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[우주항공 분야에서의 전기에너지 응용 기술 ②]
우주선에서의 방전현상과 그 대책
본고에서는 우주환경에서의 방전현상의 일례로, 우주 환경하 태양전지 패널의 대전·방전 기구, 대전·방전이 우주선에 미치는 영향 및 태양전지 패널상에서의 방전 기구와 아울러 최근의 시험 결과에 대해 소개한다.
정리 편집부 인공위성 발사의 역사가 시작된 이래 50년 남짓, 당초의 위성 발사 및 운영은 국가 차원의 프로젝트였다. 과거 인류의 꿈과 동경의 대상이었던 우주 진출이 기술의 진보와 함께 하나하나 실현돼 가고 있다. 민간인 대상의 우주여행도 점점 현실화되고 있어 우주는 이제 우리에게 한층 더 친숙하게 다가오고 있다. 한편, 2010년도의 탐사기 「하야부사」의 쾌거 후 캡슐 귀환에 많은 어려움이 따랐다는 것은 주지의 사실이다. 우주 공간에는 중성분자, 하전입자, 전자파, 미소입자 등이 존재하며, 태양광, 고에너지 방사선이 쏟아진다. 이들이 우주선과 다양한 상호작용을 일으킴으로써 큰 영향을 주게 된다. 따라서 사전에 우주공간을 모의한 환경에서 다양한 검증시험을 실시하는 과정이 매우 중요하다.「하야부사」 개발 시에 이루어진 지상시험 중 하나로 우주환경을 모의한 태양전지의 방전시험이 있다. 인공위성의 동력원은 대부분 태양전지 발전이다. 태양전지의 신뢰성은 인공위성의 수명을, 발전 능력은 인공위성의 성능을 좌우한다. 그러나 우주공간에는 위험한 플라즈마가 존재하며, 방전에 의해 태양전지 발전 기능이 정지할 위험성도 있다. [그림 1]은 인공위성 보험이 적용된 사고 원인의 건수를 나타내고 있다. 이 중 가장 많이 사고가 발생하는 것은 태양전지로, 사고 원인의 약 절반을 차지하고 있다. 따라서 우주개발의 발전에 있어 가장 중요한 과제 중 하나는 태양전지의 방전에 의한 손해를 제거하는 것이다.우주환경에서 장기간 안정적으로 인공위성 탐사기를 운용하기 위해서는 궤도상에서 발생하는 대전·방전에 대한 설계 타당성 검증이 필수적이다. 우주환경 요인과의 상호작용에 따른 대전·방전현상은 우주선(탐사기, 인공위성)의 신뢰성 문제와 관련하여 큰 과제가 되고 있다. 이에 일본의 독립행정법인기관인 우주항공연구개발기구(JAXA)는 위성설계기준의 정비를 위한 작업부회(作業部會)를 설치하고 우주선 설계에 관한 기술요구 문서(통칭 우주선 설계 표준)의 재정비를 2005년도부터 실시하고 있다. 이러한 위성 설계표준 체계 정비의 일환으로, 전기계 분과회 대전·방전 워킹그룹에서는 대전(帶電)의 기초이론, 대전 방지의 개념을 포함한 표준 정비를 실시하고 있으며, 태양전지 패널의 방전시험에 관해서는 ISO화를 추진하고 있다. 그리하여 본고에서는 특히 태양전지 패널에 중점을 두어 우주환경하에서의 대전·방전 기구, 대전·방전이 우주선에 미치는 영향 및 그에 대한 시험결과를 해설한다.
우주선에서의 대전·방전 기구와 그 영향
우주환경 우주선은 고진공 등 지상과는 다른 환경하에서 방사선[전자선(Electron Beam: EB), 양성자선, γ선, X선 등], 자외선(Ultraviolet: UV), 온도 순환 등에 의해 타격을 입는다. 저(低) 지구궤도(Low Earth Orbit: LEO)의 플라즈마 밀도는 1012m-3이며, 고도 약 36000km 정지궤도(Geostationary Earth Orbit: GEO)의 플라즈마 밀도는 106m-3 정도이다. 통상 GEO에서는 플라즈마와의 상호 작용에 의한 방전 에너지는 무시할 수 있을 정도로 작다. 그러나 태양 플레어로부터 발생되는 고에너지 전자가 지자기 변동을 일으켜 서브스톰(substorm)과 정지위성이 조우하게 되는 경우가 발생한다. 서브스톰을 조우하게 될 경우, 태양전지 어레이상에서 위험한 에너지를 가진 방전이 발생하고 송전회로의 단락에 의해 전력공급이 끊기면서 위성의 기능이 정지해 전손(全損)에 이를 수도 있다.
