임피던스란?
기타 앰프의 헤드 유닛이나 스피커, 또는 이펙터들의 사양을 보면 임피던스라는게 있습니다. 스피커에는 보통 4 Ω, 8 Ω, 16 Ω 등의 수치가 표기되어 있으며 물론 이펙터의 스펙에도 Input Impedance : 1M (Mega Ω) / Output Impedance : 10K (Kilo Ω) 라고 표기되어 있습니다.
또한 두 기기를 연결할 때 임피던스 매칭을 제대로 해주지 않으면 제 소리가 안난다는 것도 많이 알려진 사실입니다.
그럼 이제 기타를 연주할 때 제대로 알고 활용할 수 있는 정도의 임피던스에 대한 기본적인 내용을 다루도록 하겠습니다.
임피던스의 정의는 전류에 대한 전압의 비입니다. 이런 개념을 직류에서는 저항(resistance), 교류에서는 임피던스라고 합니다. 둘 다 같은 단위인 옴(ohm, Ω)을 사용하며 전류의 흐름을 방해하는 요소라는 공통점이 있습니다. 그럼에도 저항에 비해 임피던스에 대한 직관적인 이해가 더 어려운 이유는 임피던스란 주파수가 존재하는 교류 회로에서 일어나는 현상이기 때문입니다.


ω = 2πƒ, ƒ : 주파수
주파수가 들어간 식으로 변환하면 위와 같습니다. 얼핏보면 복잡해 보이지만 이해는 필요한 만큼만, 가능한 한 단순하게 하는게 좋습니다.
  • R (저항, Resistance) : 주파수와 무관하게 고정불변하는 저항값. 여러가지 수치의 저항 소자들에 해당.
  • L (인덕턴스, Inductance) : 주파수가 높아질 수록 전류의 흐름을 방해. 실제 회로에서는 코일에 해당.
  • C (커패시턴스, Capacitance) : 주파수가 낮아질 수록 전류의 흐름을 방해. 실제 회로에서는 커패시터에 해당.
위 식에서 알 수 있듯이 임피던스 값은 주파수에 따라 변화합니다. 하지만 이펙터나 앰프의 스펙에는 임피던스가 딱 정해진 고정값으로 나와 있는데 이것은 1kHz(1초에 1000번 진동하는 주파수)일 때의 임피던스 값을 기준으로 표기하는 것입니다. 주파수가 끊임없이 변화하는 교류에서 어떤 기준이 필요하기 때문입니다.

여기까지가 임피던스에 대한 아주 기초적인 개념입니다. 별로 신경쓰고 싶지 않다면 아래 내용만 기억해두시기 바랍니다 :
  • 임피던스란 전류의 흐름을 방해하는 요소이며 임피던스가 높을수록 신호는 어렵고 힘든 길을 가게 됩니다.
  • 일렉트릭 기타와 같이 임피던스가 높은 신호는 케이블의 길이와 재질, 그라운드 노이즈 등에 민감하게 반응합니다.
일렉트릭 기타의 임피던스
위에서 다룬 식으로 일렉트릭 기타의 출력 임피던스를 간단하게 구할 수 있습니다.
기타 픽업은 자석에 긴 코일이 감겨있는 구조이므로 이에 따른 인덕턴스(L, 단위는 헨리 - H)와 저항(R, 단위는 옴 - Ω)을 측정할 수 있습니다. 커패시턴스는 무시할 수 있기 때문에 위 식에서 커패시턴스 항은 무시하고 계산할 수 있습니다.
1) Single coil pickup
전통적인 싱글코일 픽업의 경우 저항 R = 5.8K Ω = 5800 Ω, 인덕턴스 L = 2.3 H 정도의 값을 가지고 있습니다. 임피던스는 주파수 1 KHz 일 때를 기준으로 삼으니까 ƒ = 1000 Hz 가 됩니다.
이 값들을 식에 대입하면,

Z = R + 2πƒL = 5800Ω + 2π x 1000Hz x 2.3H = 20251Ω = 20.251KΩ

이 됩니다.
출력이 더 높은 싱글 픽업의 경우 R과 L 값이 더 커지게 되므로 임피던스 또한 이보다 더 높아지게 됩니다.
2) Humbucker pickup
전통적인 험버커 픽업의 경우 저항 R = 8.5 KΩ = 8500 Ω, 인덕턴스 L = 4.6 H 정도의 값을 가지고 있습니다. 임피던스는 주파수 1 KHz 일 때를 기준으로 삼으니까 ƒ = 1000 Hz 가 됩니다.
이 값들을 식에 대입하면,

Z = R + 2πƒL = 8500Ω + 2π x 1000Hz x 4.6H = 37403Ω = 37.403KΩ

이 됩니다.
출력이 더 높은 험버커 픽업의 경우 R과 L 값이 더 커지게 되므로 임피던스 또한 이보다 더 높아지게 됩니다.

