방사선 내성 Wi-Fi 칩, 원자로 안 무선 로봇 시대 열까

최종 업데이트: 2025년

후쿠시마에서는 10년 넘게 로봇이 복구 작업을 수행해 왔다. 하지만 로봇은 케이블에 묶인 채 움직여야 했다. 케이블은 꼬이고, 장애물에 걸리며, 로봇이 접근할 수 있는 범위를 제한한다. Institute of Science Tokyo가 개발한 새로운 Wi-Fi 수신 칩이 500킬로그레이의 방사선을 견뎌내면서, 원전 해체 로봇의 무선화를 앞당길 가능성이 열렸다. 전 세계적으로 앞으로 20년 안에 원자로 200기가 수명 종료를 맞을 예정인 시점이라 더욱 주목할 만한 성과다.

목차

• 2025년에도 원전 로봇이 유선으로 움직이는 이유
• 방사선 내성 칩은 실제로 어떻게 작동하나
• 500 kGy는 어느 정도로 강한가? 충분한 수준일까?
• 무선 원전 로봇이 현실이 되기 전에 해결해야 할 과제
• 위험 환경용 로봇에 미치는 의미
• 자주 묻는 질문

2025년에도 원전 로봇이 유선으로 움직이는 이유

후쿠시마 사고 이후 투입된 로봇은 거의 대부분 물리적인 LAN 케이블을 통해 운용된다. 손상된 원자로 내부에서는 이 케이블이 상당한 운영 부담으로 작용한다. 문제는 엔지니어들이 무선을 생각하지 못해서가 아니다. 방사선이 일반 전자부품을 너무 빠르게 파괴해 무선 통신을 안정적으로 유지하기 어렵기 때문이다.

2011년 후쿠시마 다이이치 원전 사고 이후, 원전 내부를 매핑하고 상태를 파악하는 데 로봇 시스템은 필수 장비가 됐다. 하지만 곧바로 문제가 드러났다. 일반 Wi-Fi 하드웨어는 가동 중이거나 가동을 막 멈춘 원자로 내부에서 유용할 만큼 오래 버티지 못했다. 결국 LAN 케이블이 대안으로 사용됐다. 작동은 하지만 운용이 번거롭다. 케이블이 잔해에 걸리고, 로봇의 움직임을 제한하며, 사람이 직접 케이블을 풀어줄 수 없는 환경에서 고장 지점을 늘린다.

Atsushi Shirane 교수가 지도하고 KEK 연구원 Masaya Miyahara와 함께 연구한 대학원생 Yasuto Narukiyo는 2월 샌프란시스코에서 열린 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)에서 해결책이 될 수 있는 기술을 발표했다. 원자로 내부에서도 견딜 수 있도록 처음부터 다시 설계한 2.4 GHz Wi-Fi 수신기다.

시점도 중요하다. ScienceDirect에 2024년 게재된 연구에 따르면, 전 세계에서 이미 폐쇄된 원자로 204기 가운데 발전용량 100메가와트 이상인 원전 중 완전 해체를 마친 곳은 단 11곳에 불과하다. 나머지 193기는 폐쇄 절차의 여러 단계에 머물러 있으며, 앞으로 20년 안에 200기의 원자로가 추가로 수명 종료를 맞는다. 전문 로봇 기술에 대한 수요가 매우 큰, 아직 충분히 공략되지 않은 시장이다.

방사선 내성 칩은 실제로 어떻게 작동하나

이 수신기는 세 가지 설계 변경을 통해 방사선 내성을 확보했다. 취약한 PMOS 트랜지스터를 인덕터로 대체하고, 트랜지스터 게이트 구조를 키우며, 전체 트랜지스터 수를 과감하게 줄인 것이다. 이 조합으로 칩의 방사선 내성은 일반 소비자 전자제품 수준에서 ‘가동 중인 원자로 내부’에서도 쓸 수 있는 수준으로 올라갔다.

일반 칩의 근본적인 취약점은 실리콘 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)에 있는 산화막이다. MOSFET은 현대 전자기기의 거의 모든 회로에서 스위칭을 담당하는 핵심 소자다. 감마선이 이 산화막에 충돌하면 양전하가 떨어져 나와 내부에 갇힌다. 이 과정이 누적되면서 트랜지스터의 스위칭 특성이 점차 나빠지고 신호 오류가 발생한다.

연구팀은 부품 선택 단계부터 이 문제를 공략했다. PMOS 트랜지스터는 양전하 운반자가 전류를 전달하는 구조라 특히 취약하다. 산화막 내부뿐 아니라 산화막과 반도체 기판의 경계면에도 갇힌 전하가 쌓이기 때문이다. 그 결과 트랜지스터가 점점 ‘꺼진’ 상태로 기울면서 회로 기능이 저하된다. 새로 설계한 수신기는 PMOS 사용을 최대한 줄이고, 가능한 부분에는 수동 인덕터를 대신 사용했다. 인덕터는 산화막에 민감한 스위칭에 의존하지 않고 자기장에 에너지를 저장하는 코일이다.

