인공위성과 같은 우주제품은 우주공간에서 정비를 통해 교체할 수 없기 때문에 고품질, 고신뢰성의 부품 품질이 요구됩니다. 우주용으로 사용되는 부품은 위성체 발사 시의 충격 및 가속도 뿐만 아니라 하루에도 수백도의 온도차가 발생하는 온도 환경, 대기가 없는 진공 환경, 전자부품 고장을 유발하는 우주 방사선 환경, 원자 산소에 의한 표면 부식, 충전입자에 의한 영향 등과 같은 여러 종류의 극한 환경을 견딜 수 있어야 합니다.

상용부품의 우주응용시 환경 영향 요소

Traditional Space 같이 전통적인 우주제품 개발에서는 저궤도에서 정지궤도, 심우주에 이르기까지 최소 5년에서 최대 15년 이상의 오랜 시간동안 임무를 수행하는 위성을 제작해야 하기 때문에 고신뢰성의 부품을 사용합니다. 위성개발 비용의 50% 이상을 차지하는 고품질 및 고신뢰성 부품의 사용은 부품 평가, 선정, 스크리닝 및 LOT별 인증시험(LAT), DPA 후 적용에 이르기까지 장기간의 납품, 시험과 고비용이 소요됩니다.

스크리닝은 초기 단계의 운용 환경에서 실패할 수 있는 부품을 식별하여 제거하는 목적의 시험으로, 이 시험은 부품의 신뢰도를 증진시키는 것이 아니라 약점 또는 결함을 가지는 부품을 제거하여 특정 수준의 품질을 획득하도록 하는 것입니다. 생산된 모든 부품에 대해 제조사가 부품레벨의 온도 또는 진동 시험 등을 수행합니다.

LAT(QCI: 주로 미국 군 규격서(MIL-SPEC) 및 표준서(MIL-STD)에서 사용하는 용어)는 제조사가 아닌 사용자 측면에서 제작 Lot 부품의 환경, 기계적 조립 및 내구성에 대한 신뢰성 보증을 제공하기 위해 수행하는 인증시험입니다.

부품 인증시험은 통상적으로 전기적 시험(Electrical Measurement), 기계적 시험(Burn-in Test, Bond Pull Test, Die Shear Test, Terminal Strength, Solderability 등), 환경시험(Random Vibration, Shock, Thermal Cycling, Thermal Vacuum) 및 내구성 시험(Life Test) 등으로 구성된 샘플링 시험입니다.

DPA(Destructive Physical Analysis)는 생산된 Lot의 품질을 검증하기 위해 부품 내부의 잠재적 결함을 찾는 파괴검사입니다.

부품의 수명시간에 따른 고장률을 나타내는 BATHTUB 곡선

미국에서 2012년 스페이스X의 발사체 재사용 기술을 개발한 이후 발사 비용이 낮아지고 저가 소형위성의 대량생산이 가능해짐에 따라 대기업과 스타트업 등 민간기업들이 우주시장에 대거 진입하면서 민간 주도의 New Space 산업이 시작되었습니다.

New Space에서는 저궤도(LEO)에서 최소 수백 개~ 수만 개까지 군집 위성군(Satellite Constallation) 형태로 운용하기 때문에 임무기간 2~3년의 짧은 교체 주기를 감안해 대량 생산으로 지속적인 적시 교체를 수행해야 합니다.

현재는 민간 주도의 New Space 산업 활성화와 함께 고집적화, 고성능 부품 사용 및 저비용의 양산 단가 같은 가격 경쟁력 확보를 위해 상용부품(COTS)을 위성에 사용하는 것이 대세로 자리잡았습니다. 따라서 낮은 신뢰성 및 저비용의 상용부품 같은 비표준부품을 Class 1~3 위성에 적용하기 위해서는 우주급 부품과 동등한 품질과 신뢰성을 확보할 수 있는 업스크리닝 시험을 수행합니다.

일반적으로 소형위성은 임무기간 3년으로 저궤도에서 운용되므로 Class 3의 부품 품질 수준을 요구하고 있고, 큐브위성(CuveSat)은 보통 임무기간 1년 이내로 상용부품을 업스크리닝 없이 그대로 사용할 수 있습니다.

TRADITIONAL SPACE VS. NEW SPACE 비교

NASA Standard에 따라 상용부품(COTS Parts)을 정의하면, 제조사가 상업 목적으로 자체적인 부품 품질 수준을 가지고 개발 및 시험을 통해 생산해 판매하는 모든 부품을 말합니다. 제조사 스스로가 정한 부품 개발 규격과 시험 수준에 의거해 부품을 출하하며, 사용자는 제품 카탈로그에서 원하는 부품을 선택, 구매하여 사용할 수 있습니다.

