극한 환경을 버티는 반도체

극한 환경에 속하는 인공위성이나 탐사 로봇 등에 사용되는 반도체 기술은 주로 실리콘 반도체와 화합물 반도체 기술을 적용해 왔다. 그러나 그동안 반도체 소재는 재료의 물성적 한계로 인해 극고전압이나 고온·고압, 고충격, 고방사선 등에 취약했다. 이에 따라 스마트 그리드, 철도수송, 풍력발전 터빈, 선박 및 산업용 모터, 자동차 엔진, 태양광발전 인버터, 재난탐지, 원유 탐사 장비, 우주산업 등 극한 환경에 적합한 반도체 소자로의 응용이 어려웠다.

극한 환경용 반도체는 기존 실리콘 및 화합물 반도체보다 안정적으로 동작할 수 있는 우수한 물성을 가진 UWBG(Ultra-Wide Band Gap) 반도체로서, 다이아몬드(Diamond) 반도체, 산화갈륨(Ga²O³) 반도체, 질화알루미늄(AIN) 반도체 등이 해당한다. 현재 극한 환경에 속하는 인공위성이나 탐사 로봇 등은 기존 실리콘 반도체와 화합물 반도체 기술을 적용하고 있다. 그러나 고온 및 내방사선 등의 극한 환경을 위해 방열을 위한 모듈과 밀폐구조, 차폐구도 등과 같은 중후장대(重厚長大)한 부품이 사용하고 있다. 이러한 부품을 경박단소(輕薄短小)한 부품으로 개발하기 위해 앞서 말한 반도체 물성이 우수한 UWBG 반도체 기술개발이 필수적이다.

이러한 흐름에 발맞춰 미국에서는 화성 탐사 프로젝트를 본격적으로 추진하면서 고온 및 방사선 환경 탐사 로봇인 스피릿을 개발했다. 이를 통해 고온 및 방사선 등 극한 환경에서 화성표면의 각종 데이터를 지상으로 전송하는 데 성공했다. 또한, 대체 에너지 개발 기술의 필요성이 증가함에 따라 원자로 등 안전 감시 및 사고 대응을 위해 200℃ 이상의 고온과 10MGy 정도의 고방사능의 환경에서 사용할 수 있는 로봇에 적용할 극한 환경용 반도체 소자 개발에 박차를 가하고 있다. 아울러 미국 NASA에서는 금성 대기 조건인 약 460℃, 94MPa에서 구동 가능한 구동 온도 500℃ 이상의 금성 탐사체용 전자소자에 대한 연구도 활발히 진행 중이다.