[대한민국 희망 프로젝트]<503>실리콘

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실리콘
<실리콘>

실리콘은 반도체와 액정표시장치(LCD), 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이 패널의 주 원료입니다. 굳이 어려운 전자부품까지 가지 않더라도 실리콘은 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 물질입니다. 유리창이 대표적입니다. 실리콘은 산소와 결합하면 투명한 성질을 갖게 됩니다. 이런 원리를 이용한 것이 바로 유리창이죠. 따뜻한 차를 채울 수 있는 유리컵 역시 실리콘을 사용합니다. 어려운 물질인 것 같지만 사실은 우리 실생활과 매우 밀접한 연관성을 갖는 것이 바로 실리콘입니다.

Q:왜 실리콘인가요?

A:실리콘(Silicon)이라는 이름은 라틴어로 부싯돌을 의미하는 `silex`와 탄소 영문명인 `carbon`의 합성어입니다. 한자로는 규소(硅素)라고 씁니다. 규소는 유리를 만드는 흙의 원소입니다. 부싯돌이나 흙, 모래에서 쉽게 찾아볼 수 있는 물질이기에 실리콘 혹은 규소라는 이름이 붙었습니다.

지구 내에서 산소 다음으로 풍부한 원소가 실리콘입니다. 지구과학자들은 지각 무게의 약 25% 이상을 차지하는 것으로 추정합니다. 원소주기율표상 번호는 14번, 기호는 Si입니다. 탄소와 비슷한 성질을 가지고 있어 주기율표에서 탄소 바로 아래에 위치합니다. 차이라면 금속과 비금속 특성을 모두 갖는 준금속이라는 것으로, 전기를 통하게 할 수도, 전기를 통하지 않게 할 수도 있는 반도체적 성질을 갖고 있습니다.

Q:실리콘은 어떻게 반도체가 되나요?

A:실리콘은 전기가 잘 흐르는 도체, 전기가 흐르지 않는 부도체의 중간 성질을 갖고 있습니다. 평소에는 전기가 통하지 않지만 불순물이 섞이거나 빛이나 열을 가하면 전기가 통하는 성질이 생깁니다. 독성도 없습니다. 앞서 언급한대로 지구상에서 가장 풍부한 물질이기에 안정적 조달이 가능합니다. 이런 여러 가지 장점 덕에 실리콘은 다양한 산업에서 활용되고 있습니다. 정보통신(IT) 산업계 요람인 미국 실리콘밸리(SiliconValley) 이름도 실리콘과 연관이 있습니다. 반도체 주원료인 실리콘과 연구단지가 위치한 산타클라라 인근 계곡 밸리를 합쳐서 탄생된 이름이 바로 실리콘밸리입니다. 반도체 칩의 창시자 밥 노이스도 실리콘밸리에서 창업했습니다.

실리콘 잉곳
<실리콘 잉곳>

Q:반도체에는 어떻게 사용되나요?

A:모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 쓰려면 정제 과정이 필요합니다. 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도 용액으로 만들고, 원통형의 실리콘 기둥으로 가공합니다. 이것을 잉곳(ingot)이라고 합니다. 이 잉곳을 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 절단하면 원판형의 웨이퍼가 됩니다. 칼로 무를 썰어내는 과정을 생각해보면 쉽습니다. 웨이퍼는 직경 표준이 정해져 있는데요. 최근 가장 많이 쓰이는 웨이퍼 직경은 300mm입니다. 이렇게 나온 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 상태이기 때문에 반도체적 성질을 갖도록 다양한 물질을 덮고 깎는 반복 가공 과정이 필요합니다. 가공이 끝난 웨이퍼 원판에서 각 칩을 잘라내면 스마트폰이나 TV에 탑재되는 `칩`이 되는 것이죠. 최근에는 이 보다 큰 450mm 웨이퍼도 개발되고 있습니다. 웨이퍼 직경이 커지면 면적이 넓어져 한 번에 더 많은 칩을 생산할 수 있기 때문입니다.

가공을 마친 실리콘 웨이퍼
<가공을 마친 실리콘 웨이퍼>

Q:디스플레이에도 실리콘이 들어가나요?

A:LCD나 OLED 패널 아래쪽에는 회로를 구동해 화면을 표시하도록 돕는 박막 형태의 트랜지스터가 탑재됩니다. 전문 용어로는 TFT((Thin Film Transistor)라고 부릅니다. TFT의 주요 재료 역시 실리콘입니다. 따라서 디스플레이 패널도 큰 범위로 놓고 봤을 때 반도체 제품으로 분류할 수 있습니다.

규소는 반도체 외 다양한 곳에서 만날 수 있습니다. 크리스털로 불리는 수정이 대표적인대요. 수정은 규소와 산소로 이뤄집니다. 약간의 불순물이 섞이면 자수정 같은 다양한 색을 띠게 됩니다. 부식성에 대한 내성이 강하기 때문에 건축물에도 많이 사용됩니다. 1900년대 무선전신기를 개발할 때 반도체 성질을 가진 크리스털을 부품으로 활용하기도 했습니다.

Q:Silicone와 Silicon은 같은 의미인가요?

A:비슷해 보이지만 화학적으로는 엄밀히 구별됩니다. Silicon은 원자번호 14번 규소를 의미하고 Silcone는 규소와 산소로 이뤄진 고분자 화합물을 뜻합니다. Silicone의 원료 물질이 바로 Silicon이라고 생각하면 됩니다. Silicone는 콘텍트 렌즈의 재료, 접착재, 성형수술에 주로 사용되는 물질입니다.

한주엽 반도체 전문기자 powerusr@etnews.com