진공관

JJ 테슬라에서 생산한 KT88 출력관[1]

1. 개요 및 원리

2. 구조

3극관의 구조	5극관의 구조

• 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.

• 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.

3. 분류

3.1. 구조에 따른 분류

• 2극관 : 다이오드(Diode). 항목 참조. 영국의 플레밍이 1904년에 특허 등록하였다.필라멘트와 플레이트로만 이루어진 가장 단순한 구조의 관이다.

• 3극관 : 트라이오드(Triode). 미국의 디포리스트가 플레이트와 캐소드 사이의 전자 제어를 위한 그리드를 삽입한 구조를 만들어 1907년 특허 등록하였다. 그리드는 기본적으로 플레이트와 캐소드 사이에 전류가 흐르는 것을 막는 역할을 하며, 그리드의 전압의 작은 변동으로 플레이트 전류에 큰 변동을 초래할 수 있고 이는 증폭 효과를 가지게 되는 것이다. 이 관이 나온 이후 아래의 4극관, 5극관 등이 등장하며 진공관의 시대가 열리게 되었다. 통신 신호 증폭용 주로 으로 개발되었으나 특유의 음색을 이용해 오디오를 만들기도 한다. 300B라는 웨스턴 일렉트릭에서 개발한 관이 대표적이다. 아래에 나오는 70년대 신개발관(...)인 6C33C도 3극관에 속한다. 쌍 삼극관이라는 삼극관 플레이트 구조물 2개를 한개에 넣은 것을 오디오용 전류증폭관(초단관)으로 많이 사용한다. 12AX7(ECC83), 12AU7(ECC82), 12AT7(ECC81), 6SN7 등등.

• 4극관 : 테트로드(Tetrode). 3극관에서 필연적으로 생길 수 밖에 없는 그리드와 플레이트 사이의 정전 용량을 제거하기 위해 그리드와 플레이트 사이에 스크린 그리드를 추가하여 여기에 양(+)전압을 걸어줌으로서 전자를 가속하는 효과를 부여하여 능률을 높인 관. 하지만 스크린에 가속된 전자가 플레이트와 충돌하며 2차 전자를 방출하게 되어 여러 원치 않는 문제를 일으키게 되며 특히 가청주파수 대역의 증폭용으로는 부적합하다. 고주파 증폭용으로 사용되나 흔히 볼 수 있는 관은 아니다.

• 빔관 : 빔 테트로드(Beam Tetrode). 1936년 RCA가 발표하였다. 4극관의 2차 전자를 제거하기 위해 스크린과 플레이트 사이에 서프레셔(suppressor)를 넣어 이것을 캐소드에 연결하여 2차 전자를 흡수하는 역할을 하게 한 관이다. 이 결과 4극관의 특성이 개선되어 주로 전력 증폭용이나 오디오용으로 쓰인다. 특히 아래의 5극관에 비해서도 효율이 좋기 때문애 오디오용 고출력 진공관은 거의 다 빔관이다. 6V6, 6L6, 6550, KT-88[4][5] 등

• 5극관 : 펜토드(Pentode). 다극관이라고도 한다. 1927년 Philips가 발표하였다. 빔관의 구조에서 서프레셔에 -전압을 걸어 2차 전자를 플레이트로 되돌려 보내는 구조를 가지고 있다. 서프레서 그리드가 캐소드와 연결된 것이 아니라 분리되어 있는게 빔관과 가장 큰 차이점이다. 주로 오디오용이나 라디오 증폭용으로 쓰이는 관이다. 오디오 증폭용으로 쓰이는 EL34, EL84가 유명하다. 이보다 극이 많은 헥소드(Hexode), 헵토드(Heptode), 옥토드(Octode) 등도 있으며 주로 헤테로다인회로의 주파수 혼합기로 사용된다.

3.2. 외형상 분류

• 금속관
• ST관
• GT관
• 미니어쳐관
• 서브미니어쳐관

4. 상세

4.1. 용도

• 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. 일종의 원시적인 입자가속기인 셈이다.[6] CRT나 X선관, 마그네트론, 각종 음극선 실험장비 등이 있다.

