반도체, 넥스트 시나리오

목차

머리말_반도체에서 시작해 인간으로 끝나다
열정적인 호기심 | 어떤 만남

1장 반도체, 세상을 바꾸는 1나노미터

1. 모래가 돈이 되다
일상 속 혁신을 찾아서│반도체의 세 가지 차원│전자의 등산과 스위칭│반도체의 진짜 이름│제2의 실리콘밸리를 꿈꾸다
스위칭│연필심도 돈이 된다

2. 반도체의 근본 기술
트랜지스터라는 증폭혁명│세상에서 가장 거대한 나노 전쟁│붙여야 작동하는 접합의 비밀
스위칭│노벨상에 가장 가까운 한국인

3. 모든 반도체의 뿌리
모스펫이 없으면 아무것도 없다│용적률이 반도체를 살린다?│비용이라는 그림자│태양을 추월한 이카루스
스위칭│삼성전자와 TSMC가 주목하는 반도체 기업

4. 역사상 가장 정교한 예술 작품
가치를 높여주는 패키징 공정│단순해서 아름다운
스위칭│정교함에 한계는 없다

증폭 1 위기의 대한민국
노키아와 삼성전자│반쪽짜리 반도체 강국│중국이라는 파도│메모리와 시스템 사이에서│10년 후를 예측한다는 것

증폭 2 위기의 삼성전자
무엇이 삼성전자의 발목을 잡는가│전 세계인을 직원으로 둔 구글?│소프트웨어가 답이다

5. 물리적인 한계를 돌파하다
성벽을 뚫는 양자역학│쌀가루, 밀가루 그리고 흑린│티끌 모아 태산
스위칭│양자역학의 한계를 돌파하다

6. 속도를 높이는 발상의 전환
더는 줄일 수 없어서│3진법 반도체가 보여줄 신세계│D램과 S램의 기억법│기타 줄 하나로 연주하는 관현악│《사이언스》가 감동한 Fe램
스위칭│빨간 약과 파란 약

7. 신소재로 달성할 초격차
신의 영역에서 맞붙은 삼성전자와 TSMC│물고 물리는 팹리스와 파운드리│미세 전극 기술로 완성한 환상의 콜라보│미래 반도체의 핵심, 2차원 소재│“우리는 답을 찾을 것이다”
스위칭│그래핀, 항공사의 마음까지 훔치다

8. 때로는 포장이 답이다
반도체계의 부르즈 할리파│PCB가 초록색인 이유│반도체 미세화의 끝판왕, SoC와 SiP│패키징 공정의 양대 산맥│게임 체인저의 꿈
스위칭│메모리 반도체의 미래, HBM-PIM

2장 바로 지금, 당신의 일상을 설계하는 반도체

1. ‘떡상’의 중심, 전장 반도체
연구자의 딜레마│삼성전자의 미래 먹거리│잡스와 머스크, 이재용과 정의선│“요란하지 않지만 강하다”│절대 꺾이지 않을 시장
스위칭│현대자동차도 반한 아날로그 반도체

증폭 3 게임 체인저의 운명, 전고체 배터리
어차피 대세는 전고체 배터리│생선을 잡는 자, 요리하는 자│아직 시간이 있다│또 다른 가능성

증폭 4 특허를 알면 애플카가 보인다
“여정을 채우는 기쁨”│영광과 흑역사의 갈림길

증폭 5 수소전기차라는 경쟁자
현대자동차의 비기│수소사회를 꿈꾸는 이유│2006년의 테슬라를 기억하다

2. LG의 선구안과 열전 소자
냉장고에 건 기대│전 세계가 열광하는 공짜 에너지│페이팔부터 스페이스X까지
스위칭│LG의 또 다른 기대주?

3. 물리 법칙을 뛰어넘는 40만 코어의 괴물
우리가 만약 통 속에 든 뇌라면?│우주의 비밀을 넘보다│미래를 계산하는 괴물
스위칭│난제 전문 1타 강사 AI

