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산업 분야에서 클라우드 컴퓨팅 기술로 강화된 가상 물리 시스템은 인더스트리 4.0의 길을 열었던 새로운 접근 방식을 이끌었다. 이는 슈나이더 일렉트릭, SAP, 허니웰, 마이크로소프트 등과 같은 파트너와 함께 유럽 위원회 IMC-AESOP 프로젝트에서 시연되었다. 디지털 농업 (또는 정밀 농업) 분야에서는 CPS 기술이 토양 품질 및 수분 함량 측정, 적절한 관개 또는 비료 또는 살충제 사용 수준 결정을 위해 사용된다.
임베디드 및 가상 물리 시스템 개발의 과제는 소프트웨어 및 기계 공학과 같이 관련된 다양한 엔지니어링 분야 간의 설계 관행에 큰 차이가 있다는 점이다. 또한 오늘날 CPS의 관련된 모든 분야에 공통된 설계 관행 측면의 "언어"가 없다. 오늘날 빠른 혁신이 필수적이라고 가정되는 시장에서 모든 분야의 엔지니어는 시스템 설계를 협력적으로 탐색하고, 소프트웨어 및 물리적 요소에 책임을 할당하고, 그들 간의 절충점을 분석할 수 있어야 한다. 최근의 발전은 공동 시뮬레이션을 사용하여 분야를 연결하면 새로운 도구나 설계 방법을 강요하지 않고도 분야들이 협력할 수 있음을 보여준다. MODELISAR 프로젝트의 결과는 기능 목업 인터페이스 형태의 공동 시뮬레이션을 위한 새로운 표준을 제안함으로써 이 접근 방식이 실현 가능하다는 것을 보여준다.
미국 국립과학재단 (NSF)은 가상 물리 시스템을 핵심 연구 분야로 지정했다. NSF는 CPS 프로그램을 통해 CPS 기술을 크게 발전시키기 위한 대규모 "프론티어" 프로젝트 (각 500만~700만 달러)에 자금을 지원한다. 2006년 말부터 NSF와 기타 미국 연방 기관들은 가상 물리 시스템에 관한 여러 워크숍을 후원했다.
폴리염화 다이벤조다이옥신(polychlorinated dibenzodioxins, PCDD) 또는 간단히 다이옥신(dioxins)은 주로 인위적으로 생성되며 환경에 독성 및 잔류성 유기 오염을 유발하는 오래 지속되는 폴리할로젠화 유기 화합물 그룹이다.
모든 PCDD 분자가 중앙 1,4-다이옥신을 포함하는 다이벤조-1,4-다이옥신 골격 구조를 가지므로, 간단하게 다이옥신이라고 흔히 불리지만 이는 정확하지 않다. PCDD 계열의 구성원은 친유성 특성 때문에 인간과 야생생물에게 생체 축적되며 발달 장애와 암을 유발할 수 있다.
다이옥신은 환경에서 100년 이상 지속될 수 있기 때문에 오늘날 PCDD 오염의 대부분은 최근 배출의 결과가 아니라 20세기 초부터 시작된 합성 공정의 누적 결과이다. 여기에는 유기염소 관련 제조, 폴리염화 비닐(PVC)과 같은 염소 함유 물질 소각, 종이의 염소 표백 등이 포함된다. 산불과 화산 폭발도 대기 중 원인으로 언급되었지만, 현재 PCDD 축적 수준에 대한 기여는 상대적으로 미미하다. 산업 배출 및 사고로 인한 다이옥신 중독 사건은 산업 혁명 중인 19세기 중반부터 처음 기록되었다.
"다이옥신"이라는 단어는 다른 유사한 작용을 하는 염소화 화합물(참조: 다이옥신)을 지칭하기도 한다.
다이벤조-1,4-다이옥신의 화학 구조.
다이벤조-1,4-다이옥신의 구조는 두 개의 산소 다리로 연결된 두 개의 벤젠 고리로 구성된다. 이로 인해 이 화합물은 방향족 다이에터가 된다. 다이옥신이라는 이름은 두 개의 측면 벤젠 고리에 의해 안정화된 중앙의 두 산소화된 고리를 공식적으로 지칭한다.
PCDD에서 염소 원자는 분자의 1-4 및 6-9 위치에 있는 8개의 다른 위치 중 어느 한 곳에 이 구조에 부착된다. 75가지 다른 PCDD 동족체(즉, 관련 다이옥신 화합물)가 있다.
PCDD의 독성은 염소 원자의 수와 위치에 따라 달라진다. 2, 3, 7, 8 위치에 염소를 가진 동족체는 상당히 독성이 있는 것으로 밝혀졌다. 실제로 7개의 동족체가 세계보건기구(WHO) 독성 등가 (WHO-TEQ) 계획에 따라 독성이 있다고 간주되는 관련 위치에 염소 원자를 가지고 있다.
산업화 이전에 자연 연소 및 지질학적 과정의 결과로 자연에 소량의 다이옥신이 존재했다. 다이옥신은 1848년부터 독일에서 르블랑 공정 공장이 가동되기 시작하면서 의도치 않게 부산물로 처음 생산되었다. 염소화 다이벤조다이옥신의 첫 의도적인 합성은 1872년에 이루어졌다. 오늘날 다이옥신 농도는 모든 인간에게서 발견되며, 더 산업화된 국가에 사는 사람들에게서 더 높은 수준이 일반적으로 발견된다. 가장 독성이 강한 다이옥신인 2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신 (TCDD)은 말라야 비상사태와 베트남 전쟁에서 사용된 제초제인 에이전트 오렌지의 오염 물질로 잘 알려졌다. 나중에 다이옥신은 미주리주 타임스 비치와 뉴욕주 러브 커낼, 이탈리아 세베소에서 발견되었다. 더 최근에는 2004년 우크라이나 대통령 빅토르 유셴코의 중독, 나폴리 모차렐라 위기, 2008년 아일랜드 돼지고기 위기, 그리고 2010년 독일 사료 위기로 다이옥신이 뉴스에 나왔다.
다이옥신 발생원.
미국 환경보호청의 다이옥신 유사 화합물 발생원 목록은 다이옥신 발생원 및 방출에 대한 가장 포괄적인 검토일 수 있지만, 다른 국가들도 상당한 연구를 진행하고 있다.
일부 화학공업 종사자들, 특히 염소화 페놀 또는 클로로페녹시산 제초제 제조자 또는 화학 물질, 특히 제초제 적용 종사자들에게 직업적 노출은 문제이다. 많은 선진국에서는 이제 배출 규제가 있어 배출량이 크게 감소했으며 이에 따라 일부 우려가 완화되었지만, 다이옥신 배출에 대한 지속적인 샘플링 부족은 배출량의 과소 평가에 대한 우려를 낳는다. 벨기에에서는 AMESA라는 공정 도입을 통해 지속적인 샘플링 결과 주기적인 샘플링이 배출량을 30~50배 과소 평가했음을 보여주었다. 지속적인 샘플링을 하는 시설은 거의 없다.
다이옥신은 유기물이 염소가 존재하는 상태에서 연소될 때 소량으로 생성된다. 염소가 염화 이온으로 존재하든 유기염소 화합물로 존재하든 관계없이 다양한 환경에서 광범위하게 생성된다. 가장 최근의 미국 환경보호청 자료에 따르면, 다이옥신의 주요 발생원은 다음과 같다.
