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Electronics

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Original article: w:Electronics
See also: History of electronic engineering and Timeline of electrical and electronic engineering
This article is about the technical field of electronics. For personal/home-use electronic devices, see consumer electronics. For the scientific magazine, see Electronics (magazine).
Modern surface-mount electronic components on a printed circuit board, with a large integrated circuit at the top.

전자공학(Electronics)은 전자 장치(electronic devices)를 사용하여 전자(electron)의 방출, 행동, 및 효과를 다루는 물리학(physics)과 전기 공학(electrical engineering)의 한 가지입니다. 전자공학은 전류 흐름을 제어하기 위해 저항(resistance), 콘덴서(capacitance), 및 인덕턴스(inductance)와 같은 수동 효과(passive effects)만 사용하는 고전적인 전기 공학과 구별되는 증폭(amplification)과 정류(rectification)에 의해 전자 흐름을 제어하기 위해 능동 장치(active devices)를 사용합니다.

History and development

One of the earliest Audion radio receivers, constructed by De Forest in 1914.

전자는 현대 사회의 발전에 지대한 영향을 미쳤습니다. 1897년 전자의 식별과 작은 전기 신호를 증폭하고 정류할 수 있는 진공관(vacuum tube)의 후속 발명과 함께 전자 분야와 전자 시대가 열렸습니다.[1] 실제 응용은 1900년대 초 Ambrose Fleming에 의한 다이오드(diode)의 발명과 Lee De Forest에 의한 드라이오드(triode)을 발명하면서 시작되었으며, 이를 통해 무선 안테나(radio antenna)에서 무선 신호(radio signals)와 같은 작은 전압을 기계가 아닌 장치로 감지할 수 있게 되었습니다.

진공관(vacuum tube) (열이온 밸브)은 개별 전자의 흐름에 영향을 줌으로써 전류 흐름을 제어하는 ​​최초의 능동 전자 부품이었습니다.[2] 그것들은 20세기 전반부의 전자 혁명을 담당했습니다.[3][4] 그것들은 우리에게 라디오(radio), 텔레비전(television), 레이더(radar), 장거리 전화 등을 제공하기 위해 전류 증폭과 정류를 사용하는 장비의 건설을 가능하게 했습니다. 전자 제품의 초기 성장은 급속하게 이루어졌고, 1920년대까지, 상업용 라디오 방송과 통신이 널리 보급되었고 전자 증폭기는 장거리 전화와 음악 녹음 산업과 같은 다양한 응용 분야에서 사용되었습니다.

다음 큰 기술적 단계는 1947년 벨 연구소의 존 바딘(John Bardeen)과 월터 하우저 브래튼(Walter Houser Brattain)에 의해 최초의 작동하는 점-접촉 트랜지스터(point-contact transistor)를 발명했을 때 나타나는 데 수십 년이 걸렸습니다.[5] 어쨌든, 진공관은 1980년대 중반까지 텔레비전 수신기뿐만 아니라 마이크로파와 고출력 전송 분야에서 주도적인 역할을 했습니다.[6] 그 이후로, 솔리드-스테이트(solid-state) 장치는 거의 완전히 인수되었습니다. 진공관은 고출력 RF 증폭기(high power RF amplifiers), 음극선관(cathode ray tubes), 특수 오디오 장비, 기타 증폭기(guitar amplifiers), 및 일부 마이크로파 장치(microwave devices)와 같은 일부 특수 응용 분야에서 여전히 사용됩니다.

1955년 4월, IBM 608은 임의의 진공관없이 트랜지스터 회로를 사용한 최초의 IBM 제품이었고 상업용 시장을 위해 제조된 최초의 완전 트랜지스터 계산기(calculator)로 여겨집니다.[7][8] 608에는 3,000개 이상의 게르마늄(germanium) 트랜지스터를 포함하고 있습니다. Thomas J. Watson Jr.는 미래의 모든 IBM 제품에 트랜지스터를 설계에 사용하도록 명령했습니다. 그때부터 트랜지스터는 거의 독점적으로 컴퓨터 논리와 주변 장치에 사용되었습니다. 어쨌든, 초기 접합 트랜지스터(junction transistors)는 상대적으로 부피가 큰 소자로 대량 생산(mass-production)이 어려웠기 때문에 여러 전문 분야에 국한되었습니다.[9]

