Bell Labs가 더 나은 증폭기를 만들려는 과정에서 진공관, 음귀환 증폭기, 트랜지스터, 레이저 같은 변혁적 발명이 어떻게 탄생했는지 살펴본다.
1956년 노벨상을 "트랜지스터 효과" 연구로 수상한 William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain. 출처: Wikipedia.
우리가 이전에도 몇차례에걸쳐언급했듯이전에, 20세기 대부분 동안 AT&T의 Bell Labs는 미국 최고의 산업 연구소였다. 보편적 전화 서비스를 제공하려는 지속적인 노력의 일환으로, Bell Labs는 세상을 바꾼 수많은 발명을 만들어냈고 어떤 산업 연구소보다도 많은 노벨상을 축적했다.1 하지만 그들의 가장 중요한 기술적 기여는 Bell System의 경계를 훨씬 넘어 유용한 것으로 드러났다. 예를 들어 통계적 공정 관리는 AT&T 엔지니어 Walter Shewhart가 공급업체 Western Electric에서 AT&T 전기 장비 제조를 개선하기 위해 발명했다. 그 이후 이 방법은 제트 엔진부터 반도체, 컨테이너선에 이르기까지 온갖 제조 분야에 성공적으로 적용되었다.
흥미롭게도 AT&T의 가장 중요한 기술적 기여 가운데 일부, 즉 진공관, 음귀환 증폭기, 트랜지스터, 레이저는 모두 전자기 신호를 증폭하기 위한 새롭고 더 나은 증폭기를 만들려는 노력의 산물이었다. 증폭기는 Bell System에서 핵심적인 역할을 했으며, 무엇보다 장거리 전화 연결을 가능하게 했다. 그러나 이 네 종류의 증폭기의 가치는 전화 통신을 훨씬 넘어섰다. 진공관은 20세기 전반 전자공학의 핵심 구성 요소가 되었고, 라디오에서 텔레비전, 초기 컴퓨터에 이르기까지 모든 것에 사용되었다. 음귀환 증폭기는 제어 이론이라는 학문 분야의 탄생을 도왔고, 이 이론은 오늘날 사실상 모든 자동화 기계의 설계에 사용된다. 트랜지스터는 현대 디지털 컴퓨팅과 그 위에 세워진 모든 것의 토대다. 그리고 레이저는 광섬유 통신부터 산업용 절단기, 바코드 스캐너, 프린터에 이르기까지 모든 곳에 쓰인다.
AT&T가 왜 더 좋고 더 좋은 증폭기를 만드는 데 그토록 강한 동기를 가졌는지, 그리고 왜 그 노력이 এত 많은 변혁적 발명을 낳았는지를 살펴볼 가치가 있다.
1876년 Alexander Graham Bell은 다른 방에 있던 조수 Thomas Watson을 불러 세계 최초의 전화 통화를 했다. 1881년까지 Bell의 회사인 Bell Telephone Company는(이 회사가 American Telephone and Telegraph, 즉 AT&T가 되는 것은 1899년의 일이다) 고객 10만 명을 확보했다. 세기말이 되자 AT&T는 미국에서 1,300개의 전화 교환국을 운영하며 200만 마일의 선로로 80만 명이 넘는 고객을 연결하고 있었다.
Bell System의 목표는 "보편적 서비스"였다. 즉 시스템 내의 모든 전화 사용자를 다른 모든 전화 사용자와 연결하는 것이었다. 그러나 20세기 초가 되자 이 목표는 기술적 한계에 부딪히고 있었다.
전화기는 사람이 말하는 소리를 전기 신호로 바꾸고, 그 신호를 선을 따라 반대편 전화기까지 보낸 다음, সেখানে 다시 소리로 변환했다. 더 구체적으로 말하면 초기 전화기에서는 사람이 말할 때의 소리가 탄소 과립으로 가득 찬 공간을 압축하고 팽창시켰고, 이로 인해 전기 저항이 달라져 통과하는 전류의 양이 변했다. 반대편에서는 전류가 전자석을 통과하며 얇은 철제 진동판을 끌어당겼고, 전류의 변동이 진동판의 움직임을 바꾸어 말을 재현했다.
하지만 전기 신호는 멀리 갈수록 더 많이 감쇠되었다. 신호를 운반하는 선의 저항은 전기 에너지 일부를 열로 바꾸었고, 전류는 인접한 전화선 사이로 "누설"될 수도 있었다. 전기 신호가 점점 약해질수록 재생된 소리는 점점 더 알아듣기 어려워졌고, 마침내는 전혀 들리지 않게 되었다. AT&T가 보편적 서비스를 제공하려면, 장거리를 이동하는 동안 전기 신호의 세기를 유지할 방법이 필요했다.
AT&T는 전기공학자 Michael Pupin의 발명인 로딩 코일을 사용해 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있었다. (로딩 코일이 추가된 선로는 때때로 "Pupinized"되었다고 불렸다.) 로딩 코일은 전화선에 _인덕턴스_를 추가했는데, 이는 전류 변화에 저항하는 성질로 신호 감쇠를 줄였다. 그 결과 로딩 코일은 전화 통화의 유효 거리 한계를 대략 두 배로 늘려, 약 1000-1200마일에서 2000마일에 더 가깝게 만들었다. 하지만 로딩 코일은 단지 신호 감쇠를 줄였을 뿐이었다. 신호는 여전히 선을 따라 이동하면서 약해졌고, 다만 더 천천히 약해졌을 뿐이다. 전화 신호를 실제로 _증폭_할 방법이 없다면 전화선의 최대 거리는 뉴욕과 덴버를 연결하기에는 충분했지만, 뉴욕에서 서해안까지 도달해 미국 전역을 연결하기에는 충분하지 않았다.
