[컴퓨터][31] 비휘발성 저장 장치 - 1 (전자기학 기초 및 자기 와이어 레코딩:magnetic wire recording, 녹음기)

※ 해당 게시글은 주제를 탐구하면서 주관적인 생각을 정리 한 글입니다.

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이전 글들을 통해 컴퓨터와 어셈블러 그리고

입출력장치(I/O):키보드, 모니터를 구현하면서

컴퓨터의 원리와 어셈블리어의 처리과정을 파악할 수 있었다.

[컴퓨터][30] 입출력(I/O) 장치 : 모니터의 원리

 

이후, BIOS에 대해 탐구하던 중

BIOS는 하드웨어 초기화 작업 및 부팅 작업과

기본 I/O 인터페이스 기능 등을 제공한다는 것을 알게 되었다.

그러면서, BIOS 이전에

하디드스크와 같은 비휘발성 메모리의 중요성을 깨닫게 되어

BIOS 탐구 이전에

비휘발성 메모리의 원리에 대해 탐구하고자 한다.

 

 

컴퓨터는 초기에 산술논리 연산을 자동화하기 위해 설계되었다.

그 과정에서 데이터와 정보를 저장하고 처리하는 기능이

요구됨에 따라 메모리 회로가 개발되었다.

 

그러면서 점차 컴퓨터의 저장장치 및 메모리 시스템이 

발전하게 되었고,

컴퓨터는 산술논리 연산을 자동화하는 기능과 더불어

정보를 저장하고 관리하는 장치로 발전하게 되었다.

 

이에 따라 더 효율적으로 정보 및 데이터를 저장하고,

관리하기 위해서는 

정보 및 데이터를 임시로 저장하는 레지스터, 램(RAM)

뿐만 아니라, 컴퓨터의 전원이 꺼져도 데이터를

보존할 수 있는 비휘발성 저장 장치:메모리 가 필요했다.

 

그래서 이번 글을 통해

컴퓨터의 전원이 꺼져도 데이터를 디지털 데이터를 

보존 및 저장할 수 있는지 그 원리에 대해

탐구해 보겠다.

< 비휘발성 메모리 - 1 >
(전자기학 기초 및 자기 와이어 레코딩
: magnetic wire recording,  녹음기)

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< 비휘발성 메모리 >

컴퓨터의 전원이 꺼져도 데이터를 보존 및

저장할 수 있는메모리를 비휘발성 메모리라 부른다.

 

현대에 비휘발성 메모리의 기반이 되는 장치는

소리를 저장하고 재생하는 장치인

자기 와이어 레코딩(magnetic wire recording) : 녹음기였다.

다시 말해 자기 와이어 레코딩이 소리를 저장하는 원리가

현대의 비휘발성 메모리의 원리와 같다는 것이다.

 

그렇다면 자기 와이어 레코딩은 어떠한 원리를 통해

소리를 저장할 수 있었을까?

이에 대한 원리를 파악하기 위해서는

전자기학 지식이 요구되었다.

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< 원자 >

[1] 원자

: 원자는 물질로 구성하는 기본단위 중 하나로,
더 이상 화학적 방법으로 분해되지 않는다.

 

[2] 원자의 형태

: 원자의 중심에는 원자핵(중성자+양성자)이 위치해 있으며,
그 주위로 회전하는 전자들로 이루어져 있다.

 

[3] 원자의 특징

: 원자는 대부분 중성을 유지하며, 양성자와 전자의 개수가 같다.
양성자는 양전하(+), 전자는 음전하(-)를 띤다.

ex) 헬륨 원자(보어 모형)

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< 전기 >

 

[1] 전자

: 음전하를 가지는 기본 입자로, 전기라는 상호작용을 일으킨다.

※입자 : 화학적, 물리적으로 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 단위

 

[2] 전기

: 양전하와 음전하의 상호작용으로,
같은 전하끼리는 당기고, 다른 전하끼리는 밀어내려는 힘
(상호작용)

 

[3] 전류

: 전자의 움직임(운동)에 의해 발생하는 흐름,

그로 인해 주변 전하들 사이에서
밀고 당기는 전기적힘이 연쇄적으로 전달된다.

