LG사이언스랜드

전체메뉴보기 검색 과학상자

캘리포니아 드림- 실리콘(Si) - 목록

조회 : 5361 | 2011-12-06

종이의 발명
문자나 종이가 없었던 먼 옛날에도 인류는 끊임없이 자신의 생각과 기록을 남기고자 했다. 이러한 욕구로 문자가 생겨났으며, 돌과 짐승 뼈, 나무껍질, 천, 파피루스, 점토판, 양피지 등에 기록을 남겼다. 105년, 후한의 채륜(50~121)은 인류 문명을 꽃피울 종이를 발명하였다. 이와 함께 발달한 인쇄술에 힘입어 역사를 종이에 기록했던 것이다. 그러나 지금은 종이가 아닌 모래에 기록을 남기고 있다. 손톱만한 메모리 카드에 엄청난 정보가 담겨 있는 것이다. 어떻게 이것이 가능할까?




알고 있나요? 파피루스
종이와 가장 비슷한 것은 이집트의 파피루스였다. 파피루스는 키가 2~3 m이며 굵기는 10 cm 정도인 식물로서 줄기를 얇게 저며서 풀을 발라서 세게 누른 후, 건조시켜 사용하였다. BC 2500년경에 고안되어 8세기경까지 지중해 연안과 소아시아에 널리 보급되었다. 파피루스에 작성한 고대 문서들도 파피루스라 부른다. 파피루스는 종이와는 다르지만 종이, paper의 어원이기도 하다.










파피루스에 기록된 이집트 그림과 문자




골드러시
1848년, 캘리포니아에서 금광이 발견되자, 수많은 사람들이 일확천금의 꿈을 안고 몰려들었다. 1853년에는 무려 250,000명에 달했다. 1849년부터 1853년까지 수많은 사람들이 금을 채굴하기 위하여 몰려들었던 현상을 ‘골드러시’라 한다. 대부분은 아메리칸 드림을 품고 미국으로 건너온 모험심이 강한 이주민들이었다. 골드러시는 오늘날 실리콘 밸리와 미국 서부 발전의 원동력이었다. 실리콘 밸리는 샌프란시스코의 남동쪽의 스탠포드 대학을 중심으로 한 첨단기술의 메카이자 전 세계 기술 혁신의 상징이다. 특히 골드러시가 시작된 지 100년 후인 1948년에 발명된 트랜지스터는 현대의 연금술이자 정보산업 혁명을 알리는 신호탄이었다.




썬키스트
금광의 발견으로 갑자기 많은 사람이 몰려들자 캘리포니아 지역에는 각종 물자와 식량이 부족했고 괴혈병에 걸린 사람들이 속출했다. 괴혈병은 오랫동안 항해를 했던 선원들이 비타민 C의 부족으로 걸리는 질병이었다. 캘리포니아 지역에는 괴혈병에 효과가 있는 오렌지 재배 농장이 많이 생겨났고, 이와 함께 썬키스트가 탄생했던 것이다.










비타민 C와 오렌지




실리콘 밸리
우리가 늘 사용하는 가전제품, 컴퓨터, 스마트폰의 핵심은 무엇일까? 그것은 사람의 두뇌와 같은 반도체이다. 실리콘 밸리는 스탠퍼드 출신의 신출내기 휴렛과 패커드에 의해 1938년에 태동되었다. 그리고 1970년대 벤처기업들의 성장으로 세계 정보통신 산업의 심장부로 거듭났던 것이다. ‘실리콘’ 소재의 반도체가 팔로알토에서 산호세에 이르는 완만한 산타클라라 계곡에서 생산된다는 의미로 이름이 붙여진 실리콘 밸리! 그렇다면 정보를 처리하고 저장하는 반도체를 이용한 트랜지스터는 어떻게 탄생했을까?




