반도체와 한국 Semiconductor & Korea
반도체와 한국 Semiconductor & Korea
1^0 최원재
2024. 9. 23.
(1) 시작하며
(2) 반도체 제조공장 바깥 모습
(3) 반도체 제조공장 안 모습
(4) 기술과 과학이 궁금한 그대에게
(5) 강대원 MOSFET과 Floating Gate
(6) 대부 김충기
(7) Display TFT 장진
(8) FinFET 최양규
(9) 한국 반도체 산업의 역사
(10) 반도체 시장의 특징
(11) SK hynix의 역사
(12) 바램과 후기
(*) 참고 서적과 추천 도서
1. 시작하며
<과학동아 잡터뷰> 반도체 엔지니어 7:20 [2021년 9월호]
https://youtu.be/bsNzB01KDZI?si=cDQcTRUNgfkYqirI 반도체는 누가 만드나? 내가 만들지! 
https://news.skhynix.co.kr/post/giving-dreams-to-science-and-technology-dreamers
과학기술 꿈나무들에게 ‘꿈’을 선물하다… SK하이닉스 진로멘토링 Happy Dreaming 2021-06
(발췌) ‘반도체 엔지니어가 되기까지 도움 되었던 경험은?’
저는 없으면 배워서 하는 사람이었습니다. 그런 학과를 다녔고,
운이 좋게 세계 top인 분들 옆에서 제가 돌아다녔네요.
방법은 필요한 거 찾아다니면 필요한 거 배우게 되고,
좋은 사람 만나게 되고, 그러면서 실력 쌓으면 됩니다.
→그래요. 제가 만났던 좋은 사람 몇 분을 소개합니다. 세계 top인 분들입니다.
한국 반도체의 대부!, 세계 Display 선구자, FinFET 장인, 그리고 MOSFET 강대원!!
2. 반도체 제조공장 바깥 모습
2018년부터 2020년 동안 한국 경기도 이천에 어마어마한 건물이 들어섰습니다. 저는 그 회사를 다니고, 그 회사 바로 앞에 삽니다. 근처에서 제일 높은 건물, 가장 꼭대기 층이죠. 엄청난 계획을 듣고 사진을 찍기 시작했습니다. Facebook에 올리고, 회사 안 blog에도 올렸지요. 좋은 행사에서 전국의 학생에게- 제가 느꼈던 뿌듯함을 나눈 적도 있습니다.
https://news.skhynix.co.kr/presscenter/completion-of-future-growth-engine-m16-fab (발췌) SK하이닉스는 2018년 11월 M16 착공 이후 총 3조 5000억 원, 공사 인력 연인원 334만 명을 투입해 25개월 만에 준공했다. D램 제품을 주로 생산하게 될 M16은 축구장 8개에 해당하는 5만 7000㎡(1만 7000여 평)의 건축면적에 길이 336m, 폭 163m, 높이는 아파트 37층에 달하는 105m로 조성됐다. SK하이닉스가 국내외에 보유한 생산 시설 중 최대 규모다.
아... 어마어마한 건물의 건설 과정을 지켜보았습니다.
정말 많은 감정을 느꼈고, 상당수는 벅찬 감동입니다.
아...... 이걸 말과 글로 표현하기 너무 어렵네요.
나는 그 과정을 보았습니다. 두 해 동안.
새의 눈높이라할 100m 높이에서 보았습니다. 그리고 기록했습니다.
안에 있는 보물을 이야기하고 싶습니다.
어마어마한 건물, 반도체 공장 안에서
어떤 일이 벌어질까요?
어떤 과학과 기술이 일하고 있을까요?
그걸 사용하는 사람은 누구일까요??
지금껏 발전시켜 온 과정은 어떨까요???
그건 어떤 사람이 했을까요????
3. 반도체 제조공장 안 모습
2022년 2023년 2024년 동안 Oxford block으로 어린이날 선물을 받았습니다. 정확히는 제 두 아이가 받았습니다.
2022년 M16 (이천)
2024년 반도체 제조라인: 이건 실물의 사진도 좀 올립니다.
많은~ 장비(기계)가 있는데- 여기는 3개 있습니다. 사람 모형도 3명 있습니다. 옷을 3가지 색상으로 구분해놨죠. 맡은 역할에 따라서 다른 색상을 입습니다. 방진복이라고 부릅니다. 먼지 막는 옷이에요!
노란 방(Yellow Room)이 있습니다. 여기 있는 기계는 빛에 민감해서 신경을 쓴 거랍니다. 유리에 색상을 넣어서- 다른 색은 걸러냈어요. 그러다보니 노란 색의 별도 공간이죠.
천장에 로봇이 rail에 달려 있습니다. 지금 모습은 2대의 기계 각각 위에 있네요. 적당한 위치에 오면 로봇 팔이~ 쭉 내려오면서 '착륙 장소'에 원통 FOUP을 내려놓습니다. 기계에서 다른 곳으로 갈 때도 비슷하게 하죠. 쓩쑹~~
여러 통이 돌아다니다보면, 좀 쉬어가는 경우가 생기죠. 몇몇은 바빠서 쉴 새 없이 이 기계 들어갔다 저 기계 들어갔다 바쁘지만, 몇몇 친구들은 대기하는 경우도 생깁니다. 그럴 때 머물 곳도 있어야겠죠? 한 쪽에 휴게소가 있습니다. 초록 띠와 노란 띠 친구가 거기 들어가 기다리는 모습이네요.
