[소부장 인사이트] 발사를 넘어 지속 가능한 탐사로 : 반도체의 신뢰성이 우주 탐사의 핵심 동력인 이유

존 바렐라 텍사스인스트루먼트 항공우주 및 방위 부문 총괄 한국의 누리호가 우주로 향할 때, 세간의 관심은 수 분간 이어지는 발사 과정에 집중됐다. 하지만 그 발사체가 실어 나르는 위성들에는 훨씬 더 가혹하고 긴 시험대가 기다리고 있다. 우주에서 수개월, 길게는 수년에 걸쳐 유의미한 성과를 내야 하기 때문이다. 지구관측위성의 임무는 발사 이후에도 계속된다. 육지와 해양, 대기 상태를 지속적으로 측정하며 기후 변화 등을 연구하는 임무를 수행한다. 문제는 궤도에 올라간 위성의 부품을 수리하거나 교체하는 것이 대부분의 경우 현실적으로 불가능하다는 점이다. 따라서 위성이 임무 기간 내내 통신과 관측 성능을 안정적으로 유지할 수 있도록, 설계 단계부터 '신뢰성'을 확보하는 것이 필수다. 우주 임무를 수행하기 위해서는 다양한 반도체 기능이 유기적으로 맞물려 돌아가야 한다. 우주에서 포착된 빛이나 라디오파 등의 아날로그 신호는 데이터 컨버터를 통해 디지털 정보로 변환돼야 하며, 임베디드 프로세서는 탑재체 처리, 모터 제어 및 위성 전반의 모니터링을 담당한다. 또, 전력관리 반도체(PMIC)는 위성의 각 부품에 전력을 안정적으로 공급하고 배분하며, 전력 변환 칩은 전기적 손실로 발생하는 열을 관리함으로써 우주선 설계의 핵심 난제인 열 제어 문제를 해결한다. 이러한 기술들은 결코 독립적으로 작동하지 않는다. 정밀한 센싱 체인이 제대로 작동하려면 적절한 전원 공급이 뒷받침돼야 하고, 시스템을 정교하게 제어하려면 정확한 상태 측정이 선행돼야 한다. 따라서 엔지니어는 각 구성 요소 간의 상호작용은 물론, 한 영역에서 발생한 이상이 시스템의 다른 영역에 미칠 파급효과까지 고려해야 한다. 즉 신뢰성이란 개별 부품의 성능을 넘어 시스템 전체의 구현 능력(implementation)을 의미한다. 위성이 이러한 복합적인 기능과 상호작용을 유지하기 위해서는 가혹한 우주 환경에 대한 철저한 대비가 필요하다. 중이온은 래치업(latch-up), 데이터 손상과 같은 단일사건효과(SEE:Single Event Effect)를 일으킬 수 있으며, 수 마이크로초 내에 결함을 잡아내지 못하는 경우 프로세서를 리셋시킬 수 있다. 또 장기간 누적된 방사선은 시간이 흐름에 따라 반도체의 동작 특성에도 영향을 줄 수 있다. 이러한 리스크 때문에 신뢰성은 설계 초기부터 반드시 고려해야 하는 시스템 요건이다. 텍사스인스트루먼트(TI)는 60년 이상의 우주 산업 경험과...