앞으로의 미래는 우주 경쟁 시대라고 해도 과언이 아니다. 문재인 정부 5년(2018~2022)의 우주개발 계획이 발표되면서 우주를 향한 새로운 도약이 시작되었다. 지난 2월 과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 제14회 국가우주위원회를 개최해 ‘제3차 우주개발진흥기본계획’과 ‘한국형발사체개발사업 일정 검토 및 향후 계획’을 심의·확정하며 우주개발 계획을 구체화했다.

제3차 우주개발진흥 추진전략은 우주발사체 기술자립과 인공위성 활용서비스 및 개발 고도화, 우주탐사 시작, 한국형위성항법시스템(KPS)구축, 우주혁신 생태계 조성, 우주산업 육성과 우주 일자리 창출 등 6대 중점 전략 분야로 구성되었다. 우주발사체 기술자립은 1.5톤 실용급위성을 지구저궤도(600~800km)에 투입 가능한 3단형 한국형발사체 개발에 주력하고, 비행성능 검증을 위한 시험발사체 발사는 올해 10월 시행될 예정이다.

한국형발사체 성공 이후에는 성능개량을 위한 후속 R&D프로그램 운영과 지속적 물량공급 등을 통한 민간 양산체계를 구축하여 오는 2026년부터 민간 발사 서비스를 개시, 2030년부터는 모든 중·소형위성 발사 서비스를 민간주도로 제공한다는 방침이다. 기존에는 한국형 발사체 개발 이후 대형위성을 발사할 수 있도록 추력을 지속 확대해 왔다. 그러나 최근 위성의 소형화 추세에 따라, 한국형발사체 완성 이후에는 우선 500kg 이하 위성 발사가 가능한 소형발사체로 확장하고, 이후 3톤급 정지궤도위성 발사가 가능한 대형 발사체로 확장해 나갈 계획이다.

현재 추진 중인 달 탐사 1단계(달궤도선) 사업은 2020년까지 완수를 목표로 한국형발사체를 이용한 달 탐사 2단계(달착륙선)사업은 달 착륙 2030년을 목표로 조기에 착수할 수 있도록 내년부터 임무분석과 기술 수준 검토 등을 위한 사전기획을 착수한다. 인공위성 활용 서비스 및 개발 고도화 전략 분야는 4차 산업혁명 기반 서비스인 재난·재해 등 국가위기 대응 서비스, 해양·환경·농수산 등 공공활용 서비스, 통신·항법, 한반도 정밀 감시 서비스 등 4대 위성 서비스를 중심으로 국가 위성의 활용도를 높여 나갈 전망이다.

지금까지는 정밀감시 위주의 다목적·실용위성을 활용한 위성서비스가 제공되었다면 앞으로는 위성정보 서비스 수요별로 특화한 위성 개발과 활용을 통해 맞춤형 서비스가 제공될 예정이다. 이에 따라 초소형 위성을 활용한 국가위기 대응 서비스 체계는 오는 2022년까지 구축하여 현재 촬영 주기(24+α)를 대폭 단축해 약 1시간 단위로 관측한 재난·재해 서비스를 제공함으로써 국가위기에 효율적으로 대응하겠다는 전략이다.

과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 이미 지난해부터 차세대소형위성(이하 차소형) 2호를 통해 우주핵심기술의 국산화를 위한 우주기술 검증과 우주방사선 환경연구를 위한 탑재체 개발 착수에 들어갔다.

차세대소형위성 2호는 과기정통부의 지원으로 지난해 3월 카이스트(KAIST) 인공위성 연구소가 소형위성용 영상레이다탑재체 기술개발, 우주핵심기술 검증, 우주과학연구, 위성분야 전문인력 양성 등을 위해 2020년 하반기 발사를 목표로 개발 진행 중이다. 소형 X_대형 영상레이다 탑재체는 카이스트 인공위성연구소에서 이미 지난해 3월부터 개발이 시작되었다.

과기정통부는 우주핵심기술의 국산화를 위한 우주검증기술로, 차소형 2호 전담 평가단이 2013년부터 2017년까지 우주핵심기술개발사업으로 개발 중인 기술 중에서 4개의 기술을 지난해 8월 우주기술개발추진위원회에 보고하여 최종 선정했다.

검증기술명	주요내용	개발기관	개발기간
PCM(Phase Change Material) 열제어 장치 개발	상변환물질을 이용한 열전달을 위해 발열부품의 온도를 적정하게 제어	한국산업기술대학교	13.7 ~ 16.6
위성용 MMIC 기반 X-band GaN SSPA (Solid State Power Amplifier) 개발	입력전력을 증폭하여 출력하는 반도체 소자(GaN)를 이용하여 효율성과 내구성은 강화하고 무게, 부피 등은 줄여 소형화	전자통신연구원	15.7 ~ 18.6
저궤도 위성용 GPS/Galileo 복합수신기 개발	GPS 신호와 Galileo 신호를 동시에 수신받은 정보로 위치, 시각, 속도 등을 제공할 수 있는 복합수신기	㈜두시텍	15.7 ~18.6
인공위성용 태양전지배열기 인증모델 개발	태양에너지를 전기에너지로 변환하는데 필요한 고효율 태양센서의 접합 및 배열장치	KAIST 인공위성연구소	17.4 ~ 20.3

차세대소형위성 2호의 우주검증 기술

우주핵심기술 중 인공위성용 태양전지배열기는 위성에서 필요한 전기에너지를 공급하는 장치로 현재 전량 수입에 의존하고 있는 것이 현실이다. 이에 우주의 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 데 필요한 고효율 태양센서와 배열장치 등으로 되어 있는 태양전지 배열기는 카이스트연구소에서 지난해 4월부터 오는 2020년까지 국산화 모델을 개발 진행하고 있다.