어떤 기계는 겉으로 보기에 box 모양으로 간단하게 생긴 경우도 있습니다. 어떤 기계는 겉에서 봐서 구조가 좀 보입니다. 하늘색 4개의 덩어리가 있는 경우가 이런 경웁니다.
https://news.skhynix.co.kr/post/the-open-family-tour ‘구성원 가족의 행복을 위해’ SK하이닉스가 캠퍼스 문 활짝 열었습니다
SK하이닉스가 구성원 가족과 지인을 회사로 초대하는 프로그램 ‘The OPEN’을 지난 4월부터 진행하고 있다. 이 행사는 ▲캠퍼스 버스 투어 ▲팹(Fab)윈도우 투어 ▲체육/문화시설 체험 ▲점심식사 및 편의식 체험 프로그램으로 구성되어 있다. 매월 1회 이상 진행한다.
팹 윈도우 투어는 실제 반도체 공정을 둘러볼 수 있는 흔치 않은 기회로 인기가 좋다. 복도 끝에 반도체 공정을 관람할 수 있는 큰 유리창이 뚫려 있었고, 창문 너머로드넓은 공장 내부와 각종 기계들이 보이자 아이, 어른 할 것 없이 감탄사가 터져 나왔다.
4. 기술과 과학이 궁금한 그대에게
올해는 2024년입니다. 나는 책을 쓰고 있습니다.
꽤 오래 구상을 해오다가 올해 2024년에 접어들면서 "꼭 써야겠다!"라고 다짐합니다. 필요성과 부담감, 어떤 의미에선 사명감을 느낍니다.
처음에는 '감히 내가 이 책을 써도 되는 걸까?'라는 생각을 했습니다. 그러다가 어느 순간에 '나를 위해가 아니라 책을 읽는 독자를 위해 책을 써야 하는 구나'고 생각합니다. 저를 자극한 중요한 계기는 3번입니다.
우선 4월과 6월에 했던 강연 3번입니다. 경희대 MBA, 충남대 반도체융합, Holston 여고.
다음으로 특별한 책 <75th Anniversary of the Transistors>입니다. Tr 75책에서 반도체와 한국과 나를 발견합니다. TFT 장진, FinFET 최양규.
마지막으로- 한 분의 죽음입니다. 정문술 선생(1938-2024) 이 분이 대학 시절 이후의 제 삶에 큰 영향을 주셨습니다. 저는 대학원 (석사 과정, 박사 과정)을 KAIST 정문술 빌딩에서 공부했습니다. 바이오및뇌공학과 (초기 이름 바이오시스템학과)는 2002년 설립되었습니다. 특별한 기부가 있었고, 그것이 특별한 학과를 설립하였으며- 저는 학생으로서 초기 참여자입니다.
돌이켜보니- 그분의 회사는 1983년 창업한 미래산업이고, 이 회사의 주요 품목은 '반도체 검사 장비'입니다. BT+IT 분야를 선도하라고 콕 집어서 요청을 하셨고, 그래서 KAIST의 그 학과는 Stanford 등 미국 유수 대학과 같은 시기에 발걸음을 내딛었지요. 그런데 저는 연구박사와 국가 연구소 그리고 짧은 교수 생활을 거쳐, 반도체 회사에 들어와 12년째 일하고 있습니다.
그러면서 지금 <반도체와 한국>에 대해 글을, 그리고 책을 씁니다.
미래의 핵심 기술이 반도체와 연관되고, 정문술 선생의 그 회사가 IT의 현장에 있었던 거처럼, 지금 저와 우리의 삶과 환경을 만들어 왔습니다.
그리고 venture(startup)의 흐름 가운데 있었던 것이...
지금 저와 우리의 삶과 환경을 만들어 왔습니다.
오늘의 기술, 내일의 꿈과 어제의 기록 사이에서~
세계와 역사 앞에서~~
--나는 모든 것을 알진 못합니다. 중요한 몇 가지를 압니다. 그걸 이야기합니다. ^^;
제 이야기가 너무 길어지나요? 중심으로 돌아갑시다.
기술 인재, 과학 인재가 없다고 우려의 목소리가 많은 요즘입니다. 돌이켜보면 저도 '의대 진학'을 고려했고 갈등했지요. 20여년 전에도 어느 정도는 그랬고, 우리나라는 그 이후로 몇몇 굴곡의 일을 겪으며 흘러왔습니다. 요즘은 의대 정원이 시끄러운 상황이지요. 저는 1997년 과학고-외고 비교내신제 파동의 당사자입니다. 저와 많은 친구들이 갈등과 고민을 겪고, 각자의 선택과 그에 따른 삶을 살아왔죠.
반도체- 지금 잘 나가는 분야입니다. AI 인공 지능~ 반도체 없이는 어렵습니다. AI 시대에 돈 벼락 맞은 회사 Nvidia는 GPU란 반도체를 만드는 회사이고, 우리 SK hynix는 여기에 HBM이란 memory를 공급해서 짭짤합니다. 잘 나갑니다.
2020년대 AI 물결, 2010년대 smart-phone 물결, 2000년대 Internet의 물결 (.com 거품), 1990년대 PC의 물결... 반도체의 발전, 특히 memory의 발전은 한국이 한 몫 했습니다.
반도체의 발전이 여러 분야 processor (CPU와 GPU 등), memory와 storage, foundry, image sensor, 통신 chip 등 많습니다. 연관되는 기술 분야로 display, 태양광 발전과 battery 등도 있습니다. 제 생각으로는 display, 태양광, battery는 넓은 의미의 반도체에 포함됩니다.
넓게 생각하면- 대부분의 과학 영역을 활용합니다. 전자공학이 기본이긴 한데, 물리와 화학을 잘 활용하고, 재료과학과 화학공학 많이 활용합니다. 그러다보니 수학을 씁니다. 간단한 수학도 쓰고, 경우에 따라서는 복잡한 수학도 씁니다. Computer 구성하는 게 반도체고, Computer가 발전하면 그와 함께 반도체도 발전을 합니다.
