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광석 검파기(Crystal detector)

광석 라디오(Crystal radio)는 게르마늄 라디오라고도 불리며, 전력 없이 작동되는 라디오이다. 광석검파수신기라고도 한다.

광석 라디오는 방연석, 실리콘, 저마늄 등의 광석을 사용하여 제작되며 ‘크리스탈 이어폰’이라고 하는 저전압에서도 작동되는 특수한 이어폰을 달아줘야 들을 수 있다.

안테나에서 받는 미약한 전파를 그대로 검파하는 방식으로 전력없이 작동되므로 소리가 작은데다 잡음도 많으며, 감도가 약하여 수신 가능한 범위도 트랜지스터라디오에 비해 근거리에 한정되어 있다. 이를 해결하려면 자체 증폭기가 달린 엠프등 전원으로 작동되는 스피커 장치에 사운드 케이블을 달아 출력해야 한다.

동조회로, 검파기 및 리시버로 이루어진 구조가 매우 간단한 라디오이기 때문에 크기도 매우 작고 휴대도 간편하였다. 휴대용과 무전원이라는 특성때문에 가난한 나라에서 다이오드나 각종 부품 등을 이용해서 이 광석 라디오를 들었다고 하며, 세계 2차 대전 당시에 군인들의 참호에서처럼 등 극한상황에 처한 사람들이 일반적인 라디오를 들을 수 없을때 주변에서 구할 수 있는 금속류 등을 이용해 광석 라디오를 만들어서 외부 소식을 듣기도 하였다.

Sphalerite (ZnS), pyrite (FeS 2) 및 Galena (PbS)는 하나 이상의 공통점이 있습니다. 모두 금속 황화물입니다. 많은 광석광물 (즉, 이러한 원소를 얻기 위해 “광석”채굴되는 가치가있는 원소를 포함하는 광물)은 황화물입니다. 원하는 원소는 다른 광물에서 발견 될 수 있지만, 아마도 이러한 광물은 가공하기 어렵거나 채굴 벤처의 수익성을 높이기에 충분한 농도로 발견되지 않을 수 있습니다. Sphalerite는 아연으로 채굴되고, 방연광은 납으로 채굴됩니다.

sphalerite와 galena의 수식에서 유사성으로 인해 원자가 거의 같은 방식으로 배열되어야한다고 생각할 수 있습니다. 별로. Zn 원자가 S 원자보다 상대적으로 훨씬 작기 때문에, 4개의 S 원자가 하나의 Zn 원자 주위에 끼워 질 수 있으며, 그 결과 오른쪽으로 구조가 형성된다.

미네랄 황철석 또는 철 황철석은 금속 광택과 옅은 황동-황색 색조가 금과 피상적 인 유사성을 갖기 때문에 일반적으로 Fool 's Gold라고 불립니다. 옛날 광업 시절에 황철석은 때때로 금으로 오인되었습니다. 황철석은 화학식 FeS2의 황화물 광물 중에서 가장 일반적입니다. 황철석 결정은 모든 크기의 입방체 큐브, 침투 쌍 입방체 큐브, 근면 체 클러스터, 아름다운 반짝이는 효과를 나타낼 수있는 작은 드루 지 결정체 등 다양한 모양과 습관으로 나타납니다.

Galena는 실제로 납의 주요 광석 인 납 기반 광물이며 수천 년 동안 납 함량으로 사용되었습니다. 방연광은 일반적으로 회색 금속 광택을 나타내며 입방체 또는 팔면체 결정을 형성합니다. 방연광의 화학 성분은 PbS입니다.

방해석, CaCO3는 탄산염 광물이며 탄산 칼슘의 가장 안정적인 다 형체입니다. 다른 다 형체는 미네랄 아라고 나이트 및 바테 라이트이다. 방해석 결정은 삼각-사방형이지만, 실제 방해석 마름모꼴은 자연 결정처럼 드물다. 그러나 그들은 급성 둔화 능 면체, 표 형태 및 프리즘을 포함하여 매우 다양한 습관을 보여줍니다. 방해석은 다양한 형태의 관찰에 추가되는 몇 가지 트위닝 유형을 나타냅니다. 섬유질, 과립 상, 층상 또는 콤팩트로 발생할 수 있습니다. 분열은 일반적으로 마름모꼴 형태와 평행 한 세 방향입니다.

반도체소자의 뿌리는 천연자석의 검파기(檢波器)

천연광석을 다이오드로 사용한 광석라디오

“브랑리관”의 결점은 1회만 동작하는 것이다.이것은 전파를 포착하면 유리관의 금속분이 밀착하여 전류의 통로가 되어 전류가 흐르기 때문이다. “브랑리관”을 이용한 검파기을 “코히라(Cohere)”라고 부른다. “코히라(Cohere)”라는 “밀착하여 덩어리가 된다.”라는 의미가 있는 영어 단어이다. 밀착상태에서 다시 검파기로 기능하기 위해서는 유리관을 진동시켜 덩어리의 금속분을 뿔뿔히 흩어지게 하여야 한다. 이러한 “브랑리관”의 결점을 극복하기 위하여 “롯지”의 장치에 교묘한 메카니즘을 도입한 것은 러시아의 “포포프”이다(1894년) “브랑리관”은 전파를 받으면 전류를 흘리기 때문에 그 때 전자석식(電磁石式)의 망치가 “브랑리관”을 두드려 밀착한 금속분의 덩어리를 깨므로 계속 전파를 수신 할 수 있는 상태를 유지하는 작동방식이다.

