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[차세대 소형위성 ⑦] KAIST, ‘국산 메모리, 우주시장 개척’

[대전세종충남=아시아뉴스통신] 이기종기자 송고시간 2018-12-07 14:05

-‘우주용 소형·대용량 메모리 모듈’ 국산화 연구개발
- 데이터를 저장하는 메모리 기능과 우주방사선 영향 검증
박미영 인공위성연구소 박사는 우주용 ‘국산 메모리’가 차세대 소형위성 1호에 탑재된 과정을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자

우주기술 검증과 우주과학 임무를 수행할 ‘차세대 소형위성 1호’는 지난 4일 오전 3시 34분경 미국 반덴버그(Vandenberg) 공군 기지에서 성공적으로 발사돼 오전 10시 5분경 인공위성연구소에 위치한 국내 지상국과 최초 교신을 함으로써 정상적인 궤도에 안착했다.
 
본지는 차세대 소형위성의 성공적인 임무 완수를 기원하고 국민적 관심에 부응하기 위해 ‘차세대 소형위성’과 관련한 내용을 연재하고 있다.
 
현재 ‘차세대 소형위성 1호’를 통해 국내에서 개발한 ‘우주용 소형·대용량 메모리 모듈’을 우주환경 속에서 검증을 준비하고 있는 한국과학기술원(KAIST) 인공위성연구소 박미영 박사를 만나 우주용 ‘국산 메모리’ 개발 및 검증과정, 발사 이후 임무 등을 살펴본다. <편집자 주>

- 가장 많이 받는 질문은?

▷ 가장 많이 받는 질문은 “우주용 소형·대용량 메모리 모듈의 국산화가 왜 필요한가”이다.

이에 대해 ‘우주용 소형·대용량 메모리의 수요 증가’와 ‘국산화 가능성 증대’로 설명할 수 있다.

첫째, 우주용 소형·대용량 메모리 수요 증가이다.

고해상도 위성 영상의 수요와 과학 임무를 위한 우주·지구를 관측하는데 필요한 데이터의 양이 늘어남에 따라, 인공위성에 탑재되는 우주용 메모리 대용량화의 필요성이 증가하고 있다.

세계적인 추세는 범유럽 항공·방위산업체(EADS)의 항공우주산업 자회사인 아스트리움(Astrium)의 경우 2006년 이후에 개발되는 거의 모든 위성의 메모리 용량은 512Gb(기가비트) 이상의 것을 사용하고, 최근 서브 미터급(1m 이하 물체 식별) 영상레이다를 탑재하는 중·대형 위성의 경우 1Tb(테라비트) 이상의 메모리 용량을 고려해 설계하는 사례가 있다.

메모리 용량 증가는 위성체의 무게와 부피, 소모전력의 증가와 직결되므로 이에 대한 제약이 큰 소형위성에서는 개발의 장애요소로 작용될 수도 있다.

이런 의미에서 이번 ‘차세대 소형위성 1호’에서 우주검증이 진행되는 ‘우주용 메모리 모듈의 소형·경량화’ 연구는 과거 중대형 위성에서 가능하던 다양한 기능들이 소형위성으로 대체될 수 있는 기반을 마련하는 작업의 하나가 될 수 있을 것으로 기대한다.
 
둘째, 국산화 가능성 증대이다.

산업용 DRAM(디램, Dynamic Random Access Memory)의 경우 우리나라 기업이 전 세계 DRAM 시장의 70% 이상을 차지하고 있고, 반도체 조립 및 시험 분야 역시 세계 최고 수준임에도 불구하고 우주용 메모리를 개발하는 곳은 없어서 전량 수입에 의존하고 있는 현실이다.

우주환경은 고진공 상태로, 위성 운영 중에 음지와 양지 간의 수시 변화와 강력한 자외선과 고에너지 입자가 끊임없이 조사되는 지상과는 다른 환경이다.

이러한 곳에서는 고진공으로 인한 오염 문제(기체 방출 및 기포 등)와 우주방사선 영향(총방사선효과, 단일사건효과) 등 지상에서는 발생하지 않았던 여러 가지 문제들이 부품의 오동작과 손상을 초래하게 된다.

이와 같은 이유로 우주환경에서 성공적으로 임무를 완수하기 위해 부품의 본질적인 기능인 전기적 특성은 물론이거니와 우주환경을 고려한 부품의 선정과 설계, 제작 공정 방법의 선택이 중요하다.