그리고 전기적 힘의 흐름은 특정 위치에서
다른 형태의 에너지로 변환될 수 있다.
ex) 전기 에너지 → 열 에너지 or 위치 에너지 등

 

[4] 전압

: 전하를 움직이게 만드는 힘 (에너지 차이 이용)

※ 전하는 높은 에너지에서 낮은 에너지로 이동하려는 성향을 갖는다.
※ 전압의 크기는 전하의 출발점과 도착점 사이에서 전하가 가지는 전기적 에너지의 차이로 결정된다.
※ 에너지 차이는 화학반응 등을 통해 강제로 전자를 한쪽에 많이 모으거나, 반대로 한쪽에 전자를 많이 빼앗으면 형성된다.
※ 에너지 : 모든 상호작용에서 변화하지 않는 양으로 총량은 보존된다.
※ 전기적 에너지 변화 : 전기적 에너지는 전하의 상호작용이 특정 물질, 저항, 자기장 등의 상호작용을 통해 열, 빛, 운동 등으로 변환될 수 있다.

 

[5] 전기장

: 전자가 가진 전하에 의해 주변 공간에 생성되는 힘의 범위로,
이 범위 안에서 다른 전하에 영향을 미쳐 전자의 운동,
에너지 전달, 그리고 전기적 상호작용을 가능하게 한다.

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< 자기 >

[1] 자기

: 전자의 스핀과 궤도 운동에 의해 생성되는 회전축과
회전 방향(시계방향, 반시계방향)에 의해
전자와 원자가 특정 방향성(N극, S극)을 가지며,
같은 극끼리는 밀어내고, 다른 극끼리는 끌어당기는 힘
(상호작용)

 

[2] 자극 (N극, S극)

: 전자의 스핀과 궤도 운동에 의해 생성되는 회전축에 대해
항상 북극을 가리키는 방향을 N극, 
남극을 가리키는 방향을 S극이라 부른다.

※ 지구도 하나의 거대한 자석으로 북극은 S극, 남극은 N극을 띄고 있다. 

 

[3]  자기력

: 서로 다른 극끼리는 끌어당기고, 같은 극끼리는 서로 밀어내는 힘

 

[4] 자기력선

: 자석 주변에 철가루를 뿌리면,
자석에서 나오는 자기력의 방향에 따라 철가루가
다른 극과 이어지려는 성질로 인해 형성되는 연속적인 선

 

[5] 자기장

: 자기력이 미치는 공간(범위)

 

[6] 자기장의 방향 (자기력선의 방향)

: 과학자들은 N극이 가리키는 방향을 자기장의 방향

 

[7] 자기장의 크기(세기)

: 니콜라 테슬라는 단위 면적 당 통과하는 자기력선 개수를
자기장의 크기로 정했다.

※ 자기장의 크기(B) = 자기력선 개수(Φ)/단위면적(S) = Wb/S, 단위 : 테슬라(T)
※ 자기력선 단위는 웨보(Wb)이다.

 

[8] 자기 원소

: 대부분의 원소는 외부에서 힘을 가하더라도
전자들의 스핀과 궤도 운동이 서로 상쇄되어 자성을 형성하지 않지만,
철, 니켈, 코발트와 같은 원소는
전자 배치에서 상쇄되지 않은 스핀을 가지고 있어
외부에서 힘을 가하면
전자들이 같은 회전 방향으로 정렬되어 강한 자성을 띠는 원소이다.

※ 양자역학적 오비탈 관점에서 철, 니켈, 코발트 등은 특별한 전자 배치를 가지고 있어서, 외부에서 자기장이 닿으면 전자들이 방향을 맞추며 강한 자석의 성질을 나타낸다.

 

[9] 자성

: 자기 원소에 힘을 가할 경우,
원자 내 전자들이 같은 방향으로 정렬되어 자석 성질을 나타내며,
그로 인해 반대 방향을 가리키는 원자들끼리는
서로 끌어당기는 성질

 

[10] 자석

:자기 원소에 해당되는 물질에서,
모든 원자들의 회전방향, 회전축이 같은 방향으로
정렬되면 자석이 된다.

