특허를 통해 알아보는 오디오 기술 (1) Characteristic Impedance Corrected Audio Signal Cable

2005/09/09

특허를 받은 기술이란 것이 반드시 기술적으로 뛰어나서 이전에 산업상 표준을 뒤엎을 만큼 획기적이어야 하는 것은 아니며 단지 기존의 사고나 방식에서 벗어난 독창적인 부분이 만족되었음을 입증받는 것이다. 특정 회사에서 특허를 가지고 있다고 해서 특별히 정통 기술의 구사도 뛰어나다고 보는 것은 항상 인과관계가 성립되지 않는다. 그렇지만 제삼자의 입장에서 특허 문건을 읽어볼 때의 좋은 점은 기존 기술의 문제점과 그 원인에 대해서 잘 파악할 수 있게 된다는 점이다. 
그래서 오디오와 관련된 특허를 소개하는 일련의 글은 특허 자체의 이해를 돕게 해 준다는 의미도 있겠지만 혹 이해하기 힘들더라도 특허를 출원한 사람이 기존 방식에 어떤 점을 문제라고 생각했는데 자신이 고안한 독특한 방식을 통해서 얼마만큼 문제를 극복할 수 있었는가를 확인해 보시는 정도로 가볍게 생각해도 좋을 듯싶다.

그 첫 번째 시간으로 "특성 임피던스로 교정된 오디오 신호 케이블" (Characteristic Impedance Corrected Audio Signal Cable)을 알아보기로 하자. 마침 필자가 사용하는 스피커 케이블이어서 그 청감상의 효과도 서로 연관 지을 수 있겠다.

미국 특허 번호 5,393,933

요약

스피커 케이블에서 전도체와 유전체의 지오메트리를 이용해서 케이블의 캐패시턴스를 높이고 인덕턴스를 줄여 특성 임피던스를 스피커 수준으로 줄인다. (2~10 오옴) 이를 위해서 케이블은 리본형의 금속판 두 개를 얇은 유전체로 샌드위치 시킨 형태를 갖게 된다.

발명의 배경

고충실도 스테레오 기술은 마이크로폰, 앰프 그리고 스피커 자체의 불완전으로 인해 발생되는 소리의 왜곡을 줄이기 위한 많은 노력과 개발이 있어왔다. 컴포넌트가 향상됨에 따라 앰프와 스피커 사이에서의 일치하지 않는 신호가 전달되는 과정이 점차 중요도가 높아지게 된다. 그리고 케이블의 구조에 특별한 주의가 필요하게 된다.
대부분의 현존하는 케이블은 50에서 100 오옴에 달하는 비교적 큰 특성 임피던스를 가지고 있다. 특성 임피던스는 길이에 무관하지만 구조와 전도체와 절연체 간의 상호 거리에 관련이 있다.
종래의 케이블이 가진 특성 임피던스가 스피커의 임피던스 (대략 2에서 8 오옴) 보다 훨씬 높게 되어서 임피던스 미스매치에 의한 반사가 문제 되는데 이로 인해서 케이블이 길어질수록 더욱 소리의 품질이 동떨어지게 된다.
측정에 의하면 이런 종류의 신호 왜곡은 스피커 케이블의 길이가 3미터일 때부터 시작하는 것으로 나타난다.
충실도의 손실은 특히 빠르고 트랜지언트 신호일 때 더 잘 나타난다.
앞서 설명한 이런 종류의 왜곡은 복잡한 스테레오 음악 신호를 재생시킬 때 다른 주파수의 신호 컴포넌트 사이에서의 위상과 관련된 문제를 가져오게 된다. 그 결과로 케이블의 길이가 길어짐에 따라 소리는 모호하게 되고 덜 분명하게 된다.
스테레오 사운드에 있어서 충실도는 특히 극도의 작은 차이들에 의해서 결정되게 된다. 만일 감지되는 위상의 왜곡이 있다면 콘서트 홀의 생생한 느낌을 방해하게 된다.
모든 오디오 앰프는 네거티브 피드백을 사용해서 증폭 비와 파워 밴드폭을 조절하고 안정시키고 있는데, 피드백 루프가 특정 주파수 반응에 대해서 파인튜닝될 때 부하에 대한 임피던스가 고려되어야만 한다. 만일 특성 임피던스가 교정된 스피커 케이블을 사용하게 된다면 부하의 임피던스에서의 변동사항이 충분히 줄어들게 될 것이다.


