한국공학대학교는 최근 남옥현 반도체공학부 교수 연구팀의 '다이아몬드 기반 우주용 반도체 개발' 연구가 산업통상자원부 '산업기술알키미스트 프로젝트 3단계 과제'에 최종 선정됐다고 9일 밝혔다.
최근 저궤도 위성군 구축과 심우주 탐사, 우주 기반 통신·감시 시스템 확대 등 민간 중심의 우주 산업 경쟁이 본격화하며 '뉴 스페이스'(New Space) 시대가 빠르게 도래하고 있다. 이에 극한 방사선과 급격한 온도 변화 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 차세대 반도체 기술 확보가 국가 전략 과제로 부상했다. 특히 우주·국방 환경에서 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 초광대역(UWBG, Ultra-Wide Bandgap) 반도체 플랫폼은 글로벌 기술 경쟁의 핵심 분야로 평가된다.
'산업기술알키미스트 프로젝트'는 실패 가능성이 높더라도 세계 최초·최고 수준의 원천기술 확보에 도전하는 도전혁신형 고난도 국가 연구개발 사업이다. 이번 3단계 과제는 다이아몬드 기반 우주용 반도체 통합 플랫폼 구현을 목표로 하는 실증 단계 연구다.
남 교수팀은 향후 5년간 201억원에 달하는 연구비를 지원받아 대면적·고품질 다이아몬드 소자 기술과 융합 반도체 소자 기술을 개발한다.
이번 프로젝트에는 주관기관인 한국공학대를 비롯해 △한국전자통신연구원(ETRI) △한국에너지공대 △홍익대 △한국세라믹기술원 △한국원자력연구원 등이 참여한다. 해외 협력기관으로는 미국 스탠퍼드대와 펜실베이니아주립대 등이 있다. 국내 반도체 기업 ㈜칩스케이는 기술 사업화 및 산업 확산을 맡는다.
연구팀은 △다이아몬드 웨이퍼 성장 기술 △반도체 소자 구조 설계 및 소자개발 △신뢰성 평가 △우주 환경 모사 검증 등 연구 전 과정을 총괄한다. 산·학·연·해외 협력 네트워크를 기반으로 글로벌 최고 수준의 우주용 반도체 기술 경쟁력을 확보한다는 계획이다.
기존 실리콘(Si) 기반 반도체는 우주 환경에서 고에너지 입자와 방사선 영향으로 단일사건효과(SEE, Single Event Effect)가 발생할 수 있다. 또 임계전압 변동, 누설전류 증가 등 성능 측면의 한계는 물론 고온·고전압 환경에서의 열적 한계도 존재해 추가적인 냉각 장치나 차폐 시스템이 필요하다. 이는 시스템 무게 증가와 신뢰성 저하로 이어질 수 있다.
반면 다이아몬드는 넓은 밴드갭과 최고의 열전도율, 높은 전계 파괴 강도를 가진 초광대역 반도체 소재다. 방사선 환경에서도 안정적인 특성을 유지해 장기 운용 위성 전력 시스템과 심우주 탐사용 전자장비에 적합한 차세대 반도체 소재로 평가받고 있다.
이번 연구는 단순한 다이아몬드 반도체 소자 개발이 아니다. 질화물 반도체와의 융합 연구를 통해 고출력·고주파 특성과 극한환경 신뢰성을 동시에 확보, 우주용 반도체 통합 플랫폼을 구축하는 것이 목표다.
아울러 다이아몬드는 내부 격자 결함인 NV 센터에서 양자얽힘 특성을 보여 양자 센싱, 통신, 컴퓨팅 등 광범위한 응용이 가능하다. 극저온이 아닌 상온에서 동작이 가능하다는 특성으로 차세대 양자기술로 주목받고 있다. 특히 연구진이 개발한 (111)면 단결정 다이아몬드는 NV 센터 정렬 특성이 우수해 고감도 양자 센서와 단일광자 소자 구현에 유리한 것으로 알려졌다.
남 교수는 "우주 시대를 맞아 반도체는 산업 경쟁력을 넘어 국가 안보와 기술 주권을 좌우하는 전략 자산이 되고 있다"며 "다이아몬드 기반 우주용 반도체와 질화물 융합 플랫폼을 통해 극한 환경 반도체 분야에서 세계적인 기술 경쟁력을 확보하겠다"고 말했다.
