원자력연·충북대·벨기에 IMEC, IGZO 기반 뉴로모픽 반도체의 우주 내방사선 성능 입증

 

우리 연구진이 세계 최초로 우주 방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 인공지능(AI) 반도체 기술을 입증했다. 이번 성과는 우주항공·위성 분야 AI 시스템의 실질적 도약 가능성을 제시하며, 반도체 기술의 미래 경쟁력 확보에 한 걸음 더 다가선 결과로 평가된다.

과학기술정보통신부와 한국원자력연구원은 지난 3월 19일 원자력연 첨단방사선연구소, 충북대학교, 벨기에 대표 반도체 연구기관 IMEC의 공동연구팀이 차세대 AI 반도체 소자가 우주 방사선 환경을 견뎌낼 수 있음을 세계 최초로 검증했다고 공식 발표했다.

 

 

이 연구 성과는 국제학술지 '반도체 공정 재료 과학 저널(Materials Science in Semiconductor Processing)' 2026년 3월호에 게재됐다. 최근 우주산업의 성장과 맞물려, 대용량의 데이터 처리 및 AI 빅데이터 분석을 수행할 수 있으면서 우주 방사선이라는 극한 환경을 견딜 수 있는 ‘내방사선’ 반도체 소자의 요구가 커지고 있다. 특히 저궤도 위성의 수명이 통상 5~15년임을 감안할 때, 20년 이상 방사선 노출 환경에서도 성능 저하 없이 작동할 수 있는 신뢰성 확보가 산업계의 과제였다.

 

공동연구팀은 차세대 반도체 재료로 주목받는 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반의 시냅틱 트랜지스터를 직접 설계·제작했다. 그리고 한국원자력연구원의 양성자가속기를 이용해 최대 33MeV에 달하는 고에너지 양성자 빔을 조사함으로써, 실제 지구 저궤도 위성의 20년치 방사선 환경에 노출시켰다.

 

방사선 조사 이후 트랜지스터의 성능을 다시 평가한 결과, 구동 전류의 소폭 감소와 같은 일시적 성능 저하는 발생했지만, 반도체의 핵심 동작인 스위칭 기능과 시냅스 가소성 능력(뉴로모픽 반도체에서 뉴런 연결 강도를 조절하는 핵심 특성)은 안정적으로 유지됨이 확인됐다.

 

특히, AI 연산 환경을 모사한 손글씨 숫자 인식(MNIST) 뉴로모픽 컴퓨팅 시뮬레이션에서 92.61%에 달하는 높은 패턴 인식 정확도를 기록했다. 더불어, 시간 흐름에 따른 정보 처리에 강점을 지닌 레저버 컴퓨팅 시스템을 구현, 4비트 연산 능력 또한 실증함으로써 우주 방사선 환경에서의 활용 가능성을 실질적으로 증명했다.

 

각 참여기관은 역할을 분담해 연구의 완성도를 높였다. 충북대는 소자 제작과 특성 평가를 맡았고, 원자력연은 양성자 빔 조사 설계와 분석을 담당했다. 벨기에 IMEC은 결과 해석 지원에 참여하며 국제 공조의 좋은 사례를 남겼다.

 

연구팀은 "고에너지 방사선 환경에서도 IGZO 기반 시냅틱 소자가 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템의 핵심 요소로 충분히 활용 가능함을 보였다"고 밝혔다. 이어 "향후 성능 저하 보완 전략 및 방사선 영향 분석시스템 강화를 통해 뉴로모픽 반도체와 로직 회로 단위까지 검증을 확대할 계획"이라고 강조했다.

 

오대현 과학기술정보통신부 미래전략기술정책관은 "이번 성과는 극한 우주 환경에서도 AI 시스템이 정상작동할 수 있는 가능성을 입증한 중요한 사례"라며, "AI 반도체 분야의 핵심 원천기술 확보와 산업 자립을 위해 지속적으로 지원하겠다"고 말했다.

 

이번 연구는 대한민국이 AI 반도체의 차세대 기술 주도권을 확보하고, 심화하는 글로벌 우주·항공산업 경쟁에서 한발 앞서 나갈 수 있는 교두보를 마련한 것으로 평가된다.

 

헬로티 김진희 기자 |