LP재생기 턴테이블에 관련된 기술 이야기 (1) LP 음반 이야기

LP를 재생하는 턴테이블은, 제품에 따라서는 사용자가 카트리지 등으로 음질의 개선을 위해 어느 정도 손을 볼 수 있는 여지가 있어 취미 생활에는 좋은 기기입니다.

 

CD를 포함한 소리를 기록한 디지털 미디어는 편리성 등등에서 network 데이터 형식에 밀려 거의 존재가 상실한 상태가 되었으나, 만지는 맛이 있는 LP는 음악 취미를 가진 음악 애호가들에게 즐길 수 있는 매체로의 상당기간 남을 것으로 보입니다.

 

 

 

턴의 성능 등등을 판단하기 위해서는 턴의 구성요소인 모터, 톤암, 플래터, 카트리지 등의 특성의 기술적인 내용의 이해가 필요하고, 카트리지를 선택하기 위해서는 카트리지 특성의 기술적 내용과 카트리지를 톤암에 설치에 관련된 기술적인 내용을 알아야 합니다.

 

그러나, LP의 기술에 관한 자료나 서적은 LP가 퇴조하는 1990년대 이후에 거의 사라져버려, 취미 생활을 즐기기 위한 정확한 기술적 자료들을 찾기 힘든 상황입니다. 대신, 잘못된 엉터리 미신들이 인터넷 등에 난무하고 있는 처지입니다. 이런 잘못된 정보에 휘둘리지 않기 위해서는 정확한 기술적인 지식을 아는 것이 중요합니다.

 

 

 

LP판의 재생에 관련하여 자주 거론되는 기술적인 문제와 알면 도움이 되는 기술적인 내용을 정리해 보려고 합니다. 이전에 LP에 관한 글을 여러 단계로 올린 적이 있으나, 이번에는 기술적인 내용을 줄이고 사용자 입장에서 알아야 할 것을 중심으로 간략하게 기술하고자 합니다.

 

여기 오디오 토론의 자리에서 잘못된 미신에 대해 바로 잡고자 정확한 기술적인 내용을 전달하고자 하오니, 의견이 계시는 분들은 주저 하시지 말고 의견을 올려 주시기 바랍니다. 다만, 시비를 거는 글이나 LP와 무관한 글은 사양합니다.

 

참고로 어느 정도의 기술적인 사항을 이해하시면, アナログレコード再生のページ (biglobe.ne.jp)Viewer 사이트의 자료를 보는 것도 도움이 될 것 같습니다. 그나마 왜곡이 작은 비교적 정확한 자료입니다.

 

 

 

 

 

1. LP판

 

음반의 역사

 

음파진동을 얇은 진동판에 받아, 가는 바늘로 회전 원통 표면을 긁어 만든 가는 골(그루브)의 굴곡으로 그 진동을 기록하고, 그 기록된 골의 굴곡을 가는 바늘에 연결된 얇은 진동판을 흔들어서 소리로 내는, 소리의 기록 재생기술이 에디슨에 의해 발명되었습니다. 전자기술이 나오기 전에 유일하게 소리를 기록 재생할 수 있는 방법이었습니다.

 

이 기술을 응용하여 녹음된 소리의 판을 대량으로 찍어내어 팔기 위해, 회전 원반 표면에 소리골(그루브)의 굴곡을 수평 방향으로 기록하는 방법이 gramophone이라는 이름으로 1890년 이후에 만들어져 음반의 역사가 시작됩니다.

 

 

 

여러 레코드 회사에서 음반을 만들어 판매하면서 각 회사 제품 간의 호환을 위해, 1920년대 중반에 SP(standard play)라는 레코드 판의 표준을 만듭니다. 강철 바늘과 진동판으로 재생하는, 150미크론 폭의 그루브로 기록하여 분당 75회전하는 10인치 판 한 면에 3.5분 정도 기록되는, 회전 음반의 표준규격이 만들어 집니다.

