우주방사선이 반도체 고장 유발하는 원인 찾았다

감마선 같은 우주방사선은 인공위성이나 우주선 등에 쓰이는 반도체 고장을 유발할 수 있는 것으로 알려졌다. 게티이미지뱅크 제공

인공위성이나 우주선 등에 쓰이는 반도체는 감마선 같은 우주방사선에 노출돼 고장 나기 쉬운 것으로 알려졌다. 국내 연구팀이 2차원(2D) 나노소재 반도체에 감마선이 미치는 영향과 원리를 밝혀냈다. 방사선에 강한 내방사선 반도체 연구에 기여할 것으로 기대된다.

한국원자력연구원은 강창구 방사선융합연구부 책임연구원팀이 한국재료연구원과 공동연구를 통해 2차원 나노소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 반도체에 감마선이 조사되었을 때 나타나는 전기적 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 25일 밝혔다. 연구결과는 지난달 7일 국제학술지 '나노머티리얼즈(Nanomaterials)'에 공개되고 8월호 표지논문으로도 선정됐다.

연구팀은 전자를 차단하는 절연체와 이황화몰리브덴을 층으로 쌓고 전극으로 연결해 전기신호를 처리하는 반도체 소자인 트랜지스터를 제작했다. 이후 트랜지스터에 방사성 동위원소인 코발트(Co)-60에서 발생한 감마선을 조사하고 특성을 분석했다.

분석 결과 감마선 조사량이 증가할수록 트랜지스터에 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압인 문턱전압이 높아지면서 흐르는 전류가 약간 감소하며 반도체의 오류 원인이 되는 현상이 관찰됐다. 

메커니즘을 분석한 결과 감마선이 이황화몰리브덴에 조사되면 전자가 비정상적으로 빠져나와 절연체와의 경계면 또는 공기층으로 들어가는 전자 '터널링' 현상이 원인으로 지목됐다. 감마선 조사량이 증가할수록 전자 터널링 현상도 많이 발생했다. 방사선으로 인한 반도체 고장의 원인이 소자 자체의 원인이 아니라 반도체 내부 경계면과 공기층과 관련 있다는 사실이 확인된 것이다.

연구결과는 방사선에 강한 내방사선 반도체 기술 개발에 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 이후 연구팀은 방사선 영향평가 분석시스템의 고도화를 통해 나노소재 기반 반도체 소자가 방사선을 견디는 특성을 개선하고 다양한 회로에서 내방사선 반도체 연구를 수행할 계획이다.

정병엽 원자력연 첨단방사선연구소장은 "나노소재를 이용한 내방사선 반도체 기술 개발은 아직 초기 단계"라며 "방사선으로 인한 열화현상의 근본적 원인을 밝힐 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.3390/nano14161324

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]