[논문]우주 방사능에 의한 실리콘 태양 전지의 특성 변화

이재진; 곽영실; 황정아; 봉수찬; 조경석; 정성인; 김경희; 최한우; 한영환; 최용운; 성백일

doi:10.5140/jass.2008.25.4.435

우주 방사능에 의한 실리콘 태양 전지의 특성 변화
Space Radiation Effect on Si Solar Cells 원문보기

韓國宇宙科學會誌 = Journal of astronomy & space sciences, v.25 no.4, 2008년, pp.435 - 444

이재진 (한국천문연구원 태양우주환경연구그룹) , 곽영실 (한국천문연구원 태양우주환경연구그룹) , 황정아 (한국천문연구원 태양우주환경연구그룹) , 봉수찬 (한국천문연구원 태양우주환경연구그룹) , 조경석 (한국천문연구원 태양우주환경연구그룹) , 정성인 (한국과학기술원 인공위성연구센터) , 김경희 (한국과학기술원 인공위성연구센터) , 최한우 (한국지질자원연구원 지질환경재해연구부) , 한영환 (한국원자력연구원 양자광학기술개발부) , 최용운 (한국원자력연구원 양자광학기술개발부) , 성백일 ((주)세트렉아이)

초록
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우주 방사선은 인공위성의 오동작을 유발하거나 수명을 단축하는 주된 요인 중 하나다. 반 알렌벨트라고 불리는 전하를 띤 고에너지 입자들이 지구 자기장에 포획된 공간은 이 지역에서 운용되는 인공위성뿐만 아니라, 지구 자기장을 따라 저고도까지 도달하므로 저궤도 위성들에게도 위협이 된다. 2003년 발사된 과학기술위성 1호에는 자세 제어를 위해 사용된 태양 센서가 탑재되었다. 태양 센서에는 빛을 감지하기 위한 검출기로 실리콘 태양 전지가 사용되었는데, 이 태양 전지의 합선 전류가 시간이 지남에 따라 감소하는 것이 관측되었다. 이 연구에서는 이러한 태양전지의 특성 변화가 어떠한 요인에 의해 발생하는지 지상에서의 방사능 실험을 통해 밝히고자 한다. 이를 위해 과학기술위성 1호에서 사용된 것과 동일한 태양 전지에 여러 에너지 대역의 고에너지 전자와 양성자를 조사하고 이 때 변하는 합선 전류를 측정하였다. 그리고 NOAA POES위성 데이터를 이용하여 과학기술위성 1호에 피폭되었을 방사선량을 예측하였다. 연구 결과, 과학기술위성 1호에 나타난 실리콘 태양 전지의 감쇠 현상은 700keV에서 1.5MeV의 에너지를 갖는 양성자에 의한 것으로 밝혀졌다. 이 연구 결과는 우주에서 태양 전지의 수명을 예측하기 위한 자료로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

