진공관과 오디오
"1. 진공관의 발명"
A. 1883년 에디슨 효과 발견
▲ 전구를 발명한 에디슨
발명가이자 사업가인 에디슨은 백열 전구의 필라멘트에 열을 가하면 진공상태에서 떨어져있는 전극 사이로 전기가 흐르는 현상을 확인하였으나 사업에 도움이 되지 않았는지 특별한 연구를 하지 않았으며 전구의 개발 및 생산에만 박차를 가하게 됩니다.
예를 들어 백열등에 있는 필라멘트 근처에 금속판을 설치하고 연결된 선을 밖으로 빼어두고선 이 선에 전기가 흐르게 된다는 사실을 알게 되었다는 이야기입니다. 발명가로서 에디슨은 이러한 실험을 하게 되었을 만한 이유가 많이 있었을 것으로 짐작됩니다.
다만 이러한 발견이 상업성이 있다고 보지 않았기 때문에 실제 응용한 사례는 21년 후에야 나오게 되며 그만큼 인류의 전자 산업의 시작이 늦어진 결과로 볼 수 있습니다.
B. 1904년 존 플레밍의 2극관을 발표
▲ 존 플레밍의 2극관
2극관은 에디슨이 확인한 에디슨 효과를 실현한 진공관으로 확실한 전류를 전달하기 위한 케소드 및 플레이트 구조를 알아가는 과정에 있으며 이는 한쪽방향으로만 전기가 흐르도록 했다라는 측면에서 획기적인 발명입니다. 전기가 한쪽으로만 흐르게 되면 AC 전원을 DC로 바꾸는 과정이 쉬워집니다.
다이오드(Diode)라 부르며 두개의 전극이 있다는 의미입니다. 진공관 오디오에서는 정류관(Rectifier)이라 부르며 아직도 정류관을 쓰는 진공관 오디오가 많이 있습니다만 정류관은 구조적으로 대용량이 많지 않고 개발이 쉽지 않아 대출력 앰프에는 적합하지 않습니다. 따라서 대출력 앰프에는 정류관 보다는 반도체 정류기를 사용하여 대출력을 내주지만 잘못 사용하면 소리가 경직되는 경향이 있습니다.
C. 1907년 리 디포리스트가 3극관을 발표
▲ 리 디 포레스트의 3극관
2극관은 진공상태에서 뜨거워진 케소드에서 나온 전자가 플레이트로 넘어가는 현상을 이용한 것인데 이 전자의 양을 원하는 만큼 조절할 수 있다면 증폭기를 만들 수 있다는 것입니다. 이를 위해 케소드와 플레이트 사이에 전자들을 걸러내는 전극을 넣어서 실험을 하고 특허를 내게 됩니다.
이 전극이 그리드(Grid)라고 불리며 이 그리드가 추가되어 최초의 증폭 소자인 3극관이 개발되게 됩니다.
D. 4극관
3극관에 Screen Grid가 추가된 관을 4극관이라 부르며 오디오용으로는 사용하지 못합니다.
조금 어려운 설명이지만 Screen Grid는 그리드와 플레이트 사이에 발생하는 정전용량 제거하기 위해서 설치한 전극입니다. 그리드와 플레이트 사이가 일종의 베터리 또는 콘덴서처럼 되어 버리기 때문이 이러한 현상이 발생하지 않게 전자들을 빨리 그 공간에서 몰아내는 역할을 했다라고 생각하면 쉽겠습니다.
그러나 이에 따른 역효과가 나오게 되어 오디오용으로는 사용이 어렵습니다. Screen Grid에 의해 가속된 전자가 플레이트에 부딪혀서 반사되어 돌아다니는 전자가 많이 발생하게 됩니다. 이로 인해 음악을 듣기에는 부적합한 진공관이지만 효율이 좋기 때문에 다른 산업용으로는 쓰였습니다.
E. 빔관
▲ 프스반느사의 KT-88
빔관은 4극관에서 플레이트에 부딪혀서 반사되는 전자들을 케소드로 다시 돌려보내는 역할을 하는 Supressor를 추가한 진공관으로 많은 오디오에 사용이됩니다.
6V6, 6L6, 6550, KT-88등이 있습니다.
F. 5극관
Pentode라고 하며 빔관에서 추가된 Supressor를 케소드로 연결하지 않고 플레이트로 보내도록 한 진공관입니다.
