필터
1. 개요
Filter
'''무언가를 걸러내는 도구.''' 특정 성질을 가진 것은 차단하고, 그렇지 않은 것은 통과시키는 도구이다. 여과기(濾過器)라고 번역할 수 있다. 제작 목적에 따라 그 구조와 형태가 천차만별이며, 정보를 걸러내기 위한 소프트웨어 형태의 필터도 있다.
필터는 '필터를 통과하려는 것'을 완전히 차단하는 것은 아니다. 모든 것을 차단하는 것은 필터가 아니라 벽이나 마개에 해당한다. 필터는 차단과 선별 기능을 동시에 수행할 수 있는 도구를 말한다.
제작 목적에 따라 이물질, 입자, 미세먼지, 수중의 분비물, 세균이나 바이러스, 광선, 음파, 전파 등등을 걸러내게 된다. 이런 동작을 수행하는 것을 필터링이라고 부르는데, 필터와 마찬가지로 더 넓은 의미로 쓰인다. 과학이 발전하며 단순히 입자를 걸러내는 것 이상의 의미를 갖게 되었는데, 음향, 광선, 전파 심지어 방사능까지도 포괄하는 개념이 되었다.
참고로 요즘 기술은 대단해서 '큰것을 걸러내고 작은것을 통과'(거름종이)시키는 상식적인것부터, '특정한 파장만을 통과'(컬러필터), 특정한 방향으로 진동하는 전기장을 가지는 전자기파만 통과(편광필터)시키는 굉장한것을 넘어 '''작은것을 걸러내고 큰것을 통과'''시키는 해괴한 필터도 존재한다. (...)
2. 물리적 필터
2.1. 불순물 필터
일반적 의미의 불순물을 걸러내는 필터는 에어컨, 공기청정기, 정수기, 청소기, 방독면 등 입자를 걸러내어 매질을 깨끗하게 하는 기구에는 죄다 붙어 있고 이것이 핵심 역할이다. 마찬가지 의미로 담배(흔히 보는 궐련 갑담배)에도 필터가 존재한다.[1] 입자를 거르는 역할이라는 점에서, 요리에 쓰이는 체, 실험실에서 쓰이는 거름종이도 필터의 일종. 그 외에도 하수구 거름망도 필터라고 볼 수 있다. 또한, 황사나 미세먼지 마스크에도 필터가 있다.
사람의 코털도 훌륭한 공기 필터다. 어찌 보면 세포막도 필터의 일종으로 볼 수 있다. 의외로 산업 전반에 많이 쓰이는데, 소독과정중에서도 가장 간단한 것이 필터를 이용하는 것이다. 0.2um 정도의 멤브레인 필터를 이용하면 바이러스 크기를 가지는 원시 미생물을 제외하고 그람 양성 음성이나 세포벽 여부를 막론하고 미생물이란 미생물은 싹 제거된다. 물론 화학물질을 이용하는 것이 아니므로 오염을 격정할 필요도 없이 완벽하게 소독된다. 완전용액이 아닌 우유 등의 콜로이드에는 이용하기 곤란하다. 완전 용액에서 바이러스나 이온 등을 분리하여 완전한 용매를 분리하려면 반투막을 이용하면 된다.
항공기나 자동차를 비롯한 기계류는 연료, 엔진오일, 유압작동유, 공압계통의 압축공기 등 많은 유체를 다루기 때문에 이러한 유체류에 들어갈 수 있는 불순물을 걸러주기 위해 여러가지 필터가 장착되어있다. 연료나 엔진오일 등은 필터를 제때 교체해주지 않았거나 뭔가 사고 등으로 잘못되어 필터가 불순물로 꽉 막혀버리면 당장 엔진이 멎거나 할 수 있으므로 필터 옆에 일종의 우회로를 둔다. 일단 필터가 문제가 있다고 경고 장치 등으로 사용자에게 알려주되, 당장 엔진이 멎거나 하진 않도록 연료나 오일이 이 우회로를 통해서 어쨌거나 오염된 상태로라도 엔진으로 흘러가도록 하는 개념.
2.2. 음향 필터
이어폰 등에서 볼 수 있다. 필터의 재질과 밀도를 조절해 특정 주파수의 양을 적절히 맞춰 음색을 조절한다. 주로 노즐에 들어가며 포낙, AKG K3003, Shure SE846, Etymotic Research 상위 모델들 등 일부 제품은 필터를 교환해 사용자가 원하는 소리를 정할 수 있다.
위와 같은 필터 방식은 제진재라고도 불리는 음향적 저항을 적절한 자리에 적절하게 배치하는 방식을 통해 다양한 사운드를 표현할 수 있게 된다. 공기 입자의 운동 속도가 빠르면 빠를수록 제진재를 거치게 되면 더 많은 에너지를 잃게 되는데, 음향전달관 내부의 공기는 공진 주파수, 음향전달관의 출구면, 그리고 출구면 λ/2 거리에서 가장 빠른 흐름을 보이는데, 제진재를 적절한 부분에 위치시키게 되면, 공진 주파수에서의 출력은 감쇄하게 된다. 배치에 따라서 임피던스가 달라진단 의미로 해석할 수 있다.
