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한 인간에게는 작은 발걸음이지만, 인류에게는 거대한 도약입니다.
– 닐 암스트롱, 우주비행사 –

인류의 탄생 이래 지금 우리가 그 어느 때보다 가장 진보한 세대임은 부정할 수 없을 것이다. 그런데 현세대의 문명이 이전보다 우월하고, 이전 세대가 지금에 비해 초라했다고 평가할 수 있는 근거는 무엇일까? 우스운 질문처럼 들릴지도 모르지만, 모두가 한 번쯤은 진지하게 고민해 볼 가치가 있다. 문명의 진보 수준을 판단하는 ‘기준’이 존재하는가에 관한 의문이라는 점에서 꽤 의미가 있기 때문이다.

이 질문에 누군가는 인류사의 위대한 순간을 떠올릴 것이다. 특히 아폴로 11호가 달 표면에 착륙하여 첫발을 내디딘 닐 암스트롱의 한마디는 전 세계에 송출되며 인류에게 새 시대가 도래했음을 알렸다.

사실 이 사건은 한순간에 일어난 것이라기보단 끊임없는 진보의 누적으로 이루어진 결과이다. 화석 연료 정제 기술, 강력한 로켓 엔진, 3,500°C에 달하는 로켓 엔진의 화염을 견디는 합금의 개발, 달 궤도를 계산하는 컴퓨터, 극저온에서도 인간의 활동을 가능케 하는 우주복의 발명이 없었다면 인류를 달에 보내는 것은 불가능했기 때문이다. 이런 측면에서 인류 진보는 발명의 역사와 궤를 같이한다고 볼 수 있을 것이다. 그러니 문명의 진보 수준을 판단하는 기준으로서 인간의 지성으로 만들어낸 제품의 총 가짓수(SKUs, Stock Keeping Units)를 매년 세어보는 것은 어떨까?

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척도의 후보들: SKUs, 전력 소모량, 칩의 집적도

발명은 생각의 증거다.
– 피터 왓슨, 지성사가 –

선사시대에 살았던 멀고 먼 조상은 비교적 단순한 살림살이를 가지고 있었을 것이다. 돌을 내리쳐 날카롭게 만든 뗀석기, 채집한 물건을 담는 토기, 동물의 가죽으로 만든 옷가지 정도였다. 우리는 이들이 만들어낸 물건에 하나씩 번호를 부여해 볼 수 있다. 이 지표가 바로 SKUs다.

문명의 시계가 흘러가면서 점점 커지는 SKUs 목록을 하나씩 살펴보는 것은 아주 흥미로울 것이다. 교통수단으로 분류된 SKUs에는 나무로 된 수레바퀴에서 시작해 마차의 개발, 포드의 양산형 자동차 출현, 수많은 종류의 자동차 모델과 항공기, 닐 암스트롱을 달로 보낸 로켓 등의 긴 목록으로 이어진다. 예술 작품의 SKUs에는 고대의 벽화, 빗살무늬 토기, 원시적 장식물에서 시작하여 고대 그리스와 로마의 조각으로 이어진 다음, 르네상스 시기에 도달하면 SKUs의 목록이 급격하게 증가하게 될 것이다. 이와 같은 방식으로 인간이 만들어낸 모든 제품에 번호를 매겨 추적할 수만 있다면, 우리는 인류의 진보 수준을 어느 정도는 가늠해 볼 수 있다.

하지만 이런 측정 방식이 먼 옛날에는 가능했을지 몰라도 이제는 명백하게 불가능한 일이다. 진보의 척도로 SKUs를 사용했을 때 발생하는 난점은 두 가지다. 첫 번째는 실질적 측정이 어렵게 되어버렸다는 점이다. 오늘날에는 하루아침에 수많은 제품이 새롭게 개발되고, 순식간에 사라진다. 아무리 현대 사회가 컴퓨터를 이용해 재고를 처리하고 있다고 하더라도, 전 세계 모든 제품을 추적하는 누적 데이터베이스를 확보하는 것은 쉽지 않다. 두 번째 난점은 다품종소량생산의 시대에 돌입함에 따라 SKUs가 현실적인 진보의 수준을 반영하지 못하게 되었다는 점이다. 동일한 디자인의 옷에 100가지 색상이 있다고 해서 문명이 ‘100’만큼 더 발전했다고 말하는 것은 굉장한 비약일 것이다. 또한 이런 중복을 제거하고 집계하는 대안은 우리를 다시 첫 번째 문제로 돌아가게 만든다. 따라서 SKUs는 현대 사회의 진보 수준을 측정하는 도구로 부적절하다는 결론을 내릴 수 있다.

그렇다면 ‘전력 소모량’을 척도의 후보로 내세워보는 것은 어떨까? 최초의 전기 공급은 비교적 최근인 1880년대에 이루어졌고, 나라마다 전력 소모량을 정확히 측정하고 있으니 SKUs가 가지는 문제를 해결하는 대안이 될 수 있을 것으로 보였다. 실제로 전기는 인류의 진보 수준을 측정하는 유용한 수단이라고 말할 수 있다. 단, 2007년까지만 그랬다.

