EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 1~4강

EBS 위대한 수업 3 (반도체란 무엇인가) 1~4강

위대한 백스물 번째 강연 '반도체란 무엇인가' (시즌 3 서른아홉 번째)

 

 

(2024.07.11 방송)

 

 

잭 리(Gregory Mankiw) 텍사스대 전기컴퓨터공학과 교수

 

 

 

 

 

 

 

 

1강  집적 회로의 역사

 

 

 

 

 

1970년대에 '마이크로 전자 공학 연구소'에서 일했던

당시엔 트랜지스터를 겨우 수백 개만 썼다

앞으로 1~2천 개를 쓸 날이 오지 않을까 두려워했다

현재는 500억 개가 넘는 트랜지스터를 사용한다

 

 

▣ IC칩의 역사

 

반도체 집적 회로를 구성하는 기본 단위는 트랜지스터이다

 

1947년, 벨 연구소의 과학자들이 반도체 기반의

양극성 트랜지스터를 개발했다

 

 

이후 세 사람은 양극성 트랜지스터를 발견한 공로로 노벨상을 받는다

 

그리고 1958년에는 텍사스 인스트루먼트의 잭 킬비(2000년 노벨 물리학 수상)와,

페어차일드 반도체의 로버트 노이스(인텔 설립자)가 각각 집적 회로 칩을 발명했다

 

1965년에도 중요한 사건이 발생한다

고든 무어는 페어차일드 반도체와 인텔의 공동 창립자인데 이런 예측을 했다

"IC칩에 들어가는 부품 수는 1년 반 ~ 2년마다 2배로 증가할 것이다"

일명 무어의 법칙이다

 

물론 무어의 법칙이 물리학 법칙은 아니다

법칙보다는 예측에 가깝다

별것 아닌 것처럼 들릴 수 있지만

누군가는 무어의 법칙을 이런 비유로 설명하기도 한다

 

방금 태어난 아기에게 1달러를 준다고 해 보자

무어의 법칙에 따라 그 1달러가 불어나면

아기가 50살이 될 무렵엔 억만장자가 될 것이다

75살이 되면 어떻게 될까?

1달러에 불과했던 투자금이 1조 달러로 불어난다

 

무어는 1965년에 일찌감치 이런 예측을 했는데

지금까진 무어의 예언이 적중한 것 같다

 

 

 

1960년대에 새로운 트랜지스터가 등장한다

MOS라고 불리는 반도체 기반의 트랜지스터이다

 

 

모스 트랜지스터는 칩에서 훨씬 작은 공간을 차지한다

그래서 칩 하나에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있다

1960년대부터 모스 칩은 산업을 주도하게 된다

 

이처럼 많은 트랜지스터를 칩 하나에 넣을 수 있게 된 건

기술의 발전 덕분에 점점 미세한 패턴을 그리는 게 

가능해졌기 때문이다

업계 용어로는 '최소 선폭'이라고 하는데

실리콘 웨이퍼에 새길 수 있는 패턴의 최소 선폭을 의미한다

 

 

마지막으로 반도체 산업에 큰 변화를 일으킨 사건은

'반도체 파운드리'의 등장이다

 

※ 파운드리(Foundry): 반도체 제조를 전담하는 생산 전문 기업

 

세계 최초의 반도체 전용 파운드리를

모리스 창(TSMC의 창업자) 박사가 1987년에 세웠다

그 덕분에 다른 분야의 혁신에도 속도가 붙는다

반도체 설계와 제조 기술에도 혁신이 일어났다

 

 

▣ 미세화의 이점

 

① IC칩의 성능 향상

 

소자 크기는 줄이는 게 좋다

 

※ 소자(Device): 전자 회로의 구성 요소가 되는 부품

 

칩 하나에 그려 넣을 패턴은 작을수록 좋다

대표적인 예로 집적 회로 칩의 성능이 향상됐다

칩의 크기가 작아지면

 

 

즉 신호 전달 속도가 빨라지는 것이다

 

② 비용 절감

 

칩 하나에 트랜지스터를 더 많이 넣을 수 있다

같은 공간에 더 많은 기능을 넣을 수 있는 것이다

기능 하나를 넣는 데 필요한 비용도 줄 것이다

트랜지스터당 비용이 줄어드는 것이다

 