결국 크게는 이물질에 따라서도 달라질 수도 있는 만큼 각별히 청결을 주의할 필요도 있다는 의미가 되겠다.[2]
이어폰의 필터는 소모품이다. 아무리 깨끗하게 관리한다고 하더라도 길면 6개월이 수명이라고 보면 된다. 보통 좌우 소리의 밸런스가 틀어지거나 이상하게 소리가 먹먹하다 싶으면 필터를 교체해주자 처음샀을때의 그 느낌으로 돌아올 것이다. 교체시에는 좌우를 같이 갈아주어야 한다. 이어폰에서의 에이징이라고 하는 부분의 대부분은 필터의 유무의 관계없이 먼지등의 이물질이 내부에 지속적으로 쌓여 물리적으로 소리가 변한 경우가 거의 대부분이다.
다른 방식으로는 네트워크에서 필터를 제작하는 방법이 있다. 종류는 로패스 필터와 하이패스 필터가 있다. 각각 크게 연결 방식에는 차이가 있지만 기본적으로 커패시터를 사용한 필터는 하이패스 필터, 인덕턴스는 로패스 필터로 볼 수 있다. 관련된 자세한 내용은 아래 3번 항목 참조.
2.3. 방사능 물질 필터
셀라필드 원자력 단지 항목의 윈드스케일 사고 항목 참조. 참고로 이때 필터가 없었으면 영국에서 체르노빌급 참사가 벌어질 수도 있었다!
2.4. 광학 필터
광선을 걸러내는 경우에는 광학 필터라고 부른다. 가장 널리 쓰이는 것은 카메라 렌즈에 장착하여 사용하는 '렌즈 필터'이다. 또한, 컴퓨터 모니터에 장착하여 보안 기능을 제공하거나, 빛반사 방지를 제공하는 모니터용 필터도 존재한다.
광학 필터는 단순히 밝기를 감소시킬 수도 있으나 한 방향에 수직인 방향의 진동을 완전히 제거하여 한 방향으로만 진동하게 할 수도 있다. 이것을 편광 필터라고 부르며, 편광 필터로 인해 걸러지는 밝기는 편광 방향과 원래 진동 방향의 코사인만큼이다. 편광 필터는 자기를 띤 소재를 매우 간격이 좁은(~2*파장) 평행한 선으로 발라 만드는데, 이 선에 평행한 방향의 진동은 모두 제거된다.
특수한 파장에 대한 흡수율(색)을 가진 필터도 존재하는데, 이 경우 광선에서 특정 파장만을 걸러내는 것이 가능하다. 셀로판지 등이 대표적이며, 카메라 렌즈에 널리 쓰이는 UV 필터도 자외선을 차단하는 용도이다. 이를 응용하여 만든 것으로 색약자를 위해서 특정 색 파장을 강조하여 색 구분을 용이하게 만든 안경이 있다. 관련 제조사 홈페이지 또한 디지털카메라에는 일반적으로 일정 주파수 이하의 빛을 걸러내는 로패스 필터가 센서 앞에 부착된 경우가 많다.
넓게 해석하면 선글라스나 자동차 유리 선팅도 광학 필터라고 볼 수 있다.
2.5. 예시
- 담배의 필터[3]
- 체
- 싱크대의 배수구
- 거름종이
- 방독면
- 정수기의 여과 장치[4]
- 공기청정기
- 필터홀더 - 에스프레소 머신에 쓰이는, 커피를 담는 체
- 인간을 포함한 다양한 동물의 콩팥, 코털[5], 귀지[6]
- 신장 질환 등으로 받아야 하는 혈액 투석 기기
- 편광 필터, UV 필터, 컬러 필터 등의 광학 필터
- 반투과성막
- 관상어 어항에 설치하는 어항 여과기
3. 전기, 전자공학에서의 필터
전기회로 및 전자회로에서도 특정 주파수를 차단·통과시키는 목적의 회로를 필터라고 한다. 널리 쓰이진 않지만, 한국어로 번역해야 할 경우 '여파기'라는 표현을 사용한다. 전기회로 부품만 이용하여 간단하게도 만들 수 있지만 현대 산업에서는 양산이 쉽고 간편한 반도체 등의 능동 소자를 이용한 필터를 사용하거나, 디지털회로나 소프트웨어를 이용한 수치계산으로 동작하는 디지털 필터를 사용한다. 전기회로 부품만을 사용하여 제작하는 필터는 '수동 필터', 반도체 소자를 이용한 필터는 '능동 필터'라고 칭한다. 능동 필터를 구축할 때는 트랜지스터 기반 증폭기를 필수적으로 이용한다. 아날로그 필터와 디지털 필터를 비교하면 디지털 필터의 복잡도가 아날로그 필터보다 높지만, 일반적으로 디지털 필터의 특성이 아날로그 필터보다 매우 우수하므로 널리 쓰이고 있다.
