[제3시선, 최고가 최고를 만나다 with 김범준 교수] 보이지 않아도 모든 곳에 존재하는 물리학과 반도체 (1/4)

반도체를 이해하고 설명하기 위해서는 물리학을 알아야 한다. 물리학이라는 학문은 우리의 삶, 모든 곳에 존재하며, 반도체 역시 물리학의 영역에서 벗어날 수 없기 때문이다. 이번 대담을 통해 우리는 반도체를 이해하기 위해 물리학이 얼마나 중요한지를 알아보고 SK하이닉스가 반도체를 통해 메모리를 개발하고 생산하는 과정에서 물리학이 어떻게 활용되고 있는지도 함께 살펴볼 예정이다. 대담에 함께한 김범준 교수는 ‘세상 물정의 물리학’ ‘보이지 않아도 존재하고 있습니다’ 등 저서를 통해 우리 삶 속에서 접할 수 있는 물리학을 쉽고 재미있게 소개하는 국내 최고의 물리학 전문가이다. 함께 대담에 참여하는 SK하이닉스 구성원들 역시 물리학 전공자들로 메모리 분야 세계 최고의 기술력을 자랑하는 SK하이닉스에서도 물리학을 직·간접적으로 활용하고 있다.

김범준 교수 안녕하세요. SK하이닉스 구성원 여러분. 성균관대학교 물리학과 교수 김범준입니다. 오늘 좋은 기회로 여러분과 물리학, 그리고 반도체에 대한 다양한 이야기를 나누게 됐는데요. 개인적으로는 아주 큰 기대를 하고 있습니다. 저는 학교에서 학문적인 관점에서 물리학을 바라보고, 이야기해 왔는데요. 이렇게 산업 현장에서 직접 물리학을 활용하는 분들을 만나 물리학에 대한 이야기를 나누는 것은 처음이라 아주 기대가 큽니다.

김환영 TL 안녕하세요. RTC* 김환영 TL입니다. 저는 SK하이닉스에서 다가올 미래에 우리가 개발해야 할 새로운 메모리 소자에 대한 발굴, 분석 그리고 선행 연구하는 패스파인더(Pathfinder) 역할을 맡고 있습니다. 특히 양자컴퓨터와 뉴로모픽 반도체에 관심이 많으며, 미래에는 어떤 메모리 반도체가 필요할지 고민하고 탐구하고 있습니다. 오늘 김범준 교수님과 함께 물리학과 반도체에 대한 이야기들을 나누고 미래에 더욱 중요한 역할을 하게 될 양자컴퓨터 등의 이야기도 나눌 수 있기를 기대하고 있습니다.

* RTC(Revolutionary Technology Center): SK하이닉스 미래 기술 연구 조직으로 ‘ORP(Open Research Platform)’를 기반으로 활발한 연구 협력과 학술 활동을 통해 차세대 기술을 연구함 [관련기사]

민태원 TL 저는 미래기술연구원 AT에서 일하고 있는 민태원 TL입니다. 현재는 D램의 구조 및 조성분석 업무를 진행하고 있는데요. 주로 D램을 구성하는 자재 공정단계에서 발생하는 불량 원인을 분석합니다. 이를 위해 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)을 활용해 실제 D램의 구조를 촬영하고 구조 내 성분들을 분석하는 일을 하고 있습니다.

임경선 TL 안녕하세요. GSM에서 차세대 상품기획 업무를 맡고 있는 임경선 TL입니다. 저는 차세대 메모리와 메모리 솔루션 제품에 대한 기획과 새로운 시장 개척을 담당하고 있습니다. 새로운 개념의 메모리 솔루션이 기술적, 상업적으로 유의미한 결과를 만들 수 있는지 검토하고 중장기적인 전략을 수립하는 업무를 진행하고 있습니다. 상품이나 프로젝트를 기획하는 업무의 특성상 직접적으로 물리학을 다루고 있지는 않습니다만, 오랜만에 물리학에 대한 다양한 이야기를 통해 현재 우리가 하는 일들을 이야기한다면 아주 재미있겠다는 기대감으로 오늘 이 자리에 참여하게 됐습니다.

조상혁 TL 안녕하세요. P&T PKG개발에서 근무하는 조상혁 TL입니다. 낸드와 D램, 컨트롤러 등을 하나의 패키지에 담은 MCP*를 개발하고 있습니다. 대학생 시절 좋아했던 물리학과 제가 일로 접하고 있는 반도체에 대해 이야기할 수 있는 자리라고 해서 기대가 큽니다. 오랜만에 물리학에 대해 이야기하다 보니 부족한 부분이 있을 수도 있겠지만, 김범준 교수님과 SK하이닉스 구성원들과 함께 즐겁게 이야기하도록 하겠습니다.