2007년 미국 전체의 전력 사용량은 3.9조 킬로와트시(kWh)로 정점에 도달한 후 소폭 등락을 거듭하며 횡보하고 있다. 2022년의 사용량은 4.05조 킬로와트시로 15년 전의 전력 사용량에 비해 3.8% 증가한 수준이다. 하지만 우리 대다수는 2007년보다 2022년이 3.8%보다는 훨씬 더 진보했다고 느낄 것이다. 15년간 전력 사용량이 횡보한 것은 탄소 배출을 줄이기 위해 에너지를 절감하도록 장려하고, 저전력 기기를 개발하고자 노력한 인류의 결실 덕분일 수도 있다.

이렇듯 현시대의 진보 수준을 잘 반영하는 지표를 찾는 일은 쉽지 않아 보인다. 그런데, 무려 반세기 동안 현대 사회의 진보 수준을 잘 나타내주었던 지표가 하나 존재한다. 그것은 바로 칩의 집적도다.

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정보화 사회의 심장

칩의 집적도는 약 2년마다 두 배씩 증가한다.
– 무어의 법칙 –

많은 직장인은 컴퓨터로 메일을 보내고, 워드로 문서를 작성하며, 엑셀로 데이터를 입력하고 계산하는 데 익숙할 것이다. 심지어 이제는 손바닥 크기의 스마트폰으로 길을 걸으면서 작업을 할 수도 있다. 이 모든 것이 가능한 이유는 ‘칩’이라 불리는 장치를 개발한 덕분이다. 이제 칩은 어디에나 있다. 사무실 컴퓨터는 물론이고, 우리가 늘 들고 다니는 스마트폰에도 칩이 들어있기 때문이다. ‘정보화 사회’로 대변되는 현시대에서 가장 중요한 것을 꼽으라 한다면, 단연코 칩이라 말할 수 있다.

칩 안에는 전기를 이용해 덧셈과 뺄셈은 물론이고, 각종 논리 연산을 수행할 수 있는 단위 장치인 트랜지스터가 빼곡히 새겨져 있다. 그리고 하나의 칩이 가지고 있는 트랜지스터의 개수, 소위 칩의 집적도가 우리가 가진 컴퓨터와 스마트폰이 얼마나 빠를지를 결정한다. 현대 사회, 즉 정보화 사회의 진보 수준은 컴퓨터의 데이터 처리 속도에 좌우된다 해도 과언이 아니다. 이 속도를 결정하는 것이 칩의 집적도이니, 이것이야말로 현시대의 진정한 진보의 척도라 불릴 자격을 갖춘 셈이다.

그렇다면, 지난 50년간 하나의 칩이 가진 트랜지스터의 개수는 어떻게 변화했을까? 아래의 차트는 1971년부터 2019년까지 칩 하나가 가지고 있는 트랜지스터의 개수를 로그 스케일의 차트로 나타낸 것이다. 1971년 개발된 칩엔 약 2,308개의 트랜지스터가 있었고, 2019년 출시된 칩에는 약 395억 개의 트랜지스터가 들어있다. 약간의 계산을 해보면, 48년간 칩 하나에 들어간 트랜지스터의 개수가 약 1,711만 4,384배 폭증한 것이다.

놀랍게도, 칩 제조기업 인텔의 설립자이자, 실리콘 밸리의 전설로 불리는 고든 무어는 이러한 발전을 크게 틀리지 않은 수준으로 반세기 전부터 예측한 바 있다. 그는 약 2년마다 칩의 집적도가 두 배씩 증가할 것이라는 소위 ‘무어의 법칙’을 주장하였는데, 그의 주장에 따르면 칩의 집적도는 48년 후에는 2를 스물네 번 곱한 값인 1,677만 7,216배(2²⁴)만큼 증가해야 한다. 이는 실제값(1,711만 4,384배)과 크게 다르지 않으므로, 고든 무어는 48년 후를 정확히 내다본 것이나 마찬가지인 셈이다.^[1]

무어가 강력한 칩의 출현을 예견할 수 있었던 이유는 칩의 트랜지스터 개수가 일정한 비율로 증가하는 ‘지수적 패턴’을 보이고 있음을 누구보다 먼저 눈치챘기 때문이다. 무어의 법칙이 대변하는 칩의 집적도 증가 폭은 오히려 이제는 칩 제조업체가 따라잡아야만 하는 황금률이 되었다. 인류가 스스로 문명의 진보 속도를 정하게 된 것이다.

그런데 향후 50년도 무어의 법칙이 지속될까? 다시 말해, 칩 산업은 우리에게 앞으로도 2년마다 2배의 집적도 향상을 약속할 수 있을까? 만약 그렇다면 50년 후의 인류는 지금에 비해 약 3,000만 배 더 강력한 컴퓨터를 가지게 됨을 의미한다.