전기공학·전자공학에서 전자회로, 전기회로는 물론 음성과 영상 같은 신호처리, 통신 시스템 등등 안 쓰는 분야를 찾기 힘들 정도로 필수적으로 쓰인다.
주파수 특성에 따라서 분류하면 아래와 같다.
- 로우패스 필터(low-pass filter, LPF)
낮은 주파수 대역(저주파)는 통과시키고, 높은 주파수 대역(고주파)는 차단하는 필터. 샘플링에서 거의 필수적이라 현존하는 거의 모든 디지털 제품에 들어 있다. LPF가 없으면 샘플링을 할 수도, 디지털 신호를 다시 아날로그 신호로 바꿀 수도 없다.
- 하이패스 필터(high-pass filter, HPF)
LPF와 반대로 고주파를 통과시키는 필터
- 밴드패스 필터(band-pass filter, BPF)
특정 주파수 대역만 통과시키는 필터. 현대의 전자회로는 특정 주파수 대역만 잡아 내는 것이 아주 중요하다. 예를 들어 이퀄라이저와 같이 원하는 영역의 주파수만을 이용해 음향 효과를 주기도 하고 무전기, 라디오, 휴대폰 같은 것을 생각하면 자신이 현재 사용중인 주파수 대역만 통과시키고 나머지를 차단하는 방법으로 잡음을 감소시키고 보다 깨끗한 소리를 들을 수 있다. 그래서 BPF(band pass filter)가 많이 쓰인다.
- 밴드스톱 필터(band-stop filter, BSF)
밴드리젝트 필터(band-reject filter)라고도 부른다. 특정 주파수 대역만 차단하고, 나머지 대역은 통과시키는 필터. 그냥 BPF와 뭉뚱그려 취급하는 경우도 있다.
- 올패스 필터(all-pass filter, APF)
모든 주파수 대역을 통과시키고 위상에만 변화를 주는 필터다.
그 외에도 다른 기준으로 필터를 분류할 수 있는데, 아날로그 필터인지 디지털 필터인지를 기준으로, 디지털필터에서는 FIR(finite impulse response) 필터[7]인지, IIR(infinite impulse response) 필터[8] 인지를 기준으로, 필터의 통과특성인 Butterworth, Chebyshev 등의 기준으로[9], 필터의 차수를 기준으로 등 다양한 기준으로 필터를 분류할 수 있다.4. 소프트웨어의 필터
4.1. 인터넷 채팅/댓글에서의 필터
4.2. 목록에서의 필터
수많은 목록이 나열되어 있는 곳에서, 자신이 원하는 설정의 목록만 띄우기 위하여 사용한다. 필요 없는 설정의 목록이 많을 때 매우 유용한 기능이다.
예시로, 쇼핑몰에서 노트북을 살 때 필터를 70만 원대/3星/새 상품/회색/15인치/게임용 으로 설정해 해당하는 목록을 띄웠다면, 필터를 사용한 것이라고 할 수 있다.
인터넷 쇼핑몰, 커뮤니티 게시글, 게임 내 상점·서버·방, 유튜브 등 목록이란 것이 있는 곳이면 자주 볼 수 있다.
Microsoft Excel에서도 필요한 항목만 추출해서 보여주는 기능을 '필터'라고 부른다.
와이어샤크에서도 필터가 있다. 네트워크 패킷을 걸러내기 위함이다.
5. 위상수학에서의 필터
집합족이 교집합, 더 큰 집합에 대해 닫혀있으면 필터라고 한다. 이 개념을 이용해서 티호노프 정리를 간단하게 증명할 수 있다.
6. 케이블 방송의 필터
상품별로 채널을 제한하기 위한 필터.
7. 기타
[1] 시가나 곰방대에는 당연히 없다. 그리고 그만큼 독하다...[2] 물론 노즐에 크게 영향을 줄 만큼 지저분한 시점에서 이미 다른 부분이 망가졌을 가능성이 높다. 지주 점검하는 게 좋다.[3] 심지어 요즘에는 담배에 박하 향을 넣어 주는 필터까지 생겼다(...)[4] 숯 등이 여기에 사용된다. 간이 정수기에는 자갈,모래 등이 사용되기도 한다.[5] 세균 등 이물질을 걸러준다. 이물질이 걸릴 때 보통 재채기를 한다.[6] 귀지는 원래 인체에서 자연 생성된 후 귀에 들어간 이물질 등이 귀지에 들러 붙기 때문에 일종의 필터 역할을 한다. 이때 들러붙는 이물질 때문에 더러운 배출물 취급을 받는것. 따지고 보면 귀지는 파내는 것보단 자연 배출이 귀 건강에 더 좋다.[7] 위상왜곡등의 아날로그적 특성이 없이 주파수의 변화를 정확하게 이끌어 낼수 있지만 처리속도가 느리고 정밀해질수록 계산량이 급격히 증가한다[8] 아날로그 필터를 시뮬레이션 하여 위상왜곡등의 다른 특성도 따라오지만 계산시간이 빨라 딜레이가 적다[9] 아날로그와 디지털의 구분이 아니며, 아날로그와 디지털 모두 사용가능