③ 전력 효율의 향상

 

또 일반적으로 소자의 크기가 작아지면

가동에 필요한 전력도 줄어든다

각각의 기능에 쓰이는 전력이 줄어든다는 뜻이다

여러분의 휴대폰이나 노트북의 배터리가 더 오래갈 수 있다

 

④ 제품 성능 향상

 

미세화 덕분에 더욱 성능이 좋은 칩을 생산할 수 있다

그래픽이 좋아지고 카메라 해상도가 높아지고

연결성도 좋아진다

 

⑤ 혁신의 원동력

마지막으로 미세화는 혁신의 원동력이 된다

미세화에 따르는 기술적 어려움을 극복하려 노력하게 된다

소자의 크기를 미세화하는 건 쉽지 않은 일이다

신소재를 개발하고 설계를 개선해야 한다

 

 

▣ 미세화가 어려운 이유

 

① 오프라인 상태에서의 전자 이동

 

선폭을 정말 좁게 미세화한다고 해 보자

 

 

심지어 소자가 꺼져 있을 때도 그렇다

전류가 흐르면 안 되는 상태이다

하지만 전자가 이동해야 할 거리가 너무 줄어들어서

트랜지스터가 꺼져 있어야 할 때조차

전자가 채널을 따라 터널링을 통해 이동할 수 있다는 것이다

 

트랜지스터 하나에 흐르는 전류는 매우 작으니까

그렇게 미세한 전류가 무슨 영향으 주겠냐고 할 수 있을 것이다

하지만 트랜지스터가 500억 개에 달하면

전류가 금세 불어난다

 

② 트랜지스터의 균일한 제조

 

또한 트랜지스터가 아주 작아지면 

모든 트랜지스터를 균일하게 만들기 힘들다

즉, 트랜지스터마다 특성이 다르다는 것이다

 

③ 발열 제어

 

또한 작은 공간에 수많은 트랜지스터를 집어넣고

동시에 작동시키면 트랜지스터에서 열이 발생한다

그러면 과열점이 생기고 장치의 신뢰성이 점점 떨어진다

그래서 여러분의 노트북이나 데스크톱 컴퓨터에 

팬이나 다른 장치들을 다는 것이다

컴퓨터와 그 속의 칩들이 과열되는 것을 막기 위해서이다

소자가 과열하면 성능이 떨어지기 때문이다

 

④ 제조 과정에서의 변동 제어

 

제조 과정에서 발생하는 작은 변동이 크게 증폭된다

결국 기판에 회로를 그리는 공정인 리소그래피도

점점 더 어려워진다

7나노미터 이하의 패턴을 그리는 건 정말 힘든 작업이다

EUV라는 신기술을 이용해야 할 수도 있다

 

※ EUV: 극자외선을 이용하는 리소그래피 기술

 

⑤ 비용

 

이런 작은 소자를 생산하는 비용이 매우 크다

설비뿐 아니라 설비를 관리하는 비용도 엄청나게 많이 든다

 

 

 

 

(2024.07.12 방송)

 

 

2강  왜 실리콘인가

 

 

 

 

▣ 반도체란 무엇인가? 

 

반도체의 전도성

물질이 전기를 얼마나 잘 전달하는지를 보면

전도체와 절연체의 중간이다

 

 

하지만 반도체에는 굉장히 중요하면서도 매우 독특한 특성이 있다

바로 반도체의 전도성이 불순물을 도입하는 도핑 공정을 통해

자릿수가 바뀔 정도로 급격히 달라진다는 점이다

비소, 인, 붕소 등을 실리콘에 넣으면 전도성이 급격히 달라진다

 

전도성은 주위 온도에 따라 달라지기도 한다

그래서 반도체는 온도 감지에 쓰이기도 한다

반도체(전도성)는 빛에도 민감하다

따라서 반도체는 집적 회로에만 중요한 게 아니라

광전 소자나 온도 감지 분야에서도 중요하게 활용된다

 

 

반도체의 다양한 유형 중에서도 일반적인 유형을 살펴보자

 

▣ 왜 반도체에 실리콘이 쓰이는가?