4.2. 한계 및 단점

• 부품 크기가 기본적으로 크기에 디지털 컴퓨터 같이 복잡한 회로를 구성하기 어렵다. 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 5~10분 가량은 예열을 시키라는 사람들이 많다. 실제로도 충분히 예열되기 전에는 소리에 노이즈가 끼거나 하는 경우도 있다.[7] 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,[8] 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,[9] 진공관이 파손될 경우 파편에 의한 상해의 위험이 있다.

• 외부 환경에 취약하다. 겨울철 실외 같은 저온 환경에서는 가열이 제대로 안되므로 못 쓰고, 반대로 여름철 떙볕 아래 같은 고온에서도 과열 우려 때문에 못 쓴다. (물론 실내라면 별 상관 없다.) 습기에도 민감한 편이다.

• 구조가 사실상 백열등이나 마찬가지라서 충격에 약하며 수명도 짧은 편이다.[10] 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.

• 일부 진공관의 경우 X선 발생 가능성이 있다. CRT같이 고전압을 쓰는 진공관들의 경우 내부 부품의 손상 등으로 인해 정격전압보다 더 큰 고전압이 인가되면 X선이 발생할 수 있다. 미국에서는 이 문제로 인해 고전압 진공관의 경우 방사선 차폐를 하며, 회로에 고전압이 인가되지 않도록 하는 안전규정이 있다.

5. 현재의 진공관

6. 여담

• EMP에 비교적 강하다든지 하는 것이 있다. 다만 완전히 무적은 아니고, 비교적 강할 뿐이며 트랜지스터가 조그만 RF쉴드 하나 씌우면 대부분의 EMP를 막을 수 있는 반면에 진공관은 그 크기로 인해 항자기 처리를 하기 힘들다. 비슷한 이야기로 MiG-25 전투기의 레이더에 진공관이 들어가 있어서 핵전쟁에 대비해서 대 EMP용으로 그렇게 만든 것 아니냐는 소문이 있었지만 사실은 탑재된 레이더에 쓰인 마그네트론이란 일종의 진공관 부품이 쓰였던게 와전된 것이다.[20] 아래 사진은 MiG-25의 정전압관으로 사용되었던 6C33C 진공관인데 냉전 후 이게 시장에 풀리면서 고전류 3극 출력관이란 걸 이용해 진공관 앰프[21]를 만드는 데 쓰이고 있다(...). 칼을 쟁기로

• 디스플레이 표기용 네온 관인 닉시관과는 완전 다른 물건이다. 항목 참조

• 작동 중인 진공관을 맨손으로 만지면 감전될 위험이 있다. 유리는 고온에서 도체가 되기 때문이다. 덤으로 화상은 100%. 종류와 작동 조건에 따라 다르지만 적게는 100도에서 심한 경우엔 200도까지 표면 온도가 올라간다. 특히 교체해야 할 때는 충분히 식힌 후에 교체해야 장비도 사람도 다치지 않는다. 또한 고온 상태에서 물 등 차가운 액체가 접촉할 경우 깨질 위험이 있다. 이 점은 요즘은 잘 쓰지 않는 백열등의 사용 및 교체 시 주의점과 크게 다르지 않다.

• 미국 영어에서는 우리에게 친숙한 용어인 베큠 튜브(Vacuum Tube)를 잘 사용하는 반면, 영국 영어에서는 다른 이름인 테르미오닉 발브[22](Thermionic Valve)를 종종 사용한다. 진공관의 발명자인 영국인 존 앰브로스 플레밍이 그의 발명품에 붙인 이름이 테르미오닉 발브였기 때문이다.[23] 진공관의 전성기이던 20세기 중반에는 영국 영어로 "발브"라고 하면 진공관을 가리키는 것일 정도였다. 발브(밸브) 스테이트(valvestate)는 진공관을 사용해 만든 회로를 의미하는 말이었고 여기서 트랜지스터를 이용한 회로를 의미하는 말인 Solid State가 나왔다.[24] 당시 트랜지스터는 첨단 기술이었으므로 상품명에도 널리 쓰였다. 몇 년 후 집적 회로 기술이 발전하면서 상품명의 “솔리드 스테이트”는 “IC”나 “LSI” 등으로 세대 교체되게 된다. 오늘날엔 유행이 한바퀴 돌아 다시 솔리드 스테이트라는 단어가 전자제품 명칭에 들어가고 있는데, 이 솔리드 스테이트는 트랜지스터가 아니라 솔리드 스테이트 드라이브, 즉 SSD를 뜻하는 의미이다. 자기식 디스크인 HDD와 비교하여 반도체 소자를 사용하는 디스크이기 때문이다.

