전자공학이란?
전자공학은 전자장치에서 전하의 흐름을 실용적인 목적으로 제어하는 물리학과 공학의 한 분야를 말한다. 전자장치의 부품은 라디오나 TV, 컴퓨터, 의료기기와 같은 전자 제품에 다양하게 사용된다. 전자공학은 전기학의 한 분야로도 볼 수 있는데 전기에는 전류와 전압이라는 두 가지 중요한 요소가 있다. 전류는 전하의 흐름을 말하고, 전압은 전하를 한 방향으로 움직이게 하는 '압력' 또는 '힘'을 말한다. 전기를 이용하는 대표적인 예는 가정과 공장에서 전기에너지로 빛과 열 그리고 동력을 얻는 데 있다. 전자공학에서는 주로 전류와 전압을 이용해서 전기 신호를 전달하는 여러 가지 방법을 다룬다. 전기 신호로는 소리, 영상, 수, 문자, 컴퓨터 명령과 같은 정보를 나타낼 수 있다. 또 물건의 개수를 세거나 시간, 온도를 측정할 수 있으며 화학물질이나 방사성 물질을 탐지할 때도 전기 신호를 이용한다. 전자공학에서는 트랜지스터나 집적회로와 같이 신호를 매우 빨리 처리하게 하는 특수 부품들을 많이 사용하는데, 거의 모든 전자장비에 사용된다. 이런 부품들 중에는 반응 시간이 10억 분의 1초도 안 되게 빠른 것도 있다. 마이크로 분야에서 전자공학은 집적회로와 같이 아주 작은 부품과 그 부품을 사용하는 전자장비의 설계와 생산에 이용된다. 집적회로는 손톱보다도 작은 칩 조각 위에 현미경으로 보아야만 보이는 아주 작은 전자부품 수백만 개를 배열해 만든다.
전자공학 이용분야
오늘날 사람들은 전자 제품에 의존하여 살아간다고 해도 과언이 아닐 정도로 생활에 많은 부분에 영향을 미치고 있다. 특히 통신과 정보처리, 의학과 자동화 분야에 이용되고 있다. 먼저 통신 분야는 전자통신시스템을 통해 전세계를 연결하는 역할을 한다. 그 중 라디오는 몇 분의 1초 만에 전 세계로 소리를 보내며, 컴퓨터를 사용하면 지구 반대편에 있는 사람과 거의 동시에 대화할 수 있다. TV는 다른 대륙에서 일어나는 일을 즉시 보여 주며 무선전화는 자동차 안에서나 걸어가면서도 다른 사람과 통화할 수 있게 해 준다. 정보처리 분야에서 컴퓨터는 산업, 학교, 정부기관, 사무실, 연구소, 가정에서 사용한다. 컴퓨터를 사용하면 엄청난 양의 정보를 쉽게 처리할 수 있고 아주 복잡한 수학 문제를 1초도 안 걸려서 풀 수 있다. 대표적인 예로 날씨를 예측하는 기상청의 슈퍼컴퓨터는 수 만 가지 기상 정보를 종합해 날씨를 예측하여 사람들에게 날씨를 알려준다. 의학 분야에서 의사들은 여러 전자장비를 사용해서 신체의 이상 여부를 진단한다. 예를 들어 엑스선 촬영장비는 특수한 종류의 진공관으로 방사선을 방출해서 뼈와 내장의 사진을 찍는데, 엑스선 사진을 분석하여 다친 곳이나 질병을 찾아낸다. 또 엑스선을 비롯한 방사선으로 암을 치료하기도 한다. 이 밖에 청각장애인들이 소리를 좀 더 잘 들을 수 있도록 도와주는 보청기도 있다. 자동화 분야에서는 전자장치를 제어하는 기술을 선보고 있다. 이를 테면, 냉장고, 재봉틀, 세탁기와 같은 여러 가정용 기기의 성능을 개선하며 제어한다. 사람들은 전자 장비들을 자동으로 켜고 끔으로써 생활의 편리함을 더해가고 있는데 AI 기술로 성능이 향상되고 있다. 공장에서는 컴퓨터로 기계를 제어하며, 사람이 하기에는 지루하고, 어려우며 위험한 일을 로봇이 대신한다.
전자공학 원리
전자공학의 기본 원리를 이해하기 위해 계산기를 예로 들어보면 계산기는 숫자와 연산을 표시하는 작은 단추들이 있고, 계산 결과를 보여주는 화면이 있다. 전자계산기는 작은 전지의 동력으로 작동한다. 그리고 전자계산기를 구동하는 작은 회로들이 들어있다. 회로란 전기가 흐를 수 있게 부품들을 연결해놓은 것으로 단추를 누르면 전하의 파동이 생기고, 이 신호가 전선을 타고 회로 속을 이동한다. 회로들은 각각 한 가지씩 다른 기능을 한다. 한 회로가 입력된 신호를 잠시 저장하고 다음 명령이 입력될 때까지 기다리면, 다른 회로가 입력된 명령에 따라 신호를 처리하고, 또 다른 회로는 두 숫자를 연산한다. 마지막으로 회로가 화면에서 어떤 곳은 밝게, 어떤 곳은 어둡게 표시해서 계산 결과를 보여준다. 전자계산기는 다른 여러 전자시스템과 마찬가지로 세 단계로 작동한다. '입력' 단계에서 정보가 신호의 형태로 시스템에 들어오고, '처리'단계에서 들어온 신호를 정애진 방식으로 처리하면, '출력' 단계에서 처리된 신호를 사람이 이해할 수 있는 형태로 바꾸어 보여준다. 전자시스템에는 신호를 만들거나 처리하는 다양한 입출력 장치가 있다. 예를 들어 TV와 라디오는 마이크로폰, 스피커와 같은 입출력 장치를 사용하는데, 입력 장치에서 발생한 신호가 출력장치에 도달하는 동안 전자부품들이 신호를 처리한다. 계산기를 좀 더 살펴보면 계산기의 여러 부품들이 함께 작동해서 시스템이 작동하는 것을 볼 수 있다. 전자계산기에서 부품들은 프린트 기판 위에 서로 가는 전선으로 연결되어 있다. 대부분의 계산을 중앙처리장치라는 칩은 논리회로, 기억 회로, 제어회로가 수천 개 모여서 이루어져 있다. 다른 칩들도 시스템의 신호 처리를 돕는다. 트랜지스터와 다이오드, 저항기가 각자 독립된 부품들을 통해 전류의 방향을 바꾸거나 흐름을 제어한다. 전자 부품은 크게 능동부품과 수동부품으로 나눌 수 있다. 능동부품은 신호를 증폭하고, 스위치와 발전기 기능을 하는 부품으로, 전자관, 트랜지스터, 특정한 다이오드가 있다. 수동부품은 전기에너지를 열로 바꾸거나 저장하며, 저항기, 축전기, 인덕터가 있다. 저항기는 전기에너지를 열로 바꾸는데 회로에 흐르는 전류의 양을 줄일 때 사용한다. 저항기의 저항이 클수록 회로에 흐르는 전류의 양이 줄어든다. 축전기와 인덕터는 전기에너지를 저장하는 역할을 한다. 축전기를 사용하는 회로는 축전기 안에 전하를 채우거나 비워서 정보를 저장한다. 또한 축전기는 회로에 직류가 흐르는 것을 막을 때도 사용한다. 반면 인덕터는 교류를 막고 직류를 통과시킬 때 사용한다. 집적회로에서는 반도체 칩의 한 영역을 저항기나 축전기 기능을 하도록 만들 수 있다.