1987년에 처음 수행된 미국 환경보호청의 다이옥신 발생원 초기 조사에서 소각이 알려진 다이옥신 발생원의 80% 이상을 차지하는 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 미국 환경보호청은 새로운 배출 요건을 시행했다. 이러한 규제는 소각로에서 다이옥신 스택 배출량을 줄이는 데 성공했다. 생활폐기물, 의료 폐기물, 하수 슬러지, 유해 폐기물의 소각은 이제 전체 다이옥신 배출량의 3% 미만을 생산한다. 그러나 1987년 이후 뒷마당 드럼 연소는 거의 감소하지 않았으며, 이제는 전체 배출량의 약 3분의 1을 생산하는 가장 큰 다이옥신 배출원이다.
소각 과정에서 다이옥신은 배기가스가 600~200°C의 온도 범위로 냉각됨에 따라 굴뚝 위의 대기 중에서 재형성되거나 새로 형성될 수도 있다. 다이옥신이 재형성되거나 새로 형성되는 양을 줄이는 가장 일반적인 방법은 400°C 범위에서 배기가스를 빠르게(30밀리초) 담금질하는 것이다. 새로운 배출 통제 요구사항의 결과로 소각로의 다이옥신 배출량은 90% 이상 감소했다. 선진국의 소각은 이제 다이옥신 배출에 아주 미미한 기여를 한다.
다이옥신은 연소와 관련 없는 반응에서도 생성된다. 예를 들어, 종이나 직물을 위한 염소 표백 섬유, 그리고 염소화 페놀 제조, 특히 반응 온도가 제대로 제어되지 않을 때 발생한다. 관련된 화합물에는 목재 방부제인 펜타클로로페놀과 2,4-디클로로페녹시 초산(2,4-D) 및 2,4,5-트리클로로페녹시 초산(2,4,5-T)과 같은 제초제가 포함된다. 염소화 수준이 높을수록 더 높은 반응 온도가 필요하며 다이옥신 생성이 증가한다. 다이옥신은 또한 일반적인 항균 화합물인 트리클로산의 광화학적 분해 과정에서도 형성될 수 있다.
인체 섭취원.
세계보건기구와 여러 정부는 허용 가능한 일일, 월간 또는 연간 섭취량을 설정했다. 다이옥신은 지방에 용해되며 먹이 사슬을 쉽게 오르기 때문에 거의 전적으로 음식 섭취, 특히 생선, 육류 및 유제품 섭취를 통해 일반 인구로 유입된다.
어린이들은 어머니로부터 상당한 양의 체내 축적량을 물려받으며, 모유 수유는 어린이의 체내 축적량을 증가시킨다. 다이옥신 노출은 펜타클로로페놀(Penta) 처리 목재와의 접촉을 통해서도 발생할 수 있는데, 펜타클로로페놀에는 종종 다이옥신이 오염 물질로 포함되어 있기 때문이다. 모유 수유 중 어린이의 일일 섭취량은 체중을 기준으로 성인의 섭취량보다 여러 배 높은 경우가 많다. 이 때문에 WHO 자문단은 여성이 첫 임신 전에 유해한 체내 축적량을 쌓는 것을 방지하기 위해 허용 가능한 섭취량을 평가했다. 모유 수유를 한 아이들은 일반적으로 모유 수유를 하지 않은 아이들보다 다이옥신 체내 축적량이 더 높다. 세계보건기구는 다른 이점 때문에 여전히 모유 수유를 권장한다. 많은 국가에서 지난 20년간 모유 속 다이옥신 수치가 90%까지 감소했다.
다이옥신은 담배 연기에 존재한다. 담배 연기 속 다이옥신은 미국 환경보호청이 "다이옥신 재평가"(1995)에서 "과소 연구된" 것으로 언급되었다. 같은 문서에서 미국 환경보호청은 담배 속 다이옥신이 "인위적"(사람이 만든, "자연에서는 없을 것 같은")이라고 인정했다.
다이옥신은 주로 지방 섭취를 통해 흡수되는데, 이는 다이옥신이 동물과 인간의 체내에 축적되는 곳이기 때문이다. 인간의 경우 고도로 염소화된 다이옥신은 지방 조직에 저장되며 쉽게 대사되거나 배설되지 않는다. 고도로 염소화된 다이옥신(염소 원자 4~8개)의 인간 체내 추정 반감기는 4.9년에서 13.1년 범위이다.
동물 체내에 특정 다이옥신 동족체가 잔류하는 것은 그 구조의 결과로 생각된다. 측면(2, 3, 7, 8) 염소가 없어 인접한 탄소 쌍에 수소 원자를 포함하는 다이옥신은 사이토크롬 P450에 의해 더 쉽게 산화될 수 있다. 산화된 다이옥신은 오랜 기간 저장되기보다는 더 쉽게 배설될 수 있다.
2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신(TCDD)은 동족체 중 가장 독성이 강한 것으로 간주된다(작용 메커니즘은 2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신 및 아릴 탄화수소 수용체 참조). 다이옥신 유사 독성을 가진 PCDFs 및 PCBs를 포함한 다른 다이옥신 동족체는 0에서 1까지의 독성 등급이 부여되며, TCDD는 1이다(참조: 다이옥신). 이 독성 등급을 독성 등가 계수 개념 또는 TEF라고 한다. TEF는 합의된 값이며, 독성에 대한 종 의존성이 강하기 때문에 포유류, 어류, 조류에 대해 별도로 나열된다. 포유류 종에 대한 TEF는 일반적으로 인간 위험 계산에 적용 가능하다. TEF는 위험 평가 및 규제 통제를 용이하게 하기 위해 문헌 데이터에 대한 상세한 평가를 통해 개발되었다. 다른 많은 화합물도 다이옥신 유사 특성을 가질 수 있는데, 특히 비정오 PCBs 중 하나는 TEF가 0.1만큼 높다.
총 다이옥신 독성 등가(TEQ) 값은 혼합물이 순수한 TCDD인 경우의 독성을 나타낸다. TEQ 접근법과 현재의 TEF는 다이옥신 혼합물의 잠재적 건강 위험을 추정하는 가장 적절한 방법으로 국제적으로 채택되었다. 최근 데이터는 이러한 유형의 단순한 스케일링 인자가 복잡한 다이옥신 혼합물에 대한 가장 적절한 처리법이 아닐 수 있음을 시사한다. 공급원으로부터의 전달과 흡수 및 배출은 동족체마다 다르며, TEF 값은 이를 정확하게 반영할 수 없다.
다이옥신 및 기타 잔류성 유기 오염 물질 (POPs)은 스톡홀름 협약의 대상이다. 이 조약은 서명국들에게 모든 다이옥신 발생원을 가능한 한 제거하고 제거할 수 없는 경우 최소화하는 조치를 취하도록 의무화한다.
인체 건강 영향.
다이옥신은 시간이 지남에 따라 주로 지방 조직에 축적되므로(생체 축적) 적은 노출도 결국 위험한 수준에 도달할 수 있다. 1994년 미국 환경보호청은 다이옥신이 잠재적 발암물질이라고 보고했지만, 비암성 효과(생식 및 성 발달, 면역계)가 인체 건강에 더 큰 위협이 될 수 있다고 지적했다. 다이벤조다이옥신 중 가장 독성이 강한 2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신 (TCDD)은 국제 암 연구 기관 (IARC)에 의해 그룹 1 발암물질로 분류된다. TCDD는 인간 체내에서 약 8년의 반감기를 가지지만, 고농도에서는 대사에 의해 배설 속도가 증가한다. 다이옥신의 건강 영향은 세포 수용체인 아릴 탄화수소 수용체(AhR)에 대한 작용에 의해 매개된다.
인간이 다이옥신에 고농도로 노출되면 염소성 여드름으로 알려진 심한 형태의 지속적인 여드름을 유발한다. 역학 연구에 따르면 직업적 또는 우발적으로 다이옥신에 고농도로 노출되면 모든 부위에서 종양 발생 위험이 증가하는 것으로 나타났다. 인간에게 나타나는 다른 영향(고용량 수준에서)은 다음과 같다.
