과제-1 전자공학의 개념, 필요성 및 연구내용
전자공학과 4학년 장진오
1. 개념
전자공학(電子工學)은 전자공학은 구동력으로서 전력을 이용하는 구성장치, 시스템 또는 여러 장비 (진공관, 트랜지스터, 집적회로, 프린트 배선 기판) 들을 개발하기 위하여 전자들의 운동에 대한 영향과 행동에 대한 과학적 지식을 연구하는 공학의 한 분야이다. 이 분야는 힘, 기계공학, 원격통신학, 반도체 회로디자인, 그리고 다른 많은 부분체들을 포함하는 넓은 공학분야를 의미한다. 컴퓨터 공학의 하드웨어 디자인을 포함해서 전자회로의 디자인과 구성은 전자공학의 한 분야로 특정 문제를 해결한다. 새로운 반도체의 소자에 관한 연구는 때때로 물리학의 한 분야로 분류된다.
전자공학이 적용되는 대표적인 산업으로는 통신, 컴퓨터, 반도체 산업 등이 있다.
2. 필요성
전기공학이라는 용어는 전자공학을 포함하는 용어로 몇몇 연장(年長)의 (주로 미국과 호주에서) 대학교들과 졸업생들 사이에서 불린다. 몇몇 사람들은 전기공학이라는 용어를 그들이 전문적으로 가진 전력, 고전류, 고전압 공학분야에 만 한정되어야 한다고 생각한다. 반면에 다른사람들은 그 '전력'이 전기배선공학과 전기공학의 작은 일부분일 뿐이라고 생각한다.(실제로 전력공학이라는 용어가 사용되고 있다.) 다시 최근 몇 년동안 별개로 떨어져있던 분야들, 예를 들면 정보공학 , 커뮤니케이션 시스템 공학 등 이 학문적으로 유사한 분야로 대두 되고 있다.
대부분의 유럽의 대학교들은 현재 전기공학이라는 용어를 전력공학으로써 전기전자공학과 별개의 것으로 간주하고 있고, 1980년대 시작된 컴퓨터공학은 간혹 전자공학 또는 정보공학을 지칭하는 용어로 사용되었으나, 현재 컴퓨터공학은 전자공학의 일부분으로서 여겨지고 있다.
이에 따라 전자공학은 21세기를 대표하는 발전된 과학으로서, 그 기술을 기반으로 하는 인간의 편리하고 윤택한 삶을 위해서 꼭 필요한 학문인 것이다.
3. 연구
[1] 반도체
반도체는 대개 고체의 화학원소 또는 화합물로서, 어떤 조건에서는 전기가 통하고, 또 어떤 조건에서는 전기가 통하지 않아, 전류를 제어하기에 좋은 매개 물질이다. 반도체의 전도성은 제어 전극 봉에 가해지는 전류나 전압에 따라 달라지거나, 또는 적외선, 가시광선, 자외선, 및 X 광선 등의 방사 강도에 따라서도 달라진다.
반도체의 특성은 거기에 첨가되는 불순물의 량에 달려있다. N형 반도체는 대개 전선 내에서 흐르는 전류의 유도와 비슷한 방식인, 부전하 전자의 형태로 전류를 운반한다. P형 반도체는 주로 홀이라고 불리는 전자의 부족 현상을 이용하여 전류를 운반한다. 그 구멍은 하나의 전자 상에 충전된 것과 맞먹는 상반되는 양전하를 가지고 있다. 반도체 물질 내에서, 구멍들의 흐름은 전자 흐름의 반대방향으로 일어난다.
본질적인 반도체 물질로는 안티몬, 비소, 붕소, 탄소, 게르마늅, 셀레늄, 실리콘, 유황, 그리고 텔루르 등이 있다. 그 중에서도 실리콘은 가장 잘 알려진 반도체 물질로서, 대부분의 IC가 실리콘으로 이루어져 있다. 보통의 반도체 혼합물에는 갈륨 비화물, 인듐, 그리고 대부분의 금속산화물들이 포함된다. 그 중에서도 갈륨 비화물 (GaAs)는 잡음이 적고, 높은 증폭을 얻어야 하는, 미약한 신호의 증폭장치 등에 광범위하게 사용된다.