따라서 일렉트릭 기타의 출력 임피던스는 대략 20 ~ 40 KΩ 정도의 범위라고 할 수 있습니다.
이 값은 프리앰프가 내장되어있지 않은 패시브 방식일 경우라는 것에 유의하시기 바랍니다. 액티브 서킷이 내장된 경우에는 내부에서 한 번 증폭이 일어나면서 임피던스가 10KΩ 이하로 낮아지게 됩니다.
Input Impedance와 Output Impedance
일렉트릭 기타에 연결되는 모든 기기에는 입력 임피던스와 출력 임피던스가 있습니다. 단, 기타는 픽업에서 신호가 만들어져서 잭을 통해 나가기만 하기 때문에 출력 임피던스만 존재하고 스피커는 파워앰프로부터 신호를 받아서 최종 출력을 하기 때문에 입력 임피던스만 존재합니다. 그 밖의 모든 이펙터, 프리앰프, 파워앰프에는 모두 입력 및 출력 임피던스가 존재합니다.
결론부터 말하자면, 안정적인 성능의 이펙터는 높은 입력 임피던스와 낮은 출력 임피던스를 가지고 있습니다.
안정적인 성능의 이펙터란 ON/OFF 상태 모두에서 기타의 신호를 케이블의 길이에 따른 손실을 최소화하면서 앰프까지 전달할 수 있는 이펙터를 말합니다.
임피던스에 따른 신호전달의 비율
Z1in : FX1의 입력 임피던스
Z1out : FX1의 출력 임피던스
Z2in : FX2의 입력 임피던스
Z2out : FX2의 출력 임피던스
V0 : Z1out과 Z2in에 걸리는 전체 전압
V1 : Z1out에 걸리는 전압
V2 : Z2in에 걸리는 전압
위 그림은 어떤 두 이펙터를 연결했을 때의 상황입니다. 이펙터 뿐만 아니라 기타와 앰프를 다이렉트로 연결했을 때도 적용이 됩니다.
신호 전달의 비율은 신호를 보내는 쪽의 출력 임피던스와 받는 쪽의 입력 임피던스의 비율과 밀접한 관련이 있습니다. 즉 FX1의 출력 임피던스인 Z1out과 FX2의 입력 임피던스인 Z2in의 비율을 보면 신호가 얼마나 잘 전달되는지 알 수 있습니다.
원래 신호의 전압을 V0, FX1의 출력 임피던스에 의해 손실되는 전압을 V1, FX2의 입력에 전달되는 전압을 V2라고 하면 다음과 같은 식이 성립됩니다.
예1) 기타에 진공관 앰프를 다이렉트로 연결했을 때 :
원래 신호가 갖는 전압 V0를 100으로 가정하고 케이블에 의한 손실을 무시하고 계산해보겠습니다.
일반적인 패시브 픽업 기타의 출력 임피던스는 20 ~ 40 KΩ, 진공관 앰프의 입력 임피던스는 1MΩ 입니다. 기타의 출력 임피던스를 30KΩ로 가정하면 Z1out=30000Ω, Z2in=1000000Ω이 되니까 V1=2.91, V2=97.09 라는 값이 나옵니다.
케이블에 의한 손실을 무시하더라도 자석에 코일을 감아놓은 픽업의 구조에서 오는 임피던스 값과 진공관 앰프의 입력 임피던스 값으로 인해 원래 신호의 97.09% 만큼만 앰프에 전달이 되고 2.91%는 손실됩니다.
수치상으로 보면 대부분의 신호가 전달된다고 볼 수 있지만 20 ~ 40 KΩ 대의 기타 임피던스 신호의 문제점은 케이블의 길이에 따른 커패시턴스에 민감하다는 것이기 때문에 기타와 앰프 사이에 페달을 사용하는 경우 반드시 버퍼가 내장된 이펙터를 하나 이상 써서 임피던스를 낮춰줌으로써 케이블에 의한 트레블의 손실을 최소화 시켜줄 필요가 있습니다. 이에 관한 더 자세한 내용은 Buffer (Line Driver)에서 다루겠습니다.

