462℃ 고온에서 견디는 반도체

[은 희]

지난 몇 년 간 천문학계의 관심은 한쪽으로 쏠려 있었다고 해도 과언이 아닐 정도로, 대부분의 우주개척 프로젝트는 화성과 소행성에 집중되어 있었다. 화성의 유인 탐사 계획이나 우주 탄생의 비밀을 밝혀줄 소행성 샘플 채취 계획이 바로 그것.

그런데 최근 미 항공우주국(NASA)이 개발한 고온 및 고압의 환경에서도 장시간 견딜 수 있는 반도체가 금성 탐사를 가능하게 만들 것으로 보여 관심이 모아지고 있다.

고온 고압으로 이루어진 금성의 지표및 대기층 구조 ⓒ NASA

과학기술 전문 매체인 ‘피스오알지’(phys.org)는 NASA의 부설 연구소인 글렌(Glenn) 연구센터의 과학자들이 ‘실리콘카바이드 반도체(silicon carbide integrated circuit)’를 개발했다고 보도하면서, 이 반도체가 금성 표면과 비슷한 환경인 고온·고압의 환경에서도 20여일이 넘는 시간을 견딜 수 있는 놀라운 능력을 발휘했다고 밝혔다.

지옥 같은 금성의 환경이 탐사의 걸림돌

금성은 온도와 기압을 빼면 유인 탐사에 있어 여러 가지 유리한 조건을 갖고 있다. 대표적으로는 중력을 들 수 있는데, 지구의 90%에 달할 정도로 비슷하다. 따라서 금성에 사람이 간다면 중력만큼은 쉽게 적응 할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

또한 금성은 달을 제외하면 가장 가까운 천체다. 평균적으로 지구에서 금성까지의 거리는 4500만km인 반면에, 화성은 5600만km다. 이 정도 거리를 우주선으로 왕복할 경우 화성은 780일 정도가 소요되지만, 금성은 584일로서 200일 정도를 단축시킬 수 있다.

이 같은 장점에도 불구하고 금성이 유인 탐사의 대상으로 부적합한 이유는 바로 지옥 같은 기후조건 때문이다. 표면 온도는 평균 462도(℃)에 이르고, 기압은 무려 지구의 92배에 달한다. 92배란 수치는 1000m 깊이의 심해에서 받는 기압과 비슷한 수준이다. 그야말로 납도 녹일 수 있을 만큼 뜨거운 고온·고압의 환경으로 이루어져 있는 것이다.

이 외에도 지표는 거대한 화산들이 활동하고 있고, 대기는 산성 구름층으로 둘러싸여 있기 때문에 행성 전문가들은 어떤 유기체도 금성에서는 존재하지 않을 것으로 예상하고 있다. 인간은 커녕 어떤 탐사선도 금성에서 활동하는 것 자체가 불가능하다고 보고 있는 것이다.

실리콘카바이드 반도체의 테스트 전(위)과 후(아래) 비교 사진 NASA

실제로 인류는 금성에 표면에 몇 차례에 걸쳐 탐사선을 보낸 바 있다. 지난 1975년 구소련의 탐사선인 베네라 9호가 금성 표면의 사진을 최초로 전송한 이후 몇 대의 탐사선이 착륙하여 금성 표면을 조사했다.

그러나 표면 온도와 대기 압력이 너무 높다 보니 길어봤자 몇 시간 정도를 버티는 것이 한계였다. 아무리 외부의 열기가 전해지지 않도록 착륙선 내부를 밀폐시켰다고 하더라도 몇 시간 후에는 온도가 너무 올라 시스템이 더는 작동할 수 없었기 때문이다.

사실 이런 결과도 여러 차례의 실패를 겪고 난 후 탐사선이 버틸 수 있는 온도와 압력을 높인 노력의 산물이었다. 탐사선 외부는 고온에 강한 합금으로 제작하여 장시간 버틸 수 있지만, 시스템 운영에 필요한 반도체 등은 여전히 열에 약하기 때문에 몇 시간 정도 지나고 나면 작동이 중지되는 것이 지금까지의 수준이었다.

전력 반도체에 사용되는 소재 활용하여 문제 개선

현재 우주탐사 작업에 사용하는 일반적인 실리콘 반도체는 250℃ 이상의 고온에서는 작동하지 않는다. 이 같은 성능은 화성이나 소행성에서는 별다른 문제가 되지 않지만, 금성과 같은 극한의 환경을 가진 행성에서는 사용이 불가능하다.

이 같은 문제를 해결하기 위해 NASA의 과학자들은 전력 반도체에 사용되는 실리콘카바이드(SiC) 소재에 주목했다. 전력 반도체란 고전압 및 고주파수 환경에서 사용되는 반도체로서, 이를 전자제품에 적용하면 에너지 손실을 줄일 수 있다.

전력반도체는 현재 자동차의 배터리나 제너레이터, 그리고 엔진 등에 사용되고 있는데, 이들 부품에서 상호작용 기능을 조정하는 ‘PCU(Power Control Unit)’의 역할을 담당한다. 모두 높은 온도에서 작동하는 부품들이라는 공통점을 가지고 있다.

연구진은 실리콘카바이드를 기반으로 새로운 반도체를 개발했다. 다만 소재 개선만으로는 고온·고압의 환경에서 작동할 수 있는 반도체를 만드는 것이 부조했기 때문에 유리로 만든 압력 밀폐 장치와 니켈 합금, 그리고 유리 섬유 및 세라믹 등을 보완했다.

전력 반도체의 활용 사례 ⓒ ScienceTimes

이어서 금성과 동일한 가혹 환경에서 테스트를 실시했고, 그 결과 실리콘카바이드 반도체는 521시간, 날짜로 치자면 약 22일을 견디는 성과를 거뒀다. 테스트가 종료된 후에도 이전의 회로들과는 달리, 어느 정도 본래의 모습을 유지하는 내구성도 보여줬다.

이에 대해 NASA의 관계자는 “예전의 금성 탐사선은 착륙 후 불과 몇 시간 밖에 작동하지 못했다”라고 밝히며 “새로운 반도체가 탑재된다면, 탐사선의 활동 능력이 100배 이상 길어질 수 있을 것”이라고 기대했다.

금성 탐사를 향한 NASA의 전략은 반도체 개선에만 국한된 것이 아니다. 동력 제공을 위한 원자력 엔진 개발도 추진 계획에 포함되어 있다. 익히 알려져 있다시피 금성에서는 태양전지를 사용하여 에너지를 모을 수 없다. 두꺼운 구름과 대기로 인해 태양빛이 지표에까지 다다르지 않는 것이다.

따라서 NASA는 현재 플루토늄을 이용한 스털링 엔진을 개발하고 있다. 스털링(Stirling) 엔진은 온도 차를 이용하여 동력을 발생시키는데, 방사성 붕괴로 섭씨 1200도까지 가열된 플루토늄 연료와 주변의 상대적으로 낮은 기온을 이용하여 에너지를 생성한다

[수정산]

좋은 자료 잘 읽고 갑니다

[달니미]

우주의 환경이 저토록 나쁘기 때문에 아폴로 11호 달나라 여행도 꾸며 낸 쇼라는 말도 나오고 있죠.
그래도 내열내압(耐熱耐壓)성이 높은 실리콘 카바이드가 성공한다면
우주에 가서 결혼식을 올리고 돌아올 날이 도래할지도 모를 일이네요 ㅎㅎㅎ

[비홍산]

과학정보 고맙습니다.