[CHAPTER 2. 반도체 투자의 첫걸음, 반도체를 아는 것이 시작이다.]
이 부분을 요약정리하며 글을 쓴 것이다.
반도체는 어떻게 만들어질까?
반도체는 진공이라는 특수한 환경에서 원자와 분자를 하나하나 쌓아 올리면서 만들어진다. 눈에 보이는 커다란 부품을 조립하는 것이 아니라 나노미터라는 극도로 미세한 영역에서 원자와 분자의 지속적인 움직임을 통해 만들어지는 것이다.
1833년 영국의 유명한 화학자이자 물리학자인 마이클 패러데이는 금속으로 알려진 황하은이라는 물질의 특성을 분석하다 전자기 유도 현상을 발견했다. 그로 인해 최초로 모터를 개발한 전자기학의 아버지로 불린다. 그는 온도와 환경을 바꾸어 가며 황하은이라는 물질을 관찰하던 중 황하은은 다른 금속과 달리 뜨거워질수록 전기가 잘 통하는 것을 발견한다.
당시 반도체라는 개념은 존재하지 않았지만 이러한 현상이 반도체의 가장 근본적인 특성으로 알려져 있다.
반도체는 무엇일까?
도체와 부도체를 먼저 알아야 한다. 도체는 저항이 낮아 전류를 쉽게 전달하는 물질이다. 부도체는 일반적인 조건에서 전류를 흘리지 못하는 물질이다. 전선을 생각하면 이해하기 쉽다. 전선 내부에 도체 금속선이 존재하고, 바깥 피복은 부도체로 금속선을 감싸고 있는 것이다. 도체와 부도체가 하나의 제품을 이룬 것이다.
그럼 반도체는 무엇인가? 단어 그대로 반도체에서 반을 뺀 도체이다. 도체는 영어로 '컨덕터'이다. 도체 앞에 '반' 글자가 절반을 뜻하는 '세미'로 '세미컨덕터'라고 부른다.
왜 도체의 절반, 반도체인가? 반도체는 도체와 부도체의 중간 특성을 가지고 있기 때문이다. 평소에는 부도체였다가 특정한 조건에서 도체로 바뀌는 것이다. 이처럼 도체와 부도체의 중간 영역에 속한 물질을 과학적으로 반도체라고 부르는 것이다.
반도체의 대표적 물질은?
반도체 중 가장 대표적인 물질은 원소기호 Si인 실리콘이다. 종종 실리콘밸리라는 말을 자주 들었다. 실리콘은 반도체를 만드는 가장 원재료이다. 우리가 자주 들어본 반도체 종류 중 D램, 낸드 플래시. CPU 등 모두 실리콘을 이용해서 만들어진 것이다.
왜? 실리콘으로 만드는 것일까? 그것은 전자기기를 구현하기 위한 스위치이기 때문이다. 일상 속에서 수많은 전자제품에 스위치가 있듯이 미세한 크기를 가진 전기 신호를 매우 빠르게 동작하는 스위치가 필요하다. 이러한 스위치는 실리콘을 통해서만 구현이 된다.
반도체는 주어진 조건에 따라 도체와 부도체를 왔다 갔다 한다.
다른 물질은 없을까?
꼭 실리콘이어야 할까? 다른 물질은 없을까? 주기율표 특성에 따라 110개가 넘는 많은 원소들 중에서 단일 소재는 두 가지 뿐이다. 원소기호 14번 실리콘(Si) 32번 게르마늄(Ge)이다.
현재는 14번 실리콘을 기반으로 발전해 온 것이다. 게르마늄으로 만든 것이 일부 있으나 실리콘이 지구상에서 게르마늄보다 풍부하고 저렴하기에 가장 많이 사용되어 왔다. 또한 실리콘은 내열 특성이 우수하다. 그래서 실리콘으로는 품질 좋은 여러 종류의 물질을 쉽게 형성할 수 있어서 각종 칩 구현을 위한 최적의 물질로 꼽힌다.
나중에 뒤에 가면 반도체에 대한 종류들이 나오겠지만... 쉽게 말하면 반도체의 종류는 너무도 많다. 다양한 종류에 다양한 제품에 들어가야 할 반도체는 여러 종류로 만들어 지고, 모양도 만들어져야 한다. 거기에 최적이 실리콘인 것이다.
획기적인 반도체 연구
반도체는 이미 산업에 쌀로 가장 많이 필요한 물품이 되어 가고 있다. 현재에 반도체에 머물러 있지 않고, 여전히 꾸준하게 획기적인 반도체를 만들기 위해서 노력하고 있다. 2020년 들어 커다란 관심중에 하나가 '밴드갭 반도체'이다. 갈륨과 질소가 결합한 GaN(질화갈륨) 그리고 실리콘과 탄소가 결합한 SiC(탄화규소), 인듐과 인이 결합한 InP 등이 손꼽힌다.