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터널 효과, 그리고 척도의 미래

무어의 법칙은 더 이상 가능하지 않다.
– 젠슨 황, 엔비디아 CEO –

칩의 집적도를 높이는 가장 쉽고 단순한 방법은 칩의 기본 단위인 트랜지스터 크기를 소형화하는 것이다. 트랜지스터는 전기 흐름을 통제하는 일종의 스위치 역할을 한다. 여기서 문제는 이 스위치가 계속 작아지면 어느 순간부터 자신의 역할을 제대로 할 수 없게 된다는 점이다.

전기의 흐름, 즉 전류는 ‘전자’라 불리는 아주 작은 입자의 흐름이다. 그리고 트랜지스터는 이 전자를 통과시키거나 통과시키지 않음으로써 자신의 본분을 다한다. 트랜지스터가 문(Gate)을 열어 전자를 통과시키면 스위치를 켜는 것이고, 전자를 통과시키지 않으면 스위치를 끄는 것이다. 트랜지스터를 소형화할수록 전자가 지나다니는 문 역시 얇아지게 되는 것은 당연한 일이다.

그런데 그 문이 얇아질수록, 다시 말해 칩 제조 공정이 미세화될수록 아주 작은 세계를 일컫는 양자 세계의 규칙이 고전 세계의 규칙을 대체하기 시작한다. 그리고 양자 세계에서는 전자가 정해진 길을 이탈해 다른 곳으로 순간 이동하는 것처럼 보이는 ‘터널 효과(Tunnel Effect)’가 나타난다. 여기서는 전자가 닫힌 문을 뚫고 지나가는 사건이 벌어져도 이상하지 않다. 이는 원하지 않는 상황과 영역에 전기가 흐르는 결과를 만들어내므로 칩의 소비 전력을 증가시키고 기계 오작동의 주요 원인이 된다.

칩 제조사들은 트랜지스터의 구조를 변경하여 전류 누설 등의 문제를 극복해 왔다. 기존 트랜지스터의 한 종류였던 Planar FET의 누설 전류에 대응하기 위해 게이트에 수직한 핀(Fin)을 세워 이 문제를 해결한 새로운 트랜지스터인 FinFET이 등장한 바 있고, 이 덕분에 칩의 집적도를 한층 높일 수 있었다. 그리고 이제는 FinFET 구조로도 공정 미세화를 감당하기 어려워져, 말 그대로 전자의 통로를 4면으로 게이트가 감싸는 구조를 가진 GAA(Gate-All-Around) 공정 기반 제품의 개발과 양산이 진행되었다.

이런 방식으로 지금까지 칩 제조업계는 전자가 지나는 문의 형태를 바꿔서 무어의 법칙이 유지될 수 있도록 노력해 왔다. 하지만 앞으로의 50년이 지난 50년과 같을 것으로 생각한다면 오산이다. 우리 모두는 피할 수 없는 한계를 맞이할 준비를 해야 한다. 그 시간이 찾아오면 우리는 그 시대에 맞는 새로운 진보의 척도를 찾아야 할 것이다. 그 척도는 기대치를 조금 낮춘 무어의 법칙일 수도, 혹은 인공지능(파라미터의 법칙), 양자컴퓨터(로즈의 법칙)와 같이 급부상하고 있는 분야의 또 다른 법칙이 될지도 모른다.

. 비하인드 더 칩

[1] 칩 하나가 가진 트랜지스터의 개수는 엄밀하게 말하면 집적도와 다르다. 칩마다 규격이 다르므로 각 칩이 가진 트랜지스터의 개수에서 칩의 면적을 나눠야만 하기 때문이다. 다만 칩을 크게 만들어 더 많은 트랜지스터를 넣고, 칩끼리 연결하는 것도 하나의 기술력이라 볼 수도 있다

출처

1. 김종성, 이택호 지음, ≪수학은 알고 있다≫, 더퀘스트, 2024
2. NASA, ≪July 20, 1969: One Giant Leap For Mankind≫, https://www.nasa.gov/history/july-20-1969-one-giant-leap-for-mankind/
3. EIA, ≪Electricity consumption in the United States was about 4 trillion kilowatthours (kWh) in 2022≫, https://www.eia.gov/energyexplained/electricity/use-of-electricity.php
4. Our World in Data, ≪Moore’s law: The number of transistors per microprocessor≫, https://ourworldindata.org/grapher/transistors-per-microprocessor
5. Shara Tibken, <CES 2019: Moore’s Law is dead, says Nvidia’s CEO>, ≪CNET≫, 2019.01.09, https://www.cnet.com/tech/computing/moores-law-is-dead-nvidias-ceo-jensen-huang-says-at-ces-2019/

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※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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반도체 기술의 발전은 우리의 삶을 더욱 풍부하게 만들어 준다. 하지만 도대체 어떤 기술 덕분에 우리가 편해질 수 있는지 알아보는 길은 쉽지만은 않다.

