반도체란 무엇인가 - 유영준

반도체란 무엇인가
유영준 지음 / Pi-TOUCH(파이터치연구원) / 2017년 8월

 반도체라는 용어는 각종 언론과 매체를 통해 자주 접하게 되지만 도체와 절연체의 중간 정도로만 이해할 뿐 '반도체'가 무엇인지에 대한 개념은 없었다.
 
 반도체(엄밀히 말해 반도체 소자)는 도체와 절연체의 중간 정도의 전기전도율을 갖는 물질이다. 10^-6승에서 10^7승 까지 매우 넓은 범위의 저항을 가진 물질이며, 흔히 알려진 실리콘Si 과 함께 게르마늄Ge 셀레늄Se 등이 반도체 원소로 알려져 있고 첨가물의 성분과 함량에 따라 반도체의 종류는 다양해지고 그에 따른 용도도 달라진다.
 반도체 관련 기사에 나오는 P형이니  N형이니 하는 말은 주기율표의 IV족 원소인 실리콘이나 게르마늄에 인위적으로 주입한 분순물이 주기율표 상의 III족인지  V족인지에 따라 전도의 주체가 정공(hole, 양전하를 띤다 )이 되거나 전자(음전하를 띤다)가 되고 이를 P(positive) 혹은 N(negative)로 부르는 것이다.

 1833년 Micheal Faraday가 반도체의 성질을 가진 결정 물질을 발견했지만 당시 과학의 한계로 명확한 증명을 이끌 순 없었다. 페러데이 이후 많은 과학자들의 노력과 자연과학의 발달에 힘입어 20세기 중반 무렵에는 벨 연구소(Bell labs)에서 transistor(transfer+resister) 개발에 성공한다. 트랜지스터는 빠른 속도로 진공관을 대체한다.
 
 트랜지스터는 이론과 기술의 발달에 힘입어 소형화되고 고효율화 됐으나 조립의 어려움이 있었다. 이런 단점을 극복하는 IC(Integrated Circuit 집적회로)의 개발은 반도체 기술의 혁신을 가져왔다. IC는 하나의 Si 기판에 많은 트랜지스터 transistor, 리지스터 resister, 콘데서 condensor 등의 소자를 만들고 이들을 AI 배선으로 서로 접속한 것으로 극적인 효율성 향상을 가져왔다. 과거의 대형 컴퓨터는 손톱만한 크기의 마이크로프로세서 microprocessor로 발전하였고 전력소모는 극도로 줄었으며 내구성은 크게 향상되었다.

 반도체 제조는 Si 원료 제조공정, Wafer fabrication, IC 조립 및 검사로 이루어진다. 각각의 과정은 다시 세분화되며 극도로 정밀하고 깨끗한 환경 하에서 작업이 진행된다. 나노미터(nm) 단위의 작업을 진행하기 때문에 초정밀 오차, 먼지 한 톨, 땀 방물의 소금 결정 하나까지도 반도체에 치명적 영향을 끼칠 수 있다. 

 Wafer fabrication 과정도 초정밀, 초미세 환경 하에서 시행되는 것인데, 이렇게 만들어진 Wafer를 적당한 크기로 자르는 과정(Wafer scribing)이 더해지고 잘려진 칩을 기판에 올리는 작업(Chip mounting) 후 칩과 기판을 연결하는 작업(Wire bonding)을 시행하고 chip과 wire를 보호하고 내구성을 향상시키기 위한 조치(Packaging/Sealing)가 추가된다. 이렇게 만들어진 반도체 package 표면에 식별 및 추적을 위한 marking을 시행하고 테스트 과정을 거쳐 불량품을 걸러 낸다.

 글로 읽으니 괴리감이 덜하긴 하지만 실제적 수치를 상상했을 때는 너무도 동 떨어진 세상에서 반도체가 탄생하는 것이라는 생각에 감탄사를 내밷게 된다.

