전자공학

전자공학(電子工學, electronic engineering)은 20세기 초에 등장한 전기공학의 하위 분야로, 전류의 흐름을 증폭하고 제어하기 위해 반도체 소자와 같은 능동 부품을 추가로 사용하는 점이 특징이다. 이전의 전기공학은 기계적 스위치, 저항기, 인덕터, 커패시터와 같은 수동 소자만을 사용했다.

전자공학은 아날로그 회로, 디지털 회로, 컨슈머 일렉트로닉스, 임베디드 시스템 및 전력 전자공학과 같은 분야를 다룬다. 또한 고체물리학, 무선 공학, 전기 통신, 제어 시스템, 신호 처리, 시스템 공학, 컴퓨터 공학, 계기 공학, 전력 제어, 광자학 및 로봇공학 등 많은 관련 분야와 연관되어 있다.

전기전자공학자협회(IEEE)는 미국의 전자공학자들에게 가장 중요한 전문 단체 중 하나이며, 영국의 이에 상응하는 단체는 공학기술연구소(IET)이다. 국제전기기술위원회(IEC)는 전자공학을 포함한 전기 표준을 발행한다.

 역사와 발전 

전문직으로서의 전자공학은 1874년 카를 페르디난트 브라운이 최초의 반도체 소자인 수정 검파기를 개발하고, 1897년 전자가 발견된 이후, 작은 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관이 발명되면서 일렉트로닉스 분야가 시작됨에 따라 등장했다. 실질적인 응용은 1900년대 초 앰브로즈 플레밍이 다이오드를, 리 드 포레스트가 3극 진공관을 발명하면서 시작되었으며, 이를 통해 비기계적 장치로 라디오 안테나의 라디오 신호와 같은 작은 전압을 검출하는 것이 가능해졌다. 전자공학의 성장은 급격했다. 1920년대 초까지 상업용 라디오 방송과 통신이 널리 보급되었고, 전자 증폭기는 장거리 전화와 음악 녹음 산업 등 다양한 분야에서 사용되기 시작했다.

이 분야는 제2차 세계 대전 동안 레이더 및 소나와 같은 대규모 전자 시스템 개발을 통해 더욱 발전했으며, 이후 윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 월터 하우저 브래튼의 트랜지스터 발명에 따른 전후 소비자 혁명이 이어졌다.

 전문 분야 
전자공학에는 많은 하위 분야가 있다. 이 섹션에서는 가장 대중적인 분야 중 일부를 설명한다.

전자 신호 처리는 정보의 분석 및 조작을 다룬다. 신호는 정보에 따라 연속적으로 변하는 아날로그 신호일 수도 있고, 정보를 나타내는 일련의 이산적인 값에 따라 변하는 디지털 신호일 수도 있다.

아날로그 신호의 경우, 신호 처리는 오디오 장비를 위한 오디오 신호의 증폭 및 오디오 필터링, 전기 통신을 위한 무선 주파수 신호의 변조 및 복조를 포함할 수 있다. 디지털 신호의 경우, 신호 처리는 데이터 압축, 오류 검사 및 오류 검출, 수정을 포함할 수 있다.

통신공학은 동축 케이블, 광섬유 또는 자유 공간과 같은 매체를 통한 정보의 전송을 다룬다. 자유 공간을 가로지르는 전송은 전송을 위해 정보를 반송파로 인코딩해야 하며, 이를 변조라고 한다. 대중적인 아날로그 변조 기술로는 진폭 변조와 주파수 변조가 있다.

시스템의 전송 특성이 결정되면 통신공학자는 해당 시스템에 필요한 송신기와 수신기를 설계한다. 이 두 장치는 때때로 결합되어 무선 송수신기라고 불리는 양방향 통신 장치를 형성한다. 송신기 설계 시 핵심 고려 사항은 신호 강도와 밀접한 관련이 있는 전력 소비이다. 송신기의 신호 강도가 불충분하면 신호의 정보가 노이즈에 의해 훼손될 수 있다.

항공-전자공학 및 항공-통신공학은 항공우주 응용 분야와 관련이 있다. 항공-통신공학자에는 항공기의 공중 항공전자 장비나 지상 장비를 다루는 전문가들이 포함된다. 이 분야의 전문가들은 주로 컴퓨터 과학, 컴퓨터 망, IT 및 센서에 대한 지식이 필요하다. 이러한 과정은 민간 항공 기술 대학 등에서 제공된다.

