컴퓨터를 만듭시다. 어때요~ 참 쉽죠? (3)

#3. 전달

인간은 본능적으로 소통을 하고 싶어한다. 코드에 대해 이야기 할 때 소통의 도구로 전선과 스위치와 전구를 이용했다. 전선을 통해서 전기 신호를 주고 받기 때문에 어느 정도 거리가 멀어져도 빛의 속도로 소통할 수 있다. 이렇게 어떤 수단에 정보를 실어서 소통하는 것을 흔히 통신이라고 한다. 나는 코드를 이야기하면서 유선 통신에 대해서 간단히 보여주었다. 양단에 전구가 아니라 스피커를 달고 스위치가 아니라 마이크를 달고 간단히 전기 신호를 음성 신호로 바꿔서 스피커에 연결하는 장비를 단다면 그것이 바로 전화기가 되는 것이다.

그렇다면 이렇게 전선과 전원, 송수신 도구만 갖추면 아무리 먼 거리에 있어도 서로 통신을 할 수 있는 것일까? 이상적인 상황에서라면 충분히 가능하다. 그 이상적인 상황이란 여러가지 전제를 걸어야 한다. 그 중 가장 중요한 조건은 전선의 저항이 0이어야 한다는 것이다. 하지만 실제로 전선의 저항은 0이 아니다. 오히려 생각보다 꽤 큰 편이다. 그러므로 거리가 멀어지고 그 거리를 전선으로 연결하기 위해 전선이 길어지면 전선으로 인해 생기는 저항이 커진다. 저항은 커지지만 최초에 전기 신호를 보냈던 전압은 그대로기 때문에 신호는 점점 약해진다. 그래서 전선이 길어지면 결국 한쪽 끝에서 보낸 전기 신호가 반대쪽 끝으로 도착하지 못하고 중간에 모두 소멸되어 버리게 된다.

간단히 긴 빨대에 입김을 불어 넣어서 빨대 반대편의 공을 굴리는 게임을 생각해 보자. 빨대가 짧으면 같은 입김으로도 쉽게 공을 굴릴 수 있지만 빨대가 10m가 넘는다면 아무리 입김을 불어도 반대편 공은 꿈적도 하지 않을 것이다. 내가 불수 있는 입김의 힘은 한계가 있는데 빨대는 너무 길기 때문에 빨대 안에 있는 공기를 모두 밀어내지 못하는 것이다. 전선에서 전류의 흐름도 이와 완벽하게 같은 원리로 전선이 길어지면 길어질 수록 동일한 전압을 가할 경우 점점 전압이 약해 진다.

우리가 중고등학교에서 배웠던 옴의 법칙으로도 이 이야기는 바로 증명이 된다. 옴의 법칙에 따라 전류는 저항과 반비례하므로 전압이 고정되어 있을 때 저항이 커지면 커질 수록 전류는 0에 가까워 진다.

그렇다면 애써 유선 통신을 만들어 놓고 원거리의 친구와 대화 할 수 없는 걸까? 물론 할 수 있다. 지금 우리들 보면 국제 전화 잘 쓰고 있지 않은가? 어떻게 해야 전선의 길이가 길어져도 문제없이 신호를 전달 할 수 있을까. 위에 있는 옴의 법칙에 따라 방법은 두 가지다. 전압을 높이든가 아니면 저항을 낮추든가. 그래서 옛날에는 금속 중에서 전기 저항이 가장 낮은 금으로 전선을 만들기도 했다. 하지만 사람들이 자꾸 전선을 잘라가서 구리로 만든 전선을 쓴다고 한다. 하지만 아무리 금으로 만든 전선을 쓴다 하여도 역시 전선이 아주 길어지면 금 전선도 소용없어진다. 금에도 저항은 있기 때문이다. 그러면 전압을 매우 높게해서 신호를 보내는 방법 밖에 남지 않는다. 하지만 이 역시도 같은 문제 앞에서 좌절 한다. 역시 전선이 아주 길면 아무리 전압을 높게 걸어서 신호를 보낸다 하여도 결국 전압이 소실되는 시점이 오게 될 것이다. 저항이 0인 전선이 만들어 지지 않는한 이 문제는 원론적인 방법으로는 해결되지 않는다. 뭔가 다른 방법을 찾아야 한다.

여러분들이 해결 방법을 생각하는 동안 잠시 야구 이야기를 하겠다. 투수가 던진 직구를 타자가 잘 쳐서 중견수 키를 넘기는 안타를 쳤다. 타자는 달리기 시작했고 2루에 있던 주자는 3루를 거쳐 홈으로 달리기 시작했다. 중견수는 과감히 공을 2루수에게 던졌고 2루수는 이 공을 받아서 그대로 홈으로 던져 주자를 아웃시켰다. 중견수가 혼자 힘으로 공을 홈으로 던졌다면 아마 왠만해서는 한 번에 홈으로 던지지 못했을 것이다. 하지만 중간에 2루수를 거쳐서 공을 홈으로 보냈기에 공의 빠르기와 강도를 유지한채 홈으로 달리던 주자를 아웃 시킬 수 있었다.

