머지않은 미래에는 우주에서 반도체를 만들게 될지도 모릅니다. 세계 최초로 '우주 공간 플라스마 증착 실험'이 성공했기 때문이지요. 지구와 달리 중력, 입자가 거의 없는 우주 공간은 반도체 공정에 최적화된 장소입니다. 반도체 공정이 갈수록 미세화하는 현재, 우주는 더더욱 첨단 제조업에 이상적인 공간이 되어 갑니다.
우주에서 가동한 플라스마 증착 설비



포지스타-1에서 플라즈마 가스가 생성되는 모습. 스페이스포지


영국 소재 우주 기술 스타트업 '스페이 오션파라다이스사이트 스포지'는 지난해 말 반도체 공정 장비를 실은 인공위성 '포지스타-1'을 지구 저궤도권에 쏘아 올리는 데 성공했다고 밝혔습니다.
포지스타-1이 실은 장비는 '플라스마 증착 시스템'입니다. 이 설비는 플라스마 상태의 가스를 이용해 반도체 기판 위에 특수한 물질 박막을 형성합니다. 플라스마 가스는 미세한 물질을 기판 표면에 무사히 안착시키는 바다이야기프로그램 전달체 역할을 하지요. 증착이라고 불리는 해당 공정은 주로 화합물 반도체를 만들 때 거칩니다. 화합물 반도체는 실리콘에 탄화규소·질화갈륨 등 한 개 이상의 물질을 화합해 만든 반도체입니다.
포지스타-1의 플라스마는 증착뿐만 아니라 또 다른 최첨단 공정도 테스트했습니다. 일명 '결정 생장'이라고 불리는 기술로, 입자를 기판 위에 쌓아 일정한 릴게임한국 모양의 결정(크리스털)을 만드는 겁니다. 결정 생장 공정은 고급 화합물 반도체의 핵심 재료인 에피택시 웨이퍼를 만들 때 쓰입니다.
중력 미약한 우주, 지구보다 미세 공정에 적합



스페이스포지의 인공위성은 셔틀콕 낙하산을 통해 지구로 회수된다. 스페이스포지
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스페이스포지는 우주에서 증착, 결정 생장 등 까다로운 공정을 수행한 뒤, 완성된 웨이퍼를 다시 지구로 낙하시켜 지상 공장에서 나머지 과정을 수행해 화합물 반도체를 만들 계획입니다. 이 기업은 왜 굳이 우주까지 올라가 반도체를 제조하려는 걸까요.
앞서 설명했다시피 증착, 결정 생장은 사아다쿨 플라스마 가스에 입자를 실어 반도체 표면에 붙이는 작업입니다. 미세 입자 하나하나를 세세하게 통제해야 하는 매우 까다로운 공정입니다. 이 때문에 지구에서는 이물질, 대기 환경, 중력의 영향에 매우 민감하지요. 지금도 플라스마 증착 공정은 극소량의 미립자조차 철저히 걸러낼 수 있는 최첨단 진공실에서 조심스럽게 이뤄집니다. 애초 물질이 희박하고, 온도도 일정하며, 무엇보다도 중력이 거의 느껴지지 않는 우주 공간은 증착과 결정 생장에 가장 부합한 곳입니다.
전력 병목 문제 해결할 신기술



화합물 반도체는 통신 스위치, 전력 반도체 등 분야에 쓰인다. 스페이스포지


우주 공간에서 만든 화합물 반도체는 지구에서 만든 것과 비교할 수 없는 순도, 결정의 균일함 등을 가집니다. 이 때문에 지구에선 실현하기 힘들었던 다양한 화합물 반도체를 현실화할 수 있습니다.
스페이스포지가 목표로 하는 반도체는 "질화갈륨, 탄화규소, 질화알루미늄, 다이아몬드 등 광대역 및 초광대역 밴드갭 소재"입니다. 해당 화합물 반도체는 실리콘으로 만든 반도체보다 높은 내열성을 지니며, 특히 밴드갭(전류의 흐름에 필요한 최소 에너지 기준. 클수록 출력도 높음)이 큽니다. 대용량 데이터를 실어 나르는 스위치 반도체, 막대한 전력을 보내는 전력 반도체, 더욱 효율적으로 전기를 생산하는 태양광 패널 등에 필수적이지요.
인공지능(AI) 수요로 인해 데이터센터, 태양광 패널, 친환경 전력 설비 등 수요가 늘면서 더욱 높은 성능의 화합물 반도체도 절실해졌습니다. 우주 공간에서 만드는 반도체는 AI 산업의 새 난제로 떠오른 전력 병목 문제를 해결할 구원 투수로 자리매김할 수 있습니다.
임주형 기자 skepped@asiae.co.kr