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< 자성체 >

[1] 자성체

: 외부 자기장에 의해 자성을 띠거나 자체적으로 자성을 가진 물질

 

[2] 강자성체

: 처음에는 원자들이 불규칙하게 배열되어 자성을 띠지 않지만,
외부 자기장에 의해 원자들이 정렬되어
자성을 가지게 되는 물질.
그리고 한 번 정렬된 상태는 자기장이 없어도 유지되어,
이를 통해 정보를 저장할 수 있다.

ex) 철, 니켈, 코발트

 

[3] 상자성체

: 외부 자기장이 존재할 때만 자성을 가지며
외부 자기장이 제거되면
원자들이 다시 불규칙하게 배열되어 자성을 잃는 물질

ex) 알루미늄(Al), 플래티넘(Pt), 망간(Mn)

 

[4] 반자성체

: 외부 자기장이 작용하면 원자들이
자기장의 방향과 반대 방향으로 자성을 띠게 되며,
자기장이 제거되면 원자들이 다시
불규칙하게 배열되어 자성을 잃는 물질

ex) 구리(Cu), 은(Ag), 물( H₂O)

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< 전기와 자기의 관계 >

과학자들은 전기와 자기에 대한 연구를 통해

두 힘이 밀접한 관계가 있다는 사실을 발견했다.

그 관계는 전자가 운동을 하면,

즉 전류가 흐르면 자기장이 생성된다는 것이다.

※ 전류가 흐른다는 것은 전자들이 서로 밀어내는 힘이 연쇄적으로 전달되는 현상을 의미한다.
※ 실제로 전자는 도체 내부에서 처음부터 끝까지 이동하는 것이 아니라, 국소적으로 운동하면서 에너지가 전달된다.

그리고 전류의 흐름 방식에 따라 자기장의 형태가 달라진다.

 

[1] 직선 도선에서의 전자기 상호작용 및 관계

"외르스테드의 발견"

1820년, 물리학자 외르스테드는 직선 도선에서 

전류가 흐를 때 생성되는 자기장의 방향이

전류의 방향과 직각이라는 사실을 발견했다.

그러면서, 직선도선에서 전류가 흐를 때

생성되는 자기장의 형태는 동심원 형태임을 발견했다.

 

"앙페르의 법칙 : 암페어의 주회법칙"

이후 물리학자 앙페르는 외르스테드의 실험을 확장하여,

전류의 흐름과 자기장의 방향 간의 관계를

다음과 같이 수학적으로 정리했다.

전류가 흐르면 자기장이 생성된다는 전제 하에

다음 수식을 따른다.

∮B⋅dl=I 

I : 전류
B : 자기장
d : 미소(작은) 양
l : 길이 벡터
⋅ : 내적 기호
    -  두 벡터의 방향이 얼마나 같은지를 -1…0…1 사이의 값으로 출력하는 연산자
    -   1 = 서로 같은 방향을 나타낸다, -1 = 서로 반대방향을 가리킨다, 
∫ : 적분기호
∮ : 폐곡선 적분 기호
    -  적분기호인 ∫에 동그라미(◯)가 추가하여 폐곡선을 따라 적분함을 나타낸다.
    -  폐곡선 : 원, 사각형 등

이에 따라 위의 수식을 해석하면

임의의 폐곡선의 작은(미소) 길이 벡터의 방향(dl)과

전류에 의해 생성된 자기장의 방향(B)을 내적 한 값(B⋅dl)에 대해

선적분(∮:폐곡선 적분)하면
(=임의의 폐곡선에 대해 B⋅dl 값을 모두 더하면)

전류의 크기와 같다. (∮B⋅dl=I)

즉, 

앙페르는 전류가 흐르면 자기장이 생성된다는 전제하에

전류가 클수록 자기장의 크기와 영향을 더 많이 받게 된다는 것을

임의의 폐곡선 경로에 따른 각 점(미소 벡터)들의 방향이

전류에 의해 생성된 자기장의 방향과

일치하는 점들이 더 많아진다고 보았고,

그 결과 위와 같은 “∮B⋅dl=I” 수식이 나오게 된 것이다.

따라서

전류가 증가할수록,

전류 방향에 대해 수직인 자기장의 크기와 범위가 커지게 된다.

그 결과,

특정 지점에서의 내적 값과 이를 폐곡선 전체에 대해

합산한 적분 값이 전류의 크기와 비례하게 되는 것이다.

 

"오른나사 법칙"

이후 과학자들은 전류와 자기장의 관계를

직관적으로 설명하기 위해

다음 이미지와 같이 오른나사 법칙이라는 교육적 도구를 만들었다.

 

※ 이는 오른나사를 돌리는 방향과도 같다.

 

[2] 원형 도선에서의 전자기 상호작용 및 관계

외르스테드의 발견과 오른나사 법칙에 따라

원형 도선에 전류가 흐를 경우

중심에 자기장이 집중되는 관계가 있다.

