반도체에 대해서는 현재 재료, 소자, 투자 등 다양한 주제가 논의되고 있습니다. 각 주제는 저마다 다른 초점을 가지고 있죠. 재료는 3세대 광대역 반도체 재료를 중심으로 다루고, 소자는 주로 이전에 이야기했던 것처럼 광대역 반도체 재료를 기반으로 하는 MOS, HEML 등을 말합니다. 투자, 산업 동향, 기업 정보, 주식 시장 등에 대한 자세한 설명은 생략하겠습니다. 오늘은 반도체 산업의 역사와 그 기원에 대해 알아보겠습니다.    
           

진공 삼극관은 "문제를 일으킨다"

진공 삼극관은 1906년 리 드포레스트(Lee Deforest)가 발명하여 라디오와 텔레비전 같은 가전제품의 발전을 가능하게 했습니다. 또한 세계 최초의 전자 컴퓨터의 핵심 부품이기도 했습니다. 이 컴퓨터는 약 140제곱미터의 면적을 차지하고 무게는 30톤에 달했으며, 거의 19,000개의 진공관과 수천 개의 저항 및 콘덴서를 사용했습니다. 진공 삼극관은 유리로 밀폐된 공간 안에 격자와 그 격자로 분리된 두 개의 전극으로 구성됩니다. 밀폐된 공간 내부는 진공 상태이므로 부품의 과열을 방지하고 전자의 자유로운 이동을 가능하게 합니다.  
   
스위칭과 증폭이라는 두 가지 주요 기능을 가지고 있습니다. 스위칭은 전류를 켜고 끄는 것을 의미하고, 증폭은 신호의 원래 특성을 유지하면서 전류 또는 작은 신호를 증폭하는 것을 의미합니다. 하지만 크기가 크고, 연결부가 쉽게 헐거워지며, 수명이 짧고 노화가 빠르다는 등의 여러 단점이 있습니다.  
이러한 일련의 단점들은 필연적으로 트랜지스터의 발전이나 교체를 초래했습니다. 1949년, 벨 연구소의 존 바딘, 월터 브래틴, 윌리엄 쇼클리(윌리엄 쇼클리)는 반도체 물질인 게르마늄으로 만든 전자 증폭기를 발명했는데, 이것이 바로 1세대 트랜지스터였습니다. (이 세 과학자는 1956년 노벨 물리학상을 수상했습니다.) 트랜지스터는 원래 "송신 저항기"라고 불렸다가 나중에 트랜지스터로 이름이 바뀌었습니다.  
   
이러한 종류의 트랜지스터는 진공관의 기능을 포함하면서도 진공이 필요 없는 고체 소자이며, 크기가 작고 가벼우며 전력 소비가 적고 수명이 길다는 장점을 가지고 있습니다. 이로써 우리는 지금까지 가장 많이 접해온 "고체 소자 시대"에 진입하게 되었습니다.  
최초의 트랜지스터에서 현재의 많은 전력 전자 장치에 이르기까지 전력 전자 기술은 급속도로 발전해 왔습니다. 이러한 장치들은 일반적으로 개별 소자라고 불리는데, 즉 각 칩에는 하나의 부품만 포함되어 있습니다. 앞서 언급하지 않았던 또 다른 반도체 관련 장치로는 집적 회로가 있습니다.      
       

집적 회로

집적 회로(Integrated circuit)는 트랜지스터, 저항, 콘덴서, 인덕터 및 회로에 필요한 기타 부품과 배선을 반도체 기판 상에 특정 공정을 이용하여 상호 연결한 다음, 이를 튜브형 케이스에 넣어 필요한 회로 기능을 갖춘 미세 구조를 형성한 마이크로 전자 장치입니다.  
최초의 집적 회로는 텍사스 인스트루먼트의 잭 킬비가 발명했지만, 오늘날의 집적 회로와는 형태가 달랐습니다.  
초기에는 개별 전선으로 연결되었지만, 그보다 앞서 페어차일드 카메라의 진 호니는 실리콘의 절연체인 산화실리콘 형성 용이성을 활용하여 칩 표면에 전자 접합부를 형성하여 트랜지스터를 만드는 평면 제조 공정을 개발했습니다. 이후 로버트 노이스는 이 기술을 적용하여 실리콘 표면에 미리 형성된 개별 소자들을 연결했고, 결국 모든 집적 회로에 사용되는 패턴을 만들어냈습니다.  
         

