전기전자공학

PN 접합 다이오드

PN Junction Diode

p형과 n형이 만나는 경계에서 전자와 정공이 서로 확산해 재결합하며 캐리어가 고갈된 공핍층과 내장전위가 생김. 순방향 전압을 걸면 이 장벽이 낮아져 전류가 지수함수적으로 급증하고, 역방향 전압을 걸면 장벽이 높아져 전류가 거의 흐르지 않는 정류 특성을 위 다이오드 방정식으로 기술함.

ex) 휴대폰 충전기(AC 어댑터) 안에서 교류를 직류로 바꾸는 정류 회로에 쓰임.

BJT 동작원리

Bipolar Junction Transistor Operation

베이스-이미터 접합은 순방향, 베이스-컬렉터 접합은 역방향으로 바이어스를 걸면, 이미터에서 주입된 소수 캐리어 대부분이 얇은 베이스를 그대로 통과해 컬렉터로 흘러들어감. 작은 베이스 전류 의 변화가 훨씬 큰 컬렉터 전류 변화를 만들어내는 전류 증폭률 (보통 수십~수백)가 증폭 동작의 핵심.

ex) 기타 앰프, 마이크 프리앰프 등 오디오 신호 증폭 회로에 흔히 쓰임.

MOSFET 구조

MOSFET Structure

게이트에 절연막(산화막)을 사이에 두고 전압을 걸면 그 아래 반도체 표면에 반전층(채널)이 형성되어 소스-드레인 사이가 전기적으로 연결되는 전압 제어형 소자. 문턱전압 를 넘어서면 채널이 생기고, 포화 영역에서 드레인 전류는 게이트 전압의 제곱에 비례해 커짐.

ex) CPU 한 칩 안에 들어있는 수십억 개의 트랜지스터가 거의 다 이 구조.

MOSFET 소신호 모델

MOSFET Small-Signal Model

MOSFET을 증폭기로 쓸 때는 큰 DC 바이어스 위에 얹힌 작은 교류 신호만 다루므로, 게이트 전압이 살짝 변할 때 드레인 전류가 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타내는 트랜스컨덕턴스 과, 드레인 전압 변화에 대한 전류 변화를 나타내는 출력저항 만으로 회로를 선형화해 해석하는 모델. 실제 증폭기의 전압이득은 이 과 부하저항의 곱으로 근사됨.

ex) 스마트폰 RF 증폭기 회로의 이득을 설계할 때 트랜지스터를 이 단순화된 모델로 취급하는 것.

JFET과 접합형 트랜지스터

JFET (Junction Field-Effect Transistor)

MOSFET처럼 절연막을 사이에 두는 대신, 게이트와 채널이 PN 접합으로 직접 연결되어 그 접합에 역방향 전압을 걸어 공핍층을 넓혀가며 채널 폭을 조절하는 전압 제어형 소자. 게이트 전류가 거의 흐르지 않아 입력 임피던스가 매우 높고 잡음이 적어, 정밀 계측기나 오디오 프리앰프의 초단 증폭에 적합함.

ex) 전자기타 이펙터 페달이나 정밀 측정 장비의 초저잡음 입력단에 JFET을 쓰는 것.

OLED 발광 원리

OLED Light Emission Principle

유기 발광층에 양극에서는 정공을, 음극에서는 전자를 주입하면 층 안에서 전자와 정공이 만나 재결합하며 그 에너지 차만큼 빛(광자)을 방출하는 전계발광(electroluminescence) 현상. 화소 하나하나가 스스로 빛을 내기 때문에 백라이트 없이도 완전한 검정을 표현할 수 있음.

ex) 갤럭시·아이폰의 OLED 화면이 검은 화면에서 완전한 검정을 표현하는 이유.

유연 소자

Flexible Display

유리 대신 폴리이미드 같은 얇고 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 회로와 발광층을 형성해, 특정 곡률반경 이하로는 균열 없이 접거나 구부릴 수 있게 만든 기술. 휘어짐에 따라 전극과 배선에 가해지는 응력을 분산시키는 구조 설계가 핵심 과제.

ex) 갤럭시 Z 폴드처럼 반으로 접히는 스마트폰 화면.

차세대 발광 소자

Next-Gen Light-Emitting Devices (Micro LED)

유기물이 아닌 무기물(질화갈륨, GaN) 기반의 마이크로미터 크기(100㎛ 이하) LED 칩 수백만 개를 기판에 하나씩 전사(mass transfer)해 화소로 쓰는 기술. 무기물이라 OLED보다 밝기와 수명, 번인 저항성이 뛰어나지만, 극미세 칩을 대량으로 정밀 전사하는 공정 난이도가 상용화의 걸림돌.

ex) 삼성 "더 월(The Wall)" 같은 초대형 프리미엄 TV 패널.

번인과 화면잔상

Burn-in & Image Retention

OLED 화소가 오랜 시간 같은 밝기·색을 계속 표시하면 유기 발광물질이 서서히 열화해, 그 부분만 밝기·색이 영구적으로 달라지는 현상. 화소마다 열화 속도가 미세하게 달라 특정 정적 이미지(상태바, 로고)를 오래 띄우면 그 잔상이 옅게 남게 되는데, 화면을 미세하게 흔들거나 전체 화소를 균등하게 사용하도록 조절하는 소프트웨어적 보정으로 완화함.

ex) 오래 쓴 OLED 스마트폰 화면에 상단 상태바 윤곽이 희미하게 남는 현상.

나노소자

Nanodevices

게이트 길이가 10나노미터 이하로 작아지면 전자가 채널을 통과할 때 고전적으로 예측한 것보다 훨씬 쉽게 장벽을 뚫고 지나가는 양자 터널링과, 게이트가 채널을 제대로 제어하지 못하는 단채널효과가 심해짐. 이를 극복하기 위해 채널을 3면에서 게이트가 감싸는 FinFET, GAA(Gate-All-Around) 같은 구조가 연구됨.

ex) 삼성전자·TSMC의 3나노 공정으로 만드는 최신 스마트폰 AP.

전자재료

Electronic Materials

반도체, 절연체, 도전성 재료 등 전자소자의 성능을 좌우하는 신소재를 개발하는 연구 영역. 소자가 미세화될수록 재료 한 층의 두께·순도 차이가 전체 성능에 미치는 영향이 커짐.

ex) 반도체 웨이퍼의 원재료인 고순도 단결정 실리콘 개발.

터널링 전계효과트랜지스터

Tunnel Field-Effect Transistor (TFET)

기존 MOSFET은 전자가 열에너지를 얻어 장벽을 넘는 방식이라 상온에서 전류를 100배 키우는 데 최소 60mV/decade의 게이트 전압이 필요하다는 물리적 한계(subthreshold swing)가 있는데, TFET은 열적으로 넘는 대신 양자터널링으로 전자가 장벽을 그대로 통과하게 만들어 이 한계보다 훨씬 가파른 스위칭을 노리는 차세대 저전력 소자 구조.

ex) 배터리로 몇 년씩 동작해야 하는 초저전력 IoT 센서용 차세대 트랜지스터 연구.