AT&T는 전기 신호를 기계적 운동으로 바꿨다가 다시 전기 신호로 바꾸는 여러 _기계식 증폭기_를 실험했지만, 이것들은 신호를 심하게 왜곡하는 것으로 드러났고 널리 사용되지 못했다. 필요한 것은 _전자식 증폭기_였다. 이것은 기계적 변환이 초래하는 손실과 왜곡 없이 전기 신호를 직접 증폭할 수 있어야 했다. 1911년 AT&T는 장거리 전송 문제를 해결하기 위해 특별 연구 부서를 만들었고, 전자의 "새 물리학"에 기반한 가능한 증폭기를 연구하도록 젊은 물리학자 Harold Arnold를 고용했다. 그는 훗날 Bell Labs의 첫 연구 책임자가 된다.
전자식 증폭: 파란색은 시간에 따라 변하는 입력 신호의 전압이다. 빨간색은 출력 신호의 증폭된 전압이다. 이 증폭기의 이득은 3으로, 출력 전압은 입력 전압의 3배다. 전류에 대해서도 비슷한 증폭이 가능하다. 출처: Wikipedia.
처음에 Arnold는 별다른 성과를 내지 못했다. 그는 다양한 가능한 증폭 기술을 검토했고, 처음에는 유망해 보였던 수은 방전관도 광범위하게 실험했지만, 어떤 것도 AT&T의 요구에 맞는 것 같지 않았다. 그러나 1912년 Arnold는 미국 발명가 Lee de Forest가 AT&T에 가져온 새로운 유망한 증폭기인 오디온에 대해 알게 되었다. De Forest의 오디온은 다시 영국 물리학자 Ambrose Fleming의 발명인 "Fleming valve"에 기반하고 있었다. Fleming은 이른바 "Edison Effect"에 대한 광범위한 실험에서 영감을 받았다. 이는 백열전구 안에서 가열된 필라멘트에서 가까운 금속판으로 전류가 흐른다는 관찰이다. Fleming은 이 효과를 이용해 다이오드를 만들었다. 다이오드는 전류가 한 방향으로는 흐르게 하고 다른 방향으로는 흐르지 못하게 하는 장치다. De Forest는 필라멘트와 판 사이에 금속 격자라는 세 번째 요소를 추가하여 Fleming의 밸브를 수정했다. 금속 격자의 전압을 변화시키면서, De Forest는 결국 필라멘트에서 판으로 흐르는 전류를 제어할 수 있다는 사실을 발견했다. 이로써 이 장치는 증폭기로 작동할 수 있었다. 전압의 작은 변화가 필라멘트에서 판으로 흐르는 전류에 훨씬 더 큰 변화를 일으킬 수 있었던 것이다.
오디온으로 만든 라디오 수신기. 출처: Wikipedia.
De Forest의 오디온은 성능이 고르지 못했다. 특히 전화선에 필요한 수준의 에너지를 처리할 수 없었다. 더구나 De Forest가 그 장치가 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지는 못했다는 점도 분명했다. 하지만 전자 물리에 정통했던 Arnold는 그 잠재력을 알아보았고, 수정을 가하면 다양한 한계를 극복할 수 있음을 깨달았다. 초기 라디오의 역사서인 "The Continuous Wave"에 따르면:
Arnold knew exactly what to do about the audion’s limitations. “I suggested that we make the thing larger, increase the size of the plate with the corresponding increases in the size of the grid but particularly at that time I suggested that we were not getting enough electrons from the filament.” What he wanted to do, in fact, was convert the de Forest audion into a different kind of device. He wanted a much higher vacuum in the tube, with residual gas eliminated to the greatest possible extent; and he knew the newly invented Gaede molecular vacuum pump made that possible. He wanted more electron emission from the filament without an increase in filament voltage; and he knew Wehnelt’s new oxide-coated filaments would do that.
오디온에 대한 권리를 5만 달러(2026년 달러 가치로 약 160만 달러)에 사들인 뒤, Arnold와 AT&T의 동료들은 그 다음 1년 동안 오디온을 실용적인 전자식 증폭기, 즉 3극 진공관으로 바꾸는 데 매달렸다. 1914년 6월에는 뉴욕과 샌프란시스코를 연결하는 대륙횡단 전화선에 진공관 증폭기가 설치되고 있었고, 1915년 1월 파나마-태평양 국제박람회에서 뉴욕의 Alexander Graham Bell과 샌프란시스코의 Thomas Watson 사이의 통화로 이 대륙횡단 회선이 개통되었다. 1920년대 후반이 되자 AT&T는 전화 시스템에 10만 개가 넘는 진공관을 사용하고 있었으며, 3극관과 그 후손들인 4극관과 5극관은 라디오, TV, 최초의 디지털 컴퓨터에 이르기까지 온갖 전자 장치에 사용되게 된다.
출처: Hong 2001.
