진공관이란 무엇인가

[홍기문]

진공관이란 무엇인가

음향기기에는 다양한 제품이 있다. 그 중에는 CD 플레이어 데크가 있으며, 휴대용 워크맨도 있고, 컴포넌트도 있으며, 턴 테이블도 있다. 이렇듯, 하나의 기능상 동일한 목적을 가진 음향 기기이지만 그 종류와 크기는 엄청나게 다릅니다. 진공관에도 다양한 종류가 있다. 하지만 현재 대중적으로 사용되고 있는 진공관을 크게 나누어보면 ST관, GT관, MT관의 세 가지로 분류할 수 있다.

진공관의 초기 발명은 출력을 높이기 위해 시작되었으며 오디오에서 신뢰성있는 음질을 유지하기 위해 그리고 대량 생산의 목적으로 발전해 왔다. 진공관은 2차 세계대전 이후로 발전을 거듭하여 1960년대에 신뢰성 있는 진공관이 생산되면서 음질이 초점이 맞추어졌다고 하겠다. 이로 인해 당시 생산된 진공관은 그 음질이 매우 좋았다. 물론 구관이기 때문에 그 직전성이나 출력면에서는 현재 대량 생산되는 제품과는 비교되지만, 음색이나 깊이에 있어서는 장인성신으로 수작업 된 제품이기 때문에 아직 최고의 제품이라고 평가 받고 있다.

진공관의 원리적인 시초는 에디슨이 포노그래프를 발명으로 처음으로 시작되었지만, 적극적이지 못한 에디슨(Thomas Alva Edison)의 발명 방향으로 인해 그발전 과정이 에디슨 자신의 시점에서 멈추었다. 개량형 전구를 개발하려던 욕구가 더욱 강했던 이유이기도 하지만, 전구의 개량 과정에서 에디슨은 그 유명한 “에디슨 효과”의 원리를 개발하게 되었으며, 진공관의 시초가 되는 발판을 마련하게 되었다. 하지만 이번에도 자신의 발견이 갖는 중요성을 간과한 채 이 위대한 발견을 다시 한번 방치하고 말게 된다. 결과적으로 말해서 진공관의 발명은 에디슨 자신이 그 초석을 닦아 놓았지만, 실제의 원천 과정을 거쳐 대중화를 이루어낸 것은 후대의 많은 과학자들이었다.

이후로 수 많은 발명가들이 진공관에 대한 연구를 하였지만, 뚜렷하게 자신의 연구개발의 성과를 나타낸 사람이 없었습니다. 하지만, 1906년 미국의 L.D.Forest라는 발명가가 양극으로 구성된 플레밍의 2극관에 전극을 한 개 더 추가한 형태의 3극 진공관을 발명하게 되는데, 포레스트는 비록 그 과학적 이론체계는 이해하지 못하였지만 3극관이 증폭작용을 갖는다는 대발견을 하게 됩니다. 따라서 그는 3극관을 검파기가 아닌 증폭기(Amplifier)로 응용할 생각을 갖게 되었고, 연구 끝에 1912년 다단 증폭기(Multi Stage Amplifier)를 개발해 냈습니다.

나아가 1915년에는 미국전신회사에서 고성능 진공관 550개를 사용한 전화중계용 증폭기를 제작하여 뉴욕과 샌프란시스코 사이의 대륙횡된 전화를 개통시키게 되었다. 그런데 바로 이 전화중계용 증폭기가 오늘날의 오디오 앰플리파이(앰프)어 원조가 되는 계기가 되었다. 1917년에는 실용화 앰프회로가 개발되었고, 다시 1919년에 이르러서는 필라델피아 전신전화회사에서 최초의 오디오용 진공관 앰플리파이어를 선보이게 된다.

진공관의 종류 및 분류에 대해서 설명하자면 MT관, GT관, ST관 이외의 진공관으로는 Ball, Balloon, Coke 등등 다양한 진공관들이 있다. 최초의 진공관인 Ball(에디슨이 발명한 전구의 둥근 모양을 본떠 말합니다)을 시작으로 최근 등장한 MT형까지 그 종류가 너무 많습니다. 진공관을 분류하기 위해서는 다양한 분류 방식이 있는데, 외형으로 분리하는 방식, 소켓으로 분류하는 방식, 구조로 분류하는 방식 등 다양한 방식으로 분류할 수 있다.