도면의 간략한 설명
그림 1 발명을 구현시켰을 때의 케이블 구조
그림 5A, 6A, 7A 이 발명에 의해 만들어진 케이블에서 얻어지는 측정성능
그림 5B, 6B, 7B 기존방식의 굵고 두 가닥 짜리 스피커 케이블에서 얻어지는 측정성능


발명의 설명 요약
케이블의 특성 임피던스는 전도체의 너비와 전도체 사이의 상호 거리 그리고 절연체의 유전상수에 의해서 결정되게 된다. 가령 전도체의 폭이 0.95센티미터이고 두 전도체 사이에 0.0765 밀리미터 두께로 폴리에스터 필름 절연체로 구성되었다면 특성 임피던스는 대략 4 오옴이 된다.

측정 조건은 12kHz의 방형파를 7.6미터짜리 케이블을 통과시켰을 때의 측정 결과를 얻은 것이다. 발명에 의해서 특성임피던스를 4 오옴으로 맞춘 케이블을 사용했을 때를 I라 하고 특성임피던스가 100 오옴인 전통적인 스피커 케이블을 사용했을 때를 II라고 한다. A는 앰프에서의 신호이며 S는 스피커 터미널에서의 신호다. 

그림 5는 4 오옴짜리 스피커에 인가했을 때의 측정 결과다.

(그림 5A)
I일 때는 왜곡이 없으며 단지 저항에 의한 손실만 나타날 뿐이다.

(그림 5B)
반면에 II일 때 앰프에서의 선명한 leading edge 스파이크가 나오며 스피커 터미널에서 명백한 왜곡이 발생함을 알 수 있다. 


그림 6은 2 오옴짜리 스피커에 인가했을 때의 측정 결과다.
임피던스로 봤을 때 1:2 미스매치인 경우에도 양상은 비슷하게 나타난다.

(그림 6A)

(그림 6B)

그림 7은 스피커에 연결하지 않았을 때의 측정 결과다.

(그림 7A)
I은 링잉이 효과적으로 잘 감쇄되었음을 확인할 수 있다. 무선 잡음에 대응이 잘 되고 있음을 보여주고 있다.

(그림 7B)
II일 때 VHF링잉이 있음을 보여준다. 케이블이 안테나처럼 동작하고 있는 셈이며 이는 이런 케이블은 무선 잡음이 침투되고 있음을 의미하는 것이다.


적용제품

현재는 이 특허를 알파코어에서 사용료를 내고 면허생산 중이다. (http://www.alphacore.com/mispeaker.html)
이 구조의 케이블을 캐패시턴스는 매우 높지만 일반적인 앰프에서 문제가 생기는 일은 없다고 보아도 무방할 것 같다. 피드백이 잘못 설계된 앰프에서 문제가 생길 수는 있지만 그 수는 극히 드물다. 앰프를 팔거나 (권장됨) 아니면 조벨 네트워크를 달면 문제가 해결된다.

그림. Zobel 네트워크

촌평

대부분의 오디오파일 케이블 회사에서 제품 홍보에 열을 올리는 부분은 따로 있는데 반해서 특성 임피던스 부분에 대해서는 관심을 기울이고 있지 못한 상태다. 아마도 그 이유는 아날로그 신호가 전송해야 하는 신호 대역이 저주파이며 특성 임피던스가 고려될 만큼 케이블의 사용 길이가 길지 않기 때문일 것이다. (반면에 디지털 케이블이나 비디오 케이블에서는 특성 임피던스의 매칭은 필수적이다.) 
그동안 특성 임피던스는 아날로그 오디오 신호의 전송에서 큰 영향을 주지 않는 요인으로 가정해 왔던 것이었는데 실제 실험에 의하면 의외로 명백한 효과를 입증하고 있다.

혹자는 방형파(square wave)가 실제 오디오에서 전송되는 신호가 아니므로 그 측정값의 실효성에 의문을 가질지도 모르겠으나 방형파는 사실상 여러 파형의 정현파(sine wave)를 중첩시켜서 만든 것이라서 방형파의 성능이 나쁜데 각각의 정현파의 파형이 좋으리라고 보는 것은 무리라고 밖에 할 수 없을 것 같다. 

필자의 경험에 의하면 해당 발명이 적용된 제품의 청감상 특징은 과도응답특성이 탁월하며 내잡음성이 좋았다. 그 결과로 재생이 힘든 금관악기의 소리를 잘 낼 수 있게 해 주며 디테일이 잡음에 묻히지 않게 해 주어 정숙성이 있었다.