기술기고문
우주용 제품의 새 시대 개막: 복사 내성 충족하는 상용 우주 용품 공급
글 : T.J. 퓨레(T.J. Fure), 가비노 알론소(Gabino Alonso) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc).
기술의 발전에 힘 입어 최근에는 우주 사업 분야에 진출하는 기업들이 크게 늘어났다. 이 시장은 과거에는 주로 이름 있는 방산 기업들이나 정부 기관들의 차지였으나, 갈수록 더 많은 민간 기업들이 지상에서 벗어나서 자신들의 사업 지평을 넓히고 있다. 이러한 변화 추세에 따라 최근에는 우주용 제품과 관련해서 미래에 우주선의 크기와 성능에 지대한 영향을 미칠 만한 기술들이 활발하게 개발되고 있다.
유수의 민간 기업들이 우주 기술에 막대한 투자를 하고 있다는 뉴스 보도가 이어지고 있다. 새로운 우주선 발사 기술들이 개발됨에 따라서 발사 비용은 어느 때보다 낮아지고 있다. 지구 상에서 서로 떨어져 있는 사람들을 연결하기 위한 저궤도(low Earth orbit, LEO) 위성 발사에 10억 달러 가까운 투자가 이루어지고 있다. 인터넷 연결성을 향상하기 위한 고고도 무인 항공기(unmanned aerial vehicles, UAV)를 들 수 있다. 이러한 개발을 위해서는 목적에 맞게 더 작고 가벼운 플랫폼을 구축하기 위한 고집적 부품들이 필요하다.
우주용 제품에 대한 혁신 요구가 확실히 더 높아지고 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 오래 전부터 우주 분야용으로 우주 복사로 인한 손상을 견디면서 최고의 품질, 신뢰성, 견고성을 달성하는 제품을 제공해 왔다. ADI의 우주용 제품은 100킬로래드(krad) 이상을 견딜 수 있어 혹독한 궤도 환경에서 사용하기 적합한 것으로 잘 알려져 있다.
ADI는 상용 분야의 고객들이 더 작고 더 효율적인 시스템을 설계할 수 있도록 계속해서 새로운 IC들을 개발하고 있다. 하지만 이것을 우주용 제품으로 전환하기 위해서는 일이 복잡하고 시간이 많이 걸린다. 새로 개발되는 대부분의 IC들은 BiCMOS 공정을 기반으로 한다. 이 공정 기술은 바이폴라 기술과 CMOS 기술의 장점을 결합한 것이다. 하지만 복사 내성과 관련해서, 이러한 BiCMOS 디바이스에 대해 특성 분석을 하고 총 이온화 선량(total ionizing dose, TID)과 단일 사건 효과(single event effects, SEE) 같은 현상들을 완화해야 하는데, 그러려면 지금과 같이 치열한 경쟁 시대에 새로운 제품을 개발하기 위한 개발 일정이 길어진다.
제품 개발과 관련해서 또 다른 중요한 요소는 패키징이다. 많은 신제품들이 상업용 IC의 성능을 향상하기 위해 고유의 패키징을 사용해서 설계되고 있다. 많은 경우에는 상업용 제품을 우주용으로 전환하기가 현실적으로 불가능할 수 있다. 이러한 이유들 중 하나는 기존의 밀봉되지 않은 패키지 때문이다. 우주용으로 전환하기 위해서는, 추가적인 기생 효과에 대처하기 위해서 전혀 새로운 밀봉 패키지를 개발하고, 상당한 비용을 들여서 패키지 이후의 트림을 다시 개발하거나, 매우 복잡한 새로운 테스트 시스템과 핸들러를 새로 구매해야 한다. 어떤 이슈이든 간에, 우리는 이전에는 막대한 비용 부담 때문에 우주 용품으로 전환할 기회가 없었던 기존 상용 제품들을 제공한다.
그림 1: PEM을 사용한 초소형 위성 플랫폼
다행히 보다 진화한 제품을 더 빠르게 개발할 수 있도록 몇 가지 변화가 일어나고 있다. 첫째, LEO의 TID 요건이 기존 궤도에 비해 낮아졌다. 따라서 30krad ~ 50krad까지 견디면 된다. 둘째, 우주에서 비행 PEM(plastic encapsulated module)을 사용할 수 있는 기반이 넓어졌다. 이는 얼마 전만 하더라도 EEE 부품 매니저나 엔지니어들로부터 차갑게 외면 받았던 개념이다. 쉽지 않은 일이지만 제대로 해내기만 하고 또 우주 분야 종사자들에게 수용되기만 한다면 우주선의 성능을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 크기, 무게, 전력(SWaP)를 낮출 수 있도록 새로운 문을 열 것이다.
