TL;DR

  • 취미 제작 환경에서 붕규산염 유리, 텅스텐, 니켈, 바륨 게터를 사용해 고진공 다이오드를 제작하고 작동을 확인함.
  • 대기와 고진공 영역 사이의 핀 관통부는 핀치 실링 방식으로 제작하며, 산화막을 입힌 텅스텐이 유리와 결합해 진공 밀봉을 형성함.
  • 텅스텐 필라멘트와 니켈 와이어 플레이트를 조립한 뒤 유리 외피에 봉입하고, 진공 배기·가열·팁오프·게터 점화 순서로 완성함.
  • 완성된 다이오드는 실제로 작동했지만 사진 촬영 중 필라멘트 전류를 과도하게 높여 파괴 테스트까지 진행됨.
  • 제작 후 수개월이 지나도 누설이 발생하지 않았으며, 향후 커브 트레이서로 소자를 정밀 특성화할 계획임.

제작 배경

  • Hackaday Superconference 2022 발표 이후 친구 David의 요청으로 Make: Magazine 기고문을 작성함.
  • 처음에는 슈퍼콘에서 발표한 다이오드 진공관을 중심으로 글을 작성했으나, 컨퍼런스 직전에 서둘러 제작해 제작 과정의 고해상도 사진이 충분하지 않았음.
  • Make: 기사 전용으로 진공관을 하나 더 제작하면서 이번에는 과정을 세심하게 기록함.
  • 기사는 Make: Volume 86에 실렸지만 촬영한 사진을 모두 원본 해상도로 담을 수 없어, 여기서 사진과 제작 과정을 더 자세히 정리함.

오래된 플레어와 핀치

  • 진공관 제작에서 가장 어려운 부분은 핀이 대기에서 고진공 측으로 통과하는 베이스 제작임.
  • 취미 제작자에게 가장 쉬운 방법은 핀치 방식이며, 적절한 금속과 유리를 조합하면 매우 견고한 핀치 실을 만들 수 있음.
  • 붕규산염 유리를 사용하기 때문에 관통 금속으로 텅스텐이 필요하며, 몰리브덴 포일과 코바(Kovar) 같은 특수 합금도 사용할 수 있음.
  • 진공 밀폐형 핀치를 만들려면 텅스텐 와이어의 기름과 오염물을 제거한 뒤 불꽃으로 산화막을 입혀야 함.
  • 텅스텐 산화물이 금속과 유리를 실제로 결합하므로 균일한 막이 중요함.
  • 와이어를 알코올과 헵탄으로 세척하고, 백열 상태가 될 때까지 불꽃에 통과시킨 뒤 면봉으로 느슨한 산화물을 문질러 제거하는 방식으로 작동하는 실을 제작함.
  • 이 방법은 jdflyback의 수제 트라이오드 제작 YouTube 영상에서도 확인할 수 있음.
  • 텅스텐은 취성이 있으므로 짧은 텅스텐 핀을 더 긴 니켈 와이어에 먼저 점용접함.
  • 니켈은 기계적으로 더 유연하고 텅스텐에 쉽게 용접됨.
  • 텅스텐 부분은 유리에 젖어 들어가 실을 형성함.
  • 핀을 준비한 뒤 핀을 눌러 넣을 유리 조각을 준비함.
  • 유리 조각은 진공관 외피용 튜브보다 직경이 작아야 핀치 후에도 내부에 들어갈 수 있음.
  • 끝부분은 외피와 연결하기 쉽도록 플레어 형태로 만듦.
  • 플레어를 만들기 위해 튜브를 전동 드릴에 물리고, 회전시키면서 끝을 MAPP 가스 토치로 가열함.
  • 도구로 끝을 부드럽게 밀어 벌어진 형태를 만들며, 원래는 유리 선반에서 작업하는 방식이 이상적이지만 작은 부품을 고정할 콜릿을 아직 만들지 않았음.
  • 플레어를 만든 뒤 핀치 전에 와이어를 지지할 수 있을 정도로 미리 납작하게 만듦.
  • 핀치를 만들 때는 핀을 플레어 안에 넣고 산소-프로판 불꽃으로 플레어를 부드러워질 때까지 가열함.
  • 먼저 예비 핀치를 만들어 핀을 고정한 뒤, 유리를 더 충분히 가열해 최종 핀치를 만듦.
  • 처음에는 평행하지 않게 닫히는 매끈한 죠 플라이어를 사용해 균일한 핀치를 만들기 어려웠음.
  • 이후 조금 더 평행하지만 충분한 압력을 가하기 어려운 대형 핀셋을 사용함.
  • 아직 시험하지 않았지만 매끈한 죠와 평행 구조를 가진 황동 평행 플라이어가 잘 작동할 것으로 예상함.
  • 완성된 실은 보기에는 예쁘지 않지만 실제로 기능함.

