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3줄 요약🔔

  • 우주용 반도체는 극한의 환경에서도 작동을 잘 해야 한다.
  • 우주용 반도체는 현 시점에 최신기술을 바로 적용하기 쉽지 않다.
  • 인공위성의 주요역할인 용량압축을 위해 고성능 반도체는 반드시 필요하다.

 

안녕하십니까? 한국항공우주연구원의 이우준입니다. 오늘 말씀드릴 주제는 우주용 반도체에 대한 오해와 진실입니다. 저는 한국항공우주연구원에서 우주용 부품. 즉, 반도체를 포함해서 인공위성에 사용되는 우주용 부품에 대한 담당자를 맡고 있습니다. 오늘 제가 알고 있는 우주용 부품에 대한 기본적인 내용들을 최대한 쉽게 설명을 한번 드려보고자 합니다.

설명 드리는 순서는 먼저 우주용 반도체 소개, 그리고 우주용 반도체의 가격, 그리고 상용 반도체 활용 시도에 대한 순서로 말씀을 드리려고 합니다. 어떤 반도체를 우주용 반도체라고 하는지 설명을 드리기 위해서 사용되는 분야를 먼저 말씀드려보도록 하겠습니다.

 

우주용 반도체, 일반 반도체와는 다르다

예를 들어서 지구 궤도 주변을 돌고 있는 인공위성이나 아니면 달이나 다른 행성의 궤도를 돌고 있는 궤도선. 또는 다른 행성을 탐사하는 탐사선 등을 ‘우주선(Spacecraft)’. 즉, 한국어로 우주선이라고 얘기를 하고 있습니다. 이런 우주선에 사용되는 반도체를 ‘우주용 반도체’라고 할 수 있습니다. 자료에 보이는 사진은 왼쪽부터 소련에서 제작한 세계 최초의 인공위성. ‘스푸트니크 1호’. 그리고 다음으로 미국에서 제작한 ‘아폴로 17호 달궤도 커맨드 모듈’. 그리고 ‘허블 우주 망원경’입니다. 이 순서로 사진이 나열되어 있고요. 이런 우주선(Spacecraft)들에 사용되는 반도체들을 우주용 반도체라고 얘기를 합니다.

그럼 이 우주선들에는 왜 일반 반도체가 아닌 우주용 반도체를 사용해야 할까요? 여러 가지 이유가 있습니다. 먼저 앞에 보이는 그림을 보시면 태양과 지구 달의 위치가 나타나 있습니다. 보시면 달이 지구 주변을 빙글빙글 돌고 있는데요. 가끔 달이 태양과 마주보고 있는 상황이 있습니다. 이때는 뜨거운 태양의 열기가 달까지 그대로 전달이 돼서 달의 온도가 무척 올라가게 됩니다. 근데 반대로 지구 주변을 달이 돌면서 달이 지구에 가려지게 된 시점에서는 태양의 열기를 달이 전혀 받지 못하고 엄청 차가워지게 됩니다. 근데 이게 지구 주변을 돌고 있는 인공위성에서도 마찬가지 현상이 일어납니다. 태양에 노출됐을 때는 온도가 아주 높게 올라가고 지구에 가려지면 인공위성의 온도가 극도로 내려가게 됩니다. 그러면 인공위성 내부에 있는 반도체도 매우 높은 온도나 낮은 온도에서도 정상적으로 작동을 해야만 하고, 그리고 매우 높은 온도와 낮은 온도를 번갈아가면서 겪게 되면서 엄청난 열적인 스트레스를 받게 됩니다. 이런 스트레스에서도 우주용 반도체는 고장 나지 않도록 만들어진 반도체를 검증을 하고 시험을 해서 사용을 해야 됩니다. 이런 반도체들을 우주용 반도체라고 부르고 있습니다.

 

로켓 분리시 위성에 강한 충격, 일반 반도체는 바로 고장

 