전자 신호를 증폭하는 능력을 지닌 진공관은 AT&T 엔지니어들이 전화 서비스를 사고하는 방식에 큰 전환을 가져왔다. 전자식 증폭기 이전에는 전화 통화가 본질적으로 점점 약해지는 단일 전자기 에너지 흐름이었다. 그 에너지는 화자로부터 점점 더 멀리까지 전달될 수 있었지만, 그 대가로 충실도가 급격히 떨어졌다. 증폭기는 전화 통화를 _정보_의 흐름, 즉 그것을 운반하는 매체와 구별되는 신호로 생각할 수 있게 만들었다. 그 신호는 능숙하게 갱신되고, 변환되고, 새롭고 흥미로운 방식으로 수정될 수 있었다. 역사가 David Mindell이 지적하듯이:
…a working amplifier could renew the signal at any point, and hence maintain it through complicated manipulations, making possible long strings of filters, modulators, and transmission lines. Electricity in the wires became merely a carrier of messages, not a source of power, and hence opened the door to new ways of thinking about communications…The message was no longer the medium, now it was a signal that could be understood and manipulated on its own terms, independent of its physical embodiment.
진공관 증폭기 덕분에 AT&T는 마침내 미국 본토 어디서나 전화기끼리 연결하는 보편적 전화 서비스라는 꿈을 실현할 수 있었다. 하지만 진공관은 결코 완벽한 증폭기가 아니었다. 이상적인 증폭기는 입력과 출력 사이에 선형 관계를 가져, 입력 전류나 전압에 어떤 값을 곱하는 식으로 작동한다. 만약 이 관계가 비선형적이면 어떤 입력은 다른 입력보다 더 많이 곱해지고, 신호는 왜곡된다. 이런 왜곡은 말을 알아듣기 어렵게 만들 수 있으며, 여러 전화 통화를 실은 선에서는 한 통화의 말소리가 다른 통화에 들리는 누화도 만들어낼 수 있다.
진공관은 그 이전의 어떤 것보다 우수한 증폭기였지만 완벽하게 선형적인 증폭기는 아니었다. 그 증폭 곡선은 직선보다는 S자 형태에 가까워, 낮은 값은 덜 증폭하고 높은 값은 과도하게 증폭했다. 하나의 전화 통화만 운반하는 선로에서는 입력을 곡선의 선형 구간으로 제한함으로써 생기는 왜곡을 완화할 수 있었지만, AT&T가 반송파 변조를 채택해 하나의 선로에 서로 다른 주파수의 여러 통화를 실어나르기 시작하면서 왜곡은 더 큰 문제가 되었다.
1921년 23세의 전기 엔지니어 Harold Black이 AT&T에 입사했다. 그는 곧 수천 개의 반송파 변조 대화를 운반하는 대륙횡단 전화선의 미래 잠재력을 분석한 보고서를 내놓았다. 당시 반송파 변조는 하나의 선로에 많아야 세 통화를 실어 나르는 데 사용되고 있었다. Black의 분석은 그런 선로가 기존 진공관보다 훨씬 왜곡이 적은 증폭기를 필요로 한다는 사실을 보여주었고, Black은 개선된 증폭기를 개발하는 일을 부수 프로젝트로 시작했다.
처음에 Black은 단순히 왜곡이 더 적은 진공관을 만들려고 했고, AT&T의 많은 다른 사람들도 같은 프로젝트를 하고 있었다. Black과 다른 이들의 노력으로 더 고품질의 진공관이 만들어졌지만, Black이 목표로 했던 수준까지 왜곡을 줄이는 데 성공한 것은 없었다.
2년간 실패를 겪은 뒤 Black은 방향을 바꾸기로 했다. 완벽하게 선형인 증폭기를 계속 만들려고 하기보다는, 자신이 만드는 어떤 증폭기든 불완전할 수 있음을 받아들이고, 대신 그것이 도입하는 왜곡을 제거할 방법을 찾기로 한 것이다.
Black은 처음에는 입력 신호를 증폭기 출력에서 빼서 왜곡만 남긴 뒤, 그 왜곡을 증폭하고 다시 출력 신호에서 빼는 방식으로 이 문제를 해결하려 했다. 이 방법, 즉 "피드포워드 증폭기"는 작동은 했지만 잘 작동하지는 않았다. 두 개의 증폭기, 즉 원래 신호용 하나와 왜곡용 하나가 필요했고, 이 둘은 증폭 특성이 매우 정밀하게 맞아야 했다. 그런데 넓은 주파수 범위와 긴 시간 동안 그 정합을 유지하는 것은 어려웠다. Black이 나중에 회고했듯이:
For example, every hour on the hour —24 hours a day —somebody had to adjust the filament current to its correct value. In doing this, they were permitting plus or minus 1/2-to-l dB variation in amplifier gain, whereas, for my purpose, the gain had to be absolutely perfect. In addition, every six hours it became necessary to adjust the B battery voltage, because the amplifier gain would be out of hand. There were other complications too, but these were enough! Nothing came of my efforts, however, because every circuit I devised turned out to be far too complex to be practical.
Black은 그 후 몇 년 동안 이 문제와 씨름하다가, 1927년 어느 아침 출근길 페리를 타고 가던 중 갑자기 해법을 깨달았다. 전자기 신호는 양전압과 음전압 사이를 오가는 파동으로 이루어져 있었다. 만약 증폭기 출력의 일부를 취해, 그것이 증폭되기 전 입력 신호에서 빼면, 즉 음귀환으로 입력을 수정하면 왜곡을 상쇄할 수 있었다. 물론 이 방법은 입력 신호의 세기를 줄이므로, 신호가 얼마나 증폭되는지, 즉 이득을 크게 줄인다는 단점이 있었다. 하지만 그것은 괜찮았다. 왜곡이 워낙 많이 줄어들기 때문에 이런 증폭기 여러 개를 직렬로 연결해 필요한 만큼의 이득을 얻을 수 있었기 때문이다. 그리고 Black의 피드포워드 증폭기와 달리, 이 음귀환 증폭기는 자기 보정적이었다. 증폭기의 이득에 예상치 못한 변화가 생기면 그것이 피드백 신호의 변화가 되어 그 변화를 보상했다.