 

 

[3] 코일 도선에서의 관계 

코일(솔레노이드)에 따라 전류가 흐를 경우

코일 내부에 강한 자기장이 형성된다.

이는 막대자석과 유사한 자기장을 만들어 낸다.

 

이에 따라 만약 코일 (솔레노이드) 안에

강자성체를 넣고, 전류를 흘리면

오른나사 법칙에 따라 전류가

흐르는 방향에 의해 자기장이 생성된다.

그러면

해당 자기장의 방향(N극)에 따라

강자성체를 구성하는 원자들의 자기장 방향(회전축)이 정렬된다.

이에 따라 강자성체는 다음과 같이 자석이 될 수 있다.

※ 자석의 외부자기장의 방향은 N극 → S극이지만 내부 자기장은 S극 → N극이다.

 

[4] 전자기 유도와 페러데이 법칙 그리고 렌츠 법칙

"전자기 유도"

외르스테드가 전류가 자기장을 생성한다는 사실을 발견한 이후,

페러데이는 “전류가 자기장을 생성할 수 있다면,

반대로 자기장이 전류를 만들어낼 수 있지 않을까” 생각했다.

 

이에 따라 페러데이는 자기장에서 전류를 생성하려는 실험을 진행했다.

 

그 결과 수많은 실패 끝에,

자석을 고정된 도선 근처에 두거나,

자기장을 일정하게 유지하는 방식으로는

전류를 생성할 수 없다는 사실을 알게 되었다.

 

이후, 전류가 흐르지 않는 코일의

양 끝에 전류를 측정하는 전류계를 연결하고,

자석을 코일에 가까이 이동시키거나, 멀어지는 실험을 진행했다.

 

그 결과 자석이 코일쪽으로 움직일 때 전류가 생성된다는 사실을,

그리고 자석이 코일로부터 멀어질 때에는

반대 방향으로 전류가 생성된다는 것을 발견했다.

 

또한,  자석이 정지해 있을 때는

전류가 발생하지 않는다는 것도 알게 되었다.

 

이에 따라 전류는

자기장의 변화에 의해 전류가 유도될 수 있다는 사실을 확인하였고,

이와 같은 현상을 “전자기 유도”라고 불렀다.

 

"렌츠 법칙"

렌츠는 페러데이 법칙(전자기 유도)에 대해 연구하면서,

유도된 전류의 방향에 관한 중요한 규칙/패턴을 발견했다.

그는 페러데이 법칙에서

유도된 전류의 크기는 자기 선속의 변화율에

비례한다고 설명했으나,

전류의 방향에 대해서는 명확히 정의되지 않았다.

이에 따라 렌츠는 유도 전류의 방향이 자기 전속 변화의

저항하려는 성질을 갖는다는 규칙을 제시했다.

ϵ =−dΦB/dt

ϵ : 유도 기전력(전류를 유도하는 전압의 크기)
ΦB: 자기 선속 = 특정 면적을 통과하는 자기력선 개수
d : 미소(아주 작은) 변화량
dt: 시간 t의 아주 작은 변화
dΦB : 자기 선속(특정 면적을 통과하는 자기력선 개수)의 아주 작은 변화
dΦB/dt : 아주 작은 시간 t동안 자기 선속(특정 면적을 통과하는 자기력선 개수)의 변화량
－ : 유도된 전류는 자기 선속 변화에 저장하는 방향으로 전류가 생성됨에 따라 ‘－’를 추가한다.

즉, 특정 시간 동안

자기 선속(특정 면적을 통과하는 자기력선 개수)이 증가하면,

그 증가를 방해하는 방향으로 유도 전류가 흐르고,

반대로,

자기 선속이 감소하면 그 감소를 방해하려는 방향으로 전류가 흐른다.

 

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< 강자성체를 이용한 정보 저장 >

 

[1] 강자성체에 정보를 저장하는 방법 : 앙페르의 법칙

외르스테드의 발견과 앙페르의 법칙에 따르면,

특정 방향으로 전류를 생성할 경우,

전류의 방향의 수직인 방향으로(평면에서)

동심원 형태의 자기장이 생성된다.

 

그리고 동심원의 방향은

오른나사의 법칙을 따른다는 것을 알 수 있었다.

 

이에 따라 만약 전류의 방향을 조정할 수 있다면,

자기장의 방향도 조정할 수 있게 된다.

 

그래서 과학자들은 이러한 원리를 이용하여,

강자성체에 정보를 기록하는 방법을 개발했다.