‘우리별 1호’를 시작으로 ‘나로과학위성’을 포함한 다수의 인공위성을 성공적으로 개발한 카이스트 인공위성연구소는 우주환경에 대한 이해와 축적된 우주분야 핵심기술을 바탕으로 국내 산업체의 성숙된 메모리 개발 기술이 우주기술로 확대 적용될 수 있을 것이라는 점에 착안하여 우주용 메모리 모듈 국산화 연구를 시작했다.

인공위성연구소는 반도체 조립 전문업체인 ‘하나마이크론’의 제조기술을 이용하여 반도체 후공정인 패키지 기술을 이용하여 하나의 패키지에 여러 개의 베어 칩(SK 하이닉스 2Gb LPDDR SDRAM)을 적층하여 수납하는 방식으로 ‘우주용 소형ㆍ대용량 8Gb LPDDR SDRAM 모듈’을 순수 국내 기술로 개발했다.

- 연구과정에서 가장 어려웠던 점은?

▷ 지상에서는 고려되지 않는 우주방사선을 포함한 우주 환경에 대한 신뢰성을 보장하면서 추가적으로 소형·경량화된 메모리 모듈의 설계 및 공정 방법을 찾는 과정이 어려웠다.

우주방사선의 영향 중 단일사건효과의 경우에는 차폐가 어려운 관계로 베어칩 자체의 내성이 중요한데, 국내에는 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)에 대한 우주방사선 단일사건효과를 검증한 사례를 찾기 어려웠다.

또한 충분한 시험을 위한 설비 역시 없는 상황이어서 이러한 문제를 해결하기 위해 우주선진국의 관련분야 기술 자료를 충분히 검토하여 국내의 한국원자력연구원과 원자력의학원 등의 양성자가속기 등을 이용하여 성능을 부분적으로 확인했다.

궁극적으로는 미국 텍사스 A&M 대학교(Texas A&M University)의 중이온 가속기를 이용한 시험을 통해 요구사항을 만족하는 베어 칩을 확보했다.

또한 우주환경에 대한 신뢰성과 소형ㆍ대용량화 요구를 동시에 만족하도록 리드가 몰드 몸체의 바닥면에 위치하는 새로운 형태의 QFP(Quad Flat Package) 적층 패키지 유형을 개발하는 과정에서 어려움이 많았다.

이러한 방식은 우주에 대한 신뢰성을 고려하지 않는 일반 산업체에서는 사용되지 않는 방식으로 이를 위해 설계에서 제작, 검증 전 단계에 걸쳐 인공위성연구소와 하나마이크론의 연구진들이 끊임없는 설계 검토와 제작·검증을 통해 문제를 해결했다.
 
박미영 인공위성연구소 박사는 우주용 ‘국산 메모리’의 적층기술 개발과정을 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자

- 메모리에 대한 우주 환경 검증은?

▷ 우주용 메모리에 대한 우주 환경 검증을 위해서는 인공위성이 발사체에 실려 우주궤도에 진입한 후 임무를 수행하기까지 거치게 되는 일련의 과정에 대한 영향을 지상모사 환경시험을 통해 그 성능을 검증해야 한다.

이번 연구에서는 이러한 일련의 과정을 통해 인증모델을 개발했고, 미국항공우주국(NASA)의 신뢰성 검증 규격에 준한 시험을 실시하여 그 성능을 검증했다.

또한 우주방사선 시험의 경우 유럽 우주국(ESA, European Space Agency)의 총방사선 효과와 단일사건 효과 시험 규격에 준하여 한국원자력연구원의 저준위 감마선(Co-60) 조사시설과 미국 텍사스 A&M 대학교의 K500 가속기를 이용하여 각각 수행했다.

발사 이후에는 실제 우주환경에 노출되어 우주 방사선 및 종합적인 우주환경 영향 분석의 알고리즘에 준해 시험을 수행하고 그 과정에서 획득된 원격측정 자료 분석을 통해 우주 검증을 수행할 계획이다.

- 마지막으로 하고 싶은 말은?

▷ 이번 연구개발의 성과는 베어 칩에서부터 최종 개발품의 설계, 제작, 검증 등 전 과정이 국내 기술로 개발되어 우주용 메모리 모듈 국산화의 가능성을 높였다.

따라서 ‘차세대 소형위성 1호’를 통한 우주 검증이 완료되면 우주용 대용량 SDRAM 모듈에 대한 수입 대체와 새로운 해외 시장 창출, 위성 개발비용 절감 등의 가능성을 확인하는 계기가 될 것이다.
 


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