2극관, 3극관, 4극관, 5극관, 빔 진공관의 구조와 특징

[管韻]

2극관, 3극관, 4극관, 5극관, 빔 진공관의 구조와 특징

진공관의 역사는 발명왕 토마스 에디슨에서 부터 시작 되었다. 에디슨은 1883년 새로운 백열 전등을 개발 하면서, 백열전구의 필라멘트와 양극(+)화 된 금속판(plate) 사이에 전류가 흐른다는 사실을 발견 하였다. 그러나 그는 이 현상을 이해 하지 못하고 단지 전등을 개량하는 일에 매달렸다. 그 후 그가 발견한 에디슨 효과(Edison Effect)에 주목하여 2극 진공관(diode)을 발명한 사람은 영국의 존 플레밍 이었다. 플레밍은 가열된 필라멘트가 전자를 방사하여 -전자가 금속판(+)으로 흡수 됨으로서, 전류가 흐른다는 열전자 방사를 밝혀 냈다. 플레밍은 이 원리를 이용하여 다이오드 라고 불리는 2극 직열 진공관이 발명 되었다. 이 2극 직열 진공관은 교류를 직류로 바꾸는 정류작용과 모르스 통신에 사용 되었다. 그러나 진정한 전자시대를 연 3극 진공관은 미국의 드 포리스트에 의해 발명 되었다. 그는 2극 진공관의 필라멘트와 플레이트 사이에 그리드(grid)를 삽입한 3극 진공관(triode)을 최초로 만들었다. 이 장치는 신호의 증폭도 가능한 것 이었다. 신호의 증폭이 가능 해지자 통신 거리의 한계가 극복 되었고, 라디오에 응용 되면서 전자산업이 비약적으로 발전하는 계기가 되었다. 여기에서는 먼저 진공관을 구성하는 각 전극의 구조와 특징을 설명하고, 진공관을 2극관, 3극관, 4극관, 5극관, 빔관의 발전 순서대로 특징을 살펴 봅니다.

캐소드/필라멘트 (cathode/filament)

진공관의 가장 안쪽에 위치하고 있으며, 열을 발산하여 전자를 방출하는 전극이다. 직열형 진공관은 필라멘트 자체가 직접 가열 되어 전자가 방출된다. 반면에 방열형은 직열형을 효율화 시킨 구조인데, 히터(heater)가 캐소드를 가열시켜 전자를 방출 시킨다. 전자의 방출은 온도와 밀접한 관계에 있어 캐소드/필라멘트 재료는 높은 온도에 잘 견디며, 온도에 의한 저항 변화가 적은 물질을 써야만 한다. 따라서 산화물을 코팅한 재료를 캐소드/필라멘트로 사용한다. 진공관의 수명은 캐소드/필라멘트의 전자의 방출 정도(emission)에 의해 결정 되므로, 캐소드/필라멘트의 성능은 매우 중요하며, 에미션 테스트를 통해 진공관의 수명을 추정 하기도 한다. 캐소드/필라멘트는 온도가 높아지면 전극이 산화되어 발생하는 과도한 가스로 인해 바이어스를 +전압으로 만들어 플레이트 전류를 과잉으로 만들어 출력관을 못쓰게 만들거나 전자방출이 줄어들어 수명이 짧아 진다. 이처럼 진공관의 전자 방출은 진공관 성능과 매우 밀접한 관계가 있다. 전자의 흐름이 바로 진공관의 동작이기 때문인데, 캐소드에 불순물이 들어 있는 경우 오래 사용하면 전자 방출이 줄어 들어 수명이 짧아진다. 연구실에서 최적의 동작과 올바른 전압으로 연속해서 진공관을 동작 시켰을 때 대략 100,000 시간을 쓸 수 있다고 한다. 그러나 오디오 회로에서 EL34와 같은 산화물 진공관은 약 1,000~4,000 시간 정도이고, 300B와 같은 산화물 코팅 필라멘트 진공관은 1,500~10,000시간 정도이다. 이것은 누가 어떻게 어떤 앰프에 사용 하는 가에 따라 수명이 달라 진다는 걸 알 수 있다.

플레이트 (plate)

판재 모양으로 생겼다고 플레이트라고 하며, 양극이라는 뜻으로 에노드(anode) 라고 한다. 대부분의 진공관은 플레이트에서 출력을 얻는다. 플레이트는 진공관의 가장 밖에 위치하여 내부를 둘러싼 모양을 하고 있으며, 가장 깊숙한 내부에 있는 필라멘트가 열을 내면 필라멘트를 둘러싸고 있는 캐소드가 열을 받아 전자를 방출하고, 이 방출된 전자가 주위에 있는 그리드를 통과해 플레이트에 도달하게 된다. 플레이트는 필라멘트/캐소드에서 출발한 전자가 도달해 그 결과로 전류가 나타나는 곳으로, 전자에 의해 뜨거워 지므로 몸체에 적절한 방열 장치를 가지고 있다. 방열과 전류폭주를 막기 위해 위해 플레이트를 카보나이트나 매쉬로 만들거나, 카본 또는 티타늄으로 코팅을 하기도 한다. 또는 플레이트 변형을 막기 위해 표면에 사다리형(ladder)으로 주름을 주거나 박스형으로 만들기도 한다.