스핀트로닉스

Spintronics

기존 전자소자가 전자의 전하량만 이용하는 반면, 스핀트로닉스는 전자가 가진 또 하나의 양자적 성질인 스핀(자성의 근원)의 방향까지 정보로 활용하는 기술. 전하 이동 없이 스핀 방향만 바꿔 정보를 저장·처리할 수 있어, 기존 소자보다 훨씬 적은 에너지로 동작하는 차세대 메모리·연산소자로 연구됨.

ex) MRAM(자기저항메모리)이 전하 대신 자성체의 스핀 방향으로 데이터를 저장하는 원리.

키르히호프 법칙

Kirchhoff's Laws

전하량이 보존된다는 사실에서 나오는 전류 법칙(KCL: 한 마디로 들어오고 나가는 전류의 합은 같다)과, 에너지가 보존된다는 사실에서 나오는 전압 법칙(KVL: 폐회로를 한 바퀴 돌면 전압 변화의 합은 0)으로, 모든 회로 해석(마디해석·루프해석)의 출발점이 되는 두 법칙.

ex) 회로 시뮬레이터(SPICE)가 내부적으로 모든 노드의 전압·전류를 계산할 때 쓰는 기본 규칙.

테브난 정리

Thevenin's Theorem

아무리 복잡한 선형 회로라도 두 단자에서 바라본 특성은 개방 전압 하나의 전압원과, 그 전압원을 단락시켰을 때 흐르는 전류 로부터 구한 등가 저항 의 직렬 조합으로 완전히 똑같이 표현된다는 정리. 부하 저항만 바꿔가며 반복 계산할 때 매번 전체 회로를 다시 풀 필요가 없어짐.

ex) 이어폰 임피던스에 따라 앰프가 전달하는 최대 출력을 계산할 때.

노턴 정리

Norton's Theorem

테브난 정리와 완전히 쌍대적인 관계로, 회로를 단락 전류 크기의 전류원과 등가 저항 가 병렬로 연결된 형태로 단순화하는 정리. 실제로 테브난 등가회로와 노턴 등가회로는 소스변환 공식()으로 서로 자유롭게 바꿀 수 있음.

ex) 태양전지 패널을 등가 전류원 모델로 단순화해 해석할 때.

중첩의 원리

Superposition Theorem

선형 회로에서만 성립하는 원리로, 전원이 여러 개 있을 때 한 전원만 남기고 나머지 전압원은 단락, 전류원은 개방시킨 상태에서 구한 응답들을 모두 합하면 전체 응답과 정확히 같다는 원리. 저항·커패시터·인덕터로 이루어진 선형 소자 회로에서만 성립하고, 다이오드처럼 비선형 소자가 섞이면 성립하지 않음.

ex) 여러 악기 신호가 섞이는 오디오 믹서 회로를 분석할 때.

RLC 공진

RLC Resonance

인덕터의 리액턴스()와 커패시터의 리액턴스()는 주파수에 따라 서로 반대로 움직이는데, 이 둘이 크기가 같아져 서로 상쇄되는 특정 주파수 에서는 회로가 순수 저항처럼 동작하며 전류·전압이 최대가 됨.

ex) AM/FM 라디오가 특정 방송국 주파수만 골라 수신하는 튜닝 회로.

열잡음과 노이즈 해석

Thermal Noise & Circuit Noise Analysis

저항 내부 전자가 온도에 의해 끊임없이 무작위로 진동하면서 저항값과 무관하게 항상 미세한 잡음 전압을 만들어내는데, 그 세기가 절대온도 와 저항 , 대역폭 에 비례한다는 법칙. 아무리 회로를 잘 설계해도 이 열잡음 이하로는 신호를 깨끗하게 만들 수 없어, 정밀 계측·통신 회로 설계에서 신호대잡음비의 이론적 하한을 결정함.

ex) 전파망원경이나 정밀 센서가 신호를 증폭하기 전에 극저온으로 냉각해 잡음을 줄이는 이유.

라플라스 변환의 회로 해석

Laplace Transform Circuit Analysis

커패시터·인덕터가 섞인 회로는 시간에 따라 변하는 미분방정식으로 기술되는데, 라플라스 변환을 쓰면 인덕터는 임피던스 , 커패시터는 인 저항처럼 취급할 수 있어, 복잡한 미분방정식 대신 옴의 법칙 수준의 대수 계산만으로 회로의 과도응답(전원을 켠 직후의 변화 과정)까지 한 번에 풀 수 있음.

ex) 스위치를 켠 순간부터 커패시터가 충전되는 과정을 시간에 따른 함수로 정확히 구하는 것.

부울대수

Boolean Algebra

참(1)·거짓(0) 두 값과 AND·OR·NOT 연산만으로 논리를 다루는 대수 체계. "AND의 부정은 각각을 부정한 OR과 같다"는 위 드모르간 법칙처럼, 대수적 규칙을 이용해 복잡한 논리식을 게이트 수가 더 적은 등가식으로 변형할 수 있음.

ex) 디지털 도어락이 비밀번호 일치 여부를 판단하는 논리 회로의 기초.

카르노 맵

Karnaugh Map

진리표의 각 행을 인접한 항끼리 한 비트만 달라지도록 격자에 배열해두고, 값이 1인 칸들을 2, 4, 8개씩(2의 거듭제곱 개) 묶어내면 그 묶음이 곧 간소화된 곱항 하나에 대응한다는 원리를 이용해 부울식을 눈으로 보고 최소화하는 도구.

ex) 엘리베이터 제어 로직을 최소한의 게이트로 구현할 때 회로를 간소화하는 데 사용.

플립플롭

Flip-Flop

클럭 신호가 상승(또는 하강) 하는 그 순간에만 입력값을 받아들여 다음 클럭까지 그 값을 유지하는 1비트 저장 소자. 예를 들어 D 플립플롭은 클럭 엣지 순간의 D 입력값을 그대로 Q 출력으로 저장하며(Q←D), 이때 클럭 직전·직후 신호가 안정돼야 하는 셋업/홀드 시간을 지켜야 오동작하지 않음.

ex) CPU 레지스터와 메모리 셀 하나하나가 플립플롭으로 이루어져 있음.

유한상태기계

Finite State Machine (FSM)

회로가 가질 수 있는 상태들과, 입력에 따라 한 상태에서 다른 상태로 넘어가는 규칙(전이)을 정의해 순차 논리회로를 설계하는 방법론. 출력이 현재 상태에만 의존하는 무어 머신과, 현재 상태와 입력 둘 다에 의존하는 밀리 머신으로 나뉘며, 플립플롭으로 현재 상태를 저장하고 조합논리로 다음 상태를 계산하는 구조로 구현됨.

ex) 신호등 제어기가 빨강→초록→노랑→빨강 순서로 상태를 전이하는 회로를 설계하는 것.

