고대 인류의 정전기에 대한 호기심과 탐구로 시작된 전기의 발견은 단순한 에너지의 발견이 아니었습니다
그것은 보이지 않는 힘을 눈에 보이게 하고 멈춰있던 세상을 움직이게 만든 사건이었습니다
전기의 발견과 더불어 세상은 산업혁명을 거쳐 과학문명으로 접어들었고 컴퓨터가 등장하는 시발점이 되었습니다 그리고 더 나아가 더 많은 회로를 더 세밀하게 집적시켜 넣을 수 있는 반도체와 트랜지스터가 만들어지게 됨으로써 현재 우리는 손으로 들고다니는 스마트폰으로 전 세계의 구석구석을 보며 정보를 교환할 수 있는 세상을 살게 되었습니다 이 글에서는 더 많은 회로를 더 작게 만들어 집적시킴으로써 스마트폰뿐만 아니라 인공지능까지도 만들어질 수 있게 한 반도체와 트랜지스터에 대해서 알아보겠습니다
반도체란
먼저 도체와 부도체 그리고 반도체에 대해서 알아보겠습니다
도체란 전기가 잘 통하는 물질을 말합니다
전류의 흐름이 잘 생기는 원인은 원자의 결속력이 약해서입니다
외부에서 에너지(마찰, 열, 빛)가 가해졌을때 전자가 쉽게 빠져나가 움직이며 전자의 이동이 시작되는데 이것이 전류 즉 전기에너지가 되는 것입니다
부도체는 전류의 흐름이 전혀 생기지않는 물질을 말합니다
원자가 전자를 붙잡고있는 힘이 강해서 외부에서 에너지를 받아도 전자가 움직이지 않습니다 그래서 전자의 흐름이 없기 때문에 에너지로 이용할 수 없는 것입니다
반도체란 말 그대로 전기가 흐르기도하고 안 흐르기도 하는 반은 도체이고 반은 부도체인 물질을 말합니다
전기가 잘 통하는 도체와 부도체의 중간단계입니다
즉 어떤 상태에서는 전기가 흐르가다 어떤 상태에서는 전기의 흐름이 멈추는 물질을 말합니다 그렇다면 어떠한 상태에서 전기가 흐르고 어떠한 상태에서 전기의 흐름이 멈출까요
●열을 가해주면 열에너지가 원자에 가해져서 전자가 원자의 결합에서 벗어나 자유전자가 됩니다
●빛을 쏘아주면 전자가 에너지를 받아서 전도대로 올라가서 전류로 사용할수있게됩니다
태양전지나 적외선 센서등이 이러한 원리를 응용한것입니다
2 반도체 물질에 불순물을 투입해서 N형 또는 P형 반도체로 만듭니다
반도체의 물질에 다른 원소를 아주 조금 섞어서 성질을 바꾸어줍니다
N형이란 반도체의 자유전자가 많아지게하는 원소를 넣어주는 방법입니다
P형이란 반도체의 전자의 빈자리가 생기게해 그 빈자리를 채우기 위해 이동하는 방법을 이용하는 방법입니다
즉 반도체물질에는 원래 잠자는 전자들이 많은데 불순물을 넣어주므로서 전자들을 깨어나게 하고 또한 전압을 걸어서 전자나 양공을 한쪽 방향으로 밀어줘서 전자들을 움직이게 해서 전류를 만드는 것입니다
즉 반도체에 전류가 흐를수있는 조건은 자유전자가 있어야 하고 그 전자들이 이동할 수 있는 길이 열려야 하는 것입니다
쉬운 예로 들자면 N형 반도체는 전자가 남아도는 상태를 이용하는 것이고 P형 반도체는 전자가 빠져나간 구멍을 채우기 위해서 부지런히 이동하는 전자의 움직임을 전류로 이용하는 것입니다
자유전자가 많다는것은 전류가 흐를 준비가 되어있다는 뜻이고 전압을 걸면 자유전자들이 한쪽 방향으로 이동하게 되어 전류의 흐름이 시작되는 것입니다