최근 연구에 따르면 다이옥신에 고농도로 노출되면 인구 집단에서 남아와 여아 출생 비율이 변하여 여아 출생률이 높아지는 것으로 나타났다.
다이옥신은 다른 염소화 화합물과 유사한 방식으로 먹이 사슬에 축적된다(생체 축적). 이는 오염된 물에 소량의 농도로 존재하더라도 다이옥신의 긴 생물학적 반감기와 낮은 수용성 때문에 먹이 사슬을 통해 위험한 수준으로 농축될 수 있음을 의미한다.
동물에 미치는 독성 효과.
인간에게 특정한 건강 영향을 확인하는 것이 통제된 용량 실험 부족으로 인해 어려웠지만, 동물 연구에서는 다이옥신이 다양한 독성 영향을 일으킨다는 것이 밝혀졌다. 특히, TCDD는 기형 유발, 변이원성, 발암성, 면역독성, 간독성을 유발하는 것으로 나타났다. 또한, 여러 내분비 및 성장 인자 시스템의 변화도 보고되었다. 여러 종에서 관찰되는 가장 민감한 효과는 면역계, 신경계, 생식계에 대한 영향을 포함한 발달 효과인 것으로 보인다. 가장 민감한 효과는 인간에게서 보고된 체내 축적량과 비교적 가까운 수준에서 발생한다.
TCDD 독성이 연구된 동물들 중에서 다음과 같은 효과에 대한 강력한 증거가 있다.
다이옥신의 LD50은 햄스터와 기니피그라는 겉보기에는 유사한 종 사이의 현저한 차이를 포함하여 종마다 크게 다르다. 기니피그의 경구 LD50은 체중 킬로그램당 0.5~2μg으로 낮을 수 있는 반면, 햄스터의 경구 LD50은 체중 킬로그램당 1~5mg으로 천 배 이상 차이가 날 수 있으며, 쥐의 품종 사이에서도 천 배 차이가 날 수 있다.
에이전트 오렌지.
에이전트 오렌지는 1961년부터 1971년까지 베트남 전쟁 중 랜치 핸드 작전의 일환으로 미군이 제초 전쟁 프로그램의 일부로 사용했던 제초제 및 고엽제 중 하나에 대한 암호명이었다. 그것은 2,4,5-T와 2,4-D의 혼합물이었다. 사용된 2,4,5-T는 극히 독성이 강한 다이옥신 화합물인 2,3,7,8-테트라클로로다이벤조다이옥신 (TCDD)으로 오염되어 있었다.
베트남 전쟁 중 1962년부터 1971년까지 미군은 랜치 핸드 작전의 일환으로 베트남, 동부 라오스, 캄보디아 일부 지역에 의 화학 제초제와 고엽제를 살포했다.
1971년까지 남베트남 전체 면적의 12%가 고엽제 화학 물질로 살포되었으며, 이는 종종 USDA 법적 한도보다 13배 높은 비율로 적용되었다. 남베트남에서만 약 1천만 헥타르의 농경지가 파괴되었다. 일부 지역에서는 토양과 물의 TCDD 농도가 미국 환경보호청이 안전하다고 간주하는 수준보다 수백 배 높았다.
베트남 외교부에 따르면 480만 명의 베트남인이 에이전트 오렌지에 노출되어 40만 명이 사망하거나 신체 장애를 입었으며, 50만 명의 어린이가 선천적 결함을 가지고 태어났다. 베트남 적십자는 에이전트 오렌지 오염으로 인해 최대 100만 명이 장애를 입거나 건강 문제를 겪고 있다고 추정한다. 미국 정부는 이러한 수치가 신뢰할 수 없고 비현실적으로 높다고 이의를 제기했다.
다이옥신 검사.
이러한 화합물의 상대적 독성을 결정하는 데 사용되는 분석법은 기존의 전통적인 분석 결정 방법과 다른 공통 요소를 공유한다. 다이옥신 및 관련 분석에 선호되는 방법은 고해상도 가스 크로마토그래피/질량 분광법(HRGC/HRMS)을 사용한다. 농도는 분석물과 적절한 동위 원소 표지 내부 표준 물질의 비율을 측정하여 결정된다.
또한 DR CALUX와 같은 새로운 생물학적 검정법이 현재 다이옥신 및 다이옥신 유사 화합물 식별에 사용된다. HRGC/HRMS에 비해 이점은 더 낮은 비용으로 많은 샘플을 스캔할 수 있다는 것이다. 또한 발암 효과를 담당하는 Ah-수용체와 상호 작용하는 모든 화합물을 감지할 수 있다.
형식 동등성 검사(formal equivalence checking) 과정은 전자 설계 자동화(EDA)의 일부로, 디지털 집적 회로 개발 중에 일반적으로 사용되며, 회로 설계의 두 표현이 정확히 동일한 동작을 보이는지 정형적으로 증명하는 데 사용된다.
동등성 검사 및 추상화 수준.
일반적으로 기능적 동등성의 정의는 광범위하며, 다양한 추상화 수준과 타이밍 세부 사항의 세분성을 비교하는 것을 포함한다.
동기 기계 동등성.
디지털 칩의 레지스터 전송 수준(RTL) 동작은 일반적으로 베릴로그 또는 VHDL과 같은 하드웨어 기술 언어로 기술된다. 이 설명은 어떤 작동이 어떤 클록 사이클에 어떤 하드웨어 조각에 의해 실행될 것인지를 상세히 기술하는 골든 레퍼런스 모델이다. 논리 설계자들이 시뮬레이션 및 다른 검증 방법을 통해 레지스터 전송 설명을 검증하면, 설계는 일반적으로 논리 합성 도구에 의해 넷리스트로 변환된다. 동등성은 기능 검증에 의해 결정되어야 하는 기능적 정확성과 혼동되어서는 안 된다.
초기 넷리스트는 일반적으로 최적화, 테스트를 위한 설계 (DFT) 구조 추가 등 여러 변환을 거친 후, 논리 요소의 물리적 레이아웃 배치를 위한 기초로 사용된다. 현대의 물리적 설계 소프트웨어는 때때로 넷리스트에 상당한 수정(예: 논리 요소를 더 높은 또는 낮은 구동 강도 및 면적을 가진 동등한 유사 요소로 교체)을 가하기도 한다. 매우 복잡하고 다단계적인 절차의 모든 단계에서 원래의 기능과 원래 코드로 설명된 동작이 유지되어야 한다. 디지털 칩의 최종 테이프 아웃이 이루어질 때, 많은 다른 EDA 프로그램과 어쩌면 수동 편집이 넷리스트를 변경했을 것이다.
이론적으로, 논리 합성 도구는 첫 번째 넷리스트가 RTL 소스 코드와 논리적으로 동등함을 보장한다. 이 과정의 후반부에 넷리스트를 변경하는 모든 프로그램도 이론적으로 이러한 변경이 이전 버전과 논리적으로 동등함을 보장한다.
실제로는 프로그램에 버그가 있으며, RTL에서 최종 테이프 아웃 넷리스트까지의 모든 단계가 오류 없이 수행되었다고 가정하는 것은 큰 위험이 될 것이다. 또한 실제로는 설계자들이 넷리스트에 수동 변경을 가하는 것이 일반적이며, 이를 일반적으로 엔지니어링 변경 지시 (ECO)라고 하는데, 이는 주요 추가 오류 요인을 도입한다. 따라서 오류가 없었다고 맹목적으로 가정하는 대신, 넷리스트의 최종 버전과 설계의 원래 설명(골든 레퍼런스 모델)의 논리적 동등성을 확인하기 위한 검증 단계가 필요하다.