연산증폭기

Operational Amplifier (Op-amp)

개루프 이득이 사실상 무한대라고 가정하면, 부궤환이 걸린 상태에서는 두 입력단자 전압이 항상 같아지는 가상단락(virtual short)이 성립함. 이 가정만으로 반전증폭기의 이득이 저항비 로 정해진다는 걸 옴의 법칙만으로 유도할 수 있어, 복잡한 내부 회로를 몰라도 외부 저항값만으로 원하는 이득을 설계할 수 있음.

ex) 마이크의 미세한 전기 신호를 스피커가 울릴 만큼 키우는 프리앰프.

MOSFET 동작 영역

MOSFET Operating Regions

게이트-소스 전압이 문턱전압보다 낮으면 전류가 거의 안 흐르는 차단 영역, 채널이 형성되어 전류가 드레인 전압에 거의 선형으로 비례하는 삼극 영역(스위치로 활용), 드레인 전압이 충분히 커져 전류가 게이트 전압에만 의존하고 거의 일정해지는 포화 영역(증폭기로 활용)으로 나뉨.

ex) 스마트폰 전원관리칩(PMIC)이 배터리 전압을 필요한 전압으로 스위칭할 때.

차동증폭기

Differential Amplifier

두 입력 신호의 차이만 증폭하고, 두 입력에 똑같이 섞여 들어온 잡음(공통모드 신호)은 서로 상쇄시켜 걸러내는 증폭기 구조. 전원 잡음이나 외부 전자기 간섭이 두 입력선에 똑같이 유도되더라도 최종 출력에는 영향을 주지 않아, 거의 모든 연산증폭기·아날로그 IC의 입력단으로 쓰이는 가장 기본적인 아날로그 회로 블록.

ex) 심전도(ECG) 측정기가 몸에 붙인 두 전극 사이의 미세한 전위차만 증폭하고 주변 전자기 잡음은 걸러내는 원리.

아날로그 회로와 디지털 회로 설계

Analog vs Digital Circuit Design

연속적인 값을 다루는 아날로그 회로 설계와, 0/1 이산 값을 다루는 디지털 회로 설계로 나뉘는 VLSI 설계의 두 갈래. 아날로그는 노이즈·온도 변화에 따른 미세한 오차까지 계산해 설계해야 해서 디지털보다 설계 자동화가 어렵다는 특징이 있음.

ex) 스마트폰 AP는 디지털 설계, 전원관리칩(PMIC)은 아날로그 설계가 각각 담당.

CMOS 논리게이트 설계

CMOS Logic Gate Design

PMOS 트랜지스터들로 이루어진 풀업 네트워크(출력을 전원에 연결)와, NMOS 트랜지스터들로 이루어진 풀다운 네트워크(출력을 접지에 연결)를 서로 상보적인 논리로 구성해, 입력 조합마다 둘 중 하나만 켜지도록 만드는 게 CMOS 게이트 설계의 기본 원리 — 이 덕분에 정상 상태에서는 전원에서 접지로 직류 전류가 거의 안 흘러 정적 전력 소모가 매우 낮음.

ex) CPU·GPU 내부 논리 회로 전체가 이 게이트들의 조합으로 만들어짐.

타이밍 분석

Timing Analysis

한 플립플롭에서 다음 플립플롭까지 신호가 조합논리를 거쳐 전달되는 지연시간 이, 다음 클럭 주기 안에 셋업 시간 여유를 두고 도착해야 한다는 조건을 만족하는지 검증하는 과정. 이 부등식을 만족하는 한도 내에서 클럭 주파수의 최댓값이 정해짐.

저전력 설계 기법

Low-Power Design Techniques

동적 전력은 부하 커패시턴스 , 공급전압 의 제곱, 동작 주파수 , 스위칭 활동도 에 비례하므로, 안 쓰는 블록의 클럭을 꺼버리는 클럭 게이팅이나 필요할 때만 전압·주파수를 높이는 DVFS(전압 스케일링)로 이 값을 줄이는 게 저전력 설계의 핵심 전략 — 특히 전압을 낮추면 제곱으로 효과가 커짐.

ex) 스마트폰 화면이 꺼져 있을 때 AP가 배터리를 최소로만 소비하게 하는 기술.

IR드롭과 전원무결성

IR Drop & Power Integrity

칩 내부 전원 배선도 저항을 가지므로, 트랜지스터 수백만 개가 동시에 스위칭하며 큰 전류 를 끌어당기면 배선 저항 에 의해 실제 트랜지스터에 도달하는 전압이 공급 전압보다 떨어지는(IR드롭) 현상이 생김. 전압이 너무 떨어지면 게이트가 오동작할 수 있어, 전원 배선망을 격자형으로 촘촘히 깔아 저항을 최소화하는 게 첨단 공정 칩 설계의 핵심 과제가 됨.

ex) 고성능 CPU가 특정 코어에 부하가 몰릴 때 순간적으로 클럭을 낮춰 전압 강하를 방지하는 것.

ESD 보호회로

ESD (Electrostatic Discharge) Protection

사람이 칩의 핀을 만지는 순간 몸에 쌓여있던 정전기가 순식간에(수 나노초) 수천 볼트로 방전되며 칩 내부 트랜지스터의 얇은 게이트 산화막을 파괴할 수 있는데, 이를 막기 위해 모든 외부 입출력 핀에 다이오드 등으로 이루어진 보호회로를 추가해 과전압을 순간적으로 접지나 전원으로 우회시켜 내부 회로를 보호함.

ex) 스마트폰을 만지기 전 몸에 정전기가 있어도 내부 칩이 손상되지 않는 이유.

메인보드(PCB) 설계

Motherboard/PCB Design

여러 층(layer)의 구리 배선판에 부품을 배치하고 신호선을 연결하는 설계. 고속 신호선은 임피던스가 갑자기 바뀌면 신호가 반사되어 왜곡되므로, 배선 폭과 층 간격으로 특성 임피던스를 일정하게(주로 50Ω) 맞추는 것이 핵심 과제.

ex) 노트북을 열었을 때 보이는 초록색 기판 위 부품 배치와 배선 설계.

전원공급시스템 설계

Power Supply System Design

기기 안의 여러 칩이 요구하는 서로 다른 전압(예: CPU 1.2V, 메모리 1.5V)을 하나의 배터리·어댑터 전압으로부터 안정적으로 만들어 공급하는 회로. 전압 리플(출렁임)을 억제하고 갑작스러운 부하 변화에도 전압을 유지하는 것이 설계 목표.

ex) 데스크톱 컴퓨터의 파워서플라이(SMPS) 내부 회로.

