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머리카락 굵기의 10만분의 3(3나노(nm) 반도체)… 작게 만드는 게 핵심이죠

지난달 한국을 방문한 조 바이든 미국 대통령 앞에서 삼성전자가 최첨단 '3나노 반도체' 제품을 선보였어요. 나노미터(㎚)는 길이를 나타내는 단위인데요. 1㎚는 10억분의 1m로 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준이에요. 3나노 반도체는 현재 세계에서 가장 작은 크기입니다. 반도체(半導體)는 컴퓨터와 가정용 전자제품은 물론 인공지능(AI)과 로봇, 자율주행자동차 등 쓰이지 않는 곳이 없어 '산업의 쌀'로 불립니다. 반도체는 첨단 산업의 필수 부품이자 미래 기술 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소여서 주요국이 반도체 산업 주도권을 쥐기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있어요.

도체와 부도체

우리는 흔히 '전기가 통한다'(전류가 흐른다) 또는 '전기가 안 통한다'(전류가 흐르지 않는다)라는 말을 하곤 해요. 금·은·동·철과 같이 전기가 잘 통하는 금속을 도체(導體)라 하고, 유리·고무·플라스틱처럼 전기가 통하지 않는 물질은 부도체(不導體)라고 해요. 반도체는 도체와 부도체의 중간 정도 되는 '전기 전도도'(전기가 흐르는 정도)를 갖는 물질이에요.

반도체의 주원료는 '실리콘'(규소)이에요. 실리콘은 보통 모래에서 추출하지요. 그런데 실리콘은 원래 전기가 통하지 않아요. 여기에 열이나 빛을 가하거나 인(P), 비소(As), 붕소(B), 갈륨(Ga) 같은 특정 불순물을 주입하면 도체처럼 전기가 흐르게 되죠. 첨단 IT 기업이 몰린 미국 '실리콘밸리(Silicon Valley)'는 반도체 원료인 '실리콘'과 미 샌프란시스코만 동남쪽 산타클라라 '계곡(Valley)'을 조합해 만든 지명이랍니다.

반도체는 작을수록 좋아요

우리가 흔히 말하는 반도체는 칩 안에 여러 개의 소자(일종의 전자 신호 부품)가 집적된 회로(IC·집적회로)를 의미해요. 반도체를 만들 땐 먼저 실리콘을 녹여서 둥근 기둥(잉곳)을 만들어요. 이것을 아주 얇은 두께로 마치 CD처럼 자른 실리콘 판을 '웨이퍼(Wafer)'라고 해요. 이 웨이퍼에 전류나 전압의 흐름을 조절하는 소자 '트랜지스터(Transistor)'를 집어넣고 작게 자르면 반도체 칩이 되는 거예요. 트랜지스터는 쉽게 말해 켰다(On), 껐다(Off) 할 수 있는 스위치예요. 전류와 전압의 흐름을 스위치처럼 조절하는 기능을 합니다.

하나의 웨이퍼로 반도체 칩을 최소 100개 이상, 많게는 500개 이상 만들 수 있어요. 그리고 손톱보다 작은 크기의 반도체 칩 하나에는 현재 10억개 이상의 트랜지스터가 들어가요. 반도체 칩 생산이 얼마나 어마어마하게 어려운 기술인지 알 수 있겠죠?

반도체의 성능은 웨이퍼 하나에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣느냐에 따라 달라져요. 따라서 반도체 기술은 이 트랜지스터를 최대한 작게 만드는 것이 핵심이지요. 연구자들은 지난 50년간 반도체를 더 작게 만들려고 노력해 왔어요. 보다 작은 칩 면적에 작은 소자(트랜지스터)들이 빽빽이 들어가면, 전기신호가 전달되는 속도가 빨라지고 전력 소모도 줄어들기 때문이에요. 그러면 정보처리 속도(성능)가 빨라지고, 반도체 칩의 생산성도 높아져요.

3나노 반도체는 반도체 칩 안에 있는 회로의 선폭(線幅)이 3나노인 것을 의미해요. 3나노 반도체 전에 5나노 반도체를 썼는데요, 미세 공정이 5㎚에서 3㎚로 변화된다는 건 트랜지스터의 폭도 줄어든다는 것이고, 폭이 줄어든다는 건 하나의 반도체 칩 안에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있다는 의미예요. 3나노 반도체는 5나노에 비해 칩 면적을 약 35% 이상 줄일 수 있어요. 또 소비 전력을 50% 감소시키며 성능(정보처리 속도)은 약 30% 향상시킬 수 있어요. 이 때문에 기업들이 사활을 걸고 미세 공정 개발에 몰입하는 것이랍니다.

무어의 법칙은 진화 중

3나노 반도체의 개발은 '무어의 법칙(Moore's Law)'을 보여주는 사례로도 꼽혀요. IT 기업인 인텔의 창립자 고든 무어는 1965년 앞으로 10년간의 기술 발전 속도를 예상하며 "반도체 칩 안에 집적되는 트랜지스터 수가 2년마다 2배씩 증가한다"고 했어요. 이는 기술이 꾸준히 발달하며 50년 넘게 업계의 법칙처럼 자리매김해 왔어요.

그런데 최근에는 무어의 법칙을 폐기해야 한다는 주장이 나오기도 하는데요. 반도체 칩이 잘 작동하려면 모든 웨이퍼에 들어간 트랜지스터가 균일하게 동작하도록 만들어야 합니다. 그런데 한정된 크기의 웨이퍼에 고밀도의 트랜지스터를 넣을수록 발열 문제 등으로 인해 반도체 칩 성능이 떨어질 수 있다고 해요. 고밀도 트랜지스터를 만들기가 점점 어려워지고 있다는 얘기죠.

트랜지스터는 미국 벨 연구소의 물리학자인 윌리엄 쇼클리와 존 바딘, 월터 브래튼 세 사람이 발명했어요. 하지만 세 사람이 동시에 트랜지스터를 개발한 것은 아니에요. 1947년 브래튼과 바딘은 게르마늄에 2개의 철선을 연결해 전기 신호를 출력하는 장치를 고안하는 데 성공했어요. 쇼클리는 여기서 더 나아가 1951년 '접합형 트랜지스터'라는 것을 개발했죠. 이 공로로 세 사람은 1956년 노벨 물리학상을 받았답니다.

[한국의 세계적 반도체 물리학자]

우리나라의 물리학자인 강대원 박사는 세계적으로 인정받는 반도체 물리학자예요. 그는 1960년 미국 벨 연구소에서 반도체를 만드는 데 기초가 되는 기술인 '모스펫(MOSFET·전기로 작동하는 스위치)'과 1967년 '플로팅 게이트' 기술을 개발했는데요.

플로팅 게이트는 메모리칩에 정보를 저장하거나 삭제할 수 있도록 도와주는 역할을 해요. 스마트폰이나 디지털 카메라 등에 정보를 저장하고 삭제할 수 있는 것도 다 이 기술 덕분이죠.

[그래픽] 메모리와 비메모리의 세계 시장 비율 기고자 : 김형자 과학칼럼니스트
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