Black의 음귀환 증폭기에 대한 첫 출판물. 출처: Archive.org.
그해 말까지 Black은 왜곡을 100,000배 줄이는 음귀환 증폭기를 만들었다. 그러나 그는 자신의 발명의 장점을 다른 사람들에게 납득시키는 데 큰 어려움을 겪었다. 당시 전기 엔지니어들 사이에서 피드백은 대체로 바람직하지 않은 것으로 여겨졌다. 피드백은 증폭기가 "노래하게" 만들어 스스로 출력을 만들어내기 시작하게 할 수 있었는데, 이를 자려진동이라고 불렀다. 이렇게 되면 입력 신호가 압도된다. 이는 마이크를 스피커 가까이에 둘 때 나는 날카로운 소리를 떠올리면 된다. 엔지니어들은 피드백 관련 문제를 막기 위해 상당한 노력을 기울였다.
당시에는 높은 수준의 피드백을 지닌 증폭기는 근본적으로 불안정할 것이라고 믿어졌다. Black의 증폭기에 대한 반대는 너무 심해서 미국 특허를 얻으려면 "특허청과 길고도 지루한 논쟁"이 필요했고, 영국 특허청은 이 발명을 영구기관처럼 취급하며 작동 모형을 요구했다. 그 무렵 Bell Labs의 연구 책임자가 되어 있던 Harold Arnold는 "음귀환 증폭기를 받아들이기를 거부했고, 대신 Black에게 전통적인 증폭기를 설계하라고 지시했다."
실제로는 증폭기를 안정적으로 유지하면서도, 즉 자려진동을 피하면서, 여러 증폭기를 순차적으로 연결하는 것이 복잡한 문제로 드러났다. 이 문제는 다른 두 명의 Bell Labs 연구원 Harry Nyquist와 Henrik Bode의 도움 덕분에 부분적으로 해결되었다. Nyquist와 Bode는 음귀환 증폭기의 거동을 연구하고, 그것을 분석하고 어떤 조건에서 안정적인지를 판단하는 수학적 도구를 만들었다.
이런 노력들이 합쳐져 Black의 발명은 전자공학의 주류가 되었다. 25년 이내에 Black, Nyquist, Bode 및 다른 이들의 작업 덕분에 음귀환의 원리는 "어떤 목적이든 사용되는 증폭기에 거의 보편적으로 적용"되었고, 오늘날에도 현대 증폭기 설계에 계속 사용되고 있다.
Bell Labs의 음귀환 연구가 미친 영향은 증폭을 훨씬 넘어 울려 퍼졌다. 기계공학에는 조속기나 서보 메커니즘 같은 장치 설계에서 피드백 기반 장치의 병행 전통이 존재했다. 제2차 세계대전 동안 이 두 전통은 제어 이론이라는 현대 학문으로 융합되기 시작했다. 제어 이론은 피드백을 사용해 동적 시스템을 제어하는 방법을 연구한다. 제어 이론 방법으로 설계된 피드백 루프는 사실상 모든 자동화 시스템의 토대다. 항공기 자동조종장치, 로봇 팔, 화학 플랜트, 전체 전력망 모두 피드백 기반 제어 루프를 사용하며, Black, Nyquist, Bode 등이 음귀환 증폭기를 분석하기 위해 만든 도구는 오늘날에도 전 세계 제어 엔지니어들이 사용하고 있다.
음귀환으로 왜곡이 줄어들었다 해도, 진공관은 여전히 이상적인 증폭기와는 거리가 멀었다. 진공관은 본질적으로 크게 변형된 전구이며, 초기 전구와 비슷한 단점을 지녔다. 필라멘트를 가열하는 데 많은 전력이 들고, 시간이 지나면 관이 타버려 교체해야 했다. 1936년 연구 책임자로 승진한 Bell Labs 물리학자 Mervin Kelly는 Bell System의 진공관 증폭기와 기계식 릴레이를 고체 장치로 대체하고 싶어 했다. 이는 고체 덩어리 안에서 전자가 움직이는 방식으로 스위칭이나 증폭이 이루어지는 장치다. 승진 직후 Kelly는 당시로서는 새로운 양자역학 물리에 익숙하고 고체 물질의 거동을 더 잘 이해하는 데 도움을 줄 수 있는 물리학자들을 고용하기 시작했다. 1938년 Kelly는 고체 연구에 특별히 전념하는 그룹을 만들었고, 이 팀은 _반도체_를 사용해 고체 증폭기를 만들기 시작했다. 반도체는 실리콘, 게르마늄, 산화구리처럼 전도도가 크게 달라질 수 있는 물질이다. 이 그룹은 진전을 보였다. 가장 두드러진 사례는 1939년 Russell Ohl이 실리콘 막대에서 우연히 광전지를 만들면서, 실리콘 속의 소량 불순물이 실리콘의 전도도에 극적으로 영향을 줄 수 있다는 사실을 발견한 것이다. 하지만 이 연구는 곧 전시 우선순위 때문에 중단되었다.
