진공관

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진공관

진공 내에서 전자의 운동을 이용하는 전자관. 종류로는 초기의 라디오나 텔레비전 수상기에 많이 사용된 일반적인 수신관을 비롯하여 송신기용의 송신관·클라이스트론·마그네트론 진행파관 등의 초고주파전자관·X선관·광전관·브라운관·촬상관 등이 있다. 1900년도 초기, 진공관이 발명되어 미약한 신호에 의한 큰 에너지의 제어, 각종 신호처리 기술이 가능하게 되어 오늘날의 전자공학이 있게 되었다.

전자는 높은 진공(10-7mmHg) 속에서는 전기적인 힘에 의해 자유로이 운동할 수 있게 되는데, 이와 같은 운동을 외부의 전기장이나 자기장으로 제어하여 증폭·발진·정류(整流) 등을 할 수 있도록 만든 것이 진공관이다. 이들 진공관의 역사적인 배경과 종류·구조·작용 등은 다음과 같다.

역사[편집]

1884년 미국의 에디슨은 백열전구를 연구하면서 진공 속에서 전류가 흐르는 것을 발견하였으며(에디슨 효과), 이 발견을 기초로 하여 영국의 J.A.플레밍이 기체를 빼낸 유리공 속에 백열전구와 같은 필라멘트와 2개의 금속판 전극을 넣어 2극진공관(밸브라 했다)을 발명하여 무선전신의 검파(檢波)에 이용했다.

1906년에 미국의 드 포리스트가 2극진공관에 또 다른 전극을 삽입하여 전자의 흐름을 제어하도록 하는 3극진공관을 발명하였다(당시에 Audion이라고 불렀다). 이후에 3극진공관의 결점을 보완한 4극관·5극관 등이 차례로 발명되었고, 그 외에도 여러 목적에 따른 진공관들이 발명되었다.

현대에 와서는 브라운관일본에서 발명된 진공 형광 디스플레이디스플레이 장치로 사용되며, 강력한 전자파를 만들어내는 자전관은 레이더나 전자렌지에 쓰이고 있다. 최근엔 브라운관대신 평면디스플레이를 사용하게되어 자전관이 대량생산이 되는 유일한 진공관이 되었다.

진공관을 오디오 앰프의 증폭용 소자로 사용할경우 독특한 음질을 가지게 된다. 때문에 오디오 매니아들에게 사랑을 받고 있어 고급 오디오 앰프등 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.

구조와 작용[편집]

수신관의 진공용기는 유리로 된 것이 많고 간혹 금속용기로 된 것도 있다. 초기에는 백열전구와 비슷한 것이었으며, 라디오와 텔레비전의 보급에 따라 ST관에서 GT관, 다시 MT관으로 소형화되었다. 송신관은 수신관보다 취급하는 전력이 커서 모양도 크게 만들어졌으며, 구조적으로도 수신관과는 달리 수냉·강제공랭 방식 등의 냉각계통을 부가하고 있다.

내부 구조는 음극과 양극, 그리드로 구성된다. 음극은 전자를 방출하는 것으로 열에 의한 전자방출, 빛에 의한 전자방출, 강(强)전기장에 의한 방출, 2차전자에 의한 방출 등 여러 형태의 음극이 있다. 수신관이나 송신관에는 주로 열전자방출방식을 사용한다.

송신관의 음극은 녹는점이 높은 금속으로 텅스텐이나 소량의 토륨을 첨가한 텅스텐을 사용하고, 수신관은 산화물음극이라고 하는 것으로, 니켈과 같은 금속 위에 산화바륨을 발라 낮은 온도에서도 전자방출이 쉽도록 하고 있다. 음극의 모양은, 초기에는 필라멘트 모양의 산화물 음극이 많이 사용되었으나(直熱型), 후에는 산화물을 바른 니켈을 원통형으로 하여 이 속에 히터를 설치한 방열형이 많이 사용되었다.