이들 소재가 실리콘 보다 뛰어난 이유는 물질의 고유 값이 밴드갭이 실리콘 보다 훨씬 큰 와이드 와이드 밴드갭 반도체이기 때문이다. 이것은 쉽게 이야기하면 원자핵 주변을 빙글빙글 도는 전자가 원자핵을 뿌리치고 도망가기 어렵다. 즉, 밴드갭이 클수록 구속된 전자가 밖으로 나가기 어려워 높은 전력을 다루거나 고온의 환경에서 사용되는 전력 반도체 중에 하나이다.
현재는 실리콘 반도체만 집중하고 와이드 밴드갭 반도체는 국방이나 우주 산업 같은 특수한 영역에만 사용되어 왔다. 그러나 이제는 전기차, 신재생 에너지 등 새로운 산업에 이들 반도체의 수요가 늘어나고 있다. 따라서 이런 새로운 반도체 연구에도 관심을 기울일 필요가 있다.
다른 소재는 없을까?
또 다른 소재는 없을까? 결합한 것 말고, 실리콘 처럼 독립적으로 사용되는 좋은 소재 말이다. 책 속에는 꿈의 소재 그래핀을 소개한다. 흑연이 하나의 단층만을 존재하게 될 때 그것을 그래핀이라 부른다. 흑연은 연필심에 있는 것이다. 그 흑연이 연필로 있으면서 한층만 박리할 수 있으면 전혀 다른 물질이 된다.
물리적 강도보다 200배 이상 강하며 전기와 열 전도성이 구리보다 높아 적기적 특성을 다양하게 할 수 있다.
현재 이 연구는 진행중이며 영국의 물리학자 안드레 콘스탄틴 가임과 러시아와 영국의 이중 국적을 가진 물리학자인 콘스탄틴 세르게예비치 노보셀로프는 그래핀의 전기적 특성을 발견해 발표했다. 이 발견이 대단한 발견이라 말한 것처럼 이 공로를 인정받아 2010년 노벨 물리학상을 받고 이후 그래핀 연구가 폭발적으로 성장하고 있다.
오랜 시간이 걸리겠지만 미래에 언젠가는 상용화되는 빛을 보게 될 것이다.
트랜지스터는 무엇인가?
반도체는 알수록 어렵다. 계속 그 안에 새로운 단어와 용어들이 등장하는데 항상 그것이 가장 중요한 것처럼 말한다. 트랜지스터는 칩 내부에서 일어나는 스위치 기능을 말한다. 모든 전자기기에 있는 스위치처럼 그런 기능을 담당하는 것이다.
이 기술은 1974년 벨 연구소에서 최초로 시작되었다. 계속되는 반도체 기술의 발전에 가장 첫 단계인 트랜지스터를 만드는데 이것을 작게 만드는 과정이라 할 수 있다. 만약 트랜지스터를 작게 만드는 기술을 가지면 칩을 더 싼 가격에 살 수 있기에 경쟁력이 형성되기 때문이다.
그래서 책 속에 저자는 반도체 기술은 트랜지스터를 더욱 작게 만들기 위해 노력으로 시작된다고 해도 과언이 아니라 말한다. 트랜지스터는 과거에 평상 구조를 가졌지만 점차 복잡한 입체 구조를 가지게 되면서 Fin FET이나 GAA FET로 발전했다.
이것들은 앞서 말한대로 칩 내부에 스위치를 담당한다. 점점 작아지고 매우 복잡한 입체 구조를 가지게 되면서 고난도 기술이 필요한 것이다. 그럼에도 이것을 더욱 작고 미세하게 만들기 위해 노력하고 있다. 이것은 단지 하나의 업체만이 만들 수 있는 것은 아니고 장비, 소재 모든 업체가 함께 협업해야 가능한 것이다.
반도체 공부
반도체는 전세계 산업의 쌀이다. 어렵다고 포기할 것이 아니라 한 번쯤은 공부하고 이해해야 한다. 나는 전에 첫 글에도 말했지만 이런 산업에 대해서 완전 문외한이다. 사실 위에 글을 쓰면서도 여전히 헷갈리고, 이해가 되지 않는 것들이 있다. 그냥 있는 그대로 받아들이면서 소화하려고 한다. 그래서 반도체를 이해하고, 그에 따른 산업을 이해하고, 어떤 모양으로 어떻게 투자하면 좋을지도 살펴볼 것이다.