반도체가 등장하기 훨씬 전, 전자의 흐름을 다루는 진공관을 중심으로 거대한 기술 생태계가 형성되었다. 진공관의 기원과 확산, 그리고 오늘날까지 이어지는 응용을 살펴본다.
지난 수십 년의 기술 진보는 상당 부분, 반도체와 그 생산 기술로 할 수 있는 일을 점점 더 많이 찾아내는 과정이었다. 마이크로칩은 거의 모든 자동차, 항공기, 가전제품, 전자기기에 들어갔다. 발광다이오드(LED)는 백열전구 같은 오래되고 비효율적인 조명 방식을 꾸준히 대체하고 있다. 태양광(광전) 패널은 역사상 가장 빠르게 보급된 에너지원이 되었다. 반도체 레이저는 광섬유 통신을 가능케 했다. 반도체 기반 전하결합소자(CCD)와 CMOS 센서는 디지털 이미징에 사용된다. 목록은 끝이 없다.
하지만 트랜지스터가 발명되기 수십 년 전에도, 전자의 흐름을 조작하는 장치—진공관—를 중심으로 또 하나의 거대한 기술 생태계가 구축되었다. 20세기 전반에 진공관 기술은 라디오에서 TV, 초기 컴퓨터에 이르기까지 온갖 기기에 스며들었다. 그리고 오늘날의 반도체처럼, 진공관도 전자 논리만을 위한 것이 아니었다. 진공관이 활용한 현상은 조명과 디스플레이부터 비디오 카메라와 레이더까지 폭넓게 적용될 수 있었다. 진공관은 오래전에 대체된 고대의 기술처럼 느껴지지만, 그 위에 세워진 기술적 구조물의 상당 부분은 여전히 남아 있다.
진공관은 내부가 배기된 관(대개는, 하지만 항상 그런 것은 아니고 유리로 만든)으로, 그 안에 전극이 들어 있으며 전극 사이로 전자가 흐른다. 이 관과 그 파생형·기술적 사촌들은 두 갈래의 병렬적 발전 흐름에서 태어났다.
첫 번째 계통은 ‘가스 방전관(gas discharge tube)’이라 불리는 장치에서 비롯된다. 이는 매우 희박한 기체(농도와 압력이 매우 낮은 기체) 속으로 전기가 방전되는 관이다. 독일 과학자 오토 폰 게리케(Otto von Guericke)가 1650년에 최초의 진공 펌프를 발명한 직후, 초기 과학자들은 이런 펌프를 이용해 고도로 희박한 기체를 연구하기 시작했다. 희박한 기체에 전류를 흘리면 다채롭게 빛난다는 사실이 관찰되었지만, 오랫동안 이는 대체로 흥미로운 호기심 정도로 여겨졌다.
가스 방전관에서 빛나는 기체. 음극 근처의 빛과 양극 근처의 빛 사이에 어두운 공간이 보인다. 출처: Wikipedia.
희박한 기체에 대한 전기의 영향이 더 진지하게 연구되기 시작한 것은 1830년대, 영국의 화학자이자 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 실험 이후였다. 패러데이는 다양한 희박 기체에 전류를 흘려 다채로운 발광을 관찰했고, 두 전극 사이에 존재하는 기묘한 ‘어두운 공간(dark space)’도 관찰했다. 패러데이는 명망 있는 과학자였고, 다른 이들도 그의 연구에 주목했다. 1855년, 패러데이를 “숭배(idolized)”했던 독일 과학자 율리우스 플뤼커(Julius Plücker)는 패러데이의 실험을 재현하려고 했다. 플뤼커는 실험을 위해 저명한 기기 제작자 하인리히 가이슬러(Heinrich Geissler)에게서 고도로 배기된 유리관을 구했다. 가이슬러는 이전의 어떤 펌프보다 훨씬 높은 진공도를 달성할 수 있는 진공 펌프를 만들었고, 그의 관은 백금 리드인 와이어(platinum lead-in wires) 덕분에 다양한 온도 범위에서 작동할 수 있었다. (백금은 유리와 열팽창 계수가 거의 같다. 수십 년 뒤 에디슨은 첫 백열전구에서도 같은 방식—백금 리드인 와이어—을 사용했다.) 이 관들은 훗날 ‘가이슬러 관(Geissler tube)’이라 불리게 된다.
