요약 높 은 진공 속 에서 금속 을 가열 할 때 방출 되 는 전자 를 ( 에디슨 효과 ) 전기장 으로 제어 하 여 정류 , 증폭 등 의 특성 을 얻 을 수 있 는데 , 이러 한 용도 를 위해 만들 어 진 유리관 을 진공관 이 라 한다 . 본문 ↑ 진공관 / 미약 한 신호 에 의한 큰 에너지 의 제 어 , 각종 신호 처리 기술 이 가능 해 지 도록 하 여 전자 공학 의 발전 의 시초 가 되 었 다 . 초기 의 라디오 나 텔레비전 의 수상기 와 각종 송신기 에 사용 되 었 고 , 현재 는 트랜지스터 와 집적회로 로 대체 되 었 다 . 1883 년 토머스 에디슨 ( Thomas Edison ) 에 의해 발견 된 에디슨 효과 가 진공관 의 시초 라 할 수 있 다 . 이 발견 을 기초 로 하 여 영국 의 플레밍 이 기체 를 빼낸 유리 공 속 에 백열전구 와 같 은 필라멘트 와 2 개 의 금속판 전극 을 넣 어 2 극 진공관 ( 플레밍 밸브 , 다이오드 ) 을 발명 하 여 1904 년 특허 를 획득 하 고 무선 전신 의 검파 ( 檢波 ) 에 이용 했 다 . 1907 년 에 미국 의 드 포리스트 가 2 극진 공관 에 또 다른 전극 ( 그리드 전극 ) 을 삽입 하 여 전자 의 흐름 을 제어 하 도록 하 는 3 극 진공관 을 발명 하 였 다 ( 당시 에 오디온 ( Audion ) 이 라고 불렀 다 ) . 이후 에 3 극 진공관 의 결점 을 보완 한 4 극관 · 5 극관 등 이 차례 로 발명 되 었 고 , 그 외 에 도 여러 목적 에 따른 진공관 들 이 발명 되 었 다 . 트랜지스터 나 집적회로 의 등장 으로 진공관 의 사용 은 거의 소멸 되 었 으나 고급 오디오 , CRT ( cathode ray tube ) , 텔레비전 이나 컴퓨터 영상 을 보이 기 위한 음극선관 , 전자레인지 에서 전자기파 발생 장치 등 에 아직 사용 되 고 있 다 . 진공관 다이오드 진공관 은 열 에 강한 외부 유리관 과 진공 으로 된 내부 에 놓여진 전극 으로 이루어져 있 다 . 외부 관 은 주로 유리 로 되 어 있 지만 때로 도자기 나 금속 이 사용 되 기 도 한다 . 전극 은 외부 단자 와 연결 되 며 전용 소켓 을 사용 하 여 다른 전기 회로 소자 와 배선 이 이루어진다 . 진공관 은 백 열 등 처럼 필라멘트 를 가지 고 있 다 . 필라멘트 가 가열 되 면 열전자 방출 ( 에디슨 효과 ) 에 의해 전자 들 을 진공 에 방출 시킨다 . 이 로써 공간전 하 라고 하 는 전자구름 이 형성 된다 . 그림 에서 필라멘트 가 ( -) 전극 에 그리고 금속판 이 ( +) 극 에 연결 되 어 있 으면 , 이 전자 들 은 ( -) 전하 를 가지 므로 전기력 에 의해 금속판 으로 끌려간다 . 그러나 전극 을 반 대로 연결 하 면 금속판 은 가열 되 지 않 아 열전자 를 방출 하 지 않 으므로 전류 가 흐르 지 않 게 된다 . 따라서 한 방향 으로 전자 가 흐르 는 다이오드 역할 을 하 게 된다 . 참고 로 전자 흐름 의 방향 은 ( -) 전극 에서 ( +) 전극 으로 흐르 며 , 전류 의 방향 은 전자 흐름 의 방향 의 역방향 으로 정의 한다 . 3 극관 1907 년 포리스트 ( Lee De Forest ) 는 그리드 ( 그물망 구조 ) 전극 ( grid electrode ) 을 필라멘트 와 금속판 사이 에 놓 았 다 . 그리드 에 ( -) 전압 으로부터 ( +) 전압 으로 전압 을 변화 시킴 에 따라 필라멘트 와 금속판 사이 의 전기장 에 영향 을 주 어 전류 가 비례 하 여 변화 하 는 것 을 발견 하 였 다 . 