RLC

새로운 정권이 들어서면서 새로운 화두들이 연일 등장한다. 최근 과학 기술 계통의 화두는 "반도체" 이다. 우리나라는 반도체 강국으로 알려져 있지만, 실제로 반도체 제조를 위한 핵심 장비들, 원천 기술들은 여전히 미국/유럽/일본에 크게 의존하고 있다.

비교적 구조가 간단한 메모리 분야, 메모리 제조 분야의 경쟁력은 뛰어나지만 그 분야는 디스플레이 분야와 마찬가지로 기술 진입 장벽이 그렇게 높지는 않다. 특히 Nand 메모리 분야는 이미 Micron이 삼성과 대등한 기술력을 확보하기 시작했고, 중국도 초 고집적도가 아니면 이미, 어느 정도 수준의 제품 개발을 시작하였다.

인생이든 기업이든 항상 잘 나갈 때 조심해야 하며, 미래를 준비해야 한다. 현재 삼성전자의 비메모리 반도체 분야 경쟁력은 높지 않다. 메모리가 잘 나갈 때, 이미 비메모리 반도체 연구를 충분히 준비했어야 하지만, 예전에는 그 중요성을 잘 알지 못하였다. 흔히 사람들은 TSMC의 공정 능력만을 생각하지만, 실제로 대만은 아주 오래전부터, 디지털 회로 집적화 설계 기술을 개발하였고 많은 좋은 팹리스 업체들이 존재한다. 불행히도 우리나라는 삼성전자 조차 회로 설계 기술은 높지 않은 편이다.

대통령이 반도체 인력 양성론을 얘기한다. 대학의 정원을 늘려서 반도체 학과를 졸업하는 숫자를 늘리자는 얘기이다. 불행히도 그는 공학과 과학에 대해서 잘 알지 못하며, 아마 참모진들 조차도 그 특성을 잘 알지 못하는 것 같다. 그냥 정치적 어젠더일 뿐일 것이지만 그렇게 쉬운 해결책이 있었다면 이전 정부에 이미 문제를 모두 해결했을 것이다.

세상의 많은 것들은 서로 유기적으로 연결되어 있다. 하나 만을 바라보고, 그것만을 생각하면서 문제를 해결하려고 하면, 전혀 생각하지 못한 곳에서 다른 문제가 생겨난다. 그것이 세상이고, 그것이 인생이다.

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전기/전자 공학의 가장 기본적인 3개의 소자는 바로 저항, 콘덴서(커패시터), 코일(인덕터)이다. 영문 기호로는 R, C, L 이다. R의 단위는 옴(Ohm,Ω), C의 단위는 패러드(Farad,F), L의 단위는 헨리(Henry, H)이다. 각각은 당대의 유명한 물리학자인Georg Simon Ohm(1789~1854), Michael Faraday(1791-1867), Joseph Henry(1797-1878) 을 기리는 의미에서 붙여진 단위들이다.

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옴은 독일의 물리학자로 1805년 에를랑겐 대학에 입학했지만 돈이 없어 스위스 수학교사로 재직하면서다시 돈을 모아 1811년 학위를 따고 모교 강사가 된다. 1817년 괼른의 한 고등학교 물리학교사가 된 후, 전자기 현상을 개인적으로 연구하여, 유명한 옴의 법칙, 즉, 도선을 통하여 흘러가는 전류의 양은 (전압이 일정한 경우) 도선의 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다는 법칙을 찾아내고 1826년 2편의 논문으로 발표한다.

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패러데이는 과학을 공부하지 않은 이들도 알고 있을만큼 유명한 영국 물리학자이다. 오늘날 주변에서 볼 수 있는 수많은 전기기기들, 선풍기 에어컨 청소기... 모두 그가 발견한 전자기 유도 현상에 기인한다. 그는 실제로 그렇게 수학에는 능숙하지 못하여서, 그의 업적들은 다음 세대에 맥스웰에 의해서 수학적으로 깔끔한 4개의 방정식으로 정리된다. 실제로 패러데이는 물리학자이면서 동시에 벤젠을 처음으로 발견한 화학자이기도 하다.

