우주 환경에서는 지구에서와는 다른 환경적 요인으로 인해 지구에서는 성공적으로 동작하던 시스템이 우주에서는 그렇지 못하는 경우들이 종종 있습니다. 그 중 하나가 높은 방사능 노출인데, 이번 포스팅에서는 이와 관련하여 IEEE Spectrum에 소개된 내용을 전합니다.
개요
어제, NASA는 행성 탐사를 위해 제작한 최대 규모의 우주선인 유로파 클리퍼를 성공적으로 발사했습니다. 이제 클리퍼는 생명 유지 가능성을 탐색하기 위해 목성의 위성 유로파로 가는 다년간의 여정을 성공적으로 시작했습니다. 그러나 몇 달 전만 해도 이 임무는 거의 좌절될 뻔했습니다. 7월에 NASA의 연구진은 유로파 클리퍼의 일부 트랜지스터가 목성의 극한 방사선 환경에서 고장 날 것이라는 사실을 발견했습니다. 그들은 수개월간 다양한 장치를 시험하고 비행 궤도를 업데이트했으며, 방사선 영향을 실시간으로 모니터링할 수 있는 ‘카나리아 박스’를 추가하는 결정을 내렸습니다.
알란 맨투스, IEEE 펠로우이자 아칸소 대학교 전기공학 교수는 이 카나리아 박스를 “문제를 해결하기 위한 매우 논리적인 엔지니어링 솔루션”이라고 설명합니다. 하지만 이상적으로는 필요하지 않았어야 했다고 덧붙였습니다. 만약 NASA가 트랜지스터 문제를 더 일찍 발견했거나 내장 모니터링 기능이 포함된 회로를 설계했다면, 마지막 순간의 급한 조치가 필요하지 않았을 것입니다. 맨투스 교수는 이를 “영리한 보완책”이라 칭했지만, 본질적으로 “보완책”에 불과하다고 평가했습니다.
과학자들은 1960년대부터 전자 장치를 방사선에 견딜 수 있도록 설계해 왔습니다. 하지만 우주 탐사가 더 야심 차게 진행되면서 방사선 내성 기술도 진화해야 했습니다. 맨투스 교수는 이를 “사이버 보안과 유사하다”고 말하며 “항상 더 나아지려고 노력하는 과정이며, 언제나 더 혹독한 환경이 기다리고 있다”고 설명합니다.
스페이스X와 같은 회사들의 급속한 성장으로 우주 산업은 “큰 전환점”에 서 있다고 인피니온의 항공우주 및 방위 프로젝트를 담당하는 엔지니어, 에릭 파라치는 언급합니다. 그는 “우리가 기존에 당연하게 여겼던 모든 것이, 작업 방식이나 최선의 관행에 대한 모든 것이 재검토되고 있다”고 강조했습니다.
미래의 우주 탐사에서는 실리콘 카바이드와 같은 대체 반도체, 특수 CMOS 트랜지스터, 통합 광학, 새로운 종류의 방사선 저항 메모리 등으로 구성된 시스템이 더 많이 등장할 것입니다. 여기서 차세대 방사선 내성 기술에 대한 안내를 제공합니다.
실리콘 카바이드의 초광대역 갭
현재 우주선의 대부분 전력 장치는 반도체로 실리콘을 사용하지만, 차세대는 실리콘 카바이드를 사용할 것이라고, 20년 넘게 방사선 내성 마이크로전자공학을 개발해 온 센트럴 플로리다 대학교의 연구원, 엔시아 장은 설명합니다. 실리콘 카바이드는 더 넓은 밴드 갭을 가지고 있어 방사선에 더 잘 견딥니다. 밴드 갭은 전자가 원자 핵에 묶인 상태에서 전도에 참여하는 상태로 전환하기 위해 필요한 추가 에너지를 의미합니다. 실리콘의 밴드 갭은 1.1 전자볼트인 반면, 실리콘 카바이드는 3.3에서 3.4 전자볼트 범위를 가집니다. 이는 실리콘 카바이드 전자의 방해를 일으키기 위해 더 많은 에너지가 필요함을 의미하므로, 우주 방사선의 영향에 의해 방해될 가능성이 낮아집니다.
현재 실리콘 카바이드 칩이 생산되고 있으며, NASA는 이를 우주 임무에 사용하기 위해 주간 회의를 열어 시험을 진행 중이라고 장은 덧붙입니다. NASA의 실리콘 카바이드 장치는 향후 달 및 금성 임무에서 사용될 예정입니다.
인피니온의 파라치는 “사람들이 현재 실리콘 카바이드 장치를 운용 중”이라고 말합니다. 이들은 지상에서 설계된 매개 변수보다 훨씬 낮은 조건에서 이를 사용하여 표준 부족 문제를 해결하고 있는데, 이를 디레이팅(derating)이라고 부릅니다.
