현대엠엔소프트 공식 기업 블로그 :: 자율주행 자동차에도 필수! 반도체의 모든 것

반도체 코리아라는 말이 있을 만큼 한국에서 반도체는 아주 중요한 산업입니다. 수출 품목에서 큰 비중을 차지하는 반도체 산업 관련 소식은 뉴스에서 중요하게 다뤄지곤 하죠. 스마트폰이 보급되고 빅데이터, 인공지능, 자율주행 등 많은 정보를 빠르게 처리해야 하는 기술이 발전하면서 반도체의 중요성도 나날이 커지고 있습니다. 최근에는 기존 2진법 처리 방식을 뛰어 넘는 3진법 반도체의 개발 소식이 눈길을 끌기도 했습니다. 반도체는 언제 어떻게 개발되었을까요? 어떤 기능을 수행하는 걸까요? 계속해서 발전하는 반도체에 대해 알아보겠습니다.

 

 

1. 반도체가 정확히 뭐지?

물질을 분류하는 기준 중 하나는 전기전도도, 즉 전기가 통하는 정도입니다. 이에 따라 전기를 잘 전달하는 물질인 철, , 구리, 알루미늄 등은 도체(전도체)로 분류되고, 전기를 거의 통하지 않는 고무, 나무, 유리 등은 부도체(절연체)로 분류됩니다. 그리고 도체와 부도체 사이의 성질을 가진 것이 바로 반도체입니다.

 

도체와 부도체의 중간이라 함은 두 물질의 특성을 모두 가진다는 것입니다. 순수한 상태에서는 부도체처럼 전기가 통하지 않지만 불순물을 첨가하는 등 조작을 가하면 전기전도도가 늘어나 도체처럼 전기가 흐르게 됩니다.

 

이처럼 인공적으로 전기전도도를 조절할 수 있는 특성 덕분에, 반도체는 집적회로의 재료로서 현대 전기전자산업에서 없어서는 안 되는 핵심 요소가 되었습니다. 반도체 물질으로는 초기에 저마늄(Ge, 게르마늄)이 많이 사용되다가 최근에는 실리콘(Si, 규소)이 주로 사용되고 있는데요. 전자산업을 가리키는 실리콘 산업’, 미국의 전자산업 기업 단지를 부르는 말인 실리콘밸리가 여기에서 비롯됐다는 점에서 반도체의 중요성이 느껴집니다.

 

 

2. 반도체는 언제부터 사용되었을까?

반도체를 이용해 최초의 트랜지스터 증폭기를 개발한 벨 연구소 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼(왼쪽부터)

출처: http://bitly.kr/s8oNHgR

 

반도체는 언제, 어떤 계기로 사용되기 시작했을까요? 그 출발점은 통신 기술에 필요한 증폭기였습니다. 통신 기술은 전기신호를 이용하며 급격하게 발전해왔는데, 전기신호는 장거리를 이동하는 동안 점차 신호가 약해져 목적지까지 도달할 때에는 아주 미약한 상태가 됩니다. 이 때문에 중간에 신호를 증폭시켜줄 수 있는 장치가 필요했고, 기체를 빼낸 유리공 속에 전극을 넣은 진공관이 최초의 증폭기로 등장해 라디오, 텔레비전 수상기 등 많은 전자 기기에 사용되었습니다.

 

하지만 진공관은 부피도 클뿐더러, 발열 및 전력 소모가 심하고 필라멘트 전극이 쉽게 끊어지는 등 내구력도 약했습니다. 진공관을 대체할 수 있는 새로운 증폭기의 개발은 2차세계대전 이후의 중대 관심사가 됐고, 미국의 통신 기업AT&T에서는 1945년 벨 연구소에 이론물리학자 윌리엄 쇼클리를 주축으로 증폭기 관련 연구팀을 조직합니다.