삼성전자 반도체 뉴스룸이 이러한 어려움을 해결하기 위해 새로운 시리즈를 준비했다. 이름하여, ‘반도 Chat’! 오늘의 반도체 용어에 대해 가볍게 수다를 떠는 느낌으로 차근차근 배워 보자.

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MAP 1. 트랜지스터가 최초의 반도체라고?

첫 번째 키워드는 ‘트랜지스터’다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 주요 소자로 게이트를 통해 전류의 흐름을 조절하는 역할을 한다. 전자기기는 대부분 전류의 흐름을 조절하는 방식으로 정보를 저장하기에 트랜지스터는 ‘최초의 반도체’라 불린다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 트랜지스터가 작아지면 더 빠른 연산이 가능하고, 더 적은 전력으로 동작할 수 있다. 즉, 트랜지스터를 작게 만들어 웨이퍼 하나에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣느냐는 반도체의 성능과도 직결되는 문제다.

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MAP 2. 초미세 공정의 한계에 부딪히다

반도체를 작게 만드는, ‘초미세 공정’은 반도체 기술력의 상징으로 불린다. 반도체 크기가 작아질수록, 반도체 칩을 구성하고 있는 트랜지스터도 점점 작아져야 하는데, 이 과정에서 한가지 문제가 발생하게 된다. 바로 ‘단채널 현상(Short Channel Effect)’이다.

트랜지스터의 구조를 살펴보면 단채널 현상을 더 빠르게 이해할 수 있다. 게이트(Gate)에 전압이 가해지면 트랜지스터는 채널(Channel)을 통해 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 전자가 흐르면서 동작하게 된다. 하지만 트랜지스터가 점점 작아지면, 소스와 드레인 간 거리가 가까워지게 되어 누설 전류가 발생하고, 결국 너무 짧아진 게이트는 제 역할을 하지 못하게 된다.

이처럼 단채널 현상은 단어의 이름처럼 전류의 흐름을 조절하는 게이트의 길이가 너무 짧아짐에 따라 발생하는 모든 현상들을 일컫는다.

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MAP 3. 그것이 궁금하다, GAA

단채널 현상을 극복하기 위해 1차원 Planar FET부터 3차원 FinFET까지 트랜지스터 구조도 함께 발전해 왔다. GAA(Gate-All-Around)는 전류를 더 확실하게 제어할 구조를 고민한 결과 탄생한 구조이다. 4개의 채널을 4개의 게이트로 둘러싼 형태로 기존보다 더 정교한 전류 조절과, 더 확실한 전류 제어가 가능하기 때문에 성능과 특성 측면에서 훨씬 좋은 이득을 얻을 수 있다.

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MAP 4. 삼성전자 반도체만의 GAA, 궁극의 MBCFET

‘MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor)’은 삼성전자 반도체만의 독자적 GAA 구조이다. 초기 GAA 구조의 채널(Channel)을 보다 넓게 만들어서, 기존 대비 통로가 넓어지기 때문에 저항이 줄어들고, 그로 인해 전류가 더 많이 흐르게 되어 누설 전류를 더욱 효과적으로 제어할 수 있다.

이러한 MBCFET은 기존의 트랜지스터보다 전력 소모를 줄이면서도 성능을 향상할 수 있는 차세대 반도체 기술로 평가된다. 기존 Nanowire보다 넓은 Nanosheet 형태로 통로가 넓어졌기 때문에 전류가 더 많이 흐를 수 있고, 원하는 수준까지 소비 전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.

그리고 사용자가 요구하는 다양한 성능에 따라 다양한 시트를 제공한다는 점이 MBCFET 의 가장 큰 장점이다. 연산을 많이 해야 하는 CPU 같은 곳에서는 전류가 많이 흘러야 하기 때문에 넓은 시트를 사용하고, 저전력을 요구하는 곳에서는 좁은 나노시트를 써서 그 성능을 맞추게 된다.

GAA에 대한 보다 자세한 설명이 궁금하다면 반썰어 ‘GAA’편을 참고하길 바란다.

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세계 수출 시장에서 5년 연속 점유율 1위를 기록한 우리나라 제품이 있습니다. 뉴스에도 매일 등장하는 이것, 바로 ‘반도체’인데요. 반도체와 관련된 모든 지식을 알기 쉽게 전달하는 콘텐츠, <반도체 백과사전> 시리즈가 시작됐습니다.

첫 번째 시간은 반도체의 정의부터 탄생 과정, 그리고 작동 원리까지 가장 기초가 되는 개념을 살펴봤는데요. 자세한 내용은 영상을 통해 확인해 보세요!

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인공지능(AI)부터 5G, 사물인터넷(IoT), 자율주행 자동차까지 반도체는 어느새 4차 산업혁명 시대를 이끌어가는 핵심 기술로 자리 잡았는데요. 이렇게 반도체 기술이 고도화되고 복잡해지면서 그에 따라 반도체 공정 기술 또한 발전해 나가고 있습니다.

