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반도체공학
반도체공학(半導體工學, semiconductor engineering)은 좁은 뜻으로는 반도체인 규소(硅素:실리콘) ·게르마늄 등의 정제(精製), 트랜지스터 ·다이오드 등의 제조를 연구하고, 그 성능을 높이기 위한 학문 및 기술이다. 넓은 뜻으로는 반도체를 사용해서 여러 가지 전기적 효과를 연구하는 반도체 전자공학을 포함시키는 경우도 있다.
개요[편집]
반도체공학은 전자 공학의 한 분야. 여러 가지 반도체 재료와 반도체 소자를 생산하는 기술 공정의 물리ㆍ화학적 및 전자 공학적 기초를 취급하며 이 부문에 대한 종합적인 전문 지식을 제공해 준다. 반도체 전자 공학(半導體電子工學)은 반도체와 같은 고체 내의 전자를 취급하는 공학이다.
반도체공학 분야는 현대 산업 발전에 있어서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 분야인 컴퓨터, 가전제품, 정보통신 등의 기술 산업을 주도하는 학문으로, 최근에는 첨단 고부가가치 산업으로 발전하면서 우리나라의 산업 발전의 중추적인 역할을 하고 있다.
반도체와 전자공학[편집]
오늘날의 전자 및 통신기기는 거의 모두 반도체를 내장하고 있다. 반도체는 말 그대로 전기 저항이 도체와 부도체의 중간 정도인 물질이다. 반도체의 전기 저항은 외부 전기장에 따라 달라지는데, 이를 이용하여 전자의 흐름, 즉 전류를 제어할 수 있다. 전자의 흐름을 인공적으로 제어하는 기술로 인간의 생활에 유용한 물건을 만드는 것을 전자공업이라 본다면, 반도체는 현대 전자공업의 핵심 요소이다. 반도체는 트랜지스터를 사용하는 각종 전자제품은 물론, 태양 전지, 발광다이오드(LED) 등에도 광범위하게 사용되고 있다. 반도체 물질이 발견되기 전에, 전자공업에서는 진공관을 사용하였는데, 진공관의 발명이 전자공업의 시작을 열었다고 볼 수 있다.
진공관(라디오관)[편집]
반도체가 출현되기 전에도 라디오가 있었는데, 이는 영국의 존 플레밍과 미국의 드 포리스트가 발명한 진공관(라디오관)을 사용하는 것이었다. 플레밍은 1880년에는 미국의 발명가 에디슨과 함께, 그리고 1890년대에는 무선통신을 발명한 이탈리아의 마르코니와 함께 일하였다. 그는 에디슨의 백열전구에서 뜨거운 필라멘트로부터 차가운 금속판으로 전기가 흐르는 ‘에디슨 효과’가 당시 새롭게 발견된 전자의 흐름이라는 것을 알아내고, 이를 이용하여 두 개의 전극 사이에 교류를 통과시킬 때 한쪽으로만 전류가 흐르는 정류기(rectifier), 즉 2극 진공관을 1904년에 발명하였다. 드 포리스트는 2극 진공관 중간에 그리드를 넣어 정류작용은 물론 전류를 증폭시키는 3극 진공관을 1906년에 만들었으며, 이들을 사용하여 라디오를 만들고 1916년에는 라디오 방송국을 설립하였다.
영상을 보내는 TV 방송은 유럽에서는 1920년대 말에서 1930년대 중반에 출현하였으며, 미국에서는 이보다 늦은 1941년에 처음 시작되었다. 칼라 TV 방송은 1954년에 미국에서 처음으로 시작되었다. ‘오디온(Audion)’이라 이름붙인 드 포리스트의 라디오관 특허가 1913년에 5만 달러에 ATT에 팔렸는데, 반도체가 출현하기 전까지 약 900억 달러의 전자산업을 일으키는 계기가 되었다. 1800년대 말에 발명된 영화는 당시에는 소리가 없는 무성영화였는데, 드 포리스트가 1923년에 사운드 트랙의 명암을 소리로 변환시켜 처음으로 유성 영화를 만들었다.
이처럼 진공관이 등장하게 됨으로써 인간에게 필요한 정보를 전기적으로 처리할 수 있게 되었으며, 전기적인 방법을 통한 신호처리가 가능해짐에 따라 통신기술이 발전하였다. 또한 신호의 증폭과 저장 등이 가능해지면서 새로운 통신방법과 컴퓨터 등의 발명이 가능해졌다. 20세기 중반에 등장한 반도체는 진공관을 대체함으로써 우리의 일상생활에 대변혁을 가져왔다.
반도체[편집]
어떤 결정(crystal)은 2극 진공관처럼 정류작용을 한다는 것이 오래전부터 알려져 왔다. 미국의 벨(Bell)연구소의 물리학자 쇼클리는 2극 진공관 대신 이 결정을 사용할 수 있을 것이라 여기고, 이에 대한 연구를 하였다. 곧 약간의 불순물이 함유된 게르마늄 결정이 탁월한 정류작용을 보인다는 것을 발견하고는, 1948년에 두 종류의 반도체(불순물의 종류가 다른 것)를 접합시켜 고체상태 정류기인 다이오드를 만들었다.
