CD는 Compact Disc의 약자이다. 우선 왜 이런 이름이 붙었는지부터 알아보자. compact는 조밀하고 작다는 뜻을 가지고 있고, disc는 그리스시대부터 내려온 운동 경기인 원반던지기의 원반을 가리키는 그리스어에서 유래한 단어이다. 즉, CD (Compact Disc)는 조밀하고 작은 둥근 원반 정도의 뜻을 가진다. 아마 CD를 직접 본 사람이면 누구나 고개를 끄덕일 수 있을 것이다.

그런데 무엇에 비해 작고 조밀한 것일까? MP3 플레이어의 등장으로 거의 사라진 MD라는 것은 CD보다 더 작지 않은가? 그건, CD가 만들어지던 시기로 거슬러 올라가보면 알 수 있다. CD가 탄생하기 전에 음악을 기록하던 매체는 LP (Long Play) 혹은 그냥 레코드판이라고 불리는 30cm정도 되는 큰 원판이었다. CD는 레코드판의 대안으로 음악을 기록하기 위해 등장했는데, 절반도 되지 않는 12cm 정도의 크기에 더욱 양질의 음악을 저장할 수 있었기 때문에 조밀하다는 뜻의 compact가 이름에 들어갔다. 그럼 CD는 LP를 단순히 압축해서 조밀하게 만든 것일까?


LP와 CD를 모두 보았던 사람은 CD가 단순히 LP를 작게 만든 게 아니라는 것을 알고 있을 것이다. LP는 좀 더 부드럽고 둥글게 홈이 파여 있는 반면, CD는 더 딱딱하고 아랫면이 무지개 빛으로 빛난다. 음악을 듣는 방법도 달라서 LP는 판을 돌아가게 한 뒤 그 위에 바늘을 놓아야 하지만, CD는 그냥 넣고 버튼만 누르면 재생이 된다. 그럼 이 둘은 어떻게 다를까?

LP의 원리는 무척 단순하다. LP는 공기의 진동인 음파(소리)의 모양을 고대로 본 떠 파 놓은 것이다. 그래서 바늘이 골을 따라가면 음파의 모양 그대로 진동을 하게 되고, 이 진동을 증폭하면 우리가 들을 수 있는 소리가 된다. LP 위에 놓는 바늘은 판이 일정한 속도로 돌기 때문에 LP에 파여 있는 홈을 따라서 일정한 속도로 움직인다. 대충 보면 똑바로 파여 있는 것처럼 보이는 홈들은 사실은 삐뚤빼뚤하여 바늘은 그 경로를 따라서 진동하면서 움직이게 된다.


반면 CD는 음파의 모양을 그대로 기록하는 대신, 파형을 디지털화 하여 기록한다. LP가 판을 기준으로 수평방향으로 진동하는 구조를 이용해 음악을 기록하는데 반해, CD는 특정한 위치가 볼록 튀어나와 있는지 평평한지, 이 수평방향의 변화를 가지고 정보를 기록하게 된다. 튀어나온 부분은 0이 되고, 들어간 부분은 1이 된다. 그리고 이런 요철을 감지하는 것도 바늘이 아니라 빛을 이용한다.

LP는 바늘이 골을 따라 움직이면서 양 옆으로 진동한다. 즉, 골과 골 사이에 최대 음량에 해당하는 일정한 간격이 필요하다. 이 간격을 줄이면 음의 정밀함이 떨어지게 되고 간격을 너무 키우면 레코드판에 긴 음악을 기록할 수 없게 된다. 더 많은 양의 정보를 저장하는 또 다른 방법은 바늘이 움직이는 속도를 늦추고 골을 압축해서 파는 것이다. 하지만, 이렇게 골을 더 미세하게 팔수록 파손의 위험이 점점 커져 수명이 짧아지며, 신호도 작아져 잡음도 늘어나게 되는 단점이 있기 때문에 한계가 있다. 반면, CD의 경우는 특정한 위치에 홈이 있느냐 없느냐만 판단하면 되고, 여기에 턴테이블과는 달리 기계적인 접촉이 필요치 않는 레이저를 쓰기 때문에 수명도 매우 길고, 데이터의 밀도도 매우 크게 만들 수 있다.