특히나 차세대 디바이스 크기에 따라 반도체의 크기가 점점 작아지고 고집적화되면서 초미세 공정 기술이 더욱 중요해지고 있는데요. 크기와 소모 전력은 점점 더 작아지지만 성능은 더욱 높아지는 반도체 진화의 중심, 차세대 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

반도체 미세화 한계 극복을 위한 트랜지스터 구조의 변화

트랜지스터(Transistor)는 반도체를 구성하는 주요 소자로 전류의 흐름을 조절하여 증폭하거나 스위치 역할을 하는데요. 트랜지스터에서 가장 중요한 부분이 바로 게이트(GATE) 입니다. 게이트에 전압을 가하면 전류가 흐르고, 반대의 경우에는 전류가 차단되는 것이죠.

반도체 칩 하나에 이러한 트랜지스터가 수천 만에서 수억 개 들어가는 초고집적회로 시대를 맞아 미세한 공정을 진행하며, 트랜지스터의 크기도 점점 작아질 수 밖에 없었습니다. 이에 따라 작은 크기의 트랜지스터를 정밀하게 컨트롤해야하는 필요성이 생겼습니다.

차세대 트랜지스터 구조 GAA(Gate-All-Around)

트랜지스터는 게이트(Gate)에 전압이 가해지면 채널(Channel)을 통해 소스(Source)와 드레인(Drain)으로 전류가 흐르면서 동작하게 됩니다. 기존에 사용하던 평판(Planar) 트랜지스터는 게이트와 채널이 하나의 면으로 맞닿아 있는 평면(2D)구조로 트랜지스터의 크기를 줄이다 보면 소스와 드레인 간 거리가 가까워져 게이트가 제 역할을 못하고 누설전류가 생기는 단채널(Short Channel) 현상이 발생하는 등 동작 전압을 낮추는 데 한계가 있었습니다.

이를 개선하기 위해 입체(3D) 구조의 공정기술이 개발되었는데 이를 핀펫(FinFET)이라고 합니다. 구조가 물고기 지느러미(Fin) 모양을 닮았다고 해서 핀 트랜지스터라고 부르는데요. 게이트와 채널 간 접하는 면이 넓을수록 효율이 높아진다는 점에서 착안해 게이트와 채널이 3면에서 맞닿는 3차원 구조로 접점 면적을 키워 반도체 성능을 향상시켰습니다.

삼성전자만의 독자적 기술 MBCFET

핀 트랜지스터는 여전히 첨단 반도체 공정에 사용되고 있지만 최근 4나노 이후의 공정에서는 더 이상 동작 전압을 줄일 수 없다는 한계가 발견되었는데요.

이를 위해 새롭게 탄생한 것이 바로 차세대 3나노 GAA(Gate-All-Around) 구조입니다. 3나노 이하 초미세 회로에 도입될 GAA구조의 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널 4면을 게이트가 둘러싸고 있어 전류의 흐름을 보다 세밀하게 제어하는 등 채널 조정 능력을 극대화했습니다. 이로 인해 높은 전력 효율을 얻을 수 있는 건데요.

삼성전자는 이미 지난해 ‘삼성 파운드리 포럼’을 통해 GAA(Gate-All-Around)를 차세대 3나노 공정에 도입하겠다고 소개했습니다.

올해 5월에 진행된 ‘삼성 파운드리 포럼 2019’에서는 기존 GAA 구조를 한층 더 발전시킨 기술을 보여주었는데요. 단면의 지름이 1나노미터 정도로 얇은 와이어(Wire) 형태의 채널의 경우 충분한 전류를 얻기가 힘든 점을 개선한 것으로, 종이처럼 얇고 긴 모양의 나노시트(Nano Sheet)를 여러 장 적층해 성능과 전력효율을 높인 독자적인 기술 MBCFET(Multi Bridge Channel FET)입니다.

MBCFET 공정은 최신 7나노 핀펫 트랜지스터보다도 차지하는 공간을 45% 가량 줄일 수 있으며, 약 50%의 소비전력 절감과 약 35%의 성능 개선 효과가 있을 것으로 기대되는데요. 뿐만 아니라 나노시트 너비를 특성에 맞게 조절할 수 있어 높은 설계 유연성을 갖고 있으며, 핀펫 공정과도 호환성이 높아 기존 설비와 제조 기술을 활용할 수 있다는 장점도 있습니다.

GAA구조의 트랜지스터는 인공지능, 빅데이터, 자율주행, 사물인터넷 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체에 적극 활용될 예정인데요. 불가능해 보이는 기술의 한계를 뛰어넘어 진화해 나가는 삼성전자에 앞으로도 많은 기대와 응원 부탁 드립니다.

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역사 속 발견과 발명 이야기를 찾아가는 ‘그때 그 발견’입니다. 과학기술 분야에선 매 순간 놀라운 발견과 발명이 일어나고 있는데요. 과연 역사 속 이달엔 어떤 위대한 일이 있었을까요? 이달의 주인공은 현대 전자문명의 서막을 연 ‘트랜지스터(Transistor)’입니다.