그리드 (grid)

그리드는 캐소드를 감싸고 있으며, 전자의 속도를 늦추기 위해 마주보고 있는 2개의 금속 기둥에 선재가 정밀하게 일정한 간격으로 촘촘히 감겨 있는 격자 또는 그물 모양으로 되어 있다. 진공관에 그리드의 수에 따라 3극관, 4극관, 5극관, 7극관으로 분류된다. 따라서 5극관은 가장 안쪽부터 콘트롤 그리드, 스크린, 서프레셔로 싸여져 있다. 그리드의 재료는 텅스텐이나 몰리브덴 재질의 얇은 선재이며, 전류 폭주를 막기 위해 금을 코팅 하기도 한다.

게터 (getter)

게터는 진공관을 밀봉 할 때 완전하게 빼내지 못한 산소를 제거하기 위한 장치이다. 게터는 진공관에 남아 있는 대기가스를 제거할 목적으로 유리벽 안쪽에 발라 놓은 거울 모양의 산화 바륨인 게터 미러(mirror)와 게터 링(ring)으로 구성되며, 링이 하나이면 싱글 게터이며 2개이면 더블 게터 라고 한다. 진공관 제조 마지막 단계에서 진공펌프로 대기가스를 빼내지만 완벽히 제거 할 수는 없다. 대기가스는 니트로겐(nitrogen)이나 산소를 포함하고 있다. 진공관이 제조 될 때 이러한 진공관 내에 포함된 대기가스를 진공펌프로 뽑아 낸다. 그러나 진공관은 사용에 따라, 전극이 가열 되면서 가스를 발생 시키기도 하며, 진공관 핀과 유리의 틈새 사이로 유입 되기도 한다. 가스가 발생 했을 때, 게터가 즉각적으로 가스를 흡수하지 않는다면 가스는 진공관 내의 전자 활동을 간섭한다. 특히 진공관 내의 산소는 필라멘트, 캐소드를 산화 시켜 심각한 문제를 일으킨다. 산화된 필라멘트, 캐소드에 발생하는 과도한 가스는 그리드의 바이어스 전압을 +로 만들어 플레이트를 전류 과잉으로 만들어 출력관을 못쓰게 하고, 회로를 손상 시키고 출력트랜스를 망가 뜨린다. 따라서 게터를 유전가열로 태워 바륨을 유리 내부에 거울색으로 코팅하게 된다. 순수한 바륨은 매우 쉽게 산화 하므로 게터의 재료로 사용 하는데, 이 게터가 거울색으로 남아 있으면 이 진공관은 완전한 것이며, 만약 공기가 새거나 가스가 발생되어 산화 되면 게터의 가장자리가 갈색, 보라색으로 바뀌거나 줄어 들게 되므로, 이 게터의 색깔과 양으로 진공관의 상태를 어느 정도는 확인 할 수 있다. 그러나 진공도가 높아지면 게터의 바륨량이 적어 지기도 하며, 파워 진공관 중에서 게터가 아예 없는 금속 게터를 사용하는 경우도 있다. 이들 금속 게터는 지르콘이나 티타늄으로 코팅된 산화가 잘 되는 금속을 사용 한다. 그리고 러시아 일부 진공관에서 나타나는 게터를 많이 태운 검은색 색상의 게터도 있다. 이것은 중고 이거나 불량 제품은 아니다. 따라서 단순히 게터의 형태 만으로 진공관의 수명과 상태를 판별 할 수가 없고 가장 믿을 수 있는 방법은 계측기로 진공관의 에미션, Gm, 가스 등을 종합적으로 측정하는 것이다.

2극관 (diode)

에디슨 효과를 그대로 이용한 것이 2극관(diode) 이다. 캐소드(cathode)와 플레이트(plate or anode) 라는 2개의 전극으로 구성된 것이 2극관 이다. 직열형 2극관은 필라멘트가 직접 가열 되어 전자를 방출하는 방식이며, 방열형은 직열형을 효율화 시켜 캐소드를 히터(heater)로 간접적으로 가열시켜 전자를 방출 시키는 방식이다. 방열형의 경우 캐소드가 가열되면 전자(-)가 나온다. 이때 플레이트에 +전압이 걸리면 플레이트는 전자를 잡아 당기게 되므로 캐소드의 전자가 플레이트에 흡수되어 전류가 흐른다. 반대로 플레이트가 –전압인 경우에는 캐소드의 전자(-)와 반발하여 전자는 플레이트로 가지 않고 전류는 캐소드에 모여 흐르지 않는다. 이처럼 2극관은 플레이트가 +일 때만 전류가 흐르고, -일 때는 흐르지 않는다. 따라서 플레이트 전압의 극성을 바꿈으로서 스위치 처럼 전류를 On, Off 단락 시킬 수 있으며, 전류의 세기는 플레이트 전압의 높낮이로 조정 함으로서 통제 할 수 있다. 이러한 특성 때문에 2극관은 주로 무신 모르스와 정류 검파용으로 사용 되었다. 대표적인 직열형 2극관 으로는 5U4G, 274B가 있으며, 방열형은 5AR4/GZ34가 있다.

