‘포노 사피엔스’의 저자 최재붕 교수와 SK하이닉스가 만났다

‘스마트폰(Smartphone)’과 ‘호모 사피엔스(Homo Sapiens : 생각하는 사람)’의 합성어인 포노 사피엔스(Phono Sapiens), 새롭게 등장한 포노 사피엔스라는 개념을 중심으로 스마트폰이 신체의 일부가 됐다는 주장이 나오고 있다. ‘포노 사피엔스(스마트폰이 낳은 신인류)’의 저자 최재붕 교수는 현대인들에 대해 스마트폰으로 사고하고, 행동하며, 소통한다고 말한다. 스마트폰은 어떻게 우리의 신체의 일부로 자리매김할 수 있었을까?

SK하이닉스 뉴스룸은 신체의 일부가 된 스마트폰이 만들어지기까지 어떤 과정들이 있었으며, 사람들에게 어떤 영향을 줬는지 알아보기 위해 최재붕 교수와 SK하이닉스 구성원(NAND 설계 최원재 TL, DRAM 상품기획 이가은 TL)의 대담을 마련했다. 이번 대담을 통해 스마트폰이 인류에 끼치고 있는 영향에 대한 이야기뿐만 아니라 스마트폰이 등장하기 이전까지 어떤 과정들이 있었는지에 대한 이야기도 나누고자 한다. 아! 스마트폰의 근간이 되는 반도체에 대한 이야기도 빼놓을 수 없다. 스마트폰을 비롯한 휴대폰의 역사를 한자리에서 볼 수 있는 여주시립 ‘폰박물관’에서 나눈 흥미로운 이야기, 함께 들어보자.

최재붕 교수오늘은 SK하이닉스 구성원분들과 인류 문명 발전에 큰 영향을 끼친 ‘사회적 소통을 위한 기술과 도구를 주제로 휴대폰과 스마트폰에 대한 이야기를 나누게 됐는데요. 정말 흥미로운 대담이 될 것이라 기대하고 있습니다. 오늘 저와 함께 대담을 나눌 SK하이닉스의 구성원들을 만나보겠습니다.

최원재 TL 안녕하세요. 저는 10년 전 SK하이닉스에 입사해 NAND 메모리 반도체 설계 분야에서 근무해왔습니다. 최재붕 교수님의 저서 포노 사피엔스를 재밌게 봤던 기억이 있어서 오늘 대담이 큰 기대가 됩니다.

이가은 TL DRAM 상품기획의 이가은 TL입니다. LPDDR과 같은 스마트폰에 적용되는 반도체 제품을 기획하고 있는데요. 오늘은 스마트폰을 비롯해 과거부터 현재까지 ‘모바일 기기’와 관련된 재밌는 이야기를 나누면 좋겠습니다.

사회적 동물, 인류의 소통 수단 ‘폰’

최재붕 교수  폰박물관을 둘러보고 나니 인류 문명이 서로 소통하기 위해 정말 많은 노력을 했다는 생각이 들었는데요. 사회적 동물인 사람이 다른 사람과 소통하기 위해선 결국 언어가 발전하게 됐잖아요. 언어가 발전하면서 이를 기록하기 시작했습니다. 후세에 지식을 전하거나 다른 사람에게 정보를 전달하기 위한 필요성 때문이죠. 이러한 과정에서 문자, 그리고 종이가 발전하게 된 것이고요. 그리고 더 많은 것들을 구체적으로 표현하고 소통하기 위해서 발전하게 된 것이 그림입니다. 말로는 설명하지 못하는 정보나 생각을 그림을 통해 전달할 수 있게 된 것이죠. 이런 그림은 이후에 어떤 모습으로 발전하게 될까요?

▲ 최재붕 교수와 이가은 TL이 인류의 소통 방법에 대한 대화를 나누고 있다.

이가은 TL 사진으로 발전하지 않을까요? 지금 내가 보고 있는 것을 보다 자세하고 확실히 보여주고 알려주기 위해 사진을 많이 사용하고 있잖아요. 저도 친구와 메시지를 주고받을 때 글이나 말로 설명하기 어려운 많은 것들을 사진을 찍어서 보여주고 있습니다.

최재붕 교수 네, 맞습니다. 사진은 아주 중요한 소통의 수단이 됐습니다. 사진에 대해 살펴보면 그림으로 설명하는 것보다 더 확실히 현상을 보여줄 수 있다는 장점이 있거든요. 사진과 함께 요즘 가장 중요한 역할을 하고 있는 것이 또 있는데요. 동영상입니다. 사진 한 장으로 표현하기 어려운 다양한 장면이나 상황들을 전달하는데 동영상은 상당히 효과적입니다. 사진과 영상, 즉 SNS를 비롯해 유튜브와 같은 뉴 미디어가 폭발적으로 성장하면서 인류의 가장 중요한 소통 수단이 된 것이죠. 이것이 현재까지의 인류 문명이 사회적 교류를 위해 사용해온 도구와 기술들입니다.

추후 미래에는 단순히 볼거리를 공유하는 것이 아니라 다양한 경험을 공유하며 소통하는 메타버스까지 발전하게 될 것이라 생각해요. 이렇게 발전하는 형태는 인간이 오감으로 소통하는 데 있어 가장 효율적인 수단을 찾는 과정입니다. 언어에서 문자, 문자에서 그림, 그림에서 사진, 사진에서 동영상, 그리고 경험, 이렇게 발전하게 되는 것이죠.

▲ 인류가 발전시켜온 소통을 위한 수단

최원재 TL 저는 현대 인류가 스마트폰이라는 하나의 디바이스를 통해 이러한 모든 방법을 동시에 적극적으로 활용하고 있다는 것에 조금 놀랐습니다. 다른 사람과 문자메시지를 주고 받는다거나 여기서 이모티콘 등을 사용해 감정을 표현하고, 사진이나 영상 등을 SNS에서 공유하면서 서로 소통을 하는 것도 모두 스마트폰 안에서 이뤄지고 있잖아요.

최재붕 교수 그게 바로 제가 하고 싶었던 말입니다. 현재 인류는 수천 년 동안 축적해온 소통 방법을 스마트폰 하나를 통해 적극적으로 활용하고 있어요. 그리고 미래에 새로운 소통 수단이 될 메타버스 역시 스마트폰과 같은 모바일 디바이스를 통해 이뤄질 가능성이 높아요. 제가 ‘포노 사피엔스’라는 책을 쓰게 된 이유도 이런 인류의 변화에 기인한 것입니다. 스마트폰은 언젠간 우리에게 눈이 됐다가 귀가 될 수도 있고, 뇌가 될 수도 있어요. 결국 스마트폰이 만들고 있는 혁신은 인류에게 있어서도 상당히 중요한 역할을 할 것이며 이런 스마트폰의 발전을 이끌고 있는 반도체는 더욱 중요해질 것이라고 생각합니다.

최원재 TL 교수님의 말씀에 대해 전적으로 동의합니다. 사실 지금 우리가 사용하는 스마트폰, 컴퓨터 등에 적용되는 반도체를 거슬러 올라가 생각해 보면 첫 시작은 교수님이 말씀하신 소통을 위해 발명된 것이거든요. 세계 최초의 전화기를 발명한 ‘알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)’의 이름을 딴 벨연구소에서 1947년, 세계 최초로 트랜지스터를 발명했습니다. 트랜지스터는 전화 시스템의 필요에 의해서 만들어졌습니다. 신호를 증폭할 수도 있고, 스위치를 켰다 껐다 할 수 있는 신 기술인 트랜지스터! 노벨상 받을만한 혁신적인 기술이거든요. 엄청난 발명이었죠. 이후 1959년에는 벨연구소의 강대원 박사가 새로운 형태의 트랜지스터 모스펫(MOSFET)을 개발했습니다. 이는 지금 우리가 흔히 알고 있는 반도체의 초기 모습이라고 할 수 있어요.

1980년대에 이르면 노키아와 모토로라 등 1세대 휴대전화 기업들을 중심으로 휴대하고 다닐 수 있는 전화가 등장하기 시작합니다. 1983년 모토로라에서 세계 최초의 상업용 휴대폰이 출시되기도 했는데요. 우리가 흔히 벽돌폰이라고 부르는 ‘다이나택 8000X’가 출시된 것이죠. 당시 이 휴대폰에는 서른 개의 전화번호를 저장할 수 있는 메모리가 탑재되기도 했습니다. 다이나택의 등장 이후 휴대폰은 무서운 속도로 발전했고 지금에 이르게 됐습니다.

▲ 스마트폰이 등장하기 전까지의  혁신적인 사건들

최재붕 교수  휴대폰의 등장은 인류가 상호 간의 소통을 위해 더욱 노력한 결과이기도 할 텐데요. 특히 공간의 제약이 크게 줄어든 이동 통신 기술은 정말 혁신적이라고 할 수 있을 것 같아요. 이런 이동 통신 기술에도 당연히 반도체가 사용됐겠죠?

