오디오 케이블 - 파워 케이블과 파워 분배장치의 다이나믹 성능을 측정할 수 있는 분석장치

2012/09/26

션야타 리서치는 파워 케이블과 파워 분배장치의 다이내믹 성능을 측정할 수 있는 분석기를 만들었습니다.

이 회사는 잘 알고 계시는 대로 하이엔드 파워케이블과 파워 분배장치를 설계하고 생산하고 있는데요. 제품화하기 위해서 재료와 부품을 연구하는 데 많은 시간과 투자를 해왔다고 합니다. 그리고 설령 아주 작은 차이라고 하더라도 성능상에서 향상을 가져오는 재료 사이에 어떤 점이 차이가 있는지 조사해 왔고, 이런 주관적인 테스트 결과와 객관적이고 과학적인 측정 결과와 어떤 상관관계가 있는지 파악해 봤다고 해요.

그런 테스트 인자는 
- conductor metal types (i.e. copper versus silver)
- plating materials (i.e. gold, silver, rhodium, etc)
- conductor stranding (number of conductors, strand size, etc)
- conductor metal purity (i.e. 4-9s, CDA-101, ETP, single-crystal, etc)
- conductor size (i.e. 16 AWG versus 18 AWG, etc)
- dielectric materials (TPE, PTFE, PE, PU, PVC, etc)
- conductor geometries
- fuses types
- breaker types
- contact types
- termination methods (crimp versus solder, etc)

등등입니다.

청감테스트에서는 분명히 파워코드 사이에 성능 차이가 남에도 불구하고 기존에 전선과 AC 파워 장치에 사용해 온 여러 종류의 테스트 장비를 사용한 객관적인 측정에서는 차이점을 찾아내기가 어려웠다고 하고요. (멀티미터:통전성, 저항, 전압, 전류 측정, 파워 아날라이저: THD 디스토션과 파워팩터 측정, HI-POT 테스터, 임피던스 아날라이저, 인슐레이션 테스터 등) 이 업계에서 사용하지 않는 다른 타입의 테스트 장비를 사용해 보기도 했답니다. (TDR: time domain reflectometers, 네트워크 케이블 테스터 등) 이런 테스트 중의 일부는 유용하기는 하지만 여전히 AC 파워 코드의 차이를 객관적으로 짚어낼 수는 없었다고 해요.

수년간의 테스트를 통해서 청감상으로는 도체의 굵기와 성능사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 알아냈고, 케이블의 임피던스와 성능 사이에도 직접적인 상관관계가 있음을 알아냈습니다. 하지만 문제는 이런 것을 객관적으로 측정해 낼 수 있는 방법이 없고 또 케이블 임피던스에 대해서는 기존의 전력 전송과 관련된 상식과 다르다는 것이었다는데요... 
(예: 청감 테스트에서는 케이블의 인덕턴스가 증가되면 청취상으로 부정적인 반응 발생 vs. AC파워는 60Hz 정도의 낮은 주파수 트랜스미션이므로 높은 인덕턴스는 고주파 노이즈를 차단하게 될 것이고 장치로 고주파 노이즈가 전달되는 것을 방해할 것임)
이렇게 청취를 통한 테스트와 엔지니어링 원론이 서로 상충되었을 때 이 둘을 어떻게 조화시킬 것인지 난관에 빠지게 되었습니다.
(Note: 케이블에 코일과 페라이트를 달면 인덕턴스를 증가시킬 수 있습니다)

이런 교착상태에서 션야타는 눈을 돌려 제품내부에서 동작되는 파워 서플라이로 향했다고 해요. 그간 션야타에서는 파워 아날라이저 측정을 통해 통상적인 파워 서플라이가 60Hz 전류의 50 배수 하모닉까지 만들어내고 있다는 것을 알고 있었고요, 그렇다면 커런트 도메인에서 높은 주파수와 관련된 이벤트가 있을 수도 있겠다고 본 것입니다. 그런 높은 주파수에서 발생하는 이벤트는 케이블 사이에 들리는 차이를 만들어낼 수도 있겠다는 거죠.

테스트 대상으로 높은 파워를 사용하는 오디오 앰프를 삼았고, AC 입력이 파워 서플라이로 전달되는 입구와 렉티파이어 (전기 스위치) 전후에 전류 프로브와 스펙트럼 아날라이저를 매달아 두고 전류와 부하를 지켜봤습니다. 놀랍게도 렉티파이어의 가동시간은 파워 케이블의 차이에 따라서 달라지는 것을 발견했다고 합니다. 뿐만 아니라 케이블마다 다른 스펙트럴 표시 (spectral signatures)를 가지는 것도 발견하게 되었다고 해요. 

그런데 그 후 몇 달간의 테스트를 통해서 재검증해본 결과, 테스트 비교에서의 결과는 항상 똑같이 재현되거나 항상 일정하게 유지하는 것이 아님도 알게 되었다고 합니다. 빌딩 안의 다른 부하에 따라서 전압 변동이 생기기도 했고요, 테스트 결과는 앰프의 부하에 따라서도 달라지고 앰프가 발생하는 열에 의해서도 달라진다는 것도 알게 되었습니다. 