에디슨과 진공관





에디슨이 발명한 영사기(참소리 박물관에서 촬영)





1884년, 에디슨은 백열등 전구의 안쪽에 까만 그을음이 생기는 것을 발견했다. 탄소 필라멘트 때문에 생기는 이 현상은 그에게 골칫덩이였다. 그런데 전구 안에 금속을 넣자 전류가 금속으로 흘렀다. 필라멘트의 전류가 진공을 가로질러 흘렀던 것이다. ‘에디슨 효과’는 특이한 현상이었지만, 발명과 특허 소송으로 바쁜 그에게는 관심 밖이었다. 오히려 플레밍(1849~1945)이 관심을 가졌다. 1904년, 그는 전구 안의 필라멘트 주위의 금속을 양으로 대전하면 전류가 흐르고, 반대일 경우 전류가 차단되는 것을 발견하였다. 초당 수백만 번 스위치를 켤 수 있는 2극 진공관 스위치를 만든 것이다. 이것은 불안정한 교류를 안정한 직류로 바꿀 수 있는 획기적인 발명이었다. 에디슨이 지나쳤던 에디슨 효과는 전자산업의 탄생을 알리는 진공관의 출발점이었던 것이다. 1906년, 포레스트(1873~1961)는 필라멘트와 금속 사이에 다른 금속을 추가해 전자를 가속시켜 작은 신호를 증폭할 수 있는 3극 진공관을 개발하였다. 이 진공관은 교류를 직류로 바꿔주며, 미세한 신호를 증폭시키며, 일정한 조건을 만족해야 전류가 흐르는 스위치 기능을 갖춘 것이었다. 그는 진공관 음성 증폭기인 오디온을 만들었다. 라디오로 수신한 교류를 직류로 바꾼 후 증폭해서 크게 들을 수 있게 된 것이다.










오디온 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC)




에디슨과 대나무
백열등 전에 사용하던 아크등은 탄소 막대가 금방 닳았으며 빛이 너무 강해 시력에 손상을 주었다. 에디슨은 필라멘트 재료로서 비단, 말 털, 회향목, 코르크, 셀룰로이드, 양피지, 턱수염 등 다양한 재료를 실험하였다. 마침내 대나무 필라멘트로 백열등을 만들었던 것이다.










에디슨과 대나무





에디슨은 우수한 특성의 대나무를 찾아 전 세계에 사람을 보냈다. 마침내 일본 교토 근처의 대나무가 가장 좋았으며, 10여 년 동안 이 대나무가 필라멘트로서 사용되었다. 그는 백열등을 밝히기 위해 필요한 모든 것을 발명했다. 전구 소켓, 스위치, 퓨즈, 발전기, 배전반, 적산전력계, 지하 케이블까지 개발하여 환한 전등을 밝혔던 것이다. 에디슨은 단순히 백열등이 아니라 이를 이용할 수 있는 전력망 전체를 발명했던 것이다.




진공관과 컴퓨터
진공관은 라디오와 텔레비전에 적용되었다. 더 나아가 진공관은 ‘On’을 ‘1’로, ‘Off’를 ‘0’으로 표현할 수 있기 때문에 컴퓨터에 사용되기 시작했다. 특히 포탄의 거리 및 정확도를 계산하려면 컴퓨터가 필요했다. 아이러니하게도 제2차 세계대전으로 컴퓨터는 크게 발전했다. 전쟁이 끝나자 컴퓨터는 새로운 용도를 찾아 나섰다. 그러나 진공관을 이용한 컴퓨터는 너무 컸으며 필라멘트에서 발생한 열로 컴퓨터는 과열되었다. 이것은 컴퓨터의 큰 단점이었다.










18,000 개의 진공관을 사용한 32톤의 에니악





1940년대에 이르러, 실리콘에서 제한적으로 전류가 흐르는 것이 알려졌다. 부도체인 실리콘에 어떻게 전류가 흐를까?










고유 반도체와 주개를 갖는 n형, 받개를 갖는 p형 반도체 (CC) 위키피디아(http://wikipedia.org)





실리콘은 최외각 전자가 네 개이며 이들은 모두 다른 실리콘과 결합한다. 이것을 최외각 전자가 다섯 개인 비소로 치환하면 비소가 갖고 있던 전자 하나가 자유롭게 움직인다. 반면에 최외각전자가 세 개인 붕소로 치환하면 양의 성질을 띤 정공이 생긴다. 이들 전자와 정공의 이동하면서 실리콘을 반도체로 만든 것이다. 비소를 치환한 것을 N-형, 붕소를 치환한 것을 P-형 반도체라 한다.