최원재 TL 네, 이동 통신 기술에도 반도체가 아주 중요한 역할을 하는데요. 셀룰러 시스템 기반의 1세대 이동 통신 이후 획기적인 발전이라 부를 수 있는 퀄컴(Qualcomm) 사의 2세대(2G) 이동 통신 기술이 국내에 도입되면서 휴대폰 이용자가 빠르게 늘어날 수 있었습니다. CDMA(Code Division Multiple Access, 코드 분할 다중 접속)라 불린 2세대 이동 통신 기술이 도입되면서 보다 많은 사람들이 주파수를 이용한 이동 통신이 가능해졌습니다.

CDMA 방식을 잠시 살펴보면, 여러 사람이 주파수 대역을 같이 사용하기 위해 각자의 코드(Code)를 신호에 섞어 연산해 주고받는데요. 여기서 각 사용자들의 이동 통신을 위한 코드와 신호를 연산하는 과정이 필요합니다. 이런 모든 과정은 반도체를 통해서 이뤄지는 것이고요. 결국, 반도체의 발전으로 인해 이동 통신 기술 역시 크게 발전할 수 있었던 것이죠.

폰박물관에서 변화와 진화를 거듭한 ‘폰’을 보다

이가은 TL 오늘 폰박물관을 함께 살펴봤잖아요. 저는 처음 보는 폰도 있었고, 제가 처음으로 썼던 폰도 있어서 반가웠거든요. 다들 어떻게 보셨나요?

▲ 휴대폰은 빠르게 발전해 왔다.

최재붕 교수 저 역시 벽돌 휴대폰부터 시작해서 과거의 모든 휴대폰을 볼 수 있어서 반가웠어요. 특히 과거 휴대폰들을 보니 옛날 생각에 잠시 잠기기도 했는데요. 노키아나 모토로라 등 당시에 휴대폰 시장을 선도하던 기업의 제품을 보니 유학시절이 생각나기도 했습니다. 제가 유학 생활을 했던 90년대에 미국에서는 정말 빠르게 휴대폰이 발전했었거든요. 당시 미국에서 이런 발전을 모두 직접 목격했어요. 지금 생각해 봐도 당시 기업들은 요즘 기업들 못지않게 혁신적인 도전을 많이 했던 것 같아요.

▲ 여주시립 폰박물관에 전시 중인 초기 상업용 휴대폰 (모토로라 ‘다이나택’)

최원재 TL 맞습니다. 당시 그런 도전 중 하나로 본격적인 경량화가 시작됐는데요. 이로 인해 벽돌폰에서 벗어나 주머니에 휴대하고 다닐 수 있을만한 크기의 휴대폰들이 하나둘씩 등장하기 시작했습니다. 이는 더 적은 전력을 필요로 하면서 크기도 작아진 반도체가 개발되면서 가능해진 것이죠.

최재붕 교수  휴대폰의 크기가 작아지면서 휴대폰에는 단순한 이동 통화 수단 이상의 가치가 생기기도 했어요. 모토로라의 스타택이 출시되면서 많은 휴대폰 제조업체들은 휴대폰의 경량화와 디자인적인 시도를 하게 됐죠. 휴대폰의 디자인이 더욱 중요해진 계기가 된 것입니다. 벽돌처럼 커다란 휴대폰에서 버튼 부분의 뚜껑을 열고 닫을 수 있는 플립 형태로도 발전했고 이윽고 폴더 형태의 휴대폰까지 등장했잖아요. 이동 통신이라는 기능을 넘어 디자인적인 요소가 아주 중요해진 것이죠.

▲ 최초의 폴더폰을 보고 이야기를 나누고 있는 이가은 TL, 최원재 TL, 최재붕 교수 (촤측부터)

이가은 TL  맞아요. 2000년대 이후 휴대폰들은 많은 변화들이 있었던 것 같아요. 디자인적으로도 많은 시도들이 있었는데요. 한동안 폴더 형태의 휴대폰이 유행을 하기도 하고 이후엔 슬라이드 형태의 휴대폰이 유행하기도 했죠.

최원재 TL 반도체 기술의 발전은 휴대폰이 더 작아지게 만들었을 뿐 아니라 휴대폰에 더욱 많은 기능들을 도입할 수 있는 계기가 됐습니다. 최초의 휴대폰인 다이나택에 전화번호를 저장할 수 있는 메모리가 도입된 이후 휴대폰에 적용되는 메모리의 역할은 아주 중요해졌습니다. 처음에는 더욱 많은 전화번호를 저장하고 싶다는 수요가 있었고, 이에 메모리 반도체 역시 빠르게 발전했습니다. 지속적인 발전 끝에 지금은 전화번호뿐만 아니라 수천, 수만 장의 사진을 저장할 수 있고 동영상, 음악 등 엄청난 양의 데이터를 저장할 수 있을 정도로 휴대폰과 반도체가 발전한 것이죠.

우리 SK하이닉스의 주력 시장이기도 한 메모리 반도체에 대해 좀 더 이야기해 보자면 현재 우리나라 기업들이 메모리 반도체 시장을 선도하고 있다는 것이 조금 재미도 있으면서 뿌듯하기도 한데요. 메모리 반도체 역시 사실은 미국의 기업들이 개발해* 선도했던 시장이거든요. 물론 일본 역시 잠시 시장을 선도한 적이 있지만, 지금은 우리 SK하이닉스를 비롯한 국내 기업들이 시장을 이끌고 있잖아요. 오늘 폰박물관을 둘러보며 휴대폰의 발전을 이끌어온 다양한 반도체의 개발과 생산에 SK하이닉스가 기여했다고 생각하니 뿌듯합니다.

* 메모리 반도체인 DRAM은 1966년, 미국의 컴퓨터 기업인 IBM의 왓슨 연구소에서 처음 개발됐으며, 미국의 인텔이 1968년 창업 이후 처음으로 만들었던 것도 DRAM이었다.

최재붕 교수 그러고 보니 우리나라 반도체 기업들의 도전 정신도 정말 대단하다는 생각이 들어요. 우리나라 기업들을 중심으로 반도체와 휴대폰의 발전 속도가 상당히 빨랐는데, 어떻게 이렇게 빠르게 발전할 수 있었을까요?

이가은 TL  많은 엔지니어들의 노력이 있었겠지만 소비자들의 수요 역시 큰 역할을 했다고 생각합니다. 지금의 스마트폰 이전의 휴대폰을 살펴보니 단순히 이동 통신만 가능했던 휴대폰에 다양한 기능들이 추가되고 있다는 것을 확인했잖아요. MP3, 카메라 등 휴대폰에 새로운 기능이 추가되는 것에 대해 소비자들이 열광했고, 더욱더 다양한 기능들이 휴대폰에 도입되면서 발전한 것이라고 생각합니다.

최재붕 교수  아무래도 그렇죠. 사람들은 이 작은 휴대폰에 정말 많은 것들을 도입하고자 노력했습니다. 처음 메모리 반도체를 기반으로 MP3 플레이어가 개발되고 유행하니 MP3 기능을 휴대폰에 넣고자 하는 노력들이 끊임없이 이어졌죠. 카메라 역시 마찬가지입니다. 필름 카메라에서 디지털카메라로 전환되는 시기, 디지털카메라에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나자 당시 휴대폰 제조업체들은 카메라가 도입된 휴대폰을 출시하기 시작했습니다. 이외에도 빔프로젝터폰, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)폰, 게임 패드가 적용된 게임폰, 손목시계 형태의 손목시계폰 등 정말 다양한 시도들이 있었습니다.

현재까지 가장 핵심적인 기능으로 남아 있는 것은 결국 음악(MP3)과 사진(카메라)의 영역입니다. 사실 음악과 사진은 인류가 가장 좋아하는 영역이기도 하거든요. 휴대폰이라는 것이 등장하기 이전부터 음악은 예술이라는 이름으로 사람들이 향유해오던 문화이니까요. 사진도 마찬가지입니다. 사진 기술이 등장한 이후 인류의 역사는 언제나 사진을 통해 이어지고 있거든요. 개개인은 지금 행복한 이 순간을 남기기 위한 욕구를 사진을 통해 해소하고 있습니다. 음악과 사진에 대한 욕구는 이미 수백, 수천 년에 걸쳐 검증된 것들이죠. 이러한 사람들의 욕구를 가장 손쉽게 해소해 주는 것이 바로 우리가 사용하는 휴대폰인데요. 우리가 휴대폰을 통해 음악을 듣고 사진을 찍을 수 있는 것 모두 반도체의 발전 덕분에 가능한 것이겠죠?

▲ MP3와 TV 등 다양한 기능을 휴대폰에 탑재하기 위한 노력이 이어졌다.

