[한장TECH] 트랜지스터의 진화

[테크월드=이건한 기자]

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반도체의 핵심 소자로 꼽히는 트랜지스터(Transistor). 우리가 스마트폰과 노트북을 어디서나 휴대하고, 방안에 여러 전자가전을 들일 수 있게 된 건 모두 트랜지스터의 개발 이후 가능해진 일이다. 트랜지스터는 기존의 진공관 대비 압도적으로 작은 크기와 저전력 등의 이점을 내세워 전자산업의 발전을 눈부시게 가속했다. 이를 두고 혹자는 트랜지스터를 '전자공학의 꽃'이라 부르기도 한다.

트랜지스터가 개발된 지 벌써 70여년 전이 흘렀다. 길다면 길고, 짧다면 짧은 시간이다. 하지만 트랜지스터의 개선과 진화는 여전히 현재진행형이다. 그리고 이것이 전자산업 발전에 미치는 영향력 또한 여전하다. 

비록 눈에 띄진 않지만, 전자공학에 관심 있는 사람이라면 한 번쯤 알고가면 좋을 트랜지스터의 과거와 현재, 미래 모습과 방향성을 테크월드가 한 장의 슬라이드로 정리해봤다.

⊙ 소형화의 시작, 전자제품이 일상에 들어온 시기

트랜지스터가 세운 가장 큰 공은 바로 진공관을 대체한 일이다. 1947년 개발된 점/면 접촉식 트랜지스터는 진공관보다 수십 배 작은 크기와 적은 전력 소모, 저렴한 생산 비용 등으로 컴퓨터를 비롯한 각종 전자제품의 소형화를 이끌어냈다. 흔히 가전(家電)이란 가정에서 사용하는 전자 제품을 뜻하는데, 만약 트랜지스터가 개발되지 않았다면 가정에 쓸 만큼 작고 효율적인 제품은 만들어질 수 없었을 것이고 가전제품이란 단어도 등장하지 않았을 것이다.

⊙ 소형화의 끝은 집적도를 향한 무한 경쟁

트랜지스터에 대한 연구 개발이 진행될수록 트랜지스터는 점점 작아졌고, 집적과 대량 생산에 유리한 MOSFET 구조 트랜지스터가 개발된 이후 집적회로(IC)에 더 많은 트랜지스터를 심어 반도체 칩 성능을 향상하려는 제조기업 간 경쟁은 점차 심화됐다.

기업들은 미세공정 수준과 더불어 트랜지스터 집적도를 자사의 기술력 과시를 위한 수단으로 활용했고, 초기 컴퓨터에 약 2300개 정도 사용된 트랜지스터의 숫자는 현대에 들어 수십 억개 수준으로 증가한다. 이에 산업·소비자용 전자제품의 성능 개선도 빠른 속도로 증가한다. 불과 10년 만에 엄청난 성능 향상을 이뤄낸 스마트폰이 대표적이다.

⊙ 한계를 돌파하라, 미래형 스핀 트랜지스터

하지만 단순한 소형화는 물리적인 한계가 명확하다. 이를 타개하기 위한 다양한 노력이 있었고, 현재 가시적인 성과를 보이는 연구 중 하나가 바로 스핀(Spin) 트랜지스터다. 스핀 트랜지스터는 전자의 이동 뿐 아니라 회전 정보까지 디지털 신호 구분의 기준으로 활용해 트랜지스터의 성능과 저전력 수준의 한계를 또 한 번 돌파할 수 있는 획기적 구조를 갖고 있다.

만약 이것이 상용화된다면 1회 충전에 수 주에서 한달까지 작동하는 스마트폰, 부팅 없이 파워를 누르자마자 켜지는 컴퓨터, 고성능 AI 기기, 전력 소모가 대폭 줄어든 슈퍼 컴퓨터, 양자 컴퓨팅 응용, 무어의 법칙 부활 등이 가능해지며 전자산업은 또 한 번의 혁신기를 맞이하게 될 것이다.