19세기 말 부터 20세기 초에 걸처 “브랑리관”의 개량판이라 할 수 있는 여러가지 타입의 "코히라(Cohere)"가 각국에서 개발되었다.금속분 대신에 수은을 사용한 것도 있었다. 이탈리아의 “마르코니”도 독자적인 연구에 의해 대서양횡단 무선통신의 실험에 성공하였다(1901년) 최초의 진공관인 이극진공관도 “브랑리관”대신의 고감도 검파기로 사용되었는데 이 이극진공관은 “플레밍(Fleming)의 법칙”으로 잘 알려진 플레밍에 의해 개발되었다(1904년, 이극진공관을 영어로 다이오드라고 한다) 이러한 가운데 잊혀져 있던 천연광석의 정류작용이 햇빛을 볼 수 있었다. 방연광(方鉛鑛) 및 황철광의 결정에 가는 침을 점접촉시키면 검파기가 되는것을 확인하였기 때문이다. 이것을 광석검파기라고 한다.(미국의 픽카드의 광석검파기가 유명하지만 유럽각국 그리고 일본에서도 동시다발적으로 고안되었기 때문에 최초의 발명자를 특정지을 수 가 없다) 광석검파기는 기계적인 구동장치도 전원도 필요하지 않은 매우 단순한 검파기이기 때문에 1920년대에 라디오 방송이 개시되면서 가정용 라디오에 채택되어 세계적으로 보급되었다. 이것이 소위 광석라디오이다.

나중에 광석검파기는 게르마늄 다이오드(Germanium Diode)로 대체되었는데 원리 및 구조는 완저히 동일한 것이다. 도대체 "브랑리관 및 광석검파기"는 왜 정류(무선 및 라디오에서는 검파라고 한다)작용을 하는것일까? 이 의문을 풀기 위한 연구에서 반도체의 이론 과 기술이 발전하여 TR 및 IC,LSI등의 집적회로도 개발되어 현재의 일렉트로닉스 사회가 만들어진 것이다. 전회에서 소개한것 처럼 진공관도 조명용의 전구기술에서 탄생하였다. 획기적인 기술이라는 것은 제로에서 출현되는 것이 아니고 과거기술의 계승.발전에서 생겨나는 것이다. 현대의 하이테크도 의외로 오래된 뿌리가 있는 것이다.

에너지를 전달하는 공진(共振)=공명(共鳴)현상

음파는 공기의 진동,전파는 전자계의 진동,지진파는 대지의 진동이다. 모든것은 고유진동수를 가지고 있고 외부에서의 진동주기와 맞아지면 공진(공명)하여 진동이 크고 높아진다. 공진(공명)현상은 귀찮은 문제도 유발하지만 악기 및 기계, 전기, 전자회로, 특히 전파를 이용하는 무선기기 등에서는 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.

자연계는 공진=공명현상으로 범람하고 있다. 글라스 하프(Glass Harp)라고 부르는 악기가 있다. 악기라 하더라도 유리로 만든 하프(수금)는 아니다. 와인글라스 또는 위스키 잔 처럼 손잡이가 달려 있는 글라스의 가장자리를 손으로 문지르면 마찰의 진동이 의해 “붕-”이라는 연속음을 내는 악기답지 않은 악기이다. 글라스에 넣은 물을 가감하므로 도레미파---의 음계를 만들기 때문에 글라스를 많이 나열하여 멜로디 및 화음을 연주할 수 있다. 라스(유리잔)에 넣는 물이 많을수록 연주되는 음은 낮아진다. 글라스의 진동만이 아니고 물의 진동도 관계하기 때문이다.

중국에서 오래전부터 전해지는 “분수어세(噴水魚洗)”도 글라스 하프 와 비슷한 원리이다. 외관상으로는 두개의 손잡이가 달린 구리로 만든 큰냄비이다. 물을 넣어 손잡이를 양손의 손바닥으로 빠르게 문지르면 구리냄비는 “붕붕”이라는 음을 내면서 물이 진동하기 시작하여 드디어 수면에서 물보라가 분출한다. 높게 분출하는 요령은 적당량의 물을 넣는것과 손잡이를 문지르는 손의 동작이다. 숙련자가 되면 물보라의 높이는 1m 가까이 된다고 한다.