최원재 TL 네, 맞습니다. 데이터의 저장이 핵심인 MP3 기능과 관련해서는 당연히 메모리 반도체의 발전이 큰 기여를 했다고 볼 수 있습니다. 카메라 기능도 사실 반도체의 발전이 아주 큰 영향을 끼쳤는데요. 과거 필름 카메라에서 디지털카메라로 전환되는 과정에는 반도체를 기반으로 하는 CCD*와 CIS*의 등장이 큰 역할을 했습니다. 90년대 이후, 대부분의 휴대폰에는 카메라 기능이 탑재되기 시작했는데요. 이는 상대적으로 저렴한 CIS의 기술력이 향상되며 실용화된 90년대 이후의 일입니다. 최근 스마트폰의 카메라에도 사용되고 있는 CIS 덕분에 우리는 이미 수년 전부터 개인용 카메라를 하나씩 모두 가지고 다닐 수 있게 된 것이죠.

그리고 저는 개인적으로 디스플레이의 변화 역시 상당히 큰 역할을 했다고 생각합니다. 과거, 숫자 표기만 가능했던 벽돌 휴대폰의 디스플레이가 발전해 글자를 표기할 수 있게 됐고, 이후엔 LCD(Liquid Crystal Display)가 도입되면서 정말 많은 정보들을 휴대폰에서 다룰 수 있게 됐잖아요. 사실 앞서 말씀하신 DMB나 카메라 역시 디스플레이의 발전이 없었다면 상상할 수도 없는 기능들이라고 생각해요. 디스플레이의 경우 반도체만으로 구현할 수 있는 기술은 아니지만, 결국 디스플레이가 정상적으로 작동하기 위해선 반도체는 필수적이거든요. 이런 관점에서 봤을 때 저는 지금까지 폰의 발전에 있어 반도체가 아주 중요했다는 말씀을 드리고 싶습니다.

* CCD(Charge Coupled Device Image Sensor): 전하결합소자라고 불리며 빛을 전하로 변환시켜 이미지를 만들어내는 센서. 이미지의 화질이 좋고 노이즈나 잔상 처리 효과가 뛰어나다.

* CIS(CMOS Image Sensor): 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 구조를 가진 저소비 전력형의 이미지 센서. CCD에 비해 약 10분의 1의 소비 전력을 자랑한다. 3.3V 단일 전원, 주변 회로와의 일체화도 가능하다. CCD보다 감도는 떨어지지만 최근에는 화질이 많이 개선돼 휴대폰은 물론 고해상도 디지털카메라나 자동차 후방 감시 카메라 등에도 광범위하게 사용되고 있다.

▲ 폰박물관을 둘러보고 있는 최재붕 교수, 이가은 TL, 최원재 TL (왼쪽부터)

최재붕 교수 좋습니다. 오늘 폰박물관에서 폰이 어떻게 발전해 왔는지 함께 살펴봤는데요. 이야기를 나눠보니 ‘그동안 휴대폰의 발전에는 반도체가 아주 핵심적인 역할을 했구나’라는 점이 새삼스레 느껴지네요. 지금 우리에게 떼어 놓을 수 없는 스마트폰 역시 이러한 모든 과정들의 결과이자 어떻게 보면 연장선일 수 있을 것 같다는 생각도 들었습니다. 이제부터는 오늘날 우리가 사용하고 있는 스마트폰에 대한 본격적인 이야기를 나눠볼까 합니다. 스마트폰이 인류에게 끼친 영향은 무엇이며, 스마트폰을 구성하는 필수 반도체는 무엇이 있는지도 살펴보도록 하죠.

최재붕 교수와 최원재, 이가은 TL은 대담을 통해 우리는 인류의 소통 방법과 휴대폰이 어떤 과정을 통해 발전해 왔는지 살펴봤다. 다음 편에서는 본격적으로 스마트폰을 활용하는 인류와 이런 스마트폰에 적용된 반도체에 대한 이야기를 나누고자 한다. 더 많은 데이터를 저장할 수 있게 해주는 NAND를 비롯해, 성능 대비 적은 필요 전력으로 압도적인 가성비를 보여주는 LPDDR과 같은 반도체에 대한 이야기도 나눈다. SK하이닉스 X 최재붕 교수의 스마트폰과 반도체에 대한 이야기는 계속된다.

최근 우리는 수많은 반도체 관련 뉴스를 접하고 있다. 반도체 관련 소식을 접하면서 우리는 자연스레 반도체가 단순한 수출 역군을 넘어서 국가 안보에까지 영향을 미치는 중요한 제품이 됐다는 점을 인지하기 시작했다. 반도체의 중요도가 높아짐에 따라 정부를 비롯해 여러 기업들은 반도체 산업의 경쟁력을 높이기 위한 방안을 강구하고 있다.
 

반도체 산업의 경쟁력을 높이는 첫 발걸음은 당연히 반도체에 대한 지식을 공유하는 것이다. 이에 본인 역시 반도체 산업에 몸담았던 일원으로서 반도체에 대해 관심이 있거나 반도체 산업에 종사하고자 하는 취업준비생들을 위한 지식을 공유하고자 한다.
 

인터넷이나 교재에서 찾아볼 수 있는 기술에 치중된 지식이 아니라 각 기술이 가지는 연관성을 통한 관계의 중심으로 반도체를 설명하고자 한다. ‘컴퓨터와 트랜지스터’의 주제를 시작으로 공정과 산화, 포토, 식각, 증착, 금속배선 등 총 6편의 시리즈로 반도체 기술에 대한 설명을 이어갈 예정이다.
 

이를 읽는 독자 여러분은 개별 용어에 너무 얽매이지 말고 ‘관계’에 주목하길 바란다. 글을 읽다 보면 갑작스럽게 전문 용어들이 등장할 수 있지만, 이해가 되지 않는다면 그냥 넘어가도 좋다. (필자 주)

인간의 욕심 : 컴퓨터의 탄생

인간은 게으르다. 주말이 되면 일어나고 싶지 않아, 이불 속에서 스마트폰을 하는 것이 일상이다. 회사에 가서 회계 업무를 볼 때, 수만 개의 숫자를 일일이 더하고 뺀 뒤 암산하고 싶지도 않다. 내가 할 일이 줄어들면 삶은 매우 윤택해질 것이다. 나는 가만히 앉아서 명령만 내리고 매일 누군가가 그 일을 대신해 준다면 얼마나 편리할까?

문제는 업무의 정확도다. 방의 전등을 끄는 정도의 지시는 웬만한 사람이라면 다 해낼 수 있다. 하지만 해야 하는 일이 매우 복잡한 숫자 수천 개를 오차 없이 계산하는 것, 원주율을 수만 자리까지 계산하는 것이라면 어떨까? 이런 작업들은 사람이 할 줄 알더라도 실제로 해보면 실수가 빈번히 일어나는 일들이다. 이런 작업을 정확히 하기 위해서는 기계의 힘이 필요했다. 이것이 컴퓨터의 시작이다.

이런 기계를 발명하기 위해 과거의 사람들은 많은 노력을 아끼지 않았다. 이 과정에서 나온 대표적인 실험 작품이 1871년에 조립된 찰스 배비지(Charles Babbage)의 해석 기관(Analytical Machine)이다. 사용자는 이 기계에 펀치 카드라는 얇은 판을 넣어서 원하는 숫자 계산을 할 수 있었다. 카드를 기계에 넣은면 해석 기관이 내부에서 명령어에 맞춰 각종 산술연산을 반복한 뒤, 결과 값이 기기의 다른 곳에서 출력돼 나오는 구조다. 게임 팩을 끼워서 원하는 게임을 돌리는 패미컴과 같은 게임기와 비슷한 개념이다.

비록 해석 기관은 완성되지 못했지만 우리는 여기서 흥미로운 사실을 알 수 있다. 일단 해석 기관은 컴퓨터가 가져야 할 모든 요소를 가지고 있다는 것이다. 펀치 카드와 결과 값이 출력되는 부분은 메모리에 해당하며, 해석 기관은 매우 원시적인 요소의 CPU^*라 할 수 있다.

* CPU : Central Processing Unit의 약자 컴퓨터의 중앙 처리 장치로 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 장치.

이런 해석 기관의 동력원은 증기다. 쉽게 말하면 해석 기관은 증기로 작동하고 각종 금속조각과 나무 재질의 메모리와 CPU로 만들고자 했던 컴퓨터다. 우리는 이 사실들을 통해 옛날 사람들도 컴퓨터가 어떤 구조로 작동해야 하는지 알고 있었다는 걸 짐작할 수 있다. 또 컴퓨터와 ‘전자회로’는 전혀 다른 개념이란 것도 알 수 있다. 이제 우리는 ‘어떤 이유로 전자회로가 현대 컴퓨터의 핵심이 됐는지’를 고민해 볼 필요가 있다. 과거의 컴퓨터는 세상을 바꾸지 못했지만, 전자회로 기반의 컴퓨터는 세상을 바꾸지 않았던가.

