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전기기술
전기기술(electrical technology)은 전기에너지를 생산, 공급, 소비하는 모든 전기설비 및 제품에 대한 설계, 제조, 운용에 대한 전반적인 기술을 말한다.
역사와 발전단계[편집]
탈레스(Thales)는 BC 600년경 호박(琥珀)을 모피에 문지르면 가벼운 물체를 잡아당기는 현상을 보고 이것은 물체가 전하를 띄게 되어 발생하는 것이라고 생각하였다. 이것이 최초로 전기현상을 발견한 것이다. 그러나 전기가 본격적으로 과학적인 관심의 대상이 된 것은 17세기 이후이다.
윌리엄 길버트(William Gilbert)는 정전기를 감지하는 장치를 고안하였고, 또한 자기와 정전기의 명확한 차이를 구분하였다. 윌리엄 길버트는 처음으로 전기(electricity)라는 용어를 만들어냈다. 전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘의 법칙은 1785년 프랑스 물리학자 샤를 오거스틴 쿨롱(Charles Augustin Coulomb)에 의해서 법칙으로 완성되었다.
1800년 알레산드로 주세페 안토니오 볼타(Alessandro Guiseppe Antonio Volta)는 전기 화학적 반응을 이용하여 인공적인 전류를 최초로 발생시켰다. 이것은 정전기 발생기와는 달리 연속적이고 규칙적인 전하를 전달할 수 있는 최초의 원시적 전지형태였다.
게오르크 시몬 옴(Georg Simon Ohm)은 1827년에 도체에서 전류와 전위차 사이의 관계를 정량화하여 옴의 법칙을 완성하였고, 구스타브 로버트 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff)는 옴의 법칙을 일반화한 키르히호프의 법칙을 확립하였다. 이는 오늘날 전기회로에서 회로를 해석하는데 가장 기초가 되는 법칙이다. 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 1831년에 전자기유도를 발견하였고, 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 1873년에 전기와 자기의 통합된 이론을 발표하였다.
전기 분야의 연구가 진전되어 실질적인 전기의 응용을 위해서는 측정의 표준 단위에 대한 필요성이 대두되었다. 전기단위의 국제표준화로 전압의 단위 볼트(volt), 전류의 단위 암페어(ampere), 전하의 단위 쿨롱(coulomb), 저항의 단위 옴(ohm) 등이 시카고의 1893년 국제회의에서 정해지게 되었다. 이러한 표준은 다양한 산업 분야에서 표준화로 적용되어 전기공학의 발전의 기초를 형성하게 되었다.
19세기 후반에 들어서 전기공학은 실용화는 크게 발전하였다. 1882년, 토마스 알바 에디슨(Thomas Alva Edison)은 110볼트 직류전압을 공급하는 세계 최초의 대규모 전력 네트워크를 구현하여 뉴욕시의 맨해튼 섬의 59곳에 전기를 공급하였다. 1884년, 찰스 앨저넌 파슨스(Charles Algernon Parsons)가 증기터빈을 발명하였는데, 증기터빈은 기계적 에너지를 발생하여 발전기를 구동함으로써 오늘날과 같이 화력발전을 통하여 전기를 발생할 수 있는 기초를 만들었다. 교류전원시스템은 1886년 이후 급속하게 발전하게 되었다.
니콜라 테슬라(Nikola Tesla)에 의해 교류전압을 이용한 유도 전동기가 발명되었고, 교류전력시스템이 변압기를 사용하여 전압의 크기를 변환할 수 있어 장점이 있다는 것을 주장하였다. 장거리 전력을 전송하는데 있어서 교류전력시스템이 변압기를 이용하여 전압을 높여 전력을 송전하게 되면, 전류를 줄일 수 있어 전력선의 굵기를 줄일 수 있는 장점이 있어 직류전력시스템에 비하여 효율적이라는 장점이 있었기 때문이다. 존 앰브로즈 플레밍(John Ambrose Fleming)은 1885년에 전류, 자기장과 도체의 운동에 관한 법칙으로 플레밍의 법칙을 발표하였는데, 이는 오늘날 우리가 널리 사용하고 있는 전동기와 발전기의 원리이다.
현대 전기기술[편집]
10대 유망 전기기술로 ▲금속-공기 배터리 ▲페이퍼 배터리 ▲마이크로 발전 ▲투명 태양전지 ▲무선 전력전송 ▲분산전원 ▲직류전원망 ▲전기자동차 ▲유연 투명전극 ▲무방열 LED 등이 있다.
10대 유망 전기기술로 선정된 금속-공기 배터리 기술은 기존 배터리보다 높은 에너지를 갖는 특성 때문에 보청기 등 주로 사용시간이 긴 다양한 응용분야에 활용이 가능하다. 또한 이차전지로 전기자동차에 이용될 경우, 주행거리를 2배 이상으로 늘릴 수 있다.
현재 일반 전지(일차전지)로서의 우수한 특성을 재충전 전지(이차전지) 형태로 발전시키기 위한 연구가 진행되고 있으며, 연료전지 형태로 발전시키는 연구도 진행되고 있다.
페이퍼 배터리는 기존의 배터리가 갖고 있는 형상에서 탈피해 종이와 같이 얇게 만든 것으로, 구부릴 수 있는 형태로 제작이 가능하며 전기화학적 특성으로는 최고 성능을 보유하고 있다. 뛰어난 유연성 때문에 외부 화학물질과 생체를 효율적으로 결합시키는 기능이 추가돼 화장품 등에 적용되는 등 전지의 개념을 바꾸어 줄 수 있는 응용분야가 기대되는 기술이다.
