1. 서론
’21년 5월 4일 기준 미국 스페이스X의 스타링크 위성은 대략 1,500기가 발사되었으며, 27년까지 총 42,000기를 이용해서 전세계에 인터넷 서비스를 제공할 계획이다[1]. 영국의 원웹 위성도 ’21년 7월 1일 기준 254기가 발사되었으며, ’22년까지 총 648기를 이용하여 영국에 인터넷 서비스를 제공할 예정이다[2]. 미국의 아마존도 Kuiper 프로젝트를 통해서 3,236기의 위성을 이용한 인터넷 서비스를 계획하고 있으며, 캐나다의 Telesat도 298기의 위성을 이용해서 위에서 언급한 위성들과 동일한 인터넷 서비스를 계획하고 있다[3–4]. 미국의 플랫닛랩은 200여기의 지국관측용 큐브위성을 운용하고 있다[5]. 이처럼 최근에 전세계적으로 개발되는 지구 저궤도 위성들 중에서 (초)소형위성들은 개발기간 및 위성수명이 짧고, 저비용, 다중위성발사, 대량의 군집위성 특징을 가지고 있다. 따라서, COTS(Commercial Off-The-Shelf) 부품 사용, 위성의 중량 및 형상, 대량생산 등을 고려하고, 군집운용을 준비해야 한다. 특히 다중위성 운용시 주파수 간섭을 고려하여 MIMO(Multi Input Multi Output) 기술 개발이 필요하며, 정부 차원의 주파수 확보를 위한 준비와 노력이 필요하다.
미국의 스페이스X는 재사용 발사체, 엄청난 숫자의 스타링크 군집위성, 전세계 인터넷 서비스를 통해서 비즈니스 모델을 확보하였다. 인공위성의 특성상 수명이 다한 위성들을 대신해서 신규 위성들을 발사해야 하는데, 기존에는 고가의 위성 1기를 개발하고 발사하였다면, 뉴스페이스 시대의 우주에 대한 새로운 비즈니스 모델은 자동차 양산과 비슷한 개념으로 위성을 계속 제작하고 발사하게 된다. 하지만, 우리나라의 우주분야 기술수준을 고려하면, 단기간에 미국과 유사한 우주산업화 전략을 수립할 수 없으므로 가격 및 성능에서 글로벌 경쟁력 있는 구성품 또는 부품 확보 전략이 필요하다. 특히, 우리나라가 세계시장 점유율 1위에 있는 메모리 분야는 그 중 하나가 될 수 있다. 기존 삼성전자와 SK하이닉스의 상용급 메모리 중에서 내방사선성이 좋은 메모리와 고신뢰성 패키징 기술을 이용하면 되므로, 전세계 모든 위성에 탑재되는 우주급 메모리 분야는 우리나라의 우주산업화 전략 중 하나로 가능성이 있다.
2. 초소형위성의 New Space 특징 및 대응
서론에서 언급한 바와 같이 최근에 전세계적으로 개발되는 지구 저궤도 위성들 중에서 뉴스페이스 개념의 (초)소형위성들은 다음과 같은 특징들을 가지고 있다. ’21년 1월 24일에 발사된 Falcon-9 발사체에는 Fig. 1에서[1–2,6–8] 보는 바와 같이 무려 143기의 위성들이 탑재되어 있었다[6]. 이 위성들 중에서 스타링크 위성의 목표 고도는 550 km였으나, 고도 350 km에서 발사체와 분리되었다[8]. ’21년 5월 4일 기준 스타링크 위성이 약 1,500기가 발사되었는데, 매달 발사되었거나, 한달에 두 번 발사된 경우도 있으므로, 인공위성 양산을 고려해야 한다[1]. Fig. 1에서 보는 바와 같이 다중위성 발사 고려시 위성의 형상을 고려해야 하며[6], 군집위성의 특성상 인공위성을 독특한 형상으로 개발하면 탑재 공간의 부족으로 발사 횟수가 증가하여 발사 비용이 증가한다는 것을 의미한다. 이러한 (초)소형위성의 특징들을 자세히 살펴보면 다음과 같다.
일반적으로 발사체는 위성과 목표 궤도에서 분리되기 때문에, 저궤도위성에서의 추력 능력은 상대적으로 중요도가 낮으며, 저비용의 초소형위성 및 큐브위성은 추력 능력이 없는 경우도 있다. 그러나 Fig. 1의 경우, 위성을 143기나 탑재한 발사체의 중량 제한조건으로 인하여, 스타링크 위성은 350 km에서 분리되어 550 km까지 궤도 기동을 하였으며[8], 다른 위성들도 필요시 목표 궤도까지 기동을 해야 한다.