장인정신과 트렌드

1947년 이후 반도체 산업은 기술적으로 꾸준히 발전해 왔으며, 오늘날까지도 계속 발전하고 있습니다. 이러한 공정 개선은 크게 공정 개선과 구조 개선의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.  
공정 개선: 기기 및 회로를 더 작은 크기로 제조하여 밀도를 높이고 생산량을 늘리며 신뢰성을 향상시킵니다.  
구조적 개선: 새로운 장치 설계의 발명으로 성능 향상, 에너지 소비 제어 개선 및 신뢰성 향상이 가능해졌습니다.  
이 두 가지 개선 사항이 가져온 효과는 여러 세대에 걸친 IGBT 개발 역사를 통해 잘 이해할 수 있습니다. 물론 앞서 언급한 장비 공정상의 결함 등 여러 요인들은 공정 개선에 기인한 것입니다.  
집적 회로(IC) 개발의 대표적인 지표는 소자의 크기와 개수입니다. 소자의 크기는 설계에서 가장 작은 크기로 표현되며, 이를 특징 패턴 크기라고 합니다. 소규모 집적 회로에서 오늘날 수백만 개의 칩이 사용되는 IC로의 발전은 단일 소자의 특징 패턴 크기를 줄이는 데서 비롯되었으며, 이는 포토리소그래피 패터닝 공정과 다층 배선 기술의 비약적인 발전에 기인합니다. 22nm, 10nm, 심지어 7nm 칩과 같은 기술들이 최근 활발히 논의되고 있습니다. 보다 전문적인 용어로는 게이트 폭을 들 수 있는데, 이는 회로의 특정 부분의 폭을 제어하는 ​​것을 의미합니다. 게이트 폭이 작을수록 트랜지스터의 크기가 작아지고 속도가 빨라지며, 회로의 집적도가 높아집니다. 이와 관련하여 최근 자주 접했던 "무어의 법칙"을 언급하지 않을 수 없습니다. 인텔의 창립자 중 한 명인 고든 무어는 1965년에 칩에 집적되는 트랜지스터의 개수가 18개월마다 두 배로 증가할 것이라고 예측했습니다. 수년간의 실제 검증을 통해 이 비율은 비교적 정확하며 향후 칩의 트랜지스터 밀도를 예측하는 기반이 되었습니다. 회로 내 소자 수, 즉 집적도에 따라 다음과 같이 여러 단계로 나눌 수 있습니다. 소집적 회로(SSI): 칩당 2~50개; 중집적 회로(MSI): 칩당 50~5000개; 대집적 회로(LSI): 칩당 5000~100000개; 초거대 집적 회로(VLSI): 칩당 100000~1000000개; 초거대 집적 회로(ULSI): 칩당 1000000개 이상.  
무어의 법칙은 시간이 지나도 무한히 발전하는 것이 아닙니다. 주로 반도체 재료와 제조 기술의 한계에 의해 제약을 받습니다. 따라서 반도체 재료인 실리콘이 한계에 다다르고 있다는 소식을 곧 듣게 될 것입니다. 그러므로 새로운 재료를 개발하고 장비와 설계를 지속적으로 개선하는 것이 필수적입니다.  
         

칩 및 웨이퍼 크기

우리 모두 알다시피 칩은 웨이퍼라고 불리는 실리콘이나 다른 반도체 재료로 만들어진 얇은 웨이퍼 위에 만들어집니다.  
 
원형 웨이퍼에 직사각형 칩을 제조하면 웨이퍼 가장자리에 사용 불가능한 영역이 남게 됩니다. 칩 크기가 커질수록 이러한 사용 불가능한 영역도 커지기 때문에, 칩 크기를 겉보기에는 작게 보이도록 하면서 생산 효율과 생산량을 향상시키는 대형 웨이퍼가 점차 도입되었습니다. 웨이퍼 크기가 6인치에서 8인치, 그리고 현재 12인치로 커진 것도 이러한 이유 중 하나입니다.  
오늘날 칩 크기는 점점 작아지고, 비용은 점점 낮아지며, 성능은 점점 향상되고 있습니다. 이는 앞서 언급한 공정 개선과 장비 개발 덕분이며, 이러한 변화는 반도체 산업의 경쟁을 더욱 치열하게 만들고 있습니다.  
현재 반도체 제조업체는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 첫째, 설계, 제조, 패키징 및 판매를 통합하는 통합 디바이스 제조업체(IDM), 둘째, 파운드리(Foundry)는 다른 칩 공급업체가 칩을 제조하는 업체, 셋째, 팹리스(Fabless)는 칩 설계 및 판매만 담당하고 나머지 대부분의 공정은 외주하는 업체입니다. 물론 이 외에도 다양한 혼합 모델이 존재합니다. 동시에 반도체 국산화가 가속화되면서 국내 반도체 제조업체와 기업형 모델이 점차 증가하고 있습니다.  
         

끝에 쓰다

현재 반도체 산업의 국산화는 하나의 추세이며, 이는 국내 기업의 수뿐 아니라 이처럼 격동적인 환경 속에서 얼마나 많은 기업이 살아남을 수 있느냐에 달려 있습니다. 간단히 말해, 바람과 파도를 탈 여유가 있다면 돛을 내리고 바다를 건너 항해를 시작해야 합니다!