신호무결성과 크로스토크

Signal Integrity & Crosstalk

고속 신호가 흐르는 배선 옆에 다른 배선이 가까이 지나가면, 전자기 결합으로 한 배선의 신호 변화가 옆 배선에 원치 않는 잡음(크로스토크)을 유도할 수 있음. 배선 간격을 충분히 벌리거나, 신호선 사이에 접지선을 끼워 넣어 전자기적으로 차폐하는 등의 레이아웃 설계로 방지함.

ex) PCB 위 고속 데이터 라인이 옆의 클럭 신호선에 영향을 줘 오작동을 일으키지 않도록 배선을 분리 설계하는 것.

표본화 정리

Sampling Theorem (Nyquist)

아날로그 신호를 이산 시점에서만 값을 뽑아(표본화) 디지털로 바꿀 때, 표본화 주파수가 원신호에 담긴 최고 주파수 성분의 2배보다 낮으면 서로 다른 주파수 성분이 같은 표본열로 겹쳐 보이는 앨리어싱(aliasing)이 생겨 원신호를 복원할 수 없게 됨.

ex) 오디오 CD가 소리를 44.1kHz로 샘플링하는 이유(사람 가청주파수 20kHz의 2배 이상).

컨볼루션

Convolution

입력 신호 를 임펄스들의 연속으로 보고, 시스템의 임펄스응답 를 각 임펄스 크기만큼 스케일해 시간축에서 밀어놓고 전부 더하는 연산. 선형 시불변(LTI) 시스템의 출력은 입력과 임펄스응답의 컨볼루션 하나로 완전히 결정된다는 게 신호처리 이론의 핵심.

ex) 카메라 앱의 흐림(블러)이나 선명화 필터가 이미지에 적용하는 연산.

임펄스 응답

Impulse Response

아주 짧고 강한 단위 임펄스 신호를 시스템에 넣었을 때 나오는 출력. LTI 시스템은 이 응답 함수 하나만 알면 컨볼루션을 통해 어떤 입력에 대한 출력이든 계산할 수 있어서, 시스템 특성을 완전히 대표하는 지문 같은 함수임.

ex) 콘서트홀의 잔향을 녹음해 만드는 리버브(reverb) 이펙트 플러그인.

z-변환

Z-Transform

이산 시간 신호 을 복소 주파수 영역의 함수 로 바꾸는 변환. 시간 영역의 컨볼루션이 z-영역에서는 단순 곱셈이 되어 필터 설계·해석이 훨씬 쉬워지고, 의 극점 위치로 시스템이 안정적인지(단위원 안에 극점이 있는지)도 바로 판단할 수 있음.

ex) 음악 앱의 디지털 이퀄라이저(EQ) 필터를 설계할 때.

양자화 잡음과 ENOB

Quantization Noise & ENOB

아날로그 신호를 비트 디지털 값으로 표현할 때 실제 값과 반올림된 값 사이의 차이(양자화 오차)가 잡음처럼 작용하는데, 비트 수 이 1 늘어날 때마다 신호대양자화잡음비(SQNR)가 약 6dB씩 좋아짐. 실제 ADC는 회로 비선형성 등으로 이 이론치보다 못한 유효비트수(ENOB)를 내는 경우가 많아, ENOB가 ADC의 실질적 성능 지표로 쓰임.

ex) 오디오 CD(16비트)보다 하이레조 음원(24비트)의 다이나믹레인지가 훨씬 넓은 이유.

푸리에 급수와 스펙트럼

Fourier Series & Spectrum

어떤 주기 신호든 서로 다른 주파수·크기·위상을 가진 사인파(고조파)들의 합으로 정확히 분해할 수 있다는 정리. 이 분해로 얻은 각 주파수 성분의 크기를 그린 것이 스펙트럼이며, 시간에 따른 파형만으로는 안 보이던 신호의 주파수 구성(어떤 음이 섞여 있는지)을 명확히 드러내줌.

ex) 악기 소리의 파형은 복잡해 보여도 스펙트럼을 보면 기본음과 배음들의 조합으로 구성된 게 드러나는 것.

FIR/IIR 필터

FIR/IIR Filters

현재·과거 입력값만의 가중합으로 출력을 계산하는 FIR 필터는 항상 안정적이고 위상이 왜곡되지 않게(선형위상) 설계할 수 있는 반면, 출력을 다시 입력에 되먹이는 IIR 필터는 적은 계수로도 급격한 주파수 응답을 만들 수 있지만 계수를 잘못 잡으면 불안정해질 수 있음.

ex) 노이즈캔슬링 이어폰이 주변 소음 주파수만 걸러내는 필터.

고속 푸리에 변환

Fast Fourier Transform (FFT)

개 샘플의 주파수 성분을 직접 계산하면 이 걸리는 이산 푸리에 변환(DFT)을, 짝수·홀수 인덱스로 나눠 재귀적으로 절반씩 계산(분할정복)함으로써 까지 줄인 알고리즘. 이 속도 덕분에 스트리밍 오디오·영상에서도 실시간 주파수 분석이 가능해짐.

ex) 시리·빅스비 같은 음성비서가 목소리의 주파수 특징을 실시간 분석할 때.

적응필터

Adaptive Filters (LMS Algorithm)

주변 소음처럼 특성을 미리 알 수 없거나 시간에 따라 계속 변하는 신호를 걸러내려면 고정된 필터로는 한계가 있어서, 원하는 신호와 필터 출력의 오차 를 계속 관측하며 필터 계수 를 스스로 조금씩 갱신해 최적값에 수렴시키는 필터. LMS(최소평균제곱) 알고리즘이 계산이 단순하면서도 안정적으로 수렴해 가장 널리 쓰임.

ex) 노이즈캔슬링 이어폰이 시시각각 변하는 주변 소음 패턴에 실시간으로 맞춰 상쇄음을 조정하는 원리.

윈도잉과 스펙트럼 누설

Windowing & Spectral Leakage

실제 신호에서 유한한 길이만 뚝 잘라내 FFT를 하면, 그 경계에서 파형이 갑자기 끊기는 효과 때문에 원래 없던 주파수 성분이 스펙트럼 전체에 걸쳐 번져 보이는 스펙트럼 누설이 발생함. 자른 구간의 양 끝을 부드럽게 0으로 줄어들게 만드는 윈도우 함수(해닝, 해밍 등)를 곱해 이 급격한 끊김을 완화하면 누설을 크게 줄일 수 있음.

ex) 오디오 분석 소프트웨어가 짧은 구간을 분석할 때 경계 처리를 위해 윈도우 함수를 적용하는 것.

영상처리

Image/Video Signal Processing

2차원 픽셀 배열에 컨볼루션 필터(커널)를 적용해 노이즈를 줄이거나(가우시안 블러) 경계를 강조하는(샤프닝, 엣지 검출) 등, 영상 신호를 분석·보정·압축하는 기술.

ex) 자율주행차가 카메라 영상에서 차선과 신호등을 인식하는 전처리 과정.