화면에 보이시는 사진을 보시면 왼쪽에 로켓이 있습니다. 이 로켓 앞부분에 보시면 인공위성이 부착이 되어 있는데요. 인공위성을 실제로 우주 환경에 쏘기 위해서는 로켓 앞쪽에 인공위성을 장착하고 고정을 해놓고 페어링이라고 부르는 커버로 다시 감싸두게 됩니다. 이런 페어링으로 발사 시에 인공위성을 보호하고 있고요. 로켓을 실제로 발사하면 페어링이 적절한 시점에 분리가 돼야 되고. 로켓도 1단, 2단, 3단 정도로 구성이 되어 있기 때문에 적절한 시점에 3단, 2단의 로켓들이 분리가 되어야 됩니다. 이런 2단, 3단의 로켓이나 또는 페어링들이 필요한 시점까지는 잘 고정이 되어 있어야 됩니다. 그렇기 때문에 필요한 시점에 적절히 분리를 하기 위해서는 사람이 우주 환경에 올라가서 이런 걸 분리해 줄 수는 없고요. 저희가 파이로테크닉(Pyrotechnic)이라는 것을 쓰고 있습니다. 이 파이로테크닉이라는 게 뭐냐면 어떤 작은 폭발을 이용해서 단단하게 고정돼 있는 것들을 분리시키는 그런 기술들을 얘기합니다. 예를 들면 이 가운데 보이시는 그림처럼 폭발 볼트라는 것을 예제로 설명을 드려보도록 하겠습니다. 로켓이 잘 날아가다가 페어링을 분리해야 되는 시점이 온다. 그렇게 됐을 때 적절한 전기 신호를 가하게 되면 이 신호가 가해진 시점에 화약이 폭발을 하게 됩니다. 두 번째 그림에서 보시는 것처럼 볼트에 내장된 화약이 폭발을 하게 되고요. 그리고 그 화약이 폭발하는 힘으로 다음 그림에서 보시는 것처럼 볼트가 분리가 되게 됩니다. 이런 것이 바로 폭발 볼트라고 얘기를 하고 있습니다. 이런 폭발 볼트를 폭발시킬 때 인공위성이 로켓에 폭발 볼트로 고정이 되어 있기 때문에 사실 폭발하는 시점에 충격이 발생하는데 이 충격이나 진동이 로켓을 타고 인공위성까지 전달이 되게 됩니다. 그렇다면 인공위성 내부에 있는 반도체 부품에도 이런 충격이나 진동이 전달이 되게 되겠죠. 그런데 그 진동 충격 수준이 굉장히 높은 수준입니다. 이 그림에서 보시는 게 오른쪽에 있는 블록은 알루미늄으로 네모난 블록을 만들어 둔 것이고, 왼쪽에 있는 블록은 방금 전에 만든 블록을 방금 말씀드린 폭발 볼트라는 것으로 때려보고 8번 때려서 얼마큼 자국이 났는지 충격량이 얼마나 전달됐는지 시험을 해본 것입니다. 보시다시피 알루미늄 덩어리를 우그러뜨릴 정도로 이 폭발 볼트의 충격이 엄청납니다. 그렇기 때문에 인공위성 내부에 들어가는 우주용 반도체들도 이런 종류의 진동 충격에 견딜 수 있도록 내구성을 갖도록 제작을 해야 됩니다. 그런 것이 또 우주용 반도체라고 부르고 있습니다.

 

반도체 고장의 주원인 우주 방사선

 

다음으로 우주 환경에 인공위성이 쏘아지게 되면 인공위성 안에 있는 우주용 반도체들이 우주의 방사선 환경에 노출이 되게 됩니다. 이런 방사선 환경의 근원 중에 하나는 앞에 보이시는 그림처럼 태양입니다. 태양 표면에서 과속된 고에너지 입자들이 태양 주변 사방으로 퍼지게 되는데 이 중에 일부 입자가 지구로 입사되게 됩니다. 이 고에너지 입자가 곧 방사선이라고 볼 수 있습니다. 그리고 또 다른 방사선의 근원으로는 태양계 밖의 외계에서 중성자별이나 초신성 같은 행성이 폭발되게 되는 현상이 일어나는데 이때 고에너지 입자들이 대량으로 방출되게 됩니다. 이런 태양계 외부의 고에너지 입자들이 곧 방사선인데, 이를 Galactic Cosmic Ray(GCR)라고 하고, 이 중 일부가 우리 태양계까지 입사돼서 지구까지 도달하면 두 번째 우주 방사선의 원인이 됩니다. 특히 지구는 지구 내핵의 열기로 인해서 외핵은 액화된 금속이 회전을 하고 있는데요. 이로 인해서 지구가 하나의 거대한 자석처럼 활동을 하고 있습니다. 그래서 지구 주변에는 엄청 거대한 자기장이 형성되어 있는데 이런 고에너지 입자 방사선들이 태양이나 외계로부터 지구로 입사될 때 전하를 띄고 있기 때문에 지구 주변 자기장에 유도가 돼서 모여 있게 됩니다. 그래서 지구 주변에 어떤 방사선으로 형성된 띠가 형성이 되게 되는데요. 이것을 벤 엘런 벨트(Van Allen belt)라고 해서 벤 앨런 벨트가 우주선이 우주 환경에서 방사선에 노출되는 세 번째 원인이 되게 됩니다. 이런 방사선에 견딜 수 있는 반도체가 또 우주용 반도체라고 보시면 됩니다.

 

한번 고장나면? 1천억원짜리 위성도 고철 덩어리

 