이런 것들이 계기가 되어 정밀한 레퍼런스 테스트를 만들어야겠다는 결심을 하게 되었다고 하는군요. 이 테스트 장비는 (1) 파워 라인 전압소스를 시뮬레이트 할 수 있고, (2) 통상적인 파워서플라이에 부하를 걸었을 때 나타나는 액션을 비슷하게 시뮬레이트할 수 있는 테스트 부하를 만들어내는 것입니다. 만약에 이런 테스트 장비를 만들 수 있게 된다면 재현이 가능하고 캘리브레이션 된 테스트 결과를 가져올 거라고 믿었습니다. 다시 말하자면 앰프를 사용하지 않고도 파워코드나 파워 관련 장치를 테스트할 수도 있고, 테스트 결과를 간접적으로 이해할 수 있는 장비라고 할 수 있는 것이죠.

이런 콘셉트에 따라 DTCD 분석기를 만들었습니다. 이 장비는 파워코드 또는 AC 파워 전송장치가 전류를 파워 서플라이로 전송하는 능력을 테스트하도록 설계되었습니다. 이 분석기의 특이한 점은 통상적인 파워서플라이가 부하에 따라 동작할 때 순간적인 전류 전달을 감지하도록 설계되었다고 합니다. 어째서 순간적인 전류 전달을 감지하기로 했느냐면 모든 현대적인 파워 서플라이는 전류를 늘 끌어 쓰는 것이 아니고 일정기간마다 단속적으로 끌어 쓰기 때문이라고 하네요. 실제의 퍼포먼스는 전체의 파워 사이클에서 나오는 것이 아니므로 전류공급의 평균치를 측정하는 것은 의미가 없다고 본 것입니다. DTCD 분석기는 마이크로세컨드 수준의 전압과 전류의 웨이브폼을 감지하고 출력하도록 고안되었습니다.

쉽게 얘기해서 션야타는 파워공급의 조건을 마음대로 조작할 수도 있고 파워 서플라이의 부하를 마음대로 시뮬레이션할 수 있고 파워코드 또는 AC파워 전송장치의 파트와 재질을 어떤 것으로 했을 때 어떤 결과가 나올 수 있는지 결과를 분석할 수 있는 만능 도구를 만들어낸 것입니다.
게다가 파워 공급의 좋고 나쁨을 가려내는 준거가 생기게 되었으니 (낮은 임피던스를 가질 것, 마이크로세컨드 레벨에서 전압과 전류의 웨이브폼이 좋을 것) 그런 기준에 부합하는 재료과 파트를 선택하는 데 있어서 실수할 일은 없어지게 되었다고 할 수 있겠습니다. 여러 종류의 부품을 사용해야 하는 AC파워 전송장치의 경우 설계의 복잡성이 말도 아닐 텐데 DTCD분석기를 이용하면 실수 없이 가려낼 수 있게 되겠다 싶습니다. 실제로 션야타에서는 DTCD를 개발한 이후에 예전에는 리스닝 테스트를 해야 했던 스위치, 퓨즈, 등의 파트 성능을 DTCD로 측정하고 있다고 합니다.

션야타가 오디오용 파워코드에 대한 주관적-객관적 테스트를 융합시키는 데 성공했는데 어째서 다른 엔지니어(또는 설익은 아마추어 논객)가 그런 것을 하지 못했던 이유를 공학적으로 해석해 보면 이렇습니다.
기존 엔지니어들은 시스템의 범위를 케이블로만 한정했습니다. 그리고 측정값을 분석할 때 시간의 스케일에 대해서 민감하게 여기지 않았습니다. 그러다 보니 차이를 밝혀낼 수 없었고요 결론짓는 것을 잠정적으로 유보할 수밖에 없었던 거겠죠.
그런데 션야타의 캘린 가브리엘은 시스템의 범위를 케이블과 파워서플라이를 포함하는 것으로 확장시켜 두었습니다. 그랬더니 차이점을 발견할 수 있게 되었고요, 나중에는 그런 발견을 토대로 시간의 스케일을 미시적으로 두어야 함을 알게 되었습니다. 그렇게 하여 미시적인 timing에서 전류와 전압을 전달할 수 있는 케이블과 그렇지 못한 케이블이 차이를 내는 것을 입증할 수 있게 되었습니다. 캘린 가브리엘은 우리를 가둬놓고 있던 기존 패러다임을 깨고 새로운 패러다임을 세웠습니다. 이제는 우리의 패러다임을 교정해야 할 때입니다.

캘린 가브리엘의 이런 발견을 통해 다시 한번 사람의 귀는 참 정교하게 만들어졌다는 걸 알게 됩니다. 마이크로세컨드 수준에서의 AC 파워 딜레이를 바로 알아차리도록 되어 있군요. 
그리고 예전에 교수님이 강조하셨듯이 공학 문제는 시스템의 범위를 어떻게 두느냐에 따라서 문제를 쉽게 풀 수도 있고 풀리지 않게 되기도 한다는 얘기가 머릿속에 떠오른 날이기도 합니다.