KTL 시스템융합본부는 국내 태양전지 기술력을 기반으로 카이스트 인공위성 연구소와 공동으로 고신뢰성의 인공위성용 모듈 기술 및 사업화 기회를 확보하기 위해 태양전지 배열기 제작 기술력을 확보하고, 우주용 태양전지 국산화 개발 및 예비 검증을 함께 수행하고 있다. 이에 지난해 우주핵심기술 발전 시스템의 개발 상황 및 지상 성능시험과 주요 규격을 살펴보았다.

발전용 Si태양전지 개발 및 양산

현재 연간 1GW급 생산라인 확보 및 가동 중

p- 및 n-type, 이종접합 및 Back contact 태양전지 셀 개발

다중 와이어, 양면 수광형 및 컷팅 셀 연결 모듈 개발

삼중접합 박막 Si 태양전지 개발 및 세계 최고 효율 및 출력 확보

삼중 접합 셀 기술 개발(태양광 파장을 효과적으로 활용)

a-Si/a-SiGe/μc-Si 박막 삼중접합 태양전지 개발

세계 최고 효율 및 출력 확보

셀 안정화 효율 13.4% (NREL(미) 인증, 2013)

대면적 (5세대급) 모듈 출력 155W 확보 (AIST(일) 인증, 2013)

고효율 III-V족 화합물 태양전지 셀 제조 기술 개발

2012년 개발을 시작하여 세계 최고 효율 3건 확보 (NREL(미) 인증)

GaAs 기판셀 27.5%, GaAs 집광셀 29.3%, InGaP ELO1)셀 21.3%

다중 접합 고효율 셀 개발 진행

InGaP/GaAs 이중접합 셀 개발 완료 (효율 31.4%@1x1cm2)

Ge 기판 활용 삼중접합(InGaP/GaAs/Ge) 셀 개발 예정

고 생산성 MOCVD 및 기판 재활용 기술 개발

경제적 필요성

고효율의 태양전지 배열기 국산화 개발로 개발비 절감기대

해외 위성개발기관으로 수출 가능으로 국부에 기여

국내위성 개발 프로그램에 태양전지 배열기 공급

산업적 필요성

국가간 기술이전이 제한되는 전략기술

기술자립화 및 국산화가 필수적임

항공분야 등의 타 산업으로 연계 및 활용 가능성 큼

기술적 필요성

국산화 기술 보유로 해외 의존도에서 탈피

제작비용 감소 및 무게, 부피를 절감

국산 태양전지 활용

해외의 셀 제작 및 공급이 막힐 경우 우주산업에 영향이 큼

단종 부품이 발생할 경우 대체 부품 수급이 어려움

제작 및 튜닝이 어렵고 많은 시간이 소요됨

간단한 설계 변경을 하기 위해서도 복잡한 재설계 과정과 제작 과정이 요구됨

기술적 배경

국내 셀 제작 기술 확보

확보된 셀의 우주 적용 및 검증

설계, 제작 및 활용의 자유도 증가

ITAR 규제로의 탈피

해외에서 제품 수입 시 ITAR 등 EL 품목으로 사업에 미치는 영향이 큼

발사환경

발사체 진동 / 발사체 음향 / 발사체 분리

우주환경

발사체 충격 / 궤도온도 / 궤도방사선

검증순서

쿠폰모델제작 / 인증모델제작

지상 검증절차 및 방법

신뢰성 시험을 위한 쿠폰 설계 및 시험

우주용 탑재를 위한 신뢰성 시험[인증모델 설계, 제작 및 시험]

우주용 발전 시스템 지상검증 규격

인증모델 제작 전 쿠폰을 개발하여 지상 성능시험 수행

인증모델 제작 전 쿠폰을 이용하여 가속 수명 시험 수행

가속 수명 시험을 통하여 인증모델 개발에 필요한 다양한 설계 변수 도출

도출된 설계 변수는 인증 모델의 설계 반영

인증모델에서는 우주환경에서 필요한 시험 수행

열주기시험[가속 수명 시험]

가속 열주기시험 : 40000회 [-110℃ ~ 110℃]

열진공주기시험 : 열주기시험 전 10회, 열주기시험 후 4회 [-110℃ ~ 110℃]

음향시험

플래쉬시험[LAPSS Test], AMO 시험조건

플래쉬 시험

열진공시험 : 10회

열주기시험 : 40000회

열진공시험 : 4회

음향시험

진동시험

발사체 진동 규격 수용

관성모멘트 및 무게 중심점 시험

시스템 규격 수용

유닛 단위의 열진공시험

임무궤도 규격 수용