 

세계 최초 트랜지스터 50주년을 기념하기 위해 제작된 복제품

출처: shorturl.at/mqDKU

 

쇼클리는 저마늄 반도체 박판에 수직으로 전기장을 걸면 전자 수를 제어하고 증폭시킬 수 있을 것이라는 가설을 고안했습니다. 쇼클리의 가설을 바탕으로 팀원 존 바딘과 월터 브래튼이 다양한 방법으로 실험을 거듭한 결과, 세계 최초로 반도체를 활용한 점접촉 트랜지스터발명해 성공했고 반도체 물리학의 새 지평을 열게 됩니다. 이후 쇼클리는 단독 연구를 통해 현대적 트랜지스터의 원조 격인 접합 트랜지스터의 개념을 정립했으며, 세 명의 연구자는 반도체 연구와 트랜지스터 효과의 발견 공로로 1956년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

 

 

3. 반도체는 어떻게 쓰일까?

트랜지스터로 전자산업 발전에 크게 기여한 반도체는 다시 한 번 혁명적 변화를 불러옵니다. 바로 집적회로의 발명입니다. 집적회로란 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서, 코일 등의 많은 전자회로 소자가 하나의 기판에 분리 불가능한 상태로 부착된 전자소자 시스템입니다. 모든 소자가 전선으로 연결된 대신 실리콘으로 된 선에 새겨져 있기 때문에, 집적회로의 발명은 전자기기의 크기가 대폭 축소되는 계기가 되었습니다. 트랜지스터를 발명한 쇼클리 팀에 이어, 집적회로를 발명한 미국의 전자공학자 잭 클레어 킬비 역시 2000년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

 

집적회로는 컴퓨터, 라디오, 텔레비전, 카메라 등 다양한 전자제품의 성능을 향상시키고 크기를 소형화했고, 이 덕분에 현재 우리가 셀 수 없이 많은 전자제품에 둘러싸여 생활할 수 있게 됐습니다.

 

다양한 반도체의 집합체, 스마트폰

우리가 일상에서 가장 자주 접하는 반도체 활용 사례는 스마트폰이 아닐까요? 반도체는 정보저장기능 유무에 따라 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체(시스템 반도체)로 나뉘고, 그 안에서도 D, 낸드플래시, AP(어플리케이션프로세서) 등 다양한 종류가 있습니다. 스마트폰은 이렇게 다양한 종류의 반도체가 모인 기기로 볼 수 있습니다.

 

우선 컴퓨터의 CPU(중앙처리장치)와 같이 스마트폰의 프로그램 실행과 제어 역할을 담당하는 AP(application processor)가 있습니다. 비메모리 반도체로, 작은 크기의 칩에 SP, 모바일D, 플래시메모리 등이 탑재된 기술집약적 부품이죠.

 

스마트폰에 장착된 수많은 센서 또한 비메모리 반도체의 일종인 아날로그 반도체입니다. 스마트폰으로 사진을 찍을 때 렌즈로 들어온 빛을 전기신호로 바꿔주는 이미지 센서, 스마트폰의 움직임을 감지하는 가속도 센서, 자이로 센서 등이 이에 해당합니다. 또 터치를 섬세하게 감지하는 디스플레이 표면 아래에도 센서가 심겨 있습니다.

 

반도체와 함께 IT플랫폼으로 변화하는 자동차

자동차가 전동화되고, IT기술과의 결합이 확대되면서 자동차 부품 중 반도체가 차지하는 비중도 점차 높아지고 있습니다. 미국 시장조사 업체인 스트레티지애널리틱스(SA)에서는 자동차 전장부품 시장 규모가 2015 2,390억 달러에서 2020 3,033억 달러로 성장할 것으로 전망했습니다.

 

특히 차량용 반도체는 자율주행 실현을 위한 필수적 요소인데요. 컴퓨팅 플랫폼을 통해 인공지능을 작동시켜 제한된 시간 안에 안전한 운행을 위한 인지·판단·제어·연산을 빠르게 처리해야 하기 때문입니다. 외부 환경을 인식하는 카메라, 라이더 등의 센서가 수집한 데이터, 정밀지도 등 자율주행을 위해 인공지능이 단시간에 처리해야 할 데이터의 양을 생각해보면 자동차 부품에서 반도체의 비중이 얼마나 커질지를 짐작해볼 수 있습니다.

 

<<자율주행의 핵심, 정밀지도!