 

앞서 설명하였듯이 강자성체는 외부에서 자기장을 가하면

원자와 전자들이 외부 자기장의 방향으로 정렬(자기화)되어

강자성체가 외부 자기장과 같은 자기장의 방향을 가지는

자석이 될 수 있다.

 

그리고 자기화된 강자성체는 외부 자기장을 제거하여도,

정렬상태(자기화)는 유지되어

다른 강한 자기장이나, 열, 충격 등을 가하지 않는 이상

계속 자석으로서의 성질을 유지할 수 있는 것이

강자성체의 특징이다.

 

따라서 다음과 같이 강자성체와,

전류의 방향을 변환할 수 있는 회로를 이용하면,

전류의 한 방향을 ‘1’, 반대 방향을 ‘0’으로 정의하여금

그로부터 생성된 자기장을 강자성체에 적용하여

각각의 방향에 따라 이전수 정보를 저장할 수 있다.

 

이때 전류의 방향을 변환할 수 있는 회로로

주로 코일(솔레노이드)을 사용한다.

왜냐하면, 코일은 자기장의 방향을 집중시킬 수 있을 뿐만 아니라,

코일의 감은 횟수를 늘려 더욱 강한 자기장을 생성할 수 있기 때문이다.

 

또한, 전류의 방향과 그로 인해 생성되는 자기장의 방향을

비교적 쉽게 변환할 수 있기 때문이다.

 

[2] 강자성체에 저장된 정보를 읽는 방법 : 전자기 유도(페러데이 법칙)

이어서 위와 같은 방법으로

강자성체에 저장된 정보를 다시 읽어내기 위해서는

페러데이의 전자기 유도 법칙이 활용된다.

 

페러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면,

시간에 따라 변하는 자기 선속의 변화량은

변화에 저항하는 유도 전류를 생성하여,

코일과 같은 도체에 전류를 흐르게 한다.

 

이러한 원리를 기반으로 자기화된 강자성체가

코일 회로의 주변으로 이동시킬 경우,

코일에 유도 전류가 생성되어 정보를 읽어낼 수 있다.

 

이때 해당 과정에서 강자성체와

코일의 상대적 위치에 따라 세 가지 경우를 고려할 수 있다.

 

(1) 강자성체가 코일에 가까워지는 경우

다음 그림과 같이 강자성체가 [S/N] 방향으로
자기화된 상태로 코일에 가까워지는 경우

페러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면,

코일 관점에서는

강자성체의 N극 방향의 자기력선 개수가 증가하므로,

이에 대해 자기 선속의 증가를 저항하는 방향으로

자기장이 생성될 수 있도록 전류가 흐른다.

 

(2) 강자성체가 코일의 정중앙에 위치하는 경우

그리고 다음 그림과 같이 강자성체가 [S/N] 방향으로
자기화된 상태로 코일 중앙에 위치할 경우

 

코일 관점에서는 강자성체로부터 발생하는

자기 속의 변화가 없으므로 유도 전류는 흐르지 않는다.

 

(3) 강자성체가 코일로부터 멀어지는 경우

마지막으로, 다음 그림과 같이 강자성체가 [S/N] 방향으로
자기화된 상태에서 코일로부터 멀어지는 경우

페러데이의 전자기 유도 법칙에 따라,

코일의 관점에서는

강자성체의 S극 방향의 자기력선 개수가 감소하므로,

이에 대해 자기 선속의 감소에 저항하는 방향으로

자기장이 생성될 수 있도록 전류가 흐른다.

 

그래서 만약 강자성체와 코일의 상대적 위치에 따른

세 가지 경우를 연속적으로 연결하여

유도 전류의 크기를 간결한 그래프로 표현해 보면 다음과 같다.

강자성체가 [S/N] 방향으로 자기화된 상태로 접근

강자성체가 [N/S] 방향으로 자기화된 상태로 접근

위 그래프에서 알 수 있듯이,

강자성체가 코일을 통과할 때 발생하는

유도 전류의 크기와 방향은 강자성체의 위치에 따라 달라진다.

 

따라서  유도 전류가 0이 되는 순간 즉,

강자성체가 코일 중심에 도달했을 때를 기준으로 하여금,

이후 강자성체가 코일로부터 멀어지는 경우의

유도 전류의 방향을 읽어 들이는 값으로 정하는 등

다양한 특정 기준을 정해 

읽어 들이는 값을 정확히 구분할 수 있다. 