전쟁이 진행되면서 Kelly는 전시의 과학기술 발전이 통신 산업을 뒤흔들 잠재력이 있으며, AT&T가 선두를 유지하려면 관련 과학을 숙달해야 한다는 점을 인식했다. 그는 Bell Labs가 1936년에 채용했고 1938년부터 고체 장치를 연구해 온 물리학자 William Shockley가 이끌 새로운 대규모 고체물리 연구 프로그램을 구상했다.
전쟁 중 Shockley는 잠수함전 전술 설계와 B-29 승무원에게 레이더 조준장치 사용을 훈련하는 일 등 반도체와 무관한 여러 문제를 다루었다. 하지만 그는 고체 증폭기 연구도 이어갔다. 1945년 4월, 전쟁이 끝나기 몇 달 전, Shockley는 도핑된 실리콘으로 만든 장치를 구상하기 시작했다. 도핑된 실리콘은 소량의 불순물을 넣은 실리콘이다. Shockley는 외부 전기장을 이용해 실리콘의 전도도를 바꾸고, 그를 통해 흐르는 전류를 증폭하고자 했다. 그러나 초기 실험은 실패로 끝났다.
몇 달 뒤 Kelly는 Bell Labs의 연구 프로그램을 재편해, Shockley가 이끄는 더 크고 완전히 고체물리에 전념하는 새 그룹을 만들었다. 이 그룹에 합류한 사람들 가운데는 1929년 Bell Labs에 입사해 이전에 산화구리 반도체를 연구했던 물리학자 Walter Brattain과, Naval Ordnance Laboratory에서 온 신입 연구원 John Bardeen이 있었다. 두 사람 모두 새 고체물리 그룹 안에서 특별히 반도체 연구에 전념하는 하위 팀의 일원이었다.
Bardeen이 합류한 직후 Shockley는 왜 실리콘 증폭기가 작동하지 않았는지를 알아내기 위해 자신의 계산을 검토해 달라고 요청했다. Bardeen은 Shockley의 작업을 연구했고, 결국 전자들이 물질 표면에 "갇혀" 전기장이 내부로 침투해 전도도를 바꾸는 것을 막고 있을 수 있다는 이론을 세웠다. 반도체 그룹은 이런 "표면 상태"를 연구하기 시작했고, 거의 2년의 실험 끝에 돌파구가 찾아왔다.
Brattain은 빛을 비추어 실리콘과 게르마늄의 표면 상태를 연구하고 있었다. 만약 표면 상태가 존재한다면, 빛이 광전 효과를 통해 일부 전자를 떼어내어 "반도체 조직에 구멍을 찢어낼" 것이었다. Brattain은 실제로 그런 전자 교란이 일어나고 있을 뿐 아니라, 실리콘 조각 표면 위에 있는 전극의 전하를 변화시킴으로써 광전 효과의 세기를 크게 바꿀 수 있다는 사실도 발견했다. 즉 표면 상태 그 자체를 조작할 수 있었다.
1947년 11월 21일, Brattain의 발견 며칠 뒤, Bardeen은 표면 상태를 조작하는 이 능력을 이용해 증폭기를 만들자고 제안했다. 그들은 도핑된 실리콘 조각 표면에 날카로운 금속 끝을 올려놓고, 그것을 전해질로 둘러쌌다. 전해질 안에 작은 선을 넣고 그 전압을 변화시키면, 실리콘의 전도도와 따라서 금속 끝을 통해 흐르는 전류량을 바꿀 수 있다고 믿었다.
실험은 성공했다. 전해질에 전압을 가하자 금속 끝을 통해 흐르는 전류가 약 10% 증가했다. 그날 밤 Brattain이 차를 타고 집에 가며 카풀 동료들에게 자신이 "인생에서 하게 될 가장 중요한 실험"에 참여했다고 말한 것도 무리가 아니었다.
그 후 몇 주 동안 Bardeen과 Brattain은 새 실리콘 증폭기를 계속 개선했다. 처음에는 성능이 좋지 않아 전류만 겨우 증폭했고, 전압은 전혀 증폭하지 못했으며, 매우 낮은 전기 주파수에서만 작동했다. 하지만 결국 실리콘을 게르마늄으로 바꾸면 장치가 전류와 전압을 모두 증폭할 수 있고, 전해질을 제거하면 넓은 주파수 범위에 걸쳐 전압을 증폭할 수 있다는 사실을 알아냈다.
12월 중순이 되자 Bardeen과 Brattain은 배운 것을 적용할 준비가 되었다. 그들은 도핑된 게르마늄 조각 표면에 부착된 두 개의 얇은 금박 조각으로 이루어진 새 장치를 만들었고, 둘 사이의 간격은 겨우 1인치의 500분의 1이었다. 그들은 각 금박 조각에 하나씩 선을 연결하고, 세 번째 선은 게르마늄 조각에 연결했다. 한쪽 금박 선의 전류를 변화시키면 다른 금박 선을 통해 흐르는 전류가 증폭될 것이라고 판단했다.
실제로 그랬다. 이 장치를 사용해 넓은 주파수 범위에서 전류와 전압을 모두 증폭할 수 있었다. Bardeen과 Brattain은 고체 증폭기를 만들어낸 것이다.
1948년 초가 되자 Bell Labs는 Bardeen과 Brattain의 증폭기 복제품을 거의 100개 제작했고, 이 장치가 곧 _transistor_라는 이름을 얻게 되기 전에, 다양한 전자 장치에 어떻게 사용할 수 있을지 시험하고 있었다. 5월 말까지 Bell Labs 엔지니어들은 트랜지스터 기반 전화 중계기를 만들었다. 6월 30일 기자회견에서 Bell Labs는 세상에 트랜지스터를 발표했다.