전자가 전류를 전달하는 NMOS 트랜지스터는 상대적으로 더 강한 내성을 보였다. 산화막에 갇힌 양전하가 경계면에 쌓이는 음전하에 의해 일부 상쇄되기 때문이다. 일종의 자연스러운 보상 작용이 일어나는 셈이다. 연구팀은 이 특성을 활용해 능동 스위칭이 꼭 필요한 부분에는 NMOS 소자를 유지했다.

세 번째 변화는 기하학적 구조에 관한 것이다. 전류를 켜고 끄는 제어 전극인 트랜지스터 게이트는 크기가 작아질수록 방사선 손상에 더 취약해진다. 그래서 연구팀은 직관과 반대되는 해법을 택했다. 게이트를 물리적으로 더 크게 만든 것이다. 더 길고 넓은 게이트는 방사선으로 유도된 전하를 더 넓은 영역에 분산시켜 소자 성능에 미치는 국소적인 영향을 줄인다.

500 kGy는 어느 정도로 강한가? 충분한 수준일까?

500킬로그레이는 우주용 전자기기에 요구되는 방사선 내성의 약 1,000배이며, 일반적인 KUKA 로봇 팔이 고장 나는 선량의 3,000배가 넘는다. 이 칩은 해당 선량에 노출된 뒤에도 Wi-Fi 수신 기능을 유지했고, 신호 이득은 1.5데시벨만 감소했다. 대부분의 상용 하드웨어라면 파괴될 조건을 견뎌낸 대가로는 작은 손실이다.

수치를 비교하면 다음과 같다.

이 칩은 원전 투입에 필요한 최소 기준을 넘어선다. 조사 전 성능은 일반 상용 Wi-Fi 수신기와 비슷했고, 300 kGy에 이어 500 kGy까지 노출한 뒤에도 이득 손실은 1.5dB에 그쳤다. Narukiyo는 이 수신기가 “충분히 내성을 갖췄다”고 평가한다. 이제 연구의 초점은 통신 거리와 데이터 처리량을 높이고, 함께 사용할 송신기 하드웨어를 개발하는 데 맞춰지고 있다.

무선 원전 로봇이 현실이 되기 전에 해결해야 할 과제

Wi-Fi 수신기만으로는 한 방향의 신호 수신만 가능하다. 원전 로봇을 제어하려면 양방향 통신이 필요하지만, 그중 송신기 부분은 아직 해결되지 않았다. 앞서 제작한 송신기 시제품은 수신기가 견딘 500 kGy보다 훨씬 낮은 300 kGy에서 파괴됐다.

송신기는 수신기보다 더 어려운 물리적 문제에 직면한다. Wi-Fi 신호를 만들려면 높은 전류를 생성해야 하고, 그러려면 더 복잡한 회로와 더 많은 트랜지스터가 필요하다. 트랜지스터 하나하나가 방사선에 취약한 요소다. 현재 수신기가 작동할 수 있는 이유 중 하나는 부품 수를 극단적으로 줄였기 때문이다. 그러나 송신기는 유효한 신호를 만들어야 하므로 같은 방식으로 타협하기 어렵다.

연구팀은 필요한 내성 수준을 달성하기 위해 다이아몬드 전자소자를 비롯한 대체 반도체 소재를 조사하고 있다. 다이아몬드는 넓은 밴드갭(전자가 물질 안에서 이동하는 방식을 결정하는 에너지 간격) 덕분에 방사선 내성이 뛰어나다. 다만 실용적인 수준의 복잡도를 갖춘 다이아몬드 기반 회로를 제조하는 일은 여전히 상당한 기술적 과제다.

송신기가 수신기와 비슷한 내구성을 확보하기 전까지는 유선 제어 링크를 대체할 수 없다. 이런 환경에서 움직이는 로봇에는 단순한 원격 측정 데이터 업링크가 아니라 안정적인 명령 전달 채널이 필요하다.

위험 환경용 로봇에 미치는 의미

무선 연결은 원전과 극한 환경용 로봇의 실제 활용 범위를 제한하는 가장 큰 요소 중 하나다. 케이블이 사라지면 좁은 공간에 접근할 수 있고, 로봇 투입 속도를 높일 수 있으며, 선이 걸려 발생하는 기계적 고장 위험도 줄어든다.

로봇 산업에서 원전 해체 적체 물량은 구체적이고 자금 조달이 가능한 시장이다. 운영 주체에는 인력의 방사선 피폭에 따른 책임이라는 분명한 비용 절감 동기가 있고, 기존 해법이 충분하지 않다는 사실도 입증돼 있다. 앞으로 20년 안에 수명 종료를 맞는 원자로 200기는 먼 미래의 이야기가 아니다. 원전 해체에는 보통 폐쇄 후 20~40년이 걸리므로, 로봇 시스템 도입을 위한 의사결정은 이미 현재 진행 중이다.

