[위즈덤 TECH]반도체는 어떻게 발전했을까?
[위즈덤 아고라 / 한동민 기자] 예전부터 각광받던 반도체 산업이 최근들이 수출 부진을 겪고 있다. 글로벌 경기 악화로 인한 수요부족으로 부진이 이어질 것이라고 전문가들은 추측하고 있지만 우리나라에의 반도체 한 품목이 우리나라 경제의 19.3%를 넘게 차지하는 만큼(2020년 기준) 반도체는 대한민국 경제 성장을 견인하는 가장 중요한 산업이다. 반도체가 수많은 기계에 사용되는 만큼 반도체는 지금 우리 일상의 일부분이 되었고, 전자분야의 핵심으로 자리 잡은 지 오래다. 우리가 매일 사용하는 전자기기에서 가장 핵심적인 역할을 하는 반도체는 어떻게 발전되어 왔을까?
우선, 반도체란 외부의 자극으로 인해 전기가 흐를 수도 흐르지 않을 수도 있는 특수한 물질이다. 이렇게 양면성을 가지고 있는 반도체는 스위치와 비슷한 모습인데 스위치가 on, off, 이 두 값으로 표현할 수 있는 것처럼 반도체도 1, 0으로 전류의 여부를 나타낼 수 있다. 그리고 이 반도체 안에 있는 스위치를 트랜지스터라고 부른다.
트랜지스터가 발명되기까지 인류는 통신기술과 계산능력의 발달시키기 위해 고민했고, 특히, 세계 2차 대전부터는 정확도가 높은 계산기에 대한 고민이 커졌다. 그 결과, 1946년 미국의 펜실베이니아대학에서 세계 최초의 전자계산기 ENIAC을 개발하게 된다. 하지만, 이 시스템은 19,000개 진공관의 소요로 50톤의 무게와 280㎡의 큰 면적을 차지했다. 또한, 엄청난 열을 발생하였고, 가격만 해도 백만 달러를 넘어 일반인들이 구할 수 없을 정도의 전자제품이었다. 하지만 1948년 벨 전화연구소의 “윌리엄 쇼클리, 죤 바딘, 월터 브래튼” 과학자 3명은 세계 최초로 “반도체로 된 다이오드와 트랜지스터”를 발명하게 된다. 이로써 ENIAC과 같은 거대 장치도 2.42㎠의 작은 실리콘 위에 만들 수 있게 되었고, 전구보다 적은 전력손실과 20달러 이하의 가격으로 실현시킬 수 있게 되어 새로운 시대를 열게 되었다.
하지만 트랜지스터도 단점은 있었다. 수많은 트랜지스터와 전자부품을 서로 연결해야만 다양한 기능을 가진 하나의 제품을 만들 수 있는데, 제품이 점점 복잡해질수록 연결해 주어야 하는 부분이 기하급수적으로 증가하게 되고, 수많은 연결점들이 생겨남에 따라 제품을 고장 나기 쉽다.
이 문제를 해결하기 위해 1958년 미국의 기술자 잭 킬비에 의해, 여러 개의 전자부품들(트랜지스터, 저항, 캐패시터)을 한 개의 작은 반도체 속에 집어넣는 집적회로(IC)가 발명되었고 이 집적회로는 반도체의 시초가 되었다. 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도도 SSI(Small scale Integration), MSI(Medium Scale), LSI(Large Scale), VLSI(Very Larger), ULSI(Ultra Large Scale)로 점점 발전되었다.
이어 1959년, 벨 연구소에 재직 중이던 모하메드 아탈라 박사와 강대원 박사는 모스펫(MOSFET)이라는 새로운 형태의 트랜지스터를 개발하게 되고 MOSFET는 게이트, 케리어, 소스, 드레인으로 구성되어 있고, 게이트의 전압을 통해서 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. MOSFET 트랜지스터는 p-type과 n-type으로 나뉘고 N과 P – type 모두 증가형, 공핍형으로 다시 한번 분류된다. 공핍형 같은 경우는 평상시에 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르고 게이트를 닫아줌과 동시에 전류가 끊기는 방식이고 반대로 증가형은 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르지 않다가 게이트를 열어주면 전류가 흐르게 되는 방식이다. MOSFET의 가장 큰 특징으로는 출력 특성인데 저항을 이용하지 않기 때문에 소비전력도 적으면서 출력이 굉장히 좋다.
1960년대에는 미국이 전수한 반도체 기술로 일본에서는 TOSHIBA, SONY, Panasonic을 시작으로 가전제품을 생산하는 대기업이 등장하면서 반도체 수요도 증가하였다. 하지만 일본의 점유율이 높아지자 미일반도체협정으로 인해 일본의 반도체 산업은 수많은 제재를 받게 되었고 일본의 반도체 산업은 순식간에 힘과 경쟁력을 잃게 되었다. 이 틈을 파고든 기업이 바로 삼성이었는데 이건희 회장을 중심으로 저가공세를 하는 동시에 세계적인 반도체 기술자들을 데려와 삼성 반도체 산업의 기술력을 높이게 되었다.
반도체는 대체적으로 메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나뉜다. 메모리 반도체는 저장을 주요로 하는 반도체 분야이고 비메모리는 CPU와 연산이 주 기능인 회로를 만드는 분야이다. 미국이 주도하고 있는 비메모리 반도체 분야가 훨씬 이득이 높지만 진입장벽이 높다. 우리나라는 메모리 반도체 분야에서 1위를 차지하고 있고, 파운드리 즉, 설계를 받아 생산하는 분야에서는 대만의 TSMC와 1,2위를 다투고 있다. 하지만 대만 시장조사업체 ‘트렌드포스’에 따르면 지난해 4분기(10∼12월) 기준 TSMC의 세계 시장 점유율은 58.5%로 삼성(15.8%)의 3배 이상으로 격차가 커지고 있다. 이에 삼성은 연간 50조 원을 투자하며 지난해 3 나노 공정을 시작으로, 2025년 2 나노 양산, 2027년 1.4 나노 공정의 반도체 양산 계획을 밝혔다. 미세공정에서 선두를 지키며 고객확보에 나서겠다는 계획이다.
반도체는 우리나라뿐만 아니라 많은 강국들이 눈여겨보고 있는 기술이고 그렇기 때문에 이 분야에서 우리나라 앞서기 위해서는 계속되는 투자와 다른 기업들과 차별화된 우리만의 기술력이 필요하고 생각된다. 최근 들어 여러 반도체 기업들이 현재 반도체 시장을 ‘반도체의 겨울’이라고 표현하고 있고 많은 전문가들은 반도체 시장 부진이 6개월 정도 더 이어질 것이라 예상하고 있지만 이럴 때일수록 우리 국가 안에서의 투자자와 기업 간의 믿음이 지속되어야 한다고 생각한다. 이러한 침체기 후엔 자율주행 자동차 및 메타버스 등 본격적인 4차 산업혁명이 시작될 것이 예상되기 때문에 반도체 산업의 수요는 자연스럽게 늘어날 것이고, 현재에 매달리기보다는 미래를 위한 연구는 계속되어야 할 것이다.
[위즈덤 TECH] 4차 산업혁명으로 인공지능 기술이 도입되면서 빠르게 발전하는 공학분야의 핵심은 바로 반도체입니다. 반도체의 과거, 현재부터 미래 그리고 다양한 응용 분야를 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 한동민 기자의 ‘위즈덤 TECH’로 반도체의 세계를 만나보세요.