 

SP는 디스크 표면에 폭이 150미크론으로 고정된 그루브의 좌우 진동으로 기록하는 형으로, 팁이 반지름 63.5미크론으로 가공된 원추형 팁의 강철 바늘로 재생하게 만들어졌습니다. 그 강철 바늘은 심한 마모로 수명이 짧아서 사용자가 쉽게 갈아 줄 수 있게 만들어졌습니다.

 

SP 판의 그루브의 바닥 가공 반지름이 25미크론으로, LP stereo 바늘의 가공 반경보다 넓어서, LP 바늘로는 신호의 찌그러짐과 잡음이 많아 잘 재생이 되지 않습니다. SP판은 SP카트리지로 재생해야 합니다.

 

 

 

스피커와 앰프와 카트리지의 개발로 전기 신호로 읽어서 앰프로 큰 소리를 낼 수 있는 전축이 개발되자, SP판 보다 고음질 고밀도의 디스크 녹음이 가능해집니다.

 

대량 생산이 가능하고 견고한 새로운 플라스틱 비닐 (PVC) 재질이 개발되면서, 55미크론 폭의 그루브로 분당 33.33회전으로 고음질로 23분 재생이 가능한 12인치 모노 LP(long play)판이 Columbia사에서 1948년에 판매가 시작되었고, 다음 해에 RCA사에서 같은 규격의 그루브로 7인치판에 분당 45회전 속도로 4분의 재생이 가능한 EP(extended play)판이 판매 됩니다.

 

모노 LP의 그루브는 일정한 50.8~58.5미크론 폭의 골(각도가 90도 보다 조금 좁은 일정한 폭이 좌우 진동 기록형)로 만들어져서, 반지름 25.4미크론으로 가공된, 보석으로 만든 전축의 바늘 팁으로 재생하게 만들어졌습니다. 이를 microgroove 디스크라고도 합니다.

 

 

 

1950년대 중반, 디스크에 스테레오 오디오 기록 방식이 개발되면서 가정용 오디오는 스테레오 시대로 들어가게 됩니다.

 

스테레오 판은 microgroove 소리골 단면을 서로 간섭이 없는 90도로 만들고, 좌우 신호를 서로 간섭이 안되는 각각45도 되는 그루브 양단면에 기록하는 방식으로, 모노 microgroove의 좌우로 진동하는 모노신호에 깊이 방향으로 진동하는 좌우신호의 차이 신호를 더한 형태입니다. 이 설명은 45도 경사면의 한 면을 좌측 채널 다른 한 면을 우측 채널로 기록한다는 것과 같은 이야기이지만, 실제 LP에 기록할 때는 수평기록하는 모노신호와 수직방향으로 기록하는 좌우 차이신호(스테레오 신호)를 별도로 만들어서, 별도로 구동하여 기록합니다.

 

 

 

좌우 진동의 모노 신호는 기존 microgroove 모노 카트리지로 재생가능하고 상하 진동의 스테레오 신호는 스테레오 카트리지로만 재생하게 하여, 모노 카트리지로도 스테레오 LP의 모노 신호를 재생 가능하게 하고 스테레오 카트리지로 모노 LP의 모노 재생이 가능하게 만든 상호 호환 방식입니다.

 

수직으로도 진동하는 신호를 가진 스테레오 LP는 모노 LP와 다르게 소리 골의 폭이 일정하지 않으나, 평균 폭은 비슷하게 50~55미크론 정도를 유지하면서, 바늘이 빠지지 않게 폭을 30미크론 이상으로 유지해야 합니다. 수평 기록은 ±70미크론 까지 기록이 가능하나, 수직 측은 겨우 ±25미크론 전후가 초대 기록 범위가 됩니다.

 

카트리지 바늘의 곡률 반경이 17.8미크론 원추형 바늘을 표준(반경 12.6미크론에서 접촉)으로 정하여, 기존 모노 LP나 EP도 재생 가능하게 정해졌습니다.

 

 

 

점차적인 오디오 기록 기술의 발전으로, 더 좋은 소리의 기록과 재생(더 높고, 더 강한 고음)을 위해서 기록하는 소리의 크기와 주파수 성분에 따라 그루브의 간격과 폭을 변화시키는 기술과 강한 고음 기록기술 등이 개발 됩니다.

