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노벨상인물

월터 하우저 브래튼 Walter H. Brattain

월터 하우저 브래튼 [이미지]
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Bell Labs (벨연구소)
  • 작성 2016-09-21
  • 조회 2,210
  • 출생1902-02-10
  • 국적 미국
  • 분야물리학
  • 소속벨연구소
  • 출신대학Whitman 대학
  • 주요업적트렌지스터 발명
  • 수상노벨 물리학상(1956)
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인물정보

미국의 물리학자. 반도체 자유표면에서의 광효과 발견, 점접합형 트랜지스터 개발의 업적으로, 1956년 W. 쇼클리, J. 바딘과 함께 노벨물리학상을 받았다.

물리학자 월트 브래튼은 1902년 2월 10일 그의 아버지가 교편을 잡았던 중국에서 태어났다. 1903년 그의 가족은 고향인 워싱턴으로 돌아와 목장을 운영했다. 그의 부모처럼 브래튼은 워싱턴 대학에 입학하여 물리학을 전공했고 오리건 대학교에서 물리학 석사를 받은 후 미네소타 대학에서 박사학위를 받았다. 1928년 국립 표준국에서 라디오 엔지니어로 취업했고 그 다음해에 벨연구소에 들어갔다.

그들은 현대 기술의 열풍을 일으켰다. 1947년 고체 표면의 성질을 연구, 텅스텐의 열이온방출로부터 반도체 표면의 정류성, 광효과 연구에 몰두했으며, 산화구리(I)·실리콘·저마늄 등에 대해서도 실험연구를 하였다. 반도체 자유표면에서의 나타나는 광효과를 발견하였고 점접합형(點接合型) 트랜지스터를 개발하였는데 장치는 진공관보다 발열이 낮아 더욱 신뢰할 만했다. 현대 전기의 전임자이자 마이크로 칩으로 불리는 트렌지스터는 그렇게 “정보화 시대”를 열었고 이 공로로 1956년 노벨 물리학상을 수상했다.

1967년 은퇴 전까지 벨 연구소에서 계속 연구를 했으며 워싱턴으로 이사해 휘트먼 대학에서 외래 교수로 강의했다. 미국 물리학회의 회원이자 미국 과학 진흥 협회 및 미국 과학진흥회 회원이었다. 1935년 브래튼은 카렌 길모어(Karen Gilmore)와 결혼하였다. 카렌 길모어는 첫째 아들 윌리암이 태어난지 14년 만에 암으로 세상을 떠났고 1958년 브래튼은 엠마 제인 밀러(Emma Jane Miller)와 재혼을 했다. 알츠하이머를 앓다 1987년 10월 13일 워싱턴 시애틀에서 숨을 거두었다.

<공동수상>

존 바딘(John Bardeen, 1908~1991)
미국의 물리학자.
1972년에도 초전도체 이론의 개발로 리언 N. 쿠퍼와 존 R. 슈리퍼와 함께 노벨 물리학상을 수상하였다. 1936년에 프린스턴 대학교에서 박사학위를 취득한 후, 1938년부터 1941년까지 미네소타 대학교에서 조교수로 재직하였다. 제2차 세계대전 후 벨 전화연구소에서 트랜지스터를 연구하였으며, 1951년에 일리노이 대학교의 교수가 되었다.

윌리엄 브래드퍼드 쇼클리(William Bradford Shockley, 1910~1989)
영국 태생 미국의 공학자이자 교사.
캘리포니아 공과대학에서 공부하였으며 1936년에 하버드 대학교에서 물리학으로 박사학위를 취득하였다. 1936년 벨 전화 연구소의 기술진으로 들어가 트랜지스터에 관하여 연구하였다. 1954년 캘리포니아 공과대학 물리학과의 객원교수가 되었으며, 1963년에는 스탠퍼드 대학교 교수가 되었다.

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시상연설

반도체 연구와 트랜지스터 효과의 발견

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
출판인, 교육자, 정치가이며 또한 전기 분야의 개척자인 벤저민 프랭클린이 태어난 지 올해로 250주년이 되었습니다. 프랭클린은 번개구름과 필라델피아 농촌의 녹색 목초지 사이에 높은 장력의 선을 늘어뜨려 구름에 전기에너지가 있음을 보여 주었습니다. 그는 연을 높이 날려 연이 구름에서 에너지를 모으고, 빗물에 젖은 연줄이 도체가 되어 전하를 연줄 끝의 열쇠로 전달되도록 한 뒤, 그 열쇠들을 아주 가깝게 가져가 스파크가 발생하는 것을 관찰했습니다. 이때 프랭클린은 비단 리본의 한 끝을 열쇠에 연결하고 비단이 젖지 않도록 외양간에 웅크리고 앉아 리본의 다른 끝을 나무막대로 잡고 있었습니다.

