‘반도체’라고 하면 복잡하고 어렵게만 느껴지지는 않나요? 하지만 대부분 반도체는 일상에서 흔히 볼 수 있는 물질인 ‘실리콘(규소, Silicon, Si)’으로 만듭니다. 접착 고무, 성형 수술 보형물 등으로도 실리콘을 사용하는데요. 실리콘이 어떻게 반도체 원재료가 될 수 있었는지 영하이라이터와 함께 무궁무진한 원소, 실리콘을 알아보겠습니다.

흰 도화지 같은 원소 실리콘

▲ 실리콘(규소, Silicon, Si)

반도체 원료인 실리콘은 지구 지각(地殼)에서 산소 다음으로 풍부한 원소로 전체 지각 질량의 약 27.7%를 차지합니다. 우리 주위에서 보이는 흙, 모래, 돌멩이는 이산화규소(SiO2)로 이뤄지는데, 이 물질을 구성하는 원소가 바로 실리콘입니다.

실리콘은 자원이 풍부해 가격이 저렴하고, 독성이 없어 환경이나 인체에도 무해하죠. 또한, 전기 전도율을 높이려고 불순물 원자를 첨가하는 도핑(Doping)을 통해 전기전도나 전도 형태를 변형 할 수 있는데요. 이처럼 흰 도화지 같은 원소여서 반도체 주원료로 사용합니다.

하지만 처음부터 반도체 주 원료가 실리콘은 아니었습니다. 트랜지스터에서 출발한 초창기에는 게르마늄(Ge)을 주로 사용했는데요. 실리콘이 게르마늄 보다 순도, 결정 구조에서 우수하고, 고온에서 안정한 산화막을 형성하는 등의 장점이 있어 현재 반도체 소자 90% 이상은 실리콘 웨이퍼를 원료로 만들고 있습니다. 미국 캘리포니아 주에 있는 실리콘 밸리(Silicon Valley) 명칭도 실리콘에서 유래했을 정도로 반도체 산업에 중요한 요소인데요. 반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 통하지 않는 절연체 중간 정도의 전기 저항이 있는 물질입니다. 얼마나 도핑하는 하느냐에 따라 전도도를 조절할 수 있죠. 특히 금속과 달리 온도를 올리면 저항이 줄어들어 전기 전도도가 높아지는 점이 반도체의 중요한 특성인데요. 실리콘의 어떠한 성격 때문에 이런 특성을 띄는 것일지 지금부터 살펴보겠습니다.

반도체 성질을 구현하는 실리콘

▲ 실리콘 원자의 화학적 결합 구조

실리콘은 주기율표상 4주기 14족에 있습니다. 주기율표는 물질을 이루는 기본 성분인 원소를 양의 전하를 지니고 중성자와 더불어 원자핵을 구성하는 입자인 양성자 수에 따라 배열한 표를 말하는데요. 14족 원소는 공통적으로 원소 가장 바깥 껍질에서 전자로 화학 반응에 참여할 수 있는 전자인 최외각전자 4개를 가집니다. 안정한 상태를 만들기 위해 실리콘은 이웃 원자 4개와 전자를 공유해 공유결합을 형성합니다.

▲ 반도체 도핑

반도체 공정에서 도핑에 사용되는 불순물에 따라 반도체를 N형 반도체(N-type semiconductor)와 P형 반도체(P-type semiconductor)로 나뉩니다. 최외각전자가 4개인 실리콘에 인(P), 바소(As)와 같이 최외각전자가 5개인 15족 원소를 주입하면, 5개 전자 중 4개는 이웃하는 실리콘 원자들과 공유되고, 나머지 1개의 전자는 결합을 이탈해 결정 안을 자유롭게 움직이는 전도 전자가 됩니다. 전도 전자는 음(Negative, N) 전하량을 운반하므로 다수의 이동성 전자와 소수의 정공을 포함하는 반도체가 되는데 이를 N형 반도체라고 합니다. 정공은 가전자가 업거나 빠진 자리의 원자 최웨각 궤도인데요. 반대로 붕소(B), 알루미늄(Al)과 같은 13족 원소를 주입하면 정공이 생성되는데, 정공은 양 전하량(Positive, P)를 운반하기 때문에 다수의 정공, 소수의 이동성 전자를 포함하는 P형 반도체가 됩니다

▲ 절연체, 반도체, 도체의 각 에너지 밴드 갭

물질을 구성하는 기본 입자인 원자 내부 전자는 불연속적인 에너지 준위가 있습니다. 하지만 멀리 있던 원자들이 결정 구조를 형성하면서 서로 가까워지면, 불연속적인 에너지 준위들이 상호작용해 띠 형태의 에너지 밴드(Energy Band)를 형성합니다.