 

마스터 테이프에서 LP를 기록하는 기술자가 작은 소리에서는 간격을 줄이고 큰 소리에서는 간격을 늘여서 기록 품질을 올리고 필요 이상 큰 고음과 저음을 줄이는 등등으로 기록이 최적이 되게 조치를 하면서 기록합니다. 강한 고음을 기록하기 위해 저속으로 커팅을 하기도 합니다.

 

 

 

음질의 향상을 위해 점점 강한 높은 고음이 기록되자, 강한 고음의 재생을 위해 17.8미크론 바늘보다 더 가는 바늘이 요구 되었으나 원추형 바늘로는 15미크론이 거의 재생 한계가 되어, 원추형의 한계를 극복할 수 있는 타원형 바늘이 발명됩니다. 최신 기술로 잘 만들어진 스테레오 LP를 잘 재생하기 위해서는 바늘 팁의 접촉 폭이 적어도 8미크론 이하(소리골 진행방향)의 타원형 바늘이 필요 합니다.

 

 

 

그 후에 CD-4라는 4채널 서라운드 사운드 레코드가 개발되기도 했으나 거의 보급이 되지 않았고, 16rpm(정확히는 16 2/3rpm)의 레코드도 있었으나 거의 사용되지 않았습니다.

 

SP/LP/EP 판의 크기는 지름이 16인치, 12인치, 10인치, 8인치 와 7인치 donuts 판이 각각 있으나, 지금은 12인치 LP/EP판과 7인치 EP donuts 판만 있다고 봐도 크게 문제가 되지 않습니다.

 

 

 

LP판의 기록 재생시 equalizer 특성.

 

모든 레코드 판에 기록된 음파는 진동폭이 주파수의 역수에 비례하는(진동 속도에 비례하는) 속도비례기록 방식을 사용합니다.

 

같은 크기의 소리를 동일한 속도로 기록하면 저음의 파형의 기록 진동폭이 너무 넓어져서 재생 가능 시간을 줄이기 때문에 저음의 진폭을 억제해야 하고, 레코드 판의 표면의 작은 흠집(주로 라커의 입자로 만들어짐)이 고음 잡음을 만들기에 고음을 크게 녹음을 해야 잡음을 억제할 수 있습니다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해서는, 주파수가 낮을수록 기록신호 크기를 줄이고 주파수가 높을수록 기록신호를 키워서 레코드판에 기록하고, 재생시에는 그 반대로 저음을 키우고 고음을 줄이는 방법으로 보상해 주어야 합니다.

 

이런 기술을 통신에서는 emphasis de-emphasis라고 하지만, 음반 디스크에서는 재생만 하기에 equalizer라고 합니다. 레코드 회사에서 emphasis 시켜 기록한 신호를 그와 정확히 반대 특성의 equalizer로 복원해야 하는 것입니다.

 

 

 

대부분의 자석식 포노 카트리지는 속도검출형 센서라 LP에 기록된 주파수 특성 그대로 나오고 출력전압이 작아서 Equalizer라는 전단 앰프가 꼭 필요합니다.

 

크리스탈 카드리지 또는 세라믹 카트리지라고 불리는 포노 카트리지는 위치검출형 센서로 주파수의 역수에 비례하는 주파수 특성을 가져서, 이콜라이져 없이도 거의 RIAA 특성을 보상한 것과 비슷한 주파수 특성을 가집니다. 출력 전압도 상당히 크게 나와서 이콜라이져 앰프 없이 1M옴 전후의 라인입력에 직접 연결해서 사용할 수 있습니다. 반면에, 큰 침압이 필요하여 음반을 손상시키고, 특성이 좋지 않아서 이런 카트리지는 사용하지 않는 것이 좋습니다(특히 판을 아낀다면).

 

 

 

기계적인 진동으로 재생하는 SP에서는 주파수 특성 표준을 정할 수가 없어서 레코드 회사 마다 각각 다른 emphasis 특성으로 기록했고, 동일한 레코드 회사에서도 판을 제작한 시점에 따라 다른 특성으로 기록했습니다 (Victor의 예로 들면, 시대별로 크게 3종, 약간의 변경은 7종의 각각 다른 특성으로 레코드를 만들어 팔았습니다).

