전기공학 ()
내용 요약
전기공학은 전기 및 자기 현상과 그 이용 기술에 관해 탐구하는 학문이다. 연구 범위는 전기를 생산하고 수송하여 사용하는 전 영역이 된다. 에너지를 다루는 강전과 신호(통신)를 다루는 약전으로 크게 구분된다. 전력공학, 통신공학, 전자공학, 제어공학, 컴퓨터공학 등으로 분류하고 있지만 모두 전기공학에 포함되는 학문이다. 보통 전기공학이라 구분하는 경우는 전력공학을 말한다. 2014년 기준 전기 관련 학과는 4년제 대학이 265개(전기공학과 71개), 전문대학이 228개(전기공학과 101개)이다.
정의
전기 및 자기 현상과 그 이용기술에 관해 탐구하는 학문.
개설
전기는 인류의 전 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되는 에너지로 다른 에너지에 비해 수송이 용이하고, 깨끗하며 안전하다는 특징을 가지고 있다. 전기공학의 연구 범위는 전기를 생산하고 수송하여 사용하는 전 영역이 된다. 전기공학의 영역은 에너지를 다루는 주1’과 신호(통신)를 다루는 주2’으로 크게 구분된다.
우리나라에서는 전력공학, 통신공학, 전자공학, 제어공학, 컴퓨터공학 등으로 분류하고 있지만 모두 전기공학에 포함되는 학문이다. 보통 전기공학이라 구분하는 경우는 전력공학을 말한다. 위와 같이 세분하는 경우 전기공학의 고유 영역은 전기에너지를 다루는 강전 영역인데, 전기에너지와 기계에너지를 상호 변환하는 기술, 전기에너지를 생산(발전)하고 수송(송배전)하여 사용할 수 있도록 하는 기술 등이 포함된다.
연원 및 변천
인류가 가지고 있는 전기에 대한 가장 오래된 기록은 고대 그리스의 철학자인 탈레스가 호박(琥珀, amber)이라는 보석에 정전기가 생기는 현상을 기록한 것이다. 그 후 2000년 동안 새로운 발견이 없다가, 19세기 초 영국의 의사였던 길버트(Gilbert)가 정전기에 대한 연구를 하면서 전기에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 이후 볼타(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta)의 전지 발명, 외르스테드(Hans Christian Oersted)의 전류의 자기작용 발견, 옴(Georg Simon Ohm)의 법칙 발견, 패러데이(Michael Faraday)의 전자유도작용 발견, 줄(James Prescott Joule)의 전류의 열작용 발견, 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 전자기파 연구 등을 거쳐 과학적 발전이 이루어졌다.
20세기에 들어와서는 벨(Alexander Graham Bell)의 전화, 에디슨(Thomas Alva Edison)의 주4, 지멘스(Charles William Siemens)의 발전기와 전동기, 모스(Samuel Finley Breese Morse)의 전신, 마르코니(Guglielmo Marconi)의 무선통신 등이 발명되면서 전기의 사용이 본격화되기 시작했다. 그리고 전기를 사용하는 기기는 대형화 · 다양화되었고, 주3의 발명으로 라디오 및 TV 방송이 가능하게 되었다. 1950년대 이후부터 반도체를 이용한 트랜지스터와 집적회로, 컴퓨터가 발명되면서 많은 기계들이 전기를 동력으로 사용하게 되었고, 전기를 사용하지 않는 기계들도 전기에 의해 제어하는 방식으로 일반화되어 갔다.
우리나라에는 1887년 고종 황제 때 미국의 에디슨 전기회사에서 경복궁 내에 직류 발전기와 백열등을 설치하면서 전기가 들어왔다. 이때 설치된 발전기는 경복궁 내의 연못인 향원정의 물을 사용하는 증기기관에 연결했는데, 소리도 시끄럽고 고장이 잦은데다가 한번 고장이 나면 미국인 기술자가 올 때까지 정지하고 기다려야 하므로 부정적인 시각을 가진 사람들이 많았다. 하지만 전기가 들어온 것을 계기로 1898년부터 서울 서대문과 청량리 간에 전차가 운행을 시작했고 통신선이 가설되면서 전보와 전화가 가능해졌다. 우리나라에는 전력선보다 통신선이 먼저 가설되기 시작했다. 그러다보니 전력선을 가설할 때 전보 통신선을 걸치기 위해 설치한 주5에 전력선을 함께 올렸다. 이후 지금까지도 전력선이 설치되어 있는 기둥은 전깃대가 아닌 전봇대로 부르고 있다.