일반적으로 진공관의 구조를 표현할 때는 흔히 3극관, 5극관, 직열관, 방열관으로 분류하게 된다. 직열이라는 말은 캐소드(전자가 방출되는 곳)에 히터가 직접 가열되는 경우이고 방열관은 캐소드와 히터가 분리되어 간접 가열하는 경우이다. 3극관이라고 하는 것은 진공관내의 극수가 3개 있다는 뜻이고 빔관(4극관)은 4개, 5극관의 5개가 있는 경우를 말한다. 이때 히터는 극수에서 제외된다. 크나큰 차이점이 확연하게 드러나 분류하는 것이 아니라, 특정 진공관이 보유하는 전극수를 분류하기 위함이다. 여기에서는 대표적인 3가지 관을 분류하도록 한다.

MT관(소형관) - 진공관은 세계 2차대전 중에 개발되어 전쟁 전후의 기점으로 상용화 및 대중화 된 것으로 추정되며, 현재에도 High End용 AV에서 많이 사용되고 있다. 소형관인 MT관은 미니어추어의 약자로 가볍고, 능률이 뛰어나며, 높은 주파수까지 사용할 수 있다는 특징을 지닙니다. 또한 성능이 탁월 한 점과 제조의 자동화를 통한 품질의 평준화 및 기준화가 가능하기 때문에 품질에 있어서 불량률이 적고 대량 생산으로 가격이 싸다는 점 등의 많은 장점을 가지고 있다. 물론 그 음질적인 면에서는 커스텀화 된 제작 방식이 아니기 때문에 음질이 떨어진다고 하겠다. 오늘날에는 MT관이 대량 생산의 방식으로 빠른 생산이 가능하여, GT관 보다 더욱 큰 인기를 얻고 있다. MT관의 형태를 보면, 툭 튀어나온 머리부분(배기관)이 있는 직경이 작은 유리관이 사용되며 핀은 7개와 9개의 2종류가 있다. 어느 것이나 베이스를 사용하지 않고 직접 꽂을 수 있는 장점이 있다.

GT관 - GT관에는 굵은 유리관이 사용되며 베이스에는 8핀이 구성되어 있는데, 그 중심에는 핀을 제대로 꽂기 위한 가이드 키가 마련되어 있다. 현재 정류관이나 출력관 등의 미니어추어관에서 사용할 수 없는 대용량을 이 GT관에서는 마음껏 다룰 수 있습니다. GT관용의 소켓은 8핀밖에 없기 때문에 구별과 사용이 쉽다는 장점을 포함하고 있기도 하다.

ST관 - GT관보다 더 오래된 진공관 형태로 눈사람 모양의 유리관이면서 베그 라이트가 하부에 있다. 핀은 4핀, 5핀, 6핀, 7핀의 4종류이며, 크기가 매우 큰 편이다. 따라서 적극구조도 명료하게 식별할 수 있고, 소켓의 간격이 넓어서 납땜도 용이한 것이 특징이다. 소켓은 핀수에 따라서 4가지 형태로 분류된다.

오늘날에는 다양한 진공관이 널리 사용되고 있으며, 그 용도도 천차만별이다. 가령 예를 들어서 기타 앰프에서도 사용되며, 가정용 극장 시스템에서도 활용되며, 정보 송수신을 위해 군용 목적으로도 사용됩니다. 일반적으로 2극관, 3극관, 4극관 7극관 등등으로 대별되어 동작을 한다.

에디슨 효과(Thermionic Emission)

에디슨 효과는 일반 독자들에게는 다소 생소한 말로 들릴지 모르겠다. 말 그대로 에디슨 효과라는 것은 발명왕으로 잘 알려진 토마스 에디슨이 발견 하였다. 지금으로부터 약 120년전의 일로 에디슨은 자신이 발명한 전구를 이것 저것 바꾸어 가며 전구의 빛 밝기나 전류의 흐름 등 여러 가지 실험을 해보았다. 물론 전구도 몇 종류 만들었지만 그 중에서 보통 전구(진공유리 속에 필라멘트가 들어있는)에 별도의 금속판을 끼워넣은 것도 있다. 이것을 왜 만들었나 추측하건대 금속판은 빛을 한 방향으로 보내기 위한 목적으로 만들어진 반사 판으로 생각된다. 이처럼 보통 전구와 조금 다른 전구를 에디슨은 열심히 만들어 보면서 마지막으로 이 금속판 선을 빼내서 선을 연결하여, 금속판에 +전압을 걸어본 결과, 놀랄 정도로 전류계 바늘이움직이는 것을 보고, 에디슨은 왜 전류계의 바늘이 움직이는가를 알아보려 했지만 그 이유를 잘 알지 못하였다.