갭으로 나눠 밴드 중 낮은 에너지의 밴드를 가전자대(Valence Band)라고 하고, 높은 에너지의 밴드를 전도대(Conduction Band)라고 합니다. 이 두 밴드의 에너지 차이를 에너지 갭(Energy gap, Eg) 혹은 밴드 갭(Band Gap)이라고 하는데, 이는 각 물질마다 고유한 값이 있습니다. 에너지를 얻어 흥분된 전자가 작은 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 에너지대인 전도대로 이동해야 전류를 흐르게 하기 때문에 밴드 갭 크기는 매우 중요합니다.

밴드갭은 절연체의 경우 크기가 커서 전도에 참여하는 자유전자 생성이 어렵고, 반도체의 경우는 중간 정도여서 적절한 에너지를 가하면 전자가 전도대로 전이돼 전도에 참여할 수 있습니다. 또한, 도체일 경우 밴드가 겹쳐서 나타나거나 부분적으로 차 있어 전자가 자유롭게 움직입니다. 특히 반도체는 사용자가 원할 때 전기를 흘려 보낼 수 있어야 해서 적절한 밴드갭을 가지는 것은 중요한데요. 실리콘은 1.1 eV 상당의 적절한 밴드갭을 가져 반도체의 주재료로 사용되고 있습니다.

실리콘 한계를 넘는 실리센 & 실리콘 카바이드

50년의 긴 시간 동안 실리콘이 반도체의 주원료로 사용돼 왔지만, 이는 미세공정에서 한계를 보입니다. 최근 실리콘을 기반으로 하되 이 한계를 극복한 소재에 관한 연구가 활발히 일어나고 있는데요. 이러한 대표적인 신소재로는 실리콘의 2차원 구조인 실리센(Silicene), 실리콘과 탄소의 화합물인 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)가 있습니다.

▲ 실리센 육각형 벌집 모양 구조 (출처 : <네이쳐> 트위터)

실리센이란 실리콘 원자가 육각형 벌집 모양으로 배열된 2차원 물질로 반도체 특성이 있습니다. 탄소 원자 한 개 두께의 매우 얇은 2차원 구조로, 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 배열된 그래핀(Graphene)을 본 따 만들어졌는데요. 그래핀은 열, 전기 전도도가 높고 전자 이동 속도가 높으면서도 강도가 매우 강합니다. 또한, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 유지해 ‘꿈의 나노물질’이라고 부르죠. 하지만 밴드갭이 없어 반도체로 바로 활용하지 못하는 단점이 있습니다. 그래서 적절한 밴드갭이 있는 실리콘을 그래핀처럼 2차원 벌집 모양의 구조로 배열해본 결과, 실리센은 그래핀의 높은 열, 전기 전도성, 강도성, 유연성을 가졌음을 확인할 수 있었습니다. 전자기기가 점차 소형화를 이루면서 반도체 부품들도 작아지고 있고 최근 플렉서블 디스플레이와 같이 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가했기 때문에 실리센 활용이 더욱 기대됩니다.

▲ 실리콘 카바이드

또 다른 신소재는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide, SiC)입니다. 실리카(SiO2)와 코크스(C)를 전기로에서 2,300도가량의 높은 온도로 가열해 제조하는 인공 화합물입니다. 한국 말로는 탄화규소라고도 부르는데요. 비교적 손쉽게 얻을 수 있는 실리콘 대신 높은 열을 가해 합성해야 하지만 그럼에도 실리콘 카바이드를 사용하는 이유가 있는데요. 실리콘 카바이드의 밴드갭은 3.26 eV 정도로 1.12 eV 정도의 밴드갭을 가지는 실리콘보다 3배나 밴드갭이 넓고, 전자 포화 속도가 2배가 높고, 열전도성은 3배가 높습니다. 또한, 절연 파괴전압이 10배나 높아 높은 전압을 걸어줘도 반도체가 잘 작동하게 합니다. 이러한 실리콘 카바이드의 물성은 고온, 고전압, 고 전류 상태에서 높은 안정성을 보여주기 때문에 전자 제품을 최소한의 전력으로 구동시키는 전력반도체에 사용됩니다. 이뿐만 아니라 모스 경도 9.15 정도로 다이아몬드 못지 않은 강도지만, 이보다 저렴해 여러 산업에 전반적으로 사용하고 있습니다.

스마트폰, 노트북을 비롯해 카메라, 전자시계는 물론 압력밥솥까지~ 우리 생활 곳곳에 숨어있는 반도체! 특히 최신 트렌드와 IT기기로 무장한 우리 대학생들의 삶 속에서 반도체는 없어서는 안 될 고마운 존재가 되어주고 있습니다. 이는 곧 우리나라 반도체 산업의 ‘양대산맥’ 중 하나인 ‘SK하이닉스’ 역시 여러분 곁을 항상 지키고 있다는 뜻일 텐데요. 그렇다면 SK하이닉스의 반도체는 언제부터 우리 생활 깊숙이 자리 잡게 된 것일까요? SK하이닉스 기자단인 영하이라이터가 이 궁금증을 해결하지 않을 수 없겠죠? 지금부터 청순하조와 함께 타임오프!! 타임머신을 타고 과거에서부터 미래까지 시간여행을 하며 그 시대의 대학생 삶 속에는 어떤 형태로 SK하이닉스가 녹아들어 있는지 알아보도록 하겠습니다. 청순하조와 함께 떠나는 타임머신 여행, 다 같이 출발~!