달리 말 하 면 , 그리드 전극 이 필라멘트 와 금속판 사이 의 전류 흐름 을 제어 하 여 그리드 로 들어온 신호 를 필라멘트 와 금속판 사이 에서 증폭 된 전압 으로 나타나 게 되 는 것 이 다 . 라디오 통신 에 사용 하 여 포리스트 는 이 3 극관 에 오디온 ( Audion ) 이 란 이름 을 붙였 다 . 당시 진공관 은 진공도 가 그리 좋 지 못했 는데 진공관 이 라 불리울 만 한 진공관 은 1915 년 제너럴 일렉트릭 의 랭뮤어 ( Irving Langmuir ) 가 개발 한 3 극관 일종 인 플리 오 트론 ( Pliotrons ) 과 1916 년 프랑스 에서 개발 한 R type 이 다 . 진공관 의 진공도 는 10⁻6 Pa ( 파스칼 : 압력 의 단위 ) 에서 10⁻9 Pa 사이 를 주로 사용 했 다 . 초기 에 는 필라멘트 를 ( -) 극 의 용도 로 사용 했으나 이 로 인하 여 잡음 이 발생 하 기 도 했 다 . 따라서 필라멘트 와 별도 의 ( -) 극 캐소드 를 만들 고 필라멘트 는 이 캐소드 를 가열 하 는 역할 을 하 는 구조 로 발전 되 었 다 . 4 극관 과 5 극관 그리드 와 금속판 은 두 금속판 이 마주 보 고 있 는 콘덴서 와 같 은 구조 로써 정전 용량 을 갖 게 된다 . 이 정전 용량 으로 인해 발진 이 일어나 기 도 한다 . 이 를 없애 기 위해 개발 된 진공관 이 4 극관 이 다 . 4 극관 은 3 극관 에 그리드 와 금속판 사이 에 스크린 그리드 라 불리 는 또 다른 그리드 를 넣 는 구조 다 . 스크린 그리드 에 는 금속판 보다 조금 작 은 ( +) 극 이 연결 되 어 그리드 와 금속판 사이 의 정전 용량 역할 을 없앤다 . 4 극관 의 단점 은 애노드 에 충돌 한 전자 는 부차 적 인 2 차 전자 를 튀어나오 게 만드 는데 이중 몇 은 애노드 로 다시 들어가 지 못하 고 가까이 에 있 는 스크린 그리드 에 도달 되 어 증폭 효율 을 감소 시킨다 . 이 를 없애 기 위해 억제 그리드 ( suppressor grid ) 라는 또 다른 그리드 를 위치 하 고 금속판 애노드 ( +) 극 보다 낮 은 전위 를 연결 해 애노드 에서 튀어나온 전자 가 애노드 로 다시 들어가 도록 막 는다 . 이렇게 만들 어 진 진공관 이 5 극관 이 다 . ( 진공관 의 구조 와 작용 ) 수신관 의 진공 용기 는 유리 로 된 것 이 많 고 간혹 금속 용기 로 된 것 도 있 다 . 초기 에 는 백열전구 와 비슷 한 것 이 었 으며 , 라디오 와 텔레비전 의 보급 에 따라 ST 관 에서 GT 관 , 다시 MT 관 으로 소형 화 되 었 다 . 송신관 은 수신관 보다 취급 하 는 전력 이 커서 모양 도 크 게 만들 어 졌으며 , 구조 적 으로 도 수신관 과 는 달리 수 냉 · 강제 공랭 방식 등 의 냉각 계통 을 부가 하 고 있 다 . 내부 구조 는 음극 과 양극 , 그리드 로 구성 된다 . 음극 은 전자 를 방출 하 는 것 으로 열 에 의한 전자 방출 , 빛 에 의한 전자 방출 , 강 ( 强 ) 전기장 에 의한 방출 , 2 차 전자 에 의한 방출 등 여러 형태 의 음극 이 있 다 . 수신관 이나 송신관 에 는 주로 열전자 방출 방식 을 사용 한다 . 송신관 의 음극 은 녹는점 이 높 은 금속 으로 텅스텐 이나 소량 의 토륨 을 첨가 한 텅스텐 을 사용 하 고 , 수신관 은 산화물 음극 이 라고 하 는 것 으로 , 니켈 과 같 은 금속 위 에 산화바륨 을 발라 낮 은 온도 에서 도 전자 방출 이 쉽 도록 하 고 있 다 . 