이렇게 프랭클린의 실험에는 도체와 부도체가 사용되었습니다. 자연에 도체와 부도체라는 극단적인 두 성격의 물질이 없었다면, 오늘날의 전기공학은 상상도 할 수 없었을 것입니다. 부도체에는 전하를 옮길 수 있는 운반자가 거의 없지만, 도체에는 원자 한 개당 하나 꼴로 대단히 많은 운반자가 있습니다. 이미 100년 전에 최초의 대서양 횡단 케이블을 통해 구세계에서 신세계로 전하가 전달되었습니다. 한 무리의 전하 운반자들이 유럽 쪽 입구로 들어가면, 잠시 후에 미국 쪽 출구에서 전하 운반자들이 방출되었습니다. 그러나 이 둘은 같은 운반자들이 아닙니다.

전체 케이블 속은 전하 운반자들로 꽉 들어 차 있기 때문에 전하 운반자들이 한쪽 끝에서 들어가려면 내부의 전하 운반자들을 밀어 공간을 확보해야 합니다. 이렇게 밀면 일종의 충격파가 만들어지고 빛의 속도로 전하 운반자를 따라 전달되어 미국 쪽 출구 근처에 있는 전하 운반자들을 밀어내는 것입니다. 이렇게 전하 운반자는 아주 짧은 거리를 움직일 뿐이지만 전하 자체는 먼 거리까지 빛의 속도로 전달됩니다. 오랜 옛날에는 서로 반대방향으로 움직이는 양과 음의 전하가 있다고 생각했지만 프랭클린은 한 종류의 전하만 있으면 충분하다고 생각했습니다. 프랭클린의 주장은 1900년도의 위대한 발견들, 즉 금속성 도체 내의 전하는 전자이며 음의 전하만을 띠고 있다는 것을 관찰함으로써 증명되었습니다.

금속 내의 전하를 성베드로 광장의 부활절 순례자들로 표현한다면 부도체는 북극의 고독한 여행자와 비슷합니다. 전하의 숫자 면에서 도체와 부도체 사이에는 큰 간격이 있습니다. 이 커다란 간격을 이제는 반도체가 채우고 있습니다. 반도체는 화물선이 도착한 항구의 항만 노동자 숫자 정도의 전하를 가졌다고 할 수 있습니다. 현재 사용되는 반도체들은 게르마늄이나 실리콘으로 만든 것들입니다. 이들 순수한 원소는 전하가 거의 없지만 여기에 불순물을 조금 첨가하면 전하의 양을 조절할 수 있습니다. 인 원자를 실리콘에 넣어 주면 인은 하나의 전하(음의 전자)를 내놓습니다. 10만분의 1정도를 넣어 전하를 만들면 반도체로서 충분합니다. 더 괄목할 만한 것은 보론(붕소)을 첨가하면 반대 특성의 운반자, 즉 양전하의 운반자를 만든다는 것입니다. 보론은 실리콘으로부터 전자 하나를 훔쳐 가는데, 그러면 전자가 있던 곳에는 홀이 남게 됩니다. 이 홀은 이동이 가능하기 때문에 반도체 내에서 마치 양전하의 운반자처럼 활동하는 것입니다.

전자를 내놓는 원소들과 전자를 훔치는 원소들을 어느 쪽이 지배적이 되도록 집어넣느냐에 따라 반도체는 운반자로서 홀과 전자를 동시에 가질 수 있습니다. 기술적으로 중요한 반도체의 많은 특성 중에는 홀과 전자의 상호작용에 기인하는 것이 많습니다. 두 종류의 전하 운반자라는 개념은 프랭클린의 관점에 반하는 것입니다만, 이 개념은 반도체를 이용한 정류기가 사용되기 시작한 1930년대에 한 발 더 발전하였으며, 전극을 추가하여 진공관의 그리드처럼 이 정류기를 제어하려는 시도가 진행되고 있었습니다. 실패를 거듭한 끝에 1948년에 반도체 동작을 발견함으로써 쇼클리와 바딘, 그리고 브래튼 박사는 반도체 제어의 열쇠를 쥐게 되었고, 반도체 문제를 해결하는 새로운 무기를 갖게 되었습니다.

