인문학적 반도체_1.반도체 정의(1)

1장.반도체란 무엇인가?

실생활에서 볼 수 있는 반도체

실생활에서 볼 수 있는 반도체는 무엇이 있을까요? 

예를 들어 '노트북'을 생각해보죠.

익히 알고 있는 인텔의 CPU, 엔비디아의 GPU, 삼성의 Memory 들이 들어있습니다. 

SSD는 HDD를 대체하는 저장공간으로 NAND Flash 메모리로 만들지요. 

HDD와 가장 큰 차이점은 '데이터 읽기/쓰기 속도'가 압도적으로 높다는 것입니다. 왜냐하면 HDD와 같이 모터가 돌아가며 자성에 의한 동작방식이 아니라 메모리의 전자가 이동하는 전기신호 방식이라 속도가 빠르지요. 소음도 발생하지 않지요, 소비전력과 발열도 적습니다. 

내부에 움직이는 부품이 없어 외부 충격으로 손상될 가능성이 낮아 데이터를 안전하게 유지할 수도 있습니다. 

그래서 요즈음에는 보조기억장치로HDD보다는 SSD가 더 많이 쓰이고 있습니다.

또 하나의 예는 '스마트폰'이죠.

스마트폰은 손안의 컴퓨터라는 별명과 같이 컴퓨터 CPU와 같은 두뇌격인 Application Processor, 5G와 LTE등 통신을 가능하게 해주는 모뎀칩, OS와 앱등을 저장할 수 있는 내장메모리, 사진을 찍을 수 있는 카메라모듈, 카메라모듈을 또 분해해보면 액츄에이터와 반도체 이미지 센서가 들어가 있습니다. 

그 외 NFC라던가 GPS, 중력센서라든가 가속센서라든가하는 각종 센서들도 들어가 있습니다. 

한마디로 휴대폰은 대부분의 부품이 반도체에 의해 구성되는 대표적인 전자기기라 할 수 있습니다.

요새 많은 사람들에게 각광받고 있는 '전기자동차'에도 많은 반도체들이 들어 있습니다. 

내연 기관 자동차에는 자동차 1대당 200~300개 가량의 반도체가 사용되고 있고, 전기자동차에는 1,000여개, 향후 자율주행차에는 2,000개 이상의 반도체가 사용될 것으로 전망되고 있습니다. 

차량용 반도체의 적용분야와 부품을 보면 안전·ADAS분야에 20% 점유율로 가장 크고 적용부품으로는 TPMS(타이어공기압경보장치), 에어백,후방카메라, 서라운드 뷰 카메라 등이 있습니다. 

새시는 17%를 점유하며 제동장치, 조향장치 등이 있습니다. 

인포테인먼트도 17%를 점유하며, 내비게이션, 텔레매틱스가 있습니다. 

차체는 16%를 점유하며 와이퍼, 선루프 등이 있습니다. 

파워트레인은 14%를 점유하고 트랜스미션, 점화, 충전 등이 있습니다. 

기타는 16%를 점유하며 전력반도체(모터, 인버터, DC-DC 컨버터), BMS(배터리관리시스템), LIN/CAN, 이더넷 등이 있습니다.

차량용 반도체의 주요 기능별 비중으로는 MCU 가 30%로 차량 전장시스템 전반을 제어하며, ADAS, ECU 등에 탑재됩니다. 

아날로그 회로는 비중이 29%로 속도, 압력, 온도 등 신호를 디지털신호로 변환해 주는 역할을 합니다.

각종 센서는 비중이 17%로 차량 내· 외부 여러 환경 특성을 감지하고 디지털화 하여, MCU가 디지털화된 데이터를 토대로 상황을 계산하고 판단을 내리는 데 도움을 줍니다. 

자동차용 AP는 비중이 10%로 CPU, GPU, 통신칩 등이 탑재되어 두뇌 역할을 수행합니다. 

메모리는 7%의 비중으로 다량의 정보를 저장, 인출하는 역할을 합니다. 

