현대 전자공학 교재에서 진공관의 설계와 기능에 한 챕터를 할애하는 것은 다소 낯설게 보일 수 있습니다. 반도체 기술이 거의 모든 응용 분야에서 진공관을 대체했기 때문입니다. 하지만 진공관을 역사적인 관점뿐만 아니라 “거의 모든 응용 분야”라는 표현을 가능케 한 틈새 응용 분야에서도 탐구할 가치가 있습니다.
일부 응용 분야에서는 진공관이 여전히 실용적으로 사용될 뿐만 아니라, 현재까지 발명된 어떤 반도체 소자보다도 해당 작업을 더 잘 수행합니다. 일부 경우에는 진공관 기술의 성능과 신뢰성이 훨씬 우수합니다.
고출력, 고속 회로 스위칭 분야에서는 수소 티라트론(hydrogen thyratron) 및 크리트론(krytron)과 같은 특수 진공관이 현재 설계된 반도체 소자보다 훨씬 더 많은 전류를 훨씬 더 빠르게 스위칭할 수 있습니다. 반도체 물리학의 열적 및 시간적 한계는 진공관에는 없는 제약을 가져옵니다.
고출력 마이크로파 송신기 응용 분야에서는 진공관의 뛰어난 열적 내구성이 반도체를 능가하는 주요 이유입니다. 반도체 재료를 통한 전자 전도는 온도의 영향을 크게 받지만, 진공을 통한 전자 전도는 그렇지 않습니다. 결과적으로 반도체 장치의 실질적인 열적 한계는 진공관보다 훨씬 낮습니다. 진공관은 반도체 장치보다 훨씬 높은 온도에서도 작동할 수 있어, 동일한 열 방출 면적에서 더 많은 열 에너지를 방출할 수 있으며, 이는 지속적인 고출력 응용 분야에서 진공관을 더 작고 가볍게 만듭니다.
고출력 응용 분야에서 진공관이 반도체 구성 요소보다 가지는 또 다른 장점은 재조립 가능성입니다. 큰 진공관이 고장 나면 새 진공관을 구매하는 비용보다 훨씬 낮은 비용으로 분해 및 수리가 가능합니다. 반면, 반도체 구성 요소는 크기에 관계없이 고장이 나면 일반적으로 수리할 방법이 없습니다. 아래 사진은 1960년대에 제작된 5kW AM 라디오 송신기의 전면 패널을 보여줍니다. 유리문 뒤에 있는 오목한 영역에서 “Eimac” 브랜드의 전력용 전자관 중 하나를 볼 수 있습니다. 시설 투어를 안내한 방송국 기술자에 따르면, 해당 진공관의 재조립 비용은 800달러에 불과하며, 이는 새 진공관의 비용과 비교해 매우 저렴하며, 동등한 반도체 구성 요소의 가격과 비교해도 여전히 합리적입니다.
진공관은 제조가 반도체 구성 요소보다 덜 복잡하다는 이론적 이점도 가지고 있습니다. 반도체 제조는 매우 복잡하며, 많은 위험한 화학 물질이 필요하고 초청정 조립 환경을 필요로 합니다. 반면, 진공관은 본질적으로 유리와 금속에 진공 밀봉만 하면 되며, 물리적 허용 오차도 느슨하여 수작업으로 진공관을 조립할 수 있습니다. 또한 반도체 제조처럼 클린룸 환경이 필요하지 않습니다.
현대에서 진공관이 반도체를 능가하는 또 다른 영역은 전문 및 고급 오디오 앰프 시장입니다. 이는 부분적으로 음악 문화와 관련이 있습니다. 예를 들어, 많은 전문 기타 연주자는 트랜지스터 앰프보다 진공관 앰프를 선호하는데, 이는 진공관 회로가 생성하는 특정 왜곡 때문입니다. 전자 기타 앰프는 오디오 재생 앰프와 달리 왜곡을 피하는 것이 아니라 만들어내도록 설계됩니다(이 점이 전자 기타가 어쿠스틱 기타와 소리가 크게 다른 이유입니다). 특히 록 음악은 진공관 앰프 장비를 사용하는 기타리스트들과 함께 태어났기 때문에, 해당 장르 자체에 “진공관 매력”이 내재되어 있으며, 이는 록 기타리스트들 사이에서 “진공관” 기타 앰프에 대한 지속적인 수요로 나타납니다.