High energy charged particles are trapped by geomagnetic field in the region named Van Allen Belt. These particles can move to low altitude along magnetic field and threaten even low altitude spacecraft. Space Radiation can cause equipment failures and on occasions can even destroy operations of satellites in orbit. Sun sensors aboard Science and Technology Satellite (STSAT-l) was designed to detect sun light with silicon solar cells which performance was degraded during satellite operation. In this study, we try to identify which particle contribute to the solar cell degradation with ground based radiation facilities. We measured the short circuit current after bombarding electrons and protons on the solar cells same as STSAT-1 sun sensors. Also we estimated particle flux on the STSAT-l orbit with analyzing NOAA POES particle data. Our result clearly shows STSAT-l solar cell degradation was caused by energetic protons which energy is about 700keV to 1.5MeV. Our result can be applied to estimate solar cell conditions of other satellites.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 중 전자와 중성자는 충돌 단면적(Collision Cross Section)이 작기 때문에 양성자에 비해 태양전지에 미치는 영향이 작은 것으로 알려져 있다. 그러나 저궤도 위성의 경우, 전자는 양성자 보다 약 100배 정도 많이 위성에 충돌하기 때문에 전자에 의한 효과를 무시할 수 없을 것으로 예상하고, 고에너지 전자에 의한 태양전지의 감쇠 현상을 알아보기 위해 과학기술위성 1호에 탑재된 것과 동일한 태양전지에 전자빔을 조사하는 실험을 수행하였다. 이 실험은 한국원자력연구원의 전자빔 조사 장치를 이용하였으며 전자빔 에너지에 의한 효과를 알아보기 위해 300keV, IMeV, 2MeV의 에너지를 갖는 전자빔을 조사하였다.
이 논문에서는 과학기술위 성 1호에서 태 양 센서 (sun sensor)의 빛 검출기로 사용된 태양전지의시간에 따른 특성 변화를 분석하고, 우주 방사능의 어떠한 에너지 대역을 갖는 입자가 태양전지 성능감쇠에 크게 기여하는지 밝히고자 한다. 태양 센서는 태양전지의 합선(Short Circuit) 전류만을 측정하기 때문에 동작 원리가 간단하고 위성의 자세만 고려 해주면 우주 방사능에 의해 성능이 감쇠된 정도를 쉽게 파악할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 저궤도 위성의 경우, 전자는 양성자 보다 약 100배 정도 많이 위성에 충돌하기 때문에 전자에 의한 효과를 무시할 수 없을 것으로 예상하고, 고에너지 전자에 의한 태양전지의 감쇠 현상을 알아보기 위해 과학기술위성 1호에 탑재된 것과 동일한 태양전지에 전자빔을 조사하는 실험을 수행하였다. 이 실험은 한국원자력연구원의 전자빔 조사 장치를 이용하였으며 전자빔 에너지에 의한 효과를 알아보기 위해 300keV, IMeV, 2MeV의 에너지를 갖는 전자빔을 조사하였다. 이때 측정한 합선 전류 값의 변화를 그림 4에 나타냈었다.
2005). 이 연구는 우주 환경이 어떻게 인공위성 부품에 영향을 미치는가에 대한 연구의 일환으로 진행되었다. 우선 인공위성 부품 중 가장 중요하면서도 우주 환경 변화에 영향을 많이 받을 것으로 예상되는태양전지를 대상으로 연구를 진행하였다.
이 연구에서는 지상에서 수행한 방사능 조사 실험과 NOAA POES 위성의 데이터를 이용하여 과학기술 위성 1호 CSS에서 관측된 태양전지의 합선 전류 감소 현상을 설명하고자 하였다. 앞에서 기술한 것과 같이, 과학기술위성 1호 CSS의 합선 전류 변화를 가져온 가장 직접적인 요인은 700keV에서 1.
이번에는 과학기술위성 1호 태양전지의 감쇠 현상을 설명하기 위해 실리콘 태양전지에 양성자 빔을 조사하였다. 양성자빔 조사 실험은 한국지질자원연구원에 있는 양성자 가속기를 이용하였다.
NOAA POES 위성의 전자 검출 장치에서는 관측하지 못 했지 만, IMeV나 2MeV의 에너지를 갖는 전자들의 개수는 이 보다 훨씬 적을 것이다. 전자빔 조사 실험에서 제시되 었던 것과 같이 2MeV 의 전자가 2년 동안 1 X 1015개/ci/ 만큼 조사되어야 과학기술위성 1호 태양 센서의 성능 감쇠를 설명할 수 있는데, 관측 치는 이에 훨씬 못 미치는 결과를 제시하고 있다. 이로써 과학기술위성 1호 태양전지의 성능 감쇠 현상은 고에너지 전자가 아닌 다른 요인에 의해 설명되어져야 한다는 결론에 도달한다.