일제강점기에는 다른 산업 분야와 마찬가지로 전기산업도 일본인 기술자들이 주도했고 조선인에게는 많은 기회가 주어지지 않았다. 고급 기술인 경우는 제한이 더욱 심해서 1924년 일제가 서울에 경성제국대학(京城帝國大學)을 설립할 때 이공학부를 설치하지 않았다. 그러나 대륙 침략을 위한 전쟁 준비를 하면서 필요성 증대로 1938년 경성제국대학에 이공학부를 설치했는데, 그때 이공학부에 속해 있던 전기공학과가 우리나라 최초의 전기 전공학과이다.
광복 이후 경성제국대학이 서울대학교에 편입되면서 서울대학교 공과대학에 전기공학과가 개설되었고, 다른 대학에도 설립되기 시작했다. 이후 전기공학에 대한 수요가 커지고 분야도 전자공학, 통신공학 등으로 분리되면서 전기공학 관련 학과의 수는 점점 늘어났다. 사회의 요구에 따라 학과를 전기, 전자 등으로 분리하여 운영하기도 하고 통합하여 운영하기도 하면서 전기 관련 학과는 현재 전기공학과, 전자공학과, 제어계측공학과 등으로 되어 있는 것이 보통이다. 2014년 기준 전기 관련 학과의 수는 4년제 대학이 265개(전기공학과 71개), 전문대학이 228개(전기공학과 101개)이다.
내용
전자공학과 통신공학을 모두 포함한 것을 전기공학이라고 부르기도 하지만, 여기서의 구분은 편의상 대학의 교과 과정을 준용한 것으로 전기공학에 속하는 영역에 대해 설명한다. 이 분류는 설명의 관점에 따라 다르게 분류될 수 있다.
(1) 전력공학 및 전기에너지시스템 분야
전력공학은 전기의 발전, 송전, 배전 및 이용에 대한 기술을 취급하는 공학 분야로 전력시스템공학(power systems engineering)이라 불리기도 한다. 현대사회는 에너지와 통신의 많은 부분이 전기에 의해 이루어지므로 전기의 전송 효율은 매우 중요하다. 전압이 높으면 송전 손실이 줄어들기 때문에 발전소에서 생산된 전기는 변압기를 사용하여 전압을 높인 후 송전하게 되며, 다시 사용하는 곳 근처의 변전소에서 낮은 전압으로 변환된다.
우리나라의 경우 제주도를 제외한 모든 곳은 60㎐ 교류 전력망이 함께 연결되어 있으므로 발전소, 변전소를 포함한 전국의 전기가 1초에 60번 씩 함께 진동하고 있다. 전력망은 이렇게 복잡하며 사고가 나면 사회 전반에 엄청난 타격을 줄 수 있기 때문에 안정성 또한 대단히 중요하다. 전력시스템의 안정성과 효율성을 높이기 위한 기술을 연구하는 것이 전력공학의 주요 연구 분야이다. 최근에 대두되고 있는 스마트그리드(Smart 주6는 기존의 전력망에 정보기술을 접목하여 안정성과 효율성을 높이고자 하는 것이다.
(2) 전기기기 분야
전기기기는 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(發電機)와 이와 반대로 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 전동기(電動機), 그리고 전압을 변환하는 변압기(變壓器)를 연구하는 학문 분야이다. 전동기는 다른 설비가 필요 없이 전기만 연결하면 회전력을 얻을 수 있으므로 많이 사용되고 있으며 그 종류도 매우 다양하다. 대용량의 전동기는 대형 공장과 같은 곳에서 사용되고, 소용량의 전동기는 산업용 자동화 설비, 로봇뿐만 아니라 가전제품이나 장난감에까지 사용된다.