제게는 반도체의 발전 과정이 흥미롭습니다. 그리고 지금의 발전도 힘들기도 하지만, 자극적입니다. 미래를 만들어가고 있으니까요. 잘 들여다보면- 제가 쓰는 여러 제품에서- 제가 기여한 반도체를 사용하고 있으니까요.
이 책에서 <반도체와 한국> 이야기합니다. 오랜 기간 많은 사람이 참여해왔기에- 어떤 분께 이야기를 듣느냐에 따라 각기 다른 version일 겁니다. 저는 제가 아는 큰 흐름을 이야기하고자 합니다. 지금의 반도체, 지금까지의 반도체.. 그리고 앞으로의 반도체!
이렇게 이야기하면서 곱씹으니- 결코 완벽할 수 없는 이야기임을 깨닫습니다. 역사이기 때문이지요. 오히려 그렇기에 우리가 역사를 살펴보는 것이라 생각합니다.
이 책을 읽는 그대가, 젊은 그대, 기술과 과학이 궁금했으면 좋겠습니다.
고등학교에서 공부하는 물리와 화학과 수학이~ 그리고 Computer가~~
그대의 삶에 도움이 되길 바랍니다.
공부하라고 정해놓은 과목이어서가 아니라,
나의 삶을 꾸려가기 위한 발판으로서의 '배움'이 되길 바랍니다.
제가 책을 쓰는 것이- 제 유익보다, 그대에게 도움이 되길 바랍니다. 간절히 바랍니다.
제가 감히 <반도체와 한국>을 이야기합니다. 기술과 과학이 그대에게 흥미롭기를 바라며!
5. 강대원 MOSFET과 Floating Gate
강대원 박사, 그는 누구인가?
姜大元, Dawon David Kahng 1931-1992
55년 서울대 물리과를 졸업하고, 미국 오하이오 주립대학교 전자과에서 59년에 박사학위를 취득하였습니다. 그 후 Bell Lab에 입사하여 1960년에 MOSFET을 개발하였습니다. MOSFET은 반도체를 고집적 및 양산이 가능한 구조로 오늘날 SK하이닉스, 삼성전자의 DRAM 등의 기초 소자입니다.
또한 MOSFET은 과거 진공관과 Transistor로 대표되는 초기 전자회로 시대를 뛰어넘어 IC시대(집적회로)로 발전하는데 가장 기초적이고 획기적인 발명품으로, 지금 쓰이는 digital 전자회로의 토대입니다. 2009년 공로를 인정받아 미국 특허청의 '발명가 명예의 전당(National Inventors Hall of Fame)'에 이름을 올렸습니다.
한국인 최초 IEEE Fellow였으며, 35개 이상의 논문을 썼으며 22개의 미국 특허를 냈습니다. 1988년 Bell Lab 은퇴한 후, 4년간 미국 NEC lab에서 일하셨습니다.
주요 연구 업적: 발명 2가지
#01: MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)
1960년 발명으로 Si 기판 표면에 drain과 source 역할을 하는 2개의 well을 형성합니다. 그 뒤 반도체 상부에 유전체 (SiO2)를 형성하고, 그 상부와 p-well 사이에 metal gate를 형성합니다.
1947년 Bell lab의 3인이 공동 개발한 세계 최초의 반도체 트랜지스터 소자인 BJT (Bipolar Junction Transistor)는 특성상 고집적화나 대량 양산에 한계가 있었습니다. 또 전력 소비가 크고 제조가 까다로워 제품화가 곤란한 반도체 소자였습니다.
이러한 기존 반도체로는 생산성이 떨어지는 문제 및 전력 소비 문제를 해결하고자, 1960년 강대원 박사와 M.M Atalla가 MOSFET을 개발하여 대량 생산이 가능한 반도체 산업의 기초를 닦았습니다. 현재 CPU, DRAM, NAND 등 거의 모든 반도체가 이 MOSFET을 기반으로 만들어집니다. 1959년 최초의 집적회로(IC)를 만든 Jack Kilby는 2000년 노벨상 수상 공적서에 MOSFET을 언급했죠.
#02: 비휘발성 반도체 기억장치 (Non-Volatile Floating-Gate Memory)
MOSFET을 발명 7년 뒤인 1967년 강대원 박사는 S.M.Sze와 함께 또 다른 발명을 발표하였습니다. 간단히 소개하면, 기존 MOSFET의 metal gate 상부에 전기적으로 절연된 floating gate를 추가하여 절연체-금속-절연체의 샌드위치 구조를 형성합니다. Control gate에 외부 전계를 인가하면 전하가 tunneling에 의해 floating gate 층에 들어갑니다. 이후 외부 전계를 제거해도 metal 층의 전하에 의해 전계가 유지되고, 이로 인해 기판에 channel이 지속됩니다. Floating gate 내의 전하를 제거하기 전까지는 source와 drain 사이에 전류가 흐를 수 있는 channel이 계속 존재하는 memory 기능을 갖습니다. Energy Band Diagram으로 전하 주입의 과정과 기억효과를 정확히 표현하고 있습니다.
몇 편의 youtube 영상이 있습니다. 회사 SK hynix와 SK mySUNI에서도 몇 가지 다룬 영상이 있습니다. 나무위키에도 어느 정도 소개가 있습니다. https://namu.wiki/w/강대원
1976년 회고 논문 TED(IEEE Transaction of Electronic Devices)이 있습니다. “MOS Transistor 및 관련 장치의 개발에 대한 역사적 관점” A historical perspective on the development of MOS transistors and related devices.
엄청난 논문입니다. 번역과 강독을 통해 이 분의 지혜를 많이 얻을 수 있습니다. 공부하고 싶은 분은 제게 연락주세요~ ^^;
참고로 S.M. Sze는 나중에 교수가 되어~ 주옥같은 반도체 서적을 저술하셨습니다. <Physics of Semiconductor Devices> 그리고 <Tr 75>책의 15장 Floating-Gate Memory: A Prime Technology Driver of the Digital Age 를 쓰셨습니다.