이에 반해 MIL 규격 부품 또는 Space 규격 부품은 NASA, ESA 등과 같은 외부 조직이나 기관에서 정해진 개발 규격에 따라 인증받은 시설에서 인증된 작업자가 인증된 공정을 통해 엄격한 품질관리 하에 생산하는 부품입니다. 따라서 이러한 부품은 높은 수준의 스크리닝과 인증시험을 통과해야만 사용할 수 있기 때문에 고품질, 고비용, 긴 납기의 특징을 갖고 있습니다.

부품을 품질 수준으로 분류하면 Industrial 부품(이하 IND), 자동차용 반도체 부품(이하 AEC-Q Parts), 우주 상용품(이하 Space_COTS), Mil grade 부품(이하 MIL Parts), Space grade 부품(이하 Space Parts)으로 구분할 수 있습니다. 상용부품(COTS)의 정의에 따라 분류하면 IND, Space_COTS가 대표적인 상용부품입니다.

특히 Space_COTS는 QML 제작사가 자체 스크리닝 기준에 의해 우주급 1/2/3 수준의 부품을 제작, 생산하며 방사능 데이터를 보유하고 있습니다. 따라서 Space_COTS는 제조사에 의해 부품 수준의 신뢰성, 방사능 특성화, 추적성이 모두 유지 관리되는 고신뢰성의 부품으로 분류할 수 있습니다. 이는 Space grade 표준을 완전하게 충족하지는 못하지만 테일러링된 규격을 적용함으로써, Space grade와 유사한 수준의 일부 완화된 규격과 일부 생략된 인증시험, 내방사선성을 갖추기에 가능한 것입니다.

AEC-Q Parts는 자동차 반도체 산업협회의 규격에 의해 엄격한 인증시험을 거쳐 제작되므로 엄밀히 말하면 상용부품에 해당하지 않지만, 현재는 제조사가 고객(자동차 회사)의 요구 사항에 따라서 테일러링된 규격으로도 제작하기 때문에 상용부품에 포함시키고 있습니다.

MIL Parts, Space Parts는 우주용으로 사용하기 적합한 고품질의 부품입니다. 예를 들면, MIL Parts는 MIL-STD-883에 따라 각각 우주급 Level 2 및 Level 1으로 업스크리닝한 QMLV, QMLV-RHA, QMLQ 부품이 있으며, QMLV-RHA 부품은 방사선 시험을 통해 내방사선을 충족하는 부품입니다.
또한 AEC-Q Parts와 Space_COTS 부품도 고신뢰성 상용부품으로 볼 수 있어서, 소형위성에 사용하기 적합하다고 할 수 있습니다.

상용부품의 우주 응용 기술은 현재 세계 주요 기관과 해외 위성 제작업체에서 산업 보안으로 취급하고 있는 핵심 기술입니다. 이들 기관은 지난 20여 년 동안 저궤도 소형군집위성개발 및 부품의 우주 인증을 위한 위성개발 및 운용을 통해 COTS 부품에 대해 상당한 데이터베이스를 구축하고 있습니다.

예를 들면, 3년 이상 임무 수명의 저궤도 소형군집위성 개발에서 상용부품의 품질 확보를 위한 스크리닝, 인증시험(LAT) 및 평가시험에 대한 테일러링, 우주방사선 분석을 통한 내방사선 검증, 순수 주석 Whisker 생성으로 인한 단락 고장 방지 방안 등에 대한 데이터베이스가 구축되어 있습니다.

미국의 NASA, 유럽의 ESA, 일본의 JAXA 등은 상용부품 사용을 위한 규격서와 표준서를 이미 정립했고, 주요 위성제작업체(Airbus D&S, Thales Alenia Space 등)는 자체 상용부품 가이드라인 및 표준서를 수립하여 저궤도의 군집위성 개발에 활용하고 있습니다. 국내에서는 아직까지 우주 적용을 위한 상용부품의 선정, 스크리닝, 인증 및 사용에 대한 가이드라인이 마련되어 있지 않아서 3년 이상의 임무수명을 요구하는 소형군집위성 개발사업 등에 어려움이 따르고 있습니다.