밴드 갭이 충분히 넓은 또 다른 반도체는 갈륨 나이트라이드(3.2 eV)입니다. 주로 LED에 사용되며 노트북 충전기 및 기타 저전력 소비자 전자 장치에서도 볼 수 있습니다. 이는 우주 응용에 “매우 흥미로운” 소재이지만, 아직 새로운 소재로서 신뢰할 수 있도록 많은 시험을 거쳐야 한다고 파라치는 설명합니다.
갈륨 나이트라이드는 화성이나 달의 어두운 면과 같은 저온 환경에 가장 적합하며, 맨투스 교수는 “수은이나 태양 가까이에서 고온 작업을 수행할 경우 실리콘 카바이드가 적합할 것”이라고 평가합니다.
방사선 내성을 위한 실리콘 온 인슐레이터 설계와 FinFETs
방사선 내성을 위한 새로운 소재만이 아니라, 연구자들은 실리콘 트랜지스터의 설계 방식을 새롭게 탐구하고 있습니다. CMOS 생산 방법 중 이미 방사선 내성형으로 개발된 두 가지 방식은 실리콘 온 인슐레이터(SOI)와 핀 필드 이펙트 트랜지스터(FinFET)입니다. 이 두 가지 방식은 고에너지 입자가 전자 장치에 충돌하여 전자를 예상치 못한 위치로 이동시키고 비트를 뒤바꾸는 ‘단일 이벤트 효과’라는 방사선 손상을 방지하기 위해 설계되었습니다.
일반적인 벌크 CMOS에서 전류는 소스에서 드레인으로 채널을 통해 흐르며, 게이트가 스위치 역할을 하여 전류 흐름을 차단하거나 허용합니다. 이들은 실리콘의 최상층에 위치합니다. 방사선은 실리콘의 더 깊은 곳에서 전하를 자극하여 게이트의 제어를 우회하고 원치 않는 전류가 흐르게 할 수 있습니다. 방사선 내성 설계는 이 자극된 전자의 이동을 저지하는 방식으로 작동합니다.
SOI 설계는 소스와 드레인 아래에 실리콘 산화물과 같은 절연층을 추가하여, 채널 아래로 전하가 쉽게 흐르지 못하게 합니다. FinFET 설계는 드레인, 소스, 그리고 그 사이의 채널을 3차원 ‘핀’ 형태로 높입니다. 자극된 전하는 이제 게이트를 우회하기 위해 아래로 흐른 후 주위를 돌아 다시 위로 올라와야 하므로 방사선 영향을 줄일 수 있습니다. FinFET은 또한 다른 형태의 방사선 손상인 총 이온화 선량(TID)에도 자연스럽게 저항력이 있습니다. TID는 천천히 축적된 입자들이 채널과 게이트 사이 절연층의 특성을 변화시키는 현상을 말합니다.
SOI 및 FinFET 장치를 제작하는 기술은 수십 년 전부터 존재해 왔습니다. 2000년대에는 일반적인 벌크 CMOS 장치를 사용하면서 회로 설계와 레이아웃을 통해 방사선 위험을 완화할 수 있었기 때문에 방사선 내성 설계에서 그리 많이 사용되지 않았다고 애리조나 주립대학교의 전기공학 교수 휴 바나비는 설명합니다. 그러나 최근 CMOS 장치가 소형화되면서 방사선에 더 취약해짐에 따라, 보다 전문적이고 비용이 많이 들더라도 이러한 방사선 내성형 CMOS 장치에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.
바나비 교수는 FinFET의 방사선 내성을 향상시키기 위한 연구팀과 함께 작업 중입니다. 연구팀은 핀 수를 늘리면 전류 제어 능력은 향상되지만 방사선 내성은 감소한다는 사실을 발견했습니다. 현재 연구팀은 핀의 위치를 재배치하여 방사선 내성 회로의 효과를 극대화하기 위한 연구를 진행 중입니다. 바나비 교수는 “아직 완전히 해결하지는 못했지만, 성공할 것이라고 확신합니다.”라고 전했습니다.
고대역폭 및 빠른 데이터 전송을 위한 광자 시스템
광자 시스템은 전자 대신 빛을 이용해 에너지를 거의 소모하지 않고 먼 거리로 정보를 전송합니다. 예를 들어, 인터넷은 광섬유를 통해 대량의 데이터를 빠르게 전송합니다. 지난 10년 동안 연구자들은 데이터 센터에서 고대역폭 정보 전송에 사용되는 실리콘 광자 집적 회로를 개발했으며, 이를 통해 우주선 내에서 대량의 데이터를 전송하는 것도 가능해질 것이라고 조지아 공과대학교의 전자공학 교수인 존 크레슬러는 설명합니다.