전기로 제어되는 컴퓨터

전자회로는 증기, 인력, 수력을 기반으로 하는 다른 기기들을 앞선다는 장점이 있다. 신호의 제어가 빠르고 효율이 좋기 때문이다. 대표적으로 증기를 살펴보면 물리적으로 특정 위치에 도달해야 하기 때문에 반응 속도가 느리다는 단점이 있다. 또, 높은 압력으로 전달되기 때문에 관의 두께가 두꺼워야 하는 등 효율적인 측면에서는 상당히 좋지 않다. 줄을 당기면 자동으로 문이 열리고 닫히는 기기가 있다고 가정하자. 만약 여기서 사용되는 에너지원이 증기라면 문을 닫기 위해선 보일러 밸브를 연 뒤, 고압 증기가 문을 밀어낼 때까지 기다려야 할 것이다. 하지만 전기를 사용하면 버튼과 모터 하나만 있으면 모든 것이 해결된다. 전체 기기의 크기도 작아지고, 에너지 효율이 높아질 뿐만 아니라 반응속도까지 빠르다.

▲증기 기반 자동문(좌)과 전기 기반의 자동문(우)

전기가 발명되자 컴퓨터 역시 전기로 제어하려는 시도가 대세가 됐다. 전기 기반의 컴퓨터를 만들기 위한 수많은 시도가 있었으며, 그렇게 해서 탄생한 기기가 바로 에니악(ENIAC)이다. 에니악은 톱니바퀴와 증기를 사용했던 해석 기관과는 달리, 진공관이라고 부르는 일종의 전구와 각종 전자회로를 조합해 작동하는 컴퓨터였다. 전구에 가까운 부품이 달려 있는 것에서 알 수 있듯, 에니악의 에너지원은 전기였다.

▲에니악의 모습 (출처 : 원문 보기)

에니악은 방 하나를 차지할 만큼 거대한 컴퓨터였으며 전기를 무려 170kW나 사용했다. 이는 전자레인지 170대분의 어마어마한 전력을 사용하는 것과 같은 수준이다. 하지만 그 규모와 에너지 소모에 걸맞게 당시에 필요로 하던 수많은 일을 해낼 수 있었다. 삐걱대며 천천히 움직일 톱니바퀴 대신 17만 개가 넘는 진공관을 사용했으므로 연산 속도도 훨씬 빨랐다. 에니악은 개발된 이후 수소폭탄 개발, 시뮬레이션 방법론 등의 큰 족적을 남겼다.

하지만 우리는 에니악의 성능이 1990년대의 휴대용 계산기보다도 못하다는 것을 알고 있다. 저성능 전자계산기를 구동하기 위해 전자레인지 170대의 전력을 사용해야 한다니, 지금의 시점에서 보면 효율이 굉장히 나쁘다. 게다가 크기까지 거대했기 때문에 이런 물건을 대규모로 보급하는 것은 불가능하다. 에니악의 크기를 절반쯤, 심지어 1/10 정도로 줄여도 마찬가지다. 분명 증기를 사용하는 것보다는 훨씬 효율이 좋겠지만, 여전히 우리 모두가 사용하기에는 너무나 크기가 크고 비효율적이다. 에니악 정도로는 우리가 아는 세상을 열 수 없었다. 세상은 또 다른 혁신을 필요로 했다. 그것이 바로 트랜지스터다.

트랜지스터의 등장

에니악은 진공관이라고 부르는 일종의 전구를 이용해 만들어졌다고 했다. 먼저 알아봐야 할 것은 이런 소자들이 ‘왜 필요한가’이다. 당시 사람들은 신호를 제어할 수 있으면 일종의 연산 장치를 만들 수 있음을 알고 있었다. 그 예가 우리가 위에서 봤던 증기 자동문이다. 줄이라는 도구를 이용해 증기라는 신호를 제어하고 ‘줄을 당기면 문을 열어라’라는 프로그램을 수행한 것이다. 개선판인 전기 자동문 역시 본질은 같다. 버튼을 이용해 모터로 향하는 전기를 제어하는 것일 뿐이다.

컴퓨터는 본질적으로 증기 자동문의 입출력을 잔뜩 늘리고, 내부에 파이프를 수천 개 연결해 다양한 논리 구조를 추가한 것일 뿐이다. 증기 자동문은 단순히 문을 열고 닫는 수준의 간단한 일 밖에 하지 못한다. 하지만, 원한다면 줄 하나로 문 두 개를 동시에 연다거나, 사람이 문 아래에 있으면 닫히지 않는 안전문을 만드는 다양한 일을 할 수 있지 않은가. 이 규모를 계속 키워가다 보면 컴퓨터를 만들 수 있다. 잡아당기는 줄, 증기 배관 등은 진공관에 해당하는 기초 소자인 것이다.

▲하나의 조작으로 문 여러 개를 여는 증기 자동문과 두 사람이 동의해야 열리는 자동문

증기 컴퓨터의 기능을 추가하고, 전체 성능을 높이려면 어떻게 해야 할까? 증기관을 늘려 많은 기능을 넣거나, 더욱 높은 압력, 온도의 보일러를 설치해 증기가 차오르는 속도를 높이면 될 것이다. 문제는 이것 모두 쉽지 않다는 것이다.

증기기관은 그 자체로 크기가 매우 크기 때문에 보일러에서 다른 곳으로 관 하나를 추가하는 것만으로도 이미 거대한 크기가 더욱 커진다. 보일러의 성능을 높이려고 하면 필요한 에너지가 매우 커지고, 위험도도 높아진다. 진공관은 당시 사람들이 알고 있던 소자 중 가장 나은 소자였을 뿐이다. 전기로 동작하므로 고압 보일러처럼 폭발할 위험도 없고, 동작 속도도 초당 수십 회 정도는 됐다. 물론 그래도 사용하는 전력이 커 개별 진공관이 고장나는 등의 사고가 빈번했다. 더 나은 컴퓨터를 만들기 위해선 더 나은 소자를 찾을 필요가 있었다.

그리고 1947년, 트랜지스터가 발명됐다. 트랜지스터는 큰 전류의 흐름을 매우 작은 전류로 조절할 수 있는 혁신적인 기기였다. 과학자들은 아래와 같이 반도체 소재 두 종류를 사용하면 신호를 매우 쉽게 끊고 연결할 수 있음을 알게 됐다. 구조가 어려워 보이지만, 작동 원리는 본질적으로 밧줄을 당겨 증기 이동을 제어하는 것과 똑같다. 최초의 트랜지스터가 발명된 그 해, 지금까지 널리 사용되는 BJT^*라는 트랜지스터가 발명됐다. 이 과정에서 반도체라는 물질 역시 대중에게 알려지기 시작했다.

* BJT : Bipolar Junction Transistor, 양극성 집합 트랜지스터, 반도체 내부에서 P형 반도체와 N형 반도체의 두 영역 사이의 경계부분을 일컫는 PN 접합을 이용해 만든 트랜지스터를 의미한다.

▲트랜지스터의 구조. N형 P형 반도체 두 가지가 사용된다.(우측 이미지 출처 : 반도체 제조기술의 이해 143p 표 4-6)

모두를 위한 반도체 : MOSFET 혁명과 제조기술

1959년, 벨 연구소에 재직 중이던 모하메드 아탈라 박사와 강대원 박사, 두 사람은 모스펫(MOSFET)이라는 새로운 형태의 트랜지스터를 개발하게 된다. 두 사람은 실리콘 원판 위에 두 종류의 반도체 층을 형성한 뒤, 그 위에 금속을 얹음으로써 평평한 모양의 트랜지스터를 만들어 냈다.

이 트랜지스터는 작동 원리는 약간 달랐으나, 사용 방법은 위에 소개된 트랜지스터들과 크게 다르지 않았다. 이 트랜지스터가 진정 가치 있는 이유는 생산성이었다.

▲강대원 박사의 모스펫(MOSFET) 모형 구조(출처 : ㈜도서출판한올출판사)

모스펫은 납작한 모습 덕분에 여러 개를 실리콘 웨이퍼 위에서 붕어빵 찍어내듯 한 번에 만들 수 있었다. 어떻게든 붕어빵 틀을 더 작게 만들기만 하면 동일한 넓이의 웨이퍼에 수십 배의 모스펫을 만들어 낼 수도 있었다. 더욱 좋은 점은 이미 연결된 모스펫의 집합을 한 번에 제조할 수 있었다는 것이다. BJT를 이용해 CPU를 만들어야 한다고 하자. BJT를 만드는 과정이 아무리 효율적이더라도 CPU는 BJT를 연결해 만드는 것이므로 수억 개의 BJT들을 서로 납땜하고 기판에 붙이는 과정이 필요하다. 하지만 모스펫의 경우 이미 수억 개의 트랜지스터가 납땜 된 상태로 만들어 진다. 이 발명 덕분에 ‘실리콘 웨이퍼 위에 형성된 모스펫 집합’은 물리학으로부터 반도체라는 이름을 빼앗기까지 했다.