유비쿼터스 에너지 또는 에너지 하베스팅으로도 알려져 있는 마이크로 발전 기술은 주변에 산재돼 있는 작은 에너지(진동, 소리, 전자파, 폐열, 체열, 중력, 바람, 빛, 산화반응 등)를 전기에너지(마이크로 와트급)로 바꿔 배터리 없는 전자기기 또는 배터리 없는 무선센서 시스템을 구현해 주는 전기에너지 생산 기술이다.
투명 태양전지는 그린에너지 건축기술의 한 장르를 구성할 대표적 기술로, 태양전지 투명박막을 입은 건물외벽 및 창문이 에너지원으로 재탄생하는 건축디자인 혁명을 일으킬 기술로 평가받고 있다. 대형박막과 효율, 유연성, 투명도, 내구성 등의 요구 특성 때문에 염료감응형 태양전지가 가장 근접한 대안으로 알려져 있다.
전기에너지를 전기에너지파, 전자기 유도 또는 전자기 공진 형태로 전달하는 무선 전력전송 기술은 전깃줄이 없이도 언제 어디서나 전력 공급이 가능해 현대 사회를 바꾼 무선 통신기술에 이어 미래 사회를 바꿀 주역으로 기대되고 있다.
전자기기 무선충전, 전기자동차 무선전원공급 및 무선충전, 원격지 무선전력공급, 우주 태양광 발전, 유비퀴터스 무선센서 전원공급 등을 위한 핵심 기술로서 기존의 유선 전원 공급 및 충전 방식을 대체할 수 있는 기술이다.
분산전원은 화력과 원자력, 수력 등 대규모의 발전소에서 전기를 생산함으로써 전기를 소비하는 장소까지의 전달 과정에서 송전손실과 환경파괴가 발생하는 현재 방식과는 달리, 실수요지 근처 혹은 건물 내부 소형 발전설비를 통해 바로 전력을 공급함으로써 기피시설로 인식되는 송·변전설비로 인한 사회적 문제 등을 최소화하는 기술이다.
태양광과 풍력, 지열, 마이크로가스터빈, 연료전지 등 친환경적인 분산자원을 활용해 경제적인 전기공급을 가능케 하고 있다.
직류전원망은 전력전송방식으로 에디슨이 제안했으나 전력변환소자 기술의 미비로 테슬러의 교류전력전송에 자리를 내어준 지 100년이 지난 지금 분산전원의 보급, 전기·전자 기기의 고효율화 및 이동형 기기의 증가 추세에 따라 직류망의 필요성이 점점 더 중요해지고 있는 기술이다.
일부 조명 및 전열기를 제외한 일반가정의 대부분 전기·전자 기기는 이미 직류를 사용하고 있으므로 직류전원 공급의 필요성이 대두되고 있으며 배전망 역시 분산전원에 대한 대비 및 전력손실을 줄이기 위해 직류망 도입을 검토하고 있다.
전기자동차 역시 미래를 대표하는 전기기술 중 하나이다. 미래 어느 시점에 100만대(현재 승용차의 10% 수준)의 전기자동차(50kW)가 운행된다고 가정할 경우, 이들이 시간대별로 분산돼 있지 않다면 원전 50기(50GW)에 해당되는 전력수요 또는 이동 발전소가 형성된다고 볼 수 있으므로 전기자동차 충전·방전관련 분야는 미래사회에 큰 변화를 가져다 줄 기술로 보고 있다.
유연 투명전극 역시 꾸준히 연구가 진행되고 있다. 플렉서블 디스플레이나 유연 태양전지 등 유연 전자기기의 경우 다른 어떤 전자기기보다도 에너지 효율성이 강조된다. 이러한 유연 전자기기에 적용될 투명박막전극은 매우 낮은 면저항을 요구하므로 새로운 개념의 소재기술을 탐색하고 있다.
요즘 연구가 활발히 진행되고 있는 그래핀 복합화 기술이 완성돼 전도성이 아주 뛰어난 유연 투명전극 제작이 가능해지면 에너지 효율성 문제가 해결돼 플렉서블 디바이스 시대가 열릴 것이라는 전망도 들려오고 있다.
무방열 LED는 수은을 사용하지 않아 친환경 조명으로 각광을 받고 있지만 투입전력의 약 80% 정도가 열로 발생되고 온도가 올라갈수록 효율이 떨어지고 수명도 줄어들게 되는 기존 LED의 단점을 외부 방열판 부착없이 해결하는 기술이다.
에너지 절약효과가 매우 우수하고 수명이 길어 일반조명과 자동차 조명(전조등, 계기판 등), 디스플레이 조명(LCD BLU, LED 전광판 등) 외에 의료용 조명(치료용 광원, 고성능 진단기기 조명) 및 농업·환경분야(식물재배 조명, 살균/정화용 조명) 등에 적용 가능하다.
참고자료[편집]
- 〈전기공학〉, 《학문명백과 : 공학》
- 임은희 기자, 〈미래 바꿀 '10대 유망 전기기술'은? 〉, 《헬로디디》, 2019-01-07
- 이훈 기자, 〈"전기가 중심되는 전기화 시대, ‘큰 기술’ 개발 통해 인류에 기여할 수 있는 성과낼 것"〉, 《전기저널》, 2023-06-14
같이 보기[편집]