※ 예시를 든 기준의 경우 추가적으로 강자성체가 코일에 가까이 오는 경우의 값을 무시함으로써 오류를 최소화할 수 있다.

 

그런데 만약 다음과 이미지와 같이

[S/N]의 값을 ‘1’로 지정하여 저장하는 경우

그때의 코일의 전류 방향과

이후, [S/N] 방향으로 자기화된 강자성체가

코일로부터 멀어지는 경우의 유도 전류의 방향을 보면

다음과 같이 반대 방향인 것을 확인할 수 있다.

[S/N] 방향으로 강자성체에 저장

[S/N] 방향으로 자기화된 강자성체 읽기

하지만 정보를 저장할 때의 전류의 방향과

정보를 읽어드릴 때의 유도 전류의 방향은 같을 필요는 없으며,

 

정보를 읽을 때 중요한 것은

강자성체가 어떤 방향으로

정렬(자기화)되어있는지가 핵심이기 때문에

저장할 때의 전류 방향과 읽을 때의 유도 전류의 방향이 서로 반대여도

패턴 및 자기화의 상태를 기준으로

1 또는 0을 정확히 해석할 수 있다.

 

이러한 원리는

외어이 기록장치, 자기 디스크, 하드디스크(HDD),

자기 테이프 등의 데이터 저장 장치에서 사용되는 원리와 동일하다.

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< 자기선 와이어 레코딩 (magnetic wire recording) : 녹음기 >

그러면 이어서 전자기와 강자성체를 통해

정보를 저장할 수 있는 기술을 어떻게 활용하는지,

더 나아가 어떻게 현대의 비휘발성 메모리인

하드디스크와 SSD까지 발전할 수 있었는지 알아보기 위해

그 기반이 되는 “와이어 기록 장치”에 대해 탐구해 보겠다.

 

과학자들은 전자기와 강자성체를 통해

정보를 저장할 수 있는 기술을 활용하여

처음으로 상용화한 정보 저장 장치는

소리를 저장 및 기록하는

“자기선 와이어 레코딩 (magnetic wire recording):녹음기”였다.

와이어 레코딩:녹음기의 원리를 파악하기 위해서

우선 앞서 설명하였던 전자기와 강자성체를 통해

정보를 저장하는 원리에 대해 알아보았다.

 

그렇다면 전류를 통해 정보를 저장하는 것까지는 파악하였지만

“소리를 어떻게 저장할 수 있을까?”

 

이를 이해하기 위해서는

우선 “소리”가 무엇인지 파악할 필요가 있다.

소리는 물체가 진동하며 발생하는 물리적 현상으로,

공기와 같은 매질을 통해 연쇄적으로 전달된다.

 

예를 들어, 손뼉을 치거나 말을 하면 공기가

진동하면서 파동 형태로 연쇄적으로 퍼져나가,

사람의 귀에 있는 고막판까지 전달되어 고막판을 진동시킨다.

이후 뇌에서 고막의 진동을 해석하여 최종적으로 “소리”로 인식한다.

 

따라서 소리란 시간에 따라 변하는

물리적 압력의 변화 : 진동이라고 할 수 있다.

이에 따라 만약 진동을 전류로 표현하고 변환할 수 있다면,

그리고 다시 전류를 진동을 변환할 수 있다면,

소리를 저장 및 기록하는 것이 가능하게 된다.

 

그래서 과학자들은 진동을 전류로,

전류를 진동으로 변환하기 위해

“마이크로폰(microphone) : 마이크”와 “스피커(speaker)”

를 개발했다.

 

"마이크로폰(microphone) : 마이크"

우선 마이크로폰(마이크) 기본적인 구조는

다음과 같이 진동판, 코일, 자석으로 구성되어 있으며

전자기 유도 원리를 기반으로 작동한다.

마이크는 다음과 같은 과정을 통해 소리를 전기 신호로 변환한다.

1. 공기의 진동(음파)이 진동판과 연결된 코일을 진동시킨다.

2. 자석을 감싸고 있는 코일이 진동하면서 유도 전류를 생성한다.

※ 상대적으로 코일의 관점에서는 자석이 움직이는 것으로 볼 수 있다.

 

“스피커(speaker)”

스피커의 구조와 원리도 마이크와 같으며,

과정만 역과정이기에 비슷한 구조를 형성하고 있다.