텔레포니(telephony)는 멀리 떨어진 사람들 간에 음성, 팩시밀리, 또는 자료의 전자 전송을 목적으로 하는 전기 통신 서비스의 개발, 응용 및 배포와 관련된 기술 분야이다. 텔레포니의 역사는 전화의 발명 및 개발과 밀접하게 연결되어 있다.
텔레포니는 일반적으로 전화 및 전화 시스템의 구축 또는 운영과 전화 장비가 유선 또는 무선으로 지점 간에 음성 또는 기타 소리를 전송하는 데 사용되는 통신 시스템을 의미한다. 이 용어는 전통적으로 전화 장비가 수행하던 기능을 수행하는 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어 및 컴퓨터 망 시스템을 지칭하는 데에도 자주 사용된다. 이 맥락에서 이 기술은 특히 인터넷 텔레포니 또는 음성 인터넷 프로토콜(VoIP)이라고 불린다.
초기 전화는 쌍으로 직접 연결되었다. 각 사용자는 연결될 각 위치에 별도의 전화가 유선으로 연결되어 있었다. 이것은 사용자가 소수의 사람들과 통신하기를 원할 때 빠르게 불편하고 관리하기 어려워졌다. 전화 교환기의 발명은 지역 서비스 지역 내에서 다른 모든 전화와 전화 연결을 설정하는 해결책을 제공했다. 각 전화는 처음에 하나의 선으로, 나중에는 한 쌍의 선인 지역 루프로 교환기에 연결되었다. 다른 서비스 지역의 인근 교환기는 트렁크 회선으로 연결되었고, 여러 교환기를 통해 통화를 중계함으로써 장거리 서비스를 설정할 수 있었다.
처음에는 교환기 전화 교환대는 일반적으로 "전화교환원"이라고 불리는 교환원이 수동으로 작동했다. 고객이 전화기 핸들을 돌리면 교환원 앞의 보드에 표시등이 활성화되었고, 교환원은 이에 반응하여 교환원 헤드셋을 해당 잭에 꽂고 서비스를 제공했다. 발신자는 수신자의 이름을, 나중에는 번호를 물었고, 교환원은 회로의 한쪽 끝을 수신자 잭에 연결하여 그들에게 알렸다. 수신 스테이션이 응답하면 교환원은 헤드셋을 분리하고 스테이션 간 회로를 완료했다. 트렁크 통화는 네트워크의 다른 교환기의 다른 교환원의 도움을 받아 이루어졌다.
1970년대까지 대부분의 전화는 고객 구내에 설치된 전화선에 영구적으로 연결되어 있었다. 나중에는 구내 배선을 종단하는 잭 설치로 전환되어 전화 플러그를 사용하여 전화기를 간단히 교체할 수 있었고, 잭이 설치된 구내의 여러 위치로 전화기를 휴대할 수 있게 되었다. 모든 잭으로 연결되는 구내 배선은 건물을 케이블에 연결하는 와이어 드롭에 한 곳에 연결되었다. 케이블은 일반적으로 지역 접속망 전체에서 많은 수의 드롭 와이어를 하나의 와이어 센터 또는 전화 교환기로 가져온다. 전화 사용자가 전화 통화를 하려고 할 때, 교환기의 장비는 다이얼된 전화번호를 조사하고 해당 전화선을 동일한 와이어 센터의 다른 회선 또는 원거리 교환기로 가는 트렁크에 연결한다. 전 세계 대부분의 교환기는 더 큰 교환 시스템을 통해 상호 연결되어 공중 교환 전화망(PSTN)을 형성한다.
20세기 후반에는 팩스와 데이터가 음성 전달을 위해 생성된 네트워크의 중요한 보조 응용 프로그램이 되었고, 세기 말에는 네트워크의 일부가 종합 정보 통신망 및 DSL로 업그레이드되어 이러한 트래픽 처리를 개선했다.
오늘날 텔레포니는 전화 서비스 및 시스템 제공에 디지털 회로(디지털 텔레포니) 기술을 사용한다. 전화 통화는 디지털 방식으로 제공될 수 있지만, 마지막 구간이 디지털이거나 디지털 및 아날로그 신호 간의 변환이 전화기 내부에서 이루어지는 경우로 제한될 수 있다. 이러한 발전은 통신 비용을 절감하고 음성 서비스 품질을 향상시켰다. 이의 첫 번째 구현인 종합 정보 통신망은 전화선을 통해 모든 데이터 전송을 끝에서 끝까지 신속하게 허용했다. 이 서비스는 나중에 인터넷 프로토콜 스위트를 기반으로 디지털 서비스를 제공하는 기능으로 인해 중요성이 크게 감소했다.
1980년대 개인용 컴퓨터 기술의 출현 이후, 컴퓨터 전화 통합(CTI)은 전화번호부 서비스 및 발신자 ID를 통한 음성, 팩스 및 데이터 통화와 같이 컴퓨터로 시작하고 제어되는 더욱 정교한 전화 서비스를 점진적으로 제공해 왔다. 텔레포니 소프트웨어와 컴퓨터 시스템의 통합은 사무 자동화 발전의 주요 발전이다. 이 용어는 콜 센터의 컴퓨터화된 서비스를 설명하는 데 사용되는데, 예를 들어 통화하는 기업의 올바른 부서로 전화를 연결하는 것과 같은 서비스이다. 또한 개인용 컴퓨터를 사용하여 전화 통화를 시작하고 관리하는 기능(이 경우 컴퓨터를 개인 콜 센터로 생각할 수 있음)을 지칭하는 데에도 때때로 사용된다.
디지털 텔레포니.
디지털 텔레포니는 전화 시스템 및 서비스의 작동 및 제공에 디지털 회로를 사용하는 것이다. 20세기 후반부터 디지털 코어 네트워크는 전통적인 아날로그 전송 및 신호 시스템을 대체했으며, 접속망의 많은 부분도 디지털화되었다.
1947년 벨 연구소에서 시작된 트랜지스터 기술의 개발부터 1950년대의 앰프 및 스위칭 회로까지, 공중 교환 전화망(PSTN)은 점차 솔리드 스테이트 전자제품 및 자동화로 전환되었다. 금속 산화물 반도체(MOS) 및 펄스 부호 변조(PCM) 기술을 통합한 컴퓨터 기반 전자교환기 시스템의 개발에 이어, PSTN은 점차 신호의 디지털화 및 오디오 전송으로 발전했다. 그 이후로 디지털 텔레포니는 네트워크의 용량, 품질 및 비용을 획기적으로 향상시켰다. 디지털화는 동일한 채널에서 광대역 음성을 허용하며, 더 넓은 아날로그 음성 채널의 품질을 향상시켰다.
디지털 시그널 1(DS1/T1) 캐리어 시스템을 사용하여 전송 네트워크로 수정 및 업그레이드된 최초의 종단 간 아날로그 전화 네트워크는 1960년대 초로 거슬러 올라간다. 이들은 대역폭이 제한된 아날로그 음성 신호를 샘플링하고 펄스 부호 변조(PCM)를 사용하여 인코딩함으로써 기본 3 kHz 음성 채널을 지원하도록 설계되었다. 초기 PCM 코덱-필터는 수동 저항기축전기유도자 필터 회로로 구현되었으며, 아날로그-디지털 변환회로(음성 디지털화를 위해) 및 디지털-아날로그 변환회로(음성 재구성을 위해)는 이산 장치에 의해 처리되었다. 초기 디지털 텔레포니는 초기 PCM 코덱-필터의 낮은 성능과 높은 비용으로 인해 비실용적이었다.