이제부터 우리가 살펴볼 내용이 바로 이것이다. 우리는 반도체 공장이 수조 원이 넘는 비싼 가격이라고 하지만, 놀랍게도 공장의 본질은 모스펫을 싸게 만드는 공장인 것이다. 우리는 이제부터 반도체에 관심 있는 사람이라면 들어보았을 노광, 식각, 증착 등이 과연 어떤 식으로 ‘값싼’ 모스펫에 공헌하는지 알아볼 것이다.

이번 장을 통해 독자 여러분이 기술 개발에서 목적과 수단을 분명히 구분할 수  있기를 바란다. 과학자들의 목적은 컴퓨터를 만드는 것이었다. 이를 위해 신호 전달의 수단으로 전기가 선택됐다. 모스펫은 전기 기반의 기초 소자 중 으뜸인 ‘수단’인데, 그 이유는 앞으로 배울 제조 공정으로 대량 제조가 가능하기 때문이다. 이후 반도체 제조 관련 글을 보면서, 해당 기술들이 어떤 식으로 값싼 반도체에 기여했으며 나아가 우리 모두에게 컴퓨터와 스마트폰을 가질 수 있게 했는지 느껴 봤으면 좋겠다.

※ 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

반도체가 비교적 다른 발명품보다 늦게 등장한 이유는 절연체, 반도체, 도체 특성을 갖는 물체들을 서로 연이어 붙일 때 두 개의 물성 간에 화학적 접합을 시키기가 어려웠기 때문입니다. 물리적 접합은 2가지 이상을 서로 갖다 붙이기만 하면 되지요. 하지만 반도체에서의 화학적 접합은 조건이 있습니다. 두 가지 이상 부품을 서로 갖다 붙이되 접합되어 있는 경계면이 전자 혹은 전자와 상응한 입자들이 접합경계를 타고 넘어 다른 물질로 왕래될 수 있어서 물성적 교류가 발생해야 합니다. 앞에서 MOSFET의 수직축과 수평축을 해석하는 관점을 살펴보았습니다만, 이제 약간 더 깊이 있게 들어가보도록 하겠습니다. 따라서 이번 반도체 여행기는 반도체의 접합면과 그 곳에서 일어나는 기능을 살펴보려고 합니다.

반도체 접합의 의미

▲ 극한의 외적조건(고온, 진공, 플라즈마, 고압)을 필요로 하는 반도체 공정 출처: 유투브

물질의 이종(異種)간 결합 중 기체나 액체 상태에서는 물성적 결합이 용이하지만, 고체끼리는 대부분 화학적결합 자체도 불가능해 접촉 그 자체로는 물리적 접합 수준입니다. 그러나 특수한 외적 조건, 즉 준진공 상태라던가 혹은 섭씨 1,000도 가까이 되는 매우 높은 온도일 경우는 고체와 고체의 접합에서도 물성적 교류를 유발시킬 수 있습니다. 따라서 반도체 공정에는 준진공, 플라즈마, 고온, 고압 등을 활용한 방식이 자주 이용됩니다. 이는 반도체 장비 가격들이 고공행진을 하는 이유이기도 합니다. 반도체 기술이 고도화 되면 될수록 극한의 공정 조건들이 더욱 필요해지는 것이지요.

2극 진공관 발명으로 전자공학이 탄생하다

▲ 엠부로스 플레밍의 진공관 다이오드, AC교류사용을 거부했던 에디슨의 백열전구 아이디어에 교류를 연결하여 정류한 장치이다. 출처 : Linda Hall Library

고체간의 물리적 접합 중 금속과 금속 사이는 유일하게 전자의 이동이 쉽게 일어납니다. 그러나 금속과 반도체, 특히 반도체와 반도체간 단순 물리적 접합면에서는 전자의 이동은 거의 불가능합니다. 그래서 처음에 전자의 이동은 손쉬운 금속과 기체간의 접합으로 시작하게 되었습니다.

에디슨의 회사에서 일하던 영국인 엠브로스 플레밍은 백열전구 속에 극판을 하나 더 추가한 에디슨 효과에 전류를 연결해 2극 진공관을 이용한 진공관 다이오드를 만들었습니다(진공관은 전자공학 Electronics란 분야를 탄생시킨 계기를 마련할 정도로 중요한 발명품이지요). 이는 기체 상태로는 낮은 기압을 쉽게 만들 수 있다는 점을 이용하였는데요. 준진공 상태에서 서로 이질적 물질인 금속과 기체의 경계면에서 열전자들을 발생시킨 경우가 되겠습니다( 이전 글 전자의 세계 속으로 바로가기).

진공을 적용한 이유는 챔버 내의 공기 입자들을 가능한 밖으로 많이 뽑아내 주어야 하기 때문인데요. 전자가 진공관 속에서 직진할 때 다른 전자(원자내) 혹은 다른 입자(원자핵 등)들과 부딪치는 경우가 적습니다. 운동장에서 100M 달리기를 할 때 장애물이 없어야 직진으로 잘 달릴 수 있는 것처럼 말이지요.

고체 반도체 개발, 점을 거쳐 면으로 진화하다

▲ 바딘과 브레튼에 의해 개발된 점 접촉식 최초의 트랜지스터 볼품없는 모습에 언론에서는 발표 당시 냉담한 분위기였습니다. (출처: the Silicon Engine)

반면 2극 진공관은 다극 진공관으로 발전을 거듭하였는데, 진공관은 부피가 너무 크다는치명적인 단점을 가지고 있었습니다. 진공관으로 연결된 회로를 탑재한 우주 로켓은 로켓 추진체가 부피와 무게를 감당할 수 없어 쏠 수 없었습니다.

1948년 이런 단점을 보완하기 위하여 미국 벨연구소의 존 바딘과 월터 브레튼에 의해 고체끼리도 전자의 상호 이동이 가능하도록 하는 점 접촉식 반도체가 발명되었습니다. 초창기의 진공관 크기를 1/100배 이상 줄인 고체소자가 등장하게 된 것이지요. 실험실에서 연구원 브레튼이 낸 작은 목소리가 점 접촉 트랜지스터를 거치면서 50배 이상의 큰 목소리로 변하여 모여 있던 사람들이 환호성을 질렀습니다. 이는 전자를 금속에서 기체로 뽑아내던 기술을 발전시켜, 전자를 반도체에서 반도체로 이동시킨 대혁신이었습니다.

오래 전부터 독일을 포함한 유럽의 많은 나라들도 진공관의 단점을 개선하기 위하여 벨연구소와 유사한 고체 연구를 진행하였습니다. 독일이 미국보다 10년쯤 먼저 이를 개발했다면 세계 전쟁의 결과가 달라질 수도 있는 발명이었겠지요. 생각만으로도 끔찍합니다.

▲ 질적인 현대 트랜지스터의 모태인 쇼클리의 면접촉식 반도체, 입체적 직육면체를 2차원 단면으로 표시한 JFET 특허 그림 출처: 구글 특허

고체 반도체의 점 접합 방식을 발전시켜 3년 뒤인 1951년, 윌리엄 쇼클리가 면 접촉식 바이폴러 트랜지스터(Bipolar Transistor)를 개발하였습니다. 좁은 점 접촉 영역보다는 면이라는 넓은 영역을 통과하는 전자의 량이 기하급수적으로 많기 때문에 면 접촉식이 Switching 동작을 할 수 있는 진정한 의미의 트랜지스터 발명이라고 하겠습니다.

전자와 정공의 확산이동

▲ N형-P형 반도체의 Junction(화학적 접합면)에서 다수 이동자인 전자와 정공의 확산이동

JFET(Junction FET)반도체에는 전기적 상호반응이 없는 Junction영역이 두 군데가 있습니다. 이곳을 공핍영역(Depletion Area)이라고 합니다. 그런데 이 영역은 고체반도체 소자를 생성시킨 직후에는 오히려 전자와 같은 다수 이동자들의 확산반응이 가장 활발하게 일어났던 N형 반도체와 P형 반도체의 접합지역입니다. 서로 다른 반도체 물질 2개가 화학적 접합이 되면, 다수 이동자(Major Carrier)인 전자와 정공(Hole)이 외부의 에너지 공급이 없어도 서로 상대방 영역으로 침투해서 들어갑니다. ( 이전 글 자유전자의 탄생 바로가기)

이는 내부에서 자생적으로 발생된 확산에너지로부터 동력을 받아서 입니다. 확산에너지의 원천은 농도의 차이입니다. 반도체 내의 농도기울기가 클수록 상대방 불순물 영역으로 들어가는 다수이동자의 확산된 길이가 깊어집니다. 그럼 반도체에서 농도의 본질 무엇일까요? 이것은 단위 체적당 생성된 다수 이동자들의 숫자입니다(혹은 소수이동자가 될 수도 있습니다). 이런 다수/소수 이동자들은 반도체 공정 중에 만들어 집니다.