 

실리콘은 지구에서 가장 많은

혹은 산소 다음으로 가장 많은 물질이다

사실 실리콘은 모래 속에도 있다

모래를 정제하고 어떤 화학법을 활용하면

추출과 정제를 통해 실리콘을 얻을 수 있다

 

1. 뛰어난 경제성

비용 면에서 아주 효율적이다

 

2. 견고한 산화막

실리콘이 주로 쓰이는 가장 중요한 이유는

실리콘으로 반도체를 만들면

고품질의 견고한 산화막이 생기기 때문이다

 

 

흔히 이산화 규소를 두고서

신이 반도체 업게에 내린 선물이라고 한다

 

3. 높은 열 전도도

실리콘은 열전도도 뛰어나서

작동 시 열을 분산하는 데 도움이 된다

저마늄은 실리콘만큼 열전도율이 좋지는 않아

열 배출이 쉽지 않다

 

4. 강한 기계적 내구성

실리콘은 기계적으로 견고하기도 하다

이처럼 다양한 요인 덕분에 실리콘은

전자 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체 소재로 자리 잡았다

 

이렇게 다양한 특성 중에서도 견고한 천연 산화막이

가장 중요할 것이다

다른 반도체에도 산화막을 성장시킬 순 있지만

그 품질은 실리콘산화막과 비교조차 할 수 없다

그게 실리콘을 주로 사용하는 중요한 이유이다

 

실리콘 원자는 배열을 바꿀 수 있다

그 배열은 물질의 미세 구조에 영향을 준다

그럼 원자 배열의 핵심을 짚어 보겠다

 

 

고등학교 물리 시간을 떠올려 보라

보어 모형으로 고립된 원자를 살펴보자

규소는 전자를 14개 가지고 있다

원자핵 주변을 맴도는 궤도들이 있는데

첫 번째 궤도는 전자 2개가 완성한다

두 번째 궤도는 8개의 전자가 완성한다

그럼 2 더하기 8이나 총 10개다

세 번째 궤도에는 전자가 4개뿐이다

 

실리콘 원자 하나의 바깥쪽에 전자 4개가 있다

이 전자들을 원자가 전자라고 한다

그 궤도가 안정적이려면 전자 8개가 필요하다

그래서 부족한 전자 4개는 이웃이 빌려준다

각 실리콘 원자는 이웃 원자가 4개인데

 

 

원자들끼리 전자를 공유하는 것이다

이러한 형태를 공유 결합이라고 한다

전자를 공유하는 방식인 것이다

 

실리콘을 도핑하지 않았다면

(실리콘에 불순물을 더하지 않으면)

실리콘의 모든 전자는 결합에 쓰이게 된다

이미 결합하는 데 쓰였으니 쉽게 움직일 수 없다

 

그래서 실리콘의 전자들이 자유롭게 움직일 수 없다 보니

전기를 옮길 전자가 없는 것이다

그래서 도핑하지 않은 실리콘은 절연체나 다름없는 것이다

 

 

어떻게 실리콘을 전도체 혹은 반도체로 만들 수 있을까?

 

바로 불순물을 더하는 것이다

예를 들어 인이나 비소를 더한다고 하자

인이나 비소의 원자가 전자는 5개이다

그 전자 중 4개는 원자의 결합에 쓰인다

하지만 다섯 번째 전자는 결합에 참여하지 않아서

자유롭게 움직일 수 있기 때문에

인 원자를 하나씩 더할 때마다 전자가 하나씩 생기는 것이다

 

이러한 원리에 따르면 여러 개의 자유 전자가 움직이면서

전기를 옮길 수 있게 된다

 

 

그렇게 만들어진 물질은 음전하 전자가 훨씬 더 많다

이러한 물질을 N형 반도체라고 한다

 

도핑에 사용할 수 있는 또 다른 소재로는

붕소가 있다

붕소의 원자가 전자는 5개가 아닌 3개이다

3개의 원자가 전자 모두 결합하는데 쓰인다

이때 생긴 빈자리를 정공이라고 한다

그 정공은 양전하를 띠는데 이때 왼쪽에는

양전압을 가하고 오른쪽에는 음전압을 가한다면 어떻게 될까?

