진공관(vacuum-tube , 眞空管)에 대하여 알아보자

[김인선]

진공관(vacuum-tube , 眞空管)

높은 진공 속에서 금속을 가열할 때 방출되는 전자를(에디슨 효과) 전기장으로 제어하여 정류, 증폭 등의 특성을 얻을 수 있는데, 이러한 용도를 위해 만들어진 유리관을 진공관이라 한다.

진공관

미약한 신호에 의한 큰 에너지의 제어, 각종 신호처리 기술이 가능해지도록 하여 전자공학의 발전의 시초가 되었다. 초기의 라디오나 텔레비전의 수상기와 각종 송신기에 사용되었고, 현재는 트랜지스터와 집적회로로 대체되었다.

1883년 토머스 에디슨(Thomas Edison)에 의해 발견된 에디슨효과가 진공관의 시초라 할 수 있다. 이 발견을 기초로 하여 영국의 플레밍이 기체를 빼낸 유리공 속에 백열전구와 같은 필라멘트와 2개의 금속판 전극을 넣어 2극진공관(플레밍 밸브, 다이오드)을 발명하여 1904년 특허를 획득하고 무선전신의 검파(檢波)에 이용했다.

1907년에 미국의 드 포리스트가 2극진공관에 또 다른 전극(그리드전극)을 삽입하여 전자의 흐름을 제어하도록 하는 3극진공관을 발명하였다(당시에 오디온(Audion)이라고 불렀다). 이후에 3극진공관의 결점을 보완한 4극관·5극관 등이 차례로 발명되었고, 그 외에도 여러 목적에 따른 진공관들이 발명되었다. 트랜지스터나 집적회로의 등장으로 진공관의 사용은 거의 소멸되었으나 고급 오디오, CRT(cathode ray tube), 텔레비전이나 컴퓨터 영상을 보이기 위한 음극선관, 전자레인지에서 전자기파 발생장치 등에 아직 사용되고 있다.

진공관 다이오드

진공관은 열에 강한 외부 유리관과 진공으로 된 내부에 놓여진 전극으로 이루어져 있다. 외부 관은 주로 유리로 되어 있지만 때로 도자기나 금속이 사용되기도 한다. 전극은 외부 단자와 연결되며 전용 소켓을 사용하여 다른 전기회로 소자와 배선이 이루어진다.

진공관은 백열등처럼 필라멘트를 가지고 있다. 필라멘트가 가열되면 열전자 방출(에디슨 효과)에 의해 전자들을 진공에 방출시킨다. 이로써 공간전하라고 하는 전자구름이 형성된다. 그림에서 필라멘트가 (-)전극에 그리고 금속판이 (+)극에 연결 되어 있으면, 이 전자들은 (-)전하를 가지므로 전기력에 의해 금속판으로 끌려간다. 그러나 전극을 반대로 연결하면 금속판은 가열되지 않아 열전자를 방출하지 않으므로 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 한 방향으로 전자가 흐르는 다이오드 역할을 하게 된다. 참고로 전자흐름의 방향은 (-)전극에서 (+)전극으로 흐르며, 전류의 방향은 전자 흐름의 방향의 역방향으로 정의한다.

3극관

1907년 포리스트(Lee De Forest)는 그리드(그물망 구조) 전극(grid electrode)을 필라멘트와 금속판 사이에 놓았다. 그리드에 (-)전압으로부터 (+)전압으로 전압을 변화시킴에 따라 필라멘트와 금속판 사이의 전기장에 영향을 주어 전류가 비례하여 변화하는 것을 발견하였다. 달리 말하면, 그리드 전극이 필라멘트와 금속판 사이의 전류흐름을 제어하여 그리드로 들어온 신호를 필라멘트와 금속판 사이에서 증폭된 전압으로 나타나게 되는 것이다. 라디오 통신에 사용하여 포리스트는 이 3극관에 오디온(Audion)이란 이름을 붙였다. 당시 진공관은 진공도가 그리 좋지 못했는데 진공관이라 불리울만한 진공관은 1915년 제너럴 일렉트릭의 랭뮤어(Irving Langmuir)가 개발한 3극관 일종인 플리오트론(Pliotrons)과 1916년 프랑스에서 개발한 R type이다. 진공관의 진공도는 10⁻6Pa(파스칼: 압력의 단위)에서 10⁻9Pa 사이를 주로 사용했다. 초기에는 필라멘트를 (-)극의 용도로 사용했으나 이로 인하여 잡음이 발생하기도 했다. 따라서 필라멘트와 별도의 (-)극 캐소드를 만들고 필라멘트는 이 캐소드를 가열하는 역할을 하는 구조로 발전되었다.

4극관과 5극관

그리드와 금속판은 두 금속판이 마주보고 있는 콘덴서와 같은 구조로써 정전용량을 갖게 된다. 이 정전용량으로 인해 발진이 일어나기도 한다. 이를 없애기 위해 개발된 진공관이 4극관이다. 4극관은 3극관에 그리드와 금속판 사이에 스크린 그리드라 불리는 또 다른 그리드를 넣는 구조다. 스크린 그리드에는 금속판보다 조금 작은 (+)극이 연결되어 그리드와 금속판 사이의 정전용량 역할을 없앤다. 4극관의 단점은 애노드에 충돌한 전자는 부차적인 2차 전자를 튀어나오게 만드는데 이중 몇은 애노드로 다시 들어가지 못하고 가까이에 있는 스크린 그리드에 도달되어 증폭효율을 감소시킨다. 이를 없애기 위해 억제 그리드(suppressor grid)라는 또 다른 그리드를 위치하고 금속판 애노드 (+)극보다 낮은 전위를 연결해 애노드에서 튀어나온 전자가 애노드로 다시 들어가도록 막는다. 이렇게 만들어진 진공관이 5극관이다.

[네이버 지식백과] 진공관 [vacuum-tube, 眞空管] (두산백과)