반도체의 실질적인 활용의 시작점 트랜지스터
반도체는 그 자체만으로도 특이한 물질이지만 반도체의 특별함의 가치가 드러난것은 트랜지스터의 발명에서 시작되었습니다 트랜지스터는 전기의 흐름을 흐르게 하였다가 멈추게 하는 장치입니다
이 단순한 구조물은 1947년 벨 연구소의 세 명의 과학자들에 의해서 처음 만들어졌는데 이 발명이 촉진되게된 배경에는 전기의 흐름을 제어하는 진공관이라는 장치의 비효율성에 있었습니다
1940년대 미국에서는 전화통신이 급속도로 확산되고있었는데 통신장비로 사용하는 진공관을 사용하였습니다 진공관은 말 그대로 내부가 진공상태로 되어있는 공기조차 없는 빈 공간인데 여기서는 가열된 필라멘트(음극)에서 전자가 튀어나옵니다 그리고 이 전자는 진공 속에서 날아가서 양극 쪽으로 도달합니다 이때 전류가 흐르는데 이러한 구조의 진공관은 열이 많이 나서 소비전력이 많이 소모되었을 뿐 아니라 쉽게 고장이 났는데 전화국 한 곳에 수천 개의 진공관이 있으면 그중의 몇 개는 매일 고장이 났습니다
그래서 전화기를 생산하는 기업인 벨은 이런 문제를 해결하기위해서 자신들의 연구소인 벨 연구소에 전류를 제어하고 증폭할 수 있는 새로운 부품을 만들어달라는 연구과제를 주었고 벨 연구소의 연구원들은 여러 가지 방법을 생각하다가 반도체라는 물질에 주목하기 시작하였습니다
진공관은 전자를 이용하기위해서 진공관이라는 구조 속에 가두고 전자를 방출시켜서 이를 이용하는 방식인데 반해서 반도체는 고체인 물질 안에 어떤 특정한 조건을 주었을 때 전자가 물질 내에서 이동하는 전류가 생성되는 방식입니다 전자가 진공 속을 날아다니는 대신 고체 안에서 선을 따라서 이동하는 방식이라 할 수 있습니다 즉 물질 속에서 전자가 움직이게 만드는 방법이었던 것입니다
이 들은 실리콘이나 게르마늄같은 반도체 물질을 가지고 많은 실험을 했고 1947년 12월 23일 세계최초의 트랜지스터를 만들어냈습니다 최초의 트랜지스터는 손으로 만질 수 있는 작고 투박한 장치였지만 진공관을 대체하여 전류를 제어하고 증폭할 수 있는 강력한 반도체의 시대를 여는 신호탄이 되었고 결국 통신 기술자들의 절박한 시도가 현대 인류의 삶을 바꿔놓는 계기가 되었습니다
날아다니는 전자를 가두어 사용하던 진공관대신 실리콘이라는 반도체 물질안에서 전자를 흐르게 하였다가 제어하는 방법이 발견된 것입니다
그러나 트랜지스터가 전기의 흐름을 제어할 수 있는 작고 강력한 스위치였지만 지금처럼 마이크로 단위의 부품은 아니었고 손으로 쥘 수 있을 정도의 큰 부품이었다고 합니다 그러나 시간이 지나면서 '트랜지스터를 수백 개, 수천 개, 수백만 개, 수십억 개까지 하나의 조각 위에 담을 수 있을까'라고 생각하게 되었고결국엔 전기의 흐름을 머리카락보다 얇은 공간에 가두는 기술을 개발하게 되었습니다
그래서 머리카락 굵기의 1만 분의 1 수준으로 작아졌고 현재는 5 나노미터 단위의 트랜지스터까지 만들어지고 있다고 합니다
그렇다면 트랜지스터를 왜 그리 작게 만들려고 했을까요?
