[컴퓨터][6] 전기 통신과 전자석 그리고 모스의 전신기와 릴레이

※ 해당 게시글은 주제를 탐구하면서 주관적인 생각을 정리 한 글입니다.

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이전 글을 통해서

부울 대수 연산자들을 어떻게 스위치 회로로 구현할 수 있고,

그렇게 구현된 부울 대수 연산자 회로들을

게이트라 불리는 것도 알게 되었다. 

하지만 스위치만으로는 부울 대수 연산자를 모두 구현해 낼 수 없었다.

특히 NOT 게이트와 XOR 게이트가 그러했으며, 스위치의 한계였다.

[컴퓨터][5] 스위치 회로와 AND, OR, NOT, XOR 게이트

따라서 이번 글을 통해서, 스위치 회로에 어떤 새로운 변화를 주어서

스위치 한계를 극복할 수 있는지 알아보겠다.

< 전기 통신과 전자석 그리고 모스의 전신기와 릴레이 >

※ 해당 게시글은 찰스 펫졸드의 책 CODE를 참고하였습니다.

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< 전기 통신 >

갑자기 부울 대수, 스위치 회로 그리고 게이트에 대한 내용에서

뜬금없이 전기 통신에 대한 이야기를 한다면 의아해 할 수 있다.

하지만, 컴퓨터가 발명되기 이전, 

전기 통신 기술은 스위치 회로의 발전과 효율적인 사용을 가능하게 하여

이후 컴퓨터 발전에 중요한 기반을 마련했고,

그 과정에서 스위치의 한계를 극복시켜 줄 발명품이 등장했다.

 

전기 통신 기술이 사용되기 이전에는 전구도 아직 없었기에

편지, 깃발, 봉화 등을 사용하였는데 

전기와 전류에 대한 연구가 진전되면서 전류의 흐름을 제어할 수 있는

스위치 개념이 등장하게 되었다.

그리고 과학자들과 발명가들은 전기 신호로 통신을 할 수 있다는

가능성을 발견하게 되었다. 

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< 사무엘 모스(Samuel Morse) >

전기 통신에 대한 발명가 중 한 명이었던 사무엘 모스(Samuel Morse)는

전선의 어느 한쪽 끝에서 어떤 일을 하면

반대쪽 끝에서 어떤 일을 유도할 수 있다는 원리를 이용하여

전기 통신을 하고자 했다.

 

그래서, 전선의 한쪽에서 스위치를 켜고 끔에 따라,

반대쪽 끝에서 무언가 작용할 만한 것이 필요했다.

전구는 존재하지 않았기 때문에, 모스는

과학자들이 전기를 연구하면서 알게 된 전자석을 이용하게 되었다.

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< 전자석 >

전자석은 금속 막대에 전선을 코일로 감싼 형태이다.

코일 형태로 감긴 전선에 전류가 흐르면 금속 막대에 자성이 생기게 된다.

이때 금속막대는 철, 니켈, 코발트와 같은 강자성체가 사용되며

전선은 전자가 잘 흐르는 구리, 알루미늄 등을 사용한다.

 

강자성체는 쌍극자(전자스핀의 회전축)가 외부 자기장에 의해

쉽게 정렬된다는 성질을 가지고 있다.

따라서 코일 형태로 감긴 전선에 전류가 흐르면

자기장이 생성되고, 그렇게 생성된 자기장의 방향에 따라

금속막대(강자성체) 전자들의 스핀 회전축이 정렬된다.

이에 따라 금속막대가 강한 자석이 된다.

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< 모스 부호와 전신기(telegraph) >

모스는 그러한 전자석을 통해 결과적으로

시각적으로 확인할 수 있는 무언가가 필요하다고 생각했다.

그렇게 등장한 것이 점과 선으로 문자 기호를 표기할 수 있는

모스 부호 (Morse code)였다.

 

이에 대해서

전선의 한쪽에서 스위치를 누르는 동안 전류가 흘러

반대쪽 끝에 있는 전자석까지 전류가 흐르게 되어, 자성이 생긴다.

 

만약 전자석 위에 스프링과 연결되어 있는 펜이 있고, 

전자석과 펜 사이에 종이가 있다면

스위치를 누르는 동안에는 펜이 아래로 내려와 종이에 잉크를 묻히고,

스위치를 떼면 전류가 흐르지 않아 전자석은 자성을 잃고,

펜은 스프링으로 인해 다시 위로 올라갈 것이다.

 

따라서, 전선의 한쪽에서 스위치를 누르는 시간을 통해

짧게 누르면 점을,

길게 누르면 선을,

반대쪽 끝에서 표현할 수 있다.

※ 사용된 그림은 알지오매스 사이트를 통해  제작하여 미흡한 점이 있습니다.

더 나아가 펜 대신에 금속 막대를 사용할 경우

스위치 조작에 따라 금속 막대가

아래, 위로 움직이면서 나는 소리의 간격으로도 

점과 선을 표현할 수 있다.

즉, 시각적인 요소뿐만 아니라, 청각적인 요소로도 표현할 수 있게 되었다.

 

모스는 이러한 원리로 동작하는 통신 장치인 전신기 (telegraph)를 발명하였다.

 

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< 전신기의 한계 >

하지만 전신기에도 한계가 있었다.

거리가 멀어질수록 전선이 길어지고,

전선이 길어질수록 저항이 생겨, 전기 신호가 약해지는 것이었다.

따라서

송신자와 수신자 사이에서 전기신호를 받아 다시 재전송해 주는 역할이 필요했다.

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< 전신기의 한계 극복 : 릴레이 (relay) >

전신기의 거리에 따른 한계를 극복하기 위해

과학자들과 발명가들은 연구를 진행하던 중

스위치를 누르면
전류가 흘러 전자석에 자성이 생겨 금속 막대가 아래로 움직이고

스위치를 떼면
전류가 흐르지 않아 전자석에 자성이 사라져 금속 막대가 다시 위로 움직이는데,

이러한 금속 막대의 움직임이, 스위치의 움직임과 같다는 것을 알게 되었다.

따라서

금속 막대를 다음 전선의 스위치와 연결하면

사람의 직접 조작하지 않고도
자동으로 전기신호를 재전송하는 방법을 고안했다.

그렇게 만들어진
중간에서 전기 신호를 재전송하는 장치를 릴레이(relay)라고 불렀다.

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< 릴레이의 활용 >

릴레이의 재전송 기능은

약한 전기 신호만으로 강한 전기 신호를 제어할 수 있다는 원리에 따랐고

그러한 원리와 원격 조작이 가능한 릴레이는

스위치 회로의 한계 극복과 더 복잡한 회로를 구현하는데 결정적인 역할을 했다.

 

결국 NOT 게이트와 XOR 게이트는 스위치만으로는 구현할 수 없었는데

이러한 스위치의 한계에 변화를 주는 무언가는 릴레이였다.

 

그러므로, 다음 주제는 릴레이 회로를 통해

어떻게 부울 대수 연산자를 구현할 수 있는지 탐구해 보겠다.

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※ 해당 게시글은 주제를 탐구하면서 주관적인 생각을 정리 한 글입니다.