엄마, 아빠에게도 청춘은 있다! 지금 우리 부모님 세대가 꽃다운 대학생이었던 시절, 1980년대에는 지방에서 서울로 대학을 가는 학생들을 ‘유학파’라고 표현했습니다. 물리적 거리를 극복할 수 있는 통신기술이 왕성하게 발달하지 못했기 때문에 서울로 올라온 지방학생들을 ‘유학 왔다’고 여길 만큼 지역 간 교류와 이동이 쉽지 않았던 것이죠. 스마트폰도 없고 인터넷도 활성화되지 않았던 그 때 그 시절, 멀리 떨어져 있는 부모님 혹은 친구들과 연락할 수 있는 방법은 오직 ‘전화’뿐이었습니다. 지지직-거리는 수화기를 붙잡고 누군가는 울고 누군가는 웃으며 떨어져 있는 사람을 그리워했죠.

숫자 0부터 9까지 일일이 손으로 돌려가며 ‘드르륵~턱!’하는 소리를 수차례 반복해 듣고 나서야 상대방의 목소리를 들을 수 있었던 그 시절! 검정색과 흰색이 전부였던 다이얼 전화기에서 벗어나 예쁜 디자인으로 인기를 끌었던 것이 있었으니 그 이름은 바로 ‘아트폰’이었습니다. 아트폰은 1986년 3월, 현 SK하이닉스의 전신이었던 현대전자가 출시한 전화기로, 그 해 11월에 생산량 10만대를 돌파하며 전화기 시장에 돌풍을 일으켰는데요. 빨강, 검정, 흰색 등 다양한 색상과 예쁜 디자인으로 젊은 층 사이에서 큰 인기를 누렸답니다. 물론 세련된 디자인과 첨단 기능으로 무장한 요즘의 신제품들과 비교한다면 투박하고 촌스러운 모양새였겠죠. 하지만 그 시절 현대 아트폰은 많은 사람들의 사는 이야기를 전해주는 우리네 소식통이 되어주었답니다!

1990년대 X세대를 대표하는 것 중 하나인 삐삐! 사실 ‘삐삐’라는 이름은 무선호출기의 수신음에서 따온 말이었고 삐삐의 정식 명칭은 ‘무선호출기’였답니다. 그 당시 삐삐는 송신은 할 수 없고 수신만 가능한 단방향 통신기기였습니다. 송신자가 수신자에게 삐삐로 메세지를 남기면 수신자는 근처 공중전화를 찾아가 송신자에게 전화를 거는 방식으로 삐삐가 사용되었죠. 삐삐로는 직접적인 연락이 불가능했기 때문에 공중전화 앞에 길게 줄을 선 광경은 당시에 흔히 볼 수 있는 풍경이었습니다. 메모리를 탑재한 무선 호출기의 발전으로 숫자, 텍스트 등의 짧은 메시지를 보낼 수 있게 되면서 삐삐는 대학생들간의 소통에 큰 몫을 하였죠.

삐삐가 대중화되면서 특히 대학생들 사이에서는 은어처럼 숫자로 이루어진 삐삐 문자가 번져나갔는데요. 예를 들어 ‘100’은 영어 단어 ‘back’을 뜻하는 것으로 ‘돌아오라’는 의미를, ‘8282’는 ‘빨리빨리’로 해석되어 빨리 연락을 달라는 의미를 쓰였답니다. 이런 삐삐 문자는 특히 연인들 사이에서 그들만의 비밀언어로 통했다는 사실~ 그렇다면 위에서 병민이의 그녀가 보낸 숫자 ‘2241000045’의 의미는 무엇일까요? 이는 ‘둘이서만 만나자’라는 뜻을 가지고 있는 삐삐 문자! 병민이가 기다리던 연락이 왔던 것이네요. 이렇게 손바닥보다 작은 크기에 남길 수 있는 것이라곤 연락처와 숫자 몇 개가 전부였지만 삐삐는 대학생들 사이에서 선풍적인 인기를 끌며 하나의 트렌드를 형성해나갔답니다.