방전발생 원리 태양전지 패널의 단면 방향에서 본 GEO에서의 방전 발생의 일례를 [그림 2]에 나타냈다. 일반적으로 태양전지 패널은 커버 유리, 폴리이미드 필름 외에는 도전성의 재질로 되어 있고 우주선의 접지 전위를 가지고 있다. 인터커넥터는 태양전지셀 사이를 연결하는 노출된 금속으로 열사이클에 의한 팽창, 수축을 흡수시키기 위해 우주공간에 노출되어 있다. 일반적인 환경에서 위성 구조체 전위 Φs와 커버 유리 전위 Φcg는 거의 0이다. 서브스톰 발생 시 고에너지 전자에 의해 2개의 전위는 급격하게 음(-)으로 빠진다([그림 2]의 ①). 그러나 이때 절연체인 커버 유리 표면에서 2차전자 방출이 발생하고([그림 2]의 ②), 양전하가 축적된다([그림 2]의 ③). 이때 태양전지 측면에는 전계 E=(Φ cg-Φ s)/d가 걸린다([그림 2]의 ④). 이 식에서 거리 d가 작을수록 전계가 강해지는 것을 알 수 있는데, 대표적인 d의 작은 부분이 커버 유리와 인터커넥터 부근이다. 이 부분이 절연체, 도체, 진공이 접하는 삼중합점(三重合點, Triple Junction)이 되어 가장 센 강전계(强電系)가 걸린다. 이 삼중합점에서 전계가 어느 일정한 역치를 초과하면 금속에서 전계 방출이 발생하여 전자가 방출된다. 이때 방출된 전자는 커버 유리 측면에 충돌하면서 상승하고, 다시 2차전자를 방출시켜 측면의 양전하 대전이 가속화된다. 이 대전에 의해 전계 강화가 가속화되면서 전자를 더욱 방출하게 된다([그림 2]의 ⑤). 측면을 치는 전자의 증가로 커버 유리 측면에 흡착되어 있던 가스도 탈착되고([그림 2]의 ⑥), 가스층 속에서 전리(電離, 이온화)가 일어나([그림 2]의 ⑦) 방전에 이르게 된다([그림 2]의 ⑧). 이때 금속에 양전하가 흘러들어 주변 커버 유리에 축적된 양전하를 거두어들인다. 이것이 방전 발생의 메커니즘이다. 
태양전지 패널의 방전시험 동향
대형 태양전지 패널의 방전시험
지상에서의 태양전지 패널 방전현상에 관한 연구는 JAXA, 규슈공업대학(九州工業大學), CNES(프랑스 국립 우주 연구소), NASA Glenn Research Center(미국) 등에서 추진되고 있다. 현재 방전 플라즈마의 전파 속도에 관해서는 일정한 결론으로 수렴되고 있으며, 초기 플라즈마의 전파 속도가 40km/s로, 점차 감속하는 것이 확인되고 있다([그림 3] 참조).그러나 방전 플라즈마의 전파 범위 및 방전전류 파형의 계측 방법에 대해서는 계속 논의가 이뤄지고 있다. 많은 연구기관에서는 지상에서의 대전·방전 시험 시 실물 크기보다 작은 쿠폰 패널을 이용하여 시험을 실시해 왔다. 쿠폰 패널로 시험을 실시할 때에는 실제 태양전지 어레이의 정전용량을 모의한 콘덴서를 외부회로에 접속할 필요가 있는데 그 용량은 각 연구기관마다 다르다. 따라서 방전의 전류파형을 정확하게 모의한 외부 시험회로로 시험을 실시하여 현실적인 평가를 실시해야 한다. 전위차가 어느 역치를 초과하면 방전이 발생하여 태양전지 패들상에서 확산된다. 이 방전은 연면 방전(플래시오버 방전)의 일종으로 간주되며, 커버 유리에 축적된 전하를 거두어들이면서 태양전지 패널상에서 전파된다. 이 방전 전류량은 방전 플라즈마의 전파 범위에서 구할 수 있다. 또 실제의 방전전류 파형을 재현하기 위해서는 방전 플라즈마의 전파 속도도 필요하다.위와 같은 이유로 최근에는 실제 크기의 태양전지 패널을 이용하여 방전 플라즈마의 특성을 알아보기 위한 시험이 실시되게 되었다. GEO 환경하에서의 모의시험의 일례를 [그림 4]에 나타냈다. 진공챔버의 크기는 직경이 2.5m이며, 깊이가 4m, 시험 중의 배압은 1×10 -4Pa에서 5×10 -5Pa 정도이다. 서브스톰이 발생했을 때의 고에너지 전자를 모의하고, 2개의 전자총에서 7keV의 가속전압으로 태양전지 패널에 전자를 조사(照射)했다. 위성 구조체 전위 V b를 6kV로 설정하고, 커버 유리 내부에는 역전위 기울기를 발생시켰다. [그림 5](a)에 플래시오버(flashover) 전류(섬락 전류)가 발생한 열(列)에서의 거리와 전하량의 관계를 나타냈다. [그림 5](b)에 각 플래시오버 방전의 최대 전파 거리와 개수의 관계를 나타냈다. 전하의 중화(中和) 거리, 즉 방전 전파 거리는 최대 3.4m였다.    
방전현상에 대한 온도의 영향 일본에서는 이미 각각의 대전 관련 물성 데이터에 대해 일부 온도변화를 고려한 측정이 이루어지고 있다. 궤도상에서의 태양전지 패널의 방전현상에 대해서도 온도에 의존할 것이라는 예상이 나오고 있다. 태양전지 패널상에서의 방전 빈도 및 역치의 온도 의존성 여부에 대해서도 논의가 시작되고 있으며, 최근 온도 의존성을 고려한 데이터 수집이 진행되고 있다. [그림 6]에 GEO 모의환경하 상온 및 저온에서의 방전 역치 차이의 유무와 LEO 모의환경하 상온, 고온(약 100℃) 및 저온(약 -100℃)에서의 쿠폰 패널상 발생 방전 빈도 차이의 유무를 시험 평가한 일례를 나타냈다. [그림 7]에 보이는 바와 같이 포화 대전 전위(방전 역치 전위)에 도달하기까지의 시간에는 차이가 있지만, 동일한 쿠폰 패널로 시험하는 동안은 저온, 상온에서의 차이는 없었다. 또한, LEO 및 GEO 모의환경에서는 온도의 저하와 함께 방전 빈도가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다([그림 8] 참조).
  
<Energy News>
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