음성신호처리

Audio Signal Processing

마이크로 들어온 음성 신호를 짧은 구간(프레임)으로 나눠 주파수 성분을 분석하고, 원하는 목소리 대역은 살리고 배경 잡음 대역은 걸러내는 필터를 적용하는 기술.

ex) 화상회의 프로그램(줌 등)이 배경 소음을 자동으로 지워주는 기능.

MFCC 음성 특징 추출

MFCC (Mel-Frequency Cepstral Coefficients)

사람 귀는 저주파 차이는 예민하게, 고주파 차이는 둔감하게 느끼는데, 이 청각 특성을 반영한 멜 스케일로 주파수 축을 재구성한 뒤, 그 스펙트럼의 형태(음색을 결정하는 성도의 공명 특성)만 압축해서 뽑아낸 소수의 계수. 원본 음성 파형보다 훨씬 적은 정보로도 화자·발음의 특징을 잘 대표해, 음성인식 모델의 표준 입력 특징으로 오래 쓰여옴.

ex) 시리·빅스비 같은 음성인식 엔진이 마이크 원신호 대신 MFCC로 변환한 특징을 모델에 입력하는 것.

마이크로컨트롤러와 인터럽트

Microcontroller & Interrupts

CPU, 메모리, 입출력 포트를 하나의 칩에 통합한 소형 컴퓨터. 인터럽트가 발생하면 CPU는 현재 실행 상태를 스택에 저장하고, 인터럽트 벡터 테이블에서 해당 인터럽트에 연결된 인터럽트 서비스 루틴(ISR)의 주소로 즉시 점프해 처리한 뒤 원래 실행으로 복귀함.

ex) 전자레인지나 세탁기의 버튼을 눌렀을 때 즉시 반응하는 제어 칩.

실시간 운영체제

Real-Time Operating System (RTOS)

작업마다 정해진 마감시간(deadline) 안에 반드시 끝나야 한다는 제약을 만족시키기 위해, 마감이 가장 임박한 작업부터 실행하는 EDF나 주기가 짧을수록 우선순위를 높게 주는 RM(Rate Monotonic) 같은 예측 가능한 스케줄링을 쓰는 운영체제.

ex) 자동차 에어백처럼 정해진 밀리초 안에 반드시 반응해야 하는 안전 제어기.

통신 프로토콜(I2C/SPI/UART)

Embedded Communication Protocols (I2C/SPI/UART)

임베디드 칩과 센서·주변장치가 짧은 거리에서 데이터를 주고받는 표준 방식들로, 두 선(클럭·데이터)만으로 여러 장치를 주소로 구분해 연결하는 I2C, 클럭에 맞춰 데이터를 매우 빠르게 주고받는 SPI, 클럭 없이 정해진 속도로 한 비트씩 순차 전송하는 UART로 나뉨. 필요한 속도, 배선 개수, 연결할 장치 수에 따라 적절한 프로토콜을 골라 씀.

ex) 아두이노가 온습도 센서와는 I2C로, 디스플레이와는 SPI로 각각 다른 프로토콜로 통신하는 것.

가우스 법칙

Gauss's Law

임의의 폐곡면을 통과하는 전기선속의 총합은 그 안에 있는 전하량에만 비례하고 전하의 위치나 곡면의 모양과는 무관하다는 법칙. 구·원통처럼 대칭성이 좋은 전하 분포는 이 법칙 하나로 적분 없이도 전기장을 바로 구할 수 있음.

ex) 커패시터(콘덴서) 내부 전기장을 계산하는 기본 도구.

패러데이 유도 법칙

Faraday's Law of Induction

코일을 통과하는 자기선속 이 시간에 따라 변하면 그 변화율에 비례하는 기전력이 코일에 유도된다는 법칙. 음(−)의 부호는 유도된 전류가 만드는 자기장이 원래의 자기선속 변화를 방해하는 방향(렌츠의 법칙)으로 흐른다는 뜻.

ex) 스마트폰을 무선 충전 패드 위에 올리면 충전되는 원리.

맥스웰 방정식

Maxwell's Equations

가우스 법칙(전기·자기), 패러데이 법칙, 앙페르 법칙 네 개를 통합한 방정식으로, 변화하는 전기장이 자기장을 만들고 변화하는 자기장이 전기장을 만드는 상호유도 관계를 수학적으로 완성함. 이 상호유도가 진공에서도 스스로 전파되는 파동, 즉 전자기파의 존재와 그 속도가 빛의 속도와 같다는 사실을 예측함.

ex) 와이파이 공유기 안테나가 전파를 얼마나 멀리, 어느 방향으로 뿌리는지 시뮬레이션할 때.

포인팅 벡터

Poynting Vector

전기장 와 자기장 의 외적으로 정의되는 벡터로, 그 방향은 전자기파가 에너지를 실어나르는 방향, 크기는 단위 시간·단위 면적당 흐르는 에너지(전력밀도)를 나타냄.

ex) 전자레인지 마그네트론이 음식에 전달하는 마이크로파 에너지량 계산.

스미스 차트와 임피던스 정합

Smith Chart & Impedance Matching

고주파 회로에서는 부하 임피던스가 신호 경로(전송선로)의 특성 임피던스와 다르면 신호 일부가 반사되어 손실이 생기는데, 반사계수를 원형 그래프 위에 표시해 임피던스 값을 시각적으로 다루는 스미스 차트를 이용하면, 인덕터·커패시터를 얼마나 추가해야 반사를 없애고(임피던스 정합) 전력을 최대로 전달할 수 있는지 그래프상에서 바로 설계할 수 있음.

ex) RF 설계자가 안테나와 증폭기 사이 임피던스를 정합시켜 신호 손실을 최소화하는 작업.

전송선로 이론

Transmission Line Theory

신호의 파장이 배선 길이와 비슷하거나 짧아지는 고주파에서는, 배선을 단순한 전선이 아니라 단위 길이당 인덕턴스 과 커패시턴스 를 가진 분포정수 회로(전송선로)로 다뤄야 함. 이 선로가 가진 고유한 임피던스인 특성임피던스 와 부하 임피던스가 다르면 신호 일부가 반사되어 되돌아오는데, 이 반사가 신호 왜곡·손실의 근본 원인이 됨.

ex) 고속 PCB 배선이나 동축케이블의 특성임피던스를 50Ω으로 표준화해 반사를 최소화하는 설계.

샤논의 채널 용량

Shannon's Channel Capacity

대역폭 와 신호대잡음비 이 주어졌을 때, 어떤 통신 방식을 쓰든 오류 없이 전송할 수 있는 정보량의 이론적 상한선 를 계산하는 정보이론의 핵심 정리. 대역폭을 넓히거나 신호 세기를 키우는 것 외에는 이 한계를 근본적으로 넘을 방법이 없음을 보여줌.

ex) 5G가 4G보다 훨씬 빠른 속도를 낼 수 있는 이론적 한계를 설명하는 공식.

