오디오용 전깃줄 이야기에서 단골 메뉴로 나오는 skin depth 이야기

 

Skin depth에 관해서는, "구리 같이 전깃줄로 사용하는 금속에서는 20kHz에서 skin depth가 0.5mm정도이고, 지름 1mm 이하의 오디오용 전깃줄에서는 skin depth가 신호에 영향을 주지 않으며, 가장 큰 오디오 신호 전류가 흐르는 스피커용 구리줄에서도 음질에 영향을 주지 않습니다. " 라는 것만 알면 충분합니다. 

오디오용 구리줄에서 skin depth가 소리에 영향을 줄 수가 없습니다.

 

도체에 교류 전류가 흐를 때, 흐르는 교류 전류의 자계에 의해 도체 내부에 발생하는 eddy current로 인해 내부로 들어갈수록 흐르는 전류밀도를 감소시키는 현상이 발생합니다. 이런 현상으로 표면에 교류 전류가 더 많이 흐르게 되어 이를 표피효과라고 합니다.

이 표피효과로 깊이 들어갈수록 전류 흐름이 감소되어 표면에 비해 전류밀도가 1/2.7183 (1/e) 정도로 감소하는 깊이를 skin depth라고 정의 합니다.

Skin depth에의한 내부 전류 밀도는 지수적으로 감소하여서 2배의 skin depth깊이에서는 (1/2.72)**2=1/7.4로 감소합니다.

 

Skin depth는 교류의 주파수가 높아지면 감소하여 skin depth영향이 커져서 저항이 증가합니다. 전기 전도율이 높으면 증가하고 투자율이 크면 감소합니다. 

이러한 특성때문에 고주파 관련 회로에서는 skin depth의 영향이 작은 특수한 선을 사용합니다.

일부 오디오용 전깃줄을 만드는 회사에서는 이를 광고선전으로 이용하기에, 정확한 것을 알아야 전깃줄 이야기를 할 수 있겠죠.

Skin Depth가 전깃줄의 두께보다 크면, 그 영향이 작아져서 직류 저항과의 차이가 크질 않습니다. 오디오 주파수에서는 아주 긁은 구리줄이 아니면 영향을 주지 않고, 영향을 줄 수 있는 경우가 없습니다.

 

Skin depth는 (저항율)/(root(3.14*(주파수)*(유전율)*(투지율))) 로 주어집니다. 사람이 들을 수 있는 가장 높은 주파수인 20kHz에서의 중요 금속별로 skin depth는 은이 0.448mm 구리가 0.46mm, 알루미늄이0.58mm, 금이 0.533mm 정도입니다(순도에 따라 2%정도의 차이가 날 수 있음. 온라인에 계산해 주는 사이트들에서 확인 가능함).

 

대략 은이나 구리나 알루미늄이나 금의 skin depth는 0.5mm정도로 자성성질이 없는 전도율이 좋은 금속간의 차이가 그렇게 크지 않지만, 자성 성질이 있는 금속(철과 투자율이 큰 합금 등의 투자율이 구리나 알루미늄이나 은보다1000~100,000정도 큽니다)은 투자율의 제곱근의 역수에 비례하여 작아집니다.

 

전깃줄에서 skin depth의 영향은 내부에 전류의 밀도가 낮아져서 주파수 높을 수록 따라 전기 저항이 커지는 것입니다. skin depth보다 가는 선에서 선의 인덕턴스가 약간 줄어드는 경향이 있으나 오디오 주파수에서의 영향은 직류저항보다 작은 수치여서 무시할 수 있는 수준입니다. 자석에 붙는 철선을 skin depth가 작아서 스피커선으로 사용할 경우에는 오디오 신호에서도 영향을 줄 수 있습니다.

 

일반 원형 단일 도선에서 반지름이 skin depth와 동일할 경우 직류 저항의 102.1%로 전기저항으로 증가하고, 1.5배에서는 109.6%, 2배일 때 116%, 3배일 때 177%, 4배일 때 227%, 5배일 때 276% 정도로 증가합니다(위키피디아에서 이 결과를 그래프로 제공하고 있음).

