signal reflection

임피던스 매칭(impedance matching)

원래 이 말은 전기, 전자공학에서 쓰는 말이지만,

외연 확장되어, 가령 전기가 아니라 에너지를 대상으로도 쓰이곤 한다.

임피던스란 저항과는 조금 다르지만,

일반적 수준 이하에서 이야기를 전개하기 위해,

일단 그 정도로 이해를 하고 넘어가도록 한다.

나는 이제부터 이 개념을 일반화하여,

諸경계를 넘어 두루 통용되기를 희망하며,

새로운 시도를 해보련다.

이제, source와 load 측을 먼저 설정해본다.

전자는 전력이든, 기타 다른 에너지든 무엇인가를 창출하여 공급하는 측,

그리고 후자는 그를 받아 소비하며 무엇인가 일을 하는 측,

이리 한 시스템을 두 가지 기능 요소로 나눠보기로 하자.

이 때 전자가 발출한 것을, 후자에게 최대로 전달하는 조건을 연구한 이론을

Maximum power transfer theorem이라고 한다.

여기서 주의할 것은 최대가 곧 최고의 효율을 의미하는 것은 아니다라는 점이다.

가령, source보다 load의 impedance가 클 때, 효율은 더 커진다.

이는 source의 power가 더 높은 비율로 load에 전달되기 때문이다.

하지만 load 측의 power 전달율은 외려 낮아진다.

(src : wikipedia.org)

(η : efficiency)

(오옴의 법칙을 상기하면,

이에 대한 전기 저항, 전력 따위의 기초 용어는 낯설지 않을 것이다.)

그러니까 이런 파워 전달 정도, 수준을 재는 척도의 한 표현으로서,

임피던스 매칭(impedance matching)을 우선 이해하면 어떨까 싶다.

여기서, 임피던스는 양자의 에너지 수수 정합도를 결정하는 기본 평가 요소로 보면 되겠고,

매칭이란 그 구체적 현실 성과의 수준을 지칭한다고 이해하면 좋을 것이다.

예컨대 여기 앰프가 있고, 

음성 신호를 증폭하여 스피커로 전달하고,

원래의 음성을 재현하는 시스템이 있다고 하자.

이 때 앰프는 source, 스피커는 load가 된다.

source가 발출한 음성 신호 정보량을,

load측에 최대한 전달할 수 있는 조건은 무엇인가?

이를 정량적으로 고민하고자 하는 가운데,

고안된 개념 중에 하나가 임피던스 매칭(impedance matching)인 것이다.

여기서 두 가지 중요한 포인트가 있다.

하나는 사물을 이해, 평가할 때,  

계(system) 전체를 통으로 대상화 하는 것이 아니라,

source, load 이리 이분(二分)하여 분석적으로 접근한다는 것이 그 하나요.

두 번째는 이 양자를 결합 또는 연결하는 요소를 상정 또는 발견하고,

그를 바탕으로 목표 결과 또는 성과를 평가하는,

합리적 척도를 마련하였다라는 것이 두 번째다.

역사적으로는 Moritz von Jacobi에 의해 이런 일에 대한 연구가 처음으로 시도되었다.

그는 전기 모터가 배터리로부터 전력을 공급받는 과정에 집중하였다.

이로부터 그가 정립한 이론을 maximum power theorem이라 하는데,

모터의 출력은 배터리에 의해 소비되는 아연(Zinc)의 양에 의해 결정됨을 연구하였다.

결론은 source측과 load측의 impedance가 같을 때, 파워는 최대로 전송된다.

이때를 임피던스 매칭(impedance matching)이라 부른다.

이는 위의 그림으로도 확인이 가능하다.

R_S와 R_L이 같을 때 파워 전송률이 최대가 된다.

그런데 임피던스 매칭이 왜 중요한가?

RF(radio frequency) 전송로라든가, 기타 다른 전기전자기기에선,

종종 source와 load측의 impedance가 같을 것이 요구된다.

을밀조류퇴치기에서도 이를 고려한 기기(器機) 간(間) 결합 구성도를 소개한 적이 있다.

이런 조건이 요구되는 이유는, 전송 라인에 역반사가 일어나, 

전송기에 충격을 가하는 것을 피하기 위해서다.

전송 라인을 통해 신호가 전달될 때,

신호 전력(signal power)이 전송로를 따라 멀리 전달되는 것이 아니라,

원 소스 쪽으로 되돌려 전송되는 경우가 생긴다.

이런 일이 발생하는 이유는 전송로의 특성 상 비선형 변화와 임피던스 미스매칭 때문이다.

이를 signal reflection이라 부른다.

한 때, SNS에서 상대의 비난이 자신에게 가해지면,

‘반사’ 

이리 적으면서 그 비난을 상대에게 되돌려 준다는 제스처를 하는 경우가 있었다.