제어공학은 여객기의 비행 및 추진 시스템에서부터 현대 자동차의 크루즈 컨트롤에 이르기까지 광범위한 전자 응용 분야를 가지고 있다. 또한 산업 자동화에서도 중요한 역할을 한다. 제어공학자들은 제어 시스템을 설계할 때 종종 피드백을 사용한다.

계기 공학은 압력, 유량, 온도와 같은 물리량을 측정하기 위한 장치의 설계를 다룬다. 이러한 계측기의 설계에는 전자공학 및 물리학에 대한 깊은 이해가 필요하다. 예를 들어, 스피드 건은 다가오는 차량의 속도를 측정하기 위해 도플러 효과를 사용한다. 마찬가지로, 열전대는 두 지점 사이의 온도 차이를 측정하기 위해 펠티에-제베크 효과를 사용한다.

종종 계측기는 단독으로 사용되지 않고 대규모 전기 시스템의 센서로 사용된다. 예를 들어, 열전대는 용광로의 온도를 일정하게 유지하는 데 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 이러한 이유로 계기 공학은 종종 제어공학의 대응 분야로 간주된다.

컴퓨터 공학은 컴퓨터 및 컴퓨터 시스템의 설계를 다룬다. 이는 새로운 컴퓨터 하드웨어 설계, 개인 정보 단말기(PDA) 설계 또는 제조 공장을 제어하기 위한 컴퓨터 사용을 포함할 수 있다. 휴대 전화와 같이 특정 작업을 위해 만들어진 시스템인 임베디드 시스템의 개발도 이 분야에 포함된다. 이 분야는 마이크로컨트롤러와 그 응용 분야를 포함한다.
컴퓨터 공학자는 시스템의 소프트웨어를 다루기도 한다. 그러나 복잡한 소프트웨어 시스템의 설계는 대개 별도의 학문으로 간주되는 컴퓨터 과학 산하의 소프트웨어 공학 영역에 속한다.

VLSI 설계 공학에서 VLSI는 초고밀도 집적 회로를 의미한다. 이는 IC 및 다양한 전자 부품의 제조를 다룬다. 집적 회로를 설계할 때 전자공학자는 먼저 전기 부품을 명시하고 이들 사이의 상호 연결을 설명하는 회로 도식을 작성한다. 완료되면 VLSI 공학자는 도식을 실제 레이아웃으로 변환하는데, 이는 회로를 구성하는 데 필요한 다양한 반도체 및 도체 재료의 층을 매핑하는 작업이다.

 교육 및 훈련 

전자공학은 더 넓은 전기공학 학문 내의 하위 분야이다. 전자공학에서 세라믹은 전자 부품을 만드는 데 사용되는 재료이다. 세라믹은 커넥터, 캡슐화 요소, 다층 커패시터, 저항기 및 센서를 만드는 데 사용된다. 전자공학자는 일반적으로 전자공학을 전공한 학위를 소지한다. 이러한 학위의 학업 기간은 보통 3년 또는 4년이며, 대학에 따라 공학 학사, 이학사, 응용과학 학사 또는 기술 학사로 지정될 수 있다. 학사 학위 동안 학생들은 대개 졸업 전 캡스톤 과정을 이수한다. 캡스톤 프로젝트는 이전 과정의 지식을 사용하여 실제 프로젝트를 설계하고 완성하는 것을 포함한다. 많은 영국의 대학들은 대학원 수준에서 공학 석사(MEng) 학위를 제공하기도 한다.

일부 전자공학자는 과학 석사, 공학 철학박사 또는 공학 박사와 같은 대학원 학위를 취득하기도 한다. 유럽과 미국의 일부 대학에서는 석사 학위가 첫 학위로 도입되고 있으며, 학부 및 대학원 과정을 거친 공학자의 차별화가 어려운 경우가 많다. 이 경우 경력이 고려된다. 석사 학위는 연구, 교과 과정 또는 이 둘의 혼합으로 구성될 수 있다. 철학박사는 상당한 연구 요소를 포함하며 종종 학계로 진출하는 관문으로 간주된다.