We have called it the Transistor, T-R-A-N-S-I-S-T-O-R, because it is a resistor or semiconductor device which can amplify electrical signals as they are transferred through it from input to output terminals. It is, if you will, the electrical equivalent of a vacuum tube amplifier. But there the similarity ceases. It has no vacuum, no filament, no glass tube. It is composed entirely of cold, solid substances.
그 이후의 이야기는 물론 역사다.
Bell Labs는 트랜지스터를 더 신뢰성 있게 만드는 방법을 찾아냈고, 1949년에는 수천 개 단위로 생산하고 있었다. Bardeen과 Brattain의 발견에 참여하지 못한 것에 불만을 품은 William Shockley는 대안적 반도체 증폭기인 접합 트랜지스터를 설계하는 데 몰두했다. 1950년 Bell Labs 물리학자 Gordon Teal과 Morgan Sparks가 처음 성공적으로 제작한 Shockley의 접합 트랜지스터는 점접촉 트랜지스터보다 훨씬 더 신뢰성이 높았고, 1960년대에 MOSFET이 등장하기 전까지 가장 널리 사용되는 트랜지스터가 되었다. 1956년 Shockley, Bardeen, Brattain은 "트랜지스터 효과"의 발견으로 노벨 물리학상을 공동 수상하게 된다. 그때쯤 Shockley는 Bell Labs를 떠나 자신의 반도체 회사 Shockley Semiconductor Lab을 세운 상태였다. 1957년에는 불만을 품은 직원 8명이 Shockley의 회사를 떠나 Fairchild Semiconductor를 창업한다. 다시 Fairchild를 떠난 직원들은 자신들의 반도체 회사를 세웠고, 소위 "Fairchildren"은 Intel과 AMD를 포함해 Silicon Valley의 토대가 되었다. 세상은 다시는 같지 않았다.
Shockley, Bardeen, Brattain이 1940년대에 반도체를 실험하고 있던 무렵, Bell Labs의 또 다른 물리학자 Charles Townes는 마이크로파를 연구하고 있었다. 19세기 후반 라디오가 발명된 이후, 이 기술은 전자기 스펙트럼 위로 꾸준히 올라가며 더 짧고 더 짧은 파장을 사용하는 방법을 찾아 발전해 왔다. 그 이유는 여러 가지였다. 더 짧은 파장은 더 많은 정보를 실을 수 있었고, 전자기 스펙트럼의 특정 구간에 수용할 수 있는 이용자 수에는 한계가 있었으며, 더 짧은 파장의 안테나는 더 작게 만들 수 있었고, 더 짧은 파장을 쓰는 레이더는 더 세밀한 정보를 분해할 수 있었다. 1920년대 사용되던 가장 짧은 파장은 길이가 수십 미터였지만, 제2차 세계대전 무렵에는 이것이 센티미터 단위로 줄어들었고, 이를 마이크로파라고 불렀다. 전쟁 중 Townes는 군의 요청에 따라 점점 더 짧은 파장의 마이크로파 레이더를 설계했다. Townes가 파장 10센티미터짜리 레이더를 설계하면, 곧 3센티미터짜리를 만들어 달라는 요청을 받았고, 그것을 만들면 다시 1.25센티미터 파장을 요구받았다.
하지만 더 작고 더 작은 파장을 달성하려는 압박은 기술적 한계에 부딪히고 있었다. 더 짧고 더 짧은 파장을 생성하고 증폭하려면 더 작고 더 작은 부품이 필요했다. 파장이 밀리미터 범위에 이르자, 신호를 생성하는 부품은 제조 자체가 비현실적일 정도로 작아졌고, 그 작은 부품에 충분한 전력을 흘리는 것도 비현실적이었다. 필요한 것은 미시적인 부품을 만들지 않고도 라디오 신호를 생성하고 증폭할 수 있는 새로운 방식이었다.
1948년 Townes는 Bell Labs를 떠나 Columbia University로 갔고, 그곳에서 마이크로파 분광학 관련 연구를 pursued했다. Townes는 밀리미터 수준의 점점 더 짧은 파장의 마이크로파를 사용해 분자와 원자핵을 연구하고자 했다. 그의 관심과 전문성, 그리고 더 짧은 파장의 복사가 레이더나 다른 군사적 용도로 유용할 수 있다는 점 때문에, 1950년 미 해군은 Townes에게 밀리미터파 복사에 관한 자문 그룹을 조직해 달라고 요청했다. 해군이 이 분야의 유망한 발전을 계속 파악할 수 있도록 하기 위해서였다. 아직 밀리미터파를 생성하는 좋은 방법이 없었기 때문에, 이 그룹의 노력 대부분은 그것을 생성할 방법을 생각하는 데 집중되었다.
1951년 4월, 위원회의 하루 종일 이어지는 회의가 있던 날 아침, Townes는 일찍 잠에서 깨어 근처 공원의 벤치에 앉아 밀리미터파 복사를 생성할 방법을 생각하기 시작했다. Townes는 어떤 분자들이 마이크로파 파장에서 에너지를 방출한다는 것을 알고 있었다. 그렇다면 작고 복잡한 전자 부품 대신, 분자 자체를 사용해 자신과 다른 이들이 찾고 있던 짧은 밀리미터파를 생성할 수 있지 않을까?