중력에 반하여 물이 분출하는 것은 구리냄비의 고유주파수 와 마찰에 의한 진동주기가 일치하여 공진현상이 일어나고 물의 진동이 정상파(定常波)가 되기 때문이다. 정상파라는 것은 파형이 변화하지 않고 진동하는 것이다. 양단(양끝)을 고정시킨 기타의 현이 일정한 음을 내는 것도 양단을 물결의 마디가 되는 정상파(定常波)가 생기기 때문이다(실제로는 정수배의 배음도 포함한다).

정상파(定常波)는 파형이 일정하기 때문에 공급되는 에너지는 진폭의 증대에 소비된다. “분수어세(噴水魚洗)”에 있어서도 손의 마찰에 의해 공급되는 에너지가 정상파의 진폭의 증대에 소비되여 물보라를 분출하는 것이다. 공진=공명 이라는 것은 떨어진 장소에 에너지를 전달하는 현상도 있다. 예를 들면 공명상자에 놓여진 음차(音叉)를 울리면 거리가 떨어져 있는 같은 크기의 공명상자에 놓여진 음차를 울린다. 이러한 이과실험에 국한되지 않고 자연계는 공진=공명현상이 범람하고 있다. 「심금을 울린다」라는 깊은 감동이라던지 「이심전심」아라는 것도 일종의 공진=공명현상 일지도 모르겠다.

특정의 주파수를 선택하는 동조회로

공진은 라디오 및 TV,휴대전화 등의 무선기기의 동조회로에도 이용되고 있는 현상이다. 저항과 함께 3대 수동부품인 콘덴서 및 코일은 전류에 대해 정반대의 특성을 지니고 있다. 2개의 전극이 절연물을 감싸고 있는 형태의 콘덴서는 직류는 흐르지 않지만 교류는 흐르고, 게다가 교류의 주파수가 높아지면 높아지는 만큼 리액턴스(Reactance/교류에 대한 저항)는 적어져 전류가 흐르기 쉬워지는 성질이 있다. 한편 코일은 주파수가 낮은 교류는 직류처럼 잘 흐르지만 주파수가 높아지면 높아지는 만큼 리액턴스는 커져 점점 흐르기 어렵게 된다.

이러한 상반된 성질이 있는 콘덴서 와 코일을 조합하면 일정주파수를 선별하는 동조회로가 만들어 진다. 전회에서 소개한 광석라디오는 동조회로를 이해하는데 적합하다.

광석라디오의 안테나에는 여러 종류의 주파수의 전파가 잡히는데 검파회로(광석다이오드)에 의해 일정방향으로 전류는 흐르지만 특정주파수의 신호를 선택하지는 못한다. 그래서 회로에 병렬 혹은 직렬로 콘덴서 및 코일을 조합한 동조회로를 삽입한다. 여기에서는 병렬 타입의 동조회로를 예로 들어 설명한다. 교류에 대해 상반된 성질을 지닌 콘덴서 와 코일을 병렬로 삽입하면 공진현상에 의해 산형(山型)의 주파수-임피던스특성을 나타내는 회로소자가 된다. 낮은 주파수의 전류는 코일이 통과시키고 높은 주파수의 전류는 콘덴서가 통과시키지만 산의 정점에 해당하는 주파수(공진주파수)에서는 임피던스(교류저항)가 극단히 커지기 때문에 전류가 흐르기 어렵게 된다. 따라서 이러한 주파수 대역의 전류는 이어폰측으로 흐르게 된다. 이것을 다시 이야기 하면 이어폰측에는 산의 정점에 해당하는 주파수의 전류만이 통과하게 된다. 이것이 동조회로의 기본원리이다.

동조회로의 발명자는 코히라(Cohere)검파기(전회에서 설명)의 발명자인 영국의 로지(1898년)이다. 당시에는 획기적인 아이디어이였다. 초기의 무선통신은 고압의 불꽃방전에서 발생하는 전파를 이용하였다.이 전파는 여러가지 성분의 주파수를 포함한 전파로서 봉화처럼 간헐적으로 발생시키는 것으로 돈.쯔의 2치신호(2値信號)를 보내고 있었는데 무선국이 증가하면 혼신되어 버린다. 따라서 일정의 주파수에 의한 통신이 요구되게 되어 동조회로가 발명되어지게 되었다. 휴대전화 ,문선 LAN,UWB통신 등 현대의 무선통신의 끝없는 발전도 이 심플한 동조회로에서 시작된 것이다.

고주파회로의 공진현상 과 노이즈 문제

라디오 혹은 TV에서 선국을 하기 위하여 다이알 및 버턴 조작은 동조회로의 콘덴서(C)및 코일(L)의 정수(Capacitance 및 Inductance)를 변화시키므로 공진주파수를 변화시킨다. 동조회로는 특정의 주파수대의 신호를 통과시키기도 하고 차단하기도 하는 LC필터(Low-Pass Filter,High-Pass Filter,Band Pass Flter)와 원리적으로 같은 것이다. 예를 들어 신호라인에 직렬로 코일,병렬로 콘덴서를 삽입하면 고주파의 신호를 코일에서 반사(억제)함과 동시에 콘덴서에서 접지로 흘려 보내 신호전류만을 흘리는 Low-Pass Filter가 된다.