 

즉, skin depth의 2배 이하 지름의 선에서는 영향이 없고, 지름이 4배 이상이 되어야 어느 정도 영향을 받는다고 볼 수 있습니다. 

참고로 지름 1.63mm인 AWG14번선이 20kHz에서의 저항이 직류 저항의 1.22배 (Rac(20kHz)/Rdc=1.22), 지름 2.05mm인 AWG12번선은 1.42배정도입니다.

여러 구리선의 다발로 만든 연선의 경우는 선간의 접촉등등으로 계산이 복잡하나, 얼마나 촘촘히 만들었냐에 따라 skin depth값이 단심에 비해 1.1배 정도 증가합니다. 실측치로 지름 2mm구리연선(AWG12선)은 20kHz에서 3~7%정도 증가한다고 합니다.

 

AWG12번선으로도 스피커의 최소 임피던스의 1/20 저항의 선을 사용하는 조건에서 20kHz에서 0.17dB가 더 감소하는 정도로, 사람의 귀가 인지 할 수 없는 3dB에 비해서도 충분히 작은 값입니다. 스피커용 구리줄에서 가장 굵은 선에 해당하는, 최저 임피던스가 3옴인 스피커에 14m정도의 길이로 연결해도 지장 없는 수준의 굵은 AWG12의 구리선에서도 skin depth의 영향은 없다고 봐야죠.

 

Skin depth가 영향을 주는 곳은 전선뿐 아니라 전자파 차단에도 관련이 됩니다.

 

전자파가 금속을 통과할 때도 동일하게 skin depth가 적용이 됩니다. 구리판을 20kHz의 전자파는 통과할 때, 매 0.46mm당 1/2.72씩 감소합니다. 알루미늄 판은 0.58mm당으로 감소되어 큰 차이가 나지 않습니다. 알루미늄대신 구리로 샤시를 만들어 봐야 별로라는 이야기입니다.

 

투자율이 영향을 받지 않는 낮은 주파수(수MHz 이하)에서는 연철은 십분의 일 이하의 skin depth를 가지며, 퍼말로이 같은 니켈 철 합금은 오디오 주파수에서는 백분의 일이하의 skin depth를 가져서 저주파 차폐용으로 구리나 알루미늄보다 훨씬 더 좋습니다.

60Hz의 험 주파수에서는 퍼멀로이는 1/100, 연철은 1/10 두께로도 구리나 알루미늄의 차폐율보다 월등하게 좋습니다. 진공관 앰프의 샤시로 연철을 사용하는 이유이고, MC 승압트랜스의 차폐케이스를 퍼멀로이를 사용해야하는 이유입니다.

 

전자공학에서는 모든 것이 숫자로 측정이 가능하고, 계산으로 수치를 낼 수 있습니다. 모든 특성은 숫자로 나타내고 내어주어야 합니다.

전깃줄 이야기나, 콘덴서 이야기나, OP앰프 이야기 등등등 모든 것에서 측정된 데이타나 계산된 숫자 없이 뭐가 좋다고 하는 것은 거의 대부분 거짓말입니다.

숫자를 내놓지 못하는 사람은 기술적으로 모자라는 사람이며, 그 수준에 명확한 물리적인 내용의 설명 없이 들어서 어떻다라고 하는 평가를 하는 사람들의 귀는 믿을 수 없는 청각의 소유자라는 것이 정답입니다. 거의 대부분이 위약효과에 찌든 사람들입니다. 물리적인 내용으로 설명하는 척은 하지만 많은 경우 엉터리 이론의 사기수준입니다.

 

더 심한 형태가 자신이 가격이나 브랜드의 압박이나 생긴 모양에 압도되어 같은 소리를 다르게 듣는 위약효과에 찌든 자들인줄도 모르고 정상적인 사람을 청각장애자 운운하거나, 소리 구분도 못하는 사람으로 뒤집어 말하는 자들이죠. 아니면 비싼 것을 들어야 안다는 둥 어떤 기기를 사용하느냐는 둥의 자신이 돈에 빠져 다른 소리로 듣는 사람들이라는 것을 자랑질하는 자들이거나.......

자신이 다른 소리라고 올린 것도 구분해 내질 못하면서, 계속 그런 소리를 하는 것은 어떻게 이해해야할까요.