트랜지스터가 작아질수록 더 많은 트랜지스터를 하나의 칩에 담을 수 있게 되면 속도는 빨라지고 소비전력은 줄어들기 때문입니다 현재 하나의 칩 안에는 수십억 개의 트랜지스터가 집적되어 들어간다고 합니다
결국 트랜지스터를 작게 만드는 기술= 반도체 산업의 핵심 경쟁력이 되었고 인공지능이라는 새로운 두뇌까지 만들어낼 수 있는 기반이 되었습니다
트랜지스터를 만드는 과정
현재 반도체의 소재로 사용하는 물질은 주로 실리콘입니다
실리콘은 모래에서 얻는 자연원소이고 원소기호는 Si이고 자연의 원소 중에서 산소 다음으로 풍부한 양을 가지고 있다고 합니다 이 반도체 물질인 실리콘으로 전기의 길(회로)을 만드는 방법을 알아보겠습니다
1 모래에서 얻은 실리콘을 정제해서 매끈하고 순수한 실리콘 결정을 만듭니다 이것을 웨이퍼라고 부르는 반도체 원판입니다
2 산화막 입히기(전자가 다니는 길 사이의 벽 만들기)
반도체 안에서는 전자가 지나가는 길이 도로처럼 설계되어 있습니다 그런데 이 전자들이 원하는 길만 가도록 해야지 엉뚱한 데로 새면 회로가 망가지거나 오작동이 생깁니다 그래서 전자가 지나가야 할 길 외에는 "산화막"이라는 얇고 단단한 벽을 만들어서 전자가 헷갈리지 않고 갈 길만 갈 수 있도록 도와주는 벽입니다
3 포토리소그래피 (빛으로 도장 찍기)
포토리소그래피는 빛과 필름을 이용해서 반도체 위에 아주 작은 회로 무늬를 새기는 기술입니다
●실리콘 웨이퍼 위에 얇은 감광물질을 바릅니다
●감광물질을 바른 웨이퍼 위에 회로모양의 마스크(회로 도면 모양의 필름)를 올립니다
●빛(자외선 UV)을 비추면 회로모양이 있는 부분만 굳어집니다
●그다음, 굳지 않은 부분을 현상액으로 씻어내면 회로모양만 남게 됩니다
4 삭각; 필요 없는 부분들을 깎아내며 회로패턴을 실제로 실리콘에 새겨 넣습니다
5 이온주입(도핑)
실리콘에 다른 원소(불순물)를 원자 단위로 넣어서 전기적인 성질을 바꾸어 전자가 이동할 수 있는 길을 만들어주는 과정입니다
이온의 의 종류에 따라서 N형 반도체와 P형 반도체로 바뀌는데 인을 넣으면 전자가 더 많아지는 N형 반도체가 되고 붕소르르 넣으면 P형 반도체가 됩니다
이온(다른 원소)을 넣는 방법은 고속 전자총과 같은 기계로 쏘아 넣습니다
6 금속 증착 이제 회로에 전기를 흐르게 할 수 있도록 전선 같은 역할을 할 금속(알루미늄, 구리)을 얇게 붙여줍니다
7 평탄화
화학적, 기계적인 방법으로 표면을 평평하게 다듬습니다
8 포장하기
완성된 칩을 부서지지 않게 보호하고 다른 기판에 연결할 수 있게 검은색 사각형 모양의 칩에 넣습니다
조금 한 자연현상에 대한 인류의 지적 탐구는 수천 년의 세월을 지나 반도체라는 작은 물질 안에 전기의 흐름을 가두고 제어하는 기술로 발전하였습니다 현재 우리 손에 쥐고 있는 스마트폰 안에는 머리카락보다도 얇은 수십억 개의 트랜지스터가 들어있고 그 안에는 아주 오랜 시대부터 세상과 자기 자신을 이해하고자 하였던 인류의 질문과 마음의 흔적이 담겨있습니다 지금도 누군가는 더 작고, 똑똑한 트랜지스터를 만들기 위해, 또는 반도체 너머의 세상을 상상하며 또 다른 시작을 준비하고 있을 것입니다