그럼 CD가 데이터를 저장하는 방식을 좀 더 자세히 알아보자. CD는 아날로그 신호를 디지털로 바꾸는 방식인 PCM (Pulse Code Modulation) 이라는 방법을 이용하여 음악을 기록한다. 어떤 음파 하나를 생각해보자. 시간에 따른 음파의 세기를 모두 안다면 이 음파와 완전히 똑같이 생긴 음파를 다시 만들어 낼 수 있다. 그러나 이런 방법은 무한한 양의 정보를 기록해야 하므로 불가능하다. 그래서 PCM을 사용한다. PCM방식은 시간 상의 모든 지점은 아니더라도 최대한 자주, 주기적으로 음파가 얼마나 강한지를 숫자로 나타낸다. 똑같은 음파를 만들고 싶다면 이 숫자들을 꺼내 부드럽게 이어주면 된다.

물론 이 방법으로 처음과 완전히 동일한 음파를 재생해내는 것은 불가능하다. 하지만, 충분히 자주, 그리고 자세하게 기록을 해 놓으면 인간이 구분을 할 수 없게 되고, CD가 그 정도의 정보를 기록한다. 이제 CD에 담긴 음악을 들을 때는 이 과정이 역으로 일어난다. 저장된 정보로 각진 음파를 만들고 이것을 부드럽게 만들어 스피커로 보내는 것이다.


CD에 들어있는 음악의 규격은 44kHz, 16 bit이다. 이게 무슨 뜻인지를 알아보자. 우선 Hz는 어떤 현상이 얼마나 자주 반복되는지를 나타내는 단위이다. 1Hz는 1초에 한 번, 10Hz는 1초에 10번 무언가가 반복된다는 뜻이다. 앞에 k가 붙으면, 미터 앞에 k가 붙어 1000배를 뜻하듯이, Hz의 1000배를 의미한다. 따라서 44kHz는 무언가가 1초에 4만 4천번 일어나고 있다는 뜻이다. 이 무언가가 바로 앞서 말한 얼마나 많은 지점에서 음파의 크기를 기록할 것인가에 해당하는 것이다.

즉, 1초에 4만 4천번 소리의 크기를 측정하여 기록한다는 뜻이다. 그러면 16bit란 무엇일까? 그건 4만 4천번 측정한 소리의 크기를 비트 16개를 이용하여 숫자로 나타내겠다는 뜻이다. 하나의 비트는 0과 1, 두 개의 숫자를 나타낼 수 있고, 두 개의 비트는 2 * 2 = 4 개의 숫자를 나타낼 수 있다. 이런 식으로 이진수는 비트의 수 만큼 2를 곱한 수를 나타낼 수 있다. 따라서 16개의 비트가 있다면 2^16 = 65536 개의 숫자를 나타낼 수 있다.
정리해보면, CD는 아날로그인 음파를 디지털화하기 위해 1초에 4만 4천번 음파의 세기를 측정하고, 이때 측정값은 0 ~ 65536 사이의 숫자로 표현된다.


CD의 기본이 되는 것은 폴리카보네이트(Polycarbonate)라는, 투명하고 내구성도 좋은 물질로 된 원형 기판이다. CD를 만들기 위해서는 이미 만들어 놓은 주형을 이용하여 이 원판에 나선형으로 된 요철 구조를 만들고 나서 알루미늄이나 금, 혹은 구리같은 금속으로 이것을 얇게 덮는다.

이 금속들이 실제로 빛을 반사하는 역할을 하여 데이터를 읽어낼 수 있게 한다. 이 금속 층이 공기중에 나와 있으면 기계적인 손상이나 부식에 약하므로 아크릴로 보호층을 만들고 그 위에 그 CD에 대한 정보를 기록한다. CD 재생기에서 나온 빛은 폴리카보네이트층을 지나 금속에 반사되어 다시 재생기의 감지기로 들어간다.