다른 전하끼리는 끌어당기고 같은 전하끼리는 밀어낸다

 

그렇게 되면 결합하고 있는 전자들이

자유롭게 움직일 순 없지만 이렇게 생각할 것이다

 

 

정공이 음극 단자 쪽으로 움직이는 것이다

 

P형 물질은 전하의 크기가 전자와 같지만

전하와 전자와는 반대 방향으로 움직인다고

생각할 수도 있다

따라서 양전하라고 생각할 수 있는 것이다

 

 

 

 

(2024.07.15 방송)

 

 

3강 반도체 소자의 원리

 

 

 

 

▣ 반도체란 무엇인가? 

 

반도체 소자를 이해하려면 에너지띠라는 개념을 배워야 한다

그리고 띠틈이란 무엇이며 소자의 성능에 어떤 영향을 줄까?

반도체 속에서 전하는 어떻게 움직일까?

 

흔히 이산화규소를 두고서 신이 반도체 업계에 내린 선물이라고 한다

사실 실리콘이 가장 좋은 소재인 건 아니다

갈륨-비소 같은 소재를 쓰면 훨씬 더 빠르게 작동할 수 있다

하지만 실리콘에는 적당한 띠틈이라는 게 있어서

반도체로서 거의 완벽한 특성을 지니고 있다

 

아주 많은 실리콘을 비좁은 공간에 모은다고 하자

 

 

그럼 더는 궤도를 논하는 의미가 없다

실리콘마다 각각의 궤도가 있는데

그 궤도들이 하나로 뭉치면서 띠를 형성한다

가장 바깥쪽은 원자가띠, 그다음은 전도띠라고 한다

 

 

실리콘을 비롯한 모든 반도체에는 원자가띠가 있다

전자로 가득 차 있는 에너지띠를 나타낸다

원자가띠는 결합에 쓰이는 전자를 보여주는 것이다

반면에 전도띠는 에너지가 더 크고 높은 곳에 있어 

전자가 존재하지 않는 공간이 많다

 

 

그 학생들은 이미 결합을 도맡고 있기 때문에 쉽게 움직일 수 없다

 

 

그 2층 교실을 전도띠라고 하는 것이다

 

원자가띠와 전도띠 사이의 거리는 띠틈이라고 한다

원자가띠의 전자는 그 띠틈만큼의 에너지가 있어야만

전도띠로 뛰어오를 수 있다

전도띠로 이온화하는 데 그만큼의 에너지가 필요한 것이다

이와 같은 띠구조를 이해하면

절연체, 반도체와 도체인 금속의 차이도 이해할 수 있게 된다

 

절연체의 띠틈은 1층과 2층의 거리가 굉장히 넓다

예를 들어 이산화규소는 절연체로서

티틈은 약 9 전자볼트이다

그럼 위층으로 올라가려면 많은 에너지가 필요한 것이다

자유롭게 움직일 수 있는 전자가 많지 않다는 것이다

 

그로 인해 전도성이 무척 낮고 그래서 소재가 절연체처럼 작용하는 것이다

 

반도체의 띠틈은 상대적으로 작다

실리콘은 약 1.1 전자볼트고 저마늄은 약 0.67 전자볼트이다

따라서 적당한 온도와 적당한 에너지가 가해지면

전자, 그러니까 학생들은 위층으로 올라갈 만큼의 에너지가 생겨

자유롭게 움직일 수 있다

 

마지막으로 금속은 전도체로서 전도띠와 원자가띠가 서로 겹친다

그래서 띠틈이 0이다, 다시 말해 띠틈이 없다

 

전자가 자유롭게 움직이면서 회로와 고체 전반을 돌아다닐 수 있다

 

 

전자는 전기장의 영향 아래 어떻게 움직일까?