이것이 성공하려면 우주용으로 요건을 충족하고 최대의 품질과 신뢰성을 달성하는 PEM을 제공해야 한다. 세계 여러 나라의 우주 기관에서는 오래 전부터 우주용으로 적합한지를 확인하기 위해서 PEM의 후처리에 대한 요건을 정해 두었다. 우주 업계 종사자들은 근본적인 위험성과 프로세스 불확실성 때문에 PEM 사용을 거부해 왔다. 이와 관련된 문제들로는 로트 추적가능성, 복사 테스트 결과의 유효성, 테스트 프로그램 상관성, 업체 보증과 지원 미비를 들 수 있다. 테스트에는 비용과 시간이 많이 든다. 로트 결함이 발생하면 설계자가 다른 부품을 사용해서 작업을 다시 해야 하고 차폐를 추가하거나 그 밖에 다른 완화 기법을 도입해야 한다. 그러면 비용과 무게가 늘어난다. 만약 부품 회사가 우주용 요건을 충족하는 PEM 제품을 제공한다면 이러한 위험성은 크게 낮아진다. 뿐만 아니라 개발 일정도 크게 단축할 수 있다.
이러한 요건들을 충족하기 위해, 아나로그디바이스는 새로운 민간 우주용 제품 라인을 출시한다. 이 제품 라인은 위성 수량에 따라서 고객의 서로 다른 요구를 충족하도록 3가지 수준의 플로우를 제공한다. 먼저, 낮은 수준의 플로우는 우주에서 대량으로 운용하고자 하는 순수 민간 우주 고객들을 위한 것으로서 그에 적합한 복사 요건을 지원한다. 중간 수준 플로우는 낮은 수준 플로우에 추가적인 복사 테스트, 로트 검사를 제공한다. 이 플로우는 대다수 민간 우주 고객들의 요구 사항들을 충족할 것이다.
높은 수준의 플로우는 향상된 품질 및 신뢰성 검사와 복사 특성 분석 및 보장을 포함한다. 여기에는 TID 및 SEE에 대한 복사 특성 분석과 TID에 대한 로트 검사를 포함한다. 필요한 작업이 워낙 방대하므로 유닛 가격에는 이러한 점이 반영될 수밖에 없다. 하지만 기존 우주용 제품과 비교하면 성능상 유리하고 SWaP을 낮출 뿐만 아니라 품질과 복사 내성을 달성하기 때문에 그만한 비용을 들일 만한 가치가 있으며 미래의 우주선에 어느 때보다 낮은 비용으로 더 높은 성능을 달성할 수 있다.
모든 임무에 PEM 제품을 사용할 수는 없을 것이다. ADI는 앞으로도 밀봉 패키지를 적용한 첨단 제품을 계속해서 늘려갈 것이다. 미래의 우주선에 필요로 하는 제품을 개발하기 위해서 지속적으로 고객들의 의견에 귀를 기울일 것이다. 고객이 실제 제작한 우주선에서 어떤 ADI 제품이 SWaP 절감과 성능 향상에 크게 기여했는지 피드백을 받을 수 있다면 향후 제품 개발에 크게 도움이 될 것이다. 비록 한 개의 부품 차원에서는 적은 양이겠지만, 많은 기능들과 보호 기능, 그리고 그 밖에 다른 몇몇 기능들을 하나의 부품에 통합하고 있는 제품들이나 우주선에 여러 번 사용된다면 그러한 SWaP 절감이나 성능 향상은 결코 적지 않을 것이다. 앞으로 개발되는 ADI의 제품들 중 상당수는 이처럼 고객들의 의견을 적극 반영해서 개발될 것이다.
지금까지 언급한 제품들에 관한 자세한 정보는 analog.com/ADEF 또는 analog.com/space에서 볼 수 있다.
그림 2: ADI의 제품 라이프사이클
저자 소개
T.J. 퓨레(T.J. Fure)는 25년 이상 반도체 업계에 몸담아 왔으며 10년 넘게 군용 및 우주 시장을 담당하고 있다. 반도체 업계에 종사하면서 어셈블리, 테스트, 검사, 결함 분석, 신뢰성에 관한 전문성을 쌓고 있다. 회로 설계, 애플리케이션 엔지니어링, 영업, 마케팅 업무도 담당한 바 있으며, 현재는 미래의 우주선에서 크기, 무게, 전력을 크게 낮출 수 있는 우주용 제품 개발에 주력하고 있다. 애리조나 주립대학에서 전기공학을 전공했다. 문의: tyler.fure@analog.com
가비노 알론소(Gabino Alonso)는 Power by Linear™ 그룹의 마케팅 매니저이다. ADI 입사 전에는 리니어 테크놀로지, 텍사스 인스트루먼트, 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학, 캐브릴로 대학에서 마케팅, 엔지니어링, 운영, 교육 등 다양한 직책을 역임했다. UC 산타바바라에서 전기 컴퓨터 공학 석사학위를 취득했다. 문의: gabino.alonso@analog.com
기술의 발전에 힘 입어 최근에는 우주 사업 분야에 진출하는 기업들이 크게 늘어났다. 이 시장은 과거에는 주로 이름 있는 방산 기업들이나 정부 기관들의 차지였으나, 갈수록 더 많은 민간 기업들이 지상에서 벗어나서 자신들의 사업 지평을 넓히고 있다. 이러한 변화 추세에 따라 최근에는 우주용 제품과 관련해서 미래에 우주선의 크기와 성능에 지대한 영향을 미칠 만한 기술들이 활발하게 개발되고 있다.