고주파영역의 노이즈를 제거하기 위하여 LC필터는 노이즈 필터로 사용된다. 단 신호주파수가 Mhz,Ghz로 높아짐에 따라 고주파 노이즈가 주파수 영역에 접근하기 때문에 노이즈 필터로는 LC필터 보다도 급준한 감쇄특성이 있는것이 요구된다. 게다가 고주파회로에서는 회로도에는 나타나지 않는 콘덴서 성분(Capacitance) 및 코일 성분(Inductance)과 저항성분(Resistance)에 의한 공진현상이 여러가지 귀찮은 문제를 야기시킨다. 예를 들어 배선의 미세한 커브(꼬임)도 코일성분이 있고 또 배선 과 접지간에는 콘덴서로서 작용한다. 이것뿐만 아니라 전자부품의 리드선에 의해서도 콘덴서 성분과 코일성분이 나타난다. 이 때문에 고주파영역에서는 공진현상이 일어나 동조회로 및 LC필터처럼 작용한다. 예를 들면 펄스상의 거형파(방형파)의 형상이 찌그러진다던지 하여 신호전송에 에러가 발생하기도 한다. 이 주파수를 자기공진주파수(自己共振週波數/SRF)라고 한다.

이러한 문제가 심각하여진것은 우리들 주변에 디지털기기가 등장하기 시작한 1970년대이다. 전자기기의 고속화,고기능화,다기능화가 진행되면 진행될수록 고도의 노이즈 대책이 요구되어지게 된다. 공진(共振)=공명(共鳴)현상이라는 것은 자연계의 보편적인 현상인데 때로는 귀찮은 문제를 야기한다. 이러한 문제를 뛰어 넘어 잘 이용하므로서 일렉트로닉스 사회는 크게 진보하게 된다.

수정발진자를 이용한 발진회로 ,레이저,MRI(자기공명화상장치)도 공진현상을 이용한 시스템이다.

다이오드(Diode) 이야기

1. 진공관 이전부터

이극 진공관에서 정류 특성, 에디슨 효과가 발견된 것은 1884년. 그리고 그 8년 전인 1876년에는 셀렌의 정류 작용이 발견되었습니다. 이와 같이 반도체의 특성을 이용하여 정류 효과를 내는 다이오드의 역사는 매우 오래 되었습니다. 그러나 그 역사가 진공관보다 더 오래 되었다는 것은 약간 의외의 사실입니다.

2. 게르마늄, 그리고 실리콘까지

당초의 원시적인 다이오드 - 셀렌 정류기와 광석 검파기는 황철광과 방연광 등 천연 아산화동 (다결정 반도체) 을 사용하였습니다. 그 후, 정련 기술의 진화와 더불어 게르마늄과 실리콘 등 감도 좋은 것을 안정적으로 만들 수 있는 단결정 반도체 시대로 바뀌었습니다. 단 게르마늄은 열에 약하므로 현재는 대부분이 실리콘으로 만들어지고 있습니다.

3. PN접합에 의한 정류 효과

다이오드 소자는 PN 접합이라 불리는 구조로 되어 있습니다. P형 반도체의 단자를 애노드, N형 반도체의 단자를 캐소드라고 하며, 애노드에서 캐소드로 흐르는 전류만을 통하게 하고 그 반대로는 거의 통하지 않도록 하는 역할을 합니다. 이 효과를 정류 작용이라고 하며, 달리 표현하면 교류를 직류로 변환한다는 역할을 뜻합니다.

4. 말하자면 다이오드는 "벨브"

다이오드의 움직임을 직감적으로 파악한다면, 그것은 "벨브" 즉 전류의 "벨브" 입니다. 전기 흐름을 물의 흐름에 비교하자면, 애노드는 상류 측, 캐소드는 하류 측에 해당됩니다. 물은 상류에서 하류로 흐릅니다. 즉 전류도 마찬가지로 흐르지만, 하류에서 상류로는 “벨브” 가 닫혀 흐를 수 없습니다… 이것이 다이오드의 정류 원리입니다.

5. 접합 구조도 가지각색

다이오드의 접합 구조는 현재 크게 PN 접합과 쇼트키 형태로 나뉘어집니다. 전자는 반도체와 반도체의 접합이며, 다시 확산 접합형 및 메사 형태로 나뉘어집니다. 후자는 반도체와 금속 간에 일어나는 효과를 이용하는 것으로 통상적으로 “접합” 이라는 단어로 표현하지 않지만, 여기에서는 보다 이해하기 쉽도록 이 카테고리로 분류하도록 하겠습니다. 그리고 현재, 소전력·고속성을 실현하는 쇼트키 접합형이 각광을 받고 있으며, 로옴에서는 이 쇼트키 배리어 다이오드 시리즈에 적극적으로 힘을 쏟고 있습니다.

