진공관
진공관(眞空管, vacuum tube, electron tube)은 진공 속에서 전자의 움직임을 제어함으로써 전기 신호를 증폭시키거나 교류를 직류로 정류하는 데 사용하는 전기 장비이다. 전자관(Electronic tube), 열전자관(Thermionic valve), 라디오 밸브(Radio valve)로 부르기도 한다.
한 때 대부분의 전기 장비에 사용되었으나 현재는 더 작고 값싼 트랜지스터(반도체, 집적회로)로 대체되었으며, 진공관은 높은 주파의 큰 전력을 사용하는 장비 또는 오디오 앰프 등에 일부 사용되고 있다.
목차
개요[편집]
진공관은 진공 속에서 금속이 가열될 때 전자가 방출되는 열전자방출 현상(에디슨 효과)을 통해 방출된 전자를 전기장으로 제어하여 정류(한쪽 방향으로만 전자가 움직이도록 하는 것), 증폭(전자가 더 빨리 움직여서 전류 흐름을 증가시키는 것)등의 특성을 갖도록 금속 부품과 회로가 들어간 유리관 부품이다.
토머스 에디슨이 자기가 만든 전구의 필라멘트와 양극화된 금속판(플레이트)사이에 전류가 흐르는 현상(열전자방출)을 발견하였고 1883년 이를 에디슨 효과라고 이름붙였다.(물론 니콜라 테슬라가 먼저 발견하였다.) 하지만 에디슨은 이를 실용화시키지 않았고, 1904년 영국의 존 앰브로스 플레밍이 열전자방출 현상을 활용한 최초의 진공관인 2극관(Diode)을 발표한다. 이후 1907년 미국의 리 디포리스트가 이 구조에 그리드를 추가하여 전류의 증폭을 가능하게 만든 3극관을 1907년 특허 등록하였고, 이후 다양한 진공관이 등장하며 진공관의 시대가 열리게 된다.
구조[편집]
진공관은 크게 몸통을 구성하는 유리관과 캐소드(필라멘트(히터), 캐소드), 플레이트(큰 판형의 부품), 그리드로 구성된다.
- 유리관 - 진공관의 몸통을 이루는 부분으로 유리관이 주로 사용되며 군용이나 특수용도로 철을 유리로 밀봉한 철관이 사용되는 경우도 있다.
- 캐소드 - 여기서 히터는 전구의 그 필라멘트이다. 전기가 통하면서 캐소드가 가열되어 열과 전자를 방출하는 역할을 한다. 필라멘트가 캐소드의 역할을 하는 직열식과 별도의 히터가 있어 캐소드를 가열하여 동작하는 방열식으로 구분된다.
- 플레이트(어노드) - 큰 판 모양의 부품으로 진공관을 전구와 구분짓는 가장 큰 차이이다. 필라멘트에서 방출한 전자가 이동하는 부분이다. 회사에 따라 모양이 다른 경우가 있고 특수한 관의 경우 금속판이나 금속망으로 싸여 있는 경우도 있다.
- 그리드 - 두 철사 사이에 전극을 망이나 그물 모양으로 감아놓은 형태의 부품으로 필라멘트와 플레이트 사이에 삽입되어 전자의 흐름을 제어하는 역할을 하는 부분이다. 4극관의 스크린(g2), 빔관과 5극관의 서프레서(g3) 등도 그리드의 일종이다.
그 외의 부분은 다음과 같다.
- 게터 - 진공관을 밀봉할 때 완전히 제거되지 못한 산소를 제거하는 역할을 하는 부분이다. 게터 미러와 게터 링으로 분류된다. 게터 미러는 진공관의 안쪽에 발라놓은 산화 바륨이며 보통 거울처럼 빛나보이므로 게터 미러라고 한다. 게터 링은 게터미러 근처에 조그만 고리나 금속판 같은것이 철사에 매달려있는 형태를 한 부품을 말한다. 진공관의 구조에 따라 플레이트 구조물 위에 위치하기도 하고 아래에 위치하기도 한다. 일부 진공관은 게터 미러가 진공관의 측면에 위치하는 경우도 있고 베이스에 가려 보이지 않는 경우도 있다. 흔히 게터 미러의 상태로 진공관의 상태를 판단하곤 하며 게터 미러가 많이 줄어들거나 변색되거나 하면 상태가 나쁜 것으로 본다. 그러나 진공관의 상태와 관계 없는 경우도 있기 때문에 정확한 측정값은 계측기를 이용하여야 한다.