필라멘트와 금속판 사이는 진공관으로 떨어져 있어서 전기가 흐르지 않는다고 생각하였기 때문에 왜 전류가 흐르는가? 그 이유는 무엇인가? 하는 것이 의문이었다. 여기서 동이나 은 등의 금속에 전지를 연결하였을 때 전류가 흐르는 이유를 설명하자면 “금속 중의 전자(-전기를 가지고 있음)가 전지의 +에 끌려 이동한다. 이처럼 전자의 이동하는 흐름을 전자류라 하고, 이것을 전류가 흐른다고 말한다”라고 전문적으로 말하고 있다. “이러한 것으로부터 에디슨은 진공 중에는 전자가 존재하지 않기 때문에 필라멘트와 금속판의 사이에 전자가 연결되지 않아서 전류의 흐름은 없을 것이라고 생각하였기 때문에 그 이유를 풀 길이 없었다.” 이렇게해서 만들어진 것이 진공관이라는 물건이다.

진공관의 기계적인 작동원리에 대해서 살펴보면 필라멘트에 열이(히터)가 가해지면 열전자가 발생된다. 이 열전자는(-)이므로 플레이트의 높은 (+)전압에 이끌려 플레이트쪽으로 날아가게 되는데 이는 2극관의 경우이다. 3극관의 경우는 이 2극관의 한 개의 극 즉, 그리드를 삽입해서 전자의 흐름을 제어한다. 필라멘트에서 플레이트로 날아가는 전자는 (-)이므로 그리드에 (-)전압을 걸어주면, 전자와는 같은 마이너스(-)전압이므로 같은 극끼리 반발하여 전자의 흐름을 방해하게 되고 그리드의 마이너스 전압을 점점 높이면 열전자가 플레이트로 날아 가는 양이 감소하며, 반대로 낮추면 증가하게 됩니다. 그리도에 걸어주는 이 마이너스전압을 바이어스전압이라 한다. 진공관마다 바이어스전압 플레이트전압을 흘릴 수 있는 전류의 양이 다 틀린 데 이는 진공관 규격표를 찾아볼 방법밖에는 도리가 없다.

열전자 흐름의 양을 제어하는 것이 곧 증폭작용으로 이어지는데 그리드에는 신호 전압이 들어오면, 신호전압+바이어스전압 이 그리드 현재 전압이 되고 신호전압은 계속해서 변하므로(바이어스전압은 일정) 신호전압에 비례해서 플레이트전압도 변동하게 되는데 이 그리드의 전압 변화량과 플레이트의 전압변화량의 비를 증폭율이라 한다.

결국 플레이트와 출력트랜스는 맞물려 있으므로 플레이트의 전압변동은 출력트랜스 1차측의 자계변화로 이어지고 앞서 설명한 상호유도에 의해 2차측(스피커)으로 신호가 전달되는 것이다. 빔관, 5극관도 증폭원리는 동일하다.

진공관 앰프(Vacuum Tube Amp) - 보통 진공관 앰프하면 따뜻하면서도 부드러운 소리가 나나 Tr엠프에 비해 해상도가 떨어지고 안개 낀 거리처럼 조금은 뿌연듯한 음을 연상하지만 이러한 선입견은 사실과 조금 다르다.

진공관은 트랜지스터 보다 재생 특성이 우수하고 고온에서 동작 하므로 주위 온도에 영향을 거의 받지 않으며, 고압 동작에 따른 헤드룸이 크므로 최대 출력 이상에서도 소프트 클립되며 일정 출력을 유지하는 파워풀한 면모도 갖추고 있다. 진공관의 장점은 무엇보다도 뛰어난 음악성을 들을 수 있다는 것이다. 이는 진공관 특유의 하모닉스에 의한 것으로 자연스러우면서도 편안한 재생음을 얻을 수 있는 것이 아직까지도 많은 진공관 매니아를 확보하고 있는 이유이기도 하다.