예2) 출력 임피던스 10KΩ 이펙터에 진공관 앰프를 연결했을 때 :
마찬가지로 원래 신호가 갖는 전압 V0를 100으로 가정하고 케이블에 의한 손실을 무시하고 계산해보면 V1=0.99, V2=99.01 이 됩니다. 원래 신호의 99.01% 가 전달된다는 의미입니다.
예1)의 97.09%와 비교해보면 비슷하다고 여길 수도 있지만 실제 상황에서는 많은 차이를 나타냅니다. 특히 케이블의 길이에 따른 커패시턴스를 극복하는 측면에서 보면 이 작아보이는 차이는 큰 사운드 차이라는 결과를 가져옵니다.
일렉트릭 기타의 전기적 구조에서도 언급했듯이 커패시터는 고주파를 잘 통과시키는 성질이 있기 때문에 트레블 신호의 손실이 상대적으로 커지게 되고 이러한 차이는 단순히 약간의 출력차이가 아니라 트레블의 감소와 직결됩니다.
3미터 정도의 케이블로 기타를 앰프에 다이렉트로 연결하고 치면 내추럴하고 시원스러운 느낌이 나는데 똑같은 케이블을 7미터나 10미터 정도로 했을 때는 뭔가 답답한 느낌이 나는 경우, 또는 중간에 트루 바이패스 이펙터를 연결해서 OFF 상태로 해 놓았을 때 트레블이 많이 감소된 답답한 소리가 나는 경우 등이 20 ~ 40 KΩ 정도의 하이 임피던스 신호에서 자주 발생하는 문제점들의 단적인 예입니다. 이럴 때는 중간에 임피던스를 낮춰주는 버퍼를 하나만 놓아도 문제가 바로 해결됩니다. Cable Talk, Buffer (Line Driver) 에서 더 자세한 내용을 다루도록 하겠습니다.

예3) 기타에 Fuzz를 연결했을 때 vs. 버퍼 이펙터에 Fuzz를 연결했을 때 :
Fuzz는 입력 임피던스가 낮습니다. 이것은 들어오는 신호의 일부만을 취해서 소리를 만들어 낸다는 의미입니다.
제조사나 제작 시기에 따라 다소 차이는 있지만 Fuzz의 입력 임피던스는 65KΩ 정도입니다. 진공관 앰프나 일반적인 오버드라이브 페달의 입력 임피던스인 1MΩ에 비하면 매우 낮은 수치입니다. 기타의 임피던스를 30KΩ로 놓고 계산을 해보면 68.4%의 신호만 Fuzz로 전달된다는 것을 알 수 있습니다. Fuzz의 매력적이며 어떻게 보면 이상한 소리와 반응은 이런 구조적인 결함(?)에 기인한다고 할 수 있습니다. 이러한 이펙터들에는 Fuzz, Octavia, Germanium Treble Booster 등 60년대에 설계된 제품들이 포함됩니다. 이런 이펙터들은 바이패스 시에도 이렇게 신호의 30% 이상이 손실된다면 문제가 심각하기 때문에 트루 바이패스가 꼭 필요했던 이펙터였고 그래서 트루 바이패스가 적용되었습니다.
만약 Fuzz 앞에 출력 임피던스 10KΩ 정도의 페달이 온다면 약 86.7%의 신호가 Fuzz로 입력됩니다. 이렇게 되면 원래 회로가 설계된 기준보다 과도한 신호가 입력되기 때문에 매우 이상한 소리가 되어버립니다. 그래서 Fuzz 앞에는 바로 기타가 오거나 이펙터를 건다고 해도 Octavia나 Wah 정도만 걸 수 있습니다. 이 때에도 Wah의 반응은 Fuzz 때문에 거의 음역의 변화폭이 없으며 트레블만 강조된, 약간은 비정상적인 반응을 보이는데 이는 모두 Fuzz의 낮은 입력 임피던스 때문이라 할 수 있습니다.

정리
임피던스 개념의 설명을 위해서 간단한 계산과 예를 들어보았습니다. 내용이 부담스럽거나 완전히 이해가 되지 않는다해도 실제 기타 연주나 이펙터의 사용에는 큰 무리가 없습니다. 하지만 제대로 된 세팅에서 기타, 앰프, 이펙터의 성능을 100% 활용하여 만족스러운 사운드를 얻기 위해서는 자신이 사용하는 기타나 이펙터들의 출력 임피던스가 어떤 범위인지 알고 있어야 하며 각 경우별로 적절한 세팅을 해주어야 합니다.
다음 내용에서 Z는 임피던스를 의미합니다.
  • High Z : 20 ~ 40 KΩ의 신호. 일반적인 패시브 픽업 기타에서 나오는 신호. 허용 가능한 케이블의 길이는 최대 5.5미터 정도이며 더 길어지는 경우에는 트레블의 감소와 노이즈 문제가 발생.
  • Low Z : 10 KΩ 이하의 신호. 액티브 픽업이 장착된 기타 또는 FET나 IC 등의 이펙터 회로를 거친 신호. 케이블의 길이에 따른 트레블의 감소가 거의 없으며 노이즈 문제에도 강함.
하이 임피던스 신호에서 생기는 문제점의 해결에 관해서는 Cable Talk와 Buffer (Line Driver) 란을 참고하시기 바랍니다.