우주 방사선에 취약한 반도체, 고장 원인 밝혀져 – 내방사선 반도체 개발의 실마리

우주 환경에서 사용되는 전자기기의 성능과 안정성을 좌우하는 핵심 요소 중 하나는 바로 반도체입니다. 인공위성, 우주 탐사선 등 우주에서 작동하는 전자기기에는 강력한 우주 방사선이 노출되는데, 이 방사선은 반도체의 고장을 유발할 수 있습니다. 그러나 구체적인 고장 메커니즘은 여전히 명확하지 않았습니다. 하지만 최근 국내 연구진이 우주 방사선 중 하나인 감마선이 반도체에 미치는 영향을 밝혀내어 내방사선 반도체 개발에 한 걸음 더 다가가게 되었습니다.

 

 

한국원자력연구원과 한국재료연구원 연구팀은 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 2차원 나노 소재 반도체에 감마선이 미치는 영향과 고장 원리를 규명하는 데 성공했습니다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노머티리얼즈(Nanomaterials)’ 8월호에 표지 논문으로 게재되며 전 세계 학계의 주목을 받았습니다.

 

 

감마선과 반도체 : 고장의 구체적 메커니즘

우주 방사선은 다양한 전자기기의 반도체 소자에 영향을 미쳐 고장을 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 반도체가 방사선에 노출될 때 일어나는 구체적인 메커니즘은 정확하게 밝혀지지 않았습니다. 이에 연구팀은 방사선에 비교적 강한 이황화몰리브덴 소재를 이용하여 반도체 소자를 제작한 후, 감마선을 조사하여 그 영향을 분석했습니다.

그 결과, 감마선이 조사된 반도체에서 전자가 비정상적으로 빠져나가 절연체와 경계면의 공기층으로 들어가는 ‘전자 터널링’ 현상이 발생한다는 사실을 확인했습니다. 이 전자 터널링 현상이 반도체 고장의 직접적인 원인이었으며, 감마선 조사량이 많아질수록 전자 터널링도 더 많이 발생하는 것으로 나타났습니다.

 

 

내방사선 반도체 개발의 시사점

연구팀은 이 결과를 통해 반도체 고장의 원인이 반도체 소자 자체의 결함이 아닌, 반도체 내부 경계면과 제작 공정에서 발생하는 공기층에 있을 가능성을 제시했습니다. 이러한 공기층이 감마선에 의해 활성화되면서 전자 터널링을 유발해 반도체 고장을 일으킨다는 점이 이번 연구의 핵심입니다.

이번 연구는 향후 내방사선 반도체 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 보입니다. 내방사선 반도체는 우주 방사선과 같은 극한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있어, 인공위성, 우주 탐사선 등 다양한 우주 기술에 필수적입니다.

 

 

향후 연구 방향과 기대

정병엽 한국원자력연구원 첨단방사선연구소장은 “나노소재를 이용한 내방사선 반도체 기술 개발은 아직 초기 단계에 있지만, 방사선에 의한 반도체 소자의 열화 현상의 근본적 원인을 밝혀내는 데 주력하고 있다”고 밝혔습니다. 연구팀은 앞으로도 다양한 내방사선 반도체 연구를 통해, 우주 방사선에 견딜 수 있는 반도체 소자의 성능을 개선할 계획입니다.

이번 연구 결과는 단순히 우주에서 사용되는 반도체 기술 개발을 넘어, 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 새로운 반도체 기술의 길을 열어줄 수 있는 중요한 전환점이 될 것입니다.

 

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