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헨리는 실제로 전자기 유도현상을 패러데이보다 먼저 발견한 것으로 알려져 있지만, 생전에 논문으로 결과를 발표한 적이 없기에, 비슷한 시기의 패러데이가 많은 공을 가져간다. 미국의 가난한 스코틀랜드 이민자의 아들로 태어나 13세부터 시계공을 시작한다. 연극에 흥미를 가지지만 동시에 과학 공부를 독학한 후 엔지니어 생활을 시작한다. 그 후, 물리학 교수가 아니라 자연 철학 교수로 임용되지만 개인적으로 전자기 현상에 대한 다양한 물리 실험을 진행하여 전자기 원리를 이용한 모터의 동작 원리를 패러데이와 비슷한 시기에 발표한다.

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1880년대 후반 미국에서 "Current War", 전류 전쟁이 발발한다. 인류 기술의 발전 방향을 뒤흔들 결정, 인류의 에너지 동맥에 흘릴 전기 전송 방식에 관한 표준화 전쟁이 발생한다. 당대 최고의 발명가인 에디슨은 DC 전송 방식을, 오늘날까지도 불가사의한 천재로 알려진 테슬라는 AC 송전 방식을 주장하고, 어떤 방식이 더 효율적으로 에너지를 전송할 수 있는 지를 경쟁한 것이다. 우리는 이미 그 결과를 안다. 오늘날 송전 방식은 교류 방식이다.

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발전소에서 초당 60 바퀴씩 터빈과 그 끝에 연결된 전자석이 회전을 하고, 회전하는 자석에 의해 발생한 자속의 변화는 다른 편에 연결된 전선에 전류와 전압을 유기시킨다. 당연히 그 전압과 전류는 60Hz의 주파수로 변화하는 정현파(사인파)를 발생시키며 이렇게 주기적으로 변화하는 신호를 교류 신호라고 한다.

이렇게 발전된 3만V 정도의 전기는 승압용 변압기를 거치면서 최고 76만 V(765kV)까지 초고압으로 승압된 후, 1차와 2차 변전소를 거치면서 22.9 kV의 비교적 낮은 전압으로 변환된 후, 요즘은 잘 안 보이지만 예전에는 자주 볼 수 있었던, 전주 위에 위치한, 주상 변압기에 의해서 최종적으로 가정에는 220V의 교류 전원으로 공급된다.

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왜 인류는 교류 방식을 선택했을까? 왜 저렇게 위험한 높은 전압으로 전류를 보내야 할까? 전기회로, 전력공학이란 과목들을 들으면 그 이유를 알 수 있는데, 모든 것은 앞서 소개한 RLC, 저항/콘덴서/인덕터의 동작 원리 때문에 발생한다. 간단히 얘기하면 교류 방식은 변압기를 통해서 전압 변경이 용이하다는 장점 때문에 결정적으로 직류 방식과의 전쟁에서 승리하고 에디슨은 눈물을 흘린다. 그 당시로서는 직류를 승압 혹은 감압 시키는 기술이 성숙하지 않았기 때문이다.

그러나, 오늘날 신재생 에너지라는 화두가 부각되면서, 그리고 인버터라는 직류/교류 변환 기술이 성숙되면서 다시 인류는 100여년전의 직류/교류 전송 방식, 특히 직류 전송 방식에 대해서 심각하게 고민하고 있다. 현재, 이미 제주도와 한반도 내륙을 연결하는 해저 송전에는 다시 DC 전송 방식, HVDC (high voltage DC) 송전 방식이 적용되고 있다. DC 가 화려하게 귀환한 것이다.

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오늘날 진재생 에너지가 주력 에너지원으로 부각되고, 전기 자동차 기술이 발전하면서, 에너지는 DC 형태로 저장되기에 DC 송전 방식의 중요성이 다시 부각되고 있다.