우리는 요즘 전자공학의 산물인 각종 가전제품에 둘러싸여 하루의 시작과 끝을 보내고 있습니다. 때문에 휴대폰, 컴퓨터, 텔레비전이 없는 세상은 상상하기 어려운데요. 이들 기기에 필수적인 부품인 전자 칩, 전자회로가 발명됐기 때문에 지금의 삶이 가능해졌답니다.

진공관을 넘어선 획기적인 발명품

20세기를 대표하는 획기적인 발명품 중 하나인 트랜지스터. 전자공학의 전과 후는 트랜지스터의 존재 이전과 이후로 나뉠 만큼 ‘혁신’ 그 자체의 아이콘으로 불리는데요. 1948년 미국 벨연구소에서는 ‘존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리’에 의해 트랜지스터가 발명되었습니다. 이 세기의 발명품은 어떻게 탄생하게 되었을까요?

2차 세계대전이 끝난 1945년 직후엔, 당시 전자기기의 핵심 부품이자 전자산업의 원동력이었던 ‘진공관(vacuum tube)’을 대체할 만한 전자 증폭기의 개발이 학계의 큰 화두였습니다.

큰 부피와 엄청난 전력 소모, 짧은 수명 등 진공관의 단점이 컸기 때문인데요. 당시 미국 최대의 통신회사 AT&T(American Telephone & Telegraph)의 벨 연구소에서는 통신 시스템 발전을 위해 진공관의 여러 가지 문제들을 극복하고 신호를 증폭할 수 있는 기술 개발에 매진했습니다.

잘 아시다시피 초기 통화 서비스는 교환원을 통해 운영됐지만 인건비 문제로 인해 자동식 교환기를 도입했는데요. 점점 통화량은 늘어가는데 교환기의 고장, 잦은 통화 단절 현상이 심해져 이 문제를 획기적으로 줄일 본격적인 연구를 시작했는데, 그것이 곧 트랜지스터가 만들어지게 된 배경이 되었습니다.

벨 연구소에서는 다양한 인력으로 팀을 구성해 연구를 추진했고, 그들 중 이론물리학자인 쇼클리와 바딘, 실험물리학자인 브래튼 이 세 명의 과학자가 반도체도 진공관처럼 전기신호를 증폭할 수 있다는 사실을 밝혀내는 데 성공하게 됩니다.

마법의 돌, 트랜지스터의 발명 그 이후

이후 트랜지스터는 진공관을 대체하며 전자제품의 핵심 부품으로 자리 잡게 되었고, 복잡한 회로의 소형화를 가능하게 해 상업용 컴퓨터 등 전자기기의 대중화에도 크게 공헌했습니다.

기계 시대에서 전기 신호로의 전환, 전자공학 시대를 열어준 트랜지스터. 전자 혁명의 기초를 마련한 핵심 소자지만 처음 발명됐을 당시 그 진가를 알아본 사람은 드물었는데요. 점차 트랜지스터의 진가가 알려지면서 진공관 기술은 사라지고 이 작은 소자를 통해 라디오, 텔레비전, 컴퓨터 등 전자기기의 혁신을 가져왔습니다.

트랜지스터를 발명한 과학자들은 1956년 노벨물리학상을 공동 수상하고 그 업적을 인정받게 되었습니다. 그중 한 명인 월터 브래튼은 “연구는 항상 발전하는 것이므로 트랜지스터 다음에 어떤 새로운 전자 물질이 나올지 예측하는 것은 불가능하다. 내가 트랜지스터를 발명하기 하루 전에도 이를 예측하지 못했었다”고 말하기도 했는데요. 오늘 이 시간에도 세상을 바꿀 새로운 발명이 이루어지길 기대합니다!

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■ 진성 반도체와 불순물이 만나 전류가 흐르다!

트랜지스터의 원리를 이해하기 위해서는 반도체의 기초 지식에 대한 이해가 필요한데요, 트랜지스터를 한 문장으로 정의하면 ‘전류의 흐름을 제어해 전기 신호를 증폭하거나 스위치의 역할을 하는 반도체 소자’입니다.

반도체는 전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도 되는 물질입니다. 순수한 상태의 반도체는 부도체처럼 전류가 거의 통하지 않지만, 특정 불순물을 첨가하면 전기전도도가 늘어나 도체처럼 전류가 흐르는 능력을 갖게 됩니다.

여기서 순수한 상태의 반도체란 무엇을 의미하는 것일까요? 흔히 트랜지스터의 기본 재료가 되는 실리콘(Si)이나 저마늄(Ge) 결정처럼 4개의 최외각 전자를 가진 원소를 예로 들 수 있습니다.

보통 원소는 안정된 상태로 변화하려는 성질이 있기 때문에, 가장 바깥에 있는 최외각 전자들은 8개를 채우려는 성질을 가지고 있습니다. 때문에 실리콘(Si) 원자는 서로 이웃하는 전자끼리 공유결합해 8개의 최외각 전자를 가진 안정된 상태를 유지합니다. 이런 순수한 실리콘에서는 원자핵에 결합되어 있는 전자가 움직일 수 없기 때문에, 실리콘 외부에서 전압을 걸어도 전류는 흐르지 않게 되는데요. 이를 ‘진성 반도체(Intrinsic semiconductor)’라고 합니다. 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없기 때문에 진성 반도체에서는 전류가 흐르지 않는 것이죠.