NASA의 기존 표준 문서 EEE-INST-002에서는 Level 3의 부품 품질을 갖춘 경우 임무기간 1~2년, Level 2의 경우 임무기간 1~5년까지의 위성에 사용하도록 명시하고 있습니다. 이후 개정되는 NASA -STD-8739.11(EEE-INST-002의 후속) 문서에서는 Level 3의 경우 임무기간 1~3년 위성에 최소의 스크리닝을 포함하나 일반적으로 LAT를 부과하지는 않고 사용할 수 있다고 명시하고 있습니다. 통상 Level 3 위성에 사용되는 부품은 제작업체 및 부품의 이전 사용 사례에 대한 목적 달성을 위해 저렴한 시험인 DPA(Destructive Physical Analysis)에 크게 의존합니다. 또한, Space Plastic Package 제품을 QML-P라는 표준으로 정의하고 있습니다.

NASA에서 명시된 부품 품질 요구 수준

ESA에서는 상용부품 사용에 있어 좀 더 유연한 기준인 ECSS-Q-ST-60-13C를 통해 부품 개발 규격에 대한 평가(Evaluation), 스크리닝(Screening), 인증(LAT)의 업스크리닝 검사 및 시험을 거쳐 상용부품을 Class 1~3 위성에 사용할 수 있도록 허용하고 있습니다. 구체적으로 AEC-Q Parts와 그렇지 않은 IND 사용부품으로 나누어, Class 별로 요구되는 Evaluation/Screening/LAT 시험 항목을 제시하고 있습니다.

ESA에서 명시된 상용부품 품질 요구 수준

NASA와 ESA 모두, AEC-Q급 동등 또는 이상의 부품 사용을 권장하고 있으며, 부품 선정 시 생산 품질수준이 높은 제조사 부품 선정을 중요하게 보고 있습니다. AEC-Q Parts의 경우 인간 생명과 직결되는 자동차에 사용하기 때문에 엄격한 고신뢰성 부품으로 제작/시험/생산 관리되어 최소 10년 이상의 부품 수명을 보장하고 있습니다. AEC-Q Parts 적용시 우주 온도환경을 고려하여 온도 등급 0 (-40~150도)또는 등급 1(-40~125도)의 부품 사용을 권장하고 있습니다.

AEC-Q PARTS 규격 및 온도 등급

모든 AEC-Q Parts는 다음 그림과 같은 내구성 시험을 포함한 충분한 초기 인증시험을 제공하기 때문에 추가의 LAT는 불필요합니다. 다만, 설계, 재료, 구조, 작업성(Workmanship) 등에 대한 검증을 위해 추가적으로 CA(Construction Analysis; QML 급의 DPA에 해당) 시험 및 검수(Inspection)는 반드시 요구됩니다.

AEC-Q PARTS의 인증시험

이외 상용부품은 제조업체 및 부품의 유형에 따라 높은 수준의 인증시험(내구성 시험 포함)을 수행한 부품도 있고, 낮은 수준의 인증시험을 수행한 부품도 존재합니다. 따라서 사용자 입장에서 제조업체의 인증시험 데이터를 검토하여 추가적으로 수명시험과 같은 LAT가 요구되는지 확인해야 합니다.

RF와 관련한 대부분의 MMIC 부품은 Industrial COTS만 가용하며, 우주 적용을 위해서는 Complete LAT에 해당하는 인증시험이 요구됩니다. 하지만, ECSS-Q-ST-60-13C 및 EEE-INST-002 문서에서는 Class 3 적용을 위해 1,000시간의 수명시험만을 권장하고 있습니다. 모든 상용부품은 개별 부품 별로 어떠한 인증시험이 수행되었는지 제조업체 데이터를 조사 및 분석하여 최소의 비용, 일정 및 리스크를 감안한 LAT 시험 항목 및 시험 방법, 시험 조건 등을 결정할 필요가 있습니다. 제조업체로부터 부품시험 관련 데이터 확보를 통해 추가 시험 및 시험 항목 등을 결정하는 것이 필요합니다.

참고로 IND 상용부품에 요구되는 Complete LAT의 주요 시험은 다음과 같습니다.

• Construction Analysis (5 Parts)
• Shock/Vibration/Acceleration Test
• Pre-Conditioning + 96hrs HAST
• 1,000hrs Life Test
• C-SAM
• Thermal Cycle Test
• Seal Test

모든 상용부품은 기본적으로 우주 인증(Space Qualification)과 표준화가 되어 있지 않아 사용자에 의한 추가의 CA(Construction Analysis)가 요구됩니다. CA수행은 생산 LOT의 품질 관리 일환이며, 내부 구조를 알 수 없는 상용부품에 대해 5개의 샘플을 가지고 부품 제작 공정상 결함, 일솜씨, 재료 특성, 복제품 등을 시험하여 분석하는 것입니다. ECSS Standard에서는 CA를 부품의 종류 및 특성과 구조에 따라 시험 항목 및 시험 조건을 다르게 적용하도록 규정하고 있습니다.

