트랜지스터가 발명되면서 진공관에 비해 크기가 매우 작고 전력 소비가 낮은 트랜지스터 라디오가 1954년, 미국의 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI)에 의해 등장합니다. 네 개의 트랜지스터와 한 개의 다이오드들이 진공관들을 대체하면서 들고 다니기 편리해진 라디오를 선보인 거죠.
전자산업의 부흥을 이끄는 단초가 됩니다. 지난해 Science 誌 표지에서 알 수 있듯이 트랜지스터의 지난 75년의 혁명은 휴대용 라디오로부터 비롯되죠. 무선 통신, 계산 과학, 제어기 등을 거쳐 지금의 컴퓨터와 인공지능에 이르기까지, 그 출발점은 반도체 트랜지스터입니다.
이러한 트랜지스터들은 전하를 저장하는 커패시터, 전류를 조절하는 저항기, 그리고 정류 작용을 하는 다이오드와 같은 여러 부품들과 전기적으로 연결되어 작동이 되죠.
트랜지스터가 진공관을 소형화시키는 데에는 획기적인 역할을 하였지만 여러 개의 트랜지스터들을 연결하고, 여기에 여러 부품들을 더하여 회로를 꾸며가는 과정은 만만치 않았습니다. 개별 부품들을 전선 등으로 길고 짧게 연결하여야 했고, 이로 인해 연결선과 연결점들에서 전기적인 부작용들이 발생하였죠.
부피와 함께 소비 전력, 누설 전류와 큰 잡음 등으로 크기와 성능, 생산성에서 문제점들이 다시 드러나기 시작하였습니다. 이와 함께 과학자와 엔지니어들은 더욱 상상력을 발휘하여, 진공관으로는 꿈도 못 꾸었던 복잡 다양한 회로들을 설계하고 제시하였죠.
더욱 많은 부품들이 들어가면서 부품들을 구하기도 어려웠고, 다양한 부품들을 각각 전선으로 연결하는 과정, 전기적으로 연결된 장치들 상호 간의 부작용, 과도한 부피와 무게, 제품으로 만들기 위한 생산성이 한계에 이르렀습니다.
소위 ‘숫자의 횡포(The Tyranny of Numbers)’라는 장벽에 맞닥뜨린 거죠. 이 장벽을 넘기 위한 노력이 ‘집적 회로(Integrated Circuit, IC)’라는 돌파구를 낳게 됩니다. ‘집적, 集積’의 뜻 그대로 ‘모여서 쌓은’ 회로입니다. 개개의 부품들을 하나의 반도체 기판 위에 작게 만들고 최단 거리를 통하여 전기적으로 연결한 ‘일체화된(monolithic)’ 회로인 셈이죠.
드디어 1959년에 칩이라 불리는 반도체 조각 위에 저항과 다이오드, 콘덴서 등을 배치한 후 연결한 모놀리식 집적회로의 초기 형태가 발명됩니다. 텍사스 인스트루먼트의 잭 킬비(Jack S. Kilby)와 페어차일드(Fairchild)의 로버트 노이스(Robert Noyce)가 주인공들이죠.
TI의 연구원이었던 잭 킬비는 한 개의 게르마늄 칩 위에 여러 소자들을 만들고 이들을 알루미늄선으로 잇는 방식으로 부품들이 촘촘하게 연결된 집적회로를 고안하였죠.
반년쯤 뒤에 노이스는 금속선을 사용하지 않음으로써 한층 더 실용성이 있는 집적회로 기술을 발표합니다. 실리콘 산화막으로 소자들을 보호하면서 여기에 홈을 내어서 전극층으로 연결하는 구조를 선보이게 되죠.
즉, 실리콘을 소재로 하여 실리콘 산화막과 금속 배선의 패터닝을 적용함으로써 실리콘 집적회로의 시초를 알립니다. 트랜지스터, 저항, 다이오드, 콘덴서 등의 부품들이 하나의 반도체 칩 위에 만들어지고 서로 연결된 집적회로를 이용하여 신호를 보내고 받기도 하며, 연산과 저장을 하게 됩니다.
페어차일드의 공동 설립자이기도 한 노이스는 후에 인텔(Intel)을 공동 설립하였으며 1990년에 세상을 떠납니다. 2000년에 잭 킬비가 집적회로를 발명한 공로로 노벨상을 받게 되죠. 킬비와 노이스는 집적회로의 개발자로서 명예를 나누고 있으며, 경쟁과 협력을 함께 하여온 훌륭한 과학자들입니다.
그리고 집적회로를 언급할 때 빼놓을 수 없는 한국인 과학자가 강대원 박사입니다. 1960년, 벨 연구소의 강대원 박사는 마틴 아탈라와 함께 집적회로에 훨씬 적합한 구조를 갖는 금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)를 발명하고 그 제조 방법을 제시합니다.
MOSFET은 앞서 사용된 트랜지스터인 쌍극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT)에 비하여 제조 공정과 양산성, 집적도 면에서 집적회로에 더욱 적합한 구조로 오늘날 메모리 및 시스템 반도체에 널리 적용되고 있죠. 이를 토대로 하여 집적회로는 집적도의 향상에 따라 소규모, 중규모, 대규모(Small-, Middle-, Large-, Very Large-, Ultra Large-Scale Integration)인 SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI 등으로 발전하여 오늘에 이르고 있습니다.
집적회로의 등장으로 시작된 실리콘 반도체 산업은 ‘제2의 석기 시대’로 일컬어질 정도로 새로운 문명의 시작을 열었으며, 3차와 4차 산업 혁명 시대의 주역이 되고 있습니다. 더 작은 실리콘 반도체 칩 위에 더 많은 회로를 만들고자 하는 고집적화를 향한 노력은 꾸준히 이어져왔죠.
1965년에 노이스와 함께 인텔을 설립한 고든 무어는 소위 ‘무어의 법칙’을 발표합니다. 즉, ‘반도체 메모리의 용량이나 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)의 속도는 18개월에서 24개월마다 2배씩 향상되며, 컴퓨팅 성능은 18개월마다 2배씩 향상되고 컴퓨터 가격은 18개월마다 반으로 떨어진다’는 내용입니다.
물론 무어의 법칙은 반도체 기술의 발전에 따라 일부 수정을 거듭하였으며, 2000년대에 들어서면서 맞고 틀림에 대한 논란이 크지만 1960년대, 집적회로 탄생 후 수십 여년 동안은 실리콘 반도체 집적회로의 집적도가 어떻게 발전하여 왔는지를 잘 보여주고 있습니다.