이보다 앞서 같은 연구소의 바딘과 브래튼은 (때로는 쇼클리와 함께) 반도체 물질의 여러 성질들을 규명하였고, 전류를 증폭할 수 있는 반도체 트랜지스터를 만드는 데 성공하였다. 이들 3명은 고체 트랜지스터를 발명한 공로로 1956년 노벨물리학상을 수상하였다. 이것이 진공관을 대체하는 20세기 최대의 발명품인 트랜지스터의 효시이며, 1950~1960년대에 이를 상용화하고 개선하는 과정에서 현재 미국의 샌프란시스코 부근에 있는 전자공업기술의 메카인 실리콘 밸리가 형성되었다. 1950년대에는 트랜지스터의 생산이 표준화되고 진공관을 대체하기 시작하였다.
트랜지스터가 진공관을 대체함에 따라 컴퓨터를 비롯한 전자기기의 크기가 획기적으로 줄게 되었는데, 이러한 전자기기의 소형화는 1950년대에 개발되던 인공위성에 탑재할 기기를 소형화시키는 데 필수적으로 요구된 사항이었다. 일본의 에사키는 반도체 PN 접합에서 전자가 약 100개 원자 두께의 장벽을 관통하는 ‘터널(tunnel)효과’를 발견하고, 이를 스위치 목적에 사용하여 극히 소형이면서 빠른 터널다이오드를 1957년에 만들었는데, 이 일이 그의 박사학위 논문 내용이었으며, 학위는 1959년에 수여받았다. 에사키는 이 업적으로 1973년 노벨물리학상을 공동 수상하였다.
전자 회로에는 트랜지스터 외에도 저항, 터널다이오드, 축전기와 같은 수동형 부품들도 들어간다. 이들을 기판 위에 트랜지스터와 함께 조립한 미세 전자회로가 집적회로(IC, Integrated Circuit)인데, 1960년에 약 100개의 다이오드들을 집적시킨 것이 출현하였다. 이후 집적도가 획기적으로 증대하여, 1974년에는 1만 개, 1989년에는 1백만 개, 2005년에는 10억 개, 그리고 2007년에는 100억 개의 트랜지스터를 집적시킨 IC 칩(chip)이 개발되어 컴퓨터의 주기억장치와 중앙처리장치로 사용되고 있다. 이를 크기로 비교해 보면, 굵은 소지지 크기의 진공관이 팥알 크기의 트랜지스터로 바뀌었고, 다시 100억 개의 트랜지스터가 손톱 크기의 IC 칩 한 개에 모아지게 된 것이다. 또한 트랜지스터의 발명과 이의 집적화는 전기적 신호를 빛 신호로 변환시키는 광전소자의 개발로 이어졌다.
고집적 IC와 고속 전자소자 및 반도체 레이저 다이오드의 상용화는 정보통신기술의 급속한 발달을 가져다주었다. 1965년에 인텔사 공동 창업자인 무어는 IC 칩의 트랜지스터의 수는 2년마다 두 배씩 증가한다는 ‘무어의 법칙’을 제시하였고, 2000년에 삼성전자의 사장이던 황창규 박사는 반도체 메모리 용량은 1년마다 두 배씩 증가한다는 ‘황의 법칙’을 내어놓았는데, 이는 이 분야의 기술이 얼마나 빨리 획기적으로 발전하는가를 잘 대변하는 표현이라고 볼 수 있다.
트랜지스터의 집적화는 트랜지스터 당 생산비용을 줄이고, 정보처리 능력을 증가시켰다. IC 칩의 집적화에 대한 ‘무어의 법칙’은 정보처리 능력과 비용에도 적용되는데, 일반적으로 정보처리 기기가 가격 면에서는 큰 변동이 없이 능력 면에서는 10년에 약 100배씩 신장되었다. 오늘날 일상에서 쉽게 볼 수 있는 개인용 컴퓨터는 지난 반세기 동안 이룩한 반도체 기술의 결정체로서 메모리소자와 마이크로프로세서의 집적화 기술의 발전과 단위 비용 당 처리 능력의 확대가 없이는 상상조차 할 수 없는 것이다.
이제는 레코드판에 기록된 음악, 필름에 저장된 영화와 사진, 자기 테이프에 기록된 각종 음악, 영화, 종이에 쓰거나 인쇄된 기록물 등은 모두 IC 칩에 저장되고 재생되게 되었다. IC 칩은 또한 신분증이나 신용카드에 내장되고 있으며, IC 칩이 내장되지 않고도 자동제어 기능과 정보저장 기능을 갖는 기기를 찾아보기 힘들게 되었다. 또한 레이저 다이오드에 기초한 초고속 광통신시스템의 구축은 고속 전자소자의 개발과 더불어 정보의 세계화를 주도한 초고속 인터넷을 가능하게 하였다. 이제는 반도체가 없는 현대사회는 상상할 수도 없을 만큼 반도체를 이용한 컴퓨터와 광통신은 이미 우리 생활에 깊숙이 자리 잡고 있다.