반도체 접합면을 만드는 도핑공정

▲ P-well 속에서 Source단자와 Drain단자가 만들어 낸 두개의 접합면(Junction)을 갖는 트랜지스터

그럼 두 개의 접합면을 갖는 트랜지스터를 만들어 봅시다. 먼저 순도 99.99…9% (9-11 : 9라는 숫자가 11개)의 4족 원소와 5족 원소를 높은 온도 챔버 속에서 섞어서 잉곳(Ingot)이란 N형 반도체 덩어리를 만듭니다. 이를 감자칩 같은 Wafer로 자른 후에, 반도체 라인으로 들어오면 N형 반도체 위에 P형 Well을 만듭니다. P-Well은 3족 이온을 N형 반도체 위에 임플란팅하고 나서 고온 확산을 거쳐 형성합니다. 이때 3족 원소로는 붕소만 가능합니다. 같은 3족인 알루미늄이나 인듐 등은 고체 내에서 4족 원소와 섞이는 정도인 고체용해도가 너무 떨어져서 사용하지 못합니다. 화합하지 못하면 도태되는 것은 인간사회나 물질세상이나 마찬가지인가 봅니다.

그런 뒤 P형 불순물반도체 속으로 농도가 더욱 높은 5족 불순물원소를 강제적으로 주입시키기 위하여 또 다시 고압 이온 임플란팅 방식으로 도핑 시킵니다. 마치 바다에서 떠있는 2개 섬처럼 말입니다. 농도가 높을수록 전자 개수가 많아지므로 전도율은 상승하게 됩니다. 이온 임플란팅 방식의 도핑 시에는 마스크로 5족 원소가 침투할 영역 이외는 차단시킵니다. 5족 불순물이 도핑 되면 고온을 가하여 도핑 된 5족 이온들이 3족 기판 속으로 깊숙이 확산하게 하여 N+형 반도체 영역이 더욱 넓게 도핑 되도록 만듭니다.

그렇게 되면 N+형 반도체와 P형 반도체 사이는 화학적 접합이 되고 그 접합면(Junction)을 통하여 조건만 맞으면 전자 혹은 정공이 자유롭게 이동하게 됩니다. 이동 방식은 외부에서 전위에너지가 없는 상태에서 이루어지는 확산 이동과, 외부에서 각 단자에 전압을 가하였을 때 발생되는 드리프트 전류(Drift Current)가 있는데 이는 다음 시간에 공핍영역과 같이 다루게 되겠습니다.

반도체가 Switching 신호를 원활하게 수행하기 위하여는 적합한 접합면(Junction)의 개발이 제품성공을 좌지우지 합니다. 특히 MOSFET기반의 반도체 동작은 본질적으로는 ‘전자를 어떻게 통과 시키고 통과시킨 전자를 어떻게 이동시킬 것이냐’ 입니다. 본장에서는 전자를 통과시키는 경계면이 발전되어 가는 모습을 보여주었고, 반도체 접합면을 통과하는 다수 이동자에 대한 개념과 반도체 공정에서 경계면을 어떻게 생성시키는 지를 간단히 다루었습니다. 다음 장 에서는 통과된 전자로 인한 주변 영역이 어떻게 공핍 상태로 되는지를 알아보겠습니다.

* 본 칼럼은 반도체/ICT에 관한 인사이트를 제공하는 외부 전문가 칼럼으로, SK하이닉스의 공식 입장과는 다를 수 있습니다.

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1965년 4월, 인텔의 공동 창립자인 고든 무어는 ‘일렉트로닉스’ 잡지에 이와 같은 말을 했습니다. “반도체 칩에 들어갈 수 있는 트랜지스터 수는 2년마다 2배씩 늘어날 것이다!” 이후 이 말은 ‘무어의 법칙’이라 불리게 되었고 인텔뿐만 아니라 전 세계 반도체 업체들은 이 법칙에 따라 반도체를 개발해 왔습니다. 그런데 51년이 지난 지금, 향후 반도체 기술 동향을 예측하고 반도체 및 관련 산업이 발전해나가는 방향을 제시하는 비상업적인 순수 로드맵, ITRS에서는 무어의 법칙이 더는 유효하지 않을 것이라 예상하는데요. 그 이유가 과연 무엇인지 알아볼까요?

반도체 개발의 정석, 무어의 법칙이란?

무어의 법칙이란, 반도체 칩의 성능이 2년마다 두 배씩 좋아지는 것을 말하는데요. 1965년부터 지금까지 반도체 칩에 들어가는 트랜지스터의 숫자는 2년마다 두 배 혹은 그 이상씩 증가했습니다. 1989년, 120만 개에 불과했던 트랜지스터 숫자는 현재 19억 개에 이르는데요. 트랜지스터의 크기를 줄이고 촘촘하게 붙여 넣은 모습이 마치 공동 주택가 혹은 밀집한 아파트 단지의 모습과 비슷하지 않나요?

▲ 세대를 거듭할수록 작아지는 트랜지스터의 모습 (출처: Intel 홈페이지)
무어의 법칙, 한계에 다다른 이유
이러한 무어의 법칙이 1965년부터 지금까지 약 50년간 지켜질 수 있었던 이유는 무엇이었을까요? 바로 전 세계의 반도체 업계가 법칙을 지키기 위해 부단히 노력했기 때문입니다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 2000년대 초반부터는 개발 시기가 점점 늦어지고 있으며 실제로 한계에 다다랐다고 하는데요. 그 이유를 살펴보도록 하겠습니다.

▲ 약 50년간 지켜져 왔던 ‘무어의 법칙’ (출처: Intel 홈페이지)
 
하나. 양자 터널 효과에 따른 누설 전류 현상
앞서 말씀 드렸듯이 ‘트랜지스터의 수가 2년마다 두 배씩 증가한다’는 무어의 법칙 대로라면 현재 14nm반도체 미세 공정을 내년에는 10nm 공정으로 줄여야 하는데요. 더 이상 그 주기를 지키기 어려운 가장 큰 이유는 바로 미세화의 한계 때문입니다.
먼저 기본적인 양자역학적 원리를 한가지 소개하겠습니다. 우리가 알고 있는 거시적 세계에서는 테니스 공이 단단한 벽을 뚫고 다른 방으로 넘어가지 못합니다. 하지만 나노미터 단위로 깊이 들어가 원자들의 세계를 들여다보면, 상황은 조금 달라집니다. 이런 미시적 세계에서는 벽이 아주 얇다고 가정해보면 전자들이 다른 방으로 뚫고 갈 확률이 존재합니다. 이와 같은 경우를 바로 ‘양자 터널 효과’라고 하죠.

▲ 미시적 세계에서 원자는 벽을 뚫고 지나갈 수 있는 확률이 존재한다.
전류의 통로가 10nm 정도로 미세한 공간에서는 전자가 양자 터널 효과를 보이기 때문에 전류가 새는 ‘누설전류’가 생기게 됩니다. 한 개도 아닌 수십억 개의 트랜지스터에서 누설전류가 생긴다면, 당연히 반도체가 제 기능을 못하게 되겠죠? 이를 보완할 만한 대책이 있긴 하지만, 실리콘 기반의 트랜지스터는 가장 근본적인 물리학적 문제 때문에 무한정 작아질 수 없다는 점! 기억해주세요.
둘. 미세한 회로 폭, 더 높아지는 열
반도체 데이터 용량이나 처리 속도 등 성능이 중요해짐에 따라 작은 칩 공간 안에 고성능 구현을 위해 반도체 회로 선폭을 줄여 더 많은 회로를 담았는데요. 이로 인해 누설 전류가 늘어나 발열이 심해지는 문제도 발생하고 있다고 합니다. 이를 해결하기 위해 소재와 설계 등을 바꾸는 노력들을 지속적으로 해왔는데요. 공정이 점점 더 미세화 됨에 따라 해결하기 어려운 문제로 다가오고 있습니다.
셋. 기존보다 늘어나는 제조 비용
만일 미세 공정의 기술적인 문제가 해결되어 웨이퍼 당 더 많은 반도체를 만들 수 있다고 하더라도 또 다른 문제가 발생 되는데요. 그것은 바로 제조 비용의 문제입니다.
매우 미세한 공정을 진행하기 위해서는 추가적으로 장비도 더 필요하게 되며, 공정 과정도 더욱 복잡해집니다. 그로 인해 반도체 제조비용은 급격하게 상승합니다. 즉 성능은 좋아지면서 가격은 저렴해진다는 무어의 법칙의 근본 원리가 무너지게 되는 것이죠. 다시 말해 반도체를 작게 만들어서 얻게 되는 원가 절감 효과가 줄어들게 됩니다. 그리고 이 문제는 미세화 되면 될 수록 더욱 커지게 됩니다.