6. 대부 김충기
Godfather Kim 김충기, 한국반도체의 대부 https://ko.wikipedia.org/wiki/김충기
생애 및 업적: 첨단 반도체 연구를 국내에 정착시키고, 한국 반도체산업 1, 2세대 주역들을 키워낸 교수이자, 전자공학자
1942년 서울에서 태어났다. 경성방직 방직 엔지니어였던 아버지의 영향으로, 문제 해결을 중시하는 엔지니어 정신이 충만한 환경에서 어린 시절을 보냈다. 서울대 전기공학과를 졸업하고 미국 Columbia 전자공학과에서 반도체 이론 연구로 박사학위를 받을 때까지 학구적이고 전형적인 모범생이었다. 이후, 1970년 미국 최고의 반도체 기업 Fairchild에 입사해, 어린 시절 익숙했던 엔지니어 정신을 일깨우며 연구에 몰입했다.
전자공학 연구 성과
당시는 반도체 핵심 소자인 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD)가 처음 개발된 직후였다. 입사 후, 최첨단 기술이었던 CCD 연구에 참여하였다. 그리고 CCD 기초연구와 CCD 영상감지소자 기술을 기반으로 1973년에 세계 최초로 500 화소(pixel) CCD를 개발하는 성과를 거두었다. 이 기술은 상품화되었으며, 동료들에게 “CCD 교수”로 불릴 정도로 전문성을 인정받았다. 또한, Fairchild에서 항상 기술의 실제 문제를 염두에 두는 엔지니어의 연구 태도와 자유롭게 의견을 말하고 토론하는 소통 기술을 경험했다.
반도체 연구와 인재 양성
1975년 귀국하여, 한국의 반도체 산업에 기여하고 싶은 소망을 안고, 신생 KAIST 전자과 교수가 되었다. 1970년대 초 한국 정부는 반도체 공업의 중요성을 인식했고 일부 노력이 있었으나 반도체에 대한 체계적인 연구나 교육은 이루어지지 못한 상태였다. 그는 3년에 걸쳐 KAIST(서울 홍릉)에 반도체 집적 회로 제작 설비를 설치했다. 덕분에 이론과 실습이 균형을 이룬 첨단 반도체 연구와 교육이 가능해졌다.
1980년대 그의 연구실은 한국 반도체 기술 연구의 중심이 되었고 우수 학생들이 모여들었다. 그 이유는, 첫째, 반도체는 첨단 전자산업의 핵심이라는 인식이 널리 퍼졌으며. 둘째, 연구실이 늘어난 정부와 기업의 반도체 연구 지원을 감당할 수 있는 설비를 갖춘 거의 유일한 대학 조직이었고, 셋째, 여기에 그의 전문성과 우수 학생들의 열의가 더해져 우수한 연구 성과가 나왔기 때문이다. 제자들은 졸업 후 국내 주요 반도체 기업에 진출하였으며, 1980년대에 본격 시작된 한국의 반도체 산업이 빠른 속도로 본궤도에 오르게 하는 데 중요한 역할을 했다.
1990년대 그의 연구실에서는 연구 주제를 다각화하고 특히 미래를 준비하는 새로운 문제에 도전했다. 예를 들어, 냉각식 적외선 영상 감지 소자를 개발하여 국방용 적외선 카메라를 국산화했다. 또한 이 시기에 그의 지도로 박막 트랜지스터(TFT, Thin Film Transistor)나 액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display) 같이 새로운 주제에 도전했던 제자들은 한국 기업이 디스플레이 분야에서 세계 최고가 되는 데 중심 역할을 했다.
대한민국 반도체산업 발전의 기틀 마련
반도체 산업에 있어서 이렇다 할 전문가가 없던 시기에 첨단 연구 경력을 가지고 귀국한 후, 1975년부터 2010년까지 그는 72명의 석사와 38명의 박사를 지도해 한국의 반도체 산업의 인재들을 양성한 만큼, 정부는 1997년 국민훈장 모란장을 수여했다.
https://www.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=23890
김충기 명예교수 특강 ‘공학자의 마음’ 성료
김충기 명예교수의 특별 강연 '공학자의 마음'이 지난 6일 퓨전홀에서 개최됐다. 이번 특별 강연은 'IEEE Spectrum'에 <대한민국 반도체 산업의 대부, 김충기는 어떻게 한국이 반도체 강국이 되도록 기여했나> 기고문을 기념하기 위해 마련됐다.
김충기 교수는 1975년 KAIST 전산학부(당시 한국과학원 전자전산학과) 교수로 부임해 2008년 퇴임할 때까지 이론과 실습이 균형을 이룬 첨단 반도체 연구와 교육으로 산업 발전의 기틀을 마련한 전자공학자로 평가된다. 1·2세대 한국 반도체 주역들을 키워냈으며, 권오현 삼성전자 부회장, 임형규 SK 텔레콤 부회장, 이윤태 삼성전기 사장, 서강덕 삼성전자 부사장, 하용민 LG 디스플레이 부사장, 박성계 SK 하이닉스 부사장, 정한 아이쓰리시스템 대표, KAIST 경종민, 조병진, 윤준보 교수, 부산대 박주성 교수, 포스텍 김오현 교수, 충남대 이희덕 교수 등 총 78명의 석사와 39명의 박사가 김 교수의 제자다.
국내 교수로는 세 번째, 전자공학 분야 교수 중엔 처음으로 호암상(1993)을 수상하였으며, 국민훈장 모란장(1997)을 수상하였고 2019년에는 과학기술 유공자로 선정됐다. 한편, 이날 행사에서는 'IEEE Spectrum' 기고문 게재를 기념하는 동판 증정 행사가 진행됐으며, 2023년 여름에는 김충기 교수와 그 제자들을 다룬 단행본이 미국에서 출간될 예정이다.
