[530]반도체 넥스트 시나리오_다양한 최신 과학기술의 현주소를 소개

코로나 팬데믹의 영향으로 공급망에 문제가 생겨 차량용 반도체가 수급에 영향이 지속되고 있다고 합니다. 차량에 들어가는 반도체가 최고급은 아니라고 하는데 왜 만들기가 어려운 것인지 궁금했습니다. 이 책 <반도체 넥스트 시나리오>는 반도체 관련 전문가인 저자가 기본적인 원리부터 상용화되어 있는 수준까지 자세히 설명하고 있어 반도체 관련 투자하고 있는 사람들도 꼭 읽어야 할 필독서입니다.

저자 권순용이 유튜브에 'SOD Science'를 운영하고 있고 50만이 넘는 구독자가 있는 유명 크리에이터란 사실도 저자소개를 통해 알게 되었습니다. 유튜브에 수많은 주제로 독자들의 관심을 끌기 위한 크리에이터들의 콘텐츠가 올라오고 있지요. 지나친 선정성이나 억지웃음을 자아내는 경우, 과도한 위험, 몸을 희생하는 듯한 먹방 그리고 과도하게 편향된 정치적인 것 등은 유튜브 시장의 어두운 부분입니다. 하지만 저자의 SOD의 경우 사람들에게 과학에 대한 관심과 이해도를 높이는 데 기여하고 있어 긍정적으로 봅니다.

이 책을 통해 얻은 것 세 가지를 꼽자면 아래와 같습니다.

첫째, 반도체의 전망을 밝지만 삼성전자만 바라보는 것은 위험합니다. 국내에서는 최고지만 글로벌 경쟁은 치열하고 삼성전자 나름의 한계가 있기 때문입니다. 파운드리, 팹리스, 차량용반도체, ASML의 노광장비 등에 대한 이해를 하게 되었고 대만의 TSMC와 삼성전자를 좀 더 객관적으로 들여다보게 되었습니다. '힐링 여행자'라는 유튜버가 필라델피아 반도체 지수 관련된 ETF를 추천하는데 이 책을 보니 투자할 만한 근거가 있다고 판단됩니다.

둘째, 자율주행차가 등장하기 위해서는 5G 통신이 필수라는 점입니다. 4G를 가지고는 고속으로 운행하는 상태에서 갑작스런 상황에 반응하기에는 통신속도가 느리기에 위험합니다. 차량에 수많은 센서가 들어가고 그 센서들 간의 통신이 원활히 이뤄져 완전한 자율주행이 되려면 5G 통신 시대가 와야 합니다. 아쉬운 점은 5G 통신장비에서는 퀄컴이 압도적으로 삼성전자를 앞서고 있다는 점입니다.

셋째, 컴퓨터공학에 대한 서울대학교와 스탠포드대학교의 학생수가 55명대 739명으로 크게 차이가 납니다. 세계적으로 우수한 인재들이 미국의 유수 대학으로 몰리고 있고 정원 자체도 10배 이상 차이가 나고 있습니다. 한 나라의 산업이 발전하기 위해서는 우수한 인재들이 많이 배출하고 그들이 아이디어를 내야 합니다. 배움의 과정에서 세계적인 인재들과 교류하고 경쟁하며 아이디어를 키워야겠지요. 둘째가 22학번으로 컴퓨터공학과에 진학합니다. 이 책에 소개된 내용을 들려주며 세상을 넓게 보고 스스로 자극을 주며 분발하라고 권했습니다. 합격의 기쁨이 아직 가시지 않은 듯이 진지한 반응은 아니었네요.

아래는 책을 통해 알게 된 내용을 인용했습니다. 