▲반도체 공정 과정 (출처: Youtube ‘intel’ 채널)
반도체 개발 기술, 현재는 어떤 방향으로?
지금까지는 무어의 법칙을 기반으로 반도체 칩 크기는 더 작게, 성능은 더 좋게 개발해왔습니다. 하지만 크기를 더 작게 만드는 것만이 능사는 아닌데요. 경제적 측면이나 물리학적 한계를 통해 살펴봤을 때, 반도체를 더 작게 만드는 개발의 경쟁시대는 더 이상 어려울 것으로 보입니다. 물론 앞으로도 반도체의 성능 향상은 계속 될 테지만, 그건 다른 방식으로 일어날 수도 있습니다. 지금 반도체 업계는 기존의 주 재료인 실리콘이 아닌 새로운 물질, ‘그래핀’과 ‘탄소나노튜브(CNT)’를 이용한 반도체를 개발 중입니다. 또 저장 능력과 계산 능력이 뛰어난 양자를 반도체 소자의 재료로 사용하기 위해 끊임없이 개발하고 있습니다.

▲그래핀과 탄소나노튜브 (출처: 위키피디아)
 
하나. 새로운 물질, 그래핀과 양자
흑연은 탄소가 벌집처럼 육각형 모양으로 배열된 평면이 여러 층으로 쌓여 있는 구조인데요. 이 흑연의 한 층을 ‘그래핀’이라고 말합니다. 이런 이유로 그래핀을 세상에서 가장 얇은 물질이라고 말하기도 합니다. 그래핀은 굉장히 얇기 때문에 유리보다 투명하며, 구조 특성상 신축성이 좋고 강철보다 10배 이상 강도가 좋아 10nm이하의 미세 공정 도입도 가능합니다. 또 탄소의 결합 특성상 전기 전도성도 실리콘보다 훨씬 좋은데요. 그렇기 때문에 실리콘 반도체보다 처리속도를 100배 이상 높일 수 있는 장점이 있습니다.
더는 나눌 수 없는 최소량의 단위, 양자를 이용해 만든 반도체는 아직 연구개발이 많이 필요한 미래 기술입니다. 하지만 연구개발이 완료되고 상용화가 된다면 기존의 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산을 할 수 있는 양자컴퓨터를 만나게 될 것입니다.

▲양자 컴퓨터 (출처: 위키피디아)
 
둘. 차세대 메모리 개발
그래핀과 양자 등 새로운 재료로 만든 반도체 이외에도 차세대 메모리 개발을 통해 공정 미세화 한계를 극복하고자 노력하고 있는데요. SK하이닉스도 미래 기술 경쟁력 강화를 위해 차세대 메모리를 개발을 진행하고 있으며, 향후 개발 성숙도와 시장 상황 등을 고려해서 양산 시기를 결정할 계획이라고 합니다. 그럼 차세대 메모리에 대해 간단하게 한 번 알아볼까요?

▲ SK하이닉스에서 개발 중인 차세대 메모리 3종 (출처: SK하이닉스 블로그)
1. PC RAM (Phase-Change RAM)
GST라는 상변화 물질에 온도를 가하면 물질의 일부분이 결정질 상태에서 비정질 상태로 변하는데요. 이에 따른 저항의 차이를 이용해 데이터를 기록할 수 있습니다.
2. STT MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic RAM)
자성의 변화에 따른 특성을 이용해 데이터를 저장합니다. 자화의 뱡향과 Spin 방향이 같은 전자는 저항이 낮은 상태가 되어 전류량이 증가하고, 자화의 방향과 Spin 방향이 다른 전자는 저항이 증가하여 전류량이 감소하는 원리로 데이터를 저장합니다.
3. ReRAM
Resistive RAM의 약자로 전기적 신호에 따라 저항이 큰 부도체 상태에서 저항이 작은 도체 상태로 바뀌는 메모리 특성을 이용하여 정보를 저장합니다. ReRAM은 두 개의 금속전극 사이에 절연막을 삽입한 매우 간단한 구조의 메모리 소자로 전기적인 신호에 따라 저항이 크게 변하는 원리를 이용한 차세대 메모리인데요. 추후 NAND Flash의 역할을 대체할 것으로 여겨집니다

 

무어의 법칙과 더불어 반도체의 미래에 대한 부분까지 알아봤는데요. 무어의 법칙은 깨졌지만, 반도체는 지금도, 앞으로도 계속 발전할 것입니다. 이제는 단순히 2년마다 두 배씩 트랜지스터의 집적도만 높이는 데 열중할 것이 아니라 더 근본적으로 반도체의 한계를 뛰어넘는 혁신이 필요한데요. 무어의 법칙을 넘어 제품의 요구에 맞는, 새로운 패러다임으로 생산된 반도체의 만남, 앞으로가 더 기대되지 않으신가요?
 

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		Tue, 17 Nov 2015 20:00:00 +0000
				
		
		
		
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세계 최고의 영예로운 상이자, 혁혁한 공을 인정받은 사람에게만 수여되는 ‘노벨상’. 한번도 받기 어려운 이 상을 두 번씩이나 받은 사람은 지금까지 단 4명뿐이라고 하는데요. 오늘 만나볼 물리학자 존 바딘은 이 4사람 중 한 사람으로서 반도체의 연구와 발전에 큰 공을 세운 물리학자입니다. 뉴턴이나 아인슈타인처럼 잘 알려진 물리학자는 아니지만, 바딘은 물리학자들의 꿈인 노벨 물리학상을 두 번이나 수상한 천재 중의 천재였는데요. 흔히 노벨상을 두 번 받은 사람이라고 하면 마리 퀴리 부인을 떠올리는데, 물리학상을 두 번 받은 이는 바딘이 유일합니다. 그렇다면 과연 존 바딘은 어떠한 연구활동을 통해 2번의 노벨 물리학상을 받을 수 있었을까요? 어릴 적부터 천재라 불렸던 그의 삶을 함께 살펴봅시다~!


해부학 교수 출신 아버지와 교육자 출신 어머니 사이에서 태어난 바딘은 일찍부터 수학에 재능이 있었다고 하는데요. 그의 부친은 미국 의과대학의 명문 존스 홉킨스 대학교 의과대학의 첫 졸업생으로, 졸업 후 한동안 존스 홉킨스 대학에서 교수로 재직했습니다. 위스콘신대학이 의과대학을 설립할 당시 위스콘신대학교 의과대학으로 옮긴 아버지는 그 후 위스콘신대학 의과대학의 초대 학장을 역임하기도 했죠. 존 바딘은 위스콘신대학이 소재한 매디슨에서 출생해 대학을 마칠 때까지 위스콘신에서 성장했습니다.
그는 초등학교 중학교 재학 시절부터 영재반에서 공부하면서 상급학년으로 건너뛰어 진급하는 등 천재적인 면모를 보여주었는데요. 고등학교에 입학해서는 만 13세에 고등학교 졸업에 필요한 모든 과목을 이수했다고 합니다. 나이가 어려 대학에 곧 바로 진학하는 대신 그는 매디슨 시내의 다른 고등학교로 전학해 2년간 수업을 더 들은 후 15세 되던 해 위스콘신대학교에 입학했죠. 대학에서 전기 공학을 전공하는 동안 바딘은 수학과 물리학에도 흥미가 많아 이 분야의 과목들도 두루 수강했습니다. 그의 탁월한 수학 실력은 위스콘신대학교 내에서 이때 이미 정평이 나 있었다고 해요. 학부를 마치고 계속해서 석사 과정을 밟는 동안 그는 디락(Dirac), 디바이(Debye), 하이젠버그(Heisenberg) 등 당대의 거장급 유럽 물리학자들이 이 대학에 머무는 동안 개설한 강의들을 수강하며 새로운 양자 역학 분야에 관심을 갖게 됩니다.
바딘의 석사 과정 논문은 지도 교수의 연구 분야를 따라 석유 유정 발굴에 전기 공학을 응용하는 것이었습니다. 바딘이 석사 과정을 졸업한 1929년은 미국 경제 대공황이 시작되는 해였는데요. 따라서 대학을 갓 졸업한 젊은이들을 채용하는 회사는 거의 없었죠. 다행히 석사 과정 지도교수의 추천을 받은 덕에 그는 대형 석유회사인 걸프 오일 회사 의 연구소에 취직할 수 있었습니다. 2년 가까이 이곳에서 근무하며 존 바딘은 수학과 물리학에 대한 관심을 더욱 키워나가게 되었고 이 분야를 좀 더 심층적으로 연구하기 위해 박사 과정을 선택하게 됩니다. 당시 미국의 경제불황을 생각해보면 안정적인 직장을 떠나는 것이 그리 쉬운 결정은 아니었지만, 그는 그의 의지대로 공부를 계속할 것을 결심하죠.