다음으로 우주용 반도체는 아주 극한의 신뢰성과 수명을 가진 반도체를 사용을 해야 됩니다. 만약에 저희가 핸드폰을 사용하다가 고장이 나면 A/S를 받거나 수리하거나 교체를 할 겁니다. 근데 이런 우주에 사용되는 인공위성이나 탐사선을 발사하면 기본적으로는 거의 수리가 불가하다고 보시면 됩니다. 우주 환경까지 어떻게 사람이 수리 장비를 들고 가서 로켓을 타고 가서 수리하는 게 굉장히 비용도 많이 들고 현실적으로는 어려운 일입니다. 근데 예를 들어서 1000억원짜리 인공위성을 10년 동안 동작하게 만들었는데, 100만원짜리 부품같은 아주 상대적으로 저렴한 부품이 고장이 나서 인공위성을 못 쓰게 되면 너무 아깝지 않겠습니까? 그래서 이런 수리가 불가능한 환경에 노출되는 인공위성들은 고장이 절대 발생하지 않는 반도체 부품들을 사용해야 되기 때문에 굉장히 그 부품들에 대한 많은 시험을 거치고 극한의 신뢰성을 확보한 다음에 적용을 하고 있습니다. 여기까지는 거의 기본적으로 인공위성이 수리가 불가능하다고 말씀을 드렸지만, 아주 예외적으로 제작 단계부터 어떤 거대한 프로젝트에서는 수리나 업그레이드를 염두에 두고 기획이 되기도 합니다. 예를 들면 허블 망원경 같은 경우에 운용하면서 5번 정도 업그레이드 및 수리를 예정을 하고 있었고요. 실제로 그런 활동이 수행이 됐습니다. 앞에 보이시는 사진을 보시면 허블 망원경으로 나선은하를 1993년, 1994년, 2018년에 찍은 사진인데요. 카메라가 이렇게 세 차례 업그레이드가 되었습니다. 그래서 카메라가 업그레이드가 되고, 시기적으로 후반으로 갈수록 화질이 선명해지는 것을 확인하실 수가 있습니다. 그리고 저희가 우주 정거장이라고 부르는 것들도 유인으로 수리가 가능합니다. 아래쪽에 보이시는 사진처럼 국제우주정거장에서는 고장 난 분광계를 수리한 사진을 확보하여 지구로 전송한 바가 있습니다. 지금까지 설명드린 것처럼 극한의 수명, 신뢰성, 방사선에 대한 내성, 열과 진동, 충격에 강인함을 갖춘 반도체를 우주용 반도체라고 부르고 있습니다.

 

오해 1 : 우주용 이름 붙이고 수백배 바가지 씌운다?

 

다음으로 이런 우주용 반도체의 가격하고 신뢰성에 관해서 말씀을 드리도록 하겠습니다.

오늘 논의하는 주제의 제목이 ‘우주용 반도체에 대한 오해와 진실’인데요. 제가 현재는 우주 분야에 종사하고 있는데, 타 분야에 종사하시는 분들과 이야기를 하다 보면 가끔 듣는 이야기가 ‘우주용 반도체는 엄청나게 비싸지 않느냐?’, ‘얼마인지는 몰라도 엄청 비쌀 것 같다’라는 이야기를 듣고 있습니다. 그리고 또 한편으로 어떤 얘기를 듣냐면, ‘수십 년 된 굉장히 구형의 반도체 부품을 사용하지 않냐?’ 이런 얘기도 듣고 있습니다. 실제로 제가 인터넷에 검색을 해보니까 그런 질문들이 있더라고요. ‘우주 인공위성이나 탐사선에 386 컴퓨터를 사용하지 않았습니까?’ 이런 질문들이 있더라고요. 이런 거에 대해서 오늘 답변을 드리도록 하겠습니다.

먼저 가격에 대해서 살펴보도록 할게요. 제가 오늘 말씀을 드리려고 앞쪽에 표를 준비를 했습니다. 이 표에는 뭐가 있냐면 몇 가지 반도체 부품에 대해서 일반 상용 반도체, 차량용 반도체, 우주용 반도체에 대해서 가격을 비교해 봤는데, 사실 부품 종류나 구매하는 시기에 따라서 가격이 변동이 있기 때문에 그냥 참고적인 수준으로 보시면 될 것 같습니다. 예를 들면 512MB의 SDRAM. DDR 메모리도 아닌 SDRAM은 요즘에는 상용으로는 거의 생산은 되지 않고 있습니다. 어쨌든 SDRAM의 가격을 비교해보면 이런 메모리가 옛날이면 용산에서 샀겠죠. 상용 반도체는 메모리를 대략 한 3,000원~25,000원 정도면 구매를 할 수 있습니다. 근데 동일한 용량의 우주용 반도체는 하나 사는데 개당 한 300만원에서 1,000만원 정도 합니다. 10개 사면 1억원까지도 가고요. 그리고 FPGA(Field Programmable Gate Array)라는 종류의 칩을 사면 상용은 수천원~100만원까지 개발될 때 활용을 하는데요. 우주용은 비싸면 칩 하나에 1억원까지도 합니다. 이건 제가 조사한 건데 아래쪽에 보이는 표는 제가 조사한 게 아니라 NASA에서 발표한 자료를 일부 인용을 했습니다. 여기서도 보시면 ‘COTS’라고 되어 있는데 이게 상용 반도체를 의미하거든요. 상용 반도체(COTS), 차량용, 의료용, 군용 반도체의 가격을 비교했는데요. 우주용 반도체는 군용하고 동일한 규격으로 검증을 해요. 그래서 군용 반도체보다 조금 비싸거나 한 2~3배 정도 비싸다고 보시면 됩니다. 어쨌든 이런 상용 반도체(COTS)의 가격을 1.0이라고 봤을 때, 군용 DC/DC 컨버터 같은 경우에는 4700배까지 비싸다고 합니다. 우주용은 조금 더 비싸고요. 그래서 제가 사실은 한국항공우주연구원에 들어오기 전에는 반도체 회사에서 근무를 했었거든요. 근데 이런 우주용 반도체 구매하는 것을 보니까 너무 비싸서 아주 놀랍더라고요. 그래서 이런 얘기를 그런 반도체 회사에 다니고 있는 후배한테 얘기를 해줬었거든요. 그랬더니 후배가 저한테 물어보더라고요. ‘형, 바가지 쓰신 거 아니에요?’ 하고 물어보더라고요. 그런데 사실은 바가지 쓴 게 아닙니다. 이게 그런 오해를 하실 수 있는데, ‘비리가 있다.’, ‘군납부품은 일부러 비싸게 산다.’ 그런 오해가 있는데 사실은 일반적으로 수백~수천배 비싼 게 정상입니다. 그 부분에 대해서 뒤에 설명을 드리겠습니다.

