세상을 바꾼 트랜지스터-환갑을 맞다

지난 1947년 크리스마스를 이틀 앞둔 날, 뉴저지 머레이힐에 위치한 미국 최대 전화회사 AT&T의 중앙연구소인 벨랩의 회의실.

트랜지스터 개발자 3인. 쇼클리(앉은 사람), 바딘(왼쪽에 서 있는 사람), 브래튼이 최초의 트랜지스터를 들여다보고 있다. 자료제공: 알카텔-루슨트 벨랩

벨 연구소의 윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 그리고 월터 브래튼(사진)이 반도체 격자구조의 조각에 도체선을 접촉시키면 전기 신호가 증폭한다는 사실을 발견한 최초의 실험을 진행했다.

첫 트랜지스터 제품(사진)에 연결된 마이크로 '하이'라고 말하자, 스피커에서 큰 소리로 '하이'하고 똑같은 소리가 흘러나오고 엔지니어들 사이에서는 환호가 퍼졌다.

1884년 에디슨이 전구 실험 과정에서 '열전자 방출 효과(에디슨 효과)'를 확인한 후 유리 진공관이 개발돼 60여년이 지난후 완전히 새로운 세계로 접어드는 순간이었다.

그리고 이 트랜지스터는 집적회로(IC)를 거쳐 60년이 흐른 2007년 현재, 단일 시장규모로만 2700억달러(약 250조원)를 형성하는 세계 최대 산업으로 성장했다. 또한 트랜지스터의 개발로 인해 모든 세상은 디지털 세상으로 전환됐다.


우리 일상의 '알파에서 오메가까지' 반도체가 들어가지 않는 제품을 찾을 수 없을 정도다. 컴퓨터와 휴대폰이 그렇고, 디지털카메라, MP3, 자동차, 항공기, 로봇, 위성, 세탁기, 냉장고, TV, 선박 등 반도체 없이 구동될 수 있는 것은 없는 세상이 됐다. 그 시작이 60년전의 트랜지스터다.

◇전화 교환원 대체를 위한 개발=1877년 전화기를 개발한 알렉산더 그레함 벨이 설립한 전화회사 AT&T의 중앙연구소인 벨랩(Bell Lab)이 반도체를 개발한 것은 회사 경영의 위기 때문이다.

벨은 초기에는 여성 교환원을 두고 전화교환 서비스를 제공하다가 인건비가 오르자 자동식 교환기를 도입해 교환원을 대체했다.

하지만 진공관을 사용한 이 교환기는 고장이 너무 잦아 연이어 폭증하는 통화량을 따라가지 못하게 됐고, 벨 연구소는 이를 해결하기 위해 물리학자들로 프로젝트 팀(반도체 응용연구팀)을 구성해 새로운 소자를 개발해 반도체 시대의 서막을 알리는 트랜지스터를 개발하게 된다.

쇼클리 등 벨랩 연구진 3인이 1947년 12월 23일 세계 최초로 개발한 트랜지스터. 자료제공: 알카텔-루슨트 벨랩

◇에디슨에서 쇼클리까지=1884년 에디슨 효과’로 불리는 ‘열전자방출’ 효과가 발견된 이후 이 현상에 관심을 가지는 사람들은 많지 않았다. 하지만 1904년 영국의 플레밍이 이 열전자 방출효과를 이용해 라디오 수신용 2극 진공관을 만들면서 빛을 발하기 시작한다.

작은 신호를 크게 증폭해 소리를 들을 수 있도록 하는 진공관은 더욱 진화해 1906년 리 데 포리스트는 증폭의 효율을 높인 3극 진공관(Triode)를 개발하게 된다. 이것이 현재 트랜지스터의 기본원리를 갖춘 것이다.

이렇게 발전을 거듭한 진공관은 컴퓨터 산업 초기에 데이터를 처리하는 논리 회로를 구성하고, 메모리 대용으로 쓰이는 등 매우 중요한 역할을 하게 됩니다. 이를 이용해 1946년 세계 최초의 컴퓨터 '에니악(ENIAC)’이 개발됐습니다.

당시 에니악은 1만 8800개의 진공관과 7000개의 저항을 가진 집채만한 크기로 무게는 약 30t에 소요전력 120kW의 '괴물'이었다. 진공관은 부피가 크고, 발열이 심한 것과 함께 쉽게 깨지는 단점이 있었기 때문에 새로운 소재로 대체할 필요성이 제기됐다.

그 과정에서 벨랩 반도체응용연구팀의 리더인 쇼클리, 이론가인 바딘, 실험전담의 브래튼이 2년여의 연구끝에 게르마늄에 불순물을 투입해 p(positive)와 n(negative)형 반도체를 연결하고, 그 사이에 전선을 넣으면 증폭기의 기능을 한다는 것을 실험적으로 증명한 것이 트랜지스터의 탄생이다.

◇그 이후의 진화, 그리고 강대원=이 트랜지스터의 개발 이후 최초의 제품이 트랜지스터 보청기였다. 전화기의 발명가이자 벨 재단의 창립자인 알렉산더 그레함 벨 자신이 청각 장애를 가졌던 이유로, 트랜지스터 보청기에 대한 모든 특허를 무상으로 제공하기도 했다. 이어 트랜지스터의 일반화를 이끈 것이 트랜지스터 라디오다.

하지만 전자제품의 기능이 복잡해지면서 트랜지스터와 저항, 다이오드, 캐파시터 등 전자부품을 연결하는 문제가 발생했다. 너무 많은 부품을 납땜하다보니 불량이 자주 발생한 것이다. 이를 개선해 하나의 칩에 4개의 핵심 부품을 구현한 집적회로(IC)가 1958년 텍사스인스트루먼트의 잭 킬비와, 당시 페어차일드반도체의 로버트 노이스(인텔 창업자)에 의해 개발됐다.

IC가 개발됨으로써 '엄청난 수의 장벽'이 사라져 현재의 반도체 산업의 기초가 닦였다. 특히 1960년에는 벨랩에서 연구원으로 일하던 한국인 공학자인 강대원 박사(1992년 작고)가 현재 사용하고 있는 전세계 반도체의 기본인 MOS-FET(모스 펫: 전계효과 금속산화물반도체)을 개발해 세상을 깜짝 놀라게 했다.

강대원 박사와 M.M 아탈라가 바이폴라 기반의 기존 게르마늄 반도체로서는 생산성이 떨어지던 것을 현재의 MOS-FET을 개발함으로써 대량 생산이 가능한 반도체 산업의 기초를 닦은 것이다.

현재 CPU, D램, 낸드플래시 등 거의 모든 반도체가 이 MOS-FET을 기반으로 해 만들어진다. 그리고 강 박사는 1967년에는 현재 삼성전자와 하이닉스의 새 캐시카우인 낸드플래시의 기초가 되는 플로팅게이트를 개발해 다시 한번 세계를 놀라게 했다.

트랜지스터에서 IC, MOS-FET, 플로팅 게이트의 개발이 반도체 60년의 역사를 이어오며, 현재 연간 250조원의 단일 시장을 창출하고, 증기기관 발명 이후 세상을 정보화 시대로 바꾸는 단초가 됐다.