실용적인 디지털 통신은 MOSFET의 발명으로 가능해졌으며, 이는 PCM 디지털 텔레포니의 빠른 개발과 광범위한 채택으로 이어졌다. 1957년, Frosch와 Derick은 벨 연구소에서 최초의 이산화규소 전계 효과 트랜지스터를 제조할 수 있었는데, 이는 드레인과 소스가 표면에서 인접한 최초의 트랜지스터였다. 이어서, 한 팀이 1960년 벨 연구소에서 작동하는 MOSFET을 시연했다. MOS 기술은 벨에서 아날로그 전화 응용 프로그램에 실용적이지 않다고 판단하여 처음에는 간과되었지만, 페어차일드 반도체와 RCA (기업)에 의해 컴퓨터와 같은 디지털 회로용으로 상업화되었다.
MOS 기술은 결국 전 벨 엔지니어 데이비드 A. 호지스가 1970년대 초 UC 버클리에서 폴 R. 그레이와 함께 개발한 단일 칩에 아날로그 및 디지털 신호 처리를 결합한 MOS 혼합 신호 집적회로로 전화 응용 프로그램에 실용화되었다. 1974년에 호지스와 그레이는 R.E. 수아레즈와 함께 MOS 스위치드 커패시터(SC) 회로 기술을 개발했으며, 이를 사용하여 데이터 변환을 위한 MOS 축전기와 MOSFET 스위치를 사용하는 디지털-아날로그 변환회로(DAC) 칩을 개발했다. MOS 아날로그-디지털 변환회로(ADC) 및 DAC 칩은 1974년까지 상업화되었다.
MOS SC 회로는 1970년대 후반에 PCM 코덱-필터 칩의 개발로 이어졌다. 1980년에 호지스와 W.C. 블랙이 개발한 실리콘 게이트 CMOS (상보성 MOS) PCM 코덱-필터 칩은 그 이후로 디지털 텔레포니의 산업 표준이 되었다. 1990년대까지 통신 네트워크는 초고밀도 집적 회로(VLSI) CMOS PCM 코덱-필터로 크게 디지털화되었으며, 이는 전화 교환기, 사설 교환기(PBX) 및 키 전화 시스템(KTS)을 위한 전자교환기 시스템; 사용자 종단 모뎀; 디지털 루프 캐리어, 쌍 이득 다중화기, 전화 루프 확장기, 종합 정보 통신망 (ISDN) 터미널, 디지털 무선 전화 및 디지털 휴대 전화와 같은 데이터 전송 응용 프로그램; 그리고 음성 인식 장비, 음성 데이터 스토리지, 음성 사서함 및 디지털 테이프리스 응답기와 같은 응용 프로그램에 널리 사용되었다. 디지털 통신 네트워크의 대역폭은 에도름의 법칙에서 관찰된 바와 같이 기하급수적으로 빠르게 증가하고 있으며, 이는 주로 MOS 기술의 빠른 스케일링 및 소형화에 의해 주도되었다.
8비트 심도와 8kHz 샘플링 레이트를 가진 비압축 PCM 디지털 오디오는 64kbit/s의 비트레이트를 필요로 하는데, 이는 대역폭이 제한된 초기 디지털 통신 네트워크에서는 비현실적이었다. 이 문제에 대한 해결책은 1966년 나고야 대학의 이타쿠라 후미타다와 일본전신전화(NTT)의 사이토 슈조가 처음 제안한 음성 부호화 데이터 압축 알고리즘인 선형 예측 부호화(LPC)였다. LPC는 오디오 데이터 압축을 2.4kbit/s로 줄일 수 있었고, 1970년대 디지털 네트워크를 통한 최초의 성공적인 실시간 대화로 이어졌다. LPC는 그 이후로 가장 널리 사용되는 음성 부호화 방법이 되었다. 또 다른 오디오 데이터 압축 방법인 수정 이산 코사인 변환(MDCT)이라는 이산 코사인 변환 (DCT) 알고리즘은 1990년대 후반부터 음성 인터넷 프로토콜(VoIP) 응용 프로그램에서 음성 부호화에 널리 채택되었다.
SONET 및 광섬유 전송과 같은 전송 방법의 개발은 디지털 전송을 더욱 발전시켰다. 여러 아날로그 음성 채널을 단일 전송 매체에 다중화하는 아날로그 캐리어 시스템이 존재했지만, 디지털 전송은 더 낮은 비용으로 더 많은 채널을 전송 매체에 다중화할 수 있게 했다. 오늘날 최종 기기는 종종 아날로그로 남아 있지만, 아날로그 신호는 일반적으로 서비스 영역 인터페이스(SAI), 중앙 사무실(CO) 또는 다른 집계 지점에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 루프 캐리어(DLC) 및 FTTX는 디지털 네트워크를 고객 구내에 더욱 가깝게 배치하여 아날로그 지역 루프를 레거시 상태로 만들었다.
IP 텔레포니.
텔레포니에 사용할 수 있는 기술 분야는 새로운 통신 기술의 등장과 함께 확대되었다. 텔레포니는 이제 화상 회의를 포함한 인터넷 서비스 및 모바일 통신 기술을 포함한다.
인터넷 프로토콜(IP) 개념을 기반으로 하는 새로운 기술은 종종 VoIP 텔레포니 또는 IP 텔레포니 또는 인터넷 텔레포니로 별도로 언급된다. 전통적인 전화 서비스와 달리 IP 텔레포니 서비스는 정부 규제를 비교적 적게 받는다. 미국에서 연방 통신 위원회(FCC)는 전화-전화 연결을 규제하지만, 전화 사용자-IP 텔레포니 서비스 제공업체 간의 연결은 규제할 계획이 없다고 말한다.
디지털 텔레포니의 전문 분야인 인터넷 프로토콜 (IP) 텔레포니는 인터넷의 기반이 된 디지털 네트워킹 기술을 적용하여 컴퓨터 망을 통해 통신 세션을 생성, 전송 및 수신하는 것을 포함한다. 인터넷 텔레포니는 일반적으로 음성 인터넷 프로토콜(VoIP)로 알려져 있으며, 이 원리를 반영하지만, 다른 많은 용어로 언급되기도 했다. VoIP는 전통적인 전화 인프라 기술을 빠르게 대체하는 파괴적 혁신으로 입증되었다. 2005년 1월 현재, 일본과 대한민국의 전화 가입자의 최대 10%가 이 디지털 전화 서비스로 전환했다. 2005년 1월 뉴스위크 기사는 인터넷 텔레포니가 "다음 큰 것"이 될 수 있다고 시사했다. 2006년 현재, 많은 VoIP 기업들이 소비자와 사업에 서비스를 제공하고 있다.
이동 통신에서 중요한 발전은 모바일 네트워크에 IP 기술이 통합된 것인데, 특히 LTE 기반 음성 서비스(VoLTE) 및 5G 기반 음성 서비스(Vo5G)를 통해 이루어졌다. 이 기술들은 음성 통화를 데이터 서비스에 사용되는 동일한 IP 기반 인프라를 통해 전송할 수 있게 하여, 전통적인 회선 교환 네트워크에 비해 향상된 통화 품질과 빠른 연결을 제공한다. VoLTE와 Vo5G는 모바일 사업자들이 All-IP 네트워크로 전환함에 따라 많은 지역에서 모바일 음성 통신의 표준이 되고 있다.
IP 텔레포니는 인터넷 연결과 하드웨어 IP 전화, 아날로그 전화 어댑터, 또는 소프트폰 컴퓨터 응용 프로그램을 사용하여 데이터 패킷으로 인코딩된 대화를 전송한다. IP 텔레포니의 가장 일반적이고 비용 효율적인 용도 중 하나는 Wi-Fi 핫스팟을 통한 연결이지만, 사설 네트워크 및 다른 유형의 인터넷 연결에서도 사용되며, 이는 글로벌 전화 네트워크에 직접 연결될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
사회적 영향 연구.