 복잡한 과정을 겪고 탄생된 반도체가 활용되는 분야는 앞서 언급한 현대 산업 전반이라고 말할 수 있고, image sensor(디지털 카메라, 망원경, 내시경, 휴대폰 등에 사용)나 발광 diode(LED, light emitting diode, 신호등 등에 이용) 또는 반도체 레이져 등 종래의 반도체에 변형을 가해 특수한 목적으로 이용되기도 한다.

 반도체는 마이크로 단위를 넘어 나노 단위로 들어섰으며 여기서 더한 혁신이 가해진다면 원자 단위의 반도체 구성을 진행할 수 있으리란 기대가 있다. 이미 7 nm 정도까지 미세화 된 상태라면 크기를 더 줄이는 것은 불가능한 한계로 받아들여지기도 하지만 과학의 역사가, 인류의 역사가 그랬듯, 또 한번의 진보를 통해 반도체는 더욱 발전하리라 기대해 본다.

 




 세상이 점점 복잡해지고 있다. 내가 지식을 축적하는 속도보다 내가 모르는 영역이 발전하는 속도가 훨씬 빠르고 내 지식은 시간이 지나면서 망각으로 버려지는 경우도 많다. 편리한 도움을 구하기 위해 인터넷을 이용하는 경우가 많지만 나를 비롯한 다수의 사람들은 인터넷을 통한 지식이 공허하단 사실에 공감하는 경우가 많다. 그런 이유로 인터넷에서 단편적 지식을 추구하기보다 책을 통해 지식을 구하고 용어의 정의나 인물에 관한 정보 정도는 인터넷의 도움을 받고 있다.

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  반도체 연구는 전문 영역이고 전체 인구 가운데 극소수 사람들만이 역량을 펼치고 있는 분야다. 그러나 어제와 오늘이 다를 정도로 빠른 변화를 보이는 현대사회에서 핵심기술의 거의 전 부문(일상 생활에서 접하는 스마트폰, 자동차, 시계, 가전 제품 뿐 아니라 항공기, 우주선, 인공위성 등 현대 산업의 전 분야)에 사용되고 있는 반도체에 대한 호기심이 배경 지식이라도 쌓고자하는 욕심에 더해져 나를 이 책으로 이끌었다.

 

 <반도체란 무엇인가>는 반도체의 탄생 배경, 역사, 제조 공정, 구조와 역활 등에 대한 내용을 그림 및 사진을 덧붙여 설명하고 있다. 물론 내용이 쉽지 않다. 특히 제조 공정이나 구조를 살필 때는 내가 읽으면서도 낯선 용어와 전문적 지식을 요하는 설명에 머리가 멍해지기도 했지만, 책을 다 읽은 후 반도체가 어떤 것인지에 대한 아주 얕은 개념 정도는 잡게 되었다.
 

 삼성전자와 SK 하이닉스가 대한민국 반도체 산업의 선두주자인 동시에 글로벌 시장에서 상당한 영향력을 행사하는 중이다. 이들 기업이 높은 위상을 갖게 된 데에 기업가 뿐 아니라 반도체 산업을 정열을 쏟은 많은 공학자, 기술자, 생산 인력 등의 공헌이 높았다고 생각한다. 또한 이 초정밀 산업의 중심에 한국 기업이 있다는 사실에 뿌듯함을 느낀다.

 대부분의 사람들은 나처럼 생업과 연관된 지식을 따라가기조차 버거울 것이다. 그럼에도 다양한 분양에 대한 관심을 게을리하지 않고 작고 얕은 지식이나마 추스려 내 것으로 만들고자 한다면 <지대넓얕>에서 채사장이 언급한 '넓고 얕은 지적 대화'를 이끌어 갈 수 있을 것이며 국민적 지적 능력의 향상을 가져올 것이라 믿는다. 그게 다시 배려로, 존중으로, 공감으로 표현되는 높은 시민의식으로 이어질 것이라 생각한다.

 <반도체란 무엇인가>를 통해 생소한 영역인 반도체에 대해 생각해 볼 기회를 갖게 되었음에 감사한다.