MOSFET (MOS 트랜지스터)는 1959년 벨 연구소에서 모하메드 휴일(Mohamed Atalla)와 강대원(Dawon Kahng)에 의해 발명되었습니다.[10][11][12][13] MOSFET은 다양한 용도로 소형화와 대량 생산이 가능한 최초의 진정한 소형 트랜지스터였습니다.[9] 장점으로는 높은 확장성(high scalability),[14] 경제성(affordability),[15] 낮은 전력 소비, 및 고밀도(high density)가 있습니다.[16] 그것은 전자 산업(electronics industry)에 혁명을 일으켰고,[17][18] 세계에서 가장 널리 사용되는 전자 장치가 되었습니다.[12][19] MOSFET은 대부분의 현대 전자 장비의 기본 요소입니다.[20][21]

회로의 복잡성이 증가함에 따라, 문제들이 발생했습니다.[22] 한 가지 문제는 회로의 크기였습니다. 컴퓨터와 같은 복잡한 회로는 속도에 의존했습니다. 구성 요소가 크면, 그것들을 연결하는 전선이 길어야 합니다. 전기 신호가 회로를 통과하는 데 시간이 걸리고, 따라서 컴퓨터가 느려집니다.[22] 잭 킬비(Jack Kilby)와 로버트 노이스(Robert Noyce)에 의한 집적 회로 발명(invention of the integrated circuit)은 모든 부품과 칩을 반도체 재료의 같은 블록 (모노리스)으로 만듦으로써 이 문제를 해결했습니다. 회로를 더 작게 만들 수 있고, 제조 공정을 자동화할 수 있습니다. 이것은 단일-결정 실리콘 웨이퍼에 모든 구성 요소를 통합하는 아이디어로 이어졌으며, 이는 1960년대 초에 소규모 집적화 (SSI), 그 후에 1960년대 후반에 중간 규모 집적화 (MSI), VLSI로 이어졌습니다. 2008년에, 10억 개의 트랜지스터 프로세서가 상용화되었습니다.[23]

Subfields

Devices and components

Main article: Electronic component
Various electronic components.

전자 부품은 능동 또는 수동 전자 시스템(electronic system)에서 임의의 구성 요소입니다. 구성 요소는 보통 인쇄 회로 기판(printed circuit board) (PCB)에 납땜되어 함께 연결되어 특정 기능을 가진 전자 회로를 만듭니다. 구성 요소는 단독으로 패키징되거나, 집적 회로(integrated circuits)로 더 복잡한 그룹으로 패키징될 수 있습니다. 수동 전자 부품은 콘덴서(capacitors), 인덕터(inductors), 저항(resistors)이고, 능동 부품은 전자 수준에서 전류 흐름을 제어하는 ​​트랜지스터(transistors)와 사이리스터(thyristors)와 같은 반도체 장치입니다.[24]

Types of circuits

전자 회로 기능은 아날로그와 디지털의 두 가지 기능 그룹으로 나뉠 수 있습니다. 특정 장치는 하나 또는 다른 하나 또는 두 가지 유형이 혼합된 회로로 구성될 수 있습니다. 아날로그 회로는 많은 기능이 디지털화됨에 따라 보편화되고 있지 않습니다.

Analog circuits

Main article: Analog electronics
Hitachi J100 adjustable frequency drive chassis

라디오(radio) 수신기와 같은 대부분의 아날로그 전자(analog electronic) 제품은 몇 가지 유형의 기본 회로의 조합으로 구성됩니다. 아날로그 회로(Analog circuits)는 디지털 회로에서 처럼 이산 수준과 달리 전압 또는 전류의 연속 범위를 사용합니다.

지금까지 고안된 다양한 아날로그 회로의 수는 엄청난데, 특히 하나의 '회로'는 단일 구성 요소에서 수천 개의 구성 요소를 포함하는 시스템에 이르기까지 무엇이든 정의할 수 있기 때문입니다.

혼합기, 변조기 등과 같은 아날로그 회로에는 많은 비선형 효과가 사용되지만 아날로그 회로는 때때로 선형 회로(linear circuits)라고도 합니다. 아날로그 회로의 좋은 예로는 진공관과 트랜지스터 증폭기, 연산 증폭기, 및 발진기가 있습니다.

완전히 아날로그인 최신 회로는 거의 찾아볼 수 없습니다 – 오늘날 아날로그 회로는 성능을 향상시키기 위해 디지털 또는 마이크로프로세서(microprocessor) 기술을 사용할 수 있습니다. 이러한 유형의 회로는 보통 아날로그 또는 디지털이 아닌 "혼합 신호"라고 합니다.