변조

Modulation (AM/FM)

낮은 주파수의 정보 신호를 그대로는 멀리 보낼 수 없어, 높은 주파수의 반송파에 정보를 실어보내는 과정. 반송파의 진폭을 정보 신호에 따라 바꾸면 AM, 주파수를 바꾸면 FM이며, FM은 잡음이 주로 진폭에 실리는 특성상 AM보다 잡음에 강함.

ex) 자동차 라디오에서 채널을 돌려 AM/FM 방송을 골라 듣는 것.

비트오류율

Bit Error Rate (BER)

전송된 비트 중 수신 측에서 잘못 판정된 비트의 비율. 신호대잡음비(SNR)가 낮을수록, 즉 신호는 약하고 잡음은 강할수록 BER이 지수적으로 커지는 관계가 있어, 통신 링크의 품질을 SNR과 BER 두 지표로 함께 평가함.

ex) 와이파이 신호가 약할 때 영상 스트리밍이 끊기거나 화질이 깨지는 원인.

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

하나의 넓은 대역을 서로 직교하는(간섭 없이 겹칠 수 있는) 수백~수천 개의 좁은 부반송파로 잘게 쪼개, 각 부반송파에 나눠서 데이터를 동시에 실어보내는 변조 방식. 좁은 부반송파 하나하나는 심볼 길이가 길어져 여러 경로로 반사돼 도착하는 신호(다중경로 페이딩)에 훨씬 강인해짐.

ex) 와이파이·LTE·5G·지상파 DMB가 공통으로 채택한 핵심 변조 기술.

다이버시티와 페이딩

Diversity & Fading

무선 신호는 건물·지형에 반사되어 여러 경로로 수신기에 도달하는데, 이 경로들이 서로 상쇄 간섭을 일으키면 신호 세기가 순간적으로 뚝 떨어지는 페이딩이 발생함. 안테나를 여러 개 두거나(공간 다이버시티) 같은 데이터를 여러 주파수·시간에 나눠 보내, 모든 경로가 동시에 페이딩에 빠질 확률을 낮춰 통신 안정성을 높이는 기법이 다이버시티.

ex) 스마트폰이 여러 개의 안테나로 동시에 신호를 받아 한 안테나가 음영지역에 있어도 통화가 끊기지 않게 하는 것.

5G/6G 무선통신

5G/6G Wireless Communication

더 넓은 대역폭(밀리미터파 등 고주파 대역 활용)과 더 많은 안테나를 배열해 여러 사용자에게 동시에 빔을 쏘는 다중안테나(MIMO) 기술로 속도와 지연시간을 개선하는 차세대 이동통신 규격.

ex) 스마트폰에 내장된 5G 모뎀 칩과 기지국 사이의 통신 규격.

광통신 시스템

Optical Communication Systems

레이저로 빛을 켜고 끄거나 위상을 바꿔 정보를 실은 뒤, 굴절률 차이로 빛이 코어 안에 갇혀 전반사를 반복하며 진행하는 광섬유를 통해 전송하는 통신 기술. 전기 신호보다 감쇠가 훨씬 적어 장거리·대용량 전송에 압도적으로 유리함.

ex) 한국과 미국을 잇는 해저 광케이블을 통한 국제 인터넷 트래픽.

네트워크 슬라이싱

Network Slicing

하나의 물리적인 5G 네트워크 인프라를 소프트웨어적으로 여러 개의 독립된 가상 네트워크(슬라이스)로 나눠, 각 슬라이스마다 서로 다른 지연시간·대역폭·신뢰성 요구조건을 독립적으로 보장하는 기술. 초고속 대용량이 필요한 스트리밍 서비스와, 극도로 짧은 지연시간이 필요한 자율주행 서비스를 같은 물리 인프라에서도 서로 간섭 없이 동시에 운영할 수 있게 함.

ex) 같은 5G망 위에서 일반 스마트폰 데이터 통신과 자율주행차의 초저지연 통신을 별도 슬라이스로 분리 운영하는 것.

안테나 이득과 방사패턴

Antenna Gain & Radiation Pattern

안테나가 모든 방향에 똑같이 에너지를 뿌리는 이상적인 등방성 안테나에 비해 특정 방향으로 얼마나 더 세게 방사하는지를 나타내는 이득과, 그 세기를 방향별로 그린 방사패턴. 이득을 높이면 특정 방향으로는 더 멀리 도달하지만 다른 방향으로는 신호가 약해지는 트레이드오프가 있음.

ex) 아이폰 테두리 안에 숨겨진 여러 개의 안테나를 배치·설계할 때.

전파 전파와 감쇠

Radio Wave Propagation & Attenuation

자유공간에서는 수신 전력이 송수신 거리 의 제곱에 반비례해 줄어든다는 프리스 전송 공식(Friis equation)이 기본이지만, 실제로는 건물·지형에 의한 반사·회절·산란까지 겹쳐 더 복잡하게 감쇠함.

ex) 통신사가 새 기지국을 어디에 세울지, 몇 미터 간격으로 세울지 정할 때.

레이더 시스템

Radar Systems

전자기파를 발사한 뒤 물체에 반사되어 돌아오는 데 걸린 시간으로 거리를, 반사파의 주파수가 밀려난 정도(도플러 효과)로 상대 속도를 계산하는 시스템.

ex) 자율주행차가 전방 차량과의 거리·속도를 감지하는 어댑티브 크루즈 컨트롤.

저잡음증폭기와 잡음지수

Low-Noise Amplifier (LNA) & Noise Figure

안테나로 수신한 신호는 이미 매우 미약한데, 이 신호가 첫 증폭 단계에서 자체 잡음까지 섞이면 이후 아무리 증폭해도 원래 신호를 복원할 수 없음. 그래서 수신단 맨 앞에 자체 잡음을 최소화하도록 특별히 설계한 저잡음증폭기(LNA)를 배치하며, 증폭기가 신호대잡음비를 얼마나 열화시키는지를 나타내는 잡음지수가 낮을수록 좋은 LNA.

ex) 위성 수신 안테나나 스마트폰 수신단이 미약한 신호를 잡음 없이 증폭하기 위해 LNA를 맨 앞에 두는 것.

전달함수

Transfer Function

시스템의 미분방정식을 라플라스 변환해 초기조건을 무시하고 입력 와 출력 의 비율로 나타낸 함수. 시간영역의 미분·적분이 s영역에서는 곱셈·나눗셈으로 바뀌어, 복잡한 미분방정식을 대수식처럼 다룰 수 있게 해줌.

ex) 에어컨이 설정 온도에 도달하는 속도와 패턴을 수학적으로 분석할 때.

근궤적법

Root Locus

피드백 이득 를 0부터 무한대까지 바꿔가며 특성방정식의 근(폐루프 극점)이 복소평면 위에서 그리는 궤적을 그려보는 방법. 극점이 허수축 오른쪽(불안정 영역)으로 넘어가는 값을 미리 파악해 안정도를 유지하는 이득 범위를 설계할 수 있음.

ex) 드론이 바람에 흔들려도 넘어지지 않도록 자세 제어기 이득을 튜닝할 때.