김 교수의 학자적 성취를 다룬 'IEEE Spectrum' 기고문은 링크를 통해 확인할 수 있다. https://spectrum.ieee.org/kim-choong-ki
7. Display TFT 장진
https://www.hoamfoundation.org/kor/award/part_view.asp?idx=276 2017 호암상 업적
지난 반세기 동안 display는 혁신적인 진화를 거듭해 흑백 영상을 보여주던 장롱 크기에서 선명한 총천연색 영상을 보여 주는 얇은 평판으로 발전하였으며, 현재는 가벼우면서 휘어지는 flexible로 진화+발전하고 있다. 이 발전에 중추적인 역할을 해 온 선구자다.
액정 디스플레이(LCD)와 유기발광다이오드(OLED)를 구동하는 TFT backplane 기술을 개발하여 현재의 고성능 display 실현에 크게 기여하였다. 특히 저온에서 금속 촉매를 이용하는 방법으로 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는 박막 트랜지스터 제작 기술을 개발하였다. 이를 1998년 <Nature>에 게재하였다.
독자적으로 연구 개발한 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 산화물 박막 트랜지스터 기술로 능동형(AM) 디스플레이 분야에서 다수의 세계 최초 업적을 이루었다. 2002년 세계 최초로 플렉시블 AMLCD 디스플레이를 플라스틱 기판 위에 구현한 것을 시작으로, 2005년 금속 포일 위에 세계 최초의 플렉시블 AMOLED 디스플레이를 구현하였다. 한국 연구 개발 역량을 세계 최고 수준으로 이끌었으며, 현대 문명사회 발전에 기여하였다.
https://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=415607 ‘잔 라크만상’ 수상
“새로움과 창의성을 찾는 자세가 세계 최초의 원동력”
박막트랜지스터와 관련해 많은 업적을 쌓았다. 그는 박막 디스플레이 분야에서 플렉시블 아몰레드 디스플레이 시제품과 고성능 평판 디스플레이를 세계 최초로 구현하며 연구 탁월성을 입증했다. 연구 외에 TFT 국제학술대회 창립 및 기업체와 산학협력을 활발히 펼쳤다.
운이 좋게도 많은 학생이 연구실에 들어왔다. 학생마다 다른 연구 주제를 제시해줘야 했기 때문에 끊임없이 연구 주제를 고민했다. 새롭고 창조적인 주제를 찾기 위한 노력이 결과로 이어졌고, 세월이 흘러 노하우가 쌓이며 선순환 구조를 갖췄다.
산업계의 needs를 알아야 합니다.
온고지신(溫故知新): 남들이 다루지 않은 주제를 찾기 위해선 과거를 잘 알아야 한다. 지금껏 진행된 연구 동향을 모르고 새로움만 찾는다면 과거 연구를 답습하는 결과를 맞겠죠. 새로운 시도를 하기 전 항상 과거 동향을 살피는 자세를 갖춰야 합니다.
새로움을 찾는 과정은 필연적으로 많은 실패를 수반합니다. 실패를 인정하고 빠르게 연구 주제를 전환하세요. 연구 실패를 유발하는 요인이 치명적이라는 판단이 든다면 신속히 주제를 전환해야 합니다. 미국 연구자는 주제 전환이 굉장히 빠르다. 이 같은 자세는 빠르게 기술이 발전하는 현 상황에 더 적합할 수 있다. 한 주제를 장기간 연구하는 자세도 중요하지만, 빠르게 전환해 성공 가능성을 높여야 합니다.
이건 세계화로 촉발된 글로벌 경쟁과도 맞닿아있습다. 기술 경쟁은 국경을 가리지 않고, 미국과 중국의 기술 주도권 다툼은 경쟁의 격화로 이어졌다. 연구 주제를 대하는 유연한 태도와 냉철한 경쟁력 분석을 강조합니다.
선택한 연구 분야가 전 세계에서 경쟁력을 갖는지를 고려해야 한다. 우리나라에서 1등은 중요하지 않습니다. dispaly와 phone과 반도체!!
경쟁력을 갖추는 가장 좋은 방법은 정확한 미래를 예측하는 것이다. 2017년 호암상 특별강연에서 미래 예측의 중요성을 강조했습니다.
전 세계와 경쟁해 이길 수 있는 연구 분야를 선점해야 한다. 2000년대 중반 호황이던 플라스마 디스플레이 패널을 LCD가 대체하고 LCD가 플렉서블 디스플레이로 변화될 것으로 예측해 연구에 집중했고, 그 판단은 주효했다. 과거와 같이 정확한 예측이 필요한 시점입니다. Meta 시대에 활용할 display가 필요하다고 판단해 여러 갈래로 연구를 시도 중입니다.
<Tr 75>책의 21장을 저술하셨습니다.
21 The Thin Film Transistor and Emergence of Large Area, Flexible Electronics and Beyond. Yue Kuo, Jin Jang, and Arokia Nathan
제가 1년반을 모셨습니다. 연구박사(Post Doc)으로 1년반을 경희대 차세대 Display 연구팀에서 일했습니다. <Tr 75>책의 저자 중에 한국 분으로 유일합니다. 21장의 공동저자는 3분인데- 마지막 Arokia Nathan님은 책 전체 Editor 3분 중 한 분이구요. 어떤 계기로 함께 이 책에 참여하셨는지- 궁금하네요. 만나뵙고 여쭈어야겠습니다.