EL84, EL34 등이 있습니다.
G. 다극관의 특징
빔관 및 5극관의 큰 특징은 3극관에 비해 크기 대비 출력이 많이 높아졌다는 것입니다. 이는 Screen Grid를 통해 강제로 전자를 보내는 능력이 좋아졌기 때문입니다.
H. 또 다른 분류, 직열관과 방열관
진공관은 에디슨이 발견한 에디슨 효과를 기반으로 하므로 케소드를 뜨겁게 달구는 것이 중요합니다. 그런데 케소드를 따로 만들어 뜨겁게 할것인지 아니면 케소드 자체를 히터로 하여 뜨겁게 할것인지에 따라 직열관(Direct Heated Tube), 방열관(Indirect Heated Tube)로 나뉘게 됩니다.
- 직열관
앞서 다룬 것처럼 직열관은 케소드 자체가 히터입니다. 즉 히터에 전기를 가해 열을 발생시키고 동시에 케소드로도 사용한다는 이야기입니다.
▲ 직열3극관을 사용한 D-5000 DHT
직열관은 히터 자체가 케소드이므로 열을 발생시기는데 좋은 측면이 있으나 히터에 공급하는 전기를 통해 잡음이 들어올 수 있다는 단점이 있습니다. 특히 히터를 구동하는 전기가 교류일떄는 교류험을 완벽하게 피하기 어렵다는 측면이 있습니다. 그러나 순도가 높은 소리를 원하는 많은 오디오 파일들은 이러한 직열관을 선호하며 초기에 나온 많은 명관들이 직열관에 속합니다.
-방열관
방열관은 케소드 전극을 따로 두고 이 케소드 전극에 근접한 곳에 히터를 두어 케소드를 달구게 됩니다.
케소드 전극을 따로 두고 히터에 공급되는 전기의 품질과 상관이 없어지므로 단순한 회로의 구성이 가능해 대부분의 진공관이 이 방식으로 설계되어 있습니다. 하지만 오디오라는 측면에서 직열관이 가지는 고순도의 사운드와 비교해서 다소 순도가 떨어지는데 이는 간접 히팅에 의한 원인으로 봐야 할듯 합니다. 기술의 발전과 편리함이 반드시 오디오 음질의 발전과 관계가 있다고 보기 어려운 측면을 잘 설명하는 것 같습니다.
▲ 웨이버사 시스템즈의 V-Power Amplifier
"2. 진공관 오디오의 발전"
A. 3극관의 출현과 함께 증폭을 통한 진공관 오디오가 발명이 되고 운영이 됩니다. 이중에는 아직도 많은 오디오파일에게 압도적인 지지를 받은 오디오들이 많이 있습니다.
B. 당시 극장용 앰프, 영사기, 가정용 전축 등 오디오가 가지는 전자제품으로의 역할은 요즘 세대의 스마트폰 수준의 영향력을 가지고 있었다고 해도 과언이 아닙니다.
C. 전쟁을 통한 정보수집 및 방송 등의 역할이 중요해 지면서 진공관은 전세계적으로 대량 생산 체계로 들어갑니다. 그리고 저렴한 가정용 전축(물론 요즘으로 말하면 자동차 정도의 가격)이 등장하게 됩니다.
D. 모토로라는 자동차용 진공관 라디오를 개발하여 자동차에 적용하기 시작합니다. 모토로라는 이 회사의 제품명이었지만 모토로라의 성공으로 회사명까지 모토로라로 바꾸는 계기가 됩니다.
"3. 트랜지스터의 출현과 진공관의 퇴보와 명맥의 유지"
A. 진공관의 최대 단점은 진공상태에서 열을 가해야만 케소드에서 플레이트로 전자가 이동하기 때문에 발열 및 일정한 크기를 가져야만 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 동일한 기능의 물질을 찾아 나서게 되며 다양한 형태의 트랜지스터가 나오게 됩니다.