힌 트가 되었을 것이라고 믿는다. 전선에서 전기 신호도 마찬가지로 전압을 긴 전선의 끝까지 유지할 수 없다면 중간에 전압을 다시 증폭시켜 주는 녀석을 만들어 주면 된다. 간단하지 않은가? 그럼 전압 증폭 장치를 어떻게 만들 것인가? 여러 가지 방법이 있겠지만 나는 여러분에게 가장 기초적인 방법을 이야기해 줄 것이다.

전자석이라는 것이 있다. 초등학교 다닐 때 몇 번 만들어 본 기억이 난다. 커다란 못에 구리로 된 코일을 촘촘하게 감고 전지에 연결하면 못이 자석이 되는것을 아주 신기하게 즐겼던 기억이 난다. 이것은 전기장과 자기장에 대한 복잡한 지식이 바탕이 되어야 설명이 가능한 현상이다. 이 책에서 그런것 까지 설명하진 않는다. 다만 전자석 자체를 이용할 것이다. 적당한 길이와 직경을 가진 쇠 막대기에 코일을 둘둘 감는다. 그리고 아래 그림처럼 회로를 만들어 보자.

스위치는 쇠로 되어 있다. 그리고 아주 작은 힘에도 쉽게 움직인다. A 스위치를 닫는다. 그러면 쇠 막대기를 감싸고 있는 코일에 전기가 통하고 쇠 막대기는 전자석이 된다. B 스위치는 쇠로 만들어져 있다. 근처에 자석이 있으므로 자석쪽으로 스위치는 움직인다. 한쪽이 고정되어 있지만 아주 작은 힘에도 쉽게 움직인다. B 스위치는 자석쪽으로 끌려가다가 회로를 닫게 된다. B 스위치가 연결된 회로에 전기가 통하면서 전등에 불이 들어온다.

그냥 A 스위치에 전등 연결해서 켜면 되지 왜 중간에 전자석을 만들고 스위치를 하나 더 만들어 저렇게 복잡하게 불을 켜는 것일까. 이 회로의 목적은 전등에 불을 켜는 것이 아니다. 사람이 손으로 조작하지 않고 전기의 힘으로 열고 닫을 수 있는 스위치를 만드는 것이 목적이다. 전자석과 B 스위치를 묶은 것이 바로 전기의 힘으로 열고 닫을 수 있는 스위치다.

V_in으로 전압을 가하면 전자석이 동작하고 스위치가 닫히면서 +에서 -로 전기가 흐른다. 이렇게 전기 신호로 스위치를 열고 닫을 수 있는 회로를 흔히 릴레이라고 부른다. 릴레이의 발명은 앞 서 계속 이야기 했던 전선 길이에 따른 전압 강하의 문제를 한 번에 해결해 주었다. 유선 통신망을 깔면서 전압이 떨어질 만한 위치에 릴레이를 달아주면 그 위치 부터 다시 전압이 회복된다. 그러면 다시 한동안 전선을 길게 이을 수 있고 전압이 어느 정도 떨어졌다 싶으면 그 곳에 또 릴레이를 설치하면 된다. 실로 엄청난 발명품이다.

위 그림을 보면 전선의 길이가 길어질 수록 전압이 줄어들다가 릴레이가 설치된 곳에서 다시 전압이 원상 회복된다. 전압이 원상 회복될 수 있는 것은 리피터가 있는 위치에서 전원을 새로 받아 전기 신호에 의해 리피터의 스위치가 닫히면 그전까지 사용하던 전원이 아니라 리피터에서 부터 새로 시작하는 전원을 사용할 수 있기 때문이다. 즉 리피터가 있는 위치마다 전지 혹은 콘센트가 하나씩 새로 있다고 생각하면 전압이 리피터에서 왜 다시 높아지는지 알 수 있게 된다.

이렇게 전압이 다시 커진다. 그리고 다시 점점 줄어들다가 또 회복된다. 이렇게 전압이 톱니 모양으로 움직이면서 전기 신호가 전선을 타고 먼 곳까지 전달되게 된다.

위 그림에서 릴레이는 개념상 리피터라고 불리기도 하고 전압을 증폭하기 때문에 앰플리파이어라고 불리기도 한다.

소 통하고 싶어하는 인간은 유선 통신으로 우리 마을, 옆집 정도 거리까지 밖에 통신을 하지 못하다가 릴레이를 발명해서 우리 마을 뿐만 아니라 옆 도시 옆 나라에 사는 사람과도 소통이 가능해 졌다. 이제서야 진정 시공을 초월한 소통이 가능해 졌다.

릴 레이는 리피터나 앰플리파이어의 역할로 그 의미를 가지는 것이 아니라 보다 혁신적인 전기 소자의 기본 원리가 된다. 릴레이의 기본 원리를 이용해 진공관을 거쳐 트랜지스터가 발명되게 된다. 그리고 트랜지스터의 발명 이후로 디지털 세계는 급격한 발전을 이루게 된다.

트랜지스터를 전자 회로의 세포라고 한다면 그 세포에 산소를 공급해주는 녀석이 필요하다. 전자 회로가 숨을 쉬도록 만들어주는 방법에 대한 내용은 다음 이야기에 들려드리겠다.