이제 모험에 관한 책의 내용을 빌려 트랜지스터를 설명하고자 합니다. 음의 전극을 음의 전하를 가진 반도체에 설치하는 것은 흑사병의 경고 깃발을 꽂은 채 동양의 어느 항구에 배를 대는 것과 같습니다. 그러면 항구의 짐꾼들은 모두 도망쳐 사라질 것이고, 하역은 이루어지지 못할 것입니다. 즉 이런 경우에는 전류가 흐르지 못합니다. 그러나 음의 깃발을 양의 깃발로 바꾸면 짐꾼들이 돌아오고 전극에는 전류가 흐르게 됩니다. 이것을 정류라고 합니다. 이 항해의 얘기에서 짐꾼들을 돌아오게 하는 방법으로는 깃발을 바꾸지 않고 항만에 약간의 금화를 던지는 방법, 즉 반도체가 양의 전하를 갖게 하는 방법도 있습니다. 반도체에서도 음의 전하가 모이는 곳 근처에 양전하의 홀을 넣는 비슷한 방법으로 전류의 차단을 막을 수 있는데 이것이 바로 트랜지스터 동작입니다. 몇 개의 홀들을 이용해서 짐꾼들의 파업을 막을 수 있다는 것은 에너지의 소모가 적다는 점에서 매우 중요합니다. 이제 단순히 홀을 넣어 줌으로써 정류기의 전류를 제어할 수 있게 된 것입니다. 트랜지스터의 동작은 진공관과 아주 똑같지만 훨씬 작고 필라멘트를 가열하기 위한 전류의 공급이 필요치 않다는 장점이 있습니다. 앞으로 보청기, 계산기, 전화기 등에 이 기기가 널리 사용될 것입니다.

머레이 힐(벨 전화연구소의 소재지-옮긴이)의 물리학자들은 음의 전극 주위에 운반자가 고갈된 영역을 반도체 표면에 움직이는 탐침을 이용하여 측정하기로 하였습니다. 이것은 스케일은 다르지만 전기적으로 광석을 채굴하는 것과 유사한 일입니다. 바딘 박사와 브래튼 박사는 현미경을 보면서 미소 스크루를 이용해 작은 탐침을 움직였습니다. 그들은 전극 근처에서 탐침에 양의 전압을 걸자 전류의 차단막이 올라가는 것을 관찰했습니다. 탐침이 홀을 주입하는 주사기 역할을 한 것입니다. 쇼클리 박사와 그의 동료들은 서둘러 이 주사기를 실용화하기 위한 일련의 훌륭한 실험들을 수행하였습니다. 이 과정에서 홀의 이동 속도나 수명 등 많은 특성들이 밝혀졌습니다. 이런 새로운 도구들을 통해 오늘날 반도체 물리학의 새로운 연구 분야가 탄생한 것입니다.

오늘날의 머레이 힐은 필라델피아의 옛 목초지에서 그리 먼 거리가 아닙니다만, 프랭클린이 날린 연으로부터 트랜지스터가 발견되기까지는 200년의 세월이 필요했습니다. 프랭클린의 일과 그의 후손들이 이룬 발견을 연결하는 데는 지리적인 거리 이상의 것이 있었나 봅니다.

쇼클리 박사님, 바딘 박사님 그리고 브래튼 박사님.
에베레스트 정상은 몇몇 열정적인 등산가가 정복하였습니다. 그들은 베이스캠프를 떠나 정상에 오르는 데 성공했습니다만, 그 베이스캠프는 이전 한 세대 이상의 산악인들이 만든 것입니다. 여러분들이 반도체 문제에 도전한 것도 많은 과학자들의 연구 결과로 세운 높은 고도의 캠프에서 시작한 것과 같습니다. 여러분들 역시 개인적으로 혹은 팀으로 무한한 노력과 예지, 재능과 인내를 보여 주었습니다. 물론 정상에 펼쳐진 숨막히는 경치를 즐기는 것은 오른 사람의 몫이고 여러분들도 마음껏 즐겼을 것입니다. 이제 그 즐거움을 베이스캠프를 만든 사람들과 나눕시다. 그리고 전인미답의 경계에 도전하는 새로운 과학적 도전으로 이어갑시다. 그리고 또 노벨상 수상자들과 왕립과학원에 경의를 표합시다.

이제 저의 엄숙한 의무이며 소중한 영예를 수행하겠습니다. 전하로부터 노벨상을 수상하도록 여러분을 이곳으로 모시고자 합니다.

스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 E. G. 루드베리

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자료출처
[네이버 지식백과] 반도체 연구와 트랜지스터 효과의 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사), Nobelprize.com

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