B. 트랜지스터는 진공관에 비해 크기가 작고 공정에 따라 얼마든지 작게 만들 수 있으므로 당시에 진공관만으로 만들 수 밖에 없던 모든 전자 제품들이 급속도로 트랜지스터 기반으로 옮겨가게 됩니다.
C. 물론 진공관이 아니면 기술적으로 해결이 되지 않는 분야도 여전히 있어서 명맥은 유지하고 있지만 실제 대부분의 산업이 트랜지스터 기반으로 바뀌게 됩니다. 이중 아직도 살아남아 있는 산업에 대해 알아보겠습니다.
- 오디오
다음 항목에서 다루겠지만 음질적인 요인이 있어서 오디오 분야는 아직 살아남아 있습니다.
- 전자레인지
전자레인지의 전자파는 진공관에 의해서 발생하게 됩니다. 케소트에서 나온 전자가 플레이트에서 반사를 하게 되면 이 전자는 전자파가 되어 밖으로 나오게 되며 이를 이용하여 음식물을 익히게 됩니다.
전자레인지의 발견은 진공관을 개발하는 학자에 의해 우연히 발명되었으며 현대 생활에 있어서 아주 유용한 제품이 아닐 수 없습니다.
이 과학자는 자기 주머니에 초코릿을 넣어 다니는데 진공관 실험을 하고 있으면 초코릿이 녹는 현상을 발견하게되고 이러한 현상을 이용하여 전자레인지를 개발하게 됩니다.
- 방송국 전파 송출
초 고압의 전파를 쏘기 위해서는 송신용 진공관이 효과적입니다. 물론 바뀌어 나가고는 있습니다.
- 레이져
레이져는 케소드 빔 레이저라고도 불립니다. 즉 케소드에서 방출하는 전자를 늘려서 방출하는 것으로 이는 브라운관 TV에서 적용하고 이제는 거의 시장에서 자취를 감추었지만 군용 또는 산업용으로는 아직도 진공관을 이용한 케소드 빔 레이져가 사용되고 있습니다.
D. 많은 상업적인 이유에도 불구하고 여전히 진공관은 많은 오디오로 존재하며 새로운 제품 또한 지속적으로 개발 및 판매가 되고 있으며 특히 하이엔드 분야에서는 그 비율이 상대적으로 높은 편입니다. 이는 진공관을 통한 고음질 구현이 가능하기 떄문에 발생하는 현상입니다. 다음에는 오디오 분야에서 진공관이 왜 아직까지 이러한 대우를 받는 것인지 알아보도록 하겠습니다.
▲ 웨이버사 시스템즈의 V DAC
"4. 오디오로서 진공관의 장점과 단점"
A. 트랜지스터의 등장은 진공관 산업 전반에 영향을 주어 대부분의 산업이 트랜지스터 위주로 전환되게 됩니다. 그런데 유독 오디오 분야만큼은 그 명맥을 유지하고 있으며 시간이 흐르면서 진곻관 오디오 분야는 더 발전하는 듯한 현상도 나타나게 됩니다.
B. 이러한 이유는 외관의 독특함도 있지만 결국 음질에 기인합니다. 진공관은 음질에 좋다는데 왜 음질이 좋은지 알아보도록 하겠습니다.
진공관은 증폭을 하는 과정에서 2차배음이 발생합니다. 2차 배음이란 입력된 신호에 2의 배수에 해당하는 신호가 추가로 발생한다는 의미입니다. 영어로 Second Harmonic Distortion입니다. 이름만으로 보아도 디스토션입니다. 디스토션이란 왜곡이 발생한다는 의미입니다. 왜곡이 발생하면 나빠져야 하는데 왜 소리가 좋아질까요. 이유는 이 배음이 일종의 화음에 속합니다.
배음은 인류가 진공관을 발명하기 휠씬 이전부터 잘 알고 있는 원리입니다. 이는 기타, 바이올린, 첼로 등 통울림 악기의 울림이 2차배음에 속합니다. 이 울림이 좋을수록 좋은 악기가 되며 모든 음소에서 울림이 좋아야 좋은 악기가 되므로 장인의 솜씨에 따라 악기의 수준이 결정되게 됩니다.
그런데 진공관이 이러한 배음을 자연스럽게 내놓게 되니 조금 값싼 악기로 연주한 연주라도 배음이 추가되어 더 울림이 자연스러운 소리로 들려주게 됩니다. 그 뿐만 아니라 2배, 4배, 8배 등 무한히 배음을 내놓게 되니 악기가 할 수 없는 영역의 소리를 들어 볼 수도 있게 됩니다. 혹자는 자신의 오디오 사운드가 공연장 보다 월등하다고 주장하기도 합니다만 이러한 배경에는 진공관 오디오를 통한 배음의 강화로 발생했을 수도 있다고 생각되어 집니다.