 

오른쪽에는 양전압을 가하고 왼쪽에는 음전압을 가해 보자

양 단자 사이에는 전자가 하나 있고 전압은 전기장을 유발한다

전압이 높을수록 전기장도 높아진다

그 전기장은 전하에 힘을 가한다

그러니까 전압을 가하면 전자가 그 영향을 받으면서

양극 단자 쪽으로 이끌린다

그럼 전자는 오른쪽의 양극 단자 쪽으로 움직일 것이다

이때 인력이 작용하는 것이다

 

뉴턴의 법칙에 의하면 힘은 질량 곱하기 가속도이다(F=ma)

그런데 아시다시피 전자는 질량이 굉장히 적다

 

 

따라서 뉴턴의 법칙에 의하면

전자는 가속하면서 양극 단자 쪽으로 향해야 한다

그런데 전자가 움직이면 전류가 생겨난다

 

 

전압이 일정하다면 전류는 일정한 것이다

전류가 일정하다면 전자는 일정한 속도로 움직인다

여기서 문제가 생긴다

 

 

이 두 법칙 모두 실제로는 맞지만

서로 어긋나는 것처럼 보이는 이유는

진공 상태가 아니기 때문이다

 

진공 상태라면 전자는 실제로 가속하지만

지금은 고체 상태를 전제로 하기 때문이다

실리콘 한 덩어리에는 실리콘 원자가 많다

실리콘 덩어리는 고체다

 

실온 상태라고 가정한다면

실리콘 원자는 움직일 수 없지만 진동은 할 수 있다

이때 발생하는 진동을 포논이라고 한다

 

전자가 실리콘 고체로 들어가면 실제로 가속하지만

포논과 충돌한다

이때 뒤로 튕겼다가 앞으로 갔다가 또 뒤로 튕긴다

수많은 전자가 들어오기 때문에

전반적인 평균 속력은 곧 평균 속도이다

수많은 전자가 포논과 충돌해 에너지를 잃기 때문이다

 

에너지를 잃는 이 현상을 산란이라고 한다

 

 

이제 이 개념을 이해함으로써

왜 우리가 칩을 시원하게 유지하려는지 알게 된 것이다

고온에서는 실리콘이 더 많이 진동할 것이다

진동이 늘어나면 전자와 그 진동의 충돌이 더 자주 일어나면서

에너지도 더 자주 잃게 된다

 

따라서 온도가 올라가면 전자 이동도는 낮아진다

전자의 속력이 평균적으로 줄어드는 것이다

따라서 트랜지스터의 성능과 집적 회로의 성능도 떨어지게 된다

 

 

반도체라는 핵심 소재는 

현대 전자 공업의 원동력으로서 현대인의 삶을 구성하는

수많은 기술의 바탕이 된다

 

 

 

 

(2024.07.16 방송)

 

 

4강  작은 소자 만들기

 

 

 

 

▣  미세화 기술을 가능케 한 요인은 무엇인가?

 

 

EUV, 즉 극자외선을 이용하는 기술이 상용화되고 있고

그 덕분에 선폭을 손자 성능 3 나노미터에 해당하는

크기까지 줄이는 게 가능해졌다

 

또한 다양한 신소재가 발명됐고 새로운 공정이 개발됐다

 

 

시간이 흐르며 트랜지스터도 변했다

과거의 트랜지스터는 이차원이었지만

지금은 삼차원 트랜지스터도 나왔다

 

 

소자의 크기를 줄일 수 있었던 또 하나의 중요한 요인은

기술의 발달로 소자를 관찰하는 해상도가 높아진 것이다

 

 

소프트웨어도 개발됐다

시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면

소자와 회로가 어떻게 작동할지 설계하고 모델링해 볼 수 있다

제조해 보지 않고도 알 수 있다

 

공급망도 중요한 역할을 했다

공급망의 도움 없이는 미세화가 힘들었을 것이다

순도가 높은 원료와 가스, 화학 물질이 공급되지 않고

첨단 장비가 개발되지 않았다면

칩을 이 정도로 미세화하기 힘들었을 것이다

 

반도체의 미세화를 가능케 한 또 하나의 요인은

실리콘으로 만든 기판인 웨이퍼입니다

칩 제조에 쓰는 웨이퍼가 점점 커지고 있다

1970년대에는 웨이퍼의 크기가 2-3인치(50~75mm)였다

웨이퍼는 원반 모양이니까 지름이 2-3인치라는 것이다

당연히 웨이퍼는 커질수록 좋다

 

칩은 일괄 처리 방식으로 제작한다

웨이퍼 한 장 위에서 칩 여러 개를 동시에 만든다

 

 

그리고 웨이퍼가 커지면

웨이퍼 한 장에서 만들 수 있는 칩의 개수도 늘어난다

한 번의 공정으로 만들 수 있는 칩이 늘어날 뿐만 아니라

트랜지스터의 개당 가격도 기하급수적으로 감소한다

 