 

그러나, 카트리지를 사용하여 전자 회로로 재생해야 하는 LP에서는 기록과 재생의 주파수 특성이 표준화가 되어야 하여, 국제적인 규격 기구에서 규격을 정하고 규제를 하게 됩니다.

 

 

 

1955년 RIAA규격 이전에는 각 레코드 회사에서 호환이 되지 않는 각자의 특성으로 기록해 LP디스크를 팔았으며, 일부 영국계 회사는 RIAA 규격이 나온 이후에도 상당한 기간 동안 독자적인 특성으로 기록하다가, 결국 국제 표준이 RIAA로 선정되자 점차 통일 됩니다.

 

때문에, RIAA와 다른 NAB, AES, FFSS, Victor, Columbia, EMI 등등으로 기록된 LP나 EP디스크들이 있습니다. 레코드 판을 트는 기기에 톤콘트롤이 꼭 필요한 이유 중 하나가 이런 여러 종류의 LP와 SP레코드에 대응하기 위해서 입니다.

 

초기 앰프에서는 이들 여러 특성을 대응하기 위해 여러 equalizer(EQ) 특성을 선택 가능하게 만든 앰프도 있었지만, RIAA로 통일 된 후인 70년대 이후의 모든 오디오 앰프에서는 RIAA EQ만 대응하게 됩니다.

 

 

 

판의 제작과 보관 

 

초기 SP판은 곤충의 분비물인 shellac 을 사용하여 제작되었으나, 플라스틱의 발달로 부스러지지 않고 대량 생산이 가능한 PVC(poly-vinyl chloride)를 주로 사용합니다. 이 때문에 LP판을 vinyl 이라고 부르기도 합니다.

 

LP판은 PVC에 색이나 검은 색 또는 정전기를 대응 하기 위해 염료나 카본을 첨가하고, 바늘에 대한 마찰력을 줄이기 위한 윤활 성분도 소량 첨가한 재료로 만들어진다고 합니다. 

 

무게가 12인치판의 기준으로 140g, 180g, 220g 짜리 등등이 있습니다. 180g이상 무게를 heavy vinyl이라고 해서 수집가들이 좋아하나, 휨에 강하다는 것 외는 소리 등에서는 차이가 없습니다. 

 

온도에 따라서 또는 첨가된 불순물에 따라 비닐(PVC)의 물성이 달라져 소리가 달라집니다. 방안 온도가 낮으면 고음이 강해지는 경향이 있습니다. virgin vinyl보다 약간의 불순물이 들어가는 것이 고음이 좋다는 이야기도 있습니다.

 

 

 

LP판을 쌓아 놓는 것은 무게에 의해 변형이 가기에, 폭 5cm이내의 수직 칸으로 나누어진 마른 나무(니스나 페인트를 칠하지 않은)로 만든 가구에 보관하는 것이 좋다고 합니다. LP판의 보관용 속지는 비닐이나 석회가 있는 종이를 피해야 한답니다. PVC를 상하게 하거나 달라 붙을 수 있다고 합니다. 용제로 자주 씻는 것은 윤활 성분을 씻어 내기에 좋지 못하다고 합니다. 

 

 

 

LP판을 만들 때, 마스터 테이프의 소리를cutting lathe로 lacquer master disc에 기록하고, 

 

이 lacquer master disc에서 금속 (negative) master disc (father plate라고도 함) 1장을 떠내고, 

 

master disc한장에서 10~20장의 금속 mother disc를 떠내고,

 

mother disc 1장에서 10~20장의 금속 stamper 를 떠냅니다. 

 

Stamper 1장으로 시중에 파는 LP판을 1000~3000장 찍어 낼 수 있습니다. 

 

 

 

각각의 복사 과정에서 계속 떠내거나 찍어낼수록 음질이 계속 나빠지기 때문에, 처음 나온 판과 나중에 나온 판과의 음질이 다릅니다. 판매하는 LP의 품질에 따라 각 단계에서의 복사 디스크 숫자를 제한합니다. 