3극관 (triode)

2극관의 캐소드와 플레이트 간에 그리드(grid) 전극을 추가 한 것이 3극관 이다. 그리드는 전자의 흐름을 늦추기 위해 격자 또는 그물 모양으로 되어 있다. 이 그리드의 역할로 2극관 에서는 불가능 하였던 증폭작용이 가능해 졌다. 3극관의 동작은 2극관과 똑같이 캐소드에서 나오는 전자가 플레이트에 부딪쳐서 동작된다. 2극관 처럼 플레이트에는 독립된 +전압을 연결하고 그리드는 캐소드(-)와 연결한다. 그러면 그리드 전압과 캐소드 전압이 동일하기 때문에 전자의 흐름을 방해하지 않고 플레이트 전압에 따라 전류가 흐른다. 그 다음에는 그리드에 +전극을 연결하고 -전극을 캐소드에 연결한다. 이렇게 하면 그리드는 캐소드와 서로 가까이 근접되어 있으므로 전자가 통과하는 것을 통제 함으로서, 플레이트에 도착하는 전자의 양과 플레이트 전류량을 조절하게 된다. 그 다음으로 그리드에 –전극, 캐소드에 +전극의 높은 전압을 건다. 이렇게 하면 그리드의 -전압이 전자(-)에 반발하여, 전자가 그리드 전극을 통과하는 것을 방해 한다. 그리드에 걸리는 -전압이 정도 이상이 되면 전자는 완전히 플레이트에 오지 않고, 플레이트 전류는 제로(0)가 되어 버린다. 이처럼 그리드는 캐소드 가까이 있기 때문에 작은 전압으로도 효과가 대단히 크다. 이는 작은 소리는 옆에서도 들리지만, 큰 소리는 멀리서도 안 들리는 것과 같다. 즉 그리드의 –전압을 약간 변화시켜 플레이트 전류를 큰 폭으로 변화 시킬 수 있다. 이것이 3극관의 증폭원리 이다. 그러나 3극관의 그리드와 플레이트는 -전압과 +전압으로 서로 마주 보고 있으므로 콘덴서 처럼 정전용량이 발생한다. 이는 저주파 증폭에는 큰 문제는 없는 편이나 고주파 증폭에서는 발진을 일으킬 수 있다. 대표적인 직열 3극관으로는 2A3, 300B가 있으며, 방열 3극관으로는 6J5가 있다. 그리고 쌍3극관은 주로 초단 드라이브 관으로 사용되며, 대표적인 진공관으로는 12AX7/ECC83, 12BH7, 6SN7GT 등이 있다.

4극관 (tetrode)

4극관은 3극관의 정전 용량을 없애기 위해서 그리드와 플레이트 사이에 스크린(screen)을 넣은 것이다. 이 스크린은 플레이트와 동일한 전압을 걸어줄 때 효과적으로 정전 용량을 제거해 준다. 4극관은 그리드와 플레이트 사이에 스크린을 넣어서 여기에 +전압을 걸어 준 것 이다. 이렇게 하면 정전용량이 적어져 고주파까지 안정적으로 증폭 시킬 수 있다. 또 전자는 스크린의 +전압에 의해 가속되기 때문에 능률이 향상되고 커다란 변화출력을 얻을 수 있다. 그러나 4극관의 스크린에 가속된 전자는 대단히 고속이기 때문에 플레이트와 충돌하여 전자가 다시 방출하는 2차 전자가 발생한다. 이는 전류를 감소 시키며, 새로운 전계를 형성하여 원하지 않는 문제를 일으킨다.

5극관 (pentode)

4극관의 2차 전자를 제거하기 위해 스크린과 플레이트 사이에 서프레셔(suppressor)를 넣어 이것을 캐소드에 연결한 것이 빔관(beam tube)이며, 서프레셔에 -전압을 걸어 2차 전자를 플레이트로 되돌려 보내는 진공관이 5극관(pentode) 이다. 이 서프레셔에는 캐소드와 동일한 전압을 걸어준다. 5극관은 스크린과 서프레셔 작용에 의해 안정적이고 커다란 출력을 얻을 수 있다. 이처럼 5극관은 4극 진공관의 문제점인 2차 전자를 다시 플레이트로 보내기 위해 4극관의 스크린과 플레이트 사이에 서프레셔를 넣어 준 것이다. 이 서프레셔는 전자의 속도를 줄여 주고 자유롭게 떠돌아 다니는 제2 전자를 다시 플레이트로 보내는 역할을 한다. 대표적인 5극관으로는 EL34가 있으며, 빔관으로는 KT88, 6550, 6L6, 미국형 EL34인 6CA7이 있습니다.