6. 순방향 특성 역방향 특성

다이오드에는 애노드와 캐소드라는 2가지 단자가 있습니다. 애노드를 (+), 캐소드를 (-) 로 하여, 애노드에서 캐소드로 전류가 흐를 때의 특성을 순방향 특성이라고 하며, VF 와 IF 가 이에 해당합니다. 반대로 애노드가 (-) , 캐소드에 (-) 가 인가되었을 때, 다이오드에는 기본적으로 전류가 흐르지 않습니다. 이 때의 특성을 역방향 특성이라고 하며, VR 과 IR 등이 역방향 특성에 해당합니다.

광석 라디오(Crystal radio)

게르마늄 라디오라고도 불리며, 전력 없이 작동되는 라디오이다. 광석수신기라고도 한다. 다이오드와 저항, 안테나 선만으로 FM 라디오를 만들어 들을 수 있다. 막상 만들어 보면 소리가 굉장히 작으며, 강전계 지역이 아니면 듣기가 거의 불가능하다. FM 광석 라디오는 송신소가 바로 근처에 있지 않는 이상 만들 수 없다. AM, 단파 또한 국내(도시권)에서 듣기 힘들고, 시골에서는 들을 만 하다.

광석 라디오는 방연석이나 실리콘, 저마늄 등의 광석을 사용하여 제작된다. 원칙적으로는 '크리스털 이어폰'이라고 하는 임피던스(impedance)가 1000∼2000옴에 달할 정도로 극히 높아 교류신호의 전압이 감소하지 않고 잘 통과하며 작동되는 특수한 이어폰을 달아줘야 들을 수 있다. 일반적인 이어폰은 코일과 자석으로만 이루어져 임피던스가 낮은데, 이는 광석라디오가 공급할 수 있는 한계치 이상의 과한 전류를 요구하게 되어 결국 출력단의 전압을 낮춰버리고, 이어폰에 흐르는 전류도 거의 0에 수렴하게 되어 버린다. 따라서 일반 이어폰이 약한 교류 전류를 내보내는 광석 라디오에서 거의 작동하지 못하는 것이다. 크리스털 이어폰에는 코일이 없고 하나의 압전 패널이 배치되어 있으므로 유도 리액턴스는 낮고, 용량 리액턴스는 엄청나게 높다. 따라서 임피던스 자체가 높아지게 된다.

소형 전기제품에 쓰는 변압기를 달아서 임피던스가 낮은 보통의 이어폰으로도 들을 수는 있으며, 이런 과정을 ‘임피던스 매칭’이라고 한다. 요즘은 크리스털 이어폰은 구하기 어렵기 때문에 자작하는 사람들은 세라믹 이어폰을 사용한다. 국내의 온라인 쇼핑몰에 크리스탈 이어폰이라 검색하면 교육용으로 팔리는 것을 쉽게 구할 수 있고, 돈이 없다면 고물상이나 분리수거장에서 압전소자(피에조 소자)를 사용하여 이어폰을 자작할 수 있다. 주로 전자레인지에서 삑삑거리는 버저가 피에조 소자이므로 이것을 크리스탈 이어폰으로 개조할 수 있다.

안테나에서 받는 미약한 전파를 그대로 검파만 하여 그 전력으로 이어폰을 구동하는 방식으로, 전력 없이 작동되므로 소리가 작고, 감도가 약하여 수신 가능한 범위도 트랜지스터 라디오에 비해 근거리에 한정되어 있다. 이런 한계는 외부 전원을 받아 증폭이 이루어지는 스피커를 출력단에 물리는 등 출력되는 오디오 신호를 증폭시켜 주면 비교적 많이 개선된다. 반대로 안테나와 코일 쪽을 키워도 외부 전력 없이 스피커를 울릴 정도로 출력이 커지기도 한다.

동조회로와 검파기 및 리시버로 이루어진 구조가 매우 간단한 라디오이기 때문에 크기도 매우 작고 휴대도 간편하다. 증폭 작용을 하는 부품이 전혀 없으므로 트랜지스터는 커녕 진공관도 소형화/대중화되기 전 시대에도 주머니에 들어가는 작은 휴대용 라디오가 존재할 수 있었다. 다만 주파수를 거르는 바리콘 부품 자체가 철판 뭉텅이 그 자체라서 무게는 살짝 무거웠지만. 현재는 폴리바리콘이나 트리머를 사용해서 훨씬 가볍고 작게 제작할 수 있다.

검파 다이오드는 1N60이나 1N60P등이 사용되며, 국내 쇼핑몰에 검파다이오드라고 검색하면 어렵지 않게 구할 수 있다. 다만 가격이 비싸므로 시간이 많다면 알리익스프레스에서 대량구매하는 것도 나쁘지 않다. 100개에 무료배송으로 1300원 꼴이니.. 1N60보다 1N60P가 주파수 선택도가 높아 혼선이 적다. 더 고주파의 신호를 잡으려면 수 GHz까지 커버가능한 1SS86도 나쁘지 않다. 이건 FM 광석 라디오를 만들 때 좋다.