보드 선도

Bode Plot

주파수를 가로축(로그 스케일)에, 이득(dB)과 위상(도)을 각각 세로축에 그린 두 개의 그래프. 이득이 0dB를 지나는 주파수에서의 위상 여유, 위상이 -180°를 지나는 주파수에서의 이득 여유로 시스템이 얼마나 안정적인지 정량적으로 판단함.

ex) 오디오 앰프가 어떤 주파수 대역에서 소리를 왜곡 없이 증폭하는지 확인할 때.

PID 제어

PID Control

목표값과 현재값의 차이인 오차 에 비례하는 항(현재 오차에 즉각 반응), 오차를 누적한 적분항(정상상태 오차를 없앰), 오차의 변화율인 미분항(변화를 미리 감지해 과도한 진동을 억제)을 더해 제어 입력을 계산하는 방식. 세 이득 를 얼마나 잘 튜닝하느냐가 성능을 좌우함.

ex) 보일러가 설정한 실내 온도를 유지하도록 화력을 자동 조절하는 원리.

상태공간 제어

State-Space Control

전달함수는 입력-출력 관계 하나만 다루지만, 상태공간 표현은 시스템 내부의 모든 상태변수 (위치·속도 등)를 벡터로 한꺼번에 기술해, 여러 입력과 여러 출력을 가진 복잡한 다변수 시스템도 통일된 행렬 형태로 다룰 수 있게 함. 상태 전부를 측정할 수 있다는 가정 아래, 극점을 원하는 위치에 배치하도록 상태궤환 이득을 설계하는 극배치(pole placement)가 현대제어의 핵심 기법.

ex) 드론처럼 자세·위치·속도가 서로 얽힌 여러 상태를 동시에 제어해야 하는 시스템 설계.

안정도 판별(라우스-훌비츠)

Stability Criterion (Routh-Hurwitz)

시스템의 특성방정식을 실제로 풀어 극점 위치를 계산하지 않고도, 방정식의 계수만으로 표를 만들어 첫 번째 열의 부호가 바뀌는지만 확인하면 그 시스템이 안정한지(모든 극점이 복소평면 왼쪽 반평면에 있는지) 판별할 수 있는 대수적 방법. 고차 시스템도 극점을 직접 구하는 계산 없이 안정성만 빠르게 검증할 수 있어 제어기 설계 초기 단계에서 널리 쓰임.

ex) 새로 설계한 제어기의 이득값 범위 중 시스템이 불안정해지지 않는 안전한 범위를 대수적으로 미리 찾는 것.

스마트팩토리 자동화

Smart Factory Automation

공정 곳곳에 부착한 센서 데이터를 실시간으로 수집해 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)가 미리 정의된 제어 로직에 따라 설비를 자동 조작하고, 이상 징후는 즉시 경보를 보내는 자동화 시스템.

ex) 삼성전자 반도체 공장의 무인 자동화 생산 라인.

자동항법장치

Autopilot & Navigation Systems

GPS·관성센서로 얻은 현재 위치·자세와 목표 경로의 차이를 오차로 삼아 PID 등 제어기가 조종면(방향타·승강타)을 자동 조작해 정해진 경로를 따라가게 만드는 폐루프 제어 시스템.

ex) 여객기가 순항 중 조종사 개입 없이 자동으로 비행하는 오토파일럿.

센서와 트랜스듀서

Sensors & Transducers

온도·압력·빛 같은 물리량을 직접 다루는 컴퓨터·제어기는 없으므로, 그 물리량을 전압·전류 같은 전기 신호로 바꿔주는 변환 소자가 트랜스듀서. 저항이 변하는 저항식, 압전 효과로 전압이 발생하는 압전식 등 원리가 다양하며, 이 변환된 신호를 다시 제어기가 다룰 수 있는 깨끗한 전압 범위로 증폭·필터링하는 신호조절 회로가 항상 함께 필요함.

ex) 자동차 온도 센서가 온도 변화를 저항 변화로, 그 저항 변화를 다시 ECU가 읽을 수 있는 전압으로 바꾸는 과정.

로봇 관절 제어

Robot Joint Control

각 관절 모터에 인코더로 실제 각도를 측정하고, 목표 각도와의 오차를 PID 제어기에 넣어 모터 토크를 조정하는 폐루프 제어를 관절마다 독립적으로 돌려 정밀한 위치·속도 제어를 구현함.

ex) 자동차 공장에서 용접·조립을 수행하는 산업용 로봇팔.

SLAM

Simultaneous Localization and Mapping

라이다·카메라로 주변 지형지물을 관측하며 지도를 그려나가는 동시에, 그 지도 안에서 로봇 자신의 위치를 확률적으로(주로 칼만필터나 파티클필터로) 추정하는 기술. 지도와 위치 추정이 서로 맞물려 있어 두 문제를 동시에 풀어야 하는 게 SLAM의 핵심 난제.

ex) 로봇청소기가 처음 방문한 집 구조를 스스로 파악해 청소 경로를 짜는 기술.

로봇 동역학과 자코비안

Manipulator Dynamics & Jacobian

관절 각도 가 변할 때 로봇 팔 끝(엔드이펙터)의 위치·속도 가 어떻게 변하는지를 선형적으로 연결해주는 행렬이 자코비안 로, 이걸 이용하면 목표 속도로 팔 끝을 움직이는 데 필요한 각 관절의 각속도를 역으로 계산할 수 있음. 자코비안이 특이(랭크 부족)해지는 특이점(singularity)에서는 특정 방향으로 아무리 관절을 움직여도 팔 끝을 그 방향으로 움직일 수 없어, 로봇 궤적 계획에서 반드시 피해야 함.

ex) 산업용 로봇팔이 특정 자세에서 갑자기 움직임이 부자연스러워지는 특이점 근처 동작을 회피 설계하는 것.

경로계획(A* 알고리즘)

Path Planning (A* Algorithm)

로봇이 장애물을 피해 시작점에서 목표점까지 갈 최단 경로를 찾을 때, 지금까지 이동한 실제 비용과 목표까지 남은 거리를 낙관적으로 추정한 휴리스틱을 더한 값이 가장 작은 노드부터 우선 탐색해, 다익스트라보다 훨씬 적은 노드만 살펴보고도 최단경로를 찾아내는 그래프 탐색 알고리즘. 휴리스틱이 실제 거리를 절대 과대평가하지 않는 조건을 만족하면 항상 최적 경로를 보장함.

ex) 로봇청소기나 물류창고 이동로봇이 장애물 지도 위에서 목적지까지의 최단 경로를 실시간 계산하는 것.