제안 방법

실리콘 태양전지에 양성자빔을 조사했을 때 합선 전류의 변화. 0.35, 0.7, 1, 1.5, 2MeV의 에너지를 갖는 양성자빔을 각각 조사한 후 합선 전류를 측정하였다.
었다. 1992년과 1993년 각각 발사된 우리별 1호와 우리별 2호에는 우주방사능에 의한 전자 소자의 특성을 파악할 수 있는 간단한 실험 장치 가 탑재되어 Single Event Upset(SEU)과 Total Dose Effect(TDE)를 관찰하는 임무를 수행하였다(Underwood et al. 1994). 이 실험을 통해 저궤도 위성의 경우 SAA 지역과 극 지역에서 SEU가 많이 발생함을 알 수 있었으며, TDE의 경우 태양 활동이활발할 경우 더 많이 Dose 효과가 나타남을 알 수 있었다.
그림 4. 실리콘 태양전지에 전자빔을 조사했을 때 합선 전류의 변화, 0.3, 1, 2MeV의 에너지를 갖는 전자빔을각각 조사한 후 합선 전류를 측정하였다.

대상 데이터

이 그래프에서 전자빔에 의한 효과로 과학기술위성 1호에 나타난 CSS 의 감쇠 현상을 설명하기 위해서는 약 2년 동안 2MeV의 전자에 1 X 1015/}|/cm² 정도 피폭되어야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 실제 과학기술위성 1호에 피폭되는 전자 량이 얼마나 되는지 알아보기 위해 과학기술위 성 1호와 비슷한 궤도에서 운용되는 미 해 양대기 청(NOAA)의 Polar Operation Environmental Satellite(POES) 위성 데이터 데이터를 이용하였다. NOAA POES 14 위성은 과학기술 위성 1호와 비슷한 극궤도를 도는 위성으로 이 위성에는 고에너지 전자와 양성자를 관측하는 실험 장치 가 탑재되어 있다.
조사하였다. 양성자빔 조사 실험은 한국지질자원연구원에 있는 양성자 가속기를 이용하였다. 전자빔 조사실험에서와 마찬가지로 여러 에너지 대역의 양성자를 조사하면서 합선 전류를 측정하였는데, 그림 6은 그 결과를 보여주고 있다.
나타낸다. 여기서 합선 전류 값은 전압으로 변환되어 표시되었으며, 데이터는 2003년 10월 1일부터 2005년 12월 31일까지의 값을 사용했다. 이들 그림에서 합선 전류의 값이 같은 날 여러 값을 갖는것은 위성의 자세가 계속 변하기 때문인더], 이들 그림에서 합선 전류의 최대 값 변화가 우주 환경의변화를 반영한다고 봐도 무방할 것이다.
이 연구는 우주 환경이 어떻게 인공위성 부품에 영향을 미치는가에 대한 연구의 일환으로 진행되었다. 우선 인공위성 부품 중 가장 중요하면서도 우주 환경 변화에 영향을 많이 받을 것으로 예상되는태양전지를 대상으로 연구를 진행하였다. 인공위성의 전력을 생산하는 태양전지의 경우, 외부에 노출되어 있기 때문에 우주 방사능에 특히 취 약한데, 태양전지의 방사능 영향은 위성의 수명을 결정하는 중요한 요인이기도 하다.