반도체 장치는 크기로 보면 그의 수백 배에 달하는 진공관의 역할을 대신 수행할 수 있다. 마이크로프로세서 칩 등, 하나의 집적회로는 커다란 빌딩 하나를 가득 채울만한 량의 진공관들이 해야할 일을 대신할 수 있다.
[2]레이더
레이더(Radar)는 전자파를 대상물을 향해서 발사해 그 반사파를 측정하는 것으로써, 대상물까지의 거리나 형상을 측정하는 장치이다. (전파법 2조 19항 "결정하고자 하는 위치에서 반사 또는 재발사되는 무선신호와 기준신호와의 비교를 기초로 하는 무선측위 설비를 말한다."라고 정의되고 있다.). 멀리 있는 물체와의 거리를 전자파에 의해서 계측해서 전시하는 것으로 비행기의 위치를 파악하거나, 강수량 예측 시스템 등에 사용되고 있다. 전쟁에서 적 비행기의 위치를 알아내기도 하며, 사람이 들어가지 못하는 심해까지 레이더를 쏘아 그 수심을 알아내기도 한다.
어두운 곳을 나는 박쥐가 초음파를 발사해 그 반사음으로 부딪치지 않고 비행하는 것부터 힌트를 얻었다. 1930년 독일이나 영국등에서 실용화되어 1940년 영국은 독일 공군의 공습에 대한 요격 전투에 사용하였다. 초기의 레이더는 비가 내리면 반사되어 거의 도움이 되지 않았고, 지향성도 불충분했다. 일본인이 발명한 야기·우다 안테나(이하 야기 안테나)는 지향성을 갖추는 획기적인 기술이었다. 이것은 구미에서 크게 호평을 받아서 각국에서 군사면에서의 기술개발이 급속히 진행되었다. 그 성과는 마침내 영국 본토 항공전에서 꽃 피었다. 독일 공군의 공습에 대해서 영국 공군은 레이더를 사용한 방공 시스템으로 효율적으로 대처할 수 있어 이 싸움은 전쟁의 분수령이 되었다. 또 나막신 시마오키 해전이나 빌라·스탄모아 야전에서 미국 해군은 레이더를 활용해 일본 해군을 상대로 승리를 거두었다. 이렇게 해서 레이더는 전쟁을 좌우하는 중요한 정보기기가 되었다. 당시 일본군은 야기 안테나를 완전히 불필요한 것으로 배제해 레이더 개발은 하지 않았다. 그 후 미군이 야기 안테나를 이용하고 있는 것을 알고 서둘러 개발했지만 때는 이미 늦었다. 전자파 발생은 마그네트론 또는 클라이스트론 진공관을 사용했다. 그 성능 향상에 따라서 레이더의 성능도 올라 갔다. 현재는 전파의 집적도를 높이기 위해서 대형 파라볼라안테나를 사용하게 되었다 (야기 안테나는 가정의 텔레비전 안테나 등에 사용되지만, 21세기 현재에도 그 모양에는 거의 변함이 없다. 그만큼 완성도가 높은 기술이었다).
[3] 맥스웰의 방정식
맥스웰 방정식은 전기와 자기의 발생, 전기장과 자기장, 전하 밀도와 전류 밀도의 형성을 나타내는 4개의 편미분방정식이다. 맥스웰 방정식은 빛 역시 전자기파의 하나임을 보여준다. 각각의 방정식은 가우스의 법칙, 가우스의 자기 법칙, 패러데이의 유도 법칙, 멕스웰 앙페르 법칙으로 불린다. 각각의 방정식을 제임스 클러크 맥스웰이 종합한 이후 맥스웰 방정식으로 불리게 되었다. 전자기역학은 맥스웰 방정식과 로렌츠 힘 법칙으로 요약된다. 로렌츠 힘은 맥스웰 방정식으로 부터 유도될 수 있다.
