고강도 방사선에 견딜 수 있는 와이파이 칩은 청소 로봇이 통신선에 얽매일까 걱정하지 않고 더욱 자유롭게 이동할 수 있도록 할 것입니다.
작년 2월, 캘리포니아 샌프란시스코에서 개최된 IEEE 국제 고체 회로 학술대회(ISSCC)에서 도쿄과학연구소(Institute of Science Tokyo) 연구진이 고강도 방사능에 장시간 노출되어도 견딜 수 있는 경화 무선 수신기(hardened wireless receiver)를 공개했다. IEEE Spectrum에 따르면, 이 칩은 특히 원자로 폐기 과정에서 로봇이 오염 지역에서 작업할 수 있도록 설계되었다. 기존의 무선 통신에 사용되는 일반 실리콘 기반 반도체는 핵 방사능 간섭에 취약하여, 로봇을 제어하기 위해 물리적인 케이블에 의존해야 하는 한계가 있었다.
이 문제는 2011년 도호쿠 지진과 쓰나미로 인해 원전의 냉각에 필요한 비상 전력이 마비된 후, 피해를 입은 후쿠시마 다이이치 원전의 정화 작업에서 극명하게 드러났다. 오염 지역 청소 임무를 맡은 로봇들은 작업자와 통신하기 위해 LAN 케이블을 연결해야 했고, 이로 인해 케이블이 엉키는 문제(tangled wires)가 발생하여 작업 과정을 더욱 복잡하게 만들었다.
현재는 단순히 일반 소비자용 Wi-Fi 칩을 확보하여 납 차폐재(lead shielding)로 감싸는 방식으로는 이 문제를 해결할 수 없다. 차폐재는 물론 방사성 방출을 칩에 도달하는 것을 막아줄 수 있지만, 전파 신호까지도 차단하기 때문이다. 또한, 케이블을 통해 안테나를 연결하면 해결될 것이라 생각할 수도 있으나, 이 역시 안테나 자체도 방사능에 취약하여 불가능하다. 이러한 이유로 연구팀은 원자로 코어에서 발견되는 방사능을 견딜 수 있는 경화형 Wi-Fi 칩 수신기를 개발하기로 결정했다.
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칩이 얼마나 견고해야 하는지를 알아보기 위해, 원자로 환경에서 작동하는 로봇을 대상으로 6개월 동안 500,000 그레이(Gy, 방사능 선량 측정 단위)의 방사선 선량에 노출하는 테스트를 진행했다. 비교하자면, 우주선에 사용되는 전자기기는 3년 동안 100~300 Gy를 견디는 수준이면 충분하다. 연구진은 반도체 내부의 산화막(oxide layer)이 감마선에 취약하기 때문에, 칩 내부의 트랜지스터 수를 줄이는 방식으로 이를 달성했다. 대신 산화막이 없는 인덕터 같은 요소로 대체했다.
반면, 다른 기술로 대체할 수 없는 핵심 트랜지스터의 경우, 연구팀은 방사선 유도 열화(radiation-induced degradation)를 줄이기 위해 게이트 길이와 폭을 늘리고, 방사선 손상에 덜 민감한 N형 금속 산화물 반도체(NMOS) 트랜지스터를 채택했다.
테스트 결과에 따르면, 경화된 칩을 총 800 kGy에 노출시켰음에도 불구하고 수신기 측에서 단지 1.5-dB의 이득 감소만을 초래했다. 이는 해당 칩이 심각한 성능 저하 없이 적대적인 방사능 환경에서 장기간 작동할 수 있음을 의미한다. 이 팀은 또한 신호를 전송하는 데 필요한 높은 수준의 전류로 인해 훨씬 더 난이도가 높은, 대량의 방사선에 견딜 수 있는 Wi-Fi 송신기 구축에도 힘쓰고 있다.
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