내구성을 위한 엔지니어링: 차세대 위성에 동력을 공급하다

수십 개의 위성을 실은 로켓이 하늘로 발사됩니다. 몇 분 후 위성이 정밀하게 계산된 궤도에 배치됩니다. 로켓은 지구로 다시 하강하여 다음 발사를 위한 준비에 들어갑니다.

재사용 로켓이 등장하고 이전보다 발사 횟수가 더 많아짐에 따라 궤도 진입이 일상이 되다시피 했습니다. 하지만 우주에서 궤도 비행을 하려면 전체 임무 기간 동안 안정적으로 작동할 수 있는 전자 장치가 필요합니다.

로켓 혁명이 바꾼 것들

십 년 전에는 약 사과 6개의 무게에 해당하는 1킬로그램의 하드웨어를 궤도로 발사하는 데 최소 10,000달러나 들었습니다. 2025년에는 이 수치가 현저히 낮아져 킬로그램당 수천 달러에 불과합니다. 2030년까지 더욱 하락할 것으로 예상됩니다. 

달 착륙선 설계 엔지니어이자 우주 항공 과학 커뮤니케이터인 로런 새비지(Lauren Savage)는 "이 새로운 우주 시대는 빠르고 혁신적이며, 꿈꾸는 사람들로 가득합니다. 임무는 복잡하고 인프라 중심적이며, 로켓 재사용 덕분에 그 어느 때보다 비용 부담이 줄었습니다."라고 말합니다.

이전에는 과학 연구 임무와 대규모 운영사에게만 국한되었던 우주로의 접근이 이제는 스타트업, 대학, 소규모 연구 기관으로 확대되고 있습니다.

발사 횟수와 궤도상의 위성 수가 늘어남에 따라 더욱 귀중한 위성 데이터도 활용할 수 있게 되고 있습니다. 지구 관측 위성은 해양 온도, 얼음 두께, 토양 성분, 대기 가스를 추적하며, 진행 중인 산불과 화산 활동을 감시합니다.

이러한 임무가 늘어나면서 각 위성의 전자 장치에 대한 요구 사항도 그만큼 급격하게 변화했습니다.

TI의 우주 전력 제품 라인 매니저인 하비에르 바예(Javier Valle)는 "시장에 출시된 제품이 많지 않았던 수년 전에는 전력 요구 사항이 이제 막 증가하기 시작하던 때라 엔지니어들은 보다 집중적인 과제에 직면해 있었습니다."라고 말합니다. "하지만 이 새로운 우주 하드웨어 시대에 엔지니어들은 전체 위성 전력 분배를 위한 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적인 장치를 원하고 있습니다." 

같거나 더 작은 위성 크기에서 더 뛰어난 기능

이전에는 위성이 센서에서 데이터를 수집하고 처리를 위해 지구로 전송했습니다. 현재 최신 위성은 지연 시간을 줄이기 위해 궤도에서 데이터를 처리하며, 이를 위해서는 더 높은 컴퓨팅 성능이 필요합니다. 이로 인해 지난 몇 년간 위성 페이로드 전력이 수백 와트에서 수 킬로와트로 증가했으며, 가까운 미래에는 수십 킬로와트의 전력을 필요로 할 수 있습니다. 그러나 위성 전력이 증가함에 따라 전류 및 온도 감지와 오류 감지도 엔지니어링 설계 과제가 되고 있습니다. 

이와 함께 위성 크기는 그대로이거나 더 작아져, 증가한 전력과 맞물려 과제가 되고 있습니다. 처리 성능이 높아지면 더 많은 전력이 필요하게 되고, 전력이 높아지면 열이 더 많이 발생합니다. 진공 환경의 우주에서는 위성에서 열을 제거하기가 어렵습니다. 따라서 엔지니어들은 전력 밀도와 효율성이 더 높은 컨버터를 필요로 합니다. 그렇다면 해결책은 무엇일까요?