4. 편재하는 센서의 세계
작은 크기, 무한한 가능성│IoT 시대의 주인공, 센서│더 작게, 더 많게
스위칭│꿈이라는 새로운 광고 시장

5. 당신이 아는 5G는 5G가 아니다
통신혁명의 속도│5G 밀리미터파의 세계│세상을 연결하는 퀄컴의 힘
스위칭│영하 100도에서 열리는 광통신의 신기원
6. 400조 시장을 좌우할 퀀텀닷
웨어러블 기기의 마지막 퍼즐│“훗날을 위해 잘 간직할 기술”│프린터로 출력하는 반도체│몸에 좋은 퀀텀닷?│천천히, 하지만 꾸준히
스위칭│QLED의 멈추지 않는 진화

증폭 6 VR과 AR를 넘어선 투명 망토
빛을 갖고 노는 메타 물질│새로운 차원의 광학 기기│단언컨대 의미 있을 기다림

3장 미래를 책임질 반도체 시너지 기술

1. 그리고 미래의 기술들
기술은 시간을 먹고 자란다│비트를 넘어 큐비트로│가상현실, 또는 늙지 않는 현실│새로운 기회가 온다
스위칭│운송 시장의 판도를 바꿀 4D 프린팅

2. 탈모를 치료하다
두피라는 거대한 에너지 농장│약장수가 아닙니다│또 쥐만? 사람은 언제?
스위칭│자라나라 머리 머리

3. 배터리 교체가 뭐죠?
늘리느냐 마느냐, 그것이 문제로다│우리 몸이 만들어 내는 전기│사람을 살리는 에너지 하베스팅
스위칭│당신이 곧 발전소다

4. 소매만 스쳐도 에너지가 만들어진다
융털을 닮은 소자│“왜 말을 안 타고 자동차를 타나요?”
스위칭│전기세 0원의 제로 에너지 빌딩

5. 와이파이의 또 다른 쓰임
와이파이로 충전하다│테라헤르츠파라는 계륵│번뜩이는 생각, 끊임없는 노력
스위칭│에너지 하베스팅으로 완성된 무한동력

6. 물 한 방울의 힘
물과 탄소, 그 세기의 만남│8일의 기적
스위칭│미군이 눈독 들이는 자기 추진 물질

7. 수력 발전에서 습기 발전으로
게임은 시작되지도 않았다│임계점이 깨지는 순간
스위칭│벽돌 발전이라는 신세계

8. ‘무’에서 ‘물’을 창조하다
공중의 물을 빨아들이다│1그램 알갱이에 들어간 축구장
스위칭│태양보다 오래된 물

증폭 7 태양광 발전의 끝판왕
태양광 발전의 절대 강자, 중국│페로브스카이트로 반격을 꾀하다│하이브리드 태양 전지│몸풀기는 끝났다

증폭 8 에너지를 뻥튀기하다
빛이 일으키는 눈사태│거인들의 연대기

4장 반도체 인간의 탄생

1. 뇌와 하나 되는 반도체 기술, BCI
뇌라는 소자│해킹의 위험│“과학은 완벽하지 않다”
스위칭│인공 뇌에도 영혼은 있는가

2. 반도체가 내 마음을 안다면
“말하지 않아도 알아요”│“그 시금치는 유명한 가수다”│마음을 읽는 기술
스위칭│BCI의 시장성을 극대화할 무선 통신

증폭 9 나도 모르는 나를 지키는 양자 보안
나를 훔치는 범죄에 대비하라│세상에서 가장 강력한 열쇠│양자역학 기술의 높은 벽│머리를 맞대고 양자의 세계로

3. 신체의 확장, 세계의 확장
현실이 된 만화적 상상력│촉각을 전달하다│“단 하나의 쓸모 있는 생각”
스위칭│환자를 살리는 XR

4. 옷에서 생각을 읽어내는 빅 브라더
인도적 기술과 비인도적 기술의 경계│“빅 브라더가 당신을 지켜보고 있다”
스위칭│누구를 위하여 ‘좋아요’를 누르나

5. 터치, 그 참을 수 없는 유혹
확실한 미래, 가상현실│로블록스부터 〈레디 플레이어 원〉까지│가상인 듯, 가상 아닌, 가상 같은│인공 피부로 나누는 몸의 대화│에너지 하베스팅과의 만남
스위칭│과학적인, 그래서 감성적인

