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최근 수정 시각 : 2024-04-19 19:01:35

진공관

파일:attachment/vacuum-tube-kt88.jpg
JJ 테슬라에서 생산한 KT88 출력관[1]
1. 개요 및 원리2. 구조3. 분류
3.1. 구조에 따른 분류3.2. 외형상 분류
4. 상세
4.1. 용도4.2. 한계 및 단점
5. 현재의 진공관6. 여담7. 매체에서의 등장

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1. 개요 및 원리

진공관(, vacuum tube)은 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. 진공관에 미량의 가스가 포함되어 있는 가스충전관도 존재한다.

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 플레밍[2]이 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.

2. 구조

파일:external/www.johnhearfield.com/Triode1.gif 파일:external/sub.allaboutcircuits.com/03012.png
3극관의 구조 5극관의 구조
진공관은 크게 몸통을 구성하는 유리관과 캐소드(필라멘트(히터), 캐소드),[3] 플레이트(큰 판형의 부품), 그리드로 구성된다.

그 외의 부분은 다음과 같다.

3. 분류

3.1. 구조에 따른 분류

3.2. 외형상 분류

파일:attachment/vacuum-tube-vari.gif
크기에 따라서는 ST관, GT관, MT관 등으로 분류되며, 후자로 갈수록 작아진다.

4. 상세

4.1. 용도

진공관은 다양한 용도가 있지만 대표적으로 스위치, 증폭, 정류용으로 가장 많이 이용된다.

진공관은 이처럼 다양한 용도를 가졌기에 과거 전자회로 부품으로 잔뜩 쓰였다. 사실상 진공관의 발명으로 인해 전기공학 전자공학이 구분되기 시작했다. 따라서 옛날에는 라디오부터 컴퓨터에 이르기까지 전자회로가 들어있는 것에는 모두 쓰였다고 보면 된다.

4.2. 한계 및 단점

하지만 아래와 같이 한계와 단점의 존재는 진공관의 사용을 번거롭고 어렵게 만들었으며, 이후 더욱 발전된 전기부품인 트랜지스터, 그리고 여기서 이어지는 IC칩이 연이어 개발되면서 진공관은 전자회로 분야에서 빠르게 사장된다.

이후 크기도 작고 요구 전력도 적고 열도 적게 나고 수명도 반영구적인 반도체 다이오드 트랜지스터가 발명되면서 사실상 사장세로 돌아섰다.

5. 현재의 진공관

위 내용들만 읽어보면 진공관은 이미 트랜지스터와 집적회로에 밀려 사장된 구시대의 기술이라고만 생각하는 경우가 많은데, 의외로 과거에 비해 사용하는 수가 줄었을 뿐, 여전히 진공관은 다양한 분야에서 당당히 현역으로 활약 중이다. 물론 앞서 언급했듯 과거 진공관이 주로 사용되던 정류, 증폭, 스위칭 등 신호 처리 용도로는 거의 쓰이지 않지만, 생각보다 우리 생활 이곳저곳에서 진공관이 사용되는 모습을 어렵지 않게 찾아볼 수 있다.

특히 트랜지스터를 사용할 수 없는 분야에선 아직도 진공관을 사용한다. IPM 같이 매우 진보된 소자들도 대역폭이 가장 높아봐야 20kHz 이고, 최대 작동 전압도 고작 2kV 대에 머물고 있기 때문에,[10] AM방송( 중파방송), 단파방송 송신소나 레이더와 같이 100kW 이상의 출력을 내는 무선국인 경우 진공관을 사용한다. 그러면 30kV의 높은 전압도 바로 제어할 수 있기 때문이다. OTH의 경우 진공관이 사실상 필수이다.[11] 하지만 트랜지스터의 경우에도 작은 모듈들을 한 데 모아 출력을 올릴 수 있다. 대표적인 경우가 LORAN-C 시스템. [12] 핵무기의 뇌관에도 진공관과 비슷한 가스충전관이 사용되고 있다. 그래서 특정 사양 이상의 진공관 제품들은 수출 규제 대상이다.

만약 당신의 집에 전자레인지가 있다면 집에 진공관이 최소 하나는 있는 셈이다. 전자레인지에서 전자파를 발생시키기 위해 2극 진공관인 마그네트론(자전관)을 이용하기 때문이다. 방사선과가 있는 병원, 공항의 보안검색대, 산업현장의 비파괴검사 장비에는 X선 촬영을 위한 X선관이 있으며 이 역시도 진공관이다. 그리고 지금은 접하기 어렵지만 LCD 패널이 대세라 된 이후에도 한동안 널리 쓰이던 브라운관 티비나 CRT 모니터의 브라운관이나 CRT도 진공인 유리관 형태였다. 또한 핵융합 발전이나 우주 태양광 발전이 미래에 실용화된다면 각각 핵심 부품인 클라이스트론(플라즈마를 가속시키는 부품), 마그네트론(우주에서 지구로 마이크로파 빔을 보내기 위한 부품) 역시 널리 쓰이게 될 것이며, 이 또한 진공관의 일종이다.