엔지니어들은 실리콘 FET 대신 질화 갈륨(GaN) FET를 채택하고 있습니다. GaN은 더 빠른 스위칭 주파수에서 작동하고 실리콘보다 더 뛰어난 효율성을 제공할 수 있습니다. 이렇게 효율성이 높아지면 열 관련 과제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

방대한 양의 데이터를 처리하는 위성의 경우에도 이와 유사한 과제가 적용됩니다.위성 자체의 원격 측정 데이터든 매우 빠른 속도로 처리 및 전송되어야 하는 데이터든 상관없이 TI 반도체는 다양한 기능을 수행할 수 있습니다:

• 전력 컨버터가 태양광 패널의 출력에서 고전류 페이로드에 이르기까지 위성 전체에 전력을 효율적으로 분배합니다.
• 신호 체인 장치가 위성에서 데이터를 전달하고, 아날로그 측정값을 프로세서가 처리할 수 있는 디지털 데이터로 변환하도록 지원합니다.
• 임베디드 프로세서가 위성 전반에서 페이로드 처리, 모터 제어 및 모니터링을 담당합니다.

TI 반도체가 없다면 우주에 대해 우리가 아는 것 중 거의 불가능할 것입니다. 실제로 지구의 궤도를 도는 최초의 IC는 1963년에 TI입니다. 60년이 넘는 시간이 지난 지금 TI는 달에 사람을 태우는 것부터 오늘날의 로켓 혁명에 자금을 공급하는 것까지 우주 탐사 분야의 전통을 확립했습니다.

2025년 한 해에만 이러한 TI 반도체가 200회 이상의 로켓 발사에 탑재되었습니다.

하비에르는 "TI의 방대한 우주 등급 제품 포트폴리오가 계속해서 확장되면서 위성의 거의 모든 부분을 지원하고 모든 유형의 임무 요구 사항을 충족할 수 있습니다."라고 말합니다.

방사선 대비 설계

위성의 전기적 기능을 설계하는 것과 임무 기간 동안 견뎌내는 것은 서로 별개의 요구 사항입니다. 방사선은 위성이 작동 상태를 유지할 수 있는 기간을 결정하는 요소가 될 수 있습니다.

우주에서 방사선은 임무 기간 동안 누적된 성능 저하나 중이온 또는 태양 활동으로 인해 무작위로 발생하는 이벤트를 통해 전자 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

로런은 "이러한 까다로운 환경에서의 반도체 내구성은 위성의 안정적인 상태와 임무 성공에 필수적입니다."라고 말합니다.

내구성이 뛰어난 전자 장치를 제작하는 작업은 다이 수준, 즉 IC 패키지 내부의 활성 영역에서 진행됩니다. 이러한 방사선 환경에서 적절한 성능을 발휘하는 다이를 설계 및 제조하려면 특별한 부품과 설계 기술이 요구됩니다.

TI는 두 가지 유형의 우주 제품을 개발했습니다. 하나는 장기 지구 동기 궤도 및 심우주 임무용으로 더 높은 수준의 방사선 성능을 인증받은 방사선 저항 제품이고, 다른 하나는 지구 저궤도 애플리케이션의 단기 임무용으로 더 낮은 수준의 방사선 성능을 인증받은 방사선 내성 제품입니다. 

하비에르는 "TI는 고객과 협력하여 최신 과제에 대한 솔루션을 제공하여 다양한 임무 등급에 대한 신뢰성 요구 사항을 충족합니다."라고 말합니다.

앞으로의 전망

앞서 이야기한 지구로 돌아오는 로켓을 기억하시나요? 이 로켓이 배치한 위성은 몇 년 전이라면 불가능했을 작업을 수행할 수 있습니다.

그리고 이러한 위성의 발전은 그 영향이 얼마나 자연스럽게 체감되는지로 가늠할 수 있습니다. 통신 위성 덕분에 가장 가까운 기지국에서 수백 마일 떨어진 곳의 하이킹 여행자가 전화를 걸 수 있고, 과학자들은 지구 관측 위성 덕분에 자연 현상을 더 잘 이해할 수 있습니다. 우주에 있는 최첨단 전자 장치가 없다면 이 중 어느 것도 가능하지 않을 것입니다.