붉은 악마의 열기로 가득했던 2002년 대한민국! 당시 대학생들 사이에선 버디버디를 통한 메신저 서비스가 인기몰이 중이었습니다. PC통신에서 웹브라우저로 환경이 바뀌면서 인터넷을 보다 쉽게 이용할 수 있게 되었기 때문이죠. 덕분에 친구들과 떨어져 있을 때도 각자의 집에서 컴퓨터 메신저를 통해 자유롭게 이야기꽃을 피울 수 있었답니다. ‘버디버디’, ‘세이클럽’과 같은 컴퓨터 메신저뿐만 아니라 SNS의 걸음마 단계인 인터넷 카페, 블로그가 발전한 것 역시 2000년대! 이렇게 발달한 인터넷 문화는 더 많은 사람들과 다양한 정보를 공유할 수 있는 창이 되어주었답니다.

컴퓨터를 통한 메신저 프로그램은 이전에 전화나 문자를 통해 이루어졌던 ‘일대일’ 커뮤니케이션에서 한 단계 더 발전하여, 우리에게 ‘일대다(多)’ 커뮤니케이션을 가능하게 했습니다. 지금 우리가 누릴 수 있는 IT 환경 역시 2000년도에 정보화의 르네상스를 맞이하며 발전한 것! 그리고 우리 사회에는 본격적인 정보화 시대가 도래하게 됩니다. 이런 통신 환경의 향상과 더불어 하드웨어 역시 발전을 거듭하며 정보화 물결에 힘을 실어주었는데요. 이와 같은 컴퓨터의 성능 향상에는 반도체의 발전이 함께 있었기에 가능했답니다.

2015년, 지금 우리들은 그야말로 ‘스마트폰 시대’를 살고 있습니다. 오고 가는 사람들의 손에는 어김없이 스마트폰이 자리하고 있죠. 스마트폰에 있는 다양하고 유용한 기능과 어플을 통해 편리한 생활을 즐기고 있답니다. 컴퓨터에만 의존하던 과거에는 집 밖에서 멀리 있는 사람과 통신을 하는 것이 쉬운 일이 아니었습니다. 즉각적인 의사소통은 거의 불가능 했죠. 하지만 스마트폰이 활성화 되면서 이러한 불편을 말끔히 해소했습니다. 스마트폰을 통해 우리는 이동 중에도 타인에게 자신의 생각을 즉각적으로 펼칠 수 있고, 커뮤니케이션에 있어 시공간의 제약을 받지 않기에 상대방과 지속적인 상호 작용을 할 수 있게 되었죠. 스마트폰 하나로 언제 어디서나 누구든지 자유롭게 의사소통 할 수 있는 시대, 과거에 상상이나 했을까요?

이렇게 많은 기능을 탑재하고 있는 스마트폰! 작은 형태의 휴대폰에 수많은 기능과 정보가 들어있는데요. 어떻게 이것이 가능한 걸까요? 여기에도 SK하이닉스의 손길이 깃들어 있습니다. 기존의 가전기기와 달리 스마트폰은 휴대성이 중요한 요소인데요. 그렇기 때문에 그 안의 반도체의 소형화도 이루어졌죠. 동시에 다양한 기능들이 필요하기 때문에 고성능 반도체로 발전하였답니다. 이렇게 우리가 인식하지 못하는 사이에 반도체는 우리 삶에 편리함을 더해주고 있지요. IT발전에 발 맞추어 남들보다 앞선 기술력을 갖기 위해 SK하이닉스는 지속적인 노력을 하고 있습니다.

지금으로부터 14년 후인 2029년의 대학생들은 어떤 생활을 하고 있을까요? 아마 지금처럼 부모님과 떨어져 대학생활을 하는 친구들이 많을 것입니다. 하지만 앞으로는 멀리 떨어져있어도 생생하게 얼굴을 보며 이야기할 수 있는 시대가 올 것입니다. 바로 구글글래스와 같은 웨어러블 디바이스를 통해서 말이죠! 2029년에는 지금보다 더 발전한 형태의 웨어러블 디바이스를 통해 직접 찾아가지 않아도 보고 싶은 사람과 마주 앉아 이야기 나누는 것처럼 소통할 수 있을 겁니다. 뿐만 아니라 조그마한 웨어러블 디바이스로 우리의 건강상태를 수시로 체크하고, 이를 공유하여 원격으로 진단을 받거나 가족에게 알려 줄 수 있습니다. 미래에는 더욱 발전한 디바이스들을 통해 더 많은 사람들과도 서로 소통하며 지낼 수 있겠네요! 이런 발전에 반도체가 빠질 수 없겠지요? 안경이나 시계를 넘어 더 작고 편리한 웨어러블 디바이스로 발전하려면 반도체도 그만큼 작아지면서도 고성능이어야 하고 저전력에서 동작해야 한답니다. 빠른 속도로 끊임없이 변하는 IT세상에는 늘 반도체가 함께 한다는 사실! 미래의 제품 속에서도 우리는 SK하이닉스라는 연결 고리를 볼 수 있겠죠?