플뤼커는 “점점 더 복잡해지는(w/ ever-escalating complexity)” 정교하고 고도로 배기된 유리관들을 사용해 패러데이의 발자취를 따라, 고도로 희박한 기체를 통한 전기 방전의 거동을 탐구했다. 실험 중 플뤼커는 음전하 전극(음극, cathode)에서 무언가가 방출되는 것처럼 보이는 현상을 관찰했다. 이 방출물은 직선으로 움직였고, 자기장에 의해 휘어질 수 있었으며, 양전하 전극(양극, anode) 근처의 관 벽을 녹색으로 빛나게 했다. 윌리엄 크룩스(William Crookes)와 플뤼커의 협력자 요한 히토르프(Johann Hittorf) 등 다른 과학자들이 이 방출물을 더 연구했고, 마침내 이는 ‘음극선(cathode rays)’으로 알려지게 되었다. 음극선을 연구하는 데 쓰인 관들은 ‘히토르프 관(Hittorf tube)’ 또는 ‘크룩스 관(Crookes tube)’이라 불리기 시작했으며, 물질의 본성을 연구하는 중요한 과학 기기가 되었다. 1895년, 독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Roentgen)은 크룩스 관으로 음극선을 연구하다가 X선을 발견했고, 이로써 1901년 최초의 노벨 물리학상을 받았다. 1897년, 영국 물리학자 J. J. 톰슨(J.J. Thomson)은 음극선이 실제로 음전하를 띤 입자들의 흐름임을 발견했는데, 이 입자들은 ‘전자(electrons)’라 불리게 되었고, 그는 이 업적으로 1906년 노벨 물리학상을 받았다.
19세기 각종 실험용 진공관. 출처: Shiers 1974.
진공관의 또 다른 발전 계통은 백열등에서 출발했다. 1802년 영국 과학자 험프리 데이비(Humphry Davy)는 얇은 백금 띠를 “엄청난 크기의 배터리(battery of immense size)”에 연결해 백열등을 만들었다. 이후 수십 년 동안 12명 이상의 과학자와 발명가가 필라멘트를 진공 또는 불활성 기체가 들어 있는 유리 벌브에 넣는 방식으로 백열등을 만들려 시도했다. 그러나 실용적인 백열전구는 1879년에야, 미국의 토머스 에디슨(Thomas Edison)과 영국의 조지프 스완(Joseph Swan)이 동시에 발명했다. 에디슨의 성공은 상당 부분 이전보다 더 높은 진공도를 달성한 덕분이었는데, 이는 1865년에 처음 발명된 스프렝겔 수은 진공펌프(Sprengler mercury vacuum pump)를 대폭 개조한 장치로 얻어졌다.
초기의 백열전구는 시간이 지나면서 내부가 서서히 그을려(검게 변해) 방출하는 빛이 줄어들고 결국 사용할 수 없게 되는 경향이 있었다. 에디슨은 이 현상을 없애고자 연구하던 중 여러 램프의 전구 내부에 작은 금속판을 넣었다. 그러자 이 금속판에서 예상치 못한 전류가 흐르는 현상이 발견되었고, 에디슨은 이를 소박하게 ‘에디슨 효과(Edison Effect)’라고 불렀다. (오늘날 우리는 이 전류가 열전자 방출(thermionic emission), 즉 뜨거운 전구 필라멘트에서 전자가 방출되기 때문에 발생한다는 것을 알고 있다.)
20세기 전환기에는 두 종류의 장치—크룩스 관을 비롯한 유사한 가스 방전관, 그리고 에디슨 효과 램프 실험 장치—에서, 고도로 배기된 유리관 내부의 전극 사이로 전자가 흐르고 있었다. 이후 수십 년 동안 이 두 장치는 폭넓은 진공관 기술을 낳게 된다.