유수의 민간 기업들이 우주 기술에 막대한 투자를 하고 있다는 뉴스 보도가 이어지고 있다. 새로운 우주선 발사 기술들이 개발됨에 따라서 발사 비용은 어느 때보다 낮아지고 있다. 지구 상에서 서로 떨어져 있는 사람들을 연결하기 위한 저궤도(low Earth orbit, LEO) 위성 발사에 10억 달러 가까운 투자가 이루어지고 있다. 인터넷 연결성을 향상하기 위한 고고도 무인 항공기(unmanned aerial vehicles, UAV)를 들 수 있다. 이러한 개발을 위해서는 목적에 맞게 더 작고 가벼운 플랫폼을 구축하기 위한 고집적 부품들이 필요하다.
우주용 제품에 대한 혁신 요구가 확실히 더 높아지고 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 오래 전부터 우주 분야용으로 우주 복사로 인한 손상을 견디면서 최고의 품질, 신뢰성, 견고성을 달성하는 제품을 제공해 왔다. ADI의 우주용 제품은 100킬로래드(krad) 이상을 견딜 수 있어 혹독한 궤도 환경에서 사용하기 적합한 것으로 잘 알려져 있다.
ADI는 상용 분야의 고객들이 더 작고 더 효율적인 시스템을 설계할 수 있도록 계속해서 새로운 IC들을 개발하고 있다. 하지만 이것을 우주용 제품으로 전환하기 위해서는 일이 복잡하고 시간이 많이 걸린다. 새로 개발되는 대부분의 IC들은 BiCMOS 공정을 기반으로 한다. 이 공정 기술은 바이폴라 기술과 CMOS 기술의 장점을 결합한 것이다. 하지만 복사 내성과 관련해서, 이러한 BiCMOS 디바이스에 대해 특성 분석을 하고 총 이온화 선량(total ionizing dose, TID)과 단일 사건 효과(single event effects, SEE) 같은 현상들을 완화해야 하는데, 그러려면 지금과 같이 치열한 경쟁 시대에 새로운 제품을 개발하기 위한 개발 일정이 길어진다.
제품 개발과 관련해서 또 다른 중요한 요소는 패키징이다. 많은 신제품들이 상업용 IC의 성능을 향상하기 위해 고유의 패키징을 사용해서 설계되고 있다. 많은 경우에는 상업용 제품을 우주용으로 전환하기가 현실적으로 불가능할 수 있다. 이러한 이유들 중 하나는 기존의 밀봉되지 않은 패키지 때문이다. 우주용으로 전환하기 위해서는, 추가적인 기생 효과에 대처하기 위해서 전혀 새로운 밀봉 패키지를 개발하고, 상당한 비용을 들여서 패키지 이후의 트림을 다시 개발하거나, 매우 복잡한 새로운 테스트 시스템과 핸들러를 새로 구매해야 한다. 어떤 이슈이든 간에, 우리는 이전에는 막대한 비용 부담 때문에 우주 용품으로 전환할 기회가 없었던 기존 상용 제품들을 제공한다.
그림 1: PEM을 사용한 초소형 위성 플랫폼
다행히 보다 진화한 제품을 더 빠르게 개발할 수 있도록 몇 가지 변화가 일어나고 있다. 첫째, LEO의 TID 요건이 기존 궤도에 비해 낮아졌다. 따라서 30krad ~ 50krad까지 견디면 된다. 둘째, 우주에서 비행 PEM(plastic encapsulated module)을 사용할 수 있는 기반이 넓어졌다. 이는 얼마 전만 하더라도 EEE 부품 매니저나 엔지니어들로부터 차갑게 외면 받았던 개념이다. 쉽지 않은 일이지만 제대로 해내기만 하고 또 우주 분야 종사자들에게 수용되기만 한다면 우주선의 성능을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 크기, 무게, 전력(SWaP)를 낮출 수 있도록 새로운 문을 열 것이다.