이러한 진성 반도체에 특정 불순물을 주입하면 어떻게 될까요? 4가 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 3가 원소 붕소(B)를 첨가하면, 실리콘 원자와 모두 공유 결합 후 전가가 비어있는 상태, 즉 ‘정공’이 생깁니다. 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 정공이 이동하면서 전류가 흐르는데, 이를 p형 반도체라고 합니다.

반대로 실리콘(Si)에 최외각 전자가 5개인 5가 원소 비소(As)를 불순물로 첨가하면, 실리콘 원자와 공유결합 후, 전자가 남는 상태 즉 ‘잉여전자’가 생기는데요, 이 상태에서 실리콘 결정에 전압을 걸어주면 제자리를 못 찾은 잉여전자는 자유전가가 되어 전류가 흐르게 되는데, 이를 n형 반도체라고 합니다.

이렇게 진성 반도체에 전기전도도를 증가시켜 전류를 흐르게 하기 위해서는 특정 불순물을 첨가해 전자나 정공의 수를 증가시키는 방법이 사용됩니다. 이 때, 불순물이 첨가되어 전기적 성질을 갖게 된 반도체를 ‘불순물 반도체’ 또는 ‘외인성 반도체(extrinsic semiconductor)’라고 합니다.

■ 반도체를 세 겹으로 접합하면, 트랜지스터가?

트랜지스터는 종류에 따라 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJTs)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FETs) 등으로 구분되는데요, 원리 이해를 위해 접합형 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

보통 접합형 트랜지스터는 n형 반도체와 p형 반도체를 세 겹으로 접합해 만들어 지는데요, 접합 형태에 따라 npn형 트랜지스터, pnp형 트랜지스터로 구분되며, 이미터(emitter, E), 콜렉터(collector, C), 베이스(base, B)로 구성되어 있습니다. 말 그대로 n형 반도체 사이에 p형 반도체를 넣은 구조를 npn형 트랜지스터, p형 반도체 사이에 n형 반도체를 넣은 구조를 pnp형 트랜지스터라고 부르는데요,

npn형 트랜지스터를 기준으로 보자면, p형에 접속된 전극은 베이스(B), 나머지 양쪽 n형에 결합된 전극은 각각 이미터(E)와 콜렉터(C)로 아래와 같은 역할을 합니다.

• 이미터(E) : 캐리어(전자, 정공)를 방출하는 역할.
• 콜렉터(C) : 캐리어(전자, 정공)를 다시 끌어 모으는 역할.
• 베이스(B) : 방류 전류를 제어하는 역할, 이미터나 콜렉터 층에 비해 얇음.

트랜지스터가 동작하기 위해서는 적당한 전압이 인가되어야 합니다. 먼저 p형인 베이스(B)에 음극을, n형인 콜렉터(C)에 양극을 연결해 ‘역방향 전압’을 겁니다. 이렇게 되면, 콜렉터(C)의 전자들은 양극으로 몰리고 베이스의 정공들은 음극으로 몰려 트랜지스터 안에는 전류가 흐르지 않는데요.

이 때, 베이스(B)에 양극을 연결하고 이미터(E)에는 음극을 연결해 ‘순방향 전압’을 겁니다. 그러면 (-)전하를 가진 n형의 전자는 p형에 접속된 양극으로 움직이고, (+)전하를 가진 p형의 정공은 n형에 접속된 음극으로 움직이며 전류가 흐르게 됩니다.

이 과정에서 베이스(B)의 폭이 매우 좁기 때문에, 이미터(E)에서 베이스(B)로 움직이던 전자들이 베이스(B)를 지나 콜렉터(C)로 이동하게 되는데요, 콜렉터(C)에는 역전압이 걸려 있기 때문에 전자가 넘어오면, 콜렉터(C)에 접속된 양극으로 모이게 됩니다. 즉, 이런 원리로 베이스(B)에 적은 양의 전류가 흐르더라도 콜렉터(C)에는 많은 양의 전류가 흐르는 ‘증폭 작용’이 일어나는 것이죠. 이러한 원리가 바로 트랜지스터의 ‘증폭 작용’입니다.

진공관에서 시작된 전자공학의 혁명은 트랜지스터와 집적회로(IC)의 발명으로 이어지며 우리 생활에 큰 변화를 가져왔습니다. 컴퓨터, TV, 휴대폰 등 각종 전자 기기가 발달했고, 오늘날 우리 일상 중심에 스마트폰이 자리 잡으면서 더욱 편리해지고, 즐거워졌는데요, 그렇다면 미래에는 어떤 놀라운 반도체 기술이 우리를 기다리고 있을까요? 상상만 해도 놀라운 반도체 기술이 가져올 미래의 모습! 기대하셔도 좋을 것 같습니다.