8. FinFET 최양규
FinFET 장인, 최양규
https://sites.google.com/view/nobelab/members/professor
최양규 교수님은 KAIST에 2004년에 부임하셨습니다. 그리고 2006년에 3nm Tr을 개발하셨습니다. 당시 세계에서 가장 작은 Tr이었고, 한국이 들썩들썩했습니다. 2022년 강대원 상을 수상하셨습니다. 세계 반도체 소자 연구의 한 축을 이끄셔서-, 작은 크기의 Tr, DRAM과 NAND Flash를 결합한 memory 구조 등을 연구하셨습니다. 또 Bio-응용 연구도 많이 하셨습니다.
1991년부터 1997년 동안 현대전자 (Hynix의 통합 전)에 근무하셨습니다. 그리고 나서 University of California Berkeley에서 석사와 박사를 하셨습니다. 반도체의 지존 Berkeley에서요!
그 반도체의 업적이 FinFET입니다. FinFET은 16nm 이후로 대세인 기술입니다. 어마어마하게 강력한 기술이지요. Intel은 자기네가 처음이라 주장하는 부분이 있고, 삼성전자도 자기네가 처음이라 주장하고, TSMC는 그 나름의 주장이 있습니다.
연구자로 살펴보면 과학기술정보통신부 장관 이종호 교수님이 있고, Berkeley Chenming Hu 교수님이 있습니다. 그리고 최양규 교수님은 Chenming Hu 연구팀에서 대학원생 시절 참여하셨습니다. 그리고 교수로써 2006년 3nm Tr (이것도 FinFET 구조)를 개발하셨습니다. 일본은 일본 대로 자기네가 기여한 부분을 주장합니다.
저는 <Tr 75>책에서 최양규 교수님의 사진을 발견하고, 너무 반가웠습니다. 책 12장 FinFET은 Berkeley Chenming Hu 교수님이 쓰셨습니다. 본인 소개 사진을 Obama 대통령한데 medal 받는 걸로 하실 만큼, 대단한 분입니다. 반도체 Tr 구조의 한 획을 그은 FinFET, 그리고 회로 시뮬레이션의 기틀 SPICE BSIM 을 개발하신 분입니다.
그림12.5에 여러 인물이 나온 사진을 보며~ 저로서는 많은 의문이 풀렸습니다. 신기하기도 했구요. 3장의 그림에서 6명을 언급합니다. 15명이 나온 윗 사진에서 Digh Hisamoto 1분. 23명이 나온 가운데 사진에서 Cathy Huang과 최양규 (YK) Choi 두 분, 3분이 나온 사진: Jeff Bokor 교수, Tsu-Jae King Liu 교수, C. Hu 교수 본인.
여러 교수와의 협력 연구인 동시에, 상당한 수의 대학원생이 참여한 project입니다. 반도체 소자를 ‘만들어서 결과를 봐야하죠. 여러 학생이 참여하고- 만들고 실험하는 데 상당한 돈도 들어갑니다.
DARPA (미 국방성) project였습니다. 몇 년 짜리 과정이었고, 먼저 엄청난 목표를 세우고, 앞 단계 (일단 해볼 수 있는 걸) 해보고서- 그 결과를 토대로, 이것저것 바꾸어 다음 단계를 추진하는 그런 project였습니다. 1996년에 설정한 초기 목표가 ‘25nm Switch’였다네요. 그걸 Xuejue Huang과 YK Choi때 20nm gate-length FinFET 까지 만들어 버립니다.
연구팀 내부에서의 협력과 경쟁, 그것이 분명 있었습니다. 또한 여러 나라와 여러 회사, 그리고 여러 연구팀이 참여하였습니다. 이들 level에서도 협력과 경쟁이 있었습니다. 이 기술은 DARPA 미-국방성 project가 되기 전에 일본 Hitachi에서 DELTA란 구조로 비슷한 개념이 연구된 바 있습니다. Digh Hisamoto는 Hitachi에서 DELTA 제작한 사람으로서, 방문 연구원으로 초기 Berkeley FinFET 연구에 참여하였습니다.
IBM, AMD, TSMC, Intel… 다들 앞서거니 뒤서거니 FinFET으로 전향했습니다. (참고로 Intel이 사골처럼 우려먹은 16/14nm도 FinFET구조입니다. Intel조차도 14 -> 10 nm 갈 때 엄청난 고생을 했지요.)
사진은 2023년 8월에 오랜만에 찾아뵙고 찍은 사진입니다.
반도체를, 반도체 소자 물리를, Device Physics를, 양자 역학 Quantum Physics를 이 분께 배웠습니다. 슈뢰딩거의 (살았는지 죽었는지 궁금한) 고양이와 고양이가 타고 오르내리는 사다리를 배웠습니다.
9. 한국 반도체 산업의 역사
지난 경제 성장 동안 전자와 반도체는 주요 기둥이다.
한국에 반도체 산업이 들어온 것은 1960년대 중반이다. 미국에 비해 10년 정도 늦은 시점인데- 미국 Komy, Fairchild 등이 합자회사를 만들어 Tr과 diode 조립 생산을 시작했다. 미국 반도체 업체들이 산업 기반이 열악했던 당시의 한국을 선택한 건, 저렴한 인건비와 높은 교육 수준 등의 이유다. 아남산업은 1969년 반도체 packaging 시장에 뛰어들었다. 정부 차원의 노력도 60년대 시작하였다. 1966년 KIST 설립 후 (silicon을 포함한) 반도체 기초 연구를 하였다.
1970년대 두 차례 oil-shock 를 겪으며 외국회사의 직접투자는 줄고, 국내 기업이 참여하였다. 1974년 강기동 씨가 ’한국반도체‘를 세워 Tr을 자체개발 하였다. 하지만 자금난을 견디지 못하고 삼성에 인수되어 1978년 ’삼성반도체‘가 되었다.