1880년대 영국의 과학자이자 엔지니어인 존 플레밍(John Fleming)은 에디슨 효과를 연구하기 시작했고, 전류가 뜨거운 필라멘트에서 금속판으로는 흐르지만 그 반대 방향으로는 흐르지 않는다는 사실을 발견했다. 1904년 플레밍은 이 현상을 이용해 초기 라디오에서 교류를 직류로 변환하는 정류기 역할을 하는 진공관, 플레밍 밸브(Fleming Valve)를 만들었다. 그로부터 얼마 지나지 않아 미국 발명가 리 드 포리스트(Lee de Forest)는 더 나은 라디오 신호 검출기를 발명하려는 과정에서, 플레밍 밸브의 음극과 양극 사이에 세 번째 요소—금속 격자(grid)—를 추가했다.
드 포리스트는 결국 금속 격자의 전압을 바꾸면 음극에서 양극으로 흐르는 전류를 제어할 수 있어 장치가 증폭기 역할을 할 수 있음을 알아냈다. 드 포리스트는 자신이 ‘오디온(Audion)’이라 이름 붙인 장치가 어떻게 작동하는지 거의 이해하지 못했다. 그는 (잘못되게도) 관 내부에서 기체의 하전 입자가 흐르기 때문에 작동한다고 생각했다. 하지만 그가 오디온을 AT&T에 제안했을 때, 회사의 과학자와 엔지니어들은 그 잠재력을 알아보았다.
AT&T는 오디온을 연구해 그 거동에 대한 이론을 정립했고, 이를 더 유용하고 신뢰할 수 있는 3극관(triode) 진공관으로 발전시켰다. 3극관은 1915년 AT&T가 처음 시연한 대륙횡단 전화선을 가능케 했고, 4극관 테트로드(tetrode), 5극관 펜토드(pentode) 등 다양한 관련 진공관들을 낳았다. 20세기 초 폭발적으로 대중화되던 라디오는 이러한 진공관의 가장 큰 사용처 중 하나였지만, 진공관은 전화 장비, 텔레비전, 최초의 디지털 컴퓨터에도 사용되었다. 1920년대 후반에 이르면 AT&T는 자사 전화 시스템에 10만 개가 넘는 진공관을 사용하고 있었다. 최초의 프로그래머블 범용 디지털 컴퓨터 중 하나인 에니악(ENIAC)은 18,000개의 진공관으로 구동되었는데, 대부분은 하나의 유리 벌브에 두 개의 3극관이 들어 있는 듀얼 트라이오드(dual triode)였다.
에디슨 효과 진공관의 계통도. 출처: Hong 2001.
1896년—이탈리아 발명가 굴리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)가 영국 우정국 관계자들에게 라디오를 시연한 바로 그해—독일 물리학자 페르디난트 브라운(Ferdinand Braun)은 교류 전류의 파형을 측정할 방법을 찾고 있었다. 교류는 회로를 통해 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌는 전류다. 어떤 고주파 교류는 초당 수천 번씩 왕복하므로, 물체를 물리적으로 앞뒤로 움직여 기록하는 방식의 측정 장치는 이를 따라갈 수 없었다. 하지만 브라운은 음극선을 이용하면 이런 고주파 전류를 측정할 장치를 만들 수 있다고 생각했다. 음극선을 좁은 구멍을 통과하게 만들면 관에 생기는 빛점은 작은 점으로 줄어든다. 그리고 자기장을 이용해 빔의 경로를 편향시키면, 그 점이 움직이며 전류 파형의 모양을 그릴 수 있다. 음극선 빔은 관성(inertia)이 사실상 거의 없으므로, 전류 변화(이는 자기장 변화를 유도한다)에 거의 즉각적으로 반응할 수 있다. 브라운은 (가이슬러 사망 후 그의 회사를 이어받은) 기기 제작자 프란츠 뮐러(Franz Müller)의 도움을 받아 여러 실험용 관을 제작했고, 이를 사용해 고주파 교류의 거동을 연구하여 1897년 첫 논문을 발표했다. 브라운은 이 장치를 ‘음극선 지시관(cathode ray indicator tube)’이라 불렀다.