스타링크 위성들이 한 번에 60기씩 발사되고, 한 달에 두 번씩 발사된 경우까지 고려한다면, 한 달에 120기의 위성을 준비해야 한다[1]. 따라서 위성 1기씩 제작하고 환경시험하는 개념으로는 일정을 만족할 수 없으므로, 탑재 형상을 고려하여 여러 기의 위성들을 한번에 환경시험하고 자동화된 기능시험 환경을 구축했을 가능성이 높다.
Fig. 2에서[9–12] 스타링크 위성 60기가 줄지어 날아가는 영상을 보면[9], 주파수 간섭의 영향으로 지상국에서 위성 1기씩 명령을 주고 받으면서 궤도 기동을 하기보다는 기 프로그밍된 절차에 따라서 스스로 목표 궤도로 기동하고 있을 가능성이 높다.
’21년 1월 1일 기준으로 6,542기의(3,372기 정상동작, 3,170기 동작불능)[14] 인공위성이 저궤도에 있으며, 지금까지 언급한 스타링크, 원웹, Telesat, Kuiper, 플래닛랩 위성들이 모두 저궤도에서 운용된다면, 엄청난 숫자의 위성으로 인하여 위성충돌에 대비해야 하므로 회피기동을 위한 추력기능은 저궤도위성의 필수기능이다.
지금까지 설명한 (초)소형위성의 특징 및 대응을 Fig. 3에 요약 및 정리하였다[1–14]. (초)소형위성들은 개발기간 및 위성수명이 짧고 저비용, 다중위성발사, 대량의 군집위성 특징을 가지고 있다. 따라서, COTS 부품 사용[13], 위성의 중량 및 형상, 대량생산을 고려하고 군집운용을 준비해야 한다. 또한 궤도조정, 충돌회피를 위한 추력기능과 군집운용이 필수이며, 지금까지 언급한 기능들이 대량의 군집위성에서 능동적으로 수행하기 위해서는 지상국의 명령에 따라서 수동적으로 동작하기보다는 위성들이 능동적으로 동작하고 대처해야 한다.
군집운용에 대해서 자세히 살펴보면, 기존 위성 시스템은 위성의 숫자가 많아지면, 주파수 간섭에 의한 위성운용 문제를 해소하기 위해서 다수의 안테나를 설치한다. 하지만, 스타링크처럼 위성의 숫자가 너무 많은 메가위성군은 다수의 안테나 설치로 위성운용 문제를 해결할 수 없으며, 할당된 주파수를 공유하는 지상국-위성 간 MIMO 기술을 도입하여 주파수 간섭 문제를 해소한다. 스마트폰의 CDMA(코드분할다중접속) 기술과 비슷한 개념으로써, 정부에서 ’31년까지 초소형위성 100기 개발을 발표하였으므로[15] 우리나라도 지금부터 준비할 필요가 있다. 또한 위성주파수로 활용되는 S대역과 X대역은 이미 포화상태이므로, 정부차원에서 Ku, K, Ka 대역의 주파수 확보를 위한 준비와 노력이 필요하다.
서론에서 언급한 바와 같이 미국의 스페이스X는 재사용 발사체, 엄청난 숫자의 스타링크 메가위성군, 전세계 인터넷 서비스라는 비즈니스 모델을 확보하였다. Fig. 4와[16–22] 같이 뉴스페이스 시대의 우주에 대한 새로운 순환형 비즈니스 모델은 자동차 양산과 비슷한 개념으로 위성을 계속 제작하고 발사하므로, 진정한 의미의 위성 산업화이다.
하지만 우리나라의 우주분야 기술수준을 고려하면 미국과 유사한 우주산업화 전략은 기술이 뒷받침되어야 하므로, Table 1과 같이 가격 및 성능에서 글로벌 경쟁력 있는 구성품 또는 부품 산업화 전략을 제안한다. 우리나라가 전세계에서 경쟁력 있는 정보통신과 반도체 기술을 뉴스페이스 위성분야에 투자함으로써 스마트폰 집적화 기술, Ethernet 등 네트워크 통신 기술, EO/IR센서, 배터리/태양전지, 메모리 분야는 우리나라 우주 산업화 전략 중의 하나로 성공 가능성이 있다. 특히, 우리나라가 세계시장 점유율 1위에 있는 메모리 분야는 삼성전자와 SK하이닉스의 상용급 메모리 중에서 내방사선성이 좋은 메모리와 고신뢰성 패키징 기술을 이용한다면, 전세계 모든 위성에 탑재되는 우주급 메모리 분야에서 우리나라의 우주산업화 전략으로 제안할 수 있을 것으로 판단된다.