수신관의 그리드는 니켈이나 몰리브덴의 가느다란 선을 지지물에 감아서 원형·타원형(저주파용)·평면형(고주파용) 등의 형태로 하였다. 양극은 니켈 등의 표면을 흑화(黑化)하여 열복사를 좋게 하는 구조로 만들었다. 송신관의 그리드는 구리합금·몰리브덴 등을 나선형·메시(mesh)형으로 하고, 양극은 수냉·강제공랭 등의 구조로 하여 방열대책을 세우고 있다.

진공관의 작용은 다음과 같다.

  1. 정류작용:음극으로부터 방출된 전자가 양극이 음극보다 높은 전위일 때 양극으로 흘러가는 것을 이용하여 양극에 교류를 가해, 양극이 양(陽)일 때만 전류가 흐르게 되어 교류가 직류로 변환되는 현상을 말한다(2극관의 경우).
  2. 증폭작용:3극관은 음극과 양극 사이에 그리드를 설치한 것이다. 이 그리드는 음극 가까이 설치하므로 양극전류에 대한 영향은 양극에 가해진 전위보다 훨씬 효과적이다. 그리드 전위를 음극보다 낮은 전위(-의 전위)로 해도 양극전위에 높은 전위를 가하는 경우에 전류가 흐르는데, 이때 그리드 전위를 약간 변화시키면 양극전류가 민감하게 변화되어 양극전위의 큰 변화와 같은 효과를 얻게 된다. 진공관의 결점인 양극과 제어그리드 사이의 정전용량을 감소시킨다. 그러므로 4극관은 고주파증폭에 적합하다. 5극진공관은 4극관에서 발생되는 2차전자를 억제하기 위해 양극과 차폐그리드 사이에 억제그리드를 삽입하여 고주파증폭에 사용하는데 본질적인 증폭작용은 같다.
  3. 발진작용:적당히 선정된 동조회로를 매개로 하여 3극관의 양극과 그리드를 결합하면 동작회로에 따라 어떤 주파수를 발진하게 된다. 초단파 등에서는 보통의 진공관은 사용할 수 없어서 특수하게 만든 마그네트론·클라이스트론 등의 진공관으로 발진을 행한다.
  4. 주파수변환작용:제어그리드에 어떤 주파수의 고주파전압을 가하고, 또 다른 그리드에 다른 고주파전압을 가하면 두 전극에는 이 두 주파수의 차에 해당하는 주파수의 전압이 얻어진다. 이것을 주파수변환이라고 한다. 슈퍼헤테로다인(superheterodyne) 수신기에서 고주파를 중간주파수로 변환시킬 때 사용한다.
  5. 스위칭작용:2개의 그리드에 서로 다른 신호전압을 가해서 두 신호가 서로 양이 되었을 때 전류가 흐르도록 하는 작용으로 초기 전자계산기의 논리동작에 이용하였다. 이 밖에도 여러 가지의 구조나 작용 등이 있으나 근래에는 트랜지스터·집적회로(IC) 등의 반도체소자에 밀려나서 거의 사용되지 않고 있는데, X선관, 텔레비전용의 브라운관, 레이더용의 브라운관, 대형송신관 등 특수 용도의 진공관은 아직도 사용되고 있다. 앞으로 특수용도의 것도 점차 반도체소자로 대치되어 가므로 완전히 없어질 날도 멀지 않다.

형태[편집]

나스관       1930년대까지
에스티관      1930년대~1950년대 ST 관
지티관       1940년대~1950년대 GT 관
미니어쳐관     1950년대 말 mT 관
서브 미니어처 관  1960년대 말

특징[편집]

높은 주파의 큰 전력(10GHz·1 킬로와트 이상)의 용도에서는 현재에도 진공관이 쓰이고 있다.

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.

단점[편집]

  • 원리적으로 열전자원(필라멘트히터)이 필요해서 소비 전력이 크고, 열이 많이 난다.
  • 열전자원의 수명이 비교적 짧다. (수천 시간 정도)
  • 크기를 줄이기 쉽지 않고 내진성에 문제가 있다.
  • 트랜지스터에 견주어 소자 단가가 비싸다.

같이 보기[편집]

바깥 고리[편집]