직접적인 대인 커뮤니케이션에는 얼굴 및 기타 신체 동작으로 표현되는 비언어적 신호가 포함되는데, 이는 전통적인 음성 텔레포니에서는 전송될 수 없다. 화상통화는 이러한 상호작용을 다양한 정도로 복원한다. 사회적 맥락 신호 이론은 대면 상호작용에 존재하는 비언어적 신호를 유지하는 데 있어 다양한 유형의 커뮤니케이션의 성공을 측정하는 모델이다. 이 연구는 물리적 맥락, 다양한 얼굴 표정, 신체 움직임, 목소리 톤, 촉각 및 후각과 같은 많은 다른 신호를 조사한다.
전화를 사용하면 다양한 의사소통 신호가 손실된다. 통신 당사자들은 신체 움직임을 식별할 수 없으며, 촉각과 후각이 부족하다. 이러한 사회적 신호를 식별하는 능력의 감소는 잘 알려져 있지만, Wiesenfeld, Raghuram 및 Garud는 다양한 작업에 대한 이러한 유형의 의사소통에 가치와 효율성이 있다고 지적한다. 그들은 전화와 같은 다양한 유형의 의사소통이 대면 상호작용보다 더 유용한 작업 환경을 조사한다.
이동 전화 서비스로의 통신 확장으로 인해 유선전화보다 사회적 신호에 대한 다른 필터가 생성되었다. 이동 전화에서 문자 메시지와 같은 즉석 메시징의 사용은 공동체 의식을 형성했다. 이동 전화의 사회적 구성에서는 각 전화 통화와 문자 메시지가 단순한 대화 시도 이상의 의미를 가진다고 제안한다. 대신, 이는 가족과 친구 사이의 사회적 네트워크를 유지하는 제스처이다. 전화 통화를 통해 특정 사회적 신호의 손실이 있지만, 이동 전화는 다양한 청중이 이해하는 다른 신호의 새로운 형태의 표현을 가져온다. 새로운 언어 추가는 비물리적 상호작용의 본질적인 부족을 보완하려고 시도한다.
텔레포니를 통해 지지되는 또 다른 사회 이론은 미디어 의존 이론이다. 이 이론은 사람들이 특정 목표를 달성하기 위해 미디어 또는 자원을 사용한다고 결론짓는다. 이 이론은 미디어, 청중 및 거대한 사회 시스템 사이에 연결 고리가 있다고 말한다. 전화는 사람에 따라 정보 접근, 다른 사람과의 연락 유지, 빠른 통신 전송, 엔터테인먼트 등과 같은 특정 목표를 달성하는 데 도움이 된다.
플라스몬학, 플라스모닉스(plasmonics) 또는 나노플라스몬학, 나노플라스모닉스(nanoplasmonics)은 나노미터 규모에서 금속-유전체 계면을 따라 광학 주파수 신호의 생성, 감지 및 조작을 지칭한다. 광자학에서 영감을 얻은 플라스몬학은 광학 장치 소형화 추세(또한 나노광자학 참조)를 따르며, 센싱, 현미경, 광통신 및 생체 광자학 분야에서 응용된다.
플라스몬학은 일반적으로 유전체(예: 유리, 공기)와 금속(예: 은, 금) 사이의 계면을 따라 전자기파와 함께 이동하는 일관된 전자 진동인 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)을 활용한다. SPP 모드는 지지하는 계면에 강하게 구속되어 강한 빛-물질 상호작용을 유발한다. 특히 금속 내의 전자 가스는 전자기파와 함께 진동한다. 이동하는 전자가 산란되기 때문에 플라스몬 신호의 옴 손실은 일반적으로 크며, 이는 하이브리드 옵토플라스몬 광 안내 네트워크 또는 플라스몬 이득 증폭이 사용되지 않는 한 신호 전송 거리를 센티미터 미만으로 제한한다. SPP 외에도 금속 나노입자에 의해 지지되는 국소 표면 플라스몬 모드는 플라스몬 모드라고 불린다. 두 모드 모두 큰 운동량 값을 특징으로 하며, 이는 광자 상태의 국소 밀도에 대한 강력한 공명 향상을 가능하게 하고, 광전자 장치의 약한 광학 효과를 향상시키는 데 활용될 수 있다.
동기 및 현재 과제.
현재 플라스몬학을 전기 회로와 통합하거나, 전기 회로 아날로그에서 전자기학의 크기 효율성과 광자 집적 회로(PIC)의 데이터 용량을 결합하려는 노력이 이루어지고 있다. 전기 회로에 사용되는 CMOS 노드의 게이트 길이는 계속 감소하고 있지만, 기존 PIC의 크기는 회절에 의해 제한되어 추가 통합에 대한 장벽을 형성한다. 플라스몬학은 전자 및 광자 구성 요소 간의 이러한 크기 불일치를 해소할 수 있다. 동시에 광자학 및 플라스몬학은 서로 보완할 수 있는데, 올바른 조건에서 광학 신호가 SPP로 변환될 수 있고 그 반대도 가능하기 때문이다.
플라스몬 회로를 실현 가능한 현실로 만드는 데 가장 큰 문제 중 하나는 표면 플라스몬의 짧은 전파 길이이다. 일반적으로 표면 플라스몬은 신호가 감쇠하기 전에 밀리미터 규모의 거리만 이동한다. 이는 주로 옴 손실 때문인데, 전기장이 금속으로 깊이 침투할수록 그 중요성이 커진다. 연구자들은 다양한 재료, 기하학적 구조, 주파수 및 해당 속성을 조사하여 표면 플라스몬 전파에서 손실을 줄이려고 노력하고 있다. 새로운 유망한 저손실 플라스몬 재료에는 금속 산화물 및 질화물뿐만 아니라 그래핀도 포함된다. 더 많은 설계 자유도에 중요한 것은 표면 거칠기를 줄여 손실을 더욱 줄이는 데 기여할 수 있는 향상된 제작 기술이다.
플라스몬 회로가 극복해야 할 또 다른 예상되는 장벽은 열이다. 플라스몬 회로의 열은 복잡한 전자 회로에서 발생하는 열을 초과할 수도 있고 초과하지 않을 수도 있다. 최근에는 갇힌 광학 소용돌이를 지지하도록 플라스몬 네트워크를 설계하여 흡수 및 옴 가열을 줄여 입자 간 틈을 통해 빛의 전력 흐름을 순환시켜 가열을 줄이는 것이 제안되었다. 열 외에도 회로에서 플라스몬 신호의 방향을 크게 줄이지 않고 변경하는 것도 어렵다. 전파 방향을 구부리는 문제에 대한 현명한 해결책 중 하나는 브래그 거울을 사용하여 신호를 특정 방향으로 각을 주거나 신호 분할기로 기능하는 것이다. 마지막으로, 열 방출 조작 및 열 보조 자기 기록을 위한 플라스몬학의 새로운 응용은 금속의 옴 손실을 활용하여 새로운 향상된 기능을 가진 장치를 얻는다.
도파관.