▲ 원신호 파형과 배수에 따라 발생하는 Harmonics
또한 진공관의 증폭을 거치면 거칠수록 배음이 늘어나게 되기 때문에 앰프뿐만 아니라 소스기기까지도 진공관이냐 아니냐에 따라 많은 변화가 나타나게 됩니다. 실제 여러 개의 진공관 라인스테이지를 직렬 연결하여 음질적 이득을 본 경우도 있습니다. 이 말은 배음이 많을수록 좋은 음질도 이해할 수 있다는 부분이기도 합니다.
왜 좋은 진공관과 좋지 않은 진공관이 존재하느냐도 이 배음에 기인하는 부분이 있습니다. 모든 진공관이 동일한 배음을 발생하는 것이 아니라 진공관마다 발생하는 배음의 양이 다릅니다. 동일 형번의 진공관이라도 제조업체에 따라 배음이 다르기 때문에 명관으로 지칭된 관들을 사용하게 되면 아주 부드럽게 들리는 경우가 많습니다. 배음이 높으면 상대적으로 자연스러운 울림에 의해 부드럽게 들리기 떄문입니다.
물론 진공관의 특성을 배음 하나로만 평가할 수는 없지만 오디오로 사용되는 진공관의 경우 듣는 소리는 대부분 음악이므로 매우 중요한 부분임에는 틀림없습니다.
그리고 진공관은 3차 배음도 설계에 따라 일부 발생합니다. 3차 배음은 2차 배음과 달리 불협화음에 속해 듣기에 거북합니다. 따라서 좋은 진공관 오디오는 적당한 2차 배음에 3차 배음이 없는 것이 좋습니다.
C. 이번에는 진공관의 단점을 알아보겠습니다.
“비싸다”입니다. 싼 진공관도 많으니 비싸지 않게 진공관 오디오를 만들 수 있지만 여기서 다루는 오디오는 어느 정도 수준이상의 소리를 들려주는 하이엔드 오디오로서 진공관 앰프라면 반드시 비쌉니다. 진공관을 이루는 회로에는 진공관 뿐만 아니라 진공관의 장점을 살리고 음질의 손실을 내지 않기 위한 다양한 부품이 필요하며 이 부품들 각각이 고수준의 주파수 특성을 가지고 있어야만 하이엔드에 부합하는 음질을 만족하게 됩니다.
“귀찮다”입니다. 반드시 유지보수가 필요합니다. 진공관의 수명은 유한합니다. 진공관의 사용처에 따라 진공관은 여러 가지 등급으로 개발이 되었습니다. 이는 군용으로 사용되거나 항공기용으로 사용되거나 할 때 마다 등급이 나뉘게 되는데 이는 결국 사용수명과 직접연관성이 있게 됩니다.
“덥다”입니다. 진공관은 케소드에서 발생하는 전자를 플레이트로 보내기 위해서는 캐소드를 달구어야 합니다. 케소드를 달구지 않으면 진공관이 동작하지 않게됩니다. 그래서 무더운 여름이라 하더라도 히터를 켜야하며 일부러 식히면 동작이 이상해질 수 있습니다. 그래서 여름에 고생하시는 분들이 종종 있습니다.
“인내심”이 필요합니다. 진공관은 히터를 통해 케소드를 달궈야 하며 이 온도가 안정화 되었을 때 비로소 제대로 된 소리를 들려줍니다. 이 말은 진공관 앰프가 켜지고 난 후 일정한 시간이 지나야 제대로 된 소리를 들려준다는 이야기입니다. 그래서 급하게 좋은 소리를 듣고 싶다고 하여 바로 들을 수 없습니다. 그런데 문제는 이 변화가 반드시 정해진 시간이 아니라 조금씩 조금씩 좋아지기 때문에 늘 시간을 체크해보고 포기하고 기다리는 것이 좋습니다.
그 외에도 많은 단점이 있지만 기술의 발달로 단점은 점점 줄어들고 있는 추세입니다.