출처 : http://www.hyundai-mnsoft.com/KR/technology/hdmappingsolution.mms

 

운전자 개입 없이 자동차가 스스로 조향, 가속 및 감속, 추월이 가능한레벨 3’ 수준 자율주행의 상용화가 점점 현실과 가까워지고 있습니다. 레벨 3 이상의 자율주행 실현을 위해서는 센서와 같은 인지 시스템을 보완하는 정밀지도의 존재가 필수적입니다. 정밀지도는 도로의 경계, 차선, 신호등, 표지판, 각종 시설물 등의 정보를 센티미터(cm) 단위로 정확하게 나타낸 지도로, 악천후나 센서의 고장 등의 돌발 상황에서도 안정적인 자율주행 구현을 돕습니다.

 

현대엠엔소프트는 MAC(Map Auto Creation) 기술을 통해 지도 제작 공정을 자동화하고, 차량 주행 중 도로 변경 정보를 센싱해 시시각각 변하는 도로 상황을 신속히 지도에 반영하는 레드박스(RED BOX) 솔루션을 개발하며 정밀지도 구축에 힘쓰고 있습니다.

 

아울러, 글로벌 지도 경쟁력 강화를 위해 글로벌 지도 업체 히어 테크놀로지(HERE Technologies)’, 미국의 첨단운전자보조시스템 솔루션 업체 네트라다인(Netradyne)’ 등 글로벌 기업들과의 협업을 이어가고 있습니다.>>

 

차량용 반도체로는 센서, 컨트롤러 반도체, 액추에이터 반도체, 차량 내 네트워킹 반도체(IVN, In-Vehicle Networking), 카인포테인먼트(CIVI, Car In-Vehicle Infotainmet) 반도체 등이 있습니다. 한국산업기술평가원에 따르면, 2010년에 자동차 한 대에 들어가는 반도체가 약 300개에 불과했던 것에 비해 2022년 본격적으로 상용화될 레벨 3 이상의 자율주행 차에는 약 2,000개의 반도체가 필요할 것이라고 합니다.

 

 

 

4. 반도체는 어떻게 만들어질까?

뉴스 등을 통해 방진복을 입은 직원들이 근무하는 반도체 공장의 모습을 종종 보셨을 겁니다. 그곳에서 반도체 집적회로는 어떤 과정을 통해 만들어지고 있을까요? 분명 아주 복잡한 과정을 거치겠지만, 크게 8개 공정으로 나누어 파악할 수 있습니다.

 

①웨이퍼

웨이퍼는 집적회로에서 소자가 부착되는 얇고 둥근 판을 가리킵니다. 모래에서 추출한 실리콘 원료를 고온에서 녹이고 단결정으로 성장시켜 굳힌 후, 일정한 두께로 절단하고 표면을 매끄럽게 연마해 웨이퍼를 만드는 것이 반도체 공정의 시작입니다.

 

②산화공정

위와 같은 공정으로 만들어진 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태이기 때문에, 웨이퍼 위에 여러 물질을 형성시켰다가 깎는 것을 반복하게 됩니다. 이때 웨이퍼 표면을 보호하기 위해 절연 역할의 산화막을 입힙니다. 산화공정은 보통 열산화의 방법으로 이루어지고, 열산화에는 산소만을 이용하는 건식산화와 산소와 수증기를 활용하는 습식산화가 있습니다.

 

③포토공정

웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 공정입니다. 산화막이 생긴 웨이퍼에 감광액을 도포하고, 회로 패턴이 담긴 마스크 상에 빛을 통콰시켜 웨이퍼에 회로를 찍어낸 후 웨이퍼에 현상액을 뿌려가며 회로 패턴을 생성하는데, 이 과정이 필름을 현상하는 것과 유사해 포토 리소그래피혹은 포토공정이라고 불립니다.

 

④식각공정

포토공정을 마친 웨이퍼에 액체 또는 기체의 부식액을 이용해 불필요한 부분을 벗겨냄으로써 회로 패턴을 만드는 과정입니다. 사용하는 물질에 따라 건식 식각, 습식 식각으로 나뉩니다.