CONSTRUCTION ANALYSIS TEST 항목: ECSS-Q-ST-60-13C

이외에 상용부품의 소형위성 적용시 추가로 고려해야 할 주요 사항은 다음과 같습니다.

• 상용부품의 리드는 순수주석(Pure Tin)으로 처리되어 있기 때문에, 우주공간에서 주석표면에 수염모양의 금속단결정(Whisker)이 성장하여 전기적인 단락을 일으키는 문제가 발생하고 이에 대한 대책으로 페릴렌/우레탄/아크릴 코팅과 같은 컨포멀코팅(Conformal Hard Coating) 적용

• 부품의 최대 동작 특성 값을 NASA 또는 ESA 표준에 의거하여 낮추어 동작하도록 Derating 룰을 적용하여 부품 설계 마진 확보
• 우주방사선에 의해 치명적인 Hard Errors를 일으키는 TID(Total Ionizing Dose), SEL(Single Event Latch-up)에 대한 내방사선성 검증 필요

- TID 불만족 부품은 임무기간 및 임무 궤도에서의 방사선 시뮬레이션 분석으로 박스레벨에서의 알루미늄 하우징 차폐(Shielding) 설계 보완
- SEL 민감 부품은 부품 레벨에서 내방사선성 데이터를 확보하여 부족 부품에 대한 보호회로 적용
- SEU 민감 부품은 SEU mitigation을 위한 설계 기법(EDAC, Scrubbing) 적용
- Lot to Lot Variation에 대한 Traceability 관리 수행(부품 제조사의 Wafer FAB, Assembly, Test)

우주방사선에 의한 전자부품 고장 분류

• Plastic 패키지에 대한 습기 차단 관리
• 상용부품의 프로그램 사용 승인을 얻기 위한 JD(Justification Document) 작성 필요

일반적인 IND 상용부품은 제조업체에서 스크리닝이 제공되지 않기 때문에, 사용자가 구매 후 요구되는 수준에 맞추어 스크리닝 시험 및 검수를 수행해야 합니다. Screening 시험 없는 상용부품에 대하여 또다른 대책으로 보드 레벨에서의 Burn-In 및 열주기 시험을 통해 부품 운용시 초기 결함부품을 제거할 수 있습니다.

ECSS -Q-ST-60-13C 문서에서는 Class 3 동등 부품을 위해 AEC-Q 부품의 경우 스크리닝을 요구하지 않고 있으나, 유럽 위성제조업체에서는 Class 3 품질 및 신뢰성을 위해 부품 수준이 아닌 보드(Board) 또는 구성품(Equipment) 수준의 스크리닝 시험을 수행합니다. 이를 통해 발사 후 초기운용 중 발생할 수 있는 운용 초기의 부품 결함(Infant Mortality)과 부적합성(Non-Conformities)을 사전에 제거합니다.

THALES ALENIA SPACE의 상용부품 적용을 위한 EQUIPMENT 레벨 스크리닝

상용부품이 선정되고 각 부품의 인증상태를 검토하여 인증이 완료된 부품의 경우에는 추가의 스크리닝과 인증시험(LAT) 없이 부품을 사용합니다. 부품의 인증이 완료되지 않은 경우에는 JD(Justification Document)를 준비하여 프로그램에서 품질과 신뢰성 데이터가 허용할 수 있는 수준인지 확인하고, 승인 시에는 추가의 스크리닝과 인증시험(LAT) 없이 부품을 사용합니다. 만일 허용할 수 없는 수준일 경우에는 인증시험(LAT) 수행 후에 부품을 공급하고 이를 이용하여 구성품을 제작합니다.

전술한 바와 같이 소형 위성사업 특성상 단기간의 저비용 개발 및 군집위성을 위한 대량 생산 등을 고려해보면 상용부품의 사용은 필수적입니다. 현재 우주 응용을 위한 상용부품의 품질 및 신뢰성 확보를 위해 LIG넥스원 상용부품 가이드라인을 개발하고 있습니다. 상용부품을 사용하기 위한 부품의 선정, 공급, 인증 및 관리와 관련된 경험과 상용부품에 대한 PMPCB(Parts, Materials and Process Control Board) 승인을 위해 JD(Justification Document)를 작성/검토하면서 지속적인 기술 경험 데이터가 축적되면 해외 선진 위성업체와의 격차를 줄일 수 있는 LIG넥스원 고유의 위성개발 자산이 될 것입니다.

글. 조성민(LIG넥스원 위성체계연구소 수석연구원)