반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 데이비드 파이크(David Pike), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

(출처: Artsiom P - stock.adobe.com)

우주 탐사를 생각할 때, 우리의 관심은 종종 거대한 로켓, 정교한 우주선, 그리고 지구로 보내오는 매혹적인 이미지들에 집중된다. 하지만 이러한 노력에서 주목받지 못하는 숨은 영웅들은 이러한 복잡한 시스템의 모든 부분이 효과적으로 통신할 수 있도록 보장하는 중요한 부품들이다. 이러한 통신을 가능하게 하는 가장 중요한 부품 중 하나가 바로 커넥터이다. 

아르테미스 프로그램의 기념비적인 달 탐사부터 제임스 웹 우주 망원경의 혁신적인 통찰에 이르기까지, 이러한 임무의 성공은 단순한 대규모 공학적 성과뿐만 아니라 커넥터의 신뢰성과 성능에도 달려 있다. 이러한 보편적인(Ubiquitous, 시공간의 제약 없이 모든 것이 가능한-유비쿼터스) 부품들은 우주의 극한 조건에 직면하며, 발사의 가혹한 과정에서부터 우주의 혹독한 환경에 이르기까지의 모든 단계에서 중추적인 역할을 한다.

우주 탐사의 확장

정부 기관과 민간 벤처기업 모두에 의해 우주 탐사는 점점 더 활발해지고 있으며, 관련 뉴스도 자주 등장하고 있다. 최근 우주 역사에서 가장 광범위한 프로그램 중 하나는 아르테미스 프로그램으로, 인간이 달로 돌아오는 것을 볼 수 있다. 우주 발사 시스템(SLS)은 2022년 12월에 첫 번째 성공적인 시험 임무를 완료했으며, 이 프로그램의 가장 중요한 구성 요소 중 하나를 형성한다. 그러나 달로 돌아오는 우리의 최신 단계만이 우주에서 진행중인 흥미로운 이니셔티브는 아니다. 

이러한 대형 이벤트들은 대중의 상상력을 사로잡기는 하지만, 이것은 전체 우주 탐사의 작은 일부에 불과하다. 우주 탐사 및 우주 활용은 이제 일상적인 활동이 되었다. 2023년 한 해 동안에는 200건 이상의 우주 발사(참고자료 1)가 이루어졌으며, 과학 임무 및 위성들이 지구 궤도와 그 너머로 보내졌다.

우주의 극한 환경

우주 비행은 점점 더 일반화되고 있지만, 이러한 시스템이 작동해야 하는 환경은 그 어떤 것과도 다르다. 우주는 아마도 공학적으로 알려진 가장 혹독한 환경일 것이다. 우주 비행에 사용되는 모든 장비는 높은 온도와 낮은 온도의 극단적인 변화, 강렬한 방사선, 발사 과정에서의 극심한 충격, 그리고 우주의 진공 상태에 이르기까지 다양한 극한 환경에 노출된다.

우주에 대기가 부족하다는 것은 정말로 용서할 수 없는 극한의 가혹한 환경인 것이다. 지구에서의 대기는 압력을 제공하고, 열을 차단하며, 해로운 방사선으로부터 안전을 보장하는 보호 담요와 같은 것이다. 그러나 우주에서는 이러한 보호가 완전히 제거되어 장비가 손상될 위험에 노출된다

대기의 보호가 없는 상태에서, 우주 공간에 있는 물체는 태양 방사선을 직접적으로 받게 된다. 장비가 태양광에 직접 노출될 경우에는 온도가 위험한 수준까지 빠르게 상승할 수 있다. 반면, 우주선의 그림자에 가려진 부분은 매우 차갑다. 이러한 극단적인 온도 차이(참고자료 2)는 우주선에 사용될 재료를 선택할 때 반드시 고려해야 한다. 또한, 은하 우주선(Cosmic rays)을 포함한 기타 방사선원은 높은 이온화 능력을 가지고 있어, 정밀한 기기나 첨단 전자 회로에 손상을 줄 수 있다.

우주 비행에 적합한 재료 선택 

대기압이 없는 환경에서는 재료가 독특한 방식으로 반응하게 된다. 우주 비행에 사용되는 부품들은 성능에 영향을 미치는 다양한 문제에 직면할 수 있다. 가스 방출(outgassing) 현상은 특정 물질 내부에 갇혀 있던 가스가 방출되는 현상을 의미한다. 

이는 특히 플라스틱이 우주 공간의 진공 환경에 노출될 때 흔히 발생하는 문제이지만, 플라스틱에만 국한되는 것은 아니다. 아연과 카드뮴과 같은 일부 금속은 진공 상태에서 승화(sublimation)되기 쉬우며, 이 두 금속은 기존 장비 설계에서 흔히 사용된다. 

두 경우 모두, 방출된 가스는 장비에 손상을 일으킬 수 있다. 가스가 과학 장비의 광학 장치나 센서와 같은 차가운 표면에 응축될 경우, 성능이 저하되거나 심지어 기능을 완전히 상실하여 전체 임무가 위험에 처할 수 있다. NASA(미항공우주국)와 유럽우주국(ESA)은 우주 응용분야에 사용되는 재료의 가스 방출 허용량에 대한 권고 기준을 제시하고 있으며, 이러한 권고 기준은 우주 비행용 부품을 선택할 때 중요한 역할을 한다.

