‘트랜지스터’의 아버지가 된 노벨상 트리오

기획·칼럼

‘트랜지스터’의 아버지가 된 노벨상 트리오
[기상천외한 과학자들의 대결] (8) 트랜지스터의 탄생

2020.11.02 07:26 김은영 객원기자

1947년 트랜지스터(transistor)가 개발되지 않았다면 오늘날의 반도체와 컴퓨터도 없었다. 트랜지스터는 컴퓨터의 기본이 되는 중요한 부품이라 할 수 있다. 트랜지스터의 발명으로 인해 전자기기들은 비로소 지금과 같은 모습의 초소형화를 이룰 수 있게 됐다.

윌리엄 브래드퍼드 쇼클리(William B. Shockley, 1910~1989), 윌터 브래튼(Wilter Brattain), 존 바딘(Hohn Bardeen)이 바로 인류에게 IT 혁명을 앞당겨준 ‘트랜지스터’의 아버지들이다.

트랜지스터 발명으로 노벨 물리학상을 받은 이 세 명의 천재가 없었다면 인류는 현재 사용하는 전자기기의 편리함을 누리기 힘들었을 것이다.

트랜지스터가 완성되기까지

윌리엄 쇼클리는 천재라 불리는 이들이 늘 그렇듯이(?) 어릴 적부터 신동으로 불렸다. 그는 특히 과학을 좋아했다. 유년 시절부터 그의 범상치 않은 모습을 본 이웃집 대학 교수의 지도를 받기도 한다. 1936년 미국 MIT 대학에서 물리학 박사학위를 받은 쇼클리는 박사학위를 마친 후 벨 연구소에 입사한다.

왼쪽부터 존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 윌터 브래튼. ⓒ 김은영/ ScienceTimes

벨 연구소는 진공관을 개선하려는 연구를 당시 ‘천재 고체 물리학자’라 불리던 쇼클리에게 맡긴다. 과거 트랜지스터가 개발되기 전에는 진공관을 사용해 전자기기를 만들었다.

증폭 및 스위칭 기능을 하는 진공관은 느리고 전력 소모가 많았다. 무엇보다 진공관의 가장 큰 문제점은 너무 거대하다는 데 있었다. 초창기 컴퓨터의 크기가 큰 것도 부품으로 사용하는 진공관의 부피가 너무 컸기 때문이다.

쇼클리는 작으면서도 진공관의 역할을 충실히 수행할 수 있는 장치 개발에 열중했다. 진공관을 대체하는 트랜지스터는 전류나 전압의 흐름을 조절하여 증폭 및 스위치 역할을 한다. 쇼클리는 벨 전화연구소에서 접합 트랜지스터의 발명과 개발로 이어질 실험들을 이어나갔다.

이후 쇼클리는 두 명의 연구원과 함께 진공관보다 더 뛰어난 성능을 지닌 전자 장치를 개발하는 데 성공한다. 훗날 함께 노벨상을 받게 되는 윌터 브래튼(Wilter Brattain), 존 바딘(Hohn Bardeen)이 바로 쇼클리의 연구팀원이었다.

하지만 이 세 사람이 동시에 트랜지스터를 개발한 것은 아니었다. 먼저 브래튼과 바딘은 실험에서 게르마늄에 두 개의 철선을 연결하여 입력된 신호의 100배를 출력하는 특성을 가진 장치를 고안하는 데 성공한다. 전자공학의 혁명을 가져올 ‘트랜지스터’ 탄생의 순간이었다.

쇼클리는 자신이 팀장으로 있었지만 트랜지스터 개발의 당사자가 아니라는 사실에 낙담했다. 그는 향후 이 둘의 트랜지스터 발명에서 더 나아가 ‘점 접촉 모델’(point-contact model)을 개선한 ‘접합 트랜지스터’(Junction Transistor)를 개발한다. 천재 고체 물리학자라는 명성은 허상이 아니었다.

따로 또 같이 만든 트랜지스터

쇼클리는 트랜지스터를 완성한 후 벨 연구소를 떠나 1955년 미국 캘리포니아 주 팰로앨토(Palo alto)에 ‘쇼클리 반도체 연구소’라는 회사를 설립한다. 그의 트랜지스터는 대량으로 생산되어 다양한 분야에서 활용되기 시작했다.

고주파용 접합형 트랜지스터. ⓒ 위키미디어

재미있는 사실은 쇼클리의 연구소가 이곳에 자리하면서 바로 현재 미국 ‘실리콘밸리’가 형성됐다는 사실이다. 쇼클리의 반도체가 자리 잡은 후 팰로앨토는 반도체 및 각종 IT 인재들이 몰려들기 시작했다. 트랜지스터의 주원료가 ‘실리콘’으로 대체되면서 이곳은 ‘실리콘’과 계곡의 ‘밸리’가 합쳐져 만들어진 ‘실리콘밸리’라 불리게 됐다.

세 명은 1956년 드디어 ‘반도체의 연구와 트랜지스터 작용의 발견’으로 노벨상을 공동 수상한다.

하지만 이들의 노벨상 수상은 영광 못지않게 상처가 많은 수상 결과였다. 문제는 특허권에서 시작됐다. 벨 연구소는 쇼클리를 제외하고 윌터 브래튼과 존 바딘의 이름으로만 특허출원을 했다. 쇼클리는 자신의 이름이 빠진 것을 강하게 항의했고 더 나아가 트랜지스터 발명을 온전히 자신의 것으로 하고자 했다.

그 결과 존 바딘은 연구소를 떠났고 브래튼 또한 쇼클리가 팀장의 자격이 없다며 회사에 고발하기에 이른다. 이러한 분쟁 끝에 쇼클리도 회사를 떠나 자신의 연구소를 설립하게 됐다.

아이러니하게도 천재가 낙담하고 질투해서 만들어낸 성과는 눈부셨다. 과정은 좋지 않았지만 트랜지스터의 발명은 1948년 초소형 라디오를 시작으로 다양한 방면으로 활용되기 시작했다. 그리고 오늘날 반도체와 컴퓨터는 트랜지스터를 중심으로 새로운 진화의 길을 걷게 됐다.

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