 

각 단계에서 만들 수 있는 disc의 숫자를 계산하면, 한번의 mastering으로 최종 품질 LP의 품질 수준에 따라 10만장에서 최대100만장까지 찍어낼 수 있다는 것이죠. 

 

이 이상이 팔리면 다시 lacquer master disc를 새로 떠야 합니다. 수동으로 피치나 음색이나 소리 크기를 조절하면서 lacquer master disc에 녹음을 한 시절에서는 새로 만든 것은 음질 등등이 완전히 다른 디스크로 나왔다고 합니다. 

 

소량만 판매되는 근래에서는 대량생산하는 것이 의미 없기에, master disc를 stamper로 사용하거나, direct metal로 mother disc를 만들어 1000장 이하나 10000장 이하를 찍어내기도 합니다.

 

 

 

LP판의 한계, 스테레오 카트리지와 모노 LP판의 호환 문제.

 

LP판은 기록에서 구조적인 한계로 기록할 수 있는 특성의 한계를 가지고 있습니다.

 

모노 LP판에서는 녹음 침의 한계로 기록 신호의 크기와 고음의 재생 범위가 제한되어 기록에 사용되는 라커의 입자의 고음잡음으로 신호대 잡음비와 dynamic range가 제한 됩니다.

 

스테레오 LP판에서는 수직 기록 신호 크기가 제한되고, 수직 신호의 기록 각도와 재생 각도(Vertical tracking angle: VTA)의 오차가 파형의 찌그러짐으로 나옵니다.

 

LP 판은 기록할 때와 재생할 때의 기록 침과 재생 침의 모양에서부터 주파수 특성과 의율의 한계가 결정되며, LP표면 잡음과 기록할 수 있는 최대 크기의 한계로 dynamic Range에 한계를 가지고 있습니다.

 

 

 

LP판의 가장자리나 안쪽이나 관계 없이 동일한 회전각 속도로 기록 재생을 하기에, 안으로 갈수록 기록 재생 팁의 팁의 한계로 고음에서의 찌그러짐(THD)과 주파수 특성이 급격히 나빠집니다.

 

대략 THD은 표준 신호 크기의 1kHz에서 판의 가장자리에서는 표준 속도에서는 0.5~1%정도로 준수한 수준이나, 안쪽으로 갈수록 반지름의 제곱의 역수에 비례하여 나빠지고, 소리의 크기나 주파수가 올라가면 제곱 수준으로 나빠집니다.

 

주파수 특성은 30Hz~15kHz수준으로 준수한 수준이나, 강한 고음이 있으면 THD이 증가하고 기록 팁에서도 문제가 발생하기에 디스크에 기록할 때 13kHz이상의 고음을 약하게 기록합니다. LP재생음이 CD에 비해 부드러운 이유가 됩니다.

 

기록 팁의 한계로 기록이 가능한 소리 크기는 가장자리에서 표준신호의 약 7배정도이나, 안쪽에서는 3배가 한계입니다. 특히 안쪽의 고음기록 특성이 좋지 않아서 안쪽의 트랙에서는 고음을 상당히 제한해야 합니다.

 

 

 

스테레오 신호를 기록할 수 있는 크기의 한계로 저음의 입체 신호를 억제해 주어야 합니다. 대부분의 LP에서는 사람의 입체감 인지 능력이 약한 80~100Hz이하의 스테레오 신호는 없이 기록됩니다. LP의 dynamic Range는 태생적으로 Lacquer의 잡음과 기록할 수 있는 신호 크기의 한계로 60dB를 넘지 못합니다. 이를 개선하기 위해 direct recording 등의 노력을 했으나 크게 성공하지는 못했습니다.

 

 

 

LP판은 보관만 잘하면 오래 사용할 수 있으나, 큰 침압에서는 변형이 일어나서 음질이 열화 됩니다. 당시 방송국에서는 원뿔형 표준팁으로 3g침압으로는 대략 30회 정도를 사용하는 것이 한계라고 했습니다. 침압이 1그람 이하면 거의 변화가 일어나지 않는다고 하며, 1.5g정도면 큰 걱정을 하지 않아도 되는 수준이라고 합니다.