또한, 위성, 탐사선, 우주선을 궤도에 발사할 때 가해지는 가속과 진동은 부품에 손상을 줄 수 있으며, 이러한 손상은 몇 달 또는 몇 년이 지나도록 발견되지 않을 수도 있기에 우주에서 사용되는 부품들은 기계적으로도 매우 견고해야 한다. 따라서, 플라스틱 부품은 진공 상태에서도 높은 안정성을 유지할 수 있는 재료를 사용하여 제조되어야 한다.

이러한 까다로운 조건들에 대한 솔루션을 제공하려면, 우주 비행용으로 설계된 커넥터는 업계에서 가장 발전된 기술이 적용된 제품이어야 한다. 엄격한 표준에 따라 제조되고, 진공 환경에서도 성능을 입증하기 위해 테스트된 커넥터들만이 고신뢰성 커넥터의 정의라고 할 수 있다.

최상의 내구성을 위한 설계

만일 우주 비행 환경이 충분히 도전적인 요소를 갖추고 있지 않다고 해도, 우주 비행 설계를 더욱 어렵게 만드는 또 하나의 요인이 있다. 바로 내구성이다. 우주 임무는 상업적 목적이든 과학적 목적이든 수년간 지속될 수 있다. 

만약 장비의 일부가 고장 난다면, 이를 수리하기 위해 접근하는 것은 사실상 불가능하다. 이러한 상황에서, 설계자와 엔지니어들은 아무리 작은 부품이라도 그 장비를 구성하는 각 구성 요소(부품)의 신뢰성에 의존할 수밖에 없다.

내구성은 또한 전력 계획에서도 중요한 역할을 한다. 장거리 탐사선은 엄격한 전력 예산 내에서 작동해야 하며, 불필요한 전기 저항을 유발하는 어떠한 부품이라도 있으면 전체 임무가 위험에 처할 수 있다. 우주에서의 응용을 위해 설계된 커넥터의 전기 단자는 고성능 재료로 제작되며, 두꺼운 금 코팅이 적용되어 전기 저항을 최소화함으로써 전력 손실을 줄인다.

전기 저항이 낮은 접촉점은 전력 계획 외에도 추가적인 이점을 제공한다. 우주 탐사선의 기기들은 매우 정밀한 측정을 수행하며, 이러한 센서들로부터 생성되는 전류는 극히 작을 수 있다. 이러한 극소량의 전류를 정확하게 감지하기 위해서는 접점 저항이 낮아야 신호 감지 가능성을 극대화할 수 있다.

내구성을 염두에 두고, 우주 비행 응용을 위해 설계된 커넥터는 간섭을 줄여 최상의 성능을 제공하는 소재를 사용한다. 제조업체들은 정밀 과학 실험에 대한 간섭을 방지하기 위해 모든 구성 요소의 자기 서명(Magnetic signature, 자기 신호:고유한 자기장 패턴)을 최소화해야 한다. 

또한 커넥터 쉘은 전자기 간섭(EMI)으로부터 보호한다. 우주의 진공을 통과해야 하는 탐사선은 태양 방사선(Solar Radiation) 으로부터 보호되지 않아서 과학적 관측을 방해하고 민감한 기기를 손상시킬 수 있다. 이것이 바로 우주 비행용 커넥터 쉘이 도금되어 이러한 상황에서 EMI에 대해 가능한 최상의 보호를 제공하는 또 다른 이유이다. 

중요 임무를 위한 커넥터 엔지니어링

커넥터는 우주 비행 응용 분야에서 자주 간과되는 역할을 한다. 우주선은 일반적으로 발사 전에 조립되는 여러 개의 서브 어셈블리로 제조된다. 커넥터는 발사 전 광범위한 테스트 기간 동안 각 시스템과 우주의 까다로운 조건 사이에 중요한 인터페이스를 제공한다. 

우주 비행용 커넥터는 상호 연결 산업에서 가장 엄격한 표준에 따라 설계되었으며, 그 결과 현재 사용 가능한 가장 유능한 제품 중 일부를 대표하고 있다.

참고자료

1. Space Foundation Editorial Team. The Space Report 2023 Q4 Shows Record Number of Launches for Third Year in a Row, Technological Firsts, and Heightened Focus on Policy, January 23, 2024. https://www.spacefoundation.org/2024/01/23/the-space-report-2023-q4/.

2. Barnett, Amanda. Temperatures Across Our Solar System, November 16, 2023. https://science.nasa.gov/solar-system/temperatures-across-our-solar-system/

  저자 소개

  데이비드 파이크(David Pike)는 인터커넥트(Interconnect) 업계에서 

  그의 열정과 전반적인 공학적 지식으로 널리 인정받고 있다. 

  그의 온라인 닉네임은 ‘커넥터 긱(Connector Geek)’이다.