브라운의 음극선 지시관. 출처: Shiers 1974.
브라운 관(더 흔히는 ‘브라운관’, 즉 ‘음극선관(cathode ray tube, CRT)’이라 불림)은 전자식 디스플레이를 만드는 데 널리 사용되었다. 회로의 전압을 그래프로 보여주는 장치인 오실로스코프(oscilloscope)는 브라운의 음극선 지시관에서 직접 계승되었고, 1920년대에 이르면 음극선관은 최초의 텔레비전의 기반이 되었다. 발명가 블라디미르 즈보리킨(Vladimir Zworykin)의 텔레비전 시스템은 특수한 음극선관을 비디오 카메라로 사용해 영상을 기록하고, 또 다른 음극선관으로 이를 표시했다. (동시대의 또 다른 TV 발명가 필로 판즈워스(Philo Farnsworth)는 TV 화면에는 음극선관을 사용했지만, 카메라에는 약간 다른 진공관 기술을 사용했다.) 음극선 기반의 비디오 카메라 관(video camera tube)과 TV 화면은 이후 수십 년간 텔레비전의 주된 기술이었으나, 결국 평판 디스플레이와 반도체 기반 카메라에 자리를 내주었다.
1920년대에는 음극선이 최초의 전자현미경을 만드는 일을 포함해 여러 용도로 사용되었다. 음극선관은 초기 컴퓨터 저장장치의 한 형태( 저장관(storage tube) 또는 윌리엄스 관(Williams tube)으로 알려짐)로도 쓰였지만, 이후 더 우수한 메모리 기술(예: 자기 코어 메모리(magnetic core memory))에 의해 대체되었다.
브라운의 음극선관을 낳은 가스 방전관은 다른 많은 응용도 찾아냈다. 1860년대 프랑스 엔지니어 알퐁스 뒤마(Alphonse Dumas)와 의사 카미유 브누아(Camille Benoit)는 가이슬러 관을 배터리 구동 유도 코일에 연결한 가스 방전 램프인 룸코르프 램프(Ruhmkorff lamp)를 만들었다. 1890년대에는 미국 발명가 다니엘 무어(Daniel Moore)가 가이슬러 관 기반 조명 시스템인 ‘무어 램프(Moore Lamp)’를 고안했다. 그러나 가스 방전 조명을 진정으로 대중화한 것은 1898년 네온이라는 비활성 기체의 발견이었다. 프랑스 엔지니어이자 에어 리퀴드(Air Liquide) 공동 창업자인 조르주 클로드(Georges Claude)는 공기 액화의 부산물로 네온을 대량 생산하고 있었고, 1910년 네온이 미량 들어 있는 가스 방전관 기반 네온등(neon light)을 전시했다. 수은 증기등, 형광등, 나트륨 증기등 같은 다른 인기 조명 기술들도 서로 다른 기체를 담은 가스 방전관이다.
가스 방전관은 조명 제공을 넘어선 많은 응용을 지녔다. 1920년대 발명된 사이러트론(thyratron)은 진공관과 유사하게 동작하지만 훨씬 더 큰 전류를 다룰 수 있는 가스 방전관이다. 플라스마 TV의 픽셀은 수백만 개의 미세한 가스 방전관으로 이루어진다. 가스 방전관은 이산화탄소 레이저, 가이거 계수기, 서지 보호기(surge protector) 등을 만드는 데에도 사용된다.
플라스마 디스플레이의 구조. 출처: Wikipedia.