 

오해 2 : 10년 전 CPU 우주용이라고 수백만원에 판매?

 

그런 설명을 드리기에 앞서서 또 하나의 오해, 또 한편으로는 ‘수십 년 된 컴퓨터가 우주선에 사용되지 않느냐?’ 그런 질문이 있습니다. 근데 몇 가지 이유가 있는데 이게 꼭 오해라고만 볼 수는 없고요. 일부 맞는 말씀이기도 합니다. 예를 들면 아까 언급했던 허블 망원경 같은 경우에 1990년도에 최초발사를 했는데요. 이때는 1.25MHz로 동작하는 아주 저속의 ‘DF-224’라는 CPU를 사용을 했습니다. 근데 1993년에 한번 업그레이드를 하면서 ‘80386’. 흔히 ‘386’이라고 부르는 80386 기반의 CPU를 장착을 했고요. 1999년에는 또 한 번 업그레이드를 해서 ‘80486’. ‘486’이라고 부르는 CPU 기반의 칩으로 업그레이드를 했습니다. 이런 ‘80386’ CPU가 상용으로 처음 발매된 게 1986년이고 ‘80486’ 같은 CPU의 경우에는 1989년이니까, 각각 우주용에 적용된 게 한 7년~10년 정도의 텀을 두고 적용이 되었습니다. 근데 이 정도면 사실 우주용으로 빨리 적용하려고 나름대로 열심히 최신 기술을 반영한 겁니다. 왜냐하면 상용으로 이런 CPU를 출시를 하면 그대로 사용할 수는 없습니다. 아까 말씀드린 대로 방사선에도 강해야 되고 진동, 충격, 열에도 강해야 되기 때문에 그런 전용 우주용 칩으로 또 변환을 해서 다시 만들어야 됩니다. 근데 이런 칩을 만들고 시험 검증하는 데 또 1~2년이 또 걸리고요. 그리고 그런 칩 부품을 만들면 스펙이 나올 텐데 그 스펙에 따라서 허블 우주망원경에 부착해서 동작할 수 있도록 PCB 보드를 꾸며야 될 거고요. 그럼 PCB 보드를 꾸며서 설계를 해서 실제로 만들고 시험 검증을 하고, 또 실제로 우주에 만들 설계를 확정을 해서 다시 만들어서 로켓에 실어서 우주에 올리기까지 이게 빨라도 몇 년은 걸립니다. 5~6년 정도 걸리고요. 그래서 이런 7년~10년 정도 텀이 있는 게 열심히 나름대로 최신 기술을 적용하려고 노력을 해도 그 정도의 텀이 생길 수밖에 없는 게 일반적입니다. 그래서 ‘일부러 구식의 기술을 사용했다.’ 이런 건 오해일 수가 있습니다. 일부러 구식 기술을 사용하는 경우도 있는데 이 경우에는 나름대로 최신 기술을 적용한 게 맞습니다.

그러면 어쨌든 결과적으로는 성능상으로 보면 구형 부품을 사용한 건 맞습니다. 구형 반도체를 사용한 게 맞는데 ‘그래도 우주선이 잘 동작하느냐?’ 그런 부분이 궁금하실 수가 있어요.

 

인공위성이 하는 연산 중 가장 고도의 작업은 사진 압축

 

지금 앞에 보이는 사진은 해외에서 만든 인공위성의 사진입니다. 이것을 다시 내부 부품으로 이렇게 분리를 해보면 여러 가지 부분으로 분리가 됩니다. 그래서 이 분리된 부품들이 EPS, 배터리, 솔라셀 이렇게 여러 가지가 있는데, 이 부분을 나눠서 설명을 드려보면 인공위성의 전력을 공급하거나 아니면 인공위성의 자세를 제어하는 곳. 이런 것들이 있는데, 그런 부분들은 인공위성의 본체 또는 인공위성 버스라고 부르고 있어요. 이런 버스에는 사실 성능이 떨어지는 컴퓨터 반도체 부품을 사용해도 전혀 문제가 없습니다. 왜냐하면 단순하게 신호를 주고받거나 인공위성의 자세를 바꾸거나 이런 일들을 하기 때문에 어떤 고도의 연산 능력이 필요하지는 않기 때문입니다. 근데 아까 분해된 사진에 왼쪽 밑부분을 보시면 ‘DragonEye’라고 써 있는 부분이 있습니다. 이거는 이 인공위성에 탑재되는 카메라거든요. 이런 어떤 인공위성 고유의 임무를 수행하는 부분을 탑재체라고 해요. 예를 들면 지구를 촬영할 때는 카메라가 그 인공위성의 탑재체가 될 것이고 어떤 우주의 기상 환경을 측정할 거면 그런 기상 환경을 측정하는 센서가 인공위성의 탑재체가 될 거예요. 근데 이런 탑재체는 일부 고성능을 요구하는 종류의 탑재체도 있습니다. 예를 들면 인공위성을 저희가 계속 쏩니다. 인공위성을 계속 쏘는데, 1990년대에 쏘았던 인공위성도 지구를 촬영하고, 2000년에 쏘았던 위성도 지구를 촬영하고, 2010년에 쏜 인공위성도 지구를 촬영을 할 거예요. 근데 이게 시간이 갈수록 인공위성을 만드는 사람 입장에서는 더 고해상도의 지구 촬영 영상을 원할 거예요. 옛날에는 해상도가 1.5m x 1.5m의 사각형을 하나의 점으로 봤다면, 이제는 1m x 1m 또는 50cm x 50cm, 30cm x 30cm를 하나의 점으로 보는 더욱더 고해상도의 지구 영상 촬영을 원하게 됩니다. 그러면 지구 촬영 영상이 고해상도가 되면 그 영상의 용량이 엄청나게 늘어날 수밖에 없어요. 근데 이거를 지구에 빠르게 전송하기 전에 또 압축을 하고, 일부 경우에는 암호화를 하기도 하거든요. 그럼 빠른 시간 내에 압축을 하고 암호화를 하고 대용량을 저장을 하려면 CPU도 고도의 연산 능력이 필요하고 또 메모리도 굉장히 대용량 메모리가 필요하게 됩니다. 이런 특수한 탑재체에는 아주 성능이 좋은 CPU나 FPGA 같은 대용량 메모리가 사용이 되고 있습니다. 근데 그 외에 나머지 버스나 특별한 기술이 필요하지 않은 탑재체에서는 구형 기술의 오래된 반도체들이 사용되기도 하긴 합니다.