신호 처리 용도로 사용되는 진공관은 위에서 언급되었듯 실용적인 목적으로는 트랜지스터에 밀려 완전히 사장되었지만, 감성적인 용도로는 아직도 많이 쓰인다. 진공관으로 증폭, 처리된 음색 자체가 감성을 자극하기 때문에 진공관을 사용하는 오디오 앰프는 여전히 흔하게 접할 수 있다. 오디오필들, 특히 빈티지 오디오를 선호하는 사람들 사이에서는 진공관을 사용한 프리앰프의 수요가 여전히 크며, 역시나 진공관 증폭으로 인한 자연스러운 사운드의 왜곡에 여전히 큰 수요를 가지고 있는 기타 앰프는 내부 회로에 진공관이 사용된 제품과 그렇지 않은 제품[13] 간의 대우가 완전히 다르다.

잘 찾아보면 시장에서 냉전 시기에 소련 중국에서 군용으로 개발된 물량들이 아직까지도 돌아다니고 있기도 하며[14], 과거 2세계에서 군용 장비에 사용할 목적으로 대량생산된 NOS[15] 진공관들이 냉전 종식 후 서방세계로 흘러들어가 오디오필들의 오디오 장비나 기타 앰프(...)에 사용되는 경우도 종종 보이고 있다. 그래서 소련 붕괴 후 망할뻔한 업체들이 서방 음악인들에 의해 살아난 셈. 현재도 영업중이다.

진공관 앰프라든지 라디오, 자작 키트 부품으로도 진공관의 수요는 여전히 존재하기에 과거 생산을 중단한 라인을 재가동하여 생산하는 경우도 있는데, 러시아(구 소련)의 Reflektor이라든지 Svetlana[16], 체코의 테슬라, 중국의 슈광, 구 유고슬라비아 공화국 소속이었던 EI, 체코슬로바키아의 베익 밸브, 미국의 웨스턴 일렉트릭 등등. 물론 위 이미지와 같이 커다란 무선용 진공관들은 여전히 사용되고 있고 생산이 중단된 일은 별로 없었다.[17]

그 외에는 실리콘 기반 반도체의 한계를 해결하기 위해 진공관의 원리를 빌린 새로운 트랜지스터를 개발하려는 움직임도 있다.
파일:Nutube1.jpg 파일:Nutube2.jpg
일본의 음향기기 제조사인 KORG에서는 VFD를 응용한[18] Nutube라는 새로운 방식의 진공관을 노리타케 이세전자와 함께 개발했다. 기존 진공관에 비해 2%의 전력 사용과 매우 적은 발열, 기존 진공관에 비해 절반 이하의 크기, 3만 시간 이상의 수명, 그리고 매우 고른 품질을 자랑한다. 그리고 가장 중요한 음색도 기존 FET보다 진공관 음색에 가깝다고 한다.