이렇게 만들어진 CD의 총 두께는 1.2 밀리미터 정도이고, 금속층의 요철은 125 나노미터에 불과하다. 그리고 CD위의 요철은 CD의 중심에서 출발하는 하나의 긴 나선을 이루고 있는데, 중심에서 출발하는 이유는 더 작은 크기의 디스크도 사용할 수 있게 하기 위한 것이다. 이 나선을 트랙이라고 부르는데, 각 트랙의 넓이는 약 500 나노미터이고, 트랙 사이의 간격은 이의 세 배 정도 된다. 머리카락의 두께가 100 마이크로미터 부근임을 감안해보면, 요철의 높이는 머리카락의 1/1000, 트랙의 넓이는 머리카락의 1/200, 트랙 사이의 거리는 머리카락의 1/100 정도밖에 되지 않는다.

우리가 이 요철들을 볼 수 있을 정도로 작아진다면 머리카락은 거대한 원통으로 보일 것이다. 그리고, 이 트랙을 뽑아내어 직선으로 늘어뜨리게 되면 CD 한 장에서 나온 트랙은 무려 5km 가까운 길이가 된다.
이렇게 요철을 작게 만들 수 있는 이유는 우리가 정밀하게 조정할 수 있는 레이저라는 빛의 존재와 요, 철 두 가지만 판별하면 되는 디지털의 장점 때문이다.


쉽게 생각하면 튀어나온 곳은 1로, 튀어나오지 않은 곳은 0으로 대응시킬 것 같지만, 실제로는 더 복잡한 방식을 쓴다. 튀어나온 부분이나 들어간 부분이 계속되는 동안에는 0을 인식하고, 튀어나온 부분에서 들어간 부분으로 바뀌는 순간, 혹은 들어간 부분에서 튀어나온 부분으로 바뀌는 순간에 1을 인식한다. 이렇게 요철이 바뀌는 순간을 인식하는 것이 높낮이를 인식하는 것보다 쉬운데, 그 이유는 빛의 간섭현상을 이용할 수 있기 때문이다.

간섭현상은 두 개 이상의 파동이 겹쳐졌을 때 두 파동의 결합의 결과로 새로운 모양의 파동이 만들어지는 현상이다. 새로운 파동의 각 위치에서의 높이는 단순히 그 위치에서의 두 파동의 높이의 합으로 나타난다. 잔잔한 웅덩이의 한 쪽을 살짝 치면 그 위치로부터 파동이 만들어져 진행해 나간다. 이제 옆으로 이동하여 다시 살짝 물을 치면 또 하나의 파동이 만들어지는데, 이 파동이 원래의 파동과 만나면 복잡한 패턴이 만들어진다. 이런 간섭현상 중에서도 소멸 간섭 현상이라는 것이 있는데, 간단히 말하면 두 개의 똑같이 생긴 파동이 만나 함께 사라지는 현상을 의미한다. 파동의 주파수는 같지만 위상이 반대인 두 개의 파동이 만나면 두 개의 파동은 모두 사라져 버리게 된다.

CD에서 1이라는 신호를 읽을 때 일어나는 일이 바로 이런 소멸간섭 현상이다. CD에서 요철의 높이는 대략 CD 플레이어에서 쓰는 레이저의 파장의 1/4 정도가 되는데, 이렇게 요철을 만들게 되면, 높이가 바뀌는 순간에는 들어간 부분과 튀어나온 부분에 모두 빛이 닿아 반사되며, 이 때, 들어간 부분에서 반사된 빛과 튀어나온 부분에서 반사된 빛은 서로를 상쇄하는 소멸간섭을 일으키게 된다. 즉, 튀어나온 부분만, 혹은 들어간 부분만을 빛이 지나갈 때는 반사된 빛의 세기가 강하지만, 그 경계에 빛이 닿는 순간에는 소멸 간섭 현상으로 인해 빛의 세기가 뚝 떨어진다.
 
 
이런 복잡한 방법이 단순한 방법보다 효과적인 이유는 간섭현상이 레이저와 CD 사이의 정확한 거리에 아무런 영향을 받지 않는 다는 성질 때문이다. 이런 간섭현상은 오로지 요철의 높이에 의해서만 결정되기 때문이다. 반면에, 단순하게 튀어나온 곳과 들어간 곳을 각각 0과 1로 생각하여 측정하려면, 레이저를 약간 비스듬히 쏘아 그 높이 차이에 따라 감지기로 들어가는 빛의 양의 차이를 감지해야 하는데, 이것은 레이저, 감지 장치, CD 이 세 부분이 정밀하게 거리를 유지하지 않으면 힘든 과정이다.