 

 

고체 소재 중 금속인 도체는 에너지 밴드 갭이 좁거나 아예 없다. 즉 전자가 올라가기 굉장히 쉽다. 따라서 전기가 잘 통한다. 반대로 고무 같은 부도체는 에너지 밴드 갭이 엄청나게 넓다. 즉 전자가 올라가기 너무 어렵다. 따라서 전기가 잘 안 통한다. 그렇다면 반도체는? 소재에 따라 다르지만 외부 자극을 주면 올라갈 수 있을 정도의 적당한 높이다. (26)

 

진성 반도체는 거의 사용하지 않는다. 전기전도도의 효율이 너무 떨어지기 때문이다. 효율이 떨어진다는 것은 전도대에 올라가는 전자의 수가 적고, 이동 속도가 느리다는 말이다. 이 문제를 해결하기 위해 불순물을 섞는 '도핑doping' 과정을 거친다. 그렇게 해서 전기전도도를 높인 반도체를 외인성 반도체라고 한다. 불순물로는 보통 인이나 붕소를 넣는다. 이때 인을 넣으면 n형이라고 하고, 붕소를 넣으면 p형이라고 한다. (31)

 

다만 최근 들어 반도체 제조 장비를 생산하는 ASML이 EUV(Extreme Ultraviolet, 극자외선)를 활용해 회로를 그리는 노광장비를 개발한 덕분에 7나노미터를 넘어 5 나노미터, 3 나노미터, 심지어 2 나노미터를 향한 여정이 시작되고 있다. 무어의 법칙이 부활할 조짐이랄까. (40~41)

 

최근의 패키징 공정은 그러한 수준을 아득히 뛰어넘었다. 참고로 흔히 '랙lag'이라고 부르는 전기 신호 지연 현상은 절반이 반도체와 반도체, 또는 반도체와 기판의 접합부에서 발생한다. 이 접합에 관련하는 게 바로 패키징 공정이다. (중략) 4차 산업혁명 시대에 요구되는, 엄청난 양의 데이터를 빠르게 전달할 능력의 열쇠를 패키징 공정이 쥐고 있다는 말이다. (51)

 

주식에 일가견은 없지만, 나름 기술적인 측면에서 감히 판단하자면 반도체 산업은 앞으로도 쭉 상승세일 수밖에 없다고 본다. 물론 반도체 산업이 잘나간다고 삼성전자가 잘 나가는 것은 아니다. 오늘날 삼성전자는 세계 최고의 기술력을 가진 세계 최고의 기업이고, 단군 이래 우리나라 최대의 기업임이 틀림없지만, 동시에 몇몇 약점을 여전히 품고 있다. (65)

 

현재 상용화된 자율주행시스템이 맞닥뜨린 난제 중 하나가 대처 속도다. 기존의 4G 통신으로는 지연 시간이 0.03~0.05초 정도가 걸린다. 고속으로 주행 중에 갑자기 장애물이 나타나면 순식간에 피해야 하는데, 0.03~0.05초는 너무 길다. 그런데 5G 통신을 이용하면 0.001초까지 줄어든다. 장애물을 피하는 데 충분하다. 한마디로 자율주행 자동차에 5G 통신은 선택이 아닌 필수다. 확실한 시장이란 말이다. 현재 이 시장을 퀄컴이 꽉 잡고 있으니, 당분간 삼성전자가 약진하기는 쉽지 않을 것이다. (68)

 

 

정량적인 수치로도 우리나라가 처한 상황은 별로 좋지 않다. 2018년 기준 서울대학교의 컴퓨터공학과 인원은 55명밖에 되지 않는다. 15년째 이런 상황이 이어져 왔다. 그런데 스탠퍼드대학교의 컴퓨터공학과 인원은 739명이다. 게다가 모두 세계 최고 수준의 학생들이다. 한마디로 질적으로도 양적으로도 밀리는 상황인 것이다. (중략) 인재가 우수한 아이디어를 내고, 우수한 아이디어가 시스템 반도체의 경쟁력을 좌우한다. (71)

 

전자처럼 매우 작은 물질은 특정 조건에서 벽을 뚫고 지나간다. 원래는 벽을 넘어 올라가야 하는데, 투명 인간처럼 그냥 통과하는 것이다. (중략) 이 터널 효과를 적용한 반도체가 바로 터널펫으로, 문턱전압 이하 스윙이 60mV/dec 이하다. 효율이 굉장히 좋아진 것이다. 그런데도 상용화하지 못하는 것은 몇 가지 문제점이 있기 때문이다. (74)

(출처: 위키피디아)

이런 문제를 막고자 출고 전에 접합부를 꼭 확인해야 한다. 과거에는 현미경 등을 사용해 일일이 육안으로 검수했다. 생각만 해도 눈이 아파진다. 만약 PCB가 빨간색이라면 쳐다볼 엄두도 내지 못할 것이다. 그나마 초록색은 눈이 편하다. PCB가 초록색인 이유다. (105)