그러나 한때는 최첨단 전자기기이자 사치품이었던 라디오도 20세기 말쯤 되면 이미 개나소나 만들어 세계각지에 팔게 되었기 때문에, 현재는 애호가들이나 찾는 DIY 장난감 정도로 취급된다. 21세기는 이미 아프리카 최빈국의 시장통을 가도 중국제 라디오와 건전지를 구할 수 있는 시대다.

생존주의, 적정기술 기믹이 꽂힌 사람들은 광석 라디오를 중요하게 생각하지만, 이 두 가지 목적을 위해서는 인력발전 라디오, 태양광 및 인력발전 건전지 충전기+건전지 라디오 쪽이 낫다.

실제로 들어보려면 대형 안테나를 설치할 큰 공간과 전자기기로부터 멀리 떨어질 수 있는 공간이 필요하다. 단파 기준으로 최소 4m~11m의 긴 안테나가 필요하다. 잡음의 종류로는 스마트폰 기지국의 신호, 60Hz 교류전원의 노이즈, 전자기기에서 나오는 노이즈 등이 있다. 시골처럼 거대한 안테나를 설치할 공간과 전자기기 노이즈가 적은 곳이 있다면 광석 라디오의 효율은 최고가 된다. 이 경우 일본, 러시아, 영국, 중국 등 세계 각국의 방송이(단파기준) 매우 선명하게 잘 들린다. 볼륨 또한 안테나 길이만 잘 맞추면 핸드폰으로 녹음이 가능할 정도로 상당히 커진다. 반면 수도권에서 듣는 것은 거의 불가능하다.

휴대용과 무전원이라는 특성 때문에 가난한 나라에서 다이오드나 각종 부품을 이용해서 이 광석 라디오를 들었다고 한다. 하단의 사진에서처럼 면도날과 굵은 샤프심, 옷핀이 있으면 다이오드조차 직접 만들 수 있다! 다만 면도날은 불에 그을린 상태여야 하고, 샤프심 또는 연필심(탄소)이 거의 점 형태로 면도날에 살짝 닿아 있어야 한다. 원리는 기본적인 다이오드와 똑같다. 전자의 밀도가 다른 n형, p형 전도체끼리 닿게 되어 다이오드가 되는 것. 샤프심을 하나 더 만들면 트랜지스터조차 손으로 만들 수 있다!

이 외에도 불꽃도 정류가 된다고 한다. 열전자의 이동을 사용하는 것으로, 진공관의 원리를 생각하면 된다.

2차 세계대전 당시에 군인들의 참호에서처럼 극한 상황에 처한 사람들이 일반적인 라디오를 들을 수 없을 때, 주변에서 구할 수 있는 잡동사니와 금속 등을 이용해 광석 라디오를 만들어서 외부 소식을 듣기도 하였다. 심지어 구호품에 재료를 나누어 넣어 전달하기도 했다는데 그것만으로는 거의 소재 수준이라서 잘 알아챌 수 없을 정도. 이 때문에 어디 토굴 같은 곳에서 숨어 듣는다는 의미로 Foxhole radio라는 이름도 붙었다.

광석 라디오

아마추어와 전문 무선 발명가들이 직접 수신기를 만들던 시절에 등장한 것이 바로 광석 라디오였다. 광석 라디오는 기술적으로 가장 단순하며 전원을 사용하지 않는다. 진공관처럼 소리를 크게 하는 부품이 발명되지 않아 항상 광석 라디오 전용 이어폰이나 헤드폰으로만 청취가 가능해, 주로 1~2인이 청취하는데 그쳤다. 사실상 개인용 라디오(Personal Radio)수신기였던 셈이다. 광석 라디오는 모스 부호(Morse Code, 길이가 긴 신호와 짧은 신호를 조합해 영문 알파벳을 손으로 전신하는 부호)를 송신하던 무선 전신기 시대부터 현재까지 가장 오랫동안 사용되고 있는 라디오 수신기의 형태다.

라디오 수신기의 역사상 가장 먼저 나온 광석(鑛石) 라디오는 국내에서 여러 가지 잘못된 영어 표기로 알려져 있으나 정식 영문 명칭은 크리스털 라디오(Crystal Radio)다. 이름의 유래는 이런 종류의 라디오가 대부분 광석 검파기(crystal detector)라는 광물 결정을 이용하고 있기 때문이다. 약한 반도체 광물을 이용해 높은 주파수의 전자파를 우리가 쉽게 들을 수 있는 오디오 신호로 바꿔 주는 검파기는 1904년께 영국 식민통치 시대 인도 과학자 자가디시 찬드라 보즈(Jagadish Chandra Bose)와 미국의 발명가 그린리프 위티어 피카드(Greenleaf Whittier Pickard)가 만들었다. 광석 라디오의 핵심 부품인 광석 검파기는 현재 반도체 부품으로 따지면 다이오드(diode)에 해당하는 부품이다.

