반도체는 현대산업의 쌀이라 불립니다. 여기서 말하는 반도체는 단순히 반도체 특성을 가지는 물질(Si, Ge, IgZO 등등)이 아닙니다. 일반 대명사화 되어 반도체를 사용한 모든 전자소자를 지칭하며, 사실상 먹는 것을 제외한 우리가 사용하는 대부분의 물건에 사용됩니다.
| 반도체란?
반도체를 문자 그대로 생각해 보면, 전기가 흐르는 물질인 도체, 전기가 흐르지 않는 부도체도 아닌 반정도 되는 특성을 가지는 물질을 말합니다. 즉, 우리가 원하는 상황에는 도체가 되어 전기가 흐르고 원치 않는 상황에는 부도체로 전기가 흐르지 않도록 '조절'할 수 있습니다. 여기서 핵심은 '조절 가능'하다는 것입니다. 원하는 대로 통제가 되지 않는다면 반도체를 이처럼 우리가 널리 사용할 수 없었을 것입니다.
대표적인 반도체 물질로는 실리콘이 있습니다. 실리콘은 쉽게 말하면 모래입니다. 바닷가에 가 보면 엄청나게 많은 모래. 그것이 바로 실리콘입니다. 우리 말로는 규소라고 부릅니다. 실리콘을 잘 가공해서 반질반질한 원판 형태로 가공한 것을 웨이퍼라고 부르는데, 반도체 산업은 이 웨이퍼에 있는 실리콘을 가공하여 구조물을 만들고 전자회로를 집적해서 우리가 원하는 대로 전기 신호가 이동하도록 만드는 것입니다. 그리고 이 웨이퍼 위에다가 우리가 원하는 구조물과 전자회로를 엄청나게 작은 크기로 만들 수 있습니다. 이 가공기술을 '반도체 공정'이라고 표현합니다. 5대 공정, 또는 8대 공정 이런 식으로 표현하곤 하는데 핵심은 작은 크기로 가공할 수 있다는 것이 핵심입니다. 최근에는 3nm 공정을 한다 2nm 공정을 한다 이런 식을 말할 정도로 반도체 공정이 미세화가 되었습니다. 참고로 인간 머리카락이 대략 100um라고 하는데 2nm면 머리카락의 1/50000 두께입니다. 저도 감이 잘 안 올 정도로 굉장히 얇은 두께로, 눈에 보이지 않는 것은 당연하고 원자가 고작 몇 개 모인 두께입니다. 이렇게 작은 크기로 실리콘을 가공해서 만든 것들을 우리가 반도체라고 부르고 있습니다.
앞서서 반도체란 우리가 원할 때 전기가 흐르고, 흐르지 않도록 만들 수 있는 반도체라는 물질이라고 했습니다. 이런 반도체는 어떤 기능을 가지고 있는지, 실생활에 어떻게 사용되는지에 대해 알아보겠습니다.
- 반도체 쓰이는 곳
* 반도체의 기능 : 스위치
반도체의 기능에는 여러가지가 있습니다. 그중 우리에게 가장 중요한 것은 '스위치'의 기능입니다. 전기가 원할 때는 흐르고, 원하지 않을 때는 흐르지 않도록 하는 것. 바로 우리 집 벽면에 달린 전등 스위치와 똑같은 기능을 말하는 것이 맞습니다. 그런데 중요한 것은 이 스위치의 크기가 엄청나게 작아질 수 있다는 것입니다. 그래서 우리의 손톱보다 작은 반도체 칩에 스위치를 수백만 개 수천만 개 집적해서 넣어둘 수 있게 됩니다.
스위치를 작게 만들 수 있다는 것은 반도체의 핵심입니다. 작은 스위치를 만들면 우리가 생각하는 거의 대부분의 것들을 구현할 수 있게 됩니다. 디스플레이 패널을 예로 들어 봅시다.