활성 소자 조립

  • 이 베이스 위에 다이오드의 나머지 부분을 조립함.
  • 직접 가열 다이오드에는 텅스텐 필라멘트와 플레이트 역할을 하는 와이어 코일 등 두 가지 요소가 필요함.
  • 드라이버 축에 니켈 와이어를 감아 코일을 만들고, 니켈 와이어로 필라멘트 지지대도 제작함.
  • 모든 부품을 베이스 핀에 점용접한 뒤 알코올과 헵탄으로 철저히 세척함.
  • 세척 후 외피에 용접하기 전에 증발형 게터를 장착함.
  • 게터는 바륨 금속을 포함하며, 진공을 만든 뒤 증발시켜 작동 중 금속에서 빠져나오는 산소 분자를 포획함.
  • 이를 통해 진공의 무결성을 유지함.
  • 조립체 전체를 유리 튜브 안에 넣고 플레어가 외피 안에 어떻게 맞는지 확인함.
  • 부품을 세운 상태에서 작은 산소-프로판 불꽃으로 플레어를 제자리에 임시 고정함.
  • 이후 유리 선반으로 옮겨 베이스 주변의 유리 실을 마무리함.
  • 유리가 무너지지 않도록 조심스럽게 가열하고 부드럽게 압력을 가해 사용할 수 있는 접합부를 만듦.
  • 튜브는 진공 시스템의 퀵 커넥트에 맞는 크기지만, 분리를 쉽게 하기 위해 조립체 위쪽의 튜브를 가열하고 당겨 목 부분을 만듦.
  • 이 목 부분은 배기 후 튜브를 봉합하기 쉽게 함.

강력한 흡입

  • 다음 단계는 가장 쉬운 편이지만 가장 긴장되는 배기 과정임.
  • 전체 조립체를 배기 벤치 상단의 압축 피팅에 연결함.
  • 이 시스템은 진공 펌프와 게이지로 구성되며, 별도의 글에서 다룰 예정임.
  • 배기 중에는 프로판 토치로 진공관을 가열해 흡착된 물을 제거함.
  • 내부 부품은 유도 코일로 가열함.
  • 필라멘트에는 희미하게 빛날 정도의 전류를 흘려 산소를 제거함.
  • 진공은 10^-5 mbar까지 낮춤.
  • 목 부분이 부드러워져 스스로 닫히기 시작할 때까지 프로판 토치로 조심스럽게 가열한 뒤, 다른 손으로 튜브를 비틀어 진공 시스템에서 당겨 분리함.
  • 모든 과정이 잘 진행되면 양쪽 유리 조각이 밀봉된 상태로 남고 팁오프가 완료됨.
  • 팁오프 후에는 게터를 점화하면 진공관이 완성됨.
  • 녹슨 볼트를 풀기 위해 설계된 유도 가열기를 사용하며, eBay에서 200달러 미만으로 구매함.
  • 코일을 튜브 둘레에 배치하고 게터 링과 동심이 되도록 맞춤.
  • 몇 초 후 링이 붉게 달아오르고, 그 위 유리에 게터 물질로 된 거울 같은 막이 형성됨.
  • 반응성 바륨 금속으로 된 이 막이 진공관 내부의 산소와 반응해 진공을 깨끗하게 유지함.
  • 이 과정을 통해 다이오드가 완성됨.

빛나는 필라멘트

  • 완성된 진공관의 사진을 정리해 Make: Magazine에 보낸 뒤, 테스트를 위해 작업대에 올려둠.
  • 예상대로 진공관은 다이오드로 작동함.
  • 사진을 촬영하는 과정에서 필라멘트 전류를 과도하게 높여 필라멘트를 파괴할 때까지 테스트함.
  • 필요한 사진은 확보했으며, 필라멘트가 아름다운 텅스텐 거울을 남김.
  • 향후 커브 트레이서를 제작해 이 소자들을 제대로 특성화할 계획임.
  • 현재는 제작 후 수개월이 지나도 진공관에서 누설이 발생하지 않은 점에 만족함.