광석 라디오의 동작은 매우 간단하다. 일단 기다란 구리선으로 만든 안테나가 라디오 전파를 전기신호로 바꿔주고, 두껍게 감은 구리 구리선 코일 위를 슬라이드 접점(slide contact)으로 이동할 수 있게 만든 간단한 튜닝 회로가 방송국의 주파수를 맞춘다. 이때 코일 외에도 콘덴서가 있어야 하는데, 이것을 갖춘 수신기도 있었고 안테나 자체를 콘덴서로 활용할 수신기도 있다. 이 튜닝 회로는 수신된 전파에서 필요한 채널 신호 외의 것을 없애는 역할을 한다. 이렇게 튜닝된 전기신호는 다시 반도체 성질을 갖는 광물 결정으로 만든 광석 검파기를 통해 우리가 들을 수 있는 오디오 신호로 검출된다. 초기에 사용된 검파기를 흔히 고양이수염검파기(Cat’s Whisker Detector)라고 불렀는데, 여기에 사용된 광석이 주변에서 흔히 구할 수 있는 방연석(方鉛石, Galena, 황화납)이었고 이 때문에 광석 라디오라는 이름이 붙게 된 것이다. 이렇게 만들어진 오디오 신호는 스피커를 구동하기엔 미약한 신호여서 광석 다리오 전용 이어폰이나 헤드폰으로만 들을 수 있다.

광석 라디오의 가장 큰 특징은 별도의 전지나 전원을 필요로 하지 않는 수신기라는 점이다. 이런 특성 덕분에 광석 라이도는 전쟁이나 천재지변이 일어났을 경우 매우 중요한 생존 수단을 제공할 수 있다. 일단 전원을 사용하지 않는 만큼 부품도 간단하게 구성되며, 구리선과 몇 가지 재료를 준비하고 사전 지식만 있다면, 쉽게 자신이 만들 수 있는 라디오이기도 하다. 특히 저개발 국가나 국민소득이 매우 낮은 지역에서 활용이 용이하다. 과거에는 상당히 부피와 무게가 많이 나가는 형태로 제작되었으나, 현재는 손바닥에 들어올 정도로 작게 만들 수 있기 때문에 휴대가 간편하다. 다만, 쉽게 채널을 튜닝해 듣기에는 몇 가지 세밀한 조정이 필요하고, 지속되는 잡음을 피하기 어려우며 송신소와 거리가 멀수록 청취되는 음량이 작아지는 단점이 있다.

사용자 측면에서는 일단 전원을 사용하지 않아서 소리를 마음대로 크게 할 수가 없기 때문에 무조건 높은 임피던스(impedance, 음성신호 등 교류전류가 흐르기 어렵게 만드는 성질의 정량적 표기)의 광석 라디오 전용 이어폰이나 헤드폰을 사용해야 해서 1∼2인이 듣는 정도의 기능 밖에 제공할 수 없는 점이 보급에 큰 걸림돌이었다. 초기 라디오 방송의 실험과 아마추어 무선사들의 가벼운 호주머니 사정으로는 큰 의미가 있었으나, 기술이 빠르게 발전해 진공관 라디오 시대가 열렸다. 여러 사람이 당시로서는 가격이 비싼 라디오를 함께 듣게 되면서 주로 개인이 혼자 실내나 실외에서 듣는 수신기로 남게 되었다.

라디오 시대 초기에는 부품의 특성상 부피가 크고 무거운 편에 속해 개인이 호주머니에 넣고 다닐 수도 없었으니, 광석 라디오는 시대를 앞서 만들어진 개인용 라디오 수신기였다고 볼수 있다. 다만 전원을 필요하지 않기 때문에 무선 전신(Wireless Telegraph)의 수신기로 활용되기 시작해 이미 1912년 타이타닉 침몰 당시에 구조선의 생존자 명단을 모스 부호로 수신한 것도 광석 라디오 수신기였다. 이 신호를 수신한 미국 마르코니 무선회사의 러시아 출신 전신기사 데이비드 사노프(David Sarnoff)는 제2차 세계대전 전후, RCA(Radio Corporation of America)라는 전자 회사에서 AM, FM 라디오 개발과 상업화, 흑백 TV 사업화 등을 이끈 핵심 인물이다. 그는 NBC(National Broadcasting Company) 방송국까지 거머쥐며, 미국을 중심으로 한 세계 방송 역사에 큰 발자취를 남긴 사업가로 성장한다.

광석 라디오는 제1차 세계대전부터 활용되기 시작해, 제2차 세계대전 당시 전기와 수도 공급이 끊어진 도시나 도시 외곽의 피난처에서 많은 사람들이 비교적 구하기 쉬운 녹슨 면도날, 주워 온 철사, 연필심 등으로 만든 광석 라디오를 이용해 아군과 적군의 라디오 방송을 청취하고, 전시 상황에 대한 정보를 얻는 데 활용되었다.