- 스페이서 - 진공관 안쪽에 삽입되는 얇은 원형의 절연체로 플레이트 구조물이 유리관의 벽에 닿지 않도록 간격을 유지하며 부품들간의 절연을 유지하는 역할을 한다.
- 베이스 - 진공관의 아래부분에 핀이 위치한 부분의 부품을 이야기한다. 금속으로 된 것과 플라스틱 재질이 있으며 운모 판 등을 사용하기도 한다. 비교적 후기에 등장하여 대량생산에 용이하게 된 미니어쳐관이나 서브미니어쳐 관은 전체가 유리로 밀봉되는 구조로 이 부분이 없다.
역사[편집]
1904 ~ 1926년[편집]
에디슨이 전구를 실험하는 과정에서 전구에 전극을 하나 더 넣었는데, 전극이 양전하를 띄면 전구에 불이 들어올때 필라멘트에서 전극으로 전류가 흐르는 것을 발견하였다. 1884년에 이 현상을 에디슨이 발견했기 때문에 에디슨 효과라고 불리었으나, 에디슨은 백열전구의 효율 개선에만 집중했기 때문에, 이 현상을 실용화하지 않았다. 이 에디슨 효과가 단서가 되어 영국의 플레밍이 1904년에 최초의 진공관인 이극 진공관을 발명했고, 미국의 디포리스트가 1906년 삼극 진공관을 발명했다.
1912년 해럴드 아놀드는 진공관의 내부 구조를 바꾸고 진공관 내부의 공기를 최대한 빼서 부분 진공 상태에 가깝게 만들었다. 이후 1914년에 장거리 전화선에서 증폭기로 진공관이 사용되었다. 이후 1910년대에 독일의 물리학자 쇼트키가 사극진공관을 실험하였고, 미국의 공학자 힐이 이를 토대로 실용적인 사극진공관을 개발했다. 네덜란드의 공학자 밴저민 델레겐은 1926년에 오극진공관을 발명했다.
1960 ~ 1970년대[편집]
트랜지스터가 발명되자 1960년대 들어 진공관은 점차 트랜지스터로 교체되었다. 진공관으로는 원리상 단극성인 것밖에 만들 수 없지만 트랜지스터로는 양극성 소자를 만들 수있다는 점 이외에도, 진공관보단 트랜지스터쪽이 제조가 용이하며, 가격이 트랜지스터 쪽이 낮았기 때문에, 주 회로에 진공관을 사용한 텔레비전 수상기나 라디오 수신기는 1970년대에 들어가면 생산이 중지되기에 이른다.
현재[편집]
다이오드와 트랜지스터가 발명된 이후 진공관은 거의 사용되지 않게 되었지만, 일부 트랜지스터로 대체하지 못하는 분야에서는 아직도 사용되고 있다.
예를 들어 높은 주파수의 큰 전력(10GHz·1 킬로와트 이상)의 용도에서는 현재에도 진공관이 쓰이고 있는데, AM 라디오 방송 (중파방송, 단파방송) 송신에서 100kW~1000kW 급 출력을 낼 때 30kV의 고전압도 제어가 가능하기 때문에 진공관이 널리 사용된다.(FM 라디오 방송이나 디지털 방송의 경우 평균 500W~1kW로 높은 출력이 필요하지 않기 때문에 반도체가 사용되고 있다.) 트랜지스터의 경우 지능형 전력 모듈(IPM) 소자의 경우 대역폭이 20kHz에 최대 작동 전압이 2kV 정도이고, 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 소자는 6.6kV까지 낼 수 있으나 제어 주파수가 매우 낮다. 단, LORAN-C 시스템의 경우 트랜지스터로 출력을 높이기 위해 작은 모듈들을 병렬로 연결하여 고전류로 구동하는 방식을 사용하고 있다.