우주 환경에서 반도체 소자들이 받는 영향을 Fig. 5에 표시하였으며[23–24], 특히 메모리의 영향은 다음과 같다. 지구 주변의 밴앨런벨트와 태양 및 심우주에서 오는 양성자, 중성자, 중이온 및 알파 입자와 같은 우주방사선은 메모리의 민감한 영역에 고장 또는 단일 이상현상 (Single Event Effect, SEE)을 유발하여 시스템 오동작 등의 영향이 있다. 그 이상현상은 크게 세 가지로 분류할 수 있으며, SEU(Single Event Upset)는 메모리 에러를 유발하고, SEL(Single Event Latch-up)은 고전류가 흘러서 고장이 발생하므로 전원을 차단하는 보호회로 구성이 필요하며, TID(Total Ionizing Dose)는 메모리 내부에 이온화를 유발하여 성능 저하 또는 고장이 발생한다.
국산 메모리가 인공위성에 적용된 사례를 Fig. 6에 나타내었다[25–32]. 우리별3호와 과학위성1호에는 삼성전자의 SRAM, Flash 메모리, SDRAM이 적용되었으며, 차세대소형위성1호에는 SK하이닉스의 DDR SDRAM이 적용되었다. 우리별3호와 과학위성1호의 경우, 요구사항과 인터페이스에 맞도록 삼성전자에서 메모리 모듈을 제작하고 시험까지 수행하여 무상으로 제공하였으며, 차세대소형위성1호는 Fig. 7[33]의 3D-PLUS사와 유사한 형태로 메모리를 적층하여 위성용 대용량 메모리를 국산화 하였다[30–32]. Fig. 6의 세 가지 사례 모두 상용메모리를 적용하였지만 우주에서의 정상동작을 확인하였으며, 이상현상에 대비하여 EDAC(Error Detection And Correction) 코드를 적용하여 에러를 복구할 수 있도록 하였다[27].
’19년과 ’20년 기준 상용 메모리와 우주급 메모리의 매출 규모를 살펴보면, Table 2에서[34–47] 보는 바와 같이 상용 메모리는 삼성전자와 SK하이닉스가 전세계 매출의 80% 정도를 차지하지만, 우주급 메모리 분야는 국내 매출이 없다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 3D-PLUS사는 내방사선성이 좋은 삼성전자를 포함한 상용메모리를 적층하여 패킹징한 후에 Fig. 8[48–49]의 규격 조건에 맞도록 각종 환경시험을 수행하는 형태로 우주급 메모리를 제작한다.
국내의 경우, 삼성전자에서 우리별3호와 과학위성1호에 메모리를 제공해준 사례와[27–29] 차세대소형위성1호에서 3D-PLUS사와 유사한 형태로 메모리를 적층하여 위성용 대용량메모리를 국산화하여[30–32] 우주에서 검증한 경험이 있다. 따라서, 삼성전자와 SK하이닉스의 상용급 메모리 중에서 내방사선성이 좋은 메모리를 대기업에서 중소기업에 제공하고, 기 확보된 고신뢰성 패키징 기술을 이용한다면, 우주급 메모리 분야는 우주산업화 전략으로 성공 가능성이 있다고 판단된다.
3. 결론
(초)소형위성의 New Space 특징 및 대응방안을 요약하면 개발기간 및 위성수명이 짧고 저비용, 다중위성발사, 대량의 군집위성 특징을 가지고 있다. 따라서, COTS 부품 사용, 위성의 중량 및 형상, 대량생산을 고려하고, 군집운용을 준비해야 한다. 또한 궤도조정, 충돌회피를 위한 추력기능과 군집운용이 필수이며, 지금까지 언급한 기능들이 대량의 군집위성에서 능동적으로 수행하기 위해서는 지상국의 명령에 따라서 수동적으로 동작하기보다는, 위성들이 능동적으로 동작하고 대처해야 한다.
우주산업화 전략에 대해서 글로벌 가격 및 성능에서 경쟁력 있는 구성품 또는 부품 확보 전략이 필요하며, 우리나라가 세계시장 점유율 1위에 있는 메모리 분야는 그중 하나가 될 수 있다. 국산 메모리가 우리별3호, 과학위성1호, 차세대소형위성1호에 적용된 경험을 바탕으로, 대기업에서 중소기업에 메모리를 제공하고, 기 확보된 고신뢰성 패키징 기술과 환경시험 기술을 이용한다면, 우주급 메모리 분야는 우주산업화 전략으로 성공 가능성이 있다고 판단된다.