* MCP(Multi Chip Package): 2개 이상의 메모리 반도체를 수직으로 쌓아 올려 하나의 패키지 상태로 만든 제품으로 대표적으로 스마트폰 등에 사용되는 모바일용 D램과 낸드플래시 제품을 하나의 패키지 내에 구성한 제품들이 있다.

김범준 교수 다들 정말 반갑습니다. 오늘 이 자리에 오기 전, 이번 대담에는 특별히 SK하이닉스에서도 물리학을 전공한 구성원분들이 참여하셨다고 전해 들었는데요. 반도체 산업을 최전선에서 이끄는 SK하이닉스 구성원분들과 유익하고 재미있는 대담을 기대해 보겠습니다.

반도체를 만드는 물리학

김범준 교수 본격적인 대담에 앞서 물리학이 무엇인지에 대해서 간단히 먼저 설명을 해볼까 합니다. 저는 물리학을 설명하기에 앞서 항상 ‘물리(物理)’라는 단어를 곱씹어 보는데요. 물리를 풀어 쓰면 ‘사물의 이치’라는 뜻이잖아요. 결국 물리학은 사물의 이치를 학문으로 표현한 것이죠. 이는 자연과 우주를 비롯해 우리 주변에 존재하는 모든 것들을 일괄되고 합리적인 체계로 설명하려는 노력이라고 볼 수 있을 것 같은데요. 자연의 모든 이치를 이해하고 이를 습득한 다음에는 이런 이해를 바탕으로 자연에서 발생하는 다양한 현상에 개입하고, 제어할 수 있는 여지가 생기는 것이 물리학의 특징이라고 할 수 있습니다.

특히, 오늘 대담에서 핵심 주제인 반도체는 이런 물리학적 성질을 설명하기에 아주 좋은 대상이기도 한데요. 스마트폰을 비롯해 모든 전자기기는 물리학을 근간으로 만들어진 것이니까요. 결국 자연환경에서 발생하는 수많은 현상과 인간의 삶을 둘러싼 모든 사물에 물리학이 적용된다고 말할 수 있을 것 같습니다. 그만큼 물리학이라는 학문은 아주 매력적이고, 중요한 학문이라고 생각합니다.

▲ 대담에 앞서 서로 소개하는 시간을 가지며 자유롭게 이야기 나누고 있는 김범준 교수(가운데)와 SK하이닉스 구성원들(좌측부터 민태원 TL, 임경선 TL, 김환영 TL, 조상혁 TL)

조상혁 TL 네 맞습니다. SK하이닉스에서 개발하고 생산하는 수많은 반도체 메모리 제품 역시 모든 공정 과정에서 물리학 이론이 적용되고 있다 해도 과언이 아닌데요. 반도체라는 이름만 보더라도 그 자체로 물리학이잖아요.

김범준 교수 그렇습니다. 일반적으로 반도체에 적용되는 물리학은 고체물리학과 아주 깊은 관련이 있는데요. 요즘에는 ‘응집물질물리학’이란 이름으로 많이 이야기하는데, 수많은 물질의 특성을 탐구하거든요. 이런 ‘응집물질물리학’을 통해 반도체뿐만 아니라 도체나 부도체(절연체) 등을 구분하기도 합니다. 조금 더 자세히 얘기해 보자면, 특정한 물질의 에너지띠* 구조를 확인해 도체와 부도체, 그리고 반도체를 구분하는 것인데요. 에너지띠 구조를 살펴봤을 때 전기가 흐르는 도체와 전기가 흐르지 않는 부도체는 명확한 차이를 보입니다.

전기가 통하지 않는 부도체의 경우, 전자가 가득 차서 이동할 수 없는 상태를 의미합니다. 출퇴근 시간 사람이 가득 차 조금도 움직일 수 없는 지하철 안 상태와 비슷한 것이죠. 반면 도체의 경우 일정 부분만 전자로 채워져 있어서, 전자가 쉽게 이동할 수 있는 것입니다. 출퇴근 시간을 벗어나 한산한 지하철에서는 다른 칸으로 아주 쉽게 이동할 수 있잖아요? 이처럼 도체는 전자의 이동이 보다 원활하게 가능한 것입니다.

* 에너지띠(Energy Band): 고체 결정 내 전하(전자, 정공)가 이동할 수 있는 에너지 대역. 이 에너지띠에 채워진 전자와 에너지띠 사이의 간격 증에 따라 도체, 부도체, 반도체 등의 성질이 결정된다.