DC-DC 컨버터

DC-DC Converter

스위치를 켰다 껐다 하는 시간의 비율(듀티비 )로 출력 전압을 조절하는 회로. 스위치를 켤 때와 끌 때 인덕터에 에너지를 저장·방출시키는 방식으로 저항 소자를 거의 안 쓰고도 전압을 바꿔서, 저항으로 전압을 낮추는 리니어 레귤레이터보다 에너지 손실이 훨씬 적음.

ex) 노트북 충전기 어댑터 내부에서 220V를 노트북용 19V로 낮추는 회로.

인버터와 정류기

Inverter & Rectifier

여러 개의 스위칭 소자를 정해진 순서로 켜고 끄며 직류를 원하는 주파수·크기의 교류 파형으로 합성하는 인버터와, 다이오드로 교류의 음(-) 부분을 뒤집거나 걸러내 직류로 바꾸는 정류기. 서로 정확히 반대 방향의 전력 변환을 수행함.

ex) 태양광 패널이 만든 직류 전기를 가정에서 쓸 수 있는 교류로 바꾸는 인버터.

스위칭 손실

Switching Losses

스위치가 켜지거나 꺼지는 짧은 전환 구간 동안 전압과 전류가 동시에 0이 아닌 상태로 겹치면서 발생하는 에너지 손실. 전환 시간()과 스위칭 주파수 에 비례해서, 주파수를 높여 부품을 소형화하려 할수록 손실도 함께 커지는 트레이드오프가 있음.

ex) 전기차 급속충전기가 얼마나 효율적으로 배터리를 충전하는지를 좌우하는 요인.

영전압스위칭과 공진형 컨버터

Zero-Voltage Switching (ZVS) & Resonant Converters

기본 스위칭 손실은 스위치가 켜지는 순간 전압과 전류가 동시에 크게 겹치기 때문에 생기는데, 회로에 인덕터·커패시터를 추가해 공진을 일으켜 스위치 양단 전압이 정확히 0이 된 순간에 맞춰 켜지도록(영전압스위칭) 설계하면 이 겹침이 사라져 스위칭 손실을 극적으로 줄일 수 있음. 그만큼 스위칭 주파수를 훨씬 높여 부품을 소형화할 수 있는 게 핵심 이점.

ex) 고속 무선충전기나 데이터센터 전원공급장치가 공진형 컨버터로 소형화와 고효율을 동시에 달성하는 것.

역률개선회로

Power Factor Correction (PFC) Circuit

단순 정류회로는 교류 전압이 피크에 가까울 때만 짧게 펄스 형태로 전류를 끌어와 파형이 크게 왜곡되고 역률이 나빠지는데, PFC 회로는 입력 전류가 전압 파형을 그대로 따라가는 매끄러운 사인파가 되도록 스위칭을 능동적으로 제어해 역률을 1에 가깝게 끌어올리고 전력망에 발생하는 고조파 왜곡도 줄임. 일정 용량 이상의 전자기기는 전력망 오염을 막기 위해 PFC 탑재가 국제 표준으로 의무화돼 있음.

ex) 노트북 어댑터나 LED 조명 내부에 PFC 회로가 의무적으로 들어가는 이유.

송배전망

Transmission & Distribution Networks

전력 손실이 전류의 제곱에 비례하므로, 같은 전력을 보낼 때 전압을 최대한 높여 전류를 낮춰야 손실이 줄어듦. 그래서 발전소에서는 변압기로 전압을 수십만 볼트까지 올려 송전한 뒤, 가정 근처에서 다시 안전한 220V까지 단계적으로 낮추는 배전 과정을 거침.

ex) 한국전력이 전국에 세운 송전탑과 변전소, 배전선로 네트워크.

스마트그리드

Smart Grid

전력망 곳곳에 설치한 센서와 통신망으로 실시간 전력 생산·소비 데이터를 주고받아, 발전량이 들쭉날쭉한 태양광·풍력 같은 신재생에너지를 안정적으로 계통에 흡수하고 수요에 맞춰 공급을 자동 조절하는 차세대 전력망.

ex) 태양광·풍력 발전량 변동을 실시간으로 관리하는 차세대 전력망.

무효전력과 역률

Reactive Power & Power Factor

전동기·변압기의 코일 성분은 전류와 전압의 위상을 어긋나게 만들어, 실제 일을 하는 유효전력 외에도 전기 설비 사이를 왔다갔다만 하고 실제 일은 안 하는 무효전력이 함께 흐르는데, 유효전력과 피상전력(전체 전력) 의 비율인 역률 이 1에 가까울수록 같은 유효전력을 보내는 데 필요한 전류가 작아져 송전 효율이 좋아짐.

ex) 공장에 대용량 모터가 많으면 역률이 나빠져 전기요금에 역률 페널티가 붙는 이유, 이를 개선하려 커패시터 뱅크를 설치하는 것.

단락전류와 보호계전기

Short-Circuit Current & Protective Relays

전선이 끊어지거나 접촉해 단락(합선)이 일어나면 회로 저항이 거의 0에 가까워져 정상 전류의 수십~수백 배에 달하는 매우 큰 전류가 순간적으로 흘러 화재·설비 파손을 일으킬 수 있는데, 보호계전기가 이 비정상적인 전류·전압을 실시간 감지해 차단기에 즉시 개방 신호를 보내 고장 구간만 정확히 분리해내는 전력계통의 안전장치.

ex) 한 지역 배전선로에서 사고가 나도 계전기가 그 구간만 정확히 차단해 다른 지역은 정전 없이 유지되는 것.

전기자동차용 모터

EV Traction Motors

회전자에 영구자석을 박아 고정자 코일의 회전 자기장과 상호작용해 토크를 만드는 영구자석 동기모터(PMSM)를 주로 사용. 같은 전류로 더 큰 토크를 내고 발열이 적어 유도모터보다 전기차 구동에 널리 쓰임.

ex) 테슬라 모델3나 아이오닉의 바퀴를 직접 구동하는 전기모터.

신재생에너지 발전시스템

Renewable Energy Generation Systems

태양광 패널은 반도체의 광전효과로 빛을 직접 전기로 바꾸고, 풍력 발전기는 바람의 운동에너지로 블레이드를 돌려 발전기 회전자를 구동하는 방식. 둘 다 날씨에 따라 출력이 변동하기 때문에 인버터와 계통연계 제어 기술이 함께 필요함.

ex) 제주도 앞바다에 설치된 해상풍력 발전단지.

변압기 동작원리

Transformer Operating Principle

1차 코일에 교류 전압을 걸면 변화하는 전류가 철심에 변화하는 자기선속을 만들고, 이 자기선속이 2차 코일을 통과하며 패러데이 법칙에 따라 2차 코일에 전압을 유도함. 1차·2차 코일의 감은 횟수 의 비율대로 전압이 변환되며, 전자기 유도만으로 전기적 접촉 없이 전압을 승압·강압할 수 있는 게 핵심 원리.

ex) 발전소에서 수십만 볼트로 송전한 전기를 변전소·주상변압기를 거쳐 가정용 220V로 단계적으로 낮추는 과정.