우주용 다이아몬드 반도체, 차세대 극한 소재로 급부상

한국공학대학교 남옥현 교수가 최근 국제 반도체 학술대회에서 '우주용 다이아몬드 반도체' 연구 성과를 기조강연으로 발표하며 학계와 산업계의 이목을 집중시켰다. 다이아몬드 반도체는 실리콘·질화갈륨(GaN)을 넘어서는 '궁극의 반도체 소재'로 불리며, 특히 우주·방산 분야에서의 응용 가능성이 크게 주목받고 있다.

다이아몬드는 반도체 소재로서 극히 이례적인 물성을 보유하고 있다. 열전도율이 실리콘의 약 22배에 달하고, 절연 파괴 전압은 실리콘의 30배 이상이며, 방사선 조사(照射) 환경에서도 전기적 특성이 거의 변하지 않는다. 이러한 특성은 강한 우주 방사선과 극심한 온도 변화가 반복되는 위성·탐사선 환경에 최적화된 조건이다.

현재 우주용 반도체 시장은 방사선 내성을 갖춘 '래드하드(Rad-Hard)' 실리콘 소자가 주류를 이루고 있지만, 위성 소형화·고성능화 트렌드에 따라 더 높은 내구성과 전력 효율을 갖춘 소재에 대한 수요가 급증하고 있다. 글로벌 우주 반도체 시장은 2024년 약 45억 달러에서 2030년 90억 달러 이상으로 성장할 것으로 전망된다.

남옥현 교수 연구팀은 화학기상증착법(CVD)을 활용해 단결정 다이아몬드 박막을 대면적으로 성장시키는 공정을 개발, 기존 소규모 실험실 수준에서 벗어나 웨이퍼급 다이아몬드 반도체 소자 제작 가능성을 시연했다. 연구팀은 이 기술로 국내외 특허 8건을 출원·등록한 상태이다.

다이아몬드 반도체 상용화의 최대 걸림돌은 고순도 단결정 다이아몬드 기판의 가격과 대면적화 한계다. 현재 2인치 단결정 다이아몬드 기판 가격은 수천만 원에 달해 실리콘(Si)이나 탄화규소(SiC) 대비 압도적으로 높은 수준이다. 연구팀은 CVD 공정 최적화를 통해 5년 내 4인치 기판 양산 비용을 현재의 30% 수준으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.

글로벌 경쟁에서는 일본의 스미토모전기공업과 독일 프라운호퍼 연구소가 다이아몬드 반도체 원천 기술 확보에 앞서 있으며, 미국 방위고등연구계획국(DARPA)도 다이아몬드 파워 소자 개발 프로그램에 상당한 예산을 투입하고 있다. 국내에서는 한국공학대 연구팀 외에도 KAIST와 포스텍이 관련 기초 연구를 진행 중이다.

남옥현 교수는 강연에서 '다이아몬드 반도체는 우주뿐 아니라 핵발전소 내부 센서, 고전력 레이더, 극지방 탐사 장비 등 극한 환경 전자기기 전반으로 응용 범위가 확장될 것'이라며 '한국이 원천 기술 확보에 지금 투자하지 않으면 5년 후 일본·미국 특허 장벽에 막힐 수 있다'고 경고했다.

국내 방산·우주 산업과의 연계도 주목된다. 한화에어로스페이스, 한국항공우주산업(KAI) 등이 소형 위성 및 발사체 개발에 속도를 올리고 있어, 고내구성 반도체 소재에 대한 국내 수요도 점차 커지고 있다. 업계 관계자들은 '다이아몬드 반도체 내재화는 우주 강국 도약의 핵심 소재 주권 확보 차원에서도 중요하다'고 강조한다.

정부의 우주항공청 출범 이후 우주 분야 R&D 예산이 확대되면서 극한 소재 분야에 대한 연구비 지원도 늘어날 전망이다. 과학기술정보통신부는 2026년부터 '우주 내구성 반도체 소재 개발' 과제를 신규 국책 과제로 포함시키는 방안을 검토 중인 것으로 알려졌다.

다이아몬드 반도체는 전력 변환 효율도 실리콘카바이드(SiC)를 능가하는 것으로 보고되고 있어, 향후 고전압 전력 반도체 시장에서도 잠재적 대안 소재로 거론된다. 전기차·전력망 분야의 SiC 반도체 수요가 급증하는 가운데, 다이아몬드가 그 다음 세대 소재로 자리 잡을 수 있을지 업계의 관심이 집중된다.

전문가들은 다이아몬드 반도체의 상용화 시점을 이르면 2030년대 초로 예상하며, 초기에는 우주·방산·핵산업 등 초고부가가치 특수 응용처 중심으로 시장이 형성될 것으로 분석한다. 국내 소재·장비 기업들이 이 분야에 선제적으로 진입할 경우 틈새시장에서 높은 수익성을 확보할 수 있을 것이라는 전망도 나온다.