크레슬러는 “우주에 있는 원격 센서나 통신 시스템을 생각해 보세요. 이러한 시스템은 많은 데이터를 수집하거나 전송하는데, 광자 시스템을 사용하면 훨씬 수월해집니다”라고 설명합니다.
가장 큰 장점은 광자 집적 회로가 본질적으로 방사선 내성을 가지고 있다는 것입니다. 전자 대신 광자를 통해 데이터를 전송하기 때문에 고에너지 방사선이 전자와 달리 광자에는 영향을 주지 않습니다. 광자는 전하를 띠지 않기 때문입니다.
크레슬러 교수는 향후 2년 내에 우주선에 통합 광자 기술이 사용될 것으로 예상합니다. “NASA와 미국 국방부, 심지어 상업적 우주 산업에서도 광자 기술에 큰 관심을 보이고 있습니다”라고 전했습니다.
우주에서의 비휘발성 메모리
우주에서 방사선 내성을 높이기 위한 또 다른 유망한 연구 분야는 새로운 종류의 비휘발성 메모리입니다. 컴퓨터는 일반적으로 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 또는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)를 사용합니다. 이들은 전력이 꺼지면 상태를 저장할 수 없는 휘발성 메모리입니다. 하지만 비휘발성 메모리는 전원이 꺼져도 상태를 유지할 수 있어 지속적인 전력이 필요하지 않으며, 전력 소모를 줄일 수 있습니다.
우주에서 사용할 수 있는 비휘발성 메모리의 선두 주자는 자기저항 RAM(MRAM)과 저항성 RAM(ReRAM)입니다. MRAM은 데이터를 저장하기 위해 자기 상태를 사용하고, ReRAM은 메모리 저항(memristance)을 이용합니다. 이 두 기술은 기본 설계 방식으로 인해 방사선 내성을 가지고 있습니다. 방사선은 MRAM의 자기장을 방해하지 않으며, ReRAM의 저항에도 영향을 주지 않습니다.
밴더빌트 대학교 우주 및 방위 전자 연구소 소장인 마이클 알레스는 “저항성 RAM은 신경형 저에너지 컴퓨팅에 도달할 잠재력을 가진 기술 중 하나입니다”라며, 이는 뇌의 작동 방식에서 영감을 얻은 컴퓨팅 형태라고 설명합니다. 일반적으로 위성은 자체 데이터를 처리할 수 있는 능력이 부족해 데이터를 지구로 전송해야 합니다. 하지만 메모리저 기반 회로의 낮은 전력 소모 덕분에 위성에서 직접 데이터를 처리해 통신 대역폭과 시간을 절약할 수 있습니다.
아직 연구 단계에 있지만, 장 박사는 향후 10~15년 내에 비휘발성 메모리가 우주에서 사용될 것으로 예상하고 있습니다. 지난해 미국 우주군은 방사선 내성 비휘발성 메모리 개발을 위해 웨스턴 디지털에 3,500만 달러의 계약을 체결했습니다.
신중함과 희망의 메시지
그러나 알레스는 이러한 새로운 기술의 진정한 시험대는 독립적인 성능이 아니라 시스템으로서 통합하여 작동할 때라고 경고합니다. “약한 고리는 무엇인가?”를 항상 물어야 한다는 것입니다. 강력하고 방사선 내성을 가진 메모리 장치가 실리콘 트랜지스터에 의존하고 있고, 그 트랜지스터가 방사선에 취약하다면 메모리의 방사선 내성은 의미가 없어질 수 있습니다.
우주 탐사와 위성 발사가 계속 증가함에 따라 방사선 내성은 설계에 있어 더욱 중요한 요소가 될 것입니다. “흥미로운 점은 우리가 기술을 발전시킴에 따라 이전에 갈 수 없었던 곳으로 가고 더 오래 머무를 수 있게 된다는 것입니다”라고 맨투스 교수는 말합니다. “현재 우리는 태양으로 전자 장치를 보낼 수 없습니다. 하지만 언젠가는 가능할 것입니다.”
마무리
이번 포스팅에서는 우주 환경에서 방사선 내성을 갖춘 최신 전자 장치와 기술에 대해 살펴보았습니다. 실리콘 온 인슐레이터(SOI), FinFET, 광자 시스템, 비휘발성 메모리와 같은 혁신적인 기술들은 우주 탐사의 가능성을 넓히고 장기 임무를 보다 안정적이고 효율적으로 수행할 수 있도록 지원합니다. 방사선 내성은 미래의 우주 탐사에서 필수 요소가 될 것이며, 더 안전하고 강력한 시스템을 통해 우리가 미지의 우주를 탐험하고 더 멀리 나아갈 수 있을 것입니다. 앞으로도 이런 첨단 기술들이 우주 산업에 어떤 혁신을 가져올지 기대됩니다.