성능/효과

따라서 2004년 후 (1)반부터 나타나는 불일치는 이러한 위성 상태에 기인한 것으로 생각된다. 그럼에도 불구하고 해석 결과와 관측치가 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있으며 이를 통해 과학기술위성 1호 태양전지의 성능감쇠에 영향을 미친 주 요인은 양성자라는 결론을 내릴 수 있으며, 이때 양성자의 에너지는 700keV 에서 1.5MeV 대역이 가장 큰 기여를 하는 것으로 나타났다.
그림 4에서 보는 것과 같이 300keV의 전자빔을 조사했을 경우, 태양전지 합선 전류의 변화가 미미한 것으로 나타났지만, IMeV나 2MeV의 높은 에너지를 갖는 전자빔을 조사했을 경우, 확실한 감쇠 현상을 관찰할 수 있었다. 이 그래프에서 전자빔에 의한 효과로 과학기술위성 1호에 나타난 CSS 의 감쇠 현상을 설명하기 위해서는 약 2년 동안 2MeV의 전자에 1 X 1015/}|/cm² 정도 피폭되어야 한다는 결론을 얻을 수 있다.
그리고 그림 6에서 각 에너지에 대한 합선 전류 감소는 적어도 적은 량의 양성자 빔을 조사했을 경우, 지수 함수를 잘 따르는 것으로 나타났다. 1 년 동안 인공위성에 피폭되는 양성자의 개수는 6 X 10개/cm?로, 이 정도의 양성자 개수에 대해서는 태 양전지의 합선 전류량의 변화가 지수 함수를 잘 따름을 확인하였다. 따라서 각 #에서 EM] 해당하는 에너지 대역의 양성자에 의한 합선 전류 감소는 식 (2)로 표현될 수 있다.
관찰할 수 있었다. 이 그래프에서 전자빔에 의한 효과로 과학기술위성 1호에 나타난 CSS 의 감쇠 현상을 설명하기 위해서는 약 2년 동안 2MeV의 전자에 1 X 1015/}|/cm² 정도 피폭되어야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 실제 과학기술위성 1호에 피폭되는 전자 량이 얼마나 되는지 알아보기 위해 과학기술위 성 1호와 비슷한 궤도에서 운용되는 미 해 양대기 청(NOAA)의 Polar Operation Environmental Satellite(POES) 위성 데이터 데이터를 이용하였다.
1994). 이 실험을 통해 저궤도 위성의 경우 SAA 지역과 극 지역에서 SEU가 많이 발생함을 알 수 있었으며, TDE의 경우 태양 활동이활발할 경우 더 많이 Dose 효과가 나타남을 알 수 있었다. 우주 입자를 관측하기 위한 실험 장치도국내 위성에 탑재되었는데, 2003년 발사된 과학기술위성 1호가 대표적이다.
(2005)는 체코 위성 인 MAGION 위성의 태양전지판 성능 감쇠가 우주 기상(Space Weather)과 밀접한 관련이 있다는 것을 보였다. 큰 우주 폭풍이 발생할 경우, 태양전지에서 생성하는 전력이 약 1% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 이처럼 인공위성 부품이 우주 환경에 의해 큰 영향을 받는 다는 것은 잘 알려진 사실이나 실제 위성 운용을 통해 관측된 태양전지의 성능 변화와 지상에서 실험을 통해 얻은 방사선 영향 자료를 정량적으로분석한 연구는 우리가 아는 한 아직 없는 것으로 추측된다.

후속연구

태양 센서는 태양전지의 합선(Short Circuit) 전류만을 측정하기 때문에 동작 원리가 간단하고 위성의 자세만 고려 해주면 우주 방사능에 의해 성능이 감쇠된 정도를 쉽게 파악할 수 있다는 장점이 있다. 비록 전력 생산용이 아닌 센서로 사용된 태양전지의 특성에 대한 연구이지만, 여기서 도출된 결과는 위성 전력 생산용 태양전지에도 적용될 수 있을 것이다.
따라서 위성 운용 초기 우주 환경을 고려한 태양전지의 특성 변화는 위성을 운용하는 입장에서 매우 중요하다. 이 연구에서 사용한 접근 방법은 이러한 태양전지 특성 변화를 예측하는데 유용하게 이용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (9)

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상세보기
Keil, W. 2005, 2nd European Space Weather week, Presentation
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Triska, P.,Czapek, A., Chum, J., Hruska, F., Simunek, J., Smilauer, J., Truhlik, V., & Vojta, J. 2005, Annales Ceophysicae, 23, 3111

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Underwood, C. I., Brock, D. J., Wiliams, P. S., Kim, S., Dilao, R., Santos, P. R., Brito, M. C., Dyer, C. S., & Sims, A. J. 1994, IEEE Transactions on Nuclear Science, 41, 2353

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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