매일 스마트폰과 컴퓨터를 쓰지만 그 속의 반도체가 어떻게 작동하는지 궁금하시지요? 반도체에 앞서 세상을 바꾼 트랜지스터 발명은 세상을 바꾸기 시작했습니다. 이 작은 부품이 없었다면 현대의 편리한 디지털 문명은 불가능했습니다. 낡은 진공관에서 시작해 트랜지스터의 개발 그리고 반도체 개발까지를 정리해 봅니다.
[참고자료] 과학·기술의 역사 <시라토리 케이 著>
반도체 집적회로(IC)의 놀라운 진화
【1분 순삭】바쁜 당신을 위한 핵심 포인트
① 진공관의 한계 극복
크고 뜨거우며 전력 소모가 심한 진공관을 대신하여, 작고 효율적인 고체 스위치인 ‘트랜지스터(반도체)’가 발명되며 디지털 혁명의 막이 올랐습니다.
② 트랜지스터의 탄생
1947년 벨 연구소의 쇼클리, 바딘, 브래튼이 점접촉형 및 접합형 트랜지스터를 개발하여 세상을 바꾼 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다.
③ 상용화와 기술 응용
작고 고장 나지 않는 트랜지스터 라디오가 대히트를 쳤으며, 양자역학(터널 효과)을 응용한 에사키 다이오드의 발명으로 통신 기기 기술이 급성장했습니다.
④ 반도체 집적회로(IC)의 진화
스위치 역할을 하는 트랜지스터를 실리콘 칩 하나에 뭉쳐 놓은 집적회로(IC)가 탄생하면서 컴퓨터의 정보 처리 능력이 비약적으로 발전했습니다.
⑤ 무어의 법칙과 나노 공정
집적도가 정기적으로 2배씩 증가한다는 ‘무어의 법칙’이 현실화되며, 현재 반도체는 원자 크기에 근접한 2나노미터 이하의 초미세 공정 시대를 걷고 있습니다.
I. 디지털 시대를 연 물리학: 진공관에서 반도체로
■ 20세기 물리학과 디지털 기술의 융합
① 20세기 들어 물리학과 양자역학은 눈부시게 발전했다. 이 지식이 공학에 응용되면서 인류는 전력을 조명과 동력을 넘어 ‘정보 처리’라는 고차원적인 영역에 사용하기 시작했다.
② 눈에 보이지 않는 알파벳과 숫자 기호로 이루어진 소프트웨어가 등장했고, 이를 구동하는 하드웨어인 컴퓨터가 탄생하며 디지털 기술이라는 새로운 패러다임이 열렸다.
■ 진공관의 한계와 트랜지스터의 등장
① 과거 정보 처리의 핵심은 진공관이었다. 3극 진공관은 내부를 진공으로 만든 유리관 안에 캐소드(음극), 그리드, 플레이트를 배치한 형태다. 히터로 가열된 캐소드에서 전자가 방출되면 전압을 통해 전류의 흐름을 통제했다.
② 그러나 진공관은 부피가 크고 열이 많이 발생했다. 20세기 중반, 이를 대체할 완전한 고체 형태의 반도체(트랜지스터)가 등장하면서 전력 소비를 획기적으로 줄이고 기기를 소형화하는 혁명적인 변화가 일어났다.
II. 세상을 바꾼 위대한 발명: 트랜지스터의 탄생
■ 벨 연구소 천재들의 혁명적인 발견
① 1947년, 미국 AT&T 산하 벨 연구소의 존 바딘과 월터 브래튼은 고순도 게르마늄 단결정에 두 개의 전극을 접촉시킨 ‘점접촉형 트랜지스터’를 최초로 개발했다.
② 이들은 베이스와 에미터 사이에 전류를 흘리면 콜렉터로 더 큰 전류가 흐르는 증폭 현상을 발견했다.
■ 접합형 트랜지스터와 노벨상 수상
① 초기 연구 자리에 없었던 윌리엄 쇼클리는 이 보고를 듣고 한계점을 보완하여 더욱 안정적인 면접촉 방식의 ‘접합형 트랜지스터’를 고안했다.
② 고장이 적고 수명이 긴 이 형태는 즉각적으로 상용화되었다. 쇼클리, 바딘, 브래튼은 이 혁명적인 발명으로 1956년 노벨 물리학상을 공동 수상하며 과학사에 큰 발자취를 남겼다.
III. 반도체의 상용화와 양자역학의 응용
■ 소형화 혁명, 트랜지스터 라디오의 대중화
① 1950년대 일본의 도쿄통신공업(현 SONY)은 트랜지스터 제조 기술을 바탕으로 최초의 국산 소형 라디오(TR-55)를 출시했다.
② 배터리로 작동하며 어디든 들고 다닐 수 있는 작고 가벼운 기기의 등장은 대중들에게 엄청난 충격과 인기를 끌었다.
■ 에사키 다이오드와 터널 효과
① 1956년, 소니의 연구원 에사키 레오나는 전자가 불가능한 에너지 장벽을 뚫고 지나가는 양자역학적 ‘터널 효과’를 반도체에서 발견했다.
② 이 원리를 적용한 에사키 다이오드는 고주파 처리와 초고속 통신 기기에 널리 쓰였으며, 에사키 박사는 1973년 이 공로로 노벨 물리학상을 받았다.
IV. 집적회로(IC)의 진화와 무어의 법칙
■ 초정밀 나노 공정으로 향하는 반도체의 미래
① 반도체는 전압의 변화로 전류를 빠르게 차단하고 연결하는 스위치 역할을 한다. 이 미세한 스위치들을 실리콘 기판 하나에 무수히 모아 놓은 것이 바로 집적회로(IC)다.
② 초기 몇 개에 불과했던 트랜지스터는 LSI, VLSI를 거쳐 현재 하나의 칩에 수천억 개가 들어갈 정도로 발전했다.
■ 무어의 법칙과 고집적화 기술의 완성
① 인텔의 공동 창업자 고든 무어는 1965년 “반도체 집적도는 약 1년마다 2배씩 증가할 것”이라고 예측했다. ‘무어의 법칙’이라 불리는 이 예측은 시대를 거치며 다소 변형되었으나 오늘날까지도 그 흐름을 유지하고 있다.
② 1970년대 마이크로미터 단위였던 회로 배선 간격은 2024년 현재 원자 크기(약 0.1nm)에 근접한 2나노미터 이하의 초미세 공정으로 접어들었다. 집적도를 높이면 소비 전력과 발열이 줄고 정보 처리 속도가 비약적으로 향상된다. 이것이 현대 디지털 인프라가 작동하는 핵심 원리다.
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[참고자료]
베레출판社 <「과학·기술의 역사」를 한 권으로 통째로 알 수 있다> 시라토리 케이 著