1933년 가을, 프린스턴대학교 대학원 박사 과정에 진학한 그는 1936년 고체 물리에 대한 연구로 박사학위를 수여하게 됩니다. 여기서 당시 미국의 상황을 살펴볼 필요가 있는데요. 1930년대 미국의 대학들은 독일에서 히틀러가 집권한 후 나치 정권을 피해 미국으로 건너온 저명한 물리학자들을 받아들여 양자역학, 고체물리학 등의 연구에 급진적인 발전을 이루고 있었습니다. 아인슈타인이 프린스턴대학 고등연구원의 평생 연구원직을 수락해 미국에 정학한 것도 이러한 배경 때문에 가능한 것이었는데요. 존 바딘의 박사학위 지도 교수였던 유진 위그너 역시 헝가리 출신의 젊고 유능한 고체물리학자였습니다. 그는 후에 노벨 물리학상을 수상하기도 하죠. 이렇게 능력있는 물리학자들을 두루 등용하기 시작한 시대적 상황에서 하버드대학은 존 바딘에게 3년간 연구직을 보장하는 펠로우십을 제안했고 바딘은 이를 받아들여 하버드 대학에서 3년간의 연구 생활을 하게 됩니다.
3년간의 하버드 대학 연구원 생활을 마친 바딘은 미니애폴리스에 소재한 미네소타 대학교 물리학과 교수로 부임해 교육과 연구 생활을 시작했습니다. 그러나 제2차 세계대전 기간 미국 국방성이 학계, 산업계의 과학자들을 소환해 국방성 산하 연구소에서 근무하게 했는데요. 바딘은 1941년 미네소타 대학을 휴직하고 워싱턴에 있는 해군 연구소에서 종전될 때까지 근무했습니다. 1945년 종전이 되자 벨 연구소는 이미 유능한 고체 물리학자로 이름이 알려져 있던 바딘의 영입을 추진했고 바딘은 미네소타 대학으로 돌아가는 대신 벨 연구소에 입사해 샤클리의 고체 소자 개발팀에 합류했죠. 노벨상을 두 번이나 수상한 그의 연구역사가 본격적으로 시작된 것입니다.


탁월한 고체 물리 이론가인 존 바딘이 쇼클리 팀에 합류하자 벨 연구소는 실험 물리의 대가인 브래틴, 이론 물리학자인 바딘, 탁월한 물리학자이자 카리스마와 리더십이 있다고 평가받는 팀의 리더 쇼클리 세 사람을 주축으로 이상적인 연구팀을 꾸려 연구를 지속해나갔습니다.

                                                            

▲ (좌측부터) 젊은 시절의 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼
 

프로젝트 초기에 샤클리가 새로운 소자의 구조를 제안하면 이에 따라 브래틴이 소자를 제작했는데요. 그러나 이 소자들은 기대한 대로 동작하지 않았고 샤클리와 브래틴은 그 이유를 찾아 낼 수 없었죠. 존 바딘이 벨 연구소에 입사해 쇼클리 팀에 합류한 후 그는 쇼클리가 고안했던 소자들이 왜 동작하지 않는지 이유를 규명하는 작업에 착수했습니다. 그리고 오래 지나지 않아 바딘은 소자가 동작하지 않는 것은 고체 표면에 존재하는 소위 ‘계면 상태 (surface state)’ 때문이며 이 때문에 전계가 고체 내부로 침투하지 못해 소자가 동작하지 않는다고 설명했습니다. 바딘의 이 예리한 통찰력은 성공적으로 트랜지스터를 제작할 수 있도록 물꼬를 터준 것이죠!

▲ (좌측부터) 월터 브래튼, 존 바딘, 윌리엄 쇼클리
 
이들이 발명한 트랜지스터는 반도체의 시대를 열어 인류역사의 기반을 일구어냈는데요. 트랜지스터는 코끼리 6마리의 무게에 해당하는 애니악(ENIAC)의 진공관을 대신해 컴퓨터의 소형화를 이루어냈습니다. 회로 실험에서 뜻하지 않은 실수로 인해 큰 스파크가 생긴 것이 그토록 바라던 전류증폭현상으로, 이를 통해 트랜지스터 발명의 실마리가 풀리게 된 것이죠. 이것이 최초의 트랜지스터인 ‘점접촉형 트랜지스터’입니다.

★ 여기서 잠깐! 트렌지스터의 분류 
트랜지스터란 반도체 결정 중에서 전자 또는 정공의 운동을 이용한 전자 장치를 말하는데요. 진공관과 마찬가지로 개폐, 증폭, 발진, 정류, 검파 등의 작용을 합니다. 구조상 점접촉형 트랜지스터와 접합형 트랜지스터로 나누어지는데 현재 일반적으로 사용되고 있는 것은 후자이죠. 접합형 트랜지스터는 반도체 조합 방식에 따라 P-N-P 또는 N-P-N형 등으로 나누어지며, 또 접합층을 만드는 방식에 따라 합금 접합형, 성장 접합형, 확산 접합형 등으로 분류됩니다!

현재 기술의 발전으로 인해 트랜지스터의 크기는 점점 작아지고 있으며 첨단공학기술들은 모두 반도체의 발전과 관련이 있습니다. 이렇게 트랜지스터는 1956년 존 바딘에게 첫 번째 노벨 물리학상을 안겨주게 되죠.


이후 존 바딘은 벨 연구소를 떠나 1951년 일이노이대학교 물리학과 교수로 부임하게 됩니다. 일리노이대학의 연구 분위기는 존 바딘을 마치 ‘물 만난 물고기’처럼 만들기에 충분했는데요. 트랜지스터 개발 이후, 존 바딘의 관심은 초전도체로 옮겨가게 되죠. 그는 이곳에서 일찍부터 관심을 가지고 있던 초전도 현상에 대한 연구를 본격적으로 시작하게 됩니다. 그는 이를 위해 수학 박사인 쿠퍼를 그의 연구팀에 영입하고 대학원 박사과정 학생인 슈리퍼와 함께 초전도 현상의 이론을 규명하는 작업에 착수했는데요. 이 연구는 지난 40년간 물리학계의 내로라하는 저명한 학자들이 모두 도전했다 실패한 분야였기에 그의 도전의식을 더욱 불타오르게 했습니다.
일리노이 대학에 부임한 지 불과 6년만인 1957년, 바딘의 연구팀은 마침내 초전도 현상을 이론적으로 설명하는 데 성공합니다. 이 이론은 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 사람의 이니셜을 따 BCS이론으로 불리는데요.

                                                                        

▲ (좌측부터) 리언 닐 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼
 
 
현재, BCS이론은 온도가 올라가면 쿠퍼페어가 깨지게 되어 고온 초전도체에서는 적용할 수 없어 계속 연구되어야 할 과제로 남아있습니다. 하지만 BCS이론은 초전도 분야뿐만 아니라 물리, 소립자 이론분야 등에도 큰 영향을 주었죠. 미국 정부는 존 바딘의 업적을 기리기 위해 2008년 3월 바딘 기념우표를 발행하기도 했습니다. 바딘은 이 연구업적으로 쿠퍼, 슈리퍼와 함께 1972년 그의 두 번째 노벨 물리학상을 수상했는데요. 이로써 같은 분야에서 노벨상을 두 번 수상한 최초의 인물이 되었습니다.

★ 여기서 잠깐! 초전도 현상이란? 
초전도체(superconductor)란 절대온도인 영하 273도 부근에서 극저온의 액체헬륨이나 액체질소에 담그면 전기 저항이 없어지고, 자기장을 배척하기 때문에 자석 위에서 떠오르는 현상을 보이는 금속이나 합금, 화합물을 말합니다. 물체에 전류가 흐르면 그 물체에는 전류의 제곱과 물체의 저항을 곱한 값의 열이 발생하게 되어 전도율이 낮아지는데요. 초전도체는 전기저항이 전혀 없기 때문에 구리나 철 등의 전도체와 비교할 수 없을 정도로 전기의 전도율(conductivity)이 높은 것이죠.


하지만 초전도체는 온도, 자기장의 세기 및 전류밀도 등 세 가지 기본조건이 모두 충족돼야 하는 어려움 때문에 실용화 속도가 느릴 수밖에 없었습니다. 특히 전기저항 0이 되기 위한 온도가 극히 낮다는 점이 가장 큰 문제로 지적됐는데요. 현재의 과학자들은 초전도체가 가지는 문제점을 극복하면서 일상 환경에서 초전도 현상을 적용할 수 있는 물질의 개발에 박차를 가하고 있답니다.


반도체의 기반이 되는 트렌지스터와 초전도 현상을 발견한 존 바딘의 이야기, 어떠셨나요? 그가 이렇게 지대한 연구성과를 내놓을 수 있었던 데에는 그의 타고난 천재성도 있지만, 내성적이면서도 겸손하고 과묵했던 그의 성격도 한몫을 했답니다. 그는 자신에게 맡겨진 연구가 아무리 벅차고 힘들더라도 이를 묵묵히 수행하며 자신의 역할을 다하는 성실한 학자이기도 했죠. 안정적인 직장을 나와 소신 있게 자신만의 길을 선택하고 이에 성실하게 임한 덕분에 학자로서, 연구자로서 큰 공을 세울 수 있게 된 존 바딘의 이야기에서 우리는 다시 한번 꿈과 성실함에 대해 생각해 볼 수 있는데요. 자신이 원하는 길을 찾아 그것에 최선을 다하다 보면 어느새 원하는 길을 걷고 있을지도 모릅니다. 바로 존 바딘처럼 말이죠!


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		Thu, 25 Apr 2013 19:38:00 +0000
				
		
		
		
		
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