[최리노] 최리노의 한 권으로 끝내는 반도체 이야기 (2) - 반도체 역사

19세기 말, 유럽에서는 막스 플랑크, 닐스 보어, 퀴리 부부, 아인슈타인 등 천재적인 학자들에 의해 물리, 화학 등 기초 과학의 발전이 이루어졌다면,

미국에서는 토머스 에디슨 등에 의해 공학적 발전이 이루어졌다.

전기 신호를 유선으로 다른 위치로 보내는 전신(Telegraph / 電信)이나, 축음기, 전구, 발전소 건설 등 수많은 발명품과 전기 산업을 만들었다.

 

전신이 발전할 수록 사람의 목소리를 원거리로 송수신 하는 전화기의 개발에 대한 수요가 증가했다.

우리가 잘 알고있는 전화기의 개발자 알렉산더 그레이엄 벨은 원래 청각 장애인에게 발성법을 가르치는 선생님이었다..!

선생님으로서 충분히 안정적인 삶을 살 수 있었지만, 전화기 개발에 전념하고자 선생님을 그만두었다고 한다.

 

결국 1876년 전화기의 특허를 출원하고, 벨 전화회사를 만들어 전화기 사업을 시작했다.

당시의 전화 사업의 경쟁이 치열해서

더 나은 제품의 개발을 위해 벨 전화회사는 미 대륙을 연결하는 초 장거리 전화를 실현하고 싶어했다.

하지만 전기의 특성상 거리가 멀어질 수록 저항에 의해 신호가 줄어드는 문제가 있었고,

극복을 위해서는 중간중간 증폭기가 필요했다. 

 

20세기가 되어 증폭기가 발명 되었는데, 진공관을 이용한 3극 진공관 증폭기를 통해서였다.

진공관의 기초 개념은 에디슨 효과 (가열된 음극 필라멘트에서 금속판 양극으로 전류가 흐르는 현상)를 이용하여

1904년 존 앰브로스 플레밍(영국)이 2극 진공관(다이오드 - 한쪽으로 전류가 흐르게하는 장치)을 개발하고, 

1907년 리 디포리스트(미국)가 음극과 양극 사이에 금속망을 추가하여 3극 진공관을 개발하였다.

3극 진공관은 금속망에 걸리는 전압을 조절하여 진공관에 흐르는 전류를 크게 증폭하는 증폭기의 역할을 하였다.

(a) 2극 진공관, (b) 3극 진공관 도식, (c) 리 디포리스트가 개발한 3극 진공관 사진 (출처 : 위키피디아 / https://zdnet.co.kr/view/?no=20140408081738)

 

덕분에 1915년 뉴욕-샌프란시스코 7640 km 장거리 전화를 성공시켰다. (그 이전에는 1892년 뉴욕-시카고 약 1155 km의 장거리 전화가 성공했다고 한다)

이후 벨 전화회사의 후신인 AT&T (American Telephone and Telegraph Company)는 전화기 시장에서 독점적인 위치에 서게 되었다. (미국 출장을 갔을 때 usim카드로 AT&T를 사용했었는데,, 이 회사 그 벨 전화회사 였다니.. 놀랐다)

그러니까 그 유명한 벨랩 (Bell laboratory)도 AT&T의 연구소 인거다. 

 

1925년 설립된 벨랩에서는 진공관이 높은 온도의 열, 즉 많은 전력을 필요로 하며, 유리로 되어있기 때문에 쉽게 깨질 수 있다는 단점을 극복하기 위해 이를 보완한 증폭기를 만들기 위한 연구를 진행하였고, 깨지지 않는 소재인 반도체 물질을 이용하고자 하였다.

 

1833년 마이클 페러데이가 AgS(황화은) 단결정에서 반도체 특성 처음으로 관찰하였고,

1874년 페르디난드 브라운(당시 독일의 젊은 대학원생.. ㄷㄷ)이 반도체 물질 PbS(황화납)을 이용하여 2극 진공관과 같은 역할을 하는 다이오드를 개발하였다. 

반도체 물질로 만든 다이오는 잠재력은 충분했지만 당시에 진공관을 대체하지는 못했다고 한다.

 

이후 1930년대 제 2차 세계대전이 발생하면서 비행기를 감지하기 위한 전파 감지 레이더에 깨지지 않는 고체 다이오드의 수요가 폭발적으로 커지며 많은 발전이 이루어졌고, 1941년 반도체 물질이 레이더 전파 감지기로 사용되기 시작했다.

 

벨랩의 윌리엄 쇼클리(MIT 박사.. ㄷㄷ)도 역시 진공관 증폭기를 대체하기 위한 연구를 하던 와중, 미국의 승전을 위해 레이더, 잠수함 탐지 등의 기술 개발에 투입되었다.
전쟁이 끝난 후 본격적인 반도체 증폭기 연구를 하였고, 전기장(electric field)을 걸어 전류를 조절하는 전계효과 이론(field effect theory)을 설립하였다.

 

반도체를 이용한 증폭소자 개발은 거듭 실패하였지만, 

존 바딘, 월터 브래튼과 함께 1947년 최초로 반도체 증폭기인 트랜지스터(transistor)가 발명되었고

트랜지스터는 진공관의 자리를 빠르게 대체하며 전자 산업을 크게 발전시켰다.

 

1951년에는 유선전화에 처음으로 트랜지스터를 사용하였으며,

1952년에는 트랜지스터라는 이름을 대중에게 크게 알린 AM라디오가 출시되었다.

일본의 소니는 1955년 휴대용 라디오 Sony TR-55를 출시하여 대박을 터뜨렸다.

이렇게 1950년대 말까지 많은 전자 제품에서 기존 진공관을 트랜지스터로 바꾸는 붐이 일어났다고 한다. 

 

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요약하자면,

 

1. 전화기의 개발 후, 장거리 전화 실현에 있어 증폭기가 필요했다. (~19세기 말)

2. 증폭을 위한 진공관이 발명되었지만 큰 전력소모, 쉽게 깨진다는 단점이 존재했다. (20세기 초)

3. 극복을 위해 반도체 물질을 이용한 소자 개발 연구가 제 2차 세계대전 당시 활발했고, 전쟁 후 전계효과를 이용한 반도체 증폭 소자인 트랜지스터가 개발되었다. (~20세기 중반)

 

 

반도체 역사에 대한 전체적인 흐름을 수 차례의 재독과 포스팅을 통해 완벽히 이해했다!!

이런 흐름을 이해하는게 전반적인 흥미를 돋구는데 정말 중요한 것 같다.

 

종종 스마트폰을 보면서 이 손바닥 만한 기계에 모든 기술이 집약되어있는게 말이 되나 싶은 생각이 드는데,

요런 역사의 흐름을 통해 이게 가능해졌다는게 이해가 되었다.

 

 

P.S. 포스팅을 오래오래오래 미루고 있었는데 드디어 완료..!