그럼 이렇게 읽어낸 1과 0들이 그대로 소리로 변환되거나 컴퓨터로 보내질 수 있을까? 그렇지 않다. 기술적 한계 때문에, CD에 기록된 데이터는 상당히 특이한 형태를 가지고 있기 때문에 변환 작업이 필요하다.
간섭현상을 이용하여 비교적 정확하게 요철이 바뀌는 순간을 알아낼 수 있다고 해도, 1111111과 같은 패턴, 즉 요철이 바뀌는 부분이 계속해서 등장하면 이걸 읽어내는 건 매우 힘들어진다.

즉, 한 번 1이 등장하면 그 뒤로 0이 최소한 한두 개는 따라와야 하는 것이다. 게다가 또 하나의 제약조건이 있는데, 0이 너무 많이 등장하면 0이 몇 개인지가 불확실해 지는 것이다. 사람도 서너 개의 0이 연이어 있다면 한 눈에 몇 개인지 알 수 있지만, 20개의 0이 연이어 있는 경우에 0의 개수를 알기 위해서는 주의 깊게 세 보아야 하는 것과 같은 이유이다.

정리하자면, 계속 요철이 바뀌는 부분은 측정하기가 어렵고, 요철이 바뀌지 않는 부분 역시 정확한 측정이 어렵기 때문에 CD에 데이터를 기록할 때는 이것을 고려하여 특이한 형태로 변환한 데이터를 기록해야 하며, 읽을 때도 이런 형식의 데이터를 읽어 다시 변환을 해야 한다는 뜻이다. 이 변환 방법이 EFM (Eight-to-Fourteen Modulation) 이라는 것으로, 컴퓨터에서 사용하는 8개의 비트로 된 데이터를 14개의 비트로 이루어진, CD에 기록하기에 적절한 데이터로 변환하는 방법이다.

실제 CD에는 EFM으로 변환한 데이터 외에도 오류를 수정하기 위한 정보, 위치 정보등 많은 추가 정보가 더 들어가게 된다.

CD의 뒷면을 보았을 때 무지개 빛을 볼 수 있는 것이 바로 앞서 말한 간섭현상이 일어나고 있기 때문이다. CD에 비친 여러 파장의 빛은 요철에 닿아 반사되어 우리 눈에 들어오는데, 이때 각 파장의 빛들이 서로 다른 간섭현상을 일으켜 여러 가지 색이 보이게 된다. 간섭현상을 보기 위해서는 CD의 요철처럼 매우 작은 높이의 차이가 존재해야 한다.

CD는 기판에 데이터를 기록한 뒤 금속을 씌운 것이라고 했는데, 그럼 이런 CD에 데이터를 썼다 지울 수 있는 CD-RW는 어떻게 가능한 것일까?
먼저 CD-R은 금속 반사층 앞에 염료의 층이 하나 더 있다. 이 염료는 처음에는 투명하지만, 강한 빛을 쪼이면 타서 불투명해지는 성질을 가지고 있다. 그래서 기록을 할 때는 원하는 부분에 강한 빛을 쪼여 데이터를 기록하게 되고, 그 뒤로는 보통 CD처럼 약간 빛을 가지고 데이터를 읽는 것이다.
CD-RW는 염료를 사용하는 것이 아니라 온도에 따라 상전이를 일으키는 특수한 물질을 쓴다. 이 물질은 강한 빛으로 녹인 후 갑자기 식히면 불투명하고, 적당히 강한 빛을 조금 오래 비추어 주면 결정이 만들어져서 빛을 통과시키게 된다. 그래서 데이터를 기록할 때는 아주 강한 빛을 쪼여 원하는 부분을 불투명하게 만들고, 데이터를 지울 때는 적당한 빛을 좀 더 오래 쪼여 다시 투명하게 만드는 것이다.