스피커는 다음과 같은 과정을 통해 전기 신호를 소리로 변환한다.

1. 자석을 감싸고 있는 코일에 전류를 보낸다.

2. 전류가 흐르는 코일에는 자기장이 형성되어
자석의 자기장과 상호작용하여 진동판과 연결된 코일이 진동하게 된다.

3. 진동하는 진동판은 공기를 진동시켜 소리(음파)를 전달한다.

 

이에 따라 전자기와 강자성체의 원리를 활용하면

정보를 강자성체에 저장할 수 있으며,

이를 기반으로 소리를 전류로 변환하고

다시 전류를 소리로 변환하는 기술을 응용하여

“와이어 기록 장치 : 녹음기”를 개발할 수 있다.

 

그러나, 강자성체의 자기화 방향은

N-S 또는 S-N의 두 가지 상태로 제한되는 반면,

소리를 전류로 변환한 신호는

연속적인 아날로그 파형을 갖는다.

 

따라서 연속적인 전류 신호를

강자성체에 정확히 기록하는 방법이 추가로 요구된다.

하지만, 다행히도 강자성체의 자기화는

단순히 외부 자기장의 방향에 의해서만 결정되는 것이 아니라,

자기장의 세기의 영향도 받는다.

 

즉, 소리의 진폭(진동수)의 변화는

코일에 흐르는 유도 전류의 크기에 영향을 미치고,

이 유도 전류는 코일 주변에 자기장을 생성한다.

 

생성된 자기장의 방향과 세기는

강자성체의 자기화의 상태를 결정하므로,

이동하는 강자성체에 소리의 진폭 변화에 따라

변하는 자기화 강도를 연속적으로 저장할 수 있다.

※ 다만 컴퓨터 등의 이진수 신호 기반 디지털 신호로 이용하고자 할 때는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 과정과 처리하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)와 같은 장치가 필요하다.

재생할 때는 강자성체에 기록된 자기장의 강도에 따라

코일에 유도 전류가 생성되며,

이 전류가 코일 주위의 자석과 상호작용하여 코일을 진동시킨다.

이 진동이 진동판을 움직이게 함으로써

녹음된 소리를 재생할 수 있다.

 

이에 따라 필자는 다음과 같은 간단한

“와이어 기록 장치 : 녹음기”를 구현해 보았다.

해당 장치는 하나의 헤드에 마이크와 스피커가 연결되어 있으며,

신호 충돌을 방지하기 위해

스피커와 마이크에는 각각 스위치를 배치했다.

장치의 동작과정은 다음과 같다.

“녹음과정”

우선 마이크의 스위치를 활성화시킨 후,

손잡이를 통해 강자성체(와이어)를 일정한 속도로 회전시키며,

마이크로 소리를 입력한다.

입력된 소리는 진동수에 비례하는 전압 신호로 변환되고,

이는 유도 전류를 생성하여

헤드를 거쳐 강자성체(와이어)에 기록된다.

이때 유도된 전류의 크기에 따라

강자성체(와이어)의 자기화 강도가 달라지며, 소리가 저장된다.

 

“재생 과정”

녹음이 끝난 이후 마이크의 스위치는 비활성화한 후,

손잡이를 통해 강자성체(와이어)를 반대로

돌려 다시 헤드를 초기 위치로 되돌린다.

 

이후 스피커의 스위치를 활성화하여 와이어(강자성체)를

다시 회전시키면 와이어(강자성체)에

저장된 자기화 정보가 유도 전류를 생성한다.

 

생성된 유도 전류는 헤드를 거쳐

스피커의 코일에 흐르게 되어 자기장을 형성하고,

주위의 자석과 상호작용하여

코일과 연결된 진동판이 진동하게 된다.

이를 통해 저장된 소리가 재생된다.

 

이러한 원리는

1898년 발데마르 포울센(Waldemar Poulsen)이 개발한

자기선 와이어 레코딩 (magnetic wire recording):녹음기에서

처음 실용화되었으며,

이후 자기 테이프와 하드디스크, SSD 같은

비휘발성 메모리로 발전하는 기반이 되었다.

 

 

다음 주제는 이어서 자기 테이프와, 플로피 디스크,

그리고 하드 디스크와 SSD까지

컴퓨터 비휘발성 메모리의

발전과정 및 원리에 대해 탐구해 보겠다.

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※ 해당 게시글은 주제를 탐구하면서 주관적인 생각을 정리 한 글입니다.