▲ 웨이버사 시스템즈의 V DAC 의 내부
"5. 진공관 오디오의 핵심 구성 요소와 선택 기준"
A. 다양한 진공관 오디오의 설계 방법이 존재하며 이에 따른 음질적 차이는 존재하기 마련입니다. 대표적인 구성에 있어서 진공관 회로의 구성과 부품의 품질에 따른 음질 차이를 이해하기 쉽게 설명해 드립니다.
진공관 : 앞서 설명한 바와 같이 다양한 브랜드가 존재하며 과거에 명성을 가졌던 진공관은 상당한 가격으로 판매되고 있습니다. 개인적인 취향에 속할 수 있지만 배음 성향과 계의 완벽도에 따라 압도적인 음질적 차이는 존재하기 마련입니다.
커플링 커페시터 : 진공관의 플레이트로 튀어 나온 전자는 고압의 전압으로 나 타나기 때문에 이 신호를 다시 사용하기 위해서는 전압을 낮춰야 합니다. 이때 사용되는 부품중에 하나가 커플링 커페시터입니다. 신호가 커페시터를 통과하면 DC 성분이 사라지고 AC만 남기 떄문에 고압의 신호도 낮은 전압으로 변환이 가능해 집니다. 그러나 문제는 커플링 커페시터는 High pass filter 즉 고주파 필터이기 때문에 전대역에 고른 특성을 나타내기 어렵고 품질에 따라 특성이 많이 달라지게 됩니다. 커플링 커페시터를 사용하는 앰프에서 커플링 커패시터에 따른 음질의 변화는 아주 큽니다.
출력 커패시터 : 진공관의 최종 출력의 DC 성분을 없애기 위해서는 커패시터나 트랜스포머가 필요합니다. 이때 비교적 저렴한 제품의 경우 커패시터를 사용하게 됩니다. 출력트랜스를 사용하는 프리 앰프에는 반드시 “트랜스 프리앰프”라 지칭하게 되는데 이는 트랜스 사용을 통해 음질이 좋다는 것을 나타내기 위함입니다.
인터스테이지 트랜스포머 : 커플링 커패시터와 비슷한 역할을 하는 트랜스포모이며 대역별 주파수 특성이 우수하며 가격도 상당히 비쌉니다. 일부 앰프에는 적용이 되었지만 가격이 높아서 대다수의 앰프에는 적용하지 않습니다.
출력 트랜스포머 : 스피커로 대출력을 내주거나 라인아웃 신호 레벨로 신호를 출력해 주는 형태로 나뉩니다. 이 트랜스포머도 제품의 품질에 따라 몇만원에서 천만원을 호가하는 트랜스까지 다양하며 트랜스의 품질 차이에 의한 음질 변화도 상당한 수준입니다.
저항 소자 : 저항 소자는 회로를 구성하는데 있어서 반드시(?) 필요한 존재입니다. 저항을 통하여 전자가 이동하거나 소멸하게 되는데 보통의 저항에는 인덕턴스라하여 코일성분이 들어가는 경우가 있습니다. 고가의 저항 소자는 이러한 인덕턴스 성분이 없는 제품이 나오며 오디오 전용이라 표기하고 판매가 됩니다. 저항은 1원이하부터 몇십만원에 이르며 저항의 품질에 따른 음질의 순도 차이는 명확합니다. 보통 공업용으로 사용되는 저항은 가격이 저렴하지만 오디오에 잘못 적용하면 인덕턴스의 역효과로 인하여 고역에 미세한 발진이 발생하거나 하여 음색이 차가워 지는 경향이 있습니다.
▲ McIntosh MC 275 Ver.VI Power Amplifier
"6. 하이엔드 오디오에서 진공관의 역할과 미래"
하이엔드 오디오는 지속적으로 발전하고 있으며 최신 IT 기술과 함께 진공관 오디오는 많은 발전을 하고 있는 상태입니다.
진공관의 수명을 연장하는 똑똑한 앰프, 진공관의 교체시점을 알려주거나 진공관의 수치가 바뀌어도 늘 동일한 성능을 내주게 하는 기술 등이 진공관 오디오에 적용되고 있습니다.
트랜지스터와 결합하여 사용자의 편의성과 좋은 음질이라는 두 마리 토끼를 잡는 시도도 많이 이루어 지고 대용량의 출력을 위하여 오디오 전용으로 새로이 개발되는 진공관이 있습니다.