• 노후 진공관은 내부에 미세한 금속 입자가 생겨나며, 작동 중에 이 입자들이 진공관 내부에서 오작동을 일으킬 수도 있다. 20세기 중반 가전제품(텔레비전, 라디오 등)이 갑자기 오작동할 경우 손으로 기기의 옆면을 두들기면 다시 제대로 작동하는 경우가 흔히 있었는데, 이것이 노후 진공관 내부 입자와 관련된 오작동이다.그러니까 21세기 최신 TV같은게 그러면 두들겨 고치려 하진 말자

7. 매체에서의 등장

• 폴아웃 시리즈는 트랜지스터 대신 다른 방향으로 극단적으로 기술이 발전해 모든 전자 기기들의 부속품에 진공관이 쓰인다. 출력 형식은 모노크롬 단색 문자만 출력되는 도스 수준인데 기능은 경이로운 수준으로, 진화하고 사고하는 슈퍼인공지능이라든지 인간의 정신을 기계에 이식한다든지 하는 SF 수준의 성능을 보여준다. 진공관(폴아웃) 참조.

• 닥터 스톤에서는 문명이 멸망한지 3700년후의 신세계에서 센쿠가 전화를 만들기 위해 이걸 만들었다고 한다.

• 백 투 더 퓨처 3에서는 타임머신 드로리안이 번개를 맞아 내장된 부품 중 IC칩이 고장나자, 이 부품을 1955년에서 구할 수 있는 진공관 회로로 대체하는 장면이 나온다. 손톱만큼 작았던 IC칩을 진공관으로 교체하자 회로가 자동차 보닛 절반을 차지할 정도로 커지는 것을 볼 수 있다. 단 과거에서 온 브라운 박사의 편지에 '1947년까지 관련 부품이 개발되지 않았다'는 내용이 있는 것을 보면 트랜지스터도 부품으로 들어간 듯하다.[25]

• 몽키삼총사의 악당인 버그 박사(사마귀 박사)가 만드는 모든 메카의 CPU가 진공관이다.[26]

• 한 때 모바일 게임이자 지금은 버츄얼 유튜버로 활동하고 있는 진공관 돌즈에 등장하는 인형들은 모두 머리에 진공관이 장착되어있다.

• 테네시 윌리엄스의 희곡 욕망이라는 이름의 전차에서 남자 주인공 스텐리가 제 3장에서 포커하다 술먹고 취해서 라디오를 집어던지는데, 이때 떨어지며 진공관 하나가 나갔다는 언급을 스텔라가 한다.

• 로봇수사대 케이캅스에서 작중에 나오는 빌런중에 하나가 바로 진공관으로 만든 로봇으로 나온다. 그것도 사람 크기의 상기된 장단점들을 전부 포함해도 대체 어떤 기술력으로 만든지는 불명.

• Fate/Grand Order 인지통합진국 신에 등장하는 이문대의 시황제가 진공관 컴퓨터로 이루어져 있다(...). 참고로 트랜지스터는 없다. 중국 이문대에서 컴퓨터를 쓰는 것이 시황제뿐이니 소형화가 필요 없어서일 수도 있지만 작중에서 스톰 보더를 분석하며 "규소 같은 건 좀 아니지"라던가 "그렇게까지 진공관이 싫은 거냐"같은 소리를 하는 걸 보면 그냥 진공관 매니아라는 게 정설.