몇몇 기타 연주자들의 태도를 보여주는 한 예로, 익명의 진공관 앰프 웹사이트의 기술 용어집 페이지에서 발췌한 다음 인용문을 고려해볼 수 있습니다:
“솔리드 스테이트: 기타 앰프를 나쁘게 들리게 만들도록 설계된 구성 요소입니다. 진공관과 비교했을 때, 이 장치는 수명이 매우 길 수 있어, 앰프가 얇고 생명력 없는, 그리고 버징(buzzy)한 소리를 오래 유지하도록 보장합니다.”
오디오 재생 앰프(음악 스튜디오 앰프 및 홈 엔터테인먼트 앰프) 분야에서는 앰프가 왜곡 없이 음악 신호를 재생하는 것이 가장 이상적입니다. 그러나 기타 앰프 시장에서 왜곡이 디자인 목표인 것과 대조적으로, 고급 오디오 분야는 또 다른 영역으로, 진공관 앰프가 지속적으로 소비자의 수요를 얻고 있습니다. 왜곡 수준을 낮추려는 객관적인 기술적 요구사항이 오디오파일들의 주관적 선호를 제거할 것이라 생각할 수도 있지만, 이는 완전히 틀린 생각입니다. 고급 “진공관” 앰프 장비의 시장은 트렌드와 유행에 따라 급격히 변하며, 오디오 시스템 리뷰어와 판매자들의 주관적인 주장에 의해 움직이고 있습니다. 예를 들어, 일부 고급 앰프는 작동 중인 진공관을 외부에 노출하도록 설계된 섀시를 갖추고 있는데, 이는 진공관 구조가 소리에 의해 진동하며 성능에 변화를 주는 미소현상(microphonics)을 악화시킨다는 점을 고려할 때 비합리적입니다.
그럼에도 불구하고, 진공관과 반도체를 비교하는 왜곡 분석 분야에서 기술 문헌은 풍부합니다. 일부 유능한 전기 엔지니어들은 트랜지스터보다 진공관 앰프 설계를 선호하며, 이를 뒷받침하는 실험적 증거를 제시합니다. 오디오 시스템 성능을 정량화하는 주요 어려움은 인간의 청각 반응이 불확실하다는 점입니다. 모든 앰프는 과부하 시 입력 신호를 어느 정도 왜곡하며, 문제는 어떤 유형의 앰프 설계가 가장 적게 왜곡하는가입니다. 그러나 인간의 청각은 매우 비선형적이기 때문에, 사람들이 모든 유형의 왜곡을 동일하게 받아들이지는 않으며, 따라서 계측기로 왜곡 수준이 유사한 앰프도 청각적으로는 더 “좋게” 들릴 수 있습니다.
진공관은 넓은 작동 조건에서의 낮은 “드리프트”라는 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 반도체 구성 요소는 장치 온도 및 기타 작동 조건의 변화에 따라 장벽 전압, β 비율, 벌크 저항 및 접합 용량이 상당히 변화할 수 있지만, 진공관의 기본 특성은 대부분 진공관의 구조 요소(캐소드, 그리드, 플레이트)의 물리적 치수에 의해 결정되므로 넓은 작동 범위에서 거의 일정하게 유지됩니다.
결론적으로, 반도체 기술의 발전에도 불구하고, 진공관은 틈새 역할을 계속 수행하며, 고전적인 설계 방식에 얽매이지 않는 전자공학자, 발명가 및 취미 활동가들에게 혁신을 촉진하는 역할을 할 것입니다.