이번 칩 수준의 돌파구는 원전 이외의 분야에도 의미가 있다. 입자가속기, 일부 항공우주 분야, 방사성 광석 주변의 채굴 현장처럼 강한 전자기파나 전리 방사선에 노출되는 환경도 비슷한 무선 연결 제약을 겪는다. 검증된 방사선 내성 Wi-Fi 아키텍처는 다른 산업이 활용할 수 있는 기반이 된다.

위험 환경에 투입할 중고 산업용 로봇을 이미 검토 중인 팀이라면, 통신 계층이 가장 큰 제약일 때가 많다. 극한 환경을 물리적으로 견딜 수 있는 하드웨어는 점점 늘고 있지만, 무선 링크는 여전히 빠져 있는 마지막 퍼즐이다.

이번 연구는 아직 초기 단계다. 제품으로 출시된 것이 아니라 학회에서 발표된 단일 칩에 관한 연구다. 그럼에도 접근 방식은 방법론적으로 타당하고, 성능 수치도 신뢰할 만하며, 적용 수요도 분명하다. 다음으로 지켜볼 이정표는 500 kGy를 견디는 송신기다. 그런 송신기가 등장하면 원전 무선 로봇은 연구 단계에서 엔지니어링 단계로 넘어갈 수 있다.

자주 묻는 질문

새로운 Wi-Fi 수신기는 어느 정도의 방사선을 견딜 수 있나?

Institute of Science Tokyo에서 개발한 수신기는 총 500킬로그레이(kGy)의 방사선량을 견뎠다. 이는 원전 해체 작업 중 원자로 내부에서 작동하는 전자기기에 요구되는 최소 기준이다. 최대 선량에 노출된 뒤에도 신호 이득은 1.5데시벨만 감소했으며, 로봇 제어에 사용하기에는 충분히 허용 가능한 수준으로 평가된다.

원전 해체 로봇은 왜 일반 무선 통신을 사용할 수 없나?

일반적인 Wi-Fi 전자부품은 원자로 내부에서 발생하는 수준에 훨씬 못 미치는 방사선량에서도 고장 난다. 예를 들어 KUKA 산업용 로봇 팔은 약 164.55그레이(0.165 kGy)에서 고장 난 것으로 기록됐다. 상용 제품 가운데 가장 높은 방사선 내성을 갖춘 우주용 전자기기도 보통 3년 동안 100~300그레이를 견디도록 설계되며, 이는 원자로 내부에 필요한 수준보다 약 1,000배 낮다.

방사선은 전자기기를 어떻게 손상시키며, 연구팀은 어떻게 이를 막았나?

감마선은 MOSFET 트랜지스터의 산화막에 양전하를 가둬 스위칭 성능을 떨어뜨리고 오류를 일으킨다. 연구팀은 취약한 PMOS 트랜지스터를 인덕터로 대체하고, 능동 스위칭이 필요한 부분에는 상대적으로 방사선 내성이 높은 NMOS 트랜지스터를 사용했다. 또한 트랜지스터 게이트의 크기를 키워 방사선으로 유도된 전하의 영향을 더 넓은 영역에 분산시켰다.

무선 원전 로봇 제어는 지금 바로 도입할 수 있나?

아직은 아니다. 수신기는 작동하며 높은 방사선 내성도 확보했지만, 양방향 로봇 제어에 필요한 송신기는 아직 같은 수준의 내성을 달성하지 못했다. 앞선 송신기 시제품은 300 kGy에서 파괴됐다. 연구팀은 완전한 무선 시스템을 현장에 투입하기 위해 다이아몬드 반도체와 기타 광대역갭 소재를 활용해 송신기 문제를 해결하는 방안을 연구하고 있다.

원전 해체 로봇 시장의 규모는 어느 정도인가?

2024년 연구에 따르면 전 세계 원자로 200기가 앞으로 20년 안에 수명 종료를 맞는다. 이미 폐쇄된 원자로 204기에 더해지는 규모다. 이 가운데 대형 원전 중 완전 해체를 마친 곳은 11곳뿐이다. 해체 작업은 보통 수십 년에 걸쳐 진행되며 인력의 방사선 피폭에 따른 책임도 크다. 따라서 사람이 현장에 들어가지 않고 작업할 수 있는 로봇 시스템에 대한 수요가 꾸준히 이어질 전망이다.

송신기 문제까지 해결된다면, 후쿠시마와 유럽의 증가하는 원전 폐쇄 물량 중 어느 해체 프로젝트가 가장 먼저 무선 로봇을 도입할 것이라고 생각하나?

이번 방사선 내성 Wi-Fi 수신기 칩은 원전 로봇 통신이 물리적으로 불가능한 문제가 아니라 엔지니어링 문제라는 사실을 보여준다. 해체를 기다리는 원자로가 200기에 이르고 송신기라는 과제도 명확해진 만큼, 앞으로 몇 년간의 연구가 후쿠시마를 비롯한 현장의 로봇이 마침내 케이블을 끊을 수 있을지 결정하게 될 것이다.