때때로 아날로그와 디지털 회로가 선형과 비선형 작동의 요소를 모두 가지고 있기 때문에 이를 구별하기 어려울 수 있습니다. 예를 들어 디지털 회로에서와 같이 연속적인 전압 범위를 취하지만 두 레벨 중 하나만 출력하는 비교기가 있습니다. 유사하게, 과구동된 트랜지스터 증폭기는 본질적으로 두 가지 레벨의 출력을 갖는 제어 스위치(switch)의 특성을 취할 수 있습니다. 사실, 많은 디지털 회로는 실제로 이 예와 유사한 아날로그 회로의 변형으로 구현됩니다. 결국 실제 물리적 세계의 모든 측면은 본질적으로 아날로그이므로, 디지털 효과는 아날로그 동작을 제한함으로써만 실현됩니다.

Digital circuits

Main article: Digital electronics

디지털 회로는 여러 개별 전압 수준을 기반으로 하는 전기 회로입니다. 디지털 회로는 부울 대수(Boolean algebra)의 가장 공통적인 물리적 표현이고 모든 디지털 컴퓨터의 기초입니다. 대부분의 엔지니어에게, "디지털 회로", "디지털 시스템", 및 "로직"라는 용어는 디지털 회로의 맥락에서 서로 바꿔 사용할 수 있습니다. 대부분의 디지털 회로는 "0"과 "1"로 표시된 두 가지 전압 수준을 갖는 이진 시스템(binary system)을 사용합니다. 종종 로직 "0"은 더 낮은 전압이고 "낮음"이라고 하는 반면 논리 "1"은 "높음"이라고 합니다. 어쨌든, 일부 시스템은 역 정의 ("0"이 "높음")를 사용하거나 현재 기반입니다. 꽤 자주 로직 설계자는 설계를 용이하게 하기 위해 적합하다고 생각하는 한 회로에서 다음 회로로 이러한 정의를 뒤집을 수 있습니다. 수준을 "0" 또는 "1"로 정의하는 것은 임의적입니다.[25]

삼진(Ternary) (세 가지 상태) 로직이 연구되어 왔고, 일부 프로토타입 컴퓨터가 만들어졌습니다. 대량 생산된 이진 시스템은 삼진 논리 사용에 대한 중요성을 낮췄습니다.[26] 컴퓨터(Computers), 전자 시계(clocks), 및 프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controllers) (산업 프로세스를 제어하기 위해 사용됨)는 디지털(digital) 회로로 구성됩니다. 연속적인 실-세계 아날로그 신호를 측정, 필터링 또는 압축하는 디지털 신호 프로세서(Digital signal processors)가 또 다른 예입니다. MOSFET과 같은 트랜지스터(Transistors)는 이진 상태를 제어하기 위해 사용됩니다.

고도로 집적된 장치:

Design

전자 시스템 설계는 휴대폰(mobile phones)과 컴퓨터(computers)와 같은 복잡한 전자 장치와 시스템의 다중-분야 설계 문제를 다룹니다. 그 주제는 전자 시스템의 설계와 개발 (신제품 개발)에서 적절한 기능, 서비스 수명과 처분(disposal)의 보장에 이르기까지 광범위한 스펙트럼을 다룹니다.[27] 전자 시스템 설계는 따라서 사용자의 특정 요구 사항(requirements)을 충족시키기 위해 복잡한 전자 장치를 정의하고 개발하는 과정입니다.

전자 이론의 복잡한 특성으로 인해, 실험실 실험은 전자 장치 개발의 중요한 부분입니다. 이들 실험은 공학자의 설계를 테스트하거나 확인하고 오류를 감지하기 위해 사용됩니다. 역사적으로, 전자 연구실은 물리적 공간에 위치한 전자 장치와 장비로 구성되어 있지만, 최근에는 CircuitLogix, Multisim, 및 PSpice와 같은 전자 연구실 시뮬레이션 소프트웨어를 향한 경향이 있어 왔습니다.

Computer-aided design

Main article: Electronic design automation

오늘날의 전자 공학자는 전원 공급 장치(power supplies), 반도체(semiconductors) (예를 들어 트랜지스터와 같은 반도체 장치), 및 집적 회로와 같은 사전 제조된 빌딩 블록을 사용하여 회로(circuits)를 설계(design)하기 위한 능력을 가집니다. 전자 설계 자동화(Electronic design automation) 소프트웨어 프로그램에는 회로도 캡처(schematic capture) 프로그램과 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 설계 프로그램을 포함합니다. EDA 소프트웨어 세계에서 널리 사용되는 이름은 NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB, 및 Schematic, Mentor (PADS PCB와 LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad, 등입니다.