다이오드 (CC) 위키피디아(http://wikipedia.org)





이처럼 전기적 성질이 다른 반도체를 어떻게 이용할까? 그것은 2극 진공관을 대체하는 것이었다. 두 반도체를 접합하면 정공과 전자가 결합하면서 절연층이 생긴다. 그런데 P형 반도체에 음극, N형에 양극을 걸면 어떻게 될까? 정공과 전자는 각각 반대로 이동하면서 절연층이 더 넓어진다. 전압을 반대로 가하면 정공과 전자는 서로 끌려가면서 전류가 흐른다. 이 때 전류가 흐르는 방향을 ‘순방향’, 흐르지 않는 방향을 ‘역방향’이라 하며, 이것은 ‘다이오드’의 원리이다. 즉, 다이오드가 진공관을 대체할 수 있게 되었던 것이다.




트랜지스터의 활약
1947년, 쇼클리(1910~1989), 바딘(1908~1991), 브래튼(1902~1987)은 트랜지스터를 개발했으며 노벨상(1956년)을 받았다. 트랜지스터는 진공관보다 효율적으로 전기 신호를 증폭시켰다. 1953년, 보청기에 처음 사용되기도 했다. 트랜지스터가 관심을 끈 것은 라디오였다. 1954년, 트랜지스터 네 개가 들어있는 최초의 트랜지스터 라디오가 개발된 것이다. 트랜지스터를 사용했지만 전자제품은 여전히 크기가 컸다. 1958년, 마침내 수많은 소자를 하나의 기판에 연결한 ‘집적회로’가 개발되었다. 상상속의 컴퓨터가 현실로 다가오기 시작한 것이었다. 최근의 반도체 칩 안에는 수억 개의 트랜지스터가 들어 있다. 모래 속의 실리콘이 오늘날 컴퓨터를 비롯한 IT 기술을 가능케 한 것이었다.




모래와 실리콘
가장 널리 사용되는 반도체 재료는 실리콘이다. 모래의 주성분인 실리카를 탄소와 함께 고온에서 반응시켜 95~97% 순도의 다결정 실리콘을 다시 정제하여 99.99999% 이상의 실리콘을 만든다. 단결정 실리콘은 다결정 실리콘을 용융시켜 그 위에 씨앗 결정을 담근 다음 천천히 끌어 올려 성장시킨다. 원통형 단결정의 표면을 갈아 일정하게 만들고 0.5~0.7 mm의 두께로 자르면, 반도체 웨이퍼가 탄생한다.





단결정 잉곳, 실리콘 웨이퍼, USB 플래쉬 드라이브 (CC) 위키피디아(http://wikipedia.org)




반도체 재료는 어떤 모래를 사용할까? 모래는 알갱이의 지름이 2~0.02 mm 인 암석이나 광물 조각으로 그 이상은 자갈, 0.02~0.002 mm는 실트, 0.002 mm 이하는 점토로 분류한다. 모래는 광물의 조성에 따라 석영이 많은 석영사, 유색 광물이 많은 흑사, 회록석이 많은 녹사 등이 있다. 또한 생성 원인이나 퇴적 장소에 따라 산사, 강사, 해사, 화산회사 등으로 분류한다. 일반적으로 모래의 주성분은 풍화에 강한 석영이지만, 지역에 따라서 운모, 각섬석, 자철석, 화산유리, 유공충 껍데기 등이 많이 포함되어 있다. 따라서 실리콘이 많이 들어있는 석영사를 사용해야 한다.










왼쪽 위: 패사(흰 조개가 많은 곳), 오른쪽 위: 화산회사, 왼쪽 아래: 패사(노란 조개가 많은 곳), 오른쪽 아래: 석영사의 현미경 사진(50배)




주제!
화합물
관련단원 보기
*중2학년 2학기 물질의 특성
조상들의 생필품 나노 물질 숯
*중2학년 2학기 물질의 특성
왜 어른들은 화장을 하지 말라고 하는 걸까?
*중3학년 1학기 화학 반응에서의 규칙성
왜 어른들은 화장을 하지 말라고 하는 걸까?
사진올리기 바로가기