브라운관과 일본에서 발명된 진공 형광 디스플레이는 디스플레이 장치로 사용되며, 강력한 전자파를 만들어내는 자전관은 레이다나 전자레인지에 쓰이고 있다. 최근엔 브라운관 대신 평면 디스플레이를 사용하게 되어 자전관이 대량 생산되는 유일한 진공관이 되었다.
진공관을 오디오 앰프의 증폭용 소자로 사용할 경우 독특한 음질을 가지게 된다. 때문에 오디오 매니아들에게 사랑을 받고 있어 고급 오디오 앰프 등 한정된 용도에서도 쓰이고 있다. 진공관을 증폭용 소자로 사용한 앰프는 트랜지스터 앰프에 비해 구조가 단순하고 만들기 쉽기 때문에, 개인이 진공관 앰프를 자작한 사례도 쉽게 찾아볼 수 있다. 오디오용 진공관은 중국 등에서는 아직도 제조가 이루어지고 있으며 일부 방송국, 의료기기용으로 극소수로 제조되기도 한다.
분류[편집]
구조별 분류[편집]
- 2극 진공관
- 다이오드(Diode)라고도 부른다. 원래 다이오드는 2극 진공관을 가리켰다. 캐소드와 플레이트만으로 이루어진 가장 단순한 구조를 가지고 있다. 주로 정류기나 검파기으로 활용된다. 최초 등장시에는 전신기에 사용되었다. 정류기는 교류 전류를 직류 전류로 바꾸어주는 장치인데, 교류를 2극 진공관에 보내면 캐소드가 음전하를 띌 때만 전류가 통과되므로, 특정 방향으로 흐를 때만 2극 진공관을 통과할 수 있으며, 통과후 한 방향으로만 흐르는 직류 전류가 된다. 이것을 정류 작용이라고 한다. 검파기에서는 2극 진공관이 전파의 약한 교류를 직류로 바꾸고, 이 직류를 통하여 수신기에서 소리와 영상을 내보낸다.
- 3극 진공관
- 트라이오드(Triode)라고도 부른다. 2극 진공관에 그리드가 추가된 형태로, 이 그리드가 전류의 흐름을 조절하는 역할을 한다. 처음 그리드에 전압을 걸어주면 전자가 그리드에서 되돌아가서 전류가 흐르지 않는다. 여기에 그리드의 전압을 낮추면 낮출수록, 플레이트로 흐르는 전자의 양이 많아지게 되고 진공관을 흐르는 전류가 증가하게 된다. 그러므로 그리드의 작은 전압의 변화가 플레이트 전류의 큰 변화가 나타나는데, 이를 증폭 작용이라고 한다. 증폭 작용 이외에 고주파 전류를 만들어내는 발진 작용, 고주파 전류에 포함되어 있는 주파수가 적은 저주파 전류를 가려내는 검파 작용도 한다.
- 4극 진공관
- 테트로드(Tetrode)라고도 부르는데. 그리드와 플레이트 사이에 스크린(screen) 그리드가 있는 형태다. 여기에 양전압(+)을 걸면 전자가 가속되는 효과가 나온다. 다만, 스크린 그리드를 통해 가속된 전자가 플레이트와 충돌하여 2차 전자가 방출되는 문제가 생기게 된다.
- 5극 진공관
- 펜토드(Pentode)라고도 부르며, 서프레서(suppressor) 그리드가 더 추가된 형태이다. 서프레서에 음전압을 걸어 2차 전자를 플레이트로 돌려내는 형태를 가진다. 4극관의 문제를 개선한 형태로 전력 증폭용으로 많이 사용된다.
- 빔관
- 빔 테트로드(Beam Tetrode)라고 부른다. 1936년에 RCA가 발표하였다. 5극관과 달리 서프레서 그리드가 캐소드와 연결된 형태로 2차 전자를 흡수하는 역할을 한다. 5극 진공관보다 더 효율이 좋아서 오디오용 고출력으로 많이 쓰인다.
- 음극선관
- 브라운관이라고도 부른다. 진공관의 원리를 응용하여 시각을 표현해주는 장비이다. 음극선관의 앞면은 원형과 사각형의 큰 화면이고, 반대편은 좁은 부분으로 전자총이 있다. 전자총에서 나간 전자가 자기장에 의해 휘어서 그림자 마스크의 한 부분에 부딪히면서 빛을 낸다.