 

상용반도체, 10년간 각종 검사 거쳐 우주반도체로 사용

 

그러면 이런 기술 격차가 실제로 몇 년 정도 되는지 제가 정량적으로 오늘 발표를 위해서 분석을 해보려고 고민을 해봤습니다. 근데 반도체 하시는 분들은 아시겠지만, 흔히 반도체 공정 기술이 얼마나 발전됐는지를 미세 선폭 사이즈로 표현을 많이 합니다. 예를 들면 ‘90nm 테크놀로지다.’, ‘28nm 테크놀로지다.’ 이런 식으로 발전 상황을 얘기를 하는데요. 그래서 제가 오늘 준비한 이 앞에 보이시는 표도 각 공정 노드별로 몇 년도에 우주용 반도체가 발매되었고 몇 년도에 이에 대응되는 공정을 사용한 상용 반도체가 발매되었는지를 비교를 좀 해봤습니다. 예를 들면 65nm 공정을 사용한 FPGA가 상용 반도체로는 2006년에 출시가 되었어요. 근데 우주용으로는 세계 최초로 출시된 게 2011년입니다. 또 세계에서 두 번째로 출시된 건 2020년입니다. 그럼 각각 5년, 14년 정도 상용 대비 격차가 있습니다. 기술적인 시기적인 격차가 있습니다. 28nm 같은 반도체에는 상용과 우주용 출시가 한 11년 정도 차이가 나게 됩니다. 20nm급에서는 한 7년 정도 나고요. 그럼 대략 한 10년 전후로 몇 년 정도 차이가 나는 거죠. 그리고 2015년을 기준으로 보시면 FPGA가 보시다시피 상용으로는 14nm급이 2015년에 발매가 되었는데 우주용으로는 130nm급이 발매가 되었어요. 그러니까 같은 연도인데 엄청나게 기술적인 격차가 있는 거죠. 대략 한 10년 전으로 우주용 반도체로 기술이 도입되는 텀이 있습니다.

그러면 또 이런 의문이 생기실 겁니다. 아까 우주용 반도체가 훨씬 100배 이상 비싸다고 했는데, ‘왜 공정도 옛날 기술이고 훨씬 저렴한 공장에서 만드는 반도체인데 가격은 더 비쌀까?’ 이런 의문이 당연히 드실 거예요. 앞에 보이시는 표는 COTS(Commercial Off-the-Shelf). 이런 상용 반도체와 AEC-Q 인증을 받은 차량용 반도체 그리고 QMLQ라고 표시된 부분은 군용 반도체. 그리고 Space EP는 인증받지 못한 우주용 반도체. QML-V는 우주용 반도체. 그리고 QML V-RHA는 우주용 인증도 받고 방사선에도 강인함이 증빙된 반도체입니다. 오른쪽으로 갈수록 신뢰성이 높고 우주용 반도체에 가까운 것이라고 보시면 됩니다. 적용되는 기술 항목이랑 검사 항목들을 나열을 했는데요. 오른쪽으로 갈수록 더 많은 시험 검사가 수행되는 것을 보실 수가 있습니다. 아까 말씀드렸다시피 우주 환경에서 또 고온 저온 환경에서 동작도 해야 되고, 진동과 충격 스트레스도 견뎌야 되고, 긴 수명도 필요하고 높은 신뢰성도 필요하기 때문에, 또 우주 방사선도 견뎌야 되기 때문에 이런 여러 가지 항목의 시험들을 해야 됩니다. 그래서 이런 시험들을 일일이 반도체 1만개를 산다면 1만개에 대해서 다 시험을 해야 돼서 비용이 엄청나게 상승을 하게 됩니다. 그러면 ‘우주용 반도체가 비싼 근본적인 원인이 이렇게 여러 가지 시험을 하기 때문이냐?’ 또 그렇지는 않습니다. 또 하나의 큰 문제가 있어요.