대부분의 국가에서 공학 학사 학위는 자격 인증을 위한 첫 단계이며, 학위 프로그램 자체는 전문 기관에 의해 인증된다. 인증을 통해 공학자는 공공 안전에 영향을 미치는 프로젝트 계획에 법적으로 서명할 수 있다. 인증된 학위 프로그램을 마친 후, 공학자는 자격을 얻기 전에 업무 경험 요건을 포함한 다양한 요구 사항을 충족해야 한다. 자격을 취득하면 공학자는 전문 공학자(미국, 캐나다, 남아프리카 공화국), 차타드 엔지니어 또는 법인 공학자(영국, 아일랜드, 인도, 짐바브웨), 차타드 전문 공학자(호주, 뉴질랜드) 또는 유럽 공학자(대부분의 유럽 연합)라는 칭호를 부여받는다.

전자공학 학위에는 일반적으로 물리학, 화학, 수학, 프로젝트 관리 및 전기공학의 특정 주제를 다루는 단위가 포함된다. 초기에는 이러한 주제가 전자공학의 하위 분야 대부분을 다룬다. 그런 다음 학생들은 학위가 끝나갈 무렵 하나 이상의 하위 분야를 전문적으로 선택한다.

물리학과 수학 과학은 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 정성적 및 정량적 설명을 얻는 데 도움이 되므로 이 학문의 기본이다. 오늘날 대부분의 공학 작업은 컴퓨터 사용을 포함하며, 전자 시스템을 설계할 때 컴퓨터 지원 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램을 사용하는 것이 일반적이다. 대부분의 전자공학자가 기본 회로 이론을 이해하고 있지만, 공학자들이 채택하는 이론은 일반적으로 그들이 하는 작업에 따라 달라진다. 예를 들어, 양자역학과 고체물리학은 VLSI 분야에서 일하는 공학자에게는 관련이 있을 수 있지만, 임베디드 시스템을 다루는 공학자에게는 거의 관련이 없다.

전자기학과 회로망 이론 외에도 교육 과정의 다른 항목들은 전자공학 과정에 특화되어 있다. 전기공학 과정에는 기계, 발전 및 배전과 같은 다른 전문 분야가 있다. 이 목록에는 학위 취득의 전제 조건인 광범위한 공업수학 커리큘럼은 포함되지 않았다.

여러 대학들이 재생 에너지 과정을 포함하도록 전기 및 전자 프로그램을 업데이트했다. 세상이 더욱 에너지 효율적으로 변하고 있기 때문에 이러한 과정들이 만들어지고 있다.

 실험실 
실험실은 전자공학에서 필수적이며 학생들에게 다른 전자공학 수업을 이해할 수 있는 실습 경험을 제공한다. 실험실 활동에는 다음이 포함될 수 있다.

브레드보딩: LED, 다이오드, 저항기를 포함한 부품 기호를 배우기 위해 기본 회로를 구축한다.

마이크로컨트롤러: 다른 부품을 제어하기 위해 아두이노 보드와 같은 하드웨어 장치를 프로그래밍한다.

납땜: 인쇄 회로 기판에 부품을 배치하고 납을 사용하여 고정한다.

재생 에너지 실험실에는 다음이 포함될 수 있다.

광전지 에너지: 태양 에너지 변환 특성을 배우기 위해 패널 시뮬레이터를 사용한다.

풍력: 풍력 에너지 시스템을 설계하고 개선하기 위해 공기역학, 로터 역학 및 발전 특성을 적용한다.

수력 에너지: 에너지원으로 물을 사용하는 것을 더 잘 이해하기 위해 터빈을 사용하여 물의 흐름을 시뮬레이션한다.

스마트 그리드: 전력 시스템의 발전을 위해 스마트 기술을 활용한다. 태양광 발전 및 풍력 터빈과 같은 재생 에너지원으로부터의 그리드 시뮬레이션 및 하드웨어를 포함한다.

 지원 지식 영역 
전자공학의 광범위한 범위로 인해 많은 수의 전문 지원 지식 영역이 사용된다.