기타는 7%를 차지하는데, Driver IC, Power IC 등으로 엔진, EPS(Electric Power Steering) 등 고전류의 출력이 필요한 장치에 사용되거나, 반도체 발전장치에서 공급되는 전류를 안정적인 직류전원으로 공급합니다. 

이렇게 점점 더 많은 다양한 반도체들이 자동차에 쓰이니까 휴대폰 제조사인 Apple도 Apple car를 만들겠다고 나오고 있습니다.

심지어 자연현상에서도 반도체 현상을 볼 수 있습니다.

반도체는 쉽게 말해 전자나 정공등 전하가 이동하여 전류가 흐르는 현상을 이용해 만든 작디 작은 물체입니다.

겨울철에 옷을 입거나 벗을 때, 또는 문이나 자동차 손잡이를 잡다가 ‘찌릿찌릿’ 한 정전기를 대부분 경험해 보았을 겁니다. 

이런 정전기도 반도체의 작동원리인 전자들이 만들어 내는 현상입니다. 

정전기란 한 물체에서 다른 물체로 옮겨 간 전자들이 다른 곳으로 흘러가지 않고 머물러 있기 때문에 붙여진 이름입니다. 

대부분의 정전기는 물체가 서로 마찰할 때 생기기 때문에 ‘마찰전기’라고도 합니다. 서로 다른 두 물체가 서로 접촉하거나 분리하게 되면 그 경계면에 전하의 이동이 생깁니다. 그럼 각각의 물체에 같은 양의 양(+)전하와 음(-)전하가 생겨 정전기가 발생하는 것입니다. 정전기가 발생했다는 것은 그곳에 전기에 의한 위치에너지가 저장되었다는 의미입니다. 왜냐하면 마찰전기의 전기에너지는 곧 전기에 의한 위치에너지이고, 이는 마찰하는 물체가 가지고 있던 운동에너지가 전기에너지로 바뀐것으로 볼수 있습니다.

또 하나의 자연현상은 천둥과 번개입니다. 천둥과 번개도 양전하와 음전하의 마찰에 의한 전기현상입니다. 장마철같이 폭풍이 몰아치면 아주 빠른 상승기류가 생겨 먹구름 속에서 물방울과 작은 얼음들이 부딪치며 마찰을 일으킵니다. 이 마찰로 전자가 물방울에서 얼음으로 옮겨갑니다. 

이 과정에서 가벼운 얼음 결정은 구름 위쪽으로 오르고 무거운 물방울은 아래쪽으로 내려갑니다. 이때 전하가 분리되어 있는 구름, 번개구름이라 불리우는 뇌운(雷雲)이 만들어집니다. 그 결과 구름 위쪽은 양전하를, 구름 아래쪽은 음전하를 띠는데, 둘이 만나 순간적으로 강력한 전기를 만드는 것을 번개라고 합니다.

이런 뇌운의 전하가 방전하는 현상을 뇌방전(雷放電) 이라고 하고 전하가 이동하는 방전통로에는 태양 표면의 온도보다 약 4배 이상 뜨거운 2만 7000도씨 정도의 열이 발생합니다. 

이때 방전통로의 압력이 상승하여 주변 공기가 급속히 팽창하면서 충격파음이 발생하는데 이 커다란 소리가 바로 천둥입니다. 

즉, 뇌방전시 방전통로의 높은 에너지가 소멸되는 과정에서 빛과 소리의 형태로 변환되는데 이 때의 불빛이 번개이고, 소리가 천둥인 것입니다. 

번개가 이런 전기 작용이라는 사실을 실험으로 증명한 사람이 바로 미국 100달러 지폐에 등장하는 벤저민 프랭클린입니다. 벤저민 프랭클린은 피뢰침을 발명한 발명가이자 미국 독립선언서를 쓴 정치가며 외교관이자 과학자,사업가이기도 했습니다.

이렇게 우리는 전자가 이리저리 이동하는 자연과 물건들에 둘러싸인 전기문명 시대를 살고 있습니다.