Negative qualities

Thermal management

Main article: Thermal management of electronic devices and systems

전자 회로에서 발생하는 열은 즉각적인 고장을 방지하고 장기적인 신뢰성을 향상시키기 위해 분산되어야 합니다. 열 발산(Heat dissipation)은 대부분 수동 전도/대류에 의해 달성됩니다. 더 큰 방열을 달성하기 위한 수단에는 공랭식을 위한 방열판(heat sinks)과 팬(fans), 및 수냉식(water cooling)과 같은 다른 형태의 컴퓨터 냉각(computer cooling)을 포함합니다. 이들 기술은 열 에너지(heat energy)의 대류(convection), 전도(conduction), 및 복사(radiation)를 사용합니다.

Noise

Main article: Electronic noise

전자 잡음은 정보 내용을 모호하게 하는 경향이 있는 유용한 신호에 중첩된 원치않는 교란으로 정의됩니다.[28] 잡음은 회로로 인한 신호 왜곡과 다릅니다. 잡음은 모든 전자 회로와 관련이 있습니다. 잡음은 전자기적으로 또는 열적으로 생성될 수 있으며, 이는 회로의 작동 온도(operating temperature)를 낮추면 감소될 수 있습니다. 샷 노이즈(shot noise)와 같은 다른 유형의 잡음은 물리적 특성의 제한으로 인해 제거될 수 없습니다.

Packaging methods

Main article: Electronic packaging

구성 요소를 연결하는 다양한 방법이 수년에 걸쳐 사용되어 왔습니다. 예를 들어, 초기 전자 제품은 회로를 구성하기 위해 나무 브레드보드에 부착된 구성 요소를 사용하여 점대점 배선(point to point wiring)을 자주 사용했습니다. 코드우드 건축(Cordwood construction)과 와이어 랩(wire wrap)이 사용된 다른 방법입니다. 대부분의 현대 전자 제품은 이제 FR4, 또는 더 저렴한 (및 덜 마모되는) 합성 수지 접착지 (SRBP, Paxoline/Paxolin (상표) – 그것의 갈색 색상에 의해 특징지어짐, 및 FR2라고도 함)와 같은 재료로 만들어진 인쇄 회로 기판을 사용합니다. 전자 어셈블리와 관련된 건강과 환경 문제는 특히 유럽 시장으로 향하는 제품에 대해 최근 몇 년 동안 더 많은 관심을 받았습니다.

Through-hole devices mounted on the circuit board of a mid-1980s home computer. Axial-lead devices are at upper left, while blue radial-lead capacitors are at upper right

전기 부품은 일반적으로 다음과 같은 방법으로 장착됩니다:

Industry

Main article: Electronics industry
Further information: Consumer electronics, List of best-selling electronic devices, and Semiconductor industry

전자 산업(electronics industry)은 다양한 부문으로 구성되어 있습니다. 전체 전자 산업의 중심 추진력은 반도체 산업(semiconductor industry) 분야이며,[29] 2018년 기준으로 연간 매출이 4,810억 달러가 넘습니다.[30] 가장 큰 산업 부문은 2017년에 29조 달러 이상을 창출한 전자 상거래(e-commerce)입니다.[31] 가장 널리 제조된 전자 장치는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)이며, 1960년에서 2018년 사이에 약 1360억 개의 MOSFET가 제조되어 왔습니다.[32] 1960년대에, 미국 제조업체들은 고품질 제품을 더 저렴한 가격에 생산할 수 있는 Sony와 Hitachi와 같은 일본 회사와 경쟁할 수 없었습니다. 1980년대에 이르러, 어쨌든, 미국 제조업체들은 반도체 개발과 조립 분야에서 세계적인 선두가 되었습니다.[33]

어쨌든, 1990년대 이후에는, 풍부하고 값싼 노동력과 기술의 고도화에 따라 압도적으로 동아시아 (1970년대 마이크로칩(microchip) 양산의 초기 움직임과 함께 동아시아에서 시작됨)로 이동된 산업이 그곳에서 널리 이용 가능하게 되었습니다.[34][35]

30년 동안 반도체 제조 능력에서 미국의 전 세계 점유율은 1990년 37%에서 2022년 12%로 떨어졌습니다.[35] 미국의 저명한 반도체 제조업체, Intel Corporation은 제조 기술에서 하청업체인 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC)에 훨씬 뒤쳐졌습니다.

그 당시, 대만(Taiwan)은 첨단 반도체의 세계 최고의 공급국이 되었으며,[35][34] 한국, 미국, 일본, 싱가포르, 중국이 그 뒤를 이었습니다.[35][34]

유럽 (특히 네덜란드), 동남아시아, 남미, 및 이스라엘에도 중요한 반도체 산업 시설 (종종 다른 곳에 기반을 둔 선도적인 생산자의 자회사임)이 있습니다.[34]

See also

References

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Further reading

External links

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