- 마이크로파 진공관
- 고주파수의 전자기파를 만들고 조절하는 역할을 한다. 마이크로파진공관은 클라이스트론, 마그네트론, 진행파관 등이 있다.
- 가스진공관
- 진공관 안에 아르곤, 수은 증기, 네온 등의 기체가 소량으로 들어있는데, 이 기체는 진공관에 흐르는 전자의 양을 높인다. 기체의 원자에 있는 전자가 빠져나가 이온화되면 양전화를 띄게 되어 더 많은 전자가 이동된다. 가스진공관의 예로 사이러트론 등이 있다.
외형별 분류[편집]
크기에 따라서는 ST관, GT관, MT관 등으로 분류되며, 후자로 갈수록 작아진다.
- 금속관(1930년대까지)
- ST관(1930년대~1950년대)
- GT관(1940년대~1950년대)
- 미니어쳐관(1950년대 말)
- 서브미니어쳐관(1960년대 말)
용도[편집]
진공관은 다양한 용도가 있지만 대표적으로 스위치, 증폭, 정류용으로 가장 많이 이용된다.
- 스위치: 회로에 진공관(2극관)을 설치하면, 플레이트에 음의 전압이 걸리면 전류가 회로에 흐르지 않고 플레이트에 양의 전압이 걸리면 회로에 전류가 흐른다. 즉 진공관이 스위치의 역할을 하는 것이다. 발명자인 플레밍이 진공관을 밸브라 명명한 것도 이 전류 제어 기능 때문이었다. 참고로 이 스위치 기능은 나중에 전자식 컴퓨터의 발명에 엄청나게 중요한 역할을 하게 된다.
참고로 진공관이 실용화되기 전에는 계전기(릴레이)가 이런 역할을 담당했으며, 진공관 실용화 이후에도 계전기를 이용한 컴퓨터가 종종 제작되기도 했다.
- 정류: 스위치 기능의 응용으로, 교류를 직류로 바꾸는 기능, 즉 정류 기능을 할 수 있다.
- 증폭: 3, 4, 5극관을 이용해 전류(전기 신호)를 증폭할 수 있다. 예를 들어 신호 증폭 기능이 전혀 없는 광석 라디오와, 진공관이나 트랜지스터가 달린 라디오는 그 소리의 크기가 전혀 다르다. 이는 라디오, 전화, 텔레비전 등 방송 통신 기술에 매우 중요한 역할을 하였으며 컴퓨터가 발명될 때까지 진공관(및 트랜지스터)의 가장 주된 용도는 이 증폭 기능이었다. 오디오용으로 쓰인 관에 대한 자세한 설명은 진공관 앰프 문서 참고.
- 전자의 방출과 이것으로 인해 발생하는 효과를 이용할 수 있다. CRT나 X선관, 마그네트론, 각종 실험장비 등이 있다.
진공관은 이처럼 다양한 용도를 가졌기에 과거 전자회로 부품으로 잔뜩 쓰였다. 사실상 진공관의 발명으로 인해 전기공학과 전자공학이 구분되기 시작했다. 따라서 옛날에는 라디오부터 컴퓨터에 이르기까지 전자회로가 들어있는 것에는 모두 쓰였다고 보면 된다.
특징[편집]
장점[편집]
- 캐리어 이동도가 높다(자유 공간 안의 전자).
- 구조에 따라서는 높은 내압을 확보할 수 있다.
- 구조가 단순하고, 절연 파괴 등에 따른 불가역 손상이 적다. 한편, 트랜지스터 등의 반도체는 절연 파괴시 다시 사용할 수 없는 상태에 이른다. 더불어 전자기 펄스(EMP)에도 트랜지스터에 비해 비교적 강한 편이다.
단점[편집]
진공관은 백열등의 구조에서 파생되었기 때문에, 백열등이 가지는 단점도 가지고 있다.
- 원리적으로 열전자원(필라멘트나 히터)이 필요해서 소비 전력이 크고, 열이 많이 난다. 이 때문에 진공관을 이용하는 장치에서 장시간 가동을 하기 위해서 별도의 냉각장치를 달아놓기도 한다.