1980년대 들어 반도체 산업에 기반이 닦인다. 82년 현대, LG도 진출한다. 정부는 IBRD(국제부흥개발은행) 차관 2900만$로 81년 10월 KEIT 구미에 반도체생산 시설을 가동했다. 이곳은 4um급 공정 개발 등 요소 기술 확보 등에 기여했다. 83년 삼성전자는 경기도 기흥에 대규모 설비투자를 하며 반도체 사업 진출을 선언했다. 특히 memory 그 중에서 DRAM을 선정했고, 83년엔 세계 3번째 64kb 개발 성공했다. 현대전자는 1983년 뛰어들었는 데 초기에는 살짝 다른 SRAM을 주력으로 했다. LG반도체는 1979년 대한반도체를 인수하여 시작했고, 84년 KEIT 반도체 생산시설을 인수해서 microprocessor 생산을 했다.
80년대 후반부터 선택과 집중이 필요했다. 점차 거대 자본이 필요한 장치산업이 되었고. 종합반도체 산업은 Fabless와 foundry. 후공정으로 분화되었다. 한국 회사들은 memory를 선택하였고, 제조업에서의 수율 및 공정 관리는 이들의 장점이었다. 삼성의 83년 64kb DRAM은 미국 Micron 기술이전 이었는데- 256kb는 반년 후 개발했다. 현대전자는 DRAM으로 선회해 86년부터 256kb를 양산했다.
그렇지만 memory 반도체 시장 상황은 녹록치 않았다. 견제와 dumping이 있었고, 가격이 1/10으로 급락했다. 일본 기업은 개발과 양산을 늦추었고, 삼성은 적자에도 공격적 투자를 했다. 86년 1Mb, 88년 4Mb, 90년 16Mb, 92년 64Mb 개발하며- 선두가 되었다. 한국 정부도 산업 육성 정책으로 기여했다. 86년 ’초고집적 반도테 기술 공동개발사업‘으로 산-학-연-관 project로 속도전을 했다. ETRI 주도, 삼성-금성-현대 교류했다. 93년까지 6년간 했다.
90년대 초반부터 삼성은 2세대 이상 먼저 개발하는 전략을 썼다. 선두를 확고히, 시장을 지배한 것이다. 현대와 LG는 그걸 따라 선행기술 투자를 확대했다. 97년 IMF위기에, 미국의 한국 반도체 산업 견제 속에- 선제적 구조 조정을 했고, 세계 5위 현대전자가 세계4위 LG반도체를 합병한다. 하지만 chicken game을 감당 못해 workout을 한다. 비메모리 사업부를 magnachip반도체로 분사. 2008-9 금융위기 때 불황을 겪는다.
그간에 일본은 Elpida마저 망하고, 2011년 SK가 인수해 SK hynix가 된다. Memory 반도체 시절은 여러 부침을 겪으며, 줄고 줄어서 현재 3강 (삼성, SK, Micron)이다. 2010년대 이후 한국의 반도체 산업은 세계 선두권이다. 현재는 memory가 큰 데, fabless, foundry, system 반도체도 생겨난다.
10. 반도체 시장의 특징
반도체의 원래 뜻은 상온에서 전기를 통하는 성질이 도체와 부도체 중간 정도인 물질을 말한다. 상품으로서 반도체는 PC, TV, phone등 전자제품에 들어가는 부품이다. 기억 DRAM, 저장 NAND, 두뇌 AP와 CPU, Image Sensor 등이 있다.
전 세계 시장 중 전자제품은 GDP의 2%이며, 전자제품의 20~25%가 반도체다. 기억과 저장(DRAM+NAND)은 전체 반도체 시장의 27%를 차지한다. DRAM 15%, NAND 11% (2020년 기준)
IDM (설계/생산 다 하는)이 memory쪽은 주류인데, Foundry의 (TSMC와 SMIC) 등이 생산을 전담하고, Fabless( Nvidia, AMD, Qualcomm, Broadcom) 등이 활동한다. 그런데 요즘 기존 IDM 강자였던 Intel과 삼성도 Foundry도 한다면서 또한 Fabless를 한댄다.
반도체가 쓰이는 분야로는~ phone, PC, server 등이 있다.
Moore’s law를 필두로, 아주 빠르게 발전해왔다. 투자 집약적 산업으로 신규 Fab 건설 비용은 증가하고 있다. M14 19조원 @2014~2015년. 호황과 불황이 반복되는 데- 주요 요인은 수요는 빠르게 변하지만 공급은 늦게 따라간다는 점이다. DRAM은 80년 이후 9차례 cycle이 있었고, 지금 10번째 중이다. NAND는 00년부터 19년까지 쭉 성장하다 첫 cycle 중이다.
DRAM 산업은 기존 및 신규업체가 진입과 퇴출되어왔다. Intel 85년 out. TI와 Motorola, NEC, Hitachi 98년 out, Qimonda 09년, Elpida 12년.
Computing System은 70~80년대 IBM mainframe 시대를 거쳐, 90~00년대 Intel/Microsoft의 PC 시대를 거쳐, 2010년대 mobile 시대(ARM과 Google)의 시대를 경험하고 있다. 더불어 구름(cloud)의 시대는 Amazon, Microsoft, Google이 선도하고 있습니다.
가능성 있는 시장은, AI와 Metaverse(공간 computing), smart-car 등 입니다.
11. <SK hynix의 역사> 반도체 역사를 부탁해
https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductor-history-series-1 기념비적인 제품을 조명합니다.
세계 무대를 수놓은 ‘최초 · 최고의 반도체’와 그 시절의 IT 트렌드를 모두 담았습니다. 2000년부터 현재까지 이어지는 SK하이닉스 반도체 대서사시를 3부에 걸쳐 소개합니다.
