시스템과 표준

2005.10.3 정동욱

Thomas P. Hughes, Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880-1930

유럽과 미국, 1880년에서 1930년 사이의 전력 시스템의 획기적인 변화과정 묘사.

전력시스템은 사회적 변화의 원인이자 결과. 기술과 사회의 역사 다룸.

“진화” 개념이 기술시스템의 변화의 원천과 동학 해명해줄 것.

시스템 : 상호연결. 한 구성요소의 변화가 시스템의 다른 구성요소에 영향.

전력 시스템의 구성 : 발전, 변압, 제어, 소비, 송전 및 배전 네트워크.

1. 시스템의 발명과 개발.

발명-사업가의 역할 도드라짐.

에디슨: 단순 발명가가 아닌 시스템 발명가.

성공적인 백열등 개발을 위해, 아예 전체 전력 시스템을 통째로 설계해버림. 발전, 송전, 배전 시스템 및 백열등 소켓의 표준화. 퓨즈 개발.

에디슨 시스템의 구현 : 펄 거리.

그의 전력 시스템 : 직류. 도시의 집중된 지역에 최적화되어 있음. 낮은 전압(110V & 220V)의 발전. 수많은 백열등의 병렬 연결.

2. 기술의 전파

뉴욕의 에디슨 시스템은 영국과 독일에 전파.

3. 성장 : 역돌출과 결정적 문제

기술시스템은 내적 동력만으로 성장하진 않음. 기술시스템은 지리, 경제, 정치적 요소에 의존적.

역돌출(reverse salient)

뒤쳐진 부대. 다른 요소의 성장에 비해 뒤쳐진 요소. 공학자, 기술자들은 이를 “결정적 문제(critical problem)”로 정의하고 해결하기 위해 씨름. 즉, 기술의 발명 및 개선의 원동력. 동시발명, 동시 해결의 원인임. 왜냐하면, 같은 것을 문제로 삼고 해결하기 위해 씨름했기 때문.

발생 이유 : 미처 예측하지 못했기 때문.

발견 이유 : 기술시스템이라는 것은 뚜렷한 목표 지향적. 목표 없이는 보이지 않았을 것.

기술의 성장 -> 경제적 성장, 효율성 추동 -> 거꾸로, 기술의 비효율성, 비경제성 도드라져보이게 함.

결정적 문제의 해결책 -> 기존 시스템의 성장

그러나, 경우에 따라, 새로운 시스템의 핵이 되기도. 즉, 그 해결책이 기존 시스템의 다른 요소와 조화를 이루지 못하는 경우, 다른 요소들에 대한 추가적 발명 추동.

DC 시스템 : 역돌출된 문제들 꾸준히 해결해왔음.(송전 문제 제외)

다시 정리해보면, 백열등 개발&개선책 -> 중앙집중 시스템 발명&성장 -> 발전기, 전동기 등 기타 문제 해결 but 송전문제 예외.

송전문제의 부분적 해결 : 3선 시스템 도입. (송전 전류 반으로 줄임 -> 송전에 드는 구리 비용 절약) storage-battery 도입. 그러나 여전히 한계.

Gaulard & Gibbs

송전, 배전 문제 해결을 위한 변압기 발명. 즉, AC 시스템을 발명한 것. 이들은 정확히 송전, 배전 문제를 전력시스템의 결정적 문제로 간주했음.

Siemen의 constant-current AC 발전기로 발전 -> 변압기로 승압 -> 송전 -> 변압기로 강압 -> 배전.

송전 문제를 해결하는 데에는 분명 효과적이었지만, voltage regulation에 어려움 겪었음. 변압기 설계 점점 복잡해지고, 효율 낮아짐.

이후, AC의 후계자들은 Gaulard & Gibbs의 특허를 폐지할 것을 청원했고, 결국 받아들여짐. -> 이는 AC의 후계자들이 G&G 의 AC 시스템의 가능성과 G&G 의 한계 모두 알았기 때문. 이들이 G&G의 잠재력을 인정하지 않았다면 우선권 논쟁 자체도 없었을 것임.

특허청의 경우 : 문제의 정의(definition of problem)와 기술의 조합(combination of technology)의 중요성에 대해 무지했고, 결국 G&G의 특허 뺏음.

G&G의 후계자들 : Ganz & Company, Ferranti, Stanley..

우리가 G&G에게 배운 것은 “변압기를 이렇게 만들면 안된다 뿐! 주장

Ganz & Company

G&G가 voltage regulation을 위해 어쩔 수 없이 썼던 open core를 closed core로 교체. primaries를 병렬로 연결. 즉, 변압기의 효율 높임. 그럴 수 있던 이유는 이들이 G&G의 전체 시스템을 바꿨기 때문.