6. 여담

파일:external/users.ininet.hu/6c33c-b.jpg

7. 매체에서의 등장


[1] 슬로바키아의 진공관 제조사인 JJ테슬라의 제품이다. 관 내부에 푸른색 코팅이 되어있는 제품으로, JJ의 고급 진공관이 이렇게 되어있다. [2] 플레밍의 왼손, 오른손 법칙을 고안했고 송전설비와 유선과 무선 통신 발전에 기여했다. [3] 필라멘트가 직접 가열되어 전자를 방출하는 캐소드가 되는 것을 직열형, 캐소드와 히터가 분리되어 캐소드가 히터에 의해 가열되어 열과 전자를 방출하는 방열형으로 나눠진다. 4극관 이상의 관에는 직열형은 거의 없고 기본적으로 방열형이다. 3극관으로 유명한 300B는 직열 삼극관이지만 방열 삼극관도 있다. [4] 위 사진의 관이 빔관인 KT-88. 인쇄된 상표는 JJ테슬라의 제품임을 나타냄. [5] 사진은 베를린 공과대학 전기컴퓨터공학부의 제작 프로젝트 결과물로서, 회로 구성은 푸시풀 인티그레이티드 앰프. KT-88은 출력관으로 쓰이고 있으며, 앞에 희미하게 보이는 관은 초단관으로 ECC83. 자세한 내용은 http://www.emsp.tu-berlin.de/menue/studium_und_lehre/mixed-signal-baugruppen/das_projekt_black_cat/ 참조. [6] 그도 그럴 것이 음극선관을 가지고 수많은 과학적 발견을 했다. [7] 현재도 쿨러는 컴퓨터의 필수요소이지만 진공관은 이와는 차원이 다른 발열량을 보여준다. [8] 심지어 유리 부분만 만져도 감전될 위험이 있다. 이는 유리라는 물건의 주성분은 규소로 대표적인 반도체 물질이며, 반도체 물질은 뜨겁게 가열된 상태에서는 도체로 작용하기 때문이다. [9] 실제로는 품질과 관리 상태에 따라 큰 차이를 보인다. 21세기에 영국 BBC에서 50년 동안 터지지 않고 버틴 진공관을 교체한 적이 있을 정도다. 관리 상태가 좋은 빈티지 진공관들의 경우 1950년대 이전에 생산된 제품도 존재한다. [10] IGBT의 경우에는 6.6kV 까지 드라이브가 가능하나 제어 주파수가 많이 낮다. [11] 포인트. FM방송, 디지털 방송 송신소의 경우에는 변조 방식의 특성상, 그리고 높은 출력이 필요하지 않으므로 Class B 또는 Class AB 형의 반도체 앰프를 사용한다. 출력만 따지고보면 500~1000W. AM 방송국이나 단파 방송국의 100~500kW 에 비해선 상당히 작다. 다만 중파방송 송신소라 해도 10kW 이하의 소출력 중계소의 경우 반도체 기반의 송신기를 사용한다. [12] LORAN-C 의 경우 모든 트랜지스터 모듈이 병렬로 연결되기 때문에 가능한 특징으로, 매우 긴 안테나로 인해 통상적인 RF 시스템과 달리 고전류로 구동되어 전압을 낮게 걸어도 되기에 가능한 것이다. [13] 이 경우는 주로 내부에 트랜지스터를 사용한다. [14] 이런 경우 진공관 다리의 구부러짐을 확인하고 교정해주는 스트레이너라는 구멍 뚫린 판이 같이 동봉된다. [15] New Old Stock의 줄임말로, 생산된 뒤에 모종의 이유로 바로 사용되지 않고 생산된 상태 그대로 창고 등에 보관되어 최소 수십 년이 흐른 제품들을 말한다. [16] 흔히 알려진 소브텍, 일렉트로 하모닉스 등은 미국 NSC의 러시아제 진공관 판매 브랜드이다. 구 로켓모양의 로고를 사용하던 군용관 생산공장이었던 Reflektor에서 NSC가 소유한 소브텍, 일렉트로 하모닉스, 스베트라나 브랜드를 생산한다. 한편, 실제 상트페테르부르크의 구 스베트라나 공장에서 생산된 진공관은 Winged C 라는 브랜드로 판매 중이다. [17] 3CX~ 나 4CX~ 등의 진공관을 중국에서 만들기도 한다. [18] VFD 자체가 진공관 구조를 응용해서 만들었다. [19] 트랜지스터는 미국이 우위에 있던 기술이지만, 당시 트랜지스터 레이더는 진공관 레이더에 비해 조금 더 성능이 떨어졌다. 시간이 지나면서 트랜지스터의 우위과 비교할 수 없이 올라간 것. [20] 3극 출력관인 300B가 맑고 해상력 높은 소리를 내기로 유명하지만 싱글 출력이 8W 정도 밖에 안되는 데 비해 싱글 출력으로 20W까지 뽑을 수 있는 고출력 3극관인 6P33C가 등장하면서 오디오필들의 큰 주목을 받았다(...). 심지어 냉전 시기 당시에 이걸 몰래 빼내서 앰프를 만든 용자들이 있을 정도. 비교적 최신 진공관인 관계로 일반적인 진공관에서 보기 힘든 최신 기술들(...)이 들어갔다. 높은 열과 가혹한 환경을 견디기 위한 지르코늄을 도포한 탄소제 플레이트라든가... [21] 밸브의 영국 영어 발음. [22] 때문에 "플레밍 밸브"라고도 부른다. [23] 1980년대 이전에는 솔리드 스테이트라 하면 트랜지스터를 사용한 회로를 탑재했다는 의미였다(라디오 등의 전자제품이). [24] 트랜지스터가 개발된 시기가 1947년이다. [25] 심지어 자신의 두뇌도 진공관으로 이루어져 있다.

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