전동기 중에는 선풍기나 세탁기의 전동기처럼 정밀하지 않아도 높은 효율로 돌아가기만 하면 되는 것도 있는 반면, 승강기와 공장 설비에 있는 전동기처럼 회전 속도와 위치를 정확히 제어해야 하는 경우도 있다. 그러므로 전동기 자체에 대한 연구뿐만 아니라 전동기 제어 역시 전기기기 분야의 중요한 연구 영역이다. 전동기는 특성상 기계공학과 영역이 겹치는데, 기계공학과 전기공학을 결합하여 통합적으로 전기기기를 다루는 학문을 주7라고 부른다.
(3) 전력전자
전력전자(power electronics)공학은 전력 반도체소자를 이용한 전력변환, 전력제어에 관한 기술을 취급하는 공학이다. 즉, 약전의 기술로 강전 장치를 제어하는 기술이다. 1957년 미국의 제너럴 일렉트릭이 큰 전력을 제어할 수 있는 반도체 소자인 사이리스터(thyristor)를 개발한 이후 시작되었다.
(4) 기타
전기공학은 전자공학과 통신공학의 기초가 되는 영역이 많기 때문에 관점에 따라서는 상당히 많은 분야가 포함될 수 있다. 예를 들어 의용전자공학(醫用工學, medical electronics)은 전자공학의 범주에 넣는 것이 보통이지만, 고전압과 고자기장을 사용하므로 전기공학의 범주에 넣기도 한다.
현황
전기는 기계의 모습뿐만 아니라 사람들의 생활 방식도 크게 바꾸어놓았다. 전기 조명이 사용되면서 사람들이 밤에도 활동하기 시작했고, 엘리베이터로 인해 건물의 높이가 높아지면서 도시의 인구 밀도 또한 급격히 높아졌다. 통신이 발전되면서 더 먼 곳에 지사를 두게 되고 거대 기업도 만들어져 갔다. 이후 전기를 이용하는 기술은 계속 발전했는데, 지금의 문명은 전기에 의해 지탱된다고 해도 과언이 아니다.
전기에너지는 다른 형태의 에너지에 비해 사용하기 편리하고 깨끗하면서 안전하다는 장점을 가지고 있다. 또한 정보의 전달 및 보관도 전기 기술에 의해 이루어지고 있는데다가 주8, 컴퓨터공학 등이 발전하면서 사회의 점점 많은 일들이 전기에너지에 의해 행해지므로, 사용량은 점점 증가하고 있는 추세이다. 전기의 사용량은 늘어나고 있지만 발전량은 사용량의 증가만큼 늘어나지 못하고 있다. 이는 수력발전에 의한 환경 파괴, 화력발전에 의한 대기오염, 원자력발전에 의한 방사능 위험 등의 문제가 있기 때문이다. 풍력, 태양광 등 환경 파괴가 적은 방식을 연구하고 있지만 아직 충분한 전력을 발전하지 못하고 있다. 이 문제는 세계적으로 공통된 문제이지만, 우리나라의 경우는 다른 나라에 비해 더 심각하다.
전기에너지의 가장 큰 단점은 저장할 수 없다는 것이다. 배터리 등으로 작은 전력을 저장하는 것은 가능하지만, 발전소 규모의 전력을 저장할 수 있는 기술은 아직 없다. 그래서 전력은 항상 소비하는 만큼만 발전해야 하지만 전력의 소비량은 일정하지 않다. 전력 설비는 전력을 가장 많이 사용할 때에도 감당할 수 있을 정도의 용량이 되어야 하는데, 그렇게 되면 전력 소비가 적을 때에는 설비 중 일부가 놀게 된다. 전력 사용의 변동이 적어지면 같은 전력 설비로 더 많은 전력을 공급할 수 있게 된다. 이렇게 하기 위해서 지금 시행하고 있는 방법이 심야전력제도와 양수발전이지만, 이 두 가지 방법으로 문제를 완전히 해결하기는 어렵다. 따라서 전국적이면서 체계적인 방법으로 이 문제를 해결하려는 전력시스템의 운영 방법이 현재 추진되고 있는 스마트그리드이다.
참고문헌
『열정과 야망의 전기 이야기』(김석환, 대영사, 2010)
『우리나라 전기사』(대한전기협회, 1982)
한국교육개발원 교육통계 서비스(kess.kedi.re.kr)
주석
관련 미디어
(1)