최적의 플라스몬 도파관 설계는 플라스몬 회로 내에서 표면 플라스몬의 구속 및 전파 길이를 모두 최대화하려고 노력한다. 표면 플라스몬 폴라리톤은 금속-유전체 계면에 평행하고 수직인 구성 요소를 가진 복소 파수 벡터로 특징지어진다. 파수 벡터 구성 요소의 허수 부분은 SPP 전파 길이에 반비례하는 반면, 실수 부분은 SPP 구속을 정의한다. SPP 분산 특성은 도파관을 구성하는 재료의 유전 상수에 따라 달라진다. 표면 플라스몬 폴라리톤 파동의 전파 길이와 구속은 역비례 관계이다. 따라서 모드의 더 강한 구속은 일반적으로 더 짧은 전파 길이를 초래한다. 실용적이고 유용한 표면 플라스몬 회로의 구성은 전파와 구속 사이의 타협에 크게 의존한다. 구속 및 전파 길이를 모두 최대화하면 구속보다 전파 길이를 선택하는 것의 단점을 완화하는 데 도움이 된다. 강한 구속과 충분한 전파 길이를 가진 플라스몬 회로를 추구하기 위해 여러 유형의 도파관이 만들어졌다. 가장 일반적인 유형 중 일부는 절연체-금속-절연체 (IMI), 금속-절연체-금속 (MIM), 유전체 적재 표면 플라스몬 폴라리톤 (DLSPP), 갭 플라스몬 폴라리톤 (GPP), 채널 플라스몬 폴라리톤 (CPP), 쐐기 표면 플라스몬 폴라리톤 (wedge), 그리고 하이브리드 옵토-플라스몬 도파관 및 네트워크가 있다. 금속에서 SPP 전파에 동반되는 소산 손실은 이득 증폭 또는 광섬유 및 결합 공진기 도파관과 같은 광자 요소가 있는 하이브리드 네트워크에 결합하여 완화할 수 있다. 이 설계는 빛의 회절 한계의 10분의 1 규모에서 서브파장 모드와 허용 가능한 전파 길이를 나타내는 앞에서 언급한 하이브리드 플라스몬 도파관으로 이어질 수 있다.
커플링.
플라스몬 회로의 입력 및 출력 포트는 각각 광 신호를 수신하고 보낸다. 이를 위해서는 광 신호와 표면 플라스몬의 결합 및 분리가 필요하다. 표면 플라스몬의 분산 관계는 빛의 분산 관계보다 완전히 아래에 있기 때문에, 결합이 발생하려면 플라스몬 회로에서 입사광과 표면 플라스몬 폴라리톤 파동 간의 운동량 보존을 달성하기 위해 입력 커플러에 의해 추가 운동량이 제공되어야 한다. 이에는 유전체 프리즘, 회절격자 또는 금속 표면의 국부 산란 요소를 사용하여 입사광과 표면 플라스몬의 운동량을 일치시켜 결합을 유도하는 것을 포함하여 여러 가지 해결책이 있다. 표면 플라스몬이 생성되어 목적지로 전송된 후에는 전기 신호로 변환될 수 있다. 이는 금속 평면에 있는 광검출기를 사용하거나 표면 플라스몬을 자유롭게 전파되는 빛으로 분리하여 전기 신호로 변환함으로써 달성할 수 있다.
대안적으로, 신호는 광섬유 또는 도파관의 전파 모드로 외부 결합될 수 있다.
능동 소자.
지난 50년 동안 표면 플라스몬 분야에서 이룬 발전은 능동 및 수동의 다양한 유형의 소자 개발로 이어졌다. 능동 소자의 가장 주요한 분야는 광학, 열광학 및 전기광학이다. 전광학 소자는 변조기로 사용될 때 정보 처리, 통신 및 데이터 저장의 실행 가능한 원천이 될 수 있는 능력을 보여주었다. 한 예로, 서로 다른 파장의 두 빛 빔의 상호작용은 셀렌화 카드 늄 퀀텀닷을 통해 공통 전파 표면 플라스몬으로 변환하여 시연되었다. 전기광학 소자는 변조기의 형태로 광학 소자와 전기 소자의 측면을 모두 결합했다. 특히, 전기광학 변조기는 장거리 표면 플라스몬(LRSP)에 의존하는 에바네슨트 결합 공명 금속 격자 및 나노선으로 설계되었다. 마찬가지로, 온도 변화에 따라 굴절률이 변하는 유전체 재료를 포함하는 열광학 소자도 방향성 결합기 스위치 외에도 SPP 신호의 간섭계 변조기로 사용되었다. 일부 열광학 소자는 폴리머에 내장되고 전기 신호로 가열되는 금 스트립을 따라 LRSP 도파관을 변조 및 방향성 결합기 스위치 수단으로 활용하는 것으로 나타났다. 또 다른 잠재적인 분야는 나노스케일 리소그래피, 탐침 및 현미경과 같은 분야에서 스페이저를 사용하는 것이다.
수동 소자.
능동 부품이 플라스몬 회로 사용에 중요한 역할을 하지만, 수동 회로도 마찬가지로 필수적이며 놀랍게도 만들기가 쉽지 않다. 프리즘, 렌즈, 빔 스플리터와 같은 많은 수동 소자는 플라스몬 회로에 구현될 수 있지만, 나노 규모에서의 제작은 어렵고 역효과를 초래하는 것으로 입증되었다. 굴절률이 다른 굴절 요소를 사용하는 상황에서는 디커플링으로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있다. 그러나 광자 구성 요소의 손실을 최소화하고 컴팩트함을 최대화하기 위한 몇 가지 조치가 취해졌다. 그러한 조치 중 하나는 표면 플라스몬 빔을 조종하기 위해 연속적인 평면으로 구성된 거울 또는 브래그 반사경을 사용하는 것에 의존한다. 최적화될 때 브래그 반사경은 입사 전력의 거의 100%를 반사할 수 있다. 컴팩트 광자 구성 요소를 만드는 데 사용되는 또 다른 방법은 통신 파장 내에서 3dB 미만의 허용 가능한 손실로 강력한 구속을 보였으므로 CPP 도파관에 의존한다.
수동 소자와 능동 소자의 사용과 관련하여 손실과 컴팩트함을 최대화하면 플라스몬 회로 사용에 더 많은 잠재력이 생긴다.
율리우스 에드가 릴리엔펠트(Julius Edgar Lilienfeld, 1882년 4월 18일 – 1963년 8월 28일)는 오스트리아-헝가리 출신이자 나중에 미국으로 이주한(1921년) 전기 공학자이자 물리학자로, 1925년에 장효과 트랜지스터에 대한 최초 특허를 받은 인물로 평가된다. 그는 자신의 개념을 기반으로 하는 작동 가능한 실용적인 반도체 소자를 만들지는 못했다. 또한, 그는 학술지에 논문을 발표하지 않았고 고순도 반도체 재료를 구할 수 없었기 때문에 그의 FET 특허는 결코 유명해지지 않아 후대 발명가들에게 혼란을 야기했다.
릴리엔펠트는 오스트리아 제국의 오스트리아-헝가리 제국 내 렘베르크(현재의 르비우)에서 유대인 가족으로 태어났다. 릴리엔펠트의 아버지는 변호사 지그문트 릴리엔펠트였고, 어머니는 사라 잠폴러 릴리엔펠트였다.
1899년에 고등학교를 졸업한 후, 릴리엔펠트는 1900년부터 1904년까지 프리드리히 빌헬름 대학교(1949년 훔볼트 대학교로 개명)에서 공부하여 1905년 2월 18일에 박사 학위를 받았다. 1905년에 그는 라이프치히 대학교 물리 연구소에서 비정년 교수로 일을 시작했다.
릴리엔펠트의 초기 경력은 라이프치히 대학교에서 1910년경부터 금속 전극 사이의 "진공"에서 전기 방전에 대한 중요한 초기 연구를 수행했다. 그의 초기 열정은 진공 준비 기술이 향상됨에 따라 이 현상이 어떻게 변하는지 밝히는 것이었다. 그는 다른 어떤 과학자보다도 전계 전자 방출을 별개의 물리적 효과로 규명하는 데 중요한 역할을 했다. (그는 이를 "자가 전자 방출"이라고 불렀으며, 의료 분야에서 소형 엑스선관의 가능한 전자원으로 관심을 가졌다.) 릴리엔펠트는 1922년에 전계 전자 방출의 실험적 현상에 대한 영어로 된 최초의 신뢰할 수 있는 설명을 제시했다. 이 효과는 1928년에 파울러와 노르트하임에 의해 설명되었다.