 

누구는 LP의 출력 신호를 주파수 분석해보면 20kHz이상의 성분이 나온다고 하나, 대부분의 경우, 그 신호는 찌그러진 파형이 원인으로 원 신호에는 없는 성분입니다. 찌그러진 파형 때문에 고음이 좋게도 들리나, 심한 intermodulation distortion (IMD)도 일어나 이상한 소리가 납니다. IMD때문에 선접촉형의 팁을 가진 좋은 카트리지를 사용하는 사람이 많았습니다.

 

 

 

모노 카트리지로 스테레오 판을 재생하는 경우는 모노 카트리지 자체에서 수직방향의 진동에는 반응을 하지 않아서 문제는 없습니다.

 

그러나, 스테레오 카트리지로 모노판을 재생할 경우는 pinching 현상이라는 것 때문에 팁이 상하로도 진동하면서 양측 채널에 대칭적인 파형 찌그러짐이 발생합니다. 이를 막는 방법으로는 모노 카트리지로 재생하거나 앰프의 ST-Mono 스위치를 모노로 놓아서 상쇄시키거나, 아주 가는 팁을 가진 스테레오 카트리지로 재생해야 합니다.

 

 

 

LP음반의 VTA

 

재생 바늘이 이미 기울어져 있고 침압과 소리골로 인한 끌림 현상으로도 각도가 변합니다. 대부분의 기록 바늘도 기울어져 있고 기록 바늘에 가열된 라커의 탄성으로 파형이 기울어져, 기록된 LP의 파형이 기울어집니다.

 

수평으로 기록하는 모노에서는 바늘이 빠질 정도로 stylus rack angle (SRA)이 크게 틀어지지 않으면 문제가 없으나, 수직 신호를 읽어야 하는 스테레오 카트리지에서는 vertical tracking angle(VTA)이 중요해져서 원추형 팁이 아닌 팁에서는 바늘이 기울어지는 각도에 따라 접촉면이 변하기에 stylus rack angle(SRA)가 중요해 집니다.

 

이런 문제를 해결하기 위해, 기록 LP와 재생 바늘의 VTA를 표준화 시키고, SRA도 규제하고 있습니다. 

 

 

 

모노 시절부터의 시중의 카트리지 VTA는 0도에서 25도까지 있었으나, 60년대에 규격에서는 15도로 정했고, 70년대에는 20±5도로 정했고, 80년대 이후 국제 규격에서는 "기록 VTA는 20도에서 +5도~-0도 이내여야 하며, 이 결과로 20도 VTA를 가지며 0도에서 -5도사이의 rack 각도를 가지는 재생 stylus에 최적이 되어야 한다." 라고 규정을 하고 있습니다. VTA각이 틀려지면 찌그러짐율이 증가하나, 5도 이하의 오차는 대부분의 작은 신호에서는 인지하지 못하는 수준입니다. 

 

 

 

어느 정도 rack각에서 소리골과의 접촉 모양이 거의 변화가 없는 원추형 팁에서는 +8~-12도 이내이면 음질에 지장이 없습니다.

 

Rack 각에 따라 접촉면이 크게 변하는 비 원추형 팁에서는 중요합니다. 규격에서는 '원추형이 아닌 팁을 가진 카트리지에서는, 적정 침압에서 재생될 때 SRA가 +4~-8도 이내에 되어야 한다'고 규정하고 있습니다.

 

SRA나 VTA는 카트리지가 만들 때 거의 결정되기 때문에 사용자가 할 수 있는 일은 거의 없습니다. 카트리지 제조사를 믿고 정상적으로 부착하는 것으로 끝내야 합니다.

 

 VTA는 카트리지 제작사에서 얼마나 맞추어 주느냐의 문제로, 사용자는 톤암에 정상적으로 부착하는 것 외는 할 수 있는 일이 없습니다. 카트리지 조립시 얇은 쐐기로 VTA니 SRA를 조절할 수는 있으나, 적어도 2.5도 이상을 기울일 수 있어야 하고 표준 디스크에 스코프가 없으면 조정을 할 수 없어서 카트리지 제조사를 믿을 수 밖에 방법이 없습니다.