한국 땅에서 처음으로 라디오 방송이 시작된 것은 1927년 2월 16일, 조선총독부가 만든 사단법인 경성방송국이 주파수 870kHz의 호출부호 JODK를 이용해 전파를 쏘면서 부터다. 당시 일본어를 위주로 하고 한국어를 교차 편성해 방송했다. 식민통치를 목적으로 시작한 방송이었고, 일제 말기에는 《동아일보》,《조선일보》의 강제 폐간과 진공관 라디오의 보급으로 해방 전후 남북한에서 30만대 이상의 라디오가 보급되어 대중 매체로 자리 잡았다.

당시 라디오 수신기도 대부분 광석 라디오가 아니라 여러 사람이 동시에 들을 수 있는 진공관식 라디오가 대다수였다. 과거 라디오 수신기는 대중 매체인 동시에 호사가들의 애호품 내지 여러 사람이 함께 듣기 위해 만들어진 기기였다. 해방 이후 6⋅25 사변을 겪은 세대들에게도 라디오는 상당히 고가의 제품이었고, 국민소득이 그리 높지 않던 1960년대, 1970년대에 들어 TV 안테나선이나 철사줄에 악어 클립을 물려놓고 듣는 광석 라디오는 학교 앞 문방구에서 어렵지 않게 구할 수 있는 장난감이었다.

광석 라디오는 인류 최초의 전원이 필요 없는 라디오 수신기로 활용되어, 1921년 대서양 횡단 전파 수신기로 활약했다. 국내에서도 수많은 전후세대의 개인용 수신기로, 베이비붐 세대의 유년시절 문방구의 로켓 라디오로 100년이 넘게 애용되고 있다.

광석라디오를 만들려면 무조건 하나 있어야 하는 부품이 바로 크리스탈 이어폰입니다. 전기를 가하면 진동을 하는 압전효과를 이용한 이어폰입니다. (압전효과는 진동을 전기로 바꾸기도 합니다.) 이런 압전효과를 가지는 결정(crystal)을 이용한 것이 바로 크리스탈 이어폰입니다. 예전에는 롯셀염(rochelle salt)이 주로 사용되었으나 요즘은 주로 티탄산 바륨(barium titanate) 세라믹을 사용해서 만들어 집니다. 그래서 다른 말로 세라믹 이어폰이라고 불리기도 하는 것 같네요.

감도는 롯셀염 크리스탈 이어폰이 훨씬 더 좋다고 알려져 있는데, 현재는 생산도 하지 않을 뿐더러 구하기가 거의 불가능에 가깝습니다. 뭐 그래도 세라믹 이어폰이라도 광석라디오에 사용하기에 아주 충분한 성능을 보여줍니다.

세라믹 이어폰의 음질은 뭐 기대하지 않는 것이 좋구요. 그래도 임피던스가 아주 높고 감도가 좋아서 광석라디오 처럼 약한 신호를 듣기에는 이것만한 것이 없습니다. 임피던스는 대충 20M옴 정도로 알려져 있구요. 광석라디오에 사용되는 이어폰이나 헤드폰은 임피던스가 높아야 합니다. 보통 요즘 mp3 들을 때 사용하는 이어폰은 16옴이나 높아봐야 100옴을 넘지 않습니다. 아주 고급헤드폰 중에는 600옴 헤드폰도 있지만 이런 것들도 광석라디오에 그냥 사용하기는 힘듭니다. (매칭이라는 것을 해야 이런 하이 임피던스 헤드폰으로 소리를 들을 수 있습니다.)

일반 이어폰은 광석라디오에 사용할 수 없으니.. 광석라디오로 소리를 들어보고 싶으시면 수단과 방법을 가리지 말고 크리스탈 이어폰은 꼭 하나 구해 두시면 좋겠네요.

크리스탈 이어폰은 어디서 살 수 있을까요? 단품으로 파는 데는 제가 알아본 바로는 없습니다. 인터넷에서 전자 키트를 파는 쇼핑몰이나 과학실험 도구 파는 쇼핑몰 위주로 잘 검색해 보시면 1석이나 3석 라디오 키트 파는 곳이 있습니다. 이런 종류의 키트에 크리스탈 이어폰이 하나씩 포함되어 있으니 이런 걸 하나 구입하셔도 됩니다.

생긴건 아래처럼 생겼습니다. 다른 디자인이 있을 법도 한데 생긴 건 정말 한 결 같이 똑 같습니다.

[duck]

크리스탈 이어폰이 옛날에는 쉽게 구했는데

[별디오]

전원없이 소리가 들린다는게 신기합니다

[아름다운대화]

예전에많이들었지요 검파다이오드와크리스탈이어폰 동조코일 이거면광석라디오는만들어집니다 부속이별없어서쉽게만들었던거같어요 형광등케이스에물려놓으면방송이잘잡히였으니깐요 마당에빨래끈같이 전기줄을이어서 끝부분을안테나로만들어사용도했고요 어스선만든다고 깡통에숫집어놓고 구리선깐것석어서 땅속에묻으면 오줌놓았던기역도납니다 염분이들어거야잘된다해서 ㅋㅋㅋㅋㅋ