6. 냄새 맡고 맛보는 반도체
뉴로모픽의 최전선│다이어트의 적, 또는 도우미│성인 산업이 반응하다
스위칭│광유전학으로 밝혀낸 섹스의 비밀

7. 가짜 홀로그램과 진짜 홀로그램
가짜는 가라│빛을 완전히 기록하는 기술│개발되는 미래

 

* 전쟁에서 승리하는 것보다 연구실에서 자연의 진리를 발견하는 것이 더 위대한 일이다. 자연의 진리는 지식의 기초가 되어 인간 삶에 끊임없이 영향을 미치기 때문이다.

 

* '나에게는 특별한 능력이 없다. 단지 열정적으로 궁금해했을 뿐이다.' - 알베르트 아인슈타인 

 

* '나는 질문할 수 없는 대답보다 대답할 수 없는 질문을 하겠다.' - 리처드 파인먼

 

* '오늘 누군가 그늘에 앉아 쉴 수 있는 이유는 오래전에 누군가 나무를 심었기 때문이다.' - 워런 버핏

 

* 반도체

공학적 지식이 없는 사람 - 전기가 반만 흐르는 소재(어떨 때는 전기가 통하고 어떨 때는 전기가 통하지 않음)

공학적 지식이 있는 사람 - 전기전도도가 도체와 부도체 사이인 소재

재료공학이나 전자공학을 전공한 사람 - 에너지 밴드 갭이 적당히 좁은 소재

 

* 반도체 기업

1) 파운드리 - 반도체 산업에서 외부 업체가 설계한 반도체 제품을 위탁받아 생산, 공급하는 공장을 가진 전문 생산 업체를 지칭한다. (동부하이텍, TSMC, UMC, SMIC, Tower jazz 등)

2) 팹리스 - 자체적인 생산시설을 갖추지 않고 연구개발 인력들이 반도체 설계와 개발만을 전문적으로 수행하는 반도체 설계전문회사이다. '제조설비'를 의미하는 패브리케이션(fabrication)과 '~이 없는' 이란 뜻의 리스(less)를 조합한 말이다. (퀄컵, 실리콘윅스, 텔레칩스, 어보브, 애플 등)

3) 종합 반도체 회사 - 반도체 설계 기술과 반도체 생산 설비를 모두 가진 회사를 의미한다. (삼성, sk하이닉스, 매그나칩, 인텔, 마이크론, 텍사스 인스투르먼트, 웨스턴 디지털(WD), ST 마이크로 일렉트로닉스, NXP 반도체 등)

 

* 반도체가 만들어지는 과정

'웨이퍼 - 산화 - 사진 - 식각 - 박막 - 금속 배선 - 이온 - 패키징' 의 8대 공정을 거친다.

1) 웨이퍼 공정 - 웨이퍼란 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미한다. 반도체 웨이퍼 제조 공정은 잉곳 만들기, 잉곳 절단하기, 웨이퍼 표면 연마하기, 연마된 웨이퍼의 과정을 거친다.

2) 산화 공정 - 웨이퍼 표면을 오염 물질로부터 보호하는 공정이다. 산화공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막을 형성해 회로와 회로 사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서이다. 웨이퍼에 막을 입히는 산화공정의 방법으로는 열을 통한 열산화, 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있다. 

3) 사진(포토) 공정 - 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려넣는 공정이다. 웨이퍼에 그려 넣을 회로 패턴을 만드는 준비 단계로 설계와 마스크 제작 과정과 사진 인쇄 기술로 웨이퍼에 회로를 현상하는 포토 공정으로 이루어진다. (웨이퍼를 인화지로 만들어 주는 감광액 도포 - 카메라 셔터를 여는 노광 - 웨이퍼에 회로도를 그리는 현상)

4) 식각 공정 - 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정이다. 전자 회로 패턴이 형성도니 웨이퍼 표면에 원하는 부분을 선택적으로 제거하는 과정이다.