스마트폰이나 태블릿 PC의 화면은 어떻게 픽셀마다 다른 색을 표현할까요? 디스플레이 픽셀마다 스위치가 달려있는 셈입니다. 조금 과장해서 생각해 봅시다. 빛은 3가지 색으로 이루어집니다. 빨강 파랑 초록 세 가지의 빛을 서로 다른 세기로 조합해서 표현하면 이 세상에 존재하는 모든 색을 표현할 수 있게 됩니다. 따라서 디스플레이 픽셀에는 이 세 가지 색을 표현할 수 있는 소자가 들어 있습니다. 이 색을 표현하는 소자들의 세기를 조절할 수 있도록 하는 스위치들이 필요합니다. 그런데 이 스위치의 크기가 크다면 어떻게 될까요? 우리가 태블릿 화면을 볼 때 스위치가 차지하는 면적이 커져서 눈에 거슬리게 될 것입니다. 지금은 그런 스위치들이 베젤이라고 하는 옆부분에 다 들어가 있습니다.
또 한가지 예를 들어 봅시다. 반도체 하면 떠올리는 게 한국의 대표 수출상품 메모리입니다. 디램과 낸드 중에서 디램을 예로 들어보겠습니다. 디램은 캐패시터라고 하는 전하를 저장하는 장치와 스위치 역할을 하는 반도체 트랜지스터를 하나로 묶어둔 소자입니다. 전하가 저장될지 말지를 스위치를 켜고 끄고로 결정하고 있습니다. 거기에 더해서 디램에는 한 개의 트랜지스터와 캐패시터로 이루어진 단위 소자가 엄청나게 많이 들어 있습니다. 4기가 디램이라고 하면 이런 단위소자가 4천 개 이상이 들어 있습니다. 이런 각각의 단위 소자 중 어떤 것에 전하를 저장해 줄지도 결정해야 합니다. addressing을 한다고 하는데, 이런 addressing 동작도 모두 트랜지스터로 된 스위치들이 달려 있게 됩니다. 이쯤이면 얼마나 많은 스위치들이 디램에 필요한지 알게 되실 겁니다.
최근 자동차 시장에서 핫한 전력반도체들도 마찬가지입니다. 전력 반도체라 함은 보통은 정류작용을 하는 것을 말합니다. 안정적으로 장치에 전력을 공급해 주기 위한 것이지요. 정류작용을 하는 소자를 다이오드라고 하는데 이 다이오드들에도 각각 스위치가 달려있어야 합니다.
여기까지 스위치로 동작하는 반도체들이 들어가는 전자장치로 디스플레이, 메모리, 전력반도체에 대해 알아보았습니다. 이 외에도 활용처는 무궁무진 합니다. 최근 핫한 Chat GPT로 대변되는 인공지능을 구현하는데도 반도체가 필요합니다. 인공지능에 들어가는 반도체에 대해서 또 설명하자면 글이 길어지니 여기서는 하지 않겠습니다. 궁금하신 분들은 아래 링크를 참고하세요.
AI 시대의 반도체, HBM
반도체에 관심 있다면 최근 많이 들어봤을 말. HBM. High bandwidth memory. 고대역폭 메모리. 이 녀석 덕분에 삼성전자와 SK하이닉스가 불황을 탈출할 거라는 말도 나온다. HBM은 AI 컴퓨팅이라는 새로운
hello-roi.com
자, 이제 조금더 생각을 확장시켜 봅시다. 우리가 사용하는 물건들 중 디스플레이, 메모리, 전력조절장치가 들어가지 않는 제품에는 어떤 것이 있을까요?
일단 냉장고부터 생각해 봅시다.