이것이 성공하려면 우주용으로 요건을 충족하고 최대의 품질과 신뢰성을 달성하는 PEM을 제공해야 한다. 세계 여러 나라의 우주 기관에서는 오래 전부터 우주용으로 적합한지를 확인하기 위해서 PEM의 후처리에 대한 요건을 정해 두었다. 우주 업계 종사자들은 근본적인 위험성과 프로세스 불확실성 때문에 PEM 사용을 거부해 왔다. 이와 관련된 문제들로는 로트 추적가능성, 복사 테스트 결과의 유효성, 테스트 프로그램 상관성, 업체 보증과 지원 미비를 들 수 있다. 테스트에는 비용과 시간이 많이 든다. 로트 결함이 발생하면 설계자가 다른 부품을 사용해서 작업을 다시 해야 하고 차폐를 추가하거나 그 밖에 다른 완화 기법을 도입해야 한다. 그러면 비용과 무게가 늘어난다. 만약 부품 회사가 우주용 요건을 충족하는 PEM 제품을 제공한다면 이러한 위험성은 크게 낮아진다. 뿐만 아니라 개발 일정도 크게 단축할 수 있다.
이러한 요건들을 충족하기 위해, 아나로그디바이스는 새로운 민간 우주용 제품 라인을 출시한다. 이 제품 라인은 위성 수량에 따라서 고객의 서로 다른 요구를 충족하도록 3가지 수준의 플로우를 제공한다. 먼저, 낮은 수준의 플로우는 우주에서 대량으로 운용하고자 하는 순수 민간 우주 고객들을 위한 것으로서 그에 적합한 복사 요건을 지원한다. 중간 수준 플로우는 낮은 수준 플로우에 추가적인 복사 테스트, 로트 검사를 제공한다. 이 플로우는 대다수 민간 우주 고객들의 요구 사항들을 충족할 것이다.
높은 수준의 플로우는 향상된 품질 및 신뢰성 검사와 복사 특성 분석 및 보장을 포함한다. 여기에는 TID 및 SEE에 대한 복사 특성 분석과 TID에 대한 로트 검사를 포함한다. 필요한 작업이 워낙 방대하므로 유닛 가격에는 이러한 점이 반영될 수밖에 없다. 하지만 기존 우주용 제품과 비교하면 성능상 유리하고 SWaP을 낮출 뿐만 아니라 품질과 복사 내성을 달성하기 때문에 그만한 비용을 들일 만한 가치가 있으며 미래의 우주선에 어느 때보다 낮은 비용으로 더 높은 성능을 달성할 수 있다.
모든 임무에 PEM 제품을 사용할 수는 없을 것이다. ADI는 앞으로도 밀봉 패키지를 적용한 첨단 제품을 계속해서 늘려갈 것이다. 미래의 우주선에 필요로 하는 제품을 개발하기 위해서 지속적으로 고객들의 의견에 귀를 기울일 것이다. 고객이 실제 제작한 우주선에서 어떤 ADI 제품이 SWaP 절감과 성능 향상에 크게 기여했는지 피드백을 받을 수 있다면 향후 제품 개발에 크게 도움이 될 것이다. 비록 한 개의 부품 차원에서는 적은 양이겠지만, 많은 기능들과 보호 기능, 그리고 그 밖에 다른 몇몇 기능들을 하나의 부품에 통합하고 있는 제품들이나 우주선에 여러 번 사용된다면 그러한 SWaP 절감이나 성능 향상은 결코 적지 않을 것이다. 앞으로 개발되는 ADI의 제품들 중 상당수는 이처럼 고객들의 의견을 적극 반영해서 개발될 것이다.
지금까지 언급한 제품들에 관한 자세한 정보는 analog.com/ADEF 또는 analog.com/space에서 볼 수 있다.
그림 2: ADI의 제품 라이프사이클
저자 소개
T.J. 퓨레(T.J. Fure)는 25년 이상 반도체 업계에 몸담아 왔으며 10년 넘게 군용 및 우주 시장을 담당하고 있다. 반도체 업계에 종사하면서 어셈블리, 테스트, 검사, 결함 분석, 신뢰성에 관한 전문성을 쌓고 있다. 회로 설계, 애플리케이션 엔지니어링, 영업, 마케팅 업무도 담당한 바 있으며, 현재는 미래의 우주선에서 크기, 무게, 전력을 크게 낮출 수 있는 우주용 제품 개발에 주력하고 있다. 애리조나 주립대학에서 전기공학을 전공했다. 문의: tyler.fure@analog.com
가비노 알론소(Gabino Alonso)는 Power by Linear™ 그룹의 마케팅 매니저이다. ADI 입사 전에는 리니어 테크놀로지, 텍사스 인스트루먼트, 캘리포니아 폴리테크닉 주립대학, 캐브릴로 대학에서 마케팅, 엔지니어링, 운영, 교육 등 다양한 직책을 역임했다. UC 산타바바라에서 전기 컴퓨터 공학 석사학위를 취득했다. 문의: gabino.alonso@analog.com
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