음극 의 모양 은 , 초기 에 는 필라멘트 모양 의 산화물 음극 이 많이 사용 되 었 으나 ( 直 熱型 ) , 후 에 는 산화물 을 바른 니켈 을 원통형 으로 하 여 이 속 에 히터 를 설치 한 방열형 이 많이 사용 되 었 다 . 수신관 의 그리드 는 니켈 이나 몰리브덴 의 가느다란 선 을 지지물 에 감 아서 원형 · 타원 형 ( 저주파 용 ) · 평면형 ( 고주파 용 ) 등 의 형태 로 하 였 다 . 양극 은 니켈 등 의 표면 을 흑화 ( 黑化 ) 하 여 열복사 를 좋 게 하 는 구조 로 만들 었 다 . 송신관 의 그리드 는 구리 합금 · 몰리브덴 등 을 나선 형 · 메시 ( mesh ) 형 으로 하 고 , 양극 은 수 냉 · 강제 공랭 등 의 구조 로 하 여 방열 대책 을 세우 고 있 다 . 진공관 의 작용 은 다음 과 같 다 . ⑴ 정류 작용 : 음극 으로부터 방출 된 전자 가 양극 이 음극 보다 높 은 전위 일 때 양극 으로 흘러가 는 것 을 이용 하 여 양극 에 교류 를 가해 , 양극 이 양 ( 陽 ) 일 때 만 전류 가 흐르 게 되 어 교류 가 직류 로 변환 되 는 현상 을 말 한다 ( 2 극관 의 경우 ) . ⑵ 증폭 작용 : 3 극관 은 음극 과 양극 사이 에 그리드 를 설치 한 것 이 다 . 이 그리드 는 음극 가까이 설치 하 므로 양극 전류 에 대한 영향 은 양극 에 가해진 전위 보다 훨씬 효과 적 이 다 . 그리드 전위 를 음극 보다 낮 은 전위 ( － 의 전위 ) 로 해도 양극 전위 에 높 은 전위 를 가하 는 경우 에 전류 가 흐르 는데 , 이때 그리드 전위 를 약간 변화 시키 면 양극 전류 가 민감 하 게 변화 되 어 양극 전위 의 큰 변화 와 같 은 효과 를 얻 게 된다 . 진공관 의 결점 인 양극 과 제어 그리드 사이 의 정전 용량 을 감소 시킨다 . 그러므로 4 극관 은 고주파 증폭 에 적합 하 다 . 5 극 진공관 은 4 극관 에서 발생 되 는 2 차 전자 를 억제 하 기 위해 양극 과 차폐 그리드 사이 에 억제 그리드 를 삽입 하 여 고주파 증폭 에 사용 하 는 데 본질 적 인 증폭 작용 은 같 다 . ⑶ 발진 작용 : 적당히 선정 된 동조 회로 를 매개 로 하 여 3 극관 의 양극 과 그리드 를 결합 하 면 동작 회로 에 따라 어떤 주파수 를 발진 하 게 된다 . 초단파 등 에서 는 보통 의 진공관 은 사용 할 수 없 어서 특수 하 게 만든 마그네트론 · 클라이스트론 등 의 진공관 으로 발진 을 행한다 . ⑷ 주파수 변환 작용 : 제 어 그리드 에 어떤 주파수 의 고주파 전압 을 가하 고 , 또 다른 그리드 에 다른 고주파 전압 을 가하 면 두 전극 에 는 이 두 주파수 의 차 에 해당 하 는 주파수 의 전압 이 얻 어 진다 . 이것 을 주파수 변환 이 라고 한다 . 슈퍼헤테로다인 ( superheterodyne ) 수신기 에서 고주파 를 중간 주파수 로 변환 시킬 때 사용 한다 . ⑸ 스위칭 작용 : 2 개 의 그리드 에 서로 다른 신호 전압 을 가해서 두 신호 가 서로 양 이 되 었 을 때 전류 가 흐르 도록 하 는 작용 으로 초기 전자계산기 의 논리 동작 에 이용 하 였 다 . 이 밖 에 도 여러 가지 의 구조 나 작용 등 이 있 으나 근래 에 는 트랜지스터 · 집적회로 ( IC ) 등 의 반도체 소자 에 밀려나 서 거의 사용 되 지 않 고 있 는데 , X 선관 , 텔레비전 용 의 브라운관 , 레이더 용 의 브라운관 , 대형 송신관 등 특수 용도 의 진공관 은 아직 도 사용 되 고 있 다 . 앞 으로 특수 용도 의 것 도 점차 반도체 소자 로 대치 되 어 가 므로 완전히 없 어 질 날 도 멀 지 않 다 .