결정적으로 constant current AC generator를 constant voltage AC generator로 교체하면서, voltage regulation이 간편해졌고, 복잡한 변압기 설계를 단순화할 수 있었다. 즉, G&G는 주어진 발전기는 놔두고, 변압기만 가지고 씨름했다면, Ganz & Company는 전체 시스템(발전기, 램프 포함)을 조작할 수 있었음. 이들은 에디슨의 시스템 접근법을 따랐다고 볼 수 있음.

성공 거둠.

Ferranti : 영국, Crosvenor Art Gallery의 전등 공사. G&G 과부하 문제 극복 못함. Ferranti 시스템 설계 변경. 성공.

Stanley : 미국의 Westinghouse 전기회사의 공학자. 상업적 실용적 성공 거둠.

4. 갈등과 해소

AC 시스템이 성공을 거두긴 했지만, 기존의 DC 시스템을 완전히 밀어내진 못함.

DC 시스템은 여전히 집중된 도시에서 효과적이었고, AC 시스템의 나름의 문제 존재했음.

Edison 진영, 정치적 공격 시도. “AC는 살인적 전기”와 같은 공격 나름의 어필을 함.

AC와 DC 싸움은 AC의 기술적 문제가 일정정도 해결되고 나서야 종료 가능.

AC의 역돌출부 : ① AC 기반의 효율적인 실용적 전동기가 없었음. ② 고전압의 안전문제(절연, 접지로 해결). 특히 젊은 AC 기술자들이 ①의 문제를 결정적 문제로 인지. 이 문제를 푸는 데 매달림. 역시 동시발명의 문제 발생.

실용적 AC 전동기 : polyphase motor. synchronous motor와 asychronous(or induction) motor 두가지로 나뉨.

Tesla : 최초의 polyphase 시스템 특허.

그가 인지한 결정적 문제 : “쓸데없는 정류자” DC 발전기는 AC발전기에 정류자를 붙인 것에 불과. DC 전동기에선 다시 정류자를 이용. “뭐하러 이런 쓸데없는 짓을 하는가?” 정류자는 불필요한 요소라 불평. 따라서 정류자가 없는 발전기와 전동기를 개발하고자 함. 즉, 전체의 새로운 시스템 개발.

1888년 5월 1일 승인된 특허 : 전체 polyphase 시스템(발전, 송전, 사용) 그려냄.

그의 발상의 전환 : rotating armature -> rotating (magnetic) field

Ferraris : 최초의 착안, 발표

rotating magnetic field 착안, 강의함.

그의 실험에 대한 외삽. 멕스웰 이론의 귀결.

Haselwander or Bradley : 최초로 full-scale polyphase 시스템 구축.

최초의 상업화는?? 개인 발명가 혼자의 몫이 아님.

Dolivo-Dobrowolsky: Tesla의 synchronous motor 효율 불만. induction motor 제작.

기업가(manufacturer)의 역할 : Westinghouse의 Tesla 고용. 투자.

DC vs AC

이미 너무나 비대해져버린 또는 “제도화된” DC 시스템. 쉽게 무너지지 않음.

AC 진영이 자기만의 좋은 시스템을 기술적으로 마련했다고, 그대로 DC가 무너지고 AC가 헤게모니 획득하는 것은 아님. 갈등에서 해소로 가는 길에는 몇가지가 더 필요.

갈등의 해소: coupling & merging

coupling

rotary converter : AC-DC converter로서, 전환기의 완충장치 역할을 해냄.

frequency converter : 난립한 여러 주파수 호환가능케 해줌.

universal electric supply system의 기획 : 하나의 전력원으로부터 모든 부하에 전기 공급. 이것이 가능하기 위해서도 기존의 DC 장치나 다른 주파수의 장치에도 전력을 공급할 수 있어야 했음.

merging

합병을 통한 갈등의 제도적 해소. 미국, 독일 비슷한 경향.

에디슨의 회사가 다른 회사로 합병되면서, 자연스레 DC vs AC의 갈등 해소.

표준화 : DC->AC로의 표준화. 주파수의 표준화. 전압의 표준화. 위상의 표준화.

성장하는 Westinghouse의 헤게모니 반영. 특히, 나이아가라 발전소 큰 영향 미침. 그러나, 표준화가 단순히 기업체간의 경쟁 및 한 기업의 승리를 뜻하는 것만은 아님. 표준화에는, 모두를 만족시키는 일반적인 시스템을 ‘강제하는 방법’을 찾기 위한 노력이 반영되어 있음.

여기서 ‘강제하는 방법’에는 여러 converter들을 예로 들 수 있음.

5. 관성

기술시스템은 mass, velocity, direction 가짐.

universal electric supply system은 사회적인 거대시스템이 됨. momentum 획득. 변화에 저항하는 힘을 가짐. 일정한 길을 따라 발전. 점점 그 발전속도 둔화. (새활로 찾기)

aggregate of manufactures (invest) & educational institution (teach) & research institution (solve problem) & other persons : 시스템의 momentum 키움.