벡터 미적분학 요소: 발산 및 회전; 가우스 및 스토크스의 정리, 맥스웰 방정식: 미분 및 적분 형태. 파동 방정식, 포인팅 벡터. 평면파: 다양한 매체를 통한 전파; 반사 및 굴절; 위상 및 군속도; 표피 깊이. 전송선: 특성 임피던스; 임피던스 변환; 스미스 차트; 임패던스 매칭; 펄스 흥분. 도파관: 직사각형 도파관의 모드; 경계 조건; 차단 주파수; 분산 관계. 안테나: 다이폴 안테나; 안테나 배열; 방사 패턴; 상반 정리, 안테나 이득.

네트워크 그래프: 그래프와 관련된 행렬; 입사, 기본 컷셋 및 기본 회로 행렬. 해결 방법: 노드 및 메시 분석. 회로 정리: 중첩, 테브난 및 노턴의 최대 전력 전송, 와이-델타 변환. 페이저를 이용한 정상 상태 정현파 분석. 선형 상수 계수 미분 방정식; 단순 RLC 회로의 시간 영역 분석, 라플라스 변환을 이용한 네트워크 방정식의 해: RLC 회로의 주파수 영역 분석. 2-포트 네트워크 매개변수: 구동점 및 전달 함수. 네트워크의 상태 방정식.

전자 소자: 실리콘의 에너지 밴드, 고유 및 외인성 실리콘. 실리콘의 전하 운송: 확산 전류, 드리프트 전류, 이동도, 저항률. 캐리어의 생성 및 재결합. p-n 접합 다이오드, 제너 다이오드, 터널 다이오드, BJT, JFET, MOS 커패시터, MOSFET, LED, p-i-n 및 애벌랜치 포토다이오드, 레이저. 소자 기술: 집적 회로 제조 공정, 산화, 확산, 이온 주입, 포토리소그래피, n-탭, p-탭 및 트윈-탭 CMOS 공정.

아날로그 회로: 다이오드, BJT, JFET 및 MOSFET의 등가 회로(대신호 및 소신호). 단순 다이오드 회로, 클리핑, 클램핑, 정류기. 트랜지스터 및 FET 증폭기의 바이어스 및 바이어스 안정성. 증폭기: 단일 및 다단, 차동, 연산, 피드백 및 전력. 증폭기 분석; 증폭기의 주파수 응답. 단순 연산 증폭기 회로. 필터. 정현파 발진기; 발진 기준; 단일 트랜지스터 및 연산 증폭기 구성. 함수 발생기 및 파형 성형 회로, 전원 공급 장치.

디지털 회로: 불 함수(NOT, AND, OR, XOR, ...). 논리 게이트 디지털 IC 제품군(DTL, TTL, ECL, MOS, CMOS). 조합 회로: 산술 회로, 코드 변환기, 멀티플렉서 및 디코더. 순차 회로: 래치 및 플립플롭, 카운터 및 시프트 레지스터. 샘플 및 홀드 회로, ADC, DAC. 반도체 메모리. 마이크로프로세서 8086: 아키텍처, 프로그래밍, 메모리 및 I/O 인터페이싱.

신호 및 시스템: 라플라스 변환의 정의 및 속성, 연속 시간 및 이산 시간 푸리에 급수, 연속 시간 및 이산 시간 푸리에 변환, Z변환. 샘플링 정리. 선형 시불변(LTI) 시스템: 정의 및 속성; 인과성, 안정성, 임펄스 응답, 컨볼루션, 극점 및 영점 주파수 응답, 군지연과 위상지연. LTI 시스템을 통한 신호 전송. 랜덤 신호 및 노이즈: 확률, 랜덤 변수, 확률 밀도 함수, 자기상관, 전력 스펙트럼 밀도, 벡터와 함수 사이의 함수 유추.

 전자 제어 시스템 
기본 제어 시스템 구성 요소; 블록 다이어그램 설명, 블록 다이어그램 축소 — 메이슨의 법칙. 개루프 및 폐루프(음의 단위 피드백) 시스템 및 이들 시스템의 안정성 분석. 신호 흐름 그래프 및 시스템의 전달 함수 결정에서의 사용; LTI 제어 시스템의 과도 및 정상 상태 분석과 주파수 응답. 정상 상태 외란 제거 및 노이즈 민감도 분석.