요즘에 이런 짓은 잘 하지 않는 것 같다.

이것 역시 signal reflection이라 할 수 있다.

상대와 자신의 impedance가 같으면,

신호는 최대로 전달이 된다.

하지만 양자(兩者)간 미스매칭(mismatching)이 생기면,

손바닥을 펴서 상대에게 향하며,

전송자가 보내온 신호를 다시 전송 측에 돌려보낸다.

시스템 전체 입장에서 보면,

이것은 큰 탈이 난 것이다.

***

앞의 붕소 관련 글에서,

(※ 참고 글 : ☞ 사실과 실천 내용의 괴리)

나는 한 업체의 붕소관련 제품 표시,

즉 유효붕산 50%

이것은 곧 B₂O₃ 50%임을 밝혀두었었다.

그리고 이를 B기준으로 환산하면 15.2~ 14.7% 수준임을 확인하기도 하였다. 

엽면시비를 할 때 붕소 25ppm을 가해야 한다는 처방이 있었다 할 때,

여기서 말하는 붕소를 나는 B라 가정하고 논의를 폈었다.

헌데 식물이 붕소를 흡수할 때는 H₂BO₃⁻, H₃BO₃, HBO₃²⁻ 이런 따위의 형태로 흡수를 하니,

이를 고려하여야 한다는 주장이 있다.

H₂BO₃⁻, H₃BO₃, HBO₃²⁻

이 삼자는 조금씩 차이가 나지만,

얼추 16~17% 정도의 B가 포함되어 있다.

나는 이에 동의를 하지 않지만, 

설혹 인정한다 하여도,

‘유효붕산 50%’ 제품을 사용할 때,

(계산을 간편하게 하기 위해 5% 계면활성제를 고려하지 않는다면,)

저것은 H₃BO₃ 100% 원(原)분말과 얼추 같아진다.

(기실 제조자는 수입 원분말에 계면활성제 5%를 추가하여 조제하였을 가능성이 높다.)

따라서 25ppm 수용액을 만들 때,

저 기준을 고집한다 하여도,

1톤의 물 기준 50g을 넣어서는 아니 되고,

25g보다 조금 더 넣으면 된다고 생각한다.

(다만, 25ppm이 절대 기준인가 아닌가 하는 것은 별론으로 다뤄야 한다.

나는 이보다 사뭇 다른 제시 기준도 대한 적이 있다.)

이 부분에 대한 자세한 논의는 나의 앞 선 글 '사실과 실천 내용의 괴리'를 참고함이 좋으리라.

하지만, 시비량을 제시하는 쪽에서의

표기시의 관행이나, 사정이 있을 터이니,

그게 원소를 말하는지, 산화물 또는 이온 상태를 말하는지를,

잘 살펴서 대응하면 될 것이다.

문제는 시비량 제시하는 측과,

붕소 제재를 사용하는 측 쌍방의 기준만 같으면 되는 것이다.

임피던스 매칭과 같이,

매칭이란 문제를 생각하지 않고,

원소니 산화물, 이온 따위에 매몰될 이유가 어디에 있는가 싶다.

매칭을 생각한다면,

의당 연구자가 제시할 때 그 기준이 무엇인가?

그리고 시용(施用)할 제품의 성분 내용이 무엇인가?

이 양자를 살피지 않을 까닭이 어디에 있는지 모르겠다.

미스매칭이 일어나면,

신호 전력은 reflection되어,

source를 거꾸로 치게 되며,

자칫 기기를 파괴하기까지 하는 불행한 사태가 벌어진다.

이념이나 가치문제를 다루는 것이 아니라,

과학적 사실 문제를 다루는 마당이 아닌가?

창조과학의 문제는,

과학이 아니라 믿음의 영역에 있는 것을,

과학 안으로 끄집어들였기 때문이 아닌가?

하니 얼마 전 박장관 후보자처럼,

과학과 종교의 경계를 넘나들며,

신념과 사실을 혼효(混淆)시키며 세상을 어지럽히고 있었던 것이다.

아니, 저것은 신념이 아니라 실인즉 고집에 다름 아니다.

나는 신념을 가진 이를 존중하나,

고집스런 이를 염오한다.

신념은 자기 성찰을 통해 자신을 완성해가나,

고집은 반성 없이 자신의 성(城)을 무작정 공고히 하는데 종사할 뿐이다.

신념은 아름다우나,

고집은 추하다.

오늘 아침 경전을 읽는다.

他染世俗，固執自見，為難捨性，但我等不染世俗，不固執自見，為善捨者。

과연 세상을 어둡게 물들이는 것이 무엇인가 생각해본다.