 

전장 반도체 시장은 진입 장벽이 매우 높다. 기술력과 자본력을 모두 갖추어야 한다. 중국 기업들이 쉽게 도전하지 못하는 이유다. (123)

(출처: pxhere)

반도체를 나누는 여러 기준 중 디지털과 아날로그가 있다. 디지털 반도체는 디지털 신호인 0과 1을 다루고, 아날로그 반도체는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾼다. 디지털 카메라의 이미지 센서가 대표적인 아날로그 반도체로, 연속적인 흐름으로 존재하는 자연의 풍경을 단속적인 디지털 이미지로 포착한다. 최근 자율주행 자동차의 개발로 아날로그 반도체의 수요가 폭발하고 있다. (125)

이에 대안으로 등장한 것이 바로 전고체 배터리다. 이것의 원리를 쉽게 설명하면 이렇다. 어느 바다에 두 섬이 더 있다. 섬들을 오가려면 배를 타야 하는데, 폭풍이 불거나 파도가 높게 일 때가 많아 위험하다. 그래서 바닷물을 모두 퍼내고, 드러난 땅에 고속 철도를 놓는다. 그러면 훨씬 빠르고 안전하게 섬 사이를 오갈 수 있을 것이다. 이처럼 배터리의 양극과 음극 사이를 액체 전해질 대신 고체 전해질로 채운 것이 바로 전고체 배터리다. (128)

(출처: Wikimedia Commons)

퀀텀닷은 본격적으로 연구된 지 고작 10년 남짓인데도 활용 가능성이 무궁무진하다. 건강 관리부터 태양 전지와 각종 센서까지 일상의 다양한 영역에서 쓰일 수 있고, OLED처럼 휘어질 수 있으며, 복잡한 회로를 단순화해 반도체를 더욱 작게 만들 수 있다. 웨어러블 기기에 적격인 셈이다. 그리고 무엇보다 소자를 인쇄하는 기술의 근거가 된다. (다시 말하지만 퀀텀닷은 유무기 하이브리드 소재로, 유기 소재의 장점을 그대로 살릴 수 있다.) (177)

(출처 : 유튜브)

2015년 그레그 게이지Greg Gage라는 신경과학자가 비영리 강연회인 테드에 참가해 굉장히 흥미로운 실험을 보여주었다. 그는 한 여성 관객의 팔에 전극을 붙여 그녀의 뇌가 어떻게 작동하는지 실시간으로 분석했다. (중략) 여성의 뇌가 보낸 신호가 남성의 팔에 영향을 미친 것이다. (263)

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독서습관530_반도체 넥스트 시나리오_권순용_2021_위즈덤하우스(220219)

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(출처: 위클리 동아)

■ 저자: 권순용

정부출연연구기관인 한국 생산기술연구원에서 반도체 패키지 소재를 연구했다. 현재 과학기술과 공학, 반도체를 다루는 유튜브 채널 <에스오디 SOD>를 운영 중이다. 알고리즘의 선택을 받아 54만 명 이상의 구독자에게 사랑받고 있다. 

2021년 7월 대통령 소속 국가지식재산위원회 홍보대사로 위촉되었다. 그밖에 카이스트, 유튜브 코리아 등에 초청받아 과학 커뮤니케이터 활동을 주제로 활발히 소통하고 있고, 한국과학기술한림원, 한국과학기술연구원, 한국과학창의재단, 한국천문연구원, 고용노동부와 폭넓게 협업 중이다. 또한 세계적 반도체 기업인 퀄컴과 ASML, 컴퓨터 부품 제조 기업인 에이수스 등과도 작업하여 많은 관심을 받고 있다. 

과학기술, 더 나아가 공학은 개인의 삶을 풍요롭게 하고, 국가의 핵심 성장 동력이며, 인류 문명 발전에 중요한 요소다. 하지만 한국과학창의재단의 통계를 보면 우리나라 사람들의 과학 관심도는 2018년 기준 100점 만점에 39.2점에 불과하다. 언젠가 100점이 되기를 바라는 마음으로 쉬지 않고 흥미로운 최신의 관련 연구를 소개하고 있다.