최근에 나오는 냉장고에는 문에 디스플레이가 달려 있습니다. 냉장고 안을 비춰주기도 하고, 조리하고 싶은 음식 레시피를 검색할 수 도 있습니다. 그리고 냉장고의 온도 설정을 할 수 있습니다. 냉장실온도는 4도 냉동실은 영하 20도 이런 식으로 설정이 되지요. 필요에 따라서는 온도를 1도 단위로 변경이 가능합니다. 이게 가능한 이유는? 메모리가 있기 때문입니다. 메모리가 달려있어서 우리가 정한 설정값을 기억하고 유지할 수 있는 것이지요. 그리고 온도를 조절하면 냉장실 냉동실 김치냉장고 등 각 칸마다 들어가는 에너지 양이 달라지게 됩니다. 전력반도체가 각 모드별로 온도별로 적절한 에너지를 소모할 수 있도록 컨트롤해 줍니다.
다음으로는 자동차를 생각해 볼까요?
요즘에는 자동차를 타면 중앙에 디스플레이가 달려있습니다. 이 디스플레이를 통해 내비게이션으로도 사용하고 차량의 구석구석을 제어하는 장치로도 사용합니다. 그리고 자동차 의자에는 의자각도 위치를 메모리 하는 시스템이 들어가 있습니다. 거기에 더해서 차량을 제어하는 시스템 곳곳에도 메모리가 들어가게 됩니다. 예를 들면 차량의 운전 모드가 스마트, 에코, 스포츠 모드 이런 식으로 나누어지는데 각각 모드마다 서스펜션 설정값, 엔진 알피엠 출력을 조절하는 값들이 모두 메모리 되어 있습니다. 그리고 각각의 반도체 부품들과 차량이 안정적으로 구동될 수 있도록 전력반도체들이 곳곳에 포진되어 있습니다. 특히 자동차는 안전과 연관이 깊은 데다가 자동차는 엔진 출력 상황에 따라서 온도 범위가 다이내믹하기 때문에 전력반도체가 아주 중요합니다.
그 외에도 반도체가 쓰이는 곳은 아주 다양한 분야와 부품 모두에서 사용됩니다. 심지어는 아이들 장난감에 까지도 사용됩니다. 두 살 먹은 아이들이 가지고 노는 뽀로로 실로폰에도 반도체가 들어갑니다. 누르는 버튼마다 나와야 할 곡들이 저장되어 있고, 실로폰 마다도 플레이되어야 할 음이 정해져 있습니다. 모두 반도체가 들어가 있기 때문에 가능한 일이지요. 우주선에도, 남극과 같은 아주 추운 환경에서도 반도체가 사용됩니다. 산업현장에서는 어떨까요? 자동차에도 반도체가 많이 들어가지만, 자동차를 만드는 공장에도 들어갑니다. 현대의 공장들은 로봇들을 이용해서 제조를 합니다. 이런 로봇들에도 반도체가 들어갑니다. 괜히 반도체를 현대 산업의 쌀이라고 부르는 것이 아닙니다. 산업은 이미 성숙해져 가고 있지만 사용처는 더욱 무궁무진하게 늘어나고 있습니다. 인간이 상상력이 미치는 곳 모두에 반도체는 사용되고 있습니다.
제목의 질문에 답을 해보겠습니다. 반도체가 쓰이는 곳은 먹는 것 외의 모든 곳이라고 생각해도 됩니다. 우리가 생활하는 모든 곳에 반도체가 쓰이고 있다고 봐도 됩니다. 현대사회는 이미 반도체가 없이는 굴러가기 힘든 사회가 되어버렸습니다. 반도체를 '현대산업의 쌀'이라고 했던 것 기억나시지요? 쌀은 먹을 것을 대표합니다. 의식주에서 식을 대표하는 단어가 바로 쌀입니다. 먹을 것이 없으면 사람은 살 수 없습니다. 현대 산업도 마찬가지입니다. 반도체가 없다면? 현대 산업은 죽게 됩니다. 그래서 반도체가 우리에게 중요한 것입니다.
반도체에 대해서 궁금하신것이 많다면, 기초적인 내용부터 쉽게 알기를 원하신다면 아래 사이트를 추천합니다. SK하이닉스에서 운영하는 반도체를 쉽게 소개하는 글들이 모인 사이트입니다.
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