역사 속 위대한 발견과 발명 이야기를 알아보는 ‘그때 그 발견’ 코너입니다. 지금 이 순간에도 과학기술 분야의 발견과 발명은 계속되고 있는데요. 과거의 이달엔, 어떤 위대한 일이 있었을까요?

‘그때 그 발견’ 코너, 이달의 주인공은 ‘진공관’입니다.

반도체는 현대인의 일상생활 속 다양한 IT 기기부터 자동차까지 폭넓게 사용되고 있는데요. 반도체는 1948년 벨연구소의 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리가 최초로 트랜지스터를 발명함으로써 현대식 반도체가 본격적으로 등장하기 시작했습니다. 오늘은 트랜지스터의 조상격인 ‘진공관(vacuum tube)’에 대해서 알아볼까요?

‘에디슨 효과’에서 영감을 얻어 탄생한 진공관

진공관은 높은 진공 속에서 금속을 가열할 때 방출되는 전자를 전기장으로 제어하여 정류, 증폭 등의 특성을 얻을 수 있는 유리관입니다.

최초의 진공관은 1904년 11월 영국의 전기공학자 존 앰브로즈 플레밍(John Ambrose Fleming)에 의해 발명되었는데요. 에디슨 조명회사에 컨설턴트로 근무하던 플레밍은 ‘에디슨 효과’에 대해 연구하기 시작했습니다. ‘에디슨 효과’란 1883년 토머스 에디슨(Thomas Edison)이 백열전구 내부에 검은 그을음이 생기는 것에 대해 의문을 가지고 실험하던 중 전류가 전등의 필라멘트와 양전하로 입혀진 금속판 사이의 진공 속으로 흐른다는 것을 발견한 것을 의미합니다.

플레밍은 이를 응용해 진공의 유리공 속에 백열전구와 같은 필라멘트 2개와 금속판 전극을 넣어 최초의 진공관인 2극 진공관을 발명하게 되는데요.

1907년에는 미국의 전기공학자 리 디 포리스트(Lee de Forest)가 2극 진공관에 또 다른 전극을 삽입해 신호의 진폭을 크게 증대시킨 3극 진공관을 만들고, 이후 결점을 보완한 4, 5극 진공관과 여러 목적에 따른 다양한 진공관들이 발명되었습니다.

교류 전파를 직류 전파로 바꿔 수신(정류)할 수 있게 되면서 당시의 진공관은 초기 라디오의 수신기나 텔레비전의 수상기 등 각종 송신기에 사용되었고, 1946년에는 세계 최초의 컴퓨터인 에니악(ENIAC)의 개발에도 적용됩니다.

1948년에 트랜지스터가 발명되면서 진공관보다 작은 부피, 빠른 속도, 적은 소비전력량으로 그 자리를 대체했지만, 여전히 진공관은 고급 오디오, 텔레비전 또는 컴퓨터 영상을 보이기 위한 음극선관 등의 용도에 사용되고 있습니다.

진공관의 발명을 통해 우리는 전기를 동력이 아닌 정보 전달 측면에서 활용하게 되었는데요. 백열전구 실험에서의 우연한 발견이 통신기술 발전의 일등 공신 ‘진공관’을 탄생시켰다는 점이 흥미롭습니다. 다음 시간에도 계속될 ‘그때 그 발견’ 많이 기대해주세요.

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“(미래엔) 전화 통화도 걸어 다니면서 하고, 컴퓨터도 들고 다닐 거야. 거기서 편지도 쓰고, 라디오도 보고…”

“소설을 쓰십니다~ 왜 미래엔 물도 사서 먹는다고 하질 그러냐?”

그로부터 30년이 지난 지금은 어떤가요? 과학 기술의 발전으로 스마트폰이 생활의 중심이 되면서, 개인에서 산업까지 우리 생활에도 많은 변화가 생겼습니다. 현재 우리 일상은 전자공학에 둘러싸여 있는데요, 만약 스마트폰에 들어가는 작은 칩이나 전자회로가 발명되지 않았다면 어땠을까요?

20세기 전자공학의 혁명을 이끈 반도체와 그 핵심 부품인 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

■ 트랜지스터(Transistor)는 어떻게 생겨났나요?

전자공학(electronics)이란 ‘전자의 운동을 연구하는 학문과 그것을 이용하는 기술’을 통틀어 말합니다. 1906년 발명가 리 디 포리스트가 삼극 진공관이라 불리는 ‘오디온’을 발명하면서 본격적으로 ‘전자공학의 시대’가 시작됐는데요. 이후, AT&T사에서 포리스트 오디온에 대한 특허권을 획득했고, 이를 신호증폭기로 개량해 장거리 전화에 사용했습니다.

‘오디온’은 과학자 존 플레밍이 고안한 이극 진공관에 그리드(음극에서 양극으로 흐르는 전자파를 제어함)를 삽입한 형태인데요. 이를 통해 단순히 정류기능만 가능했던 진공관에 ‘증폭’이라는 새로운 기능을 더해 놀라움을 주었습니다.

그 동안 기계 설비를 설치해야만 가능했던 ‘기계 시대’에서 전기 신호를 전송 및 처리하는 ‘전자공학 시대’가 열린 것인데요. 증폭 기능 개발로 약한 신호를 큰 신호로 변환시키는 것이 가능해진 것입니다.

이후 벨연구소에서는 반도체 물질을 활용하면 신호 증폭 문제를 해결할 수 있다는 사실을 발견해 1945년 반도체 증폭기 개발 연구팀을 조직하게 됩니다. 이 연구팀에는 윌리엄 쇼클리(William Bradford Shockley)와 월터 브래튼(Walter Houser Brattain), 존 바딘(John Baardeen)이 합류했는데요. 이들의 만남은 곧 최초의 트랜지스터를 발명하는 역사적 계기가 됩니다.

수많은 실험과 연구 끝에 1947년과 1948년, 두 해에 걸쳐 브래튼과 바딘이 연구한 ‘접점 트랜지스터’와 쇼클리가 연구한 ‘접촉 트랜지스터’가 발명됐습니다. 1956년 이 세 사람은 노벨물리학상 공동 수상자로 나란히 수상하는 영예까지 안게 되는데요. 이로써 삼극진공관을 대체한 트랜지스터는 20세기 전자공학의 혁명에 있어 기폭제가 된 가장 중요한 발명품으로 기록되었습니다.

이 후 트랜지스터는 전류를 증폭시켜 작은 소리를 크게 키우는 보청기나 전류의 흐름을 조절해 라디오 볼륨을 높이는 용도를 거쳐, 전자제품의 핵심 부품으로 자리잡게 됩니다. 하지만 점점 전자제품의 기능이 복잡해지면서 트랜지스터와 저항, 다이오드, 캐패시터 등 연결해야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 이런 연결점들이 제품을 고장 내는 주요 원인이 됩니다.

하지만 1958년, 이러한 문제점을 해결해주는 방법이 개발되는데요. 복잡한 전자부품들을 정밀하게 만들어 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어 넣는 것입니다. 그래서 탄생한 것이 바로 우리가 알고 있는 집적회로(IC)입니다.

지금까지 트랜지스터의 탄생 비화에 대해 소개해드렸는데요, 현재 우리의 삶을 더욱 편리하고 즐겁게 만들어 주는 전자공학의 혁명에는 트랜지스터가 자리했다는 사실 아셨죠? 다음 시간에는 트랜지스터의 원리에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다.

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