1960년엔 트랜지스터가 개당 약 1달러였는데

현재 가격은 10의 마이너스 8승이다

(0.00000001달러)

 

즉 마이크로 칩에 들어가는 트랜지스터 하나의 가격은

쌀 한 톨보다 싸다

 

 

▣ 미세화는 얼마나 진행되었는가

 

 

1980년대 이후의 상황이 나타나 있다

미크론에서 시작해 나노미터까지 줄어들었다

인간 머리카락의 평균 지름은 얼마일까?

50-100미크론이다

오늘날의 반도체 산업은 그보다 훨씬 작은 단위를 다루고 있다

 

 

미세한 패턴을 그릴 때 쓰는 빛의 파장이

패턴보다 훨씬 크다는 것이다

어떻게 해야 할까?

 

온갖 기술을 총동원해야 한다

OPC(광학 근접 보정 기술)에 위상 변위 기술 등을 이용해야 한다

그렇게 훨씬 큰 파장으로도 7 나노미터를 그릴 수 있다

이후 등장한 혁신적인 기술은 바로 극자외선이다

극자외선의 파장은 겨우 13.5 나노미터이다

 

물론 극자외선 기술에도 많은 어려움과 문제가 있긴 하다

여러분께 소개하고 싶은 내용이 있다

 

 

소자의 면적과 두께를 K의 비율로 줄인다고 하자

즉 K분의 1이 되는 것이다

이때 전압과 전류도 같은 비율로 줄여야 한다

그래야 전압을 거리로 나눈 값인 전기장이

일정하게 유지된다

 

이 이론을 활용하면 미세화의 이점이 무엇이고

성능이 얼마나 개선되는지 알 수 있다

회로 지연 시간은 K분의 1로 줄어든다

배터리 소모 속도의 척도인 전력 손실은

K 제곱분의 1로 감소한다

모두가 만족할 만한 결과인 셈이다

 

하지만 안타깝게도 현실 세계에는

미세화를 제한하는 변수가 많다

과거에는 미세화가 비용 감소를 주도했다

이 점은 지금도 유효하다

 

하지만 과거에는 미세화가 성능 향상을 주도했다면

지금은 소재가 더 중요하다

신소재가 성능을 좌우한다

 

 

또한 과거에는 성능을 제일 중요하게 고려한 반면

지금도 전력은 매우 중요하게 고려한다

 

 

전력에는 두 가지가 있는데

장치의 스위치를 켰을 때 소비하는 '유효 전력'과

장치가 대기 상태일 때 소비하는 '대기 전력'이 있다

과거엔 유효 전력이 더 중요했다면

현재는 대기 전력이 더 중요하다

 

 

그리고 과거에는 미세화를 하고 공정이나 설계를 바꿀 때

각각의 작업이 독립적이었다

회로를 짜는 엔지니어가 칩을 설계하고 나면

공정 엔지니어에게 넘겼다

요즘엔 공동 작업이 더 늘었다

회로 설계를 마무리하기 전에 공정 엔지니어와 토론한다

피드백이 활발해졌다

 

기본적으로 파운드리 기업은

가장 돈이 많이 드는 과정에서 비용을 절감할 수 있게 해 준다

트랜지스터 제조에서 가장 큰 비용을 절감할 수 있다

집적 회로를 설계하는 디자이너는

복잡한 기술 개발이나 웨이퍼 제조에 신경 쓸 필요가 없어졌다

 

그래서 집적 회로를 제조하는 회사와 디자이너는 

자사 제품의 혁신과 판매에만 집중할 수 있게 됐다

여기엔 분명한 이점이 있다

 

 

TSMC의 케빈 장 박사는 이런 예측을 했다

 

 

 

크기의 미세화는 신소재 및 새로운 공학 기술과 결합해

반도체, 집적 회로 산업의 혁신에 박차를 가해 왔다

앞으로 미세화를 더욱 진전시킬수록

더 큰 어려움을 마주하게 될 것이다

하지만 반도체 산업이

재료 과학, 소자 공학 등 여러 공학 분야에서

혁신을 이어갈 것이라 믿는다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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