 

시장 볼륨 작았던 우주반도체, 일론 머스크 덕에 급성장 예상

 

앞에 피라미드식으로 장표가 나와 있는데요. 이게 각 반도체 시장 마켓의 사이즈를 표현한 것이라고 보시면 됩니다. 커머셜에서 우주용으로 갈수록 시장의 볼륨이 굉장히 작아요. 그러니까 부품을 판매, 구매하는 입장에서 한 번에 구매하거나 판매하는 수량을 볼륨이라고 표현을 많이 하는데요. 상용 반도체는 한 번 구매할 때 1000만개 이렇게 계약을 합니다. 근데 우주용은 소비자가 구매할 때 100개, 1000개 이렇게 구매를 하거든요. 그러면 초기 개발 비용이 어느 정도 들 텐데 초기 시험 비용도 많이 들 거고요. 이걸 생산 부품 개수로 나누어 보면 상용은 1천만개 사니까 하나당 그런 비용들이 굉장히 조금씩 녹아 들어가게 됩니다. 근데 우주용은 1000개를 사니까 부품 하나의 단가로 따지면 하나당 그런 초기 개발 비용이 엄청나게 많이 반영이 되게 되는 것이죠. 그래서 결과적으로 반도체 하나의 단가가 무척 올라가게 됩니다. 예를 들면 여러분 집에서 사용하시는 휴대폰에는 상용 반도체가 들어가는데요. 집에서 개인당 휴대폰 하나씩은 가지고 계실 거예요. 그러면 우리나라에 5000만명의 인구가 있으면 5000만개 정도 우리나라에 휴대폰이 있을 거고요. 그리고 여기에 다 상용 반도체가 다 여러 개씩 들어갑니다. 그리고 자동차는 개인당 1대씩은 아니고 집집마다 1대씩은 있을 겁니다.

여기에도 차량용 반도체가 또 하나씩 들어갈 것이고요. 그리고 군용장비인 장갑차, 탱크, 전투기, 미사일 이런 것은 제가 정확히 우리나라에 몇 개가 있는지 모르겠지만 어쨌든 당연히 집집마다 있지는 않을 거예요. 정부에서 적어도 다 합치면 수천개 이상 가지고 있을 텐데. 근데 나라마다 다르지만. 인공위성 같은 경우는 한 나라에서 수십기 정도 보유하고 있을 거예요. 그 이하 보유한 나라도 있고요. 결과적으로 말씀드리면 수요가 그렇게 크지 않다는 거죠. 근데 이게 몇 년 전까지의 상황이었고요. 요즘에 또 우주용 반도체가 주목받는 이유 중에 하나가 최근에는 미국의 스페이스X사에서 ‘스타링크 프로젝트’같은 걸 하면서 한 회사에서만 수천 개의 인공위성을 쏜다고 하는 겁니다. 그러면 우주용 반도체 시장도 기존에 비해서는 엄청나게 폭증하게 되겠죠. 이런 움직임 때문에 또 저도 오늘 이런 강연을 하게 되었고요.

그래서 다음으로 이런 분야와 연관을 지어가지고 상용 반도체를 우주선에 활용하는 시도에 대해서 설명을 드려보도록 하겠습니다.

 

상용 차량반도체, 우주반도체로 활용이 현실적 대안

 

사실은 요즘에 ‘뉴스페이스’라는 말을 많이 합니다. 이 말이 뭐냐면 ‘스타링크 프로젝트’처럼 ‘기존의 정부 주도의 우주 산업에서 최근에 민간 주도로 넘어가야 한다.’ 이런 걸 ‘뉴스페이스’라고 하는데 우리나라도 그렇고 해외에서도 그렇고 우주 분야에서 이런 단어가 굉장히 유행하고 있어요. 실제로 우주 기업들이 최근에 많이 생기기도 하고 있고요. 만약에 정부에서 어떤 국가의 안보를 목적으로 군용 인공위성을 만든다면 비용이 아무리 들더라도 결과적으로 국민 안전에 영향을 미치기 때문에 비용이 아무리 들어도 절대 고장 나지 않는 신뢰성 높은 부품으로 반도체 부품으로 인공위성을 만들어야 됩니다. 근데 이게 민간 주도로 넘어가면 상황이 다릅니다. 상업용 인공위성을 만드는 사업을 하는데 인공위성 제작 비용이 벌어들이는 돈보다 더 커요. 그러면 민간에서는 인공위성 사업을 할 이유가 없습니다. 방금 전까지 설명드린 대로 우주용 반도체를 활용해서 인공위성을 만들면 부품 구매 비용이 너무 비싸서 인공위성을 단가를 맞춰서 제작이 불가능한 상황이에요. 그래서 최근에는 단가가 상대적으로 낮은 상용 반도체를 사서 최소한의 검증 비용만 들여서 상용 반도체를 우주선에 사용해보자 이런 연구가 많이 이루어지고 있습니다. 근데 사실 우주용 반도체 기존에 시험 검증할 때도 시험 검증을 필요 없는 검증을 한 게 아니라 고장 나는 원인이 A,B,C가 있으면 그 원인 A,B,C를 사전에 검출하기 위해서 A,B,C에 대응하는 시험을 수행했던 것이거든요. 그래서 이런 시험을 상용 반도체를 사서 대부분 안 하고 조금의 시험만 해서 인공위성에 적용을 하다 보면 결국은 부품이 고장 날 확률. 그러니까 인공위성 부품의 신뢰성이 결국은 훨씬 낮아질 수밖에 없어요. 이런 딜레마가 있는 거죠. 그래서 이때는 부품이 고장 난다고 가정을 하고 설계적으로 보완을 하거나 아니면 일부 인공위성이 고장 나도 임무를 수행할 수 있도록. 예를 들면 10개의 인공위성이 필요한데 20개의 인공위성을 쏴서 약간 여분의 인공위성을 만든다거나 이런 식의 개념을 가지고 인공위성을 쏘아 올리고 있습니다.