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CD는 아날로그 형태인 음파를 디지털로 바꾸어 기록한다. 여기서 일어나는 음질의 손상은 없을까?

우선 양자화 오차(Quantization errors)가 있다. 앞서 설명했듯이 CD의 기록 방식에서는 어떤 음파를 디지털로 만들 때 65536단계로 측정을 한다. 즉, 이 단계보다 더 세밀한 측정이 불가능하기 때문에 원래의 소리와 차이가 발생할 수 있다. 게다가 큰 소리의 영역에서는 오차가 작지만, 작은 소리의 영역에서는 오차가 상당히 커진다. 예를 들어 소리 크기가 60000인 곳에서의 오차는 1/60000 정도밖에 되지 않지만, 소리 크기가 3인 곳에서 발생하는 오차는 1/3 정도까지 될 수 있다. 그러면 과거의 아날로그 방식이 더 좋은 소리를 낸다는 말일까?

꼭 그렇지는 않다. 우선 65536단계는 충분히 많아서 옛날 LP와 비교했을 때 훨씬 더 세밀한 표현이 가능하다. 그리고 소리가 작아질 때 오차가 심해지는 문제는 디더(Dither) 잡음이라는 일정한 잡음을 첨가하여 해결할 수 있다. 간단히 말하면 우리 귀에 잘 들리지 않는 배경잡음을 첨가하여 실제 음악의 가장 작은 소리의 크기를 끌어 올리는 것이다. 이렇게 하면 잡음이 첨가되긴 해도 오차는 매우 작게 만들 수가 있게 된다.

디지털 녹음과 재생에서는 순간흐트러짐(Jitter)이라는 문제도 발생할 가능성이 있다. 앞서 PCM 방식이 일정한 시간 간격으로 소리의 크기를 측정하여 기록하고, 재생할 때도 역시 일정한 시간 간격으로 그 크기정보를 불러와 재생을 하는 방식이라고 했는데, 이때 시간 간격이 정밀하게 조절되지 않으면 순간적으로 음이 흐트러지는 현상이 발생할 수 있게 된다. 하지만, 이런 오차는 실제로는 거의 일어나지 않는다. CD 플레이어는 CD에서 읽은 데이터를 바로 소리로 바꾸지 않고 잠시 저장했다가 자기가 가지고 있는 내부 시계를 이용하여 내보낸다. 따라서 CD 플레이어에 들어있는 내부시계가 정확하기만 하면 그 이전 단계에서 생긴 순간 흐트러짐은 재생 중에는 사라져 버린다.

CD에 지문이 묻거나 훼손되는 경우도 잘 재생이 될까? CD에는 이런 오차를 방지하기 위한 다양한 장치들이 들어있다. CD에 들어있는 데이터 중에 일부는 오차를 발견하고 수정하기 위한 데이터라서 이를 이용하여 간단한 오차들을 수정할 수 있다. 그리고 CD에 데이터를 넣을 때도 순서대로 넣지 않고 여기저기 흩어서 넣는 방법을 쓴다. 데이터를 순서대로 넣게 되면 CD의 일부분이 망가질 경우 그 망가진 부분의 정보를 모두 잃어 다시 복구가 불가능하지만, 데이터를 흩어놓았을 경우 온전한 부분으로부터 얻은 정보를 바탕으로 훼손된 부분을 채워 넣는 것이 가능하다. 그리고 이것마저 불가능할 경우는 앞뒤에 있는 데이터들로부터 사이 데이터를 유추하는 기법도 쓰이게 된다.


DVD는 CD를 좀 더 조밀하게 만들고 여러 층이 가능하도록 확장한 CD의 후손이다. 반투명한 금속층을 이용하여 두 개의 층을 이용할 수 있도록 했고, 훨씬 정교해진 기술로 인해 데이터를 더욱 많이 넣을 수 있게 되었다.

<저자> ⊙ Purdue University 황성출 <참고문헌> ⊙ 위키피디아 ⊙ CD world ⊙ www.howstuffworks.com ⊙ 실용오디오                                                        <검수위원 : 국립군산대학교 전자정보공학부 조주필 교수>