5) 박막(증착), 이온주입 공정 - 박막이란 기계가공으로는 실현 불가능한 두께인 1마이크로미터 이하의 엷은 막을 정의한다. 반도체가 원하는 전기적인 특성을 갖도록 하기 위해 분자 또는 원자 단위의 물질을 박막의 두께로 촘촘히 쌓는 과정이다.  이후 이온 주입 공정에서는 

6) 금속 배선 공정 - 반도체 제품에는 수 많은 기본 소자가 들어 있는데, 이 소자들을 동작시키고 각각의 신호가 섞이지 않고, 잘 전달되도록 선을 연결하는 작업을 말한다. 

7) 테스팅 공정 - 전기적 특성 검사를 활용하여 웨이퍼 위에 존재하는 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달하는지 확인한다.

8) 패키징 공정 - 최종 반도체 칩이 만들어지는 과정으로 웨이퍼 위에 존재하는 칩들을 전자기기에 들어갈 수 있는 부품의 크기에 맞게 자르고 포장한다.

 

* 에너지 하베스팅

- 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 기술로 일상적으로 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용 가능한 전기 에너지로 변환해주는 기술로, 신재생에너지 원천 기술로 각광 받고 있다.

 

 

이 책의 구성은 다음과 같다. '1장 반도체, 세상을 바꾸는 1나노미터'에서는 반도체의 개발 역사와 반도체의 주요 기능, 그리고 반도체에 관한 최신 연구 등에 대해서 소개해주고 있다. 그리고 '2장 바로 지금, 당신의 일상을 설계하는 반도체'에서는 자율주행자동차에서부터 무선 통신 분야까지 우리 삶을 크게 바꾸고 있는 반도체 기술에 대해서 소개하고 있다. '3장 미래를 책임질 반도체 시너지 기술'에서는 반도체와 에너지에 관한 이야기로 반도체가 에너지를 효율적으로 이용하는데 쓰이는 역할과 미래에 에너지를 만드는 역할로서의 반도체 기능을 소개하고 있다. '4장 반도체 인간의 탄생'에서는 인간의 오감을 인공적으로 느낄 수 있고 뇌와 상호 작용하는 반도체 개발 등 미래의 현실과 가상의 경계를 사라지게 하는데 사용하게 될 반도체의 역할에 대해 소개하고 있다.

 

우리가 일상생활을 하는 가운데 사용하고 있는 대부분의 제품들에는 반도체라는 제품이 들어가있다. 4차 산업혁명을 앞둔 시기이니만큼 앞으로는 더 많은 양의 반도체가 필요할 것으로 보고 있다. 과거에 비해 반도체를 필요로하는 제품의 수의 증가로 인해 수요량이 폭등하였다. 얼마전에도 반도체 수요량에 비해 공급량이 충분치 않아 반도체 품귀 현상을 겪기도 하였다. 그러면서 반도체의 가격이 올랐을뿐 아니라 반도체의 중요성에 대해 자각하고 더욱 더 관심을 갖게 되었다. 이처럼 나날이 기술의 발전이 이루어질수록 반도체의 중요성이 더욱 커질 것이다. 그렇기에 반도체 강국이 되기 위해 우리나라를 포함한 여러 나라에서 반도체 강국이 되기 위해 반도체 분야에 많은 투자와 지원을 아끼지 않고 있는 것이다. 우리나라의 삼성, 대만의 TSMC, 미국의 인텔 등 반도체 산업의 역량을 강화하고 선점하여 반도체 강국으로 부상하기 위한 노력 등이 매스컴을 통해서 보도되고 있다. 또한 얼마전에 보도된 프로그램에서 일본도 과거에 반도체 강국으로서의 면모를 되찾기 위해 미국과의 협력과 동시에 반도체 산업 부흥을 위해 많은 자금을 투자하고 있다는 내용을 듣게 되었다. 

대한민국이 G7과 같은 경제선진국으로서의 반열에 오르기 위해서는 반도체를 비롯한 기술분야에서의 역량을 충분히 갖춰나가야 할 것이다. 그러기 위해서는 지속적인 관심과 투자가 필요하다. 국가의 일원으로서 한 사람으로서 우리나라 경제를 이끌어가고 있는 분야인 반도체에 대해서 조금이라도 알아가는 노력이 필요하지 않을까 생각되어 이 책을 추천해드리고 싶다.