조상혁 TL 교수님의 말씀을 정리해 보자면 결국 전자가 흐르는 물질이 도체, 흐르지 않는 물질이 부도체라는 것인데요. 우리가 오늘 중요하게 다룰 반도체의 경우엔 특정 환경에서는 전자가 흐르고 또 다른 환경에서는 전자가 흐르지 않는 물체입니다. 이와 관련해서 사실, 조금 애매한 부분이 있기는 합니다. 저 역시 물리학을 배우면서 궁금했던 점이기도 한데요. 부도체의 경우, 전자가 흐르지 않는 물질이지만, 사실 부도체도 특정 조건을 부여하면 전자가 흐를 수도 있잖아요. 그렇다면 ‘반도체와 부도체의 경계를 어떻게 구분해야 하는가?’라는 궁금증이 있었습니다.

김범준 교수 많은 학생이 공감할 만한 궁금증이네요. 일반적으로 도체냐 부도체냐 반도체냐를 구분할 땐 전자 이동의 저항값이 크고 작음을 통해 구분하기는 하는데요. 말씀하신 것처럼 전자 이동의 빈도나 특수한 조건에 대한 의존성이 워낙 달라서 이를 명확하게 경계를 나눠 구분하기란 쉽지 않습니다. 물론, 진성반도체(Intrinsic Semiconductor)와 같이 온도의 변화만으로 전자가 이동할 수 있는 반도체도 있습니다. 하지만 산업 현장에서는 전자의 이동이 불가능한 물질에 도핑*을 통해 전자를 이동할 수 있게 만들어 주고 있는데요. 이것이 일반적으로 우리가 이야기하는 반도체인 것이죠.

* 도핑(Doping): 반도체 생산 과정에서 주로 이용되는 도핑은 진성반도체(Intrinsic Semiconductor)인 어떤 물질이 가진 순수한 전기적, 광학적 및 구조적 특성을 조절하기 위해, 결정 제조 과정 중에 불순물(원소나 화학 물질)을 의도적으로 첨가하는 것을 의미한다.

간단히 예를 들어, 규소(Si)의 고체 결합에 어떤 원소를 도핑하느냐에 따라 에너지띠 구조가 다르게 나타나잖아요. 바깥쪽 전자가 5개인 인(P)을 도핑할 경우 남는 전자 1개가 이동하는 N형 반도체*를 만들게 되는 것이고, 바깥쪽 전자가 3개인 알루미늄(Al)을 도핑한다면 전자 1개가 부족한 공간을 다른 전자들이 채우기 위해 이동하면서 전자가 흐르는 P형 반도체*가 되는 것이죠. 이러한 전자의 흐름을 우리는 물리학적 이론을 통해 이해하고 설명할 수 있는 것입니다.

* N형(Negative) 반도체: 전하 운반자 역할을 하는 전자의 수가 양공(비어있는 공간)의 수에 비해서 훨씬 많이 있는 반도체
* P형(Positive) 반도체: 전하 운반자 역할을 하는 전자의 수가 양공(비어있는 공간)의 수에 비해서 훨씬 적은 반도체

▲ N형 반도체의 경우, 규소(Si)보다 전자 수가 많은 인(P)을 첨가해  남은 전자가 물체를 이동하는 구조를 보인다.

▲ P형 반도체의 경우, 규소(Si)보다 전자 수가 적은 붕소(B)를 첨가해 비어있는 공간(양공)으로 전자가 이동하는 구조를 보인다.

전자의 이동, 반도체와 초전도체

민태원 TL 저 역시 반도체를 이해하는 데 핵심은 전자의 이동을 이해하는 것이라고 생각합니다. 모든 물질은 전자로 이뤄져 있고 결국 이 전자가 어떤 상태를 보이는지에 따라 물질의 성질이 결정되잖아요. 교수님 말씀대로 어떤 물체가 도체가 되냐 부도체가 되냐 반도체가 되냐를 결정하는 데는 전자가 어떤 상태로 존재하느냐가 굉장히 중요하니까요. 이 때문에 특정 물질의 전자 상태, 전자가 움직이거나 정지했을 때 그 주변 공간에 어떤 영향을 끼치는가에 대해서 많은 연구들이 이뤄지고 있는 것이죠. 이런 전자의 이동과 관련해 최근에 이슈가 됐던 초전도체*에 대해서도 간단히 이야기하면 좋을 것 같은데요.

* 초전도체(Superconductor): 특정 조건에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질. 일반적으로 구리나 은과 같은 금속성 도체들은 온도가 낮아지면서 전기 저항이 낮아진다. 초전도체는 일정 온도 이하로 낮아지게 되면 저항이 0인 완전 도체가 되며, 한번 발생한 전류는 에너지 손실 없이 무한히 흐른다. 또한, 외부의 자기장을 배척하는 마이스너 효과가 나타난다.