또 최근에 차량의 자율주행이나 여러 가지 편의기능 때문에 우주용 반도체 말고 차량용 반도체 수요도 늘어서 차량용 반도체도 굉장히 주목을 받고 있습니다. 우주 분야에서도 이런 차량용 반도체에 대해서 관심을 많이 갖고 있는데요. 그 원인을 말씀드릴게요. 차량용 반도체의 특징을 보면 차를 만들면 러시아에도 팔아야 되고 아프리카에도 팔아야 되는데, 그러려면 추운 지방에서도 차량용 반도체가 잘 동작을 해야 되고, 더운 지방에서도 잘 동작을 해야 돼요. 그리고 또 예를 들면 엔진룸 같은 곳은 차가 주행할 때는 굉장히 뜨거워지는데, 또 시동이 꺼지고 오랜 시간이 지나면 굉장히 온도가 내려가게 됩니다. 그러면 고온과 낮은 온도의 열을 반복해서 그 주변에 있는 반도체들이 겪게 돼요. 그래도 고장이 안 나야 됩니다. 그리고 자동차가 또 거친 노면을 움직일 때는 계속 지속적으로 진동을 받고, 또 자동차가 어디에 부딪혀서 사고가 나더라도 사고가 난 시점에 반도체가 다 고장이 나서 차량 제어가 안 되면 사람이 사망할 수가 있습니다. 그래서 진동 충격에도 차량용 반도체가 강해야 돼요. 그리고 사람이 운전을 하면서 차를 타고 있으니까. 사망 사고를 예방하려면 안전을 위해서도 차량 수명만큼 10년 이상 고장 나지 않는 긴 수명의 신뢰성 높은 반도체를 써야 됩니다. 근데 이런 특징들이 아까 설명드린 우주용 반도체의 요구사항과 거의 유사해요. 방사선 요구사항을 빼고는 거의 유사합니다. 또 최근에는 이런 방사선 요구사항까지는 아니고 추천사항으로 차량용 반도체도 요구가 되고 있고요. 앞에 보이시는 표가 차량용 반도체 인증할 때 하는 시험 항목을 나타낸 표인데요. 여기 보시면 전기적인 특성도 검증을 하지만, 높은 신뢰성 검증을 위해서 열적인 스트레스, 진동 스트레스, 긴 수명을 검증하는 시험들도 포함이 되어 있습니다. 이런 검증 시험하는 프로세스가 차량용 반도체에도 들어가 있는데, 아까 말씀드린 표를 다시 한번 보시면, 상용 반도체에 비해서 차량용 반도체가 조금 비싸긴 하지만, 2~3배 정도 비싸요. 그래서 우주용 반도체에 비하면 훨씬 쌉니다. 그래서 이런 차량용 반도체들을 우주용 반도체에 방사선 시험만 해서 잘 적용해서 써보면 어떨까? 그런 코스트 이펙티브하게 인공위성을 만들 수 있지 않을까? 하는 연구들이 꽤 진행되고 있습니다.

 

똑같은 생산라인에서 만들었지만어제와 오늘이 다르다

 

마지막으로 이 강의를 마치기 전에 어쨌든 이런 상용 반도체들을 인공위성에 쓰려면 굉장한 리스크가 있는데요. 그 사례를 하나 소개를 드려보도록 할게요.