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“(미래엔) 전화 통화도 걸어 다니면서 하고, 컴퓨터도 들고 다닐 거야. 거기서 편지도 쓰고, 라디오도 보고…”

“소설을 쓰십니다~ 왜 미래엔 물도 사서 먹는다고 하질 그러냐?”

그로부터 30년이 지난 지금은 어떤가요? 과학 기술의 발전으로 스마트폰이 생활의 중심이 되면서, 개인에서 산업까지 우리 생활에도 많은 변화가 생겼습니다. 현재 우리 일상은 전자공학에 둘러싸여 있는데요, 만약 스마트폰에 들어가는 작은 칩이나 전자회로가 발명되지 않았다면 어땠을까요?

20세기 전자공학의 혁명을 이끈 반도체와 그 핵심 부품인 트랜지스터에 대해 알아보겠습니다.

■ 트랜지스터(Transistor)는 어떻게 생겨났나요?

전자공학(electronics)이란 ‘전자의 운동을 연구하는 학문과 그것을 이용하는 기술’을 통틀어 말합니다. 1906년 발명가 리 디 포리스트가 삼극 진공관이라 불리는 ‘오디온’을 발명하면서 본격적으로 ‘전자공학의 시대’가 시작됐는데요. 이후, AT&T사에서 포리스트 오디온에 대한 특허권을 획득했고, 이를 신호증폭기로 개량해 장거리 전화에 사용했습니다.

‘오디온’은 과학자 존 플레밍이 고안한 이극 진공관에 그리드(음극에서 양극으로 흐르는 전자파를 제어함)를 삽입한 형태인데요. 이를 통해 단순히 정류기능만 가능했던 진공관에 ‘증폭’이라는 새로운 기능을 더해 놀라움을 주었습니다.

그 동안 기계 설비를 설치해야만 가능했던 ‘기계 시대’에서 전기 신호를 전송 및 처리하는 ‘전자공학 시대’가 열린 것인데요. 증폭 기능 개발로 약한 신호를 큰 신호로 변환시키는 것이 가능해진 것입니다.

이후 벨연구소에서는 반도체 물질을 활용하면 신호 증폭 문제를 해결할 수 있다는 사실을 발견해 1945년 반도체 증폭기 개발 연구팀을 조직하게 됩니다. 이 연구팀에는 윌리엄 쇼클리(William Bradford Shockley)와 월터 브래튼(Walter Houser Brattain), 존 바딘(John Baardeen)이 합류했는데요. 이들의 만남은 곧 최초의 트랜지스터를 발명하는 역사적 계기가 됩니다.

수많은 실험과 연구 끝에 1947년과 1948년, 두 해에 걸쳐 브래튼과 바딘이 연구한 ‘접점 트랜지스터’와 쇼클리가 연구한 ‘접촉 트랜지스터’가 발명됐습니다. 1956년 이 세 사람은 노벨물리학상 공동 수상자로 나란히 수상하는 영예까지 안게 되는데요. 이로써 삼극진공관을 대체한 트랜지스터는 20세기 전자공학의 혁명에 있어 기폭제가 된 가장 중요한 발명품으로 기록되었습니다.

이 후 트랜지스터는 전류를 증폭시켜 작은 소리를 크게 키우는 보청기나 전류의 흐름을 조절해 라디오 볼륨을 높이는 용도를 거쳐, 전자제품의 핵심 부품으로 자리잡게 됩니다. 하지만 점점 전자제품의 기능이 복잡해지면서 트랜지스터와 저항, 다이오드, 캐패시터 등 연결해야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 이런 연결점들이 제품을 고장 내는 주요 원인이 됩니다.

하지만 1958년, 이러한 문제점을 해결해주는 방법이 개발되는데요. 복잡한 전자부품들을 정밀하게 만들어 반도체 속에 하나의 전자회로로 구성해 집어 넣는 것입니다. 그래서 탄생한 것이 바로 우리가 알고 있는 집적회로(IC)입니다.

지금까지 트랜지스터의 탄생 비화에 대해 소개해드렸는데요, 현재 우리의 삶을 더욱 편리하고 즐겁게 만들어 주는 전자공학의 혁명에는 트랜지스터가 자리했다는 사실 아셨죠? 다음 시간에는 트랜지스터의 원리에 대해 함께 알아보도록 하겠습니다.

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트랜지스터
[Transistor]

규소나 저마늄으로 만들어진 반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소로,

증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체소자.

1948년 미국의 벨 연구소에서 “윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 월터 브래튼” 과학자 3명이 처음 만들었다. 트랜지스터는 크게 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors, BJTs)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FETs)로 구분된다.

트랜지스터는 보통 입력단, 공통단, 출력단으로 구성되는데, 입력단과 공통단 사이에 전압 또는 전류를 인가하면 공통단과 출력단 사이의 전기전도도가 증가하게 되고 이를 통해 전류 흐름을 제어하게 된다.

※ 접합형 트랜지스터(BJTs)

※ 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)

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