▲ 전자 이동 관점에서 초전도체를 이야기하는 민태원 TL과 이야기를 듣고 있는 김범준 교수

김범준 교수 초전도체의 경우 완전히 다른 기술이긴 합니다. 기본적으로 초전도체의 핵심은 전류에 대한 저항이 없다는 것인데요. 초전도체를 살펴보면, 보통 아주 낮은 온도에서 전자 2개가 짝이 돼 쿠퍼쌍*을 이루거든요. 쿠퍼쌍은 전자의 이동을 도우며 저항이 생기지 않게 만들어 줍니다. 물론 최근에 이슈가 됐던 상온·상압 초전도체의 경우엔 저항이 없다는 증거가 명확하지 않아서 설득력이 많이 떨어지기는 하지만, 전자가 이동할 때 저항이 발생하지 않는다는 것은 엄청난 기술이 될 것임은 분명합니다.

* 쿠퍼쌍(Cooper Pair): 초전도 물질 내에 속도와 회전이 정반대인 2개의 전자가 만나 짝을 이루는 현상. 쿠퍼쌍은 2개의 전자가 짝을 지어 초전도 내에서 전류를 운반한다.

▲ 매우 낮은 온도에서 원자의 움직임이 확연하게 느려지며, 전자와 충돌하지 않게 되는 것(저항 0이 되는 상태)이 초전도체의 원리이다.

임경선 TL 맞습니다. 특정 물질의 저항이 없다는 것은 그 자체로 활용 가능성이 무궁무진합니다. 당장 저희가 생산하는 반도체만 보더라도 금속배선 공정*이나 인터커넥트 부분, 그리고 네트워크 라인의 경우 해당 분야에 적용되는 물질의 저항에 따라서 동작 속도나 전송 속도가 결정되는 것이잖아요. 현재 널리 사용되는 구리선이나 광케이블, 금과 같은 여러 물질을 초전도체가 대체한다면, 우리가 상상할 수도 없는 엄청난 혁신이 이뤄질 것이라고 생각합니다.

* 금속배선 공정: 반도체 칩 내부의 전기 신호를 전달하는 전선 역학의 금속을 연결해 회로를 완성하는 공정

김환영 TL 반도체 제조나 개발 영역에서 바라보면 사실, 특정 물질의 저항이 반드시 0이 될 필요는 없거든요. 모두의 바람처럼 상온·상압에서의 초전도체가 등장한다면 좋겠지만, 개인적으로는 새로운 소자를 개발할 때 특정 물질의 저항이 0이냐 아니냐는 그렇게까지 중요한 요소는 아닌 것 같아요. 앞서 임경선 TL님이 말씀하신 것처럼 낮은 저항의 소자를 통해 CPU나 GPU의 인터커넥트나 D램 내부 금속배선의 저항을 줄인다는 것만으로도 아주 큰 의미가 있거든요.

예를 들어, 챗GPT처럼 최근 아주 많은 관심을 받는 머신러닝 모델들은 연산을 진행할 때마다 CPU나 GPU와 같은 연산장치와 메모리 사이에 전자가 이동하게 되는데요. 이때 오버헤드*가 발생하는데, 이 문제를 해결하는 것이 매우 중요합니다. 만약 아주 낮은 저항의 물질을 사용하게 된다면 이런 오버헤드를 비롯해 발열 등 많은 문제를 해결할 수 있을 것으로 보입니다. 이 때문에 SK하이닉스 역시 새로운 물질과 공법을 개발하기 위해 끊임없는 연구를 이어가고 있는 상황입니다.

* 오버헤드(Overhead): 특정한 목표를 달성하기 위해 간접적 혹은 추가로 요구되는 시간, 메모리 등을 말한다. 오버헤드로 인해 효율성이 떨어지기 때문에 이를 해결하는 것은 중요한 과제이다.

▲ 새로운 반도체 소자와 공법의 필요성에 대해 이야기하는 김환영 TL과 이야기를 듣고 있는 조상혁 TL

김범준 교수 현재 일반적으로 사용하는 컴퓨터 시스템의 다양한 문제들을 해결하기 위해 실제로 많은 기업들은 초전도체를 활용한 양자컴퓨터를 개발하고 있는데요. 오늘 양자정보연구지원센터에 방문해 살펴봤던 양자컴퓨터 역시 초전도체를 활용하고 있습니다. 초전도체를 활용하는 양자컴퓨터 역시 물리학을 통해 살펴볼 수 있을 것 같은데요. 주목받는 미래기술이기도 한 양자컴퓨터에 대해 살펴보기 위해 양자역학 등 더 많은 물리학 이야기들을 나누면 좋을 것 같습니다.

지금까지 김범준 교수와 SK하이닉스 구성원들이 나눈 도체와 부도체, 그리고 반도체를 구분하는 물리학적 이론 등에 대해 나눈 대담을 살펴봤다. 다음 편에서는 반도체의 원리를 양자역학을 통해 살펴볼 예정이다. 김범준 교수와 SK하이닉스 구성원들의 물리학과 반도체에 대한 이야기는 계속된다.