반도체의 원료 : 실리콘(Feat. 실리콘 밸리)

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

여러분들은 실리콘 하면 무엇이 떠오르나요?

 

미용 쪽에 관심이 많은 분들은 보형물로 사용되는 실리콘을 떠올리실 테고

IT 혹은 반도체 관련 기술에 관심이 많은 분들은 실리콘 웨이퍼를 떠올리거 같은데요!

 

실리콘은 반도체, 화학, 태양광, 의료 산업 등 

현대산업에서 빠질 수 없고 매우 광범위하게 사용되는 원소입니다.

 

한 예로 미국의 애플, 구글, 인텔, 엔비디아 등 IT 기업들

모두 반도체 기술의 발전으로 탄생하였기에 반도체의 원료가 되는

실리콘의 이름을 딴 실리콘 밸리(Silicon Valley)가 형성되었죠.

 

오늘은 실리콘의 특성과 활용분야에 대해 알아보겠습니다!

 

실리콘(Silicon, 규소)

 

반도체 공정의 핵심 원료인 실리콘 웨이퍼

 

1. 실리콘이란?

 

이산화규소(흙, 모래)로부터 얻어지는 실리콘은 원소번호 14번의 암회색의 금속입니다.

거의 모든 산업분야에서 필수적으로 사용됨과 동시에 첨단소재로서

유기성과 무기성을 겸비한 독특한 화학재인데요.

 

실리콘(Si)은 탄소가 없는 비금속의 무기성 소재이지만

탄소 원자처럼 4개의 화학결합을 할 수 있고 산소와 잘 결합하여

지각의 90%를 차지하는 규산염(SiO4)의 형태로 존재합니다.

 

이 규산염의 구조는 화학적으로 매우 안정적이기에

열적 안정성, 내구성, 탄력성, 유연성, 내약품성 등

다양한 분야의 산업에 소재로서 활용하기에 적합한 장점들을 가지고 있는데요.

 

조 바이든 대통령이 들고있는 실리콘 웨이퍼 - 출저(AP연합뉴스)

 

2. 왜 반도체의 주원료는 실리콘일까?

 

가격적인 측면

 

반도체 개발 초기 당시에는 게르마늄(Ge) 금속을 사용하여 최초로 트랜지스터를 만들었지만

주위에 널려있는 흙, 돌멩이, 모래 등을 이루는 구성요소가 이산화규소(SiO2)인 만큼

실리콘은 게르마늄과는 비교할 수 없을 정도로 희소성이 낮기에 가격경쟁력이 있습니다.

 

산화막형성

 

실리콘은 산소와 쉽게 결합하여 산화막을 형성하는 특징이 았습니다.

이 산화막은 열 산화 혹은 기상 증착 공법을 통해 형성시키며

외부로부터의 침입을 막아주는 베리어 역할을 하는데요!

 

나노단위의 미세한 공정을 이루는 반도체에서는 아주 작은 불순물일지라도

전기적 특성의 치명적인 영향을 미치기에 다른 물질에서는 얻기 힘든

실리콘의 매우 중요한 특성입니다.

 

적절한 밴드갭(Band Gap)

 

※ 밴드갭(Band Gap)

원자가 공유결합을 통하여 고체 결정구조를 가짐에 따라

띠 형태의 에너지 밴드가 생기게 되고

전자가 모여있는 가전자대(Valence Band)와

전자가 없는 전도대(Conduction Band) 사이의 에너지 간격을 의미

 

밴드갭의 차이가 클수록 가전자대의 전자가 전도대로 쉽게 넘어갈 수 없기에

전기전도도가 낮아지는 부도체가 되는 것이고,

밴드갭의 차이가 작을수록 전자가 전도대로 쉽게 넘어갈 수 있기에

전기전도도가 높은 도체가 되는 것입니다.

 

여기서 실리콘의 밴드갭은 너무 크지도, 작지도 않은 적절한 차이를 가지기에

평소에는 전자가 잘 넘어가지 않는 상태(부도체)여도 인위적인 조작을 주면

전자가 잘 넘어가는(도체) 상태가 되는 특성을 가지게 됩니다.

이것이 반도체의 주원료가 될 수 있었던 핵심적인 특성인 것이죠!

 

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반도체 산업이 발전할 수 있었던 이유는 실리콘 웨이퍼의 여러 한계점들을

(실리콘의 정제, 부족한 전기전도성(높은 밴드갭), 결정 구조의 정확성 등)

극복해 내어 혁신적으로 기술을 개발했기 때문인데요.

 

최근 인공지능(AI)의 발전으로 고성능의 반도체가 필수적인 지금

국내 기업에서도 새로운 기회와 도전을 마주하고 있습니다.

이러한 상황 속에서 발 빠른 대응으로 한 발자국 더 나아가

국내 반도체 산업의 기술적 도약과 활기찬 성장을 이루길 기대합니다!

 

이상 흥. 재. 과였습니다!