우주반도체 고장 원인 ‘방사선’, 원자 ‘방어막’으로 막는다

시사위크 2025.03.06 조회수

시사위크=박설민 기자 국내 연구진이 우주방사선의 80% 이상을 차지하는 양성자에 대한 반도체의 내방사화 기술 개발에 성공했다. 한국 우주산업 경쟁력 확보의 초석이 될 것으로 기대된다.

한국원자력연구원(원자력연) 첨단방사선연구소는 양성자에 의한 나노반도체 오류를 대폭 억제할 수 있는 반도체 내방사화 기술 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. 이번 연구는 포항공과대학교와 공동으로 진행했다.

강력한 방사선 피폭은 우주산업에 있어 가장 큰 장애물 중 하나다. 우주발사체, 인공위성의 고장을 유발하기 때문이다. 실제로 우주선용 반도체 고장의 30%는 우주방사선에 의한 것으로 알려졌다.

이 같은 문제를 해결하고자 강창구 원자력연 방사선융합연구부 책임연구원팀과 이병훈 포항공대 교수팀은 우주방사선의 양성자 피폭에 저항할 수 있는 반도체 기술을 고안했다. 반도체 표면을 외부와 물리적으로 분리해 대기 중 물과 산소 등을 차단하는 ‘패시베이션(Passivation)’ 층을 쌓는 방식이다.

이를 위해 연구팀은 산화아연(ZnO) 기반의 나노반도체 표면에 10나노미터(nm) 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 패시베이션 층을 쌓았다. 여기에 사용된 기술은 ‘원자층 증착 방식’이다. 이는 물질을 원자 단위의 기체 상태로 만들어 표면에서 화학반응으로 얇게 쌓는 방법이다.

연구팀은 완성된 패시베이션 층 적용 반도체를 양성자가속기에 넣고 성능을 테스트했다. 그 결과, 신형 기술 적용 반도체는 양성자 조사에 따른 전기적 특성 변화를 매우 효과적으로 억제하는데 성공했다. 강력한 우주방사선에서도 버틸 수 있음을 의미한다.

세부적으로 패시베이션 층으로 보호받는 반도체는 그렇지 않은 반도체에 비해 양성자 조사 후 문턱전압 변화는 60%, 이력현상 지수와 스트레스 지수 변화는 90% 대폭 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 반도체 고장의 주요 현상인 노이즈 값은 양성자 조사 후에도 전혀 변하지 않았다.

원자력연 연구팀은 반도체 내방사화 기술의 구체적인 메커니즘 규명을 위한 방사선 영향평가 분석시스템을 고도화한다는 목표다. 이후 다양한 회로 수준에서 내방사선 반도체 연구를 지속할 계획이다.

정병엽 첨단방사선연구소장은 “이번 기술은 차세대 나노반도체에 원자층 증착 방식으로 패시베이션 층을 쌓고 실제 내방사선 효과까지 검증한 사례”라며 “우리나라가 우주항공용 반도체 기술 경쟁에서 우위를 확보할 수 있도록 더욱 노력하겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 이공분야 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노컨버전스(Nano Convergence)’ 1월호에 게재됐다.