 시스템의 다학제적 설계 문제를 다룬다. 이 주제는 전자 시스템의 설계 및 개발(제품 개발)에서부터 적절한 기능 유지, 서비스 수명 보장 및 폐기에 이르기까지 넓은 범위를 포괄한다. 따라서 전자 시스템 설계는 사용자의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 복잡한 전자 장치를 정의하고 개발하는 과정이다.

전자 이론의 복잡한 특성으로 인해 실험실에서의 실험은 전자 장치 개발의 중요한 부분이다. 이러한 실험은 엔지니어의 설계를 테스트하거나 검증하고 오류를 탐지하는 데 사용된다. 역사적으로 전자공학 실험실은 물리적 공간에 위치한 전자 장치와 장비들로 구성되었으나, 최근에는 CircuitLogix, Multisim, PSpice와 같은 전자 회로 시뮬레이션 소프트웨어 쪽으로 추세가 기울고 있다.

 컴퓨터 지원 설계 

오늘날의 전자 엔지니어들은 전원 공급 장치, 반도체(즉, 트랜지스터와 같은 반도체 소자), 집적 회로와 같이 미리 제조된 빌딩 블록을 사용하여 전자 회로를 설계할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어 프로그램에는 회로도 캡처 프로그램과 인쇄 회로 기판 설계 프로그램이 포함된다. EDA 소프트웨어 업계의 유명한 이름으로는 NI Multisim, Cadence(ORCAD), EAGLE PCB 및 Schematic, Mentor(PADS PCB 및 LOGIC Schematic), Altium(Protel), LabCentre Electronics(Proteus), GEDA, KiCad 등이 있다.

 부정적 특성 

 열 관리 

전자 회로에서 발생하는 열은 즉각적인 고장을 방지하고 장기적인 신뢰성을 향상시키기 위해 방산되어야 한다. 방열은 주로 수동적인 전도/대류를 통해 이루어진다. 더 큰 방열을 달성하기 위한 수단으로는 공랭식을 위한 히트 싱크와 팬이 있으며, 수랭과 같은 다른 형태의 컴퓨터 냉각 방식도 있다. 이러한 기술은 열에너지의 대류, 전도 및 복사를 이용한다.

 노이즈 

전자 노이즈는 유용한 신호에 중첩되어 정보 내용을 가리는 원치 않는 방해로 정의된다.IEEE Dictionary of Electrical and Electronics Terms  노이즈는 회로에 의해 발생하는 신호 왜곡과는 다르다. 노이즈는 모든 전자 회로와 관련이 있다. 노이즈는 전자기적 또는 열적으로 발생할 수 있으며, 회로의 작동 온도를 낮춤으로써 줄일 수 있다. 푸아송 잡음과 같은 다른 유형의 노이즈는 물리적 특성의 한계로 인해 제거할 수 없다.

 패키징 방법 


부품을 연결하는 많은 다양한 방법이 수년에 걸쳐 사용되어 왔다. 예를 들어, 초기 전자 기기에서는 회로를 구성하기 위해 나무 빵판에 부품을 부착한 점대점 배선을 자주 사용했다. 코드우드 구조와 와이어 래핑 또한 사용된 방법들이었다. 오늘날 대부분의 현대 전자 기기는 FR-4나 FR-2와 같은 재료로 만든 인쇄 회로 기판을 사용한다. 전자 부품은 일반적으로 스루홀 또는 표면 실장 방식을 사용하여 PCB에 장착된다.

전자 제품 조립과 관련된 건강 및 환경적 우려는 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 관심을 받고 있다.

 산업 

전자공업은 다양한 분야로 구성된다. 전체 전자 산업의 핵심 원동력은 반도체 산업이며, 2018년 기준 연간 매출액은 4,810억 달러가 넘는다. 가장 큰 산업 부문은 전자 상거래로, 2017년에 29조 달러 이상의 매출을 기록했다. 가장 많이 제조된 전자 소자는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로, 1960년에서 2018년 사이에 약 130해(垓) 개의 MOSFET이 제조된 것으로 추산된다. 1960년대에 미국 제조업체들은 저렴한 가격에 고품질 제품을 생산할 수 있었던 소니 및 히타치와 같은 일본 기업들과 경쟁할 수 없었다. 그러나 1980년대에 들어서 미국 제조업체들은 반도체 개발 및 조립 분야에서 세계적인 리더가 되었다.

하지만 1990년대와 그 이후에 풍부하고 저렴한 노동력 및 점증하는 기술적 정교함이 널리 가능해짐에 따라 산업은 압도적으로 동아시아로 이동했다(이 과정은 1970년대 마이크로칩 대량 생산의 초기 이동과 함께 시작되었다).Shih, Willy (하바드 경영대학원): "Congress Is Giving Billions To The U.S. Semiconductor Industry. Will It Ease Chip Shortages?"  transcript, August 3, 2022, Forbes, retrieved September 12, 2022Lewis, James Andrew: "Strengthening a Transnational Semiconductor Industry",  June 2, 2022, Center for Strategic and International Studies (CSIS), retrieved September 12, 2022

30년이 넘는 기간 동안 미국의 글로벌 반도체 제조 역량 점유율은 1990년 37%에서 2022년 12%로 떨어졌다. 미국의 저명한 반도체 제조업체인 인텔은 제조 기술 면에서 하청업체인 대만 반도체 제조 회사(TSMC)에 크게 뒤처지게 되었다.

그 무렵 대만은 세계에서 가장 앞선 반도체의 주요 공급원이 되었으며, 그 뒤를 대한민국, 미국, 일본, 싱가포르, 중화인민공화국이 잇고 있다.

중요한 반도체 산업 시설(종종 다른 곳에 본사를 둔 주요 생산업체의 자회사인 경우가 많음)은 유럽(특히 네덜란드), 동남아시아, 남미 및 이스라엘에도 존재한다.

 같이 보기 
 오디오 엔지니어
 항공전자
 방송공학
 컴퓨터 공학
 전자공학
 광자학
 로봇공학
 AI

 각주 

 외부 링크