미국의 발명가이자 미래학자인 커즈와일은 집적 회로에 대한 무어의 법칙을 집적 회로를 사용하기 이전의 트랜지스터, 진공관, 릴레이, 전기기계식 컴퓨터를 합친 것에 적용한 결과, 그동안 기술의 유형이 크게 바뀌었음에도 불구하고 일관된 경향을 보임을 발견하였다. 현재까지의 추세를 유지한다면, 반도체 IC 칩의 고집적화는 2020년경에는 궁극적인 물리법칙에 의해 한계에 봉착하게 될 것은 분명하다는 것이 이 분야 연구자들의 공통된 의견이다. 이들에 근거하여 커즈와일은 2020년 이후에는 반도체 IC 기술이 새로운 형태의 기술로 대체될 것이라고 하면서, 이 새로운 기술은 아마도 현재 일부 연구되고 있는 광학 또는 양자(quantum) 컴퓨터가 될 것이라 전망하였다. 이외에도 반도체 집적회로를 대체하는 것으로 DNA, 나노선, 유기 분자 등을 이용하는 전자 소자가 연구되고 있다.
반도체공학 기술자[편집]
반도체의 기술적 개선을 통해서 각종 전자기기의 성능을 지속적으로 높이고, 새로운 기능과 성능을 가진 반도체를 새롭게 개발하는 일을 하는 사람을 반도체공학기술자라고 한다. 한국은 반도체 분야에서 세계 최고 수준의 기술력과 우수한 전문가들을 확보하고 있는 국가로, 특히 메모리 및 비메모리 반도체 기술 분야를 선도하고 있다.
반도체는메모리 반도체와 시스템 반도체인 '비메모리 반도체'로 분류한다. 메모리 반도체는 데이터를 저장하기 위한 목적으로 만들어내는 반도체이고, 비메모리 반도체는 연산·제어 등의 정보처리기능을 담당할 목적으로 만들어내는 반도체를 말한다. 반도체공학 기술자가 하는 일은 메모리 반도체 분야인지, 비메모리 반도체 분야인지에 따라 차이가 난다.
메모리 반도체 분야의 반도체공학기술자의 경우는, 반도체의 '읽기', '저장', '쓰기'기능의 처리 속도를 향상시키고, 생산 비용 감소 및 메모리 저장 용량 확대 등의 기술개발을 담당한다. 비메모리 반도체 분야의 반도체공학기술자는 컴퓨터·TV·스마트폰·의료기기 등 각종 전자기기의 반도체 성능을 향상시키거나 새로운 성능을 갖춘 반도체를 개발하는 일을 담당한다. 새로운 반도체를 개발한 후에는 해당 반도체를 생산하기 위한 최상의 상태를 갖춘 생산설비 환경을 설정하고, 생산에 참여하는 직원들을 대상으로 교육도 실시한다.
기본적으로 반도체를 설계하고 제작하는 일과 관련 있는 수학, 물리, 화학 등 기초 과학 학문 분야에 대한 지식과 흥미, 재능이 필요하다. 더불어 전자기기를 다루는 것을 좋아해야 하며, 각종 컴퓨터 응용 프로그램과 반도체 설계 장비 등을 능숙하게 활용할 수 있어야 한다.
또한 반도체 분야는 지속적인 연구 개발을 통해서 이전보다 더 뛰어난 성능을 가진 새로운 제품들을 만들어 내야 하기 때문에, 이와 관련된 직업을 가지려면 끊임없이 새로운 기술을 배우려고 하는 적극적인 자세가 필요하다. 특히 비메모리 반도체 분야의 경우는 개발 과정에서 다양한 설계 방법이 활용되고, 개발할 수 있는 제품의 수도 매우 다양하기 때문에 탐구정신과 호기심, 분석력, 응용력과 창의력, 정확한 판단력이 요구된다.
반도체 분야는 높은 수준의 전문성이 필요로 한 분야이기 때문에 대학에서 전자공학, 전기공학, 반도체공학 등을 전공하는 것이 필요하다. 수학, 물리학 등 반도체 공학에 필요한 기초과목을 비롯해 전자회로, 제어공학, 계측공학, 반도체소자, 마이크로프로세서 등의 전공과목까지 관련 이론과 실습을 병행하는 체계적인 교육이 이루어지기 때문에 반도체공학기술자 업무 활동에 도움이 된다.
특히 국내 모 대학의 반도체 공학 관련 학과의 경우 국내 유명 기업과의 산학협력을 통해서 관련 기업에서 제공하는 실무 위주의 교육을 받을 수 있고, 졸업 후 취업 또한 보장이 된다. 반도체공학 관련 학과를 졸업한 후에는 반도체 개발업체, 시스템 개발업체, H/W 개발업체, 통신업체 등에 주로 진출한다.
참고자료[편집]
- 〈반도체 공학〉, 《네이버 국어사전》
- 〈반도체공학〉, 《두산백과》
- 〈반도체와 전자공학〉, 《과학기술 발전의 발자취》
- 한승배 양평고 교사, 〈IT산업을 주도할 반도체공학기술자를 알아보자!〉, 《에듀진》, 2018-01-16
같이 보기[편집]