“마침내 최초의 결실이 맺어졌다.” 1984년 12월. 16K S램
“0.16 미크론으로 통일하라” 위기가 만든 세계 기록 (2001-02)
“프라임칩 넘어 골든칩 향한다” 끊임없는 혁신 (03)
“MP3 · 디카 · 폰카 잡아라” 황금기 맞아 생존에서 성장으로 (04)
경영 안정화, 혁신은 계속된다 (05-06)
2006년의 해가 넘어갈 무렵, 하이닉스는 인텔 · 삼성전자 · TI · 도시바 · AMD 등 전 세계 10대 반도체 기업과 어깨를 견주고 있었다.
https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductor-history-series-2
태동하는 모바일 시대, 그리고 M10의 기적 (07)
넷북 잡고, 모바일 준비하고… 위기 속 준비한 미래 먹거리(08)
살아남는 자가 강자… 불황 속 쏟아진 혁신(09)
변동성 큰 시장에서 휘청… SK 손잡은 하이닉스반도체(10-11)
https://news.skhynix.co.kr/post/semiconductor-history-series-3
모바일 황금기, 글로벌 5대 기업으로 도약하다(13-14)
SK하이닉스 르네상스 시대를 맞다(17-18)
급변하는 시대… 변화하는 SK하이닉스(19-20)
더 머나먼 미래로(21-22)
2021년 10월에는 ‘업계 최초 HBM3 D램’을 개발했다. TSV 기술이 적용됐고 용량 24GB로 업계 최대였다. NAND에서도 기록이 나왔다. 2022년 8월에는 ‘세계 최초 238단 512Gb TLC 4D 낸드’ 개발에 성공했다.
호황과 불황을 오가는 불안정한 업황 속에서 늘 혁신을 주도하며 위기를 극복해온 SK하이닉스. 그동안 써 내려온 역사가 증명한다. 앞으로도 최초 · 최고의 제품, 세계적인 제품을 쏟아내며 ‘We Do Technology’ 회사의 부흥을 넘어 세계를 바꾸는 기업으로 거듭나려 한다.
12. 바램과 후기
독자들께 도움이 되길 바랍니다. 중학생, 고등학생, 그리고 학부모를 주 대상으로 생각합니다. 좋은 책이라 소문나서 여러 곳에 강연 초대를 받으면 좋겠습니다. 특강에서 좀 나아가서 ‘단기 강좌’로 전개하면 더 좋겠습니다.
‘반도체학과’에서 유용하면 좋겠습니다. 다음 책을 쓴다면 반도체학과 나아가서 AI반도체를 위한 책을 쓰고 싶습니다. *^___^*
저1^0는 반도체와 한국을 사랑합니다. 자랑스럽습니다.
올해 2월 12일, 설 연휴 초기 내용 구상을 했습니다.
4월과 6월에 3번의 강연을 하였습니다. <경희대 MBA>, <충남대 반도체융합>과 <Holston 여고> 특강. 그리고 정문술 선생소천. ‘감히 내가 이 책을 써도 되는 걸까?’를 생각하다가 ‘나를 위해서가 아니라 책을 읽는 독자를 위해’ 책을 쓰기로 합니다.
7월 초안 완료 못 해서~ 여름 휴가(8/7수~9금) 동안 집중합니다. 아내의 조언과 격려가 큽니다. 이틀 동안 6편의 글을 썼습니다.
그리고 8월에 서점에서 박진성<진짜 하루 반도체 산업>을 발견했습니다. 동네 도서관에서 빌려 읽으며 몇 권 더 읽습니다. 강기동 씨 이야기는 이번 책에선 넘어갑니다. 놀라운 사실은 강대원<->강기동<->김충기 책에 이야기가 나온다는 겁니다! 와우!!
8월을 보내며 반도체에 국한 되지 않고, 도서관과 Internet을 통해 역사를 헤집고 다녔습니다. 한국의 역사 속에- 세계의 역사를 자꾸만 발견하였고, 그것을 이리저리 생각해봤습니다. 제 삶의 행로 속에 단재 신채호가 있고, 저의 고향에서 민족대표 우암 손병희가 있고, 남한산성 최명길의 무덤이 있습니다. 8월을 보내는 시점에, 저의 역사 유랑 속에서, 이 책을 제가 노력하여 쓰는 것이 아니란 생각을 합니다. 삶의 행로가 이야기합니다.
이제는 <반도체와 한국>이 이야기하길 바랍니다!
개인 1^0의 경험과 지식과 지혜를 넘어- 오늘을 사는 그대에게,
<반도체와 한국>이 이야기하길 바랍니다!
13. 참고 자료와 추천 도서
- Hy-School 10편:우리 회사에서 열심히 준비한 online 강좌입니다. 각 7~12분입니다.
https://news.skhynix.co.kr/post/hy-school,
친한 분이 쌤입니다.
https://youtu.be/ECdyZQry00Y?si=JU2Om-v0rd1BEXCi
-박진성 <진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업> 2023년 2월. 삼성전자 Foundry Engineer.
-김영우 <반도체 투자 전쟁> 2021년 6월. 증권사 분석가.
-권석준 <반도체 삼국지> 2022년 10월. 성균관대 화학공학 교수.
-크리스 밀러 <Chip War, 누가 반도체 전쟁의 최후 승자가 될 것인가?> 2023년 5월. 역사학자가 쓴 책으로~ 많은 유명세를 탔습니다. 내용이요? 좋습니다!
-강기동 <강기동과 한국 반도체> 2018년 11월
전문적인 내용은 특강이나 단기 강좌를 열어보고 싶습니다.
<Tr 75> 2023
Richard C. Jaeger <Introduction to Microelectronic Fabrication 2nd> 2002
Andy Grove <Physics and Technology of Semiconductor Devices> 1967
Simon M. Sze et al <Physics of Semiconductor Devices 4th> 2021
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