유럽의 ‘Proba-2’라는 인공위성이 2009년에 발사된 이력이 있는데요. 그 위성에 GPS 리시버라는 시스템이 달려 있는데, 그 안에 또 삼성 SRAM 상용 메모리가 장착이 돼서 발사가 됐었습니다. 여러 메이커의 SRAM을 사서 방사선 시험을 해봤어요. 근데 삼성 SRAM이 우주용을 타깃으로 한 부품은 아니어서 의도하지는 않았겠지만 어쨌든 여러 종류의 SRAM을 방사선 시험을 해봤는데 삼성 SRAM이 방사선에 굉장히 강인한 특성이 우연히 있었습니다. 그래서 이 메모리를 인공위성에 사용을 했어요. 그래서 인공위성에 붙여가지고 우주로 쏴서 우주 환경에서 사용을 했더니 분명히 지상에서 방사선을 쏘여도 고장이 잘 안 나는 걸 검증을 하고 쐈는데, 10일에 4번 정도. 이 정도면 굉장히 높은 빈도로 발생하는 겁니다. 방사선으로 인한 과전류가 흐르는 현상이 발생했습니다. 원래라면 이런 현상이 방사선으로 과전류가 발생을 하면은 부품이 타버려요. 그래서 아예 그 시스템이 고장 나서 동작을 안 합니다. 근데 어쨌든 삼성 SRAM이 상용 부품이잖아요. 그래서 우주용 부품 대체해서 위성에 쓰일 때, 어쨌든 걱정이 되니까 지상에서 방사선 시험은 했지만 걱정이 되니까 그 앞쪽에 전류 차단 회로를 ‘current limit’라는 전류 차단 회로를 붙여놨습니다. 그래서 과전류가 흘러도 타버리지 않고 껐다 키면 복원이 되게 만들었어요. 그래도 어쨌든 100일이면 한 40번 정도 이런 고장이 발생을 하는 거예요. 방사선으로 과전류가 흘러서. 그래서 지상에서 다시 그 SRAM을 여러 경로로 구매를 해서 다시 방사선 시험을 해봤어요. 똑같은 설계로 만들어서 칩을 까서 반도체 칩을 현미경으로 봐도 똑같은 부품 번호를 가지고 있어요. 그러니까 삼성에서 똑같은 기술로 만든 똑같은 스펙을 가진 칩입니다. 근데 이거를 2002년도 20주 차에 생산된 제품, 2003년도 28주 차에 생산된 제품, 그리고 2009년도 22주 차에 생산된 제품 이렇게 3개를 조달해서 방사선 시험을 해보니까 특성이 2002년 생산된 제품과 2003년 생산된 제품은 방사선에 굉장히 취약해요. 그리고 2009년 생산된 제품은 방사선에 굉장히 강인합니다. 오른쪽에 보이시는 표가 방사선을 지상에서 쪼이면서 얼마의 빈도로 고장이 발생하는지를 나타낸 표인데요. 이 가로축을 보시면 가로축은 방사선이 반도체에 전달하는 에너지량이라고 보시면 됩니다. 세로축은 반도체 칩이 방사선을 맞았을 때 오류 또는 고장이 발생하는 빈도예요. 근데 이 10MeVcm²/mg의 LET을 갖는 방사선이 입사됐을 때 2009년도에 생산된 SRAM을 보면 발생 확률이 10⁻⁶정도예요. 근데 2002년이나 2003년도에 생산된 제품은 10⁻²보다도 높습니다. 그러니까 똑같은 파트 넘버의 칩을 구매했는데 생산 연도에 따라서 똑같은 칩임에도 방사선에 의해 오동작이 발생할 확률이 1만 배 이상 차이가 나요. 이게 우주용 부품은 한 번 제작을 하고 나면 방사선 시험을 하고 공정이나 설계에 대해서 변동이 전혀 없습니다. 만약에 불가피하게 공장 이전을 하거나 폐쇄를 해서 공정이 변동이 되면 그걸 다시 시험을 해서 방사선 특성을 데이터 시트에 넣고 기록을 하고 고객들한테 다 공시해야 되는 의무가 있어요. 우주용 반도체 부품은 인증을 유지하기 위해서는 소비자한테 다 그런 걸 공시할 의무가 있습니다. 근데 상용 반도체도 이 삼성 SRAM이 사실 상용 반도체로서 아무 문제가 없는 제품들이에요. 2003년, 2002년, 2009년에 생산된 제품 모두. 이건 우주용 반도체가 아니기 때문에 상용 부품에서 요구하는 스펙은 다 만족을 한 거거든요. 그리고 공장에서 아마 내부적으로 2002년에서 2009년 사이에 미세한 어떤 변경사항이 있었을 거예요. 이게 양산의 수율을 높이기 위해서일 수도 있고, 공장의 생산비용을 낮추기 위해서 공정 단순화를 통해서 양산 생산비용을 낮추기 위해서일 수도 있어요. 제가 그 사정은 모르지만 어쨌든 마이너하게 제작 공정이 바뀔 수가 있어요. 그런 제작 공정이 바뀌면 상용 반도체에서 요구되는 속도라든지 전력소모량은 당연히 설계를 통해서 만족을 하도록 그대로 유지를 시킬 거예요. 근데 방사선 특성은 아까 그래프에서 보신 바와 같이 1만 배 이상 휙휙 바뀔 수가 있어요. 그래서 이런 상용 반도체는 그런 마이너한 체인지에 대해서는 사실은 소비자가 인지하기가 어려운 경우들이 많거든요. 그럼 이런 상용 반도체를 사서 인공위성에 쓰면 부품 비용은 굉장히 싸게 살 수가 있어요.

근데 이런 메모리나 IC(집적회로)류를 시험하면 부품을 어느 정도로 시험하느냐에 따라서 다르지만 제대로 시험하면 한 종류 시험하는데 한 1억원 정도 들거든요. 그러면 인공위성에 이런 IC류가 한 2천 종류 정도 들어갑니다. 수천 종류가 쓰이기도 하고요.

그러면 이런 인공위성에서 상용 부품 반도체를 조달할 때마다 방사선 시험을 수백억원 들여서 또는 수천억원 들여서 시험을 하고 쓸 것이냐? 그러면 배보다 배꼽이 커지죠. 상용 부품을 우주용으로 쓰는데 어떤 딜레마가 있어서 아직도 여러 가지 연구가 진행이 되고 있습니다. 이게 우주용으로 앞으로 핫하게 연구될 분야 중에 하나라고 보시면 됩니다. 오늘 준비한 내용은 여기까지고요. 들어주셔서 감사합니다.

정리_송윤섭 PD songyunseob@thelec.kr

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