릴리엔펠트는 1921년에 특허 청구를 위해 미국으로 이주했고, 1926년에는 라이프치히 대학교 교수직을 사임하고 영구적으로 미국에 머물렀다. 1928년에는 몰든 (매사추세츠주)의 암라드(Amrad)에서 일하기 시작했고, 이곳은 나중에 마그나복스(Magnavox) 소유의 에르곤 연구소(Ergon Research Laboratories)가 되었으나 1935년에 문을 닫았다.
미국에서 릴리엔펠트는 양극 알루미늄 산화물 필름에 대한 연구를 수행했으며, 1931년에는 전해 축전기 특허를 냈는데, 이 방법은 20세기 내내 계속 사용되었다. 그는 또한 "FET와 유사한" 트랜지스터를 발명했으며, 트랜지스터의 구조와 작동, 그리고 현대 트랜지스터의 많은 특징을 설명하는 여러 특허를 출원했다. (FET와 유사한 트랜지스터에 대한 미국 특허 #1,745,175는 1930년 1월 28일에 승인되었다.) 브래튼, 바딘, 그리고 동료 화학자 로버트 깁니가 자신들의 초기 소자에 대한 특허를 얻으려 했을 때, 그들의 대부분의 주장은 릴리엔펠트의 특허 때문에 기각되었다.
전자가 금속 표면에 부딪힐 때 방출되는 광학 방사는 엑스선관 애노드 근처에서 그가 처음 발견했기 때문에 "릴리엔펠트 복사"라고 명명되었다. 그 기원은 금속 표면의 플라스몬 여기(excitation)에 기인한다.
미국 물리학회는 릴리엔펠트의 이름을 따서 주요 상 중 하나를 명명했다.
릴리엔펠트는 독일어를 사용하는 아슈케나즈 유대인으로, 오스트리아-헝가리 시민이었고 나중에는 미국과 폴란드의 이중 국적을 가졌다. 그는 1926년 5월 2일 뉴욕시에서 미국인 베아트리스 긴스버그와 결혼했다. 그들은 윈체스터 (매사추세츠주)에 살았고, 릴리엔펠트는 몰든의 에르곤 연구소 소장이었으며 1934년에 미국 시민이 되었다. 1935년에 연구소가 문을 닫은 후, 그와 그의 아내는 밀 알레르기를 피하기 위해 미국령 세인트 토마스에 집을 지었다. 릴리엔펠트는 평생 동안 이 알레르기로 고통받았다. 릴리엔펠트는 세인트 토마스와 본토의 여러 장소를 자주 오가며 새로운 아이디어를 시험하고 그 결과물에 대한 특허를 계속 냈다.
평면 공정(planar process)은 반도체 산업에서 트랜지스터의 개별 부품을 만들고, 이어서 트랜지스터를 서로 연결하는 데 사용되는 제조 공정이다. 이것은 규소 집적 회로 칩이 만들어지는 주요 공정이며, 반도체 소자 제조 중 접합을 생산하는 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 공정은 표면 부동태화 및 열 산화 방법을 활용한다.
평면 공정은 1959년 페어차일드 반도체에서 개발되었으며, 이 공정은 반도체 기술에서 가장 중요한 단일 발전 중 하나로 입증되었다.
핵심 개념은 회로를 2차원 투영(평면)으로 보고, 이를 통해 필름 음화와 같은 현상 (사진술) 개념을 사용하여 빛에 노출된 화학 물질의 투영을 마스킹하는 것이다. 이것은 규소 기판에 일련의 노출을 사용하여 산화 규소 (절연체) 또는 도핑 영역 (도체)을 생성하는 것을 가능하게 한다. 금속화 사용, p–n 접합 절연 및 표면 부동태화 개념과 함께, 단일 실리콘 결정 슬라이스(웨이퍼)에 단결정 실리콘 부울에서 회로를 생성하는 것이 가능하다.
이 공정은 이산화 규소 (SiO2) 산화, SiO2 식각 및 열 확산의 기본 절차를 포함한다. 최종 단계는 전체 웨이퍼를 SiO2 층으로 산화하고, 트랜지스터에 대한 접촉 비아를 식각하며, 산화물 위에 덮개 금속 층을 증착하여 트랜지스터를 수동으로 연결하지 않고도 연결한다.
1955년 벨 연구소에서 칼 프로슈와 링컨 데릭은 우연히 실리콘 웨이퍼 위에 이산화 규소 층을 성장시켰고, 이로 인해 그들은 표면 부동태화 특성을 관찰했다. 1957년에 프로슈와 데릭은 최초의 이산화 규소 전계 효과 트랜지스터를 제조할 수 있었는데, 이는 드레인과 소스가 표면에서 인접한 최초의 트랜지스터였으며, 이산화 규소 표면 부동태화가 실리콘 웨이퍼를 보호하고 절연한다는 것을 보여주었다.
벨 연구소에서 프로슈의 기술의 중요성은 즉시 인식되었다. 그들의 작업 결과는 1957년에 출판되기 전에 BTL 메모 형태로 벨 연구소 주위를 순환했다. 쇼클리 반도체 연구소에서 쇼클리는 1956년 12월에 장 호르니를 포함한 모든 고위 직원에게 그들의 기사의 사전 인쇄본을 배포했다. 나중에 호르니는 마틴 아탈라가 벨 연구소의 이전 결과에 기반한 부동태화에 대한 논문을 발표한 회의에 참석했다. 이산화 규소가 실리콘 표면에 미치는 부동태화 효과를 활용하여 호르니는 이산화 규소 층으로 보호되는 트랜지스터를 만들 것을 제안했다.
페어차일드 반도체에서 일하던 장 호르니는 1959년에 평면 공정에 대한 특허를 처음으로 출원했다. 벨 연구소의 K. E. 다벌로스와 H. J. 패터슨은 C. 프로슈와 L. 데릭의 작업을 이어받아 호르니의 공정과 거의 동시에 유사한 공정을 개발했다. 금속화(집적 회로를 함께 연결하기 위해) 및 p–n 접합 절연 (커트 레호벡의) 개념과 함께, 페어차일드의 연구원들은 단결정 실리콘 부울에서 단일 실리콘 결정 슬라이스(웨이퍼)에 회로를 생성할 수 있었다.
1959년, 로버트 노이스는 호르니의 작업을 바탕으로 집적 회로 (IC)의 개념을 발전시켰는데, 이는 호르니의 기본 구조 위에 금속 층을 추가하여 트랜지스터, 축전기, 또는 저항기와 같은 동일한 실리콘 조각에 위치한 다른 부품들을 연결했다. 평면 공정은 초기 집적 회로 개념보다 우수한 집적 회로를 구현하는 강력한 방법을 제공했다. 노이스의 발명은 최초의 모놀리식 IC 칩이었다.
평면 공정의 초기 버전은 수은 증기 램프에서 나오는 근자외선을 사용하는 포토리소그래피 공정을 사용했다.
2011년 현재, 작은 특징들은 일반적으로 193 nm "딥" UV 리소그래피로 만들어진다. 2022년 현재, ASML NXE 플랫폼은 극자외선 리소그래피 공정의 일부로 주석 기반 플라즈마 소스에 의해 생성된 13.5 nm 극자외선(EUV)을 사용한다.