이 생각은 처음에는 그다지 유망해 보이지 않았다. 분자는 분명 에너지를 흡수한 뒤 복사를 방출하겠지만, 필연적으로 흡수한 것보다 적은 에너지를 방출할 것이다. 분자 집합에 빛을 비추거나 신호를 보내고 더 강한 신호를 되돌려받을 수는 없었다. 가열된 분자는 에너지를 방출하겠지만, 마이크로파를 생성하려면 너무 뜨거워져 개별 원자로 분해될 정도가 되어야 했다.
Townes는 분자가 전자기 신호를 증폭하게 만드는 한 가지 방법을 알고 있었다. 바로 유도 방출이다. 보통 원자나 분자가 광자를 맞으면 에너지 준위가 올라간다. 그리고 나중에 정상 상태로 되돌아가면서 광자를 방출한다. 하지만 이미 높은 에너지 상태에 있는 동안 광자를 맞으면, 정확히 같은 주파수의 두 번째 광자를 방출한다. 하나의 광자가 둘이 되는 것이다.
유도 방출.
대부분의 분자는 대개 높은 에너지 상태가 아니라 낮은 에너지 상태에 있으므로, 어떤 증폭도 여분의 광자가 흡수되면서 곧 사라지고 말 것이다. 하지만 Townes는 만약 분자 집합이 그 대부분이 높은 에너지 상태에 있도록 유도될 수 있다면, 즉 "개체수 역전" 상태가 된다면, 유도 방출의 연쇄가 일어날 수 있다는 사실을 깨달았다. 높은 에너지의 분자를 친 하나의 광자는 둘이 되고, 그 각각이 다른 높은 에너지 분자를 때려 넷이 되고, 다시 여덟이 되고, 열여섯이 될 수 있다. 소량의 전자기 복사가 엄청나게 증폭될 수 있는 것이다. 충분히 많은 분자가 들뜬 상태에 있다면, Townes는 원리상 "얻을 수 있는 에너지의 양에는 한계가 없다"는 사실을 깨달았다.
공원에 앉은 Townes는 주머니에서 봉투를 꺼내 이런 장치가 어떻게 작동할 수 있을지 계산해 보았다. 적절히 자극된 분자 흐름을 공진기, 즉 적절한 파장의 전자기 복사를 반사하는 공동에 공급하면, 공진기 내부에서 생성된 어떤 전자기 복사도 앞뒤로 튕기며 분자들을 지날 때마다 더 많은 광자가 생겨 에너지를 얻게 된다. 이 장치는 들어오는 신호가 개체수 역전 분자들을 통과하는 동안 그것을 증폭할 것이다. 그리고 공진기가 파동을 분자들 사이로 앞뒤로 반사시키기 때문에, 이는 피드백의 한 형태이며, 장치는 발진기, 즉 전자기 신호의 발생기로도 작동할 수 있다. 출력은 분자들이 얼마나 빨리 공진기로 에너지를 실어 나르느냐에 의해서만 제한될 것이다.
몇 달 뒤 Townes는 자신의 대학원생 Jim Gordon에게 다른 대학원생 Herb Zeiger의 도움을 받아 이 장치를 만들라는 과제를 맡겼다. 그 후 몇 년 동안 Gordon은 이 야심 찬 개념을 구현하기 위해 부지런히 노력했다. 많은 물리학자들은 이 아이디어를 유망하지 않다고 여겼다. 한때 프로젝트가 시작된 지 몇 년이 지난 시점에 Townes의 학과 현직 및 전직 학과장인 Isidor Rabi와 Polykarp Kusch는 Townes에게 짜증 섞인 말로 이렇게 말했다. "당신이 하고 있는 일은 그만두는 게 좋겠소. 그건 작동하지 않을 거요. 당신도 안 될 걸 알고 있소. 우리도 안 될 걸 알고 있소. 돈만 낭비하고 있소. 그냥 그만두시오!" 그러나 마침내 1954년, Kusch가 그 장치는 작동하지 않을 것이라고 주장한 지 몇 달 뒤, Gordon은 자극된 암모니아 분자 집합에서 증폭과 발진을 모두 입증하는 데 성공했다. 그들은 이 장치를 maser라고 불렀는데, 이는 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자였다.
일단 개발된 메이저는 결국 "세계에서 가장 민감한 라디오 증폭기"로 입증되었고, 기존 마이크로파 증폭기보다 한 자릿수 크기만큼 더 민감했다. 1955년에 Gordon을 채용한 Bell Labs는 1960년대 초 발사한 Echo와 Telstar 위성의 신호를 증폭하는 데 메이저를 사용했다. 메이저는 또한 천문학용 전파망원경에도 쓰였다. 하지만 메이저는 단점도 있었다. 특히 절대영도보다 몇 도 높은 수준까지 냉각해야 했다. 그래서 다른 저잡음 증폭기가 개발되면서 점점 더 특수한 용도로 밀려나게 되었다.