LTI 제어 시스템 분석 및 설계를 위한 도구와 기술: 근궤적, 루스-후르비츠 안정성 판별법, 보드 및 나이퀴스트 선도. 제어 시스템 보상기: 진상 및 지상 보상의 요소, 비례-적분-미분(PID) 제어의 요소. 디지털 컨트롤러 구현을 위한 영차 홀드 및 ADC를 이용한 연속 시간 시스템의 이산화. 디지털 컨트롤러의 한계: 에일리어싱. LTI 제어 시스템의 상태 변수 표현 및 상태 방정식의 해. 주파수 및 시간 영역 모두에서의 상태 공간 실현을 통한 비선형 동적 시스템의 선형화. MIMO LTI 시스템의 가제어성 및 가관측성 기본 개념. 상태 공간 실현: 관측 가능 및 제어 가능 정준형. 상태 피드백 극 배치를 위한 애커만의 공식. 전차 및 감소차 추정기 설계.

 통신 

아날로그 통신 시스템: 진폭 및 각도 변조 및 복조 시스템, 이러한 연산의 스펙트럼 분석, 슈퍼헤테로다인 노이즈 조건.

디지털 통신 시스템: 펄스 부호 변조(PCM), 차분 펄스 부호 변조(DPCM), 델타 변조(DM), 디지털 변조 – 진폭, 위상 및 주파수 편이 방식(ASK, PSK, FSK), 정합 필터 수신기, 대역폭 고려 사항 및 이러한 방식의 오류 확률 계산, GSM, TDMA.

 전문 단체 

전기공학자들에게 주목할 만한 전문 단체로는 미국의 전기전자공학자협회(IEEE)와 영국의 공학기술연구소(IET)가 있다. 공학기술연구소의 회원(MIET)은 유럽에서 전기 및 컴퓨터 공학자로 전문적으로 인정받는다. IEEE는 세계 전기 및 전자공학 문헌의 30%를 생산하고 있으며, 43만 명 이상의 회원을 보유하고 있으며, 매년 전 세계적으로 450개 이상의 IEEE 후원 또는 공동 후원 회의를 개최하고 있다. IEEE의 시니어 멤버십은 미국에서 인정받는 전문 칭호이다.

 프로젝트 관리 
시스템 설계 및 개발의 최첨단에 관여하지 않는 대부분의 공학자들에게 기술적인 작업은 그들이 하는 일의 일부분에 불과하다. 고객과 제안서를 논의하고, 예산을 준비하고, 프로젝트 일정을 결정하는 것과 같은 작업에도 많은 시간이 소요된다. 많은 선임 공학자들은 기술자 또는 다른 공학자들로 구성된 팀을 관리하므로 프로젝트 관리 기술이 중요하다. 대부분의 엔지니어링 프로젝트는 어떤 형태의 문서화를 수반하므로 강력한 서면 의사소통 기술이 매우 중요하다.

전자공학자의 직장은 그들이 하는 일의 유형만큼이나 다양하다. 전자공학자는 제조 공장의 깨끗한 실험실 환경, 컨설팅 회사의 사무실 또는 연구 실험실에서 근무할 수 있다. 직장 생활 동안 전자공학자는 과학자, 전기 기술자, 프로그래머 및 다른 공학자를 포함한 광범위한 개인들을 감독하게 될 수도 있다.

기술적 기술의 노후화는 전자공학자들에게 심각한 우려 사항이다. 따라서 전문 지식을 유지하기 위해서는 기술 학회 가입 및 참여, 현장 정기 간행물의 정기적인 검토, 지속적인 학습 습관이 필수적이며, 이는 컨슈머 일렉트로닉스 제품 분야에서 더욱 중요하다.

 기술적 기술 
회로 설계 및 회로 테스트 지식과 같은 기술적 기술은 LTSpice 및 Eagle과 같은 소프트웨어에 통합되어 있다. LTSpice는 전자 회로를 시뮬레이션하고 검사하는 데 사용된다. Eagle은 인쇄 회로 기판을 보고 설계하는 데 사용된다.

 같이 보기 
 전기공학
 컴퓨터 공학
 데이터시트
 아날로그 신호 처리
 디지털 신호 처리 (DSP)
 IEEE
 메카트로닉스

 각주 

 
분류:컴퓨터 공학