1892년 이후, 과학과 수학으로 무장한 신진그룹. 전문적인 전기공학자 등장. (예. 톰슨)

4년제 공과대학, 전기공학과 등장. (전기)공학 저널, (전기)공학 학회 형성.

applied science -> science of (electrical) engineering

교육기관

공과대학 형성. 4년제 고등교육기관 만들어짐. 전기공학, 토목공학, 기계공학 분과 정립.

1884년 초창기 : 전기이론과 그것의 적용 학습. 자연과학(물리학) 기반의 교수들이 주도.

light & power 산업의 성장에 따라, 커리큘럼의 변화.

1889년 2세대 : 공학, 산업 기반의 scientist-engineer 등장.  현장엔지니어 초빙. 커리큘럼에 경영, 경제, 교양 등 포함. -> "practical electrician" "intelligent study of special or original problems"

연구기관

graduate education : 시작 단계.

그럼에도, 연구성과 있었으며, 많이 발표되었음. 학회(AIEE), 저널(Transactions) 등장.

공학자들의 전문적인 연구환경 형성 : ①연구방법상에서의 과학적 접근방식 도입. ②자연과학 학회와 같은 심사, 발표 제도 도입 ③대학과 현장에서 연구 ④역돌출된 문제 풀기에 집중 ⑤획기적 발명은 아닐지라도 많은 문제들 풀어내고 공인받음.

예. high voltage phenomena의 해명과 해결. (Ryan)

company engineer : 예. high voltage phenomena의 발견. (Scott)

기업들의 인수, 합병 : 인력, 물질, idea의 합병, 각 기업 소유의 특허들 상보적이 됨.

1900년 이후 설립된 기업부설 연구소 : 특히 GE의 연구소

설립 배경 : ①생산과 직결된 일상적 연구로부터 독립. R&D 연구에 집중할 수 있도록 ②유럽과의 기술경쟁. 예. 고품질의 독일산 백열등과 경쟁할 수 있는 백열등 개발 추동 ③고가의 특허 로열티 지불 방지.

연구소의 특징 : ①이윤에 눈이 먼 개인발명가 경멸 ②but 연구원들의 성과는 기업의 특허 및 이윤으로 이어짐.

이러한 일련의 교육기관과 연구기관의 설립은 전체 전기시스템의 momentum 증가시킴.

AIEE의 성격 변화

light current -> heavy current : light & power 산업의 성장의 영향임. 즉, 전문집단에 문제를 던져주는 역할을 함.

publication 문화의 역할 : 전문집단에 소속된 일원들 모두가 critical problem에 집중하도록 함.

Carl Shapiro & Hal Varian, "Historical Examples of Positive Feedback"

positive feedback : 작은 개선 -> 기술간 차이 증폭. 결정적인 승패에 작용.

Railroad Gauge

5' vs 4' 8 1/2'' (후자의 경우는 로마시대부터의 전통)

표준화는 보통 공적이익 증대. but 사적이익 ≠ 공적 이익

표준화의 장애요인 : ① (교체) 비용 ② 자신은 바꾸기 싫음. 상대방이 바뀌길 원함 ③ 노동자의 선호.

선로 표준화의 계기 : ① 서부 확장 시도 ② 남북전쟁시 정부의 대륙횡단 철도 표준화 결정에 남부가 참여 안함. ③ 남북전쟁 후, 남부 철도들은 대세에 따를 수밖에 없게 됨.

소결 : ① 불일치는 우연히 생겨남. 오랜기간 지속 가능 ② 표준 결정의 불참은 시장에서 소외를 가져옴. ③ 거대 구매자(정부와 같은)의 결정적 역할 ④ 표준화에서 멀어진 진영의 활로찾기는 대세를 따르거나 ..

AC vs DC

싸움의 종결조건 : ① polyphase AC의 성장 ② rotaty converter. 호환성 증대. ③ 에디슨의 회사 팔기.

에디슨의 전략 : AC로의 전환 방해 & 지연. 회사 가치 키워 비싸게 팔기. 소비자의 기대 충동.

소결 : ① 표준화의 힘이 완전히 강력하지 못할 때, 기술은 자신의 니치를 남길 수 있음. ②표준화 전략 시의 지속적인 혁신 ③ adapter는 구기술의 구제책이자, 종국적으론 표준전쟁의 종결자이다.

Telephone

Bell의 AT&T : 장거리선 선점. 주요도시 선점. -> 지역적 합병이 아닌 국가적 독점 만들어냄.

어떻게? 모순적이지만.. 자신의 장거리 회선을 표준 맞추는 모든 회사에게 열어줌으로써!

Color Television

구기술 : 자신의 선점효과 극대화하기 위해, 새시스템과 비호환적인 서비스 지속적으로 제공. 기술전환 방해. 지연.

신기술 : 컨텐츠의 문제 시달림.