메이저의 가장 큰 영향은 아마 그것이 영감을 준 발명이었을 것이다. 1957년 Charles Townes는, 더 짧고 더 짧은 전자기파를 생성하는 문제에 여전히 몰두한 채, 메이저를 그런 작업에 어떻게 적용할 수 있을지 고민하기 시작했다. 역사적으로 라디오는 점진적으로, 한 번에 한 단계씩 더 짧은 파장으로 발전해 왔다. 하지만 Townes는 메이저를 이용하면 마이크로파 파장, 대략 1미터에서 1밀리미터 사이, 에서 곧바로 적외선이나 심지어 가시광 파장, 대략 0.000000380에서 0.000000750미터, 까지 건너뛰는 것이 똑같이 쉽거나 어쩌면 더 쉬울 수도 있다고 깨달았다. 이 무렵 Townes는 시간제 자문역으로 Bell Labs에 다시 합류해 있었고, Townes와 또 다른 Bell Labs 물리학자 Art Schawlow는 자신들이 "광학 메이저"라고 부른 것의 물리를 함께 검토했다. 1958년 그들은 그 아이디어를 개괄한 논문을 발표했다.
Townes와 Schawlow의 논문이 발표된 뒤, 곧 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation을 뜻하는 laser라고 불리게 될 광학 메이저를 만들기 위한 경쟁이 시작되었다. 최초로 성공한 레이저는 1960년 Hughes Aircraft의 Theodore Maiman이 루비 결정으로 만들었지만, 다른 성공 사례들도 빠르게 뒤따랐다. 곧 매우 다양한 재료가 "레이저 발진"을 할 수 있다는 사실이 밝혀졌고, 얼마 지나지 않아 가스, 염료, 유리, 반도체 등으로 만든 레이저가 등장했다. 1964년 Townes는 "메이저-레이저 원리"에 대한 공로로 노벨 물리학상을 받게 된다.
레이저는 그 안으로 들어온 신호를 증폭할 수 있었지만, 실제로는 원래 신호를 만들어내는 발진기, 즉 발생기로서 훨씬 더 유용한 것으로 드러났다. 1959년 Art Schawlow는 레이저가 증폭기보다 발진기로 더 유용할 것이라고 믿고, 농담으로 이름을 LOSER로 바꾸자고 제안했다. 틈새 용도에 제한되었던 메이저와 달리, 레이저는 매우 다양한 작업에 유용한 것으로 밝혀졌다. Maiman의 시연이 있은 지 불과 2년 만에 레이저는 안과 수술에 사용되었다. 1968년에는 미 공군이 실전에서 레이저 유도 폭탄을 투하하고 있었다. 1971년 Xerox PARC 연구원들은 최초의 레이저 프린터를 만들었고, 1974년에는 최초의 레이저 기반 바코드 스캐너가 설치되고 있었다. 1980년에는 반도체 레이저를 사용하는 최초의 상업용 광섬유 회선이 제공되기 시작했다. 전자기 스펙트럼 위로 계속 올라가고, 광학 파장의 전자기 복사를 통신에 사용할 수 있었던 것은 레이저가 결맞은 빛, 즉 모두 같은 주파수와 같은 위상을 가진 빛을 생성할 수 있는 능력 덕분이다.
Bell Labs의 연구에서 비롯된 이 다양한 증폭기들은 왜 그렇게 가치가 컸을까?
부분적으로는 전자식 증폭기가 매우 유용한 정보 처리 장치이기 때문이다. 증폭기는 전자기 신호를 증폭할 수 있을 뿐 아니라 전자식 스위치로도 작동할 수 있다. 그리고 증폭기의 출력을 그 입력으로 되돌리면, 증폭기는 발진기, 즉 전자기 신호의 발생기로도 작동할 수 있다. 이것들은 모두 유용한 정보 처리 작업이며, 새롭고 더 나은 증폭기가 만들어질 때마다 수행할 수 있는 정보 처리의 종류가 확장되었다. 따라서 이 증폭기들이 가치가 있었던 것은 전자적 정보 처리가 가치 있기 때문이며, 이 증폭기들이 모두 정보 처리의 범위를 크게 넓혔기 때문이다.
하지만 더 넓고, 다소 더 추상적인 이유도 있다. 많은 중요한 기술은 대체로 어떤 방식으로든 증폭기로 작동한다. 예를 들어 생물학에서 가장 중요한 발명 가운데 하나는 중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR이다. PCR은 본질적으로 DNA 증폭기다. DNA 서열의 사본을 수백만 개 만들어, 그것들을 훨씬 더 쉽게 연구할 수 있게 하고 유전자 서열 분석 가격의 극적인 하락 같은 일을 가능하게 한다. PCR의 발명가 Kary Mullis는 이 발명으로 1993년 노벨 화학상을 공동 수상했다.
중요한 증폭기의 사례는 넘쳐난다. 증폭기 자체가 풍요를 만들어내는 데 도움이 되기 때문이다. 화학 반응의 증폭기로 생각할 수 있는 화학 촉매는 자동차의 촉매 변환기부터 석유 제조에 이르기까지 모든 곳에 쓰인다. 지레나 도르래 같은 단순 기계는 힘을 증폭하고, 현미경과 망원경은 시각적 세부를 증폭한다. 산업 발효, 원자로, 인쇄기, Xerox 복사기, 부분지급준비 은행제도까지, 모두 일종의 증폭기로 생각할 수 있다.
따라서 이 네 가지 증폭기가 중요했던 이유 중 하나는 _일반적으로 증폭기라는 것 자체가 중요하기 때문_이다. 증폭기는 전자기 신호, DNA 조각, 책 한 권의 사본처럼 유용한 무언가를 가져와 그것을 훨씬 더 많이 얻을 수 있게 만들고, 그런 일을 하는 기술은 흔히 그 자체로 특히 유용하다.
단순화를 위해, 이 글에서는 Bell Labs가 공식적으로 법인화되기 전에 AT&T에서 수행한 연구도 Bell Labs가 수행한 것으로 간주한다.
