[일간투데이 조영만 기자] ◆ 검은색의 사각형 칩 ‘반도체’

반도체의 사전적 정의는, ‘도체와 부도체의 중간적 성질을 띠며, 빛이나 열 또는 불순물을 가해서 전기의 흐름을 조절할 수 있는 물질’을 뜻한다.

하지만 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는, 전자기판에 붙어 있는 검은색의 사각형 칩 또한 반도체라 불린다. 이는 반도체의 전기적 특성을 활용해 만든 전자 부품이기 때문이다. 오히려 전자의 사전적 정의보다는, 후자의 ‘반도체’가 더욱 대중적인 의미로 사용된다.

반도체는 원거리 통신기술에 대한 고민에서부터 탄생했다. 통신을 위해 목적지로 쏘아 보낸 전기 신호가 먼 거리를 오가는 도중에 약해져 원활한 통신이 이루어지지 않았고, 이를 해결하기 위해 도입된 것이 1세대 반도체라 할 수 있는 진공관이었다.

1907년 미국의 리 드포리스트가 개발한 3극 진공관은, 필라멘트와 양 극판 사이에 그리드(grid)라는 전극을 두고 전자를 가속시킴으로써 작은 신호를 크게 증폭할 수 있었다.

이 진공관은 획기적인 발명품이었다. 하지만 부피가 컸고, 진공관 속의 필라멘트도 일정기간 사용한 후에는 타서 끊어져 버린다는 단점이 있었다.

이런 문제들로 인해, 진공관으로 작은 전자장치를 만든다는 것은 불가능했고 열을 받지 않는 고체로 만들어진 새로운 증폭장치의 개발이 필요했다.

1948년, 당시 벨 전화연구소에서 일하던 3명의 과학자 윌리엄 쇼클리, 죤 바딘과 윌터 브래튼은 이 문제를 해결했다. 현재 사용하고 있는 반도체의 핵심이라 할 수 있는 ‘다이오드’와 ‘트랜지스터’를 발명한 것이다. 이 두 가지 반도체가 진공관의 필라멘트와 전극을 대체함으로써, 작으면서도 신뢰성이 매우 높은 고체 증폭장치의 역할을 수행했다.

그러나 트랜지스터도 단점은 있었다. 하나의 제품에 다양한 기능을 담기 위해서는 많은 트랜지스터와 전자 부품들을 서로 연결해주어야 했는데, 제품이 복잡해질수록 연결점들이 증가했고 바로 이 연결점들이 제품을 고장 내는 주요 원인이 됐던 것이다.
이때 여러 개의 전자부품들(트랜지스터, 캐패시터)을 한 개의 작은 반도체 속에 집어넣어 이 문제를 해결한 사람이 있었다.

1958년 미국 TI社의 기술자 잭 킬비(Jack Kilby)에 의해 발명된 이것은 집적 회로(IC: Integrated Circuit)라고 불리게 됐으며, 기술이 발전함에 따라 하나의 반도체에 들어가는 회로의 집적도 또한 진화했다.
이 집적 회로가 거듭 진화해 현재의 반도체가 됐으며, 지금 이 순간에도 반도체 기술은 꾸준히 발전하고 있다.

◆ ‘MOSFET’ 한국인 손에 탄생

현존하는 대부분의 집적 회로에 필수적으로 쓰이는 소자(구성요소)는 한국인의 손끝에서 탄생했다.
1960년, 벨랩에서 연구원으로 일하던 한국인 공학자인 강대원 박사(1992년 작고)가 발명한 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)가 그것이다.

MOSFET은 ‘금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터’의 약자로서, 기존에 사용하던 트랜지스터보다 작은 면적을 차지해, 같은 넓이에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있도록 한 획기적인 기술이다. 이 MOSFET은 CPU, D램, S램 등 대부분의 반도체에서 폭 넓게 사용되고 있다.

직접 회로가 개발됨으로써 엄청난 ‘수의 횡포(the tyranny of numbers)’가 사라져 현재의 반도체 산업의 기초가 닦였다.

특히 강대원 박사가 현재 사용하고 있는 전 세계 반도체의 기본인 MOS-FET(모스 펫: 전계효과 금속산화물반도체)을 개발해 세상을 깜짝 놀라게 했다.

강대원 박사와 M.M 아탈라가 바이폴라 기반의 기존 게르마늄 반도체로서는 생산성이 떨어지던 것을 현재의 MOS-FET을 개발함으로써 대량 생산이 가능한 반도체 산업의 기초를 닦은 것이다. 현재 CPU, D램, 낸드플래시 등 거의 모든 반도체가 이 MOS-FET을 기반으로 해 만들어진다.

강 박사는 1967년에는 현재 삼성전자와 하이닉스의 새 캐시카우인 낸드플래시의 기초가 되는 플로팅게이트를 개발해 또 한 번 세계를 놀라게 했다.

이는 트랜지스터에서 IC, MOS-FET, 플로팅 게이트의 개발이 반도체 60년의 역사를 이어오며, 현재 연간 250조원의 단일 시장을 창출하고, 증기기관 발명 이후 세상을 정보화 시대로 바꾸는 단초가 됐다.