- 열전자원의 수명이 비교적 짧다(수천 시간 정도). 그래서 기판에 바로 장착하는 방식이 아닌 소켓을 이용하여 교환이 가능하도록 장착하는 방식을 써야했고, 작동중에 진공관을 교체하는 일이 빈번하다.
- 크기를 줄이기 쉽지 않고 내진성에 문제가 있다. 특히 고출력을 내는 진공관은 크기가 매우 커지기 때문에, 과거 진공관을 통해 컴퓨터를 제조했을 때 어마어마한 크기를 요구하였다.
- 외부환경에 매우 취약하다. 열전자원을 가열할 때 겨울 등 저온 환경에서는 가열이 제대로 안되어 작동을 못하기도 하고, 여름 등 고온 환경에서는 과열되어 진공관이 쉽게 파손되기도 한다.
- 트랜지스터에 견주어 소자 단가가 비싸다.
또 진공관의 사용을 번거롭고 어렵게 만들었으며, 이후 더욱 발전된 전기부품인 트랜지스터, 그리고 여기서 이어지는 IC칩이 연이어 개발되면서 진공관은 전자회로 분야에서 빠르게 사장된다.
- 부품 크기가 기본적으로 크며, 고출력일수록 크기가 기하급수적으로 커진다. 덕분에 이걸로 회로를 짠다면 말도 안되게 커지는 기계를 볼 수 있게 된다. 최초의 전자 컴퓨터인 에니악의 크기가 대표적인 예.
- 작동방식이 금속 가열이다보니 예열이 필요하다. 진공관이 예열이 잘 되어 있지 않으면 전자 방출이 잘 일어나지 않아서 동작을 잘 하지 않을 수도 있다. 진공관 앰프는 요즘에는 켜자 마자 소리가 잘 나오는 앰프들도 있지만 보통 최소 몇분은 예열을 시키라는 사람들이 많다. 경우에 따라서는 1시간을 넘게 시키라는 경우도 있다. 브라운관 텔레비전의 경우에도 원래는 예열을 한 뒤에야 화면이 제대로 들어왔다. 순간식 텔레비전이 나오면서 이 단점은 거의 사라졌으나 여전히 화면을 켜면 바로 정상 밝기가 되지 않고 서서히 밝아진다. 엑스선관도 예열이 필요해서 병원에서 엑스선 촬영을 하러 가면 기기를 켜고 조금 기다려야 하는 경우도 있었다. 또한 히터에 많은 전력이 들어가고 발열도 많다. 장시간 가동을 위해서는 별도의 냉각장치가 필요하며, 사실상 전력문제로 인해 휴대용 기기에 사용하기 어렵다. 필라멘트 전류가 가장 많이 소모돼서 여름철에 쥐약이며 만일 배터리가 붙은 것이라도 사용시간이 매우 짧아진다. 에니악도 한 번 가동하면 인근이 정전되기까지 할 정도로 무지막지하게 전기를 퍼먹었다.
- 매우 위험하다. 종류에 따라 진공관의 작동 전압은 매우 높기 때문에 감전의 위험이 있으며,진공관이 파손될 경우 파편에 의한 상해의 위험이 있다.
- 외부 환경에 취약하다. 겨울 같이 저온인 환경에서는 가열이 제대로 안되므로 동작이 불가능하며, 반대로 고온에서는 순식간에 과열되어 터져나간다. 습기에도 민감한 편이다.
- 구조가 사실상 백열등이나 마찬가지라서 충격에 약하며 수명도 매우 짧다. 이 때문에 기판에 바로 장착이 아닌 소켓을 이용해 교환이 가능하도록 설치해야 하는데다가, 작동 중 수시로 진공관을 교체해야 한다. 심하면 작동시간보다 교체시간이 더 걸린다.
- 반도체 기반 소자보다 노이즈가 많다.
이후 크기도 작고 요구 전력도 적고 열도 적게 나고 수명도 반영구적인 반도체 다이오드와 트랜지스터가 발명되면서 사실상 사장세로 돌아섰다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