가스 방전 램프는 전류로 관 내부의 기체 분자를 들뜨게 만들어(여기) 빛(전자기파의 한 종류)을 생성한다. 그러나 진공관은 다른 종류의 전자기파를 생성하는 데에도 사용될 수 있다. 앞서 언급했듯, 뢴트겐은 1890년대 크룩스 관이 X선을 만든다는 사실을 우연히 발견했으며, 오늘날에도 현대의 X선 장비는 진공관으로 X선을 생성한다. 1920년대 제너럴일렉트릭(GE)의 연구자들은 원래 전자식 스위치로 구상된 진공관인 마그네트론(magnetron)을 발명했는데, 훗날 이것이 마이크로파를 생성할 수 있음이 밝혀졌다. 제2차 세계대전 중 영국이 개발한 개선형 마그네트론인 공진공 마그네트론(cavity magnetron)은 항공기 탑재 마이크로파 레이더를 가능케 하며 전쟁에서 가장 중요한 발명 중 하나가 되었다. 전쟁 후에는 마그네트론이 방출하는 마이크로파를 이용해 음식을 가열할 수 있다는 사실이 발견되었고, 마그네트론은 오늘날 전자레인지에도 여전히 사용된다. 또 다른 강력한 관 기반 마이크로파 방출기인 클라이스트론(klystron)은 1930년대 미국의 엔지니어 러셀 바리안(Russell Varian)과 지그르드 바리안(Sigurd Varian) 형제가 발명했으며, 폭넓게 활용되었다. 클라이스트론은 스탠퍼드의 SLAC 같은 입자 가속기에 전력을 공급하고, 암 치료용 방사선 치료 장비의 핵심이며, 식품 스캐닝과 의료용 멸균 같은 용도로도 사용된다. 더 높은 주파수의 복사를 생성할 수 있는 진공관인 자이로트론(gyrotron)은 핵융합 에너지 실험에서 플라즈마를 가열하는 데 사용된다.
입자 가속기와 핵융합 에너지 실험에서의 사용을 넘어, 진공관 기반 장치는 과학 연구를 가능케 하는 강력한 도구였다. 노벨상 네 건이 진공관 장치의 산물이었으며(백열전구 필라멘트에 대한 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)의 연구를 포함하면 다섯 건이다. 그는 이 연구로 1932년 노벨 화학상을 받았다). 이미 언급한 뢴트겐의 X선 발견, J. J. 톰슨의 전자 발견 외에도, 에른스트 루스카(Ernst Ruska)는 전자현미경 연구로 1986년 노벨상을 받았고, 오언 리처드슨(Owen Richardson)은 열전자 방출 연구로 1928년 노벨상을 받았다. 진공관이 과학에 미친 간접적 영향은 이보다 더 컸을 가능성이 높다. 진공관 장치는 수많은 과학 장비에 전력을 공급했고, 진공관의 거동에 대한 탐구는 전자 회절의 발견으로 이어지는 연구 흐름을 낳았으며, 벨 연구소의 첫 노벨상에도 연결되었다.
내 책에서 나는 기술 진보를 서로 겹쳐지는 S-곡선들의 연속으로 묘사한다. 어떤 기술이 등장해 처음에는 천천히, затем 더 빠르게 개선되다가, 결국 성능의 상한에 도달하면 그 뒤를 잇는 후속 기술(더 높은 기준선의 또 다른 S-곡선)이 이를 대체한다는 것이다. 큰 틀에서 이는 맞지만, 어떤 새로운 기술이 세상에 들어오면서 뒤따르는 ‘캄브리아기 대폭발’ 같은 현상은 충분히 포착하지 못한다. 진공관은 단일 장치가 아니라, 동일한 기본 원리—음극에서 전자가 방출되는 현상—를 다양한 방식으로 이용한 방대한 장치들의 집합체였다. 이 장치들은 각자 고유의 S-곡선을 따라 발전했고, 서로 다른 속도로 개선되며, 서로 다른 시점에 정체기에 이르렀다. 그중 많은 것들은 후속 기술(흔히는 반도체 기반—반도체 역시 다양한 구체적 구현을 갖는 폭넓은 범주다)로 대체되었지만, 전자레인지의 마그네트론, 가스 레이저의 가스 방전관, 핵융합 실험의 자이로트론처럼 오늘날까지도 여전히 사용되는 것들도 많다.