맥스웰의 방정식은 네 개의 법칙을 모아 종합하여 구성한 것이다.[1][주해 1] 맥스웰의 방정식은 빛과 같은 전자기파의 특성을 설명한다. 각 방정식의 수학적 표현은 공식 부분에서 다루기로 하고 우선은 방정식의 의미를 살펴보면 다음과 같다.
1.가우스의 법칙 : 가우스의 법칙은 전하에 의해 발생된 전기장의 크기를 설명한다. 따라서 가우스의 법칙은 본질적으로 쿨롱의 법칙과 같은 의미를 지닌다. 다만, 쿨롱의 법칙이 공간에 놓인 두 점전하 사이에서 발생하는 함을 설명하는데 반해 가우스의 법칙은 하나의 전하로부터 발생하는 전기장의 세기가 거리에 따라 반감되는 이유를 성명한다. 실제 회로이론이나 전자공학에서는 계산이 편리하고 직관적으로 이해 하기 쉬운 가우스의 법칙을 일반적으로 사용한다.
2.가우스의 자기 법칙 : 가우스의 자기 법칙은 일정한 닫힌 공간에서 자속선의 합계는 0 이 된다는 것이다. 전기와 달리 자기는 N극과 S극이 언제나 함께 존재하여야 한다.[주해 2] 이러한 자기의 성질 때문에 일정한 공간으로 들어오는 자력선과 나가는 자력선의 크기는 언제나 동일할 수 밖에 없고, 따라서 서로 정반대의 방향으로 작용하는 같은 크기의 힘의 합계는 언제나 0 이 된다.
3.패러데이의 유도 법칙 : 패러데이의 유도 법칙은 자속이 변화하면 그 주변에 전기장[주해 3]이 발생한다는 것이다. 고리모양으로 만들어진 전선 가운데서 자석을 위 아래로 움직이면 전류가 발생하는 것을 예로 들 수 있다. 발전소는 이러한 원리를 이용하여 교류 전류를 만들어 낸다.
4.맥스웰 앙페르 법칙 : 앙페르의 회로 법칙은 전류가 흐르는 전선에 따라 자기장이 발생한다는 것이다. 맥스웰은 앙페르의 회로 법칙을 확장하여 전기장의 강도가 변화하면 자기장이 발생하는 것으로 파악하였고, 콘덴서를 이용한 실험을 통해 이를 입증하였다. 즉, 콘덴서 자체는 전류를 이동 시키지 못하지만 전계의 변화를 전달한다. 맥스웰은 콘덴서에서 전계가 변화할 때 자기장이 발생하는 것을 측정하였고 이로서 전선뿐 만 아니라 전계의 강도가 변화하는 모든 곳에서 자기장이 발생함을 증명하였다. 전류 변화로 자기장이 발생하는 것을 이용한 도구로는 전자석, 모터와 같은 것이 있다
[4]초전도 현상
초전도 현상은 어떤 물질의 온도가 매우 낮을 때(대체로 -200˚C 이하) 일어나는 현상으로, 전기 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀쳐내는 것이 대표적인 예이다. 이러한 사실은 1911년 네덜란드의 물리학자 오너스가 발견하였는데 그는 수은의 온도가 약 4K(-269˚C)이하로 내려갈 때 수은의 전기저항이 0이 된다는 사실을 발견하였다. 초전도 현상이 나타나는 물체를 초전도체라 하며, 이 현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계 온도라고 한다.
일반적인 금속 도체의 비저항은 온도가 내려감에 따라 점점 감소한다. 그러나 구리나 은과 같은 도체의 경우에는, 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이 어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다. 절대 0도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다. 반면 초전도체의 저항은 온도가 "임계 온도" 값보다 아래로 나려가면 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다. 강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다. 초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 "완전 도체"(perfect conductor) 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.
초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고, 다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다. 한편 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며, 순수한 강자성 금속(ferromgnetic metal)에서도 나타나지 않는다.
1986년에는 구리-perovskite계 세라믹물질에서 임계 온도가 90 K을 넘는고온 초전도체가 발견되었는데, 이 때문에 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다. 순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다. 게다가, 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인 액체 질소의 비등점 (77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라, 좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.
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