 

⑤증착공정

반도체는 육안으로 보기에는 아주 작고 얇은 모양새지만, 사실 미세하고 수많은 층으로 구성되어 있습니다. 이는 1마이크로미터(μm, 100만 분의 1미터)의 아주 얇은 박막을 웨이퍼 위에 단계적으로 입히는 증착공정을 통해 만들어집니다.

 

⑥금속배선공정

위 다섯 개의 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어지는데, 이 회로를 동작시킬 전기 신호가 잘 전달되도록 회로 패턴을 따라 금속선을 이어주는 과정입니다. 금속배선으로 쓰이는 대표적 금속으로는 알루미늄, 구리가 있습니다.

 

EDS공정

⑥번까지의 공정을 통해 반도체 칩은 이미 완성되었지만, 그 뒤로 이어지는 후공정도 매우 중요합니다. EDS(Electrical Die Sorting) 공정은 전기적 특성검사를 통해 양품/불량품을 선별한 후, 수선 가능한 칩은 다시 양품화하고 불가능한 칩은 이후 공정에서 제외합니다.

 

⑧패키징공정

완벽한 제품 생산을 위한 마지막 단계입니다. 먼저 모든 공정을 마친 웨이퍼를 낱개로 잘라냅니다. 절단된 칩은 외부와 신호를 주고 받을 수 없는 상태이기 때문에, 각 칩을 리드프레임 위에 옮깁니다. 이 리드프레임이 반도체 칩과 외부 회로 간 전기 신호를 전달하고, 칩을 보호하는 역할을 수행합니다. 다음으로 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선으로 연결한 후 화학 수지로 밀봉하면 반도체 제품이 완성됩니다.

 

 

5. 반도체는 계속 발전 중!

반도체는 계속해서 발전 중입니다. 4차산업혁명 시대에 인공지능, 사물인터넷, 자율주행 등의 첨단 기술 실현을 위해서는 막대한 데이터를 저장하고 처리하는 반도체의 능력이 훨씬 더 중요해질 것이기 때문입니다. 이를 위해 업계에서는 소자 크기를 줄여 집적도를 높이는 방식을 통해 고성능 반도체를 만들고자 노력하고 있습니다.

 

, 메모리 반도체와 비메모리 반도체(시스템 반도체)를 구분해 사용하는 것으로는 빅데이터를 다루는 데에 한계가 있기 때문에 이 둘을 합친 지능형 반도체(PIM, Processor-In-Memory)’가 등장했습니다. 데이터를 저장하는 메모리 반도체에 연산 작업을 하는 프로세서 기능이 더해진 것으로, 향후 사물인터넷 산업에서 수요가 증가할 것으로 예측됩니다.

 

올해 7월에는 울산과학기술원(UNIST) 연구진들에 의해 ‘3진법 반도체의 상용화 가능성이 확인되기도 했습니다. 기존 2진법 반도체가 0, 1의 두 가지 값으로 정보를 처리한다면, 3진법 반도체는 0, 1, 2값으로 정보를 처리하기 때문에 정보 양이 줄어듭니다. 우리가 일반적으로 사용하는 10진수를 2진수와 3진수로 각각 변환했을 때의 결과만 비교해도 알 수 있죠. 처리해야 할 정보의 양이 줄어들면 계산 속도가 빨라지고, 소비 전력은 줄어듭니다. 칩의 크기도 보다 작아지고요. 3진법 반도체 연구는 삼성전자가 2017년 육성사업 선정을 통해 지원해왔으며, 현재 파운드리 사업부 팹(FAB)에서 미세공정으로 구현을 검증하고 있다고 합니다.

 

 

우리 주변을 온통 둘러싸고 있지만 그 실체를 자세히 몰랐던 반도체에 대해 알아봤습니다. 통신에 필요한 전기신호를 증폭시키기 위한 트랜지스터에서 시작해서 스마트폰, 자율주행 등을 실현시키는 핵심 부품이 되었다는 사실이 새삼 놀랍습니다. 앞으로 우리를 더욱 놀라게 할 반도체의 진화를 기대하며, 지금까지 현대엠엔소프트였습니다.

Posted by 현대엠엔소프트

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