[논문]저궤도 인공위성 탑재 보안모듈의 우주방사선 차폐 방안 연구

조양찬; 최동윤; 민경령

저궤도 인공위성 탑재 보안모듈의 우주방사선 차폐 방안 연구 원문보기

情報保護學會誌 = KIISC review, v.33 no.6, 2023년, pp.45 - 49

조양찬 ((주)스페이스앤빈) , 최동윤 ((주)스페이스앤빈 부설연구소) , 민경령 ((주)스페이스앤빈)

초록
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뉴스페이스 시대가 도래하고 양자컴퓨터로 기존 암호체계의 파훼가 수월해진 오늘날 인공위성의 보안모듈은 고성능의 상용 부품을 필요로 한다. 본 연구에서는 PE와 Al의 복합소재를 활용하여 내방사선 능력이 적은 상용 부품을 사용한 인공위성 탑재 보안모듈의 차폐 방안을 제시하였다. 기존의 Al 단일 소재로 제작된 차폐 하우징의 성능과 경제성을 개선하기 위해 PE와 Al의 복합소재를 연구하였다. 이를 위해 OMERE를 통해 저궤도 위성의 임무 환경을 분석하여 PE와 Al 복합소재의 우주방사선 차폐성능과 Al 단일 소재의 우주방사선 차폐성능을 PHITS와 SRIM을 이용하여 비교분석하였다. 연구 결과, PE와 Al의 복합소재를 활용한 차폐 하우징은 가볍고 경제적인 장점을 가지며, 성능도 크게 향상됨을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 보안모듈에 한정되지 않고 위성 부품의 차폐에 새로운 가능성을 제시함으로써, 전반적인 우주산업 발전과 위성의 임무 수행 실패율 감소에 기여할 수 있다.

표/그림 (8)

그림 [그림 1] 우주방사선이 우주 전자부품에 미치는 영향
그림 [그림 2] 밴앨런대 양성자빔 밀도
그림 [그림 3] LEO 임무환경에서 Al 두께에 따른 흡수선량
그림 [그림 4] Al 소재의 30MeV 양성자빔 비정거리 분석
표 [표 1] 저궤도 위성 임무궤도 정의
그림 [그림 5] Al 소재 하우징(4.4mm)의 방사선 흡수선량
그림 [그림 6] 복합소재의 30MeV 양성자빔 비정거리 분석
그림 [그림 7] 복합소재 하우징(Al 1mm + PE 6.569mm)의 방사선 흡수선량

AI 본문요약
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문제 정의

TRANSEC은 시스템 가용성 향상, 관제/통신링크 왜곡/간섭 방지, 사용자 인증을 통해 보안위협에 대응하는 것을 목적으로 한다. 그 방법에는 주파수 도약, 대역 확산, 널링 안테나를 통한 재밍신호 탐지/제거 등이 있다.
먼저 탑재되는 전자부품을 강한 내방사선 성능을 지닌 소재로 제작한 EEE 부품을 사용하는 방식과 약한 내방사선 성능의 COTS 부품을 사용하되 방사선 차폐 하우징을 적용하여 전자부품에 작용하는 우주방사선의 선량 자체를 줄이는 방법이 있다. 그러나 EEE 부품은 COTS 부품에 비하여 매우 단가가 높고, 생산 기간이 오래 소요되며 국내생산이 불가하여 위성의 보안모듈과 같은 부품에 사용하였을 경우 유사시 통제권 탈취와 같은 상황이 발생할 수 있는 위험이 있기에 국내 생산이 가능한 COTS 부품을 사용한 보안모듈에 차폐 하우징을 적용하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 COTS로 구성된 보안모듈을 이용해야 하는 저궤도 인공위성을 위한 보안 모듈의 우주방사선 차폐 방안을 제안하였다. 그리고 기존에 사용하던 Al 단일 소재로 구성된 차폐 하우징보다 성능이 월등히 우수한 분석 결과를 얻음으로 그 효용성을 입증하였다.
이에 본 연구에서는 기존 위성에 적용되던 알루미늄 구조체 형태의 우주방사선 차폐 하우징을 대체할 수 있는 복합소재를 적용한 우주방사선 차폐 하우징을 연구 개발하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

PE와 Al 복합소재 적용 시 양성자빔의 비정거리와 흡수선량을 분석하였다. 본 연구의 목적이 경제성을 띄는 차폐 방안을 연구하는 것이기에 PE보다 경제성이 떨어지는 Al의 두께를 1mm로 설정하고 연구를 수행하였다.
[그림 3]에서 보이는 OMERE를 이용한 LEO 환경에서 Al 소재의 두께의 따른 흡수선량 분석 결과를 토대로 SRIM 코드와 PHITS 코드를 이용하여 30 MeV의 에너지 준위를 가지는 양성자빔의 비정거리를 산출하였다.
이후 부분에서는 인공위성의 임무가 수행되는 우주 환경에서 우주방사선의 개념, 인공위성에 관한 보안위협의 종류와 대응방안을 소개하고, 그로 인한 피해의 종류와 적용 가능한 대응 방안에 대하여 설명한다. 다음, 차폐 하우징을 적용한 보안모듈이 탑재될 위성의 임무환경을 상정하여, OMERE, SRIM, PHITS를 사용한 Al 단일 소재 차폐 성능과 Al과 PE 복합소재의 차폐 성능을 비교 분석하여 제시한다. 이후 해당 분석의 결과로 위성 탑재 보안 모듈의 하우징 방안을 제시하고 결론 및 향후 보강 연구의 방향을 제시한다.
본 연구에서는 PHITS와 SRIM 코드를 사용하여 해당 소재의 차폐 성능을 분석한 결과를 중점적으로 소개하였다. 해당 코드가 성능 분석에 탁월한 점은 분명하나 우주 환경에서 발생가능한 모든 변수에 대한 분석이 가능한 것은 아니다.
본 연구에서는 보안모듈이 가장 중요하게 기능하는 통신위성, 그 중, [표 1]과 같은 궤도에서 임무를 수행하는 저궤도 군집체를 상정하고 수행되었다.
PE와 Al 복합소재 적용 시 양성자빔의 비정거리와 흡수선량을 분석하였다. 본 연구의 목적이 경제성을 띄는 차폐 방안을 연구하는 것이기에 PE보다 경제성이 떨어지는 Al의 두께를 1mm로 설정하고 연구를 수행하였다.

대상 데이터

우주방사선 차폐 하우징은 우주방사선 차폐 성능과 더불어 전자부품 박스의 EMC 성능을 함께 고려하여야 한다. 따라서 우주방사선 차폐 복합소재는 비금속 소재와 금속 소재를 적층한 복합소재로 선정하였다. 또한 비금속 물질 중 수소 원소량이 많아 양성자빔과의 상호작용이 우수한 PE를 선정하였다[5][6][7].

성능/효과

75mm로 양성자빔을 차폐하였다. PHITS 코드를 이용한 분석의 경우 1mm Al 과 6.569mm PE를 적층한 내경 10cm의 구에서 양성자빔을 차폐하였다.
본 연구에서는 COTS로 구성된 보안모듈을 이용해야 하는 저궤도 인공위성을 위한 보안 모듈의 우주방사선 차폐 방안을 제안하였다. 그리고 기존에 사용하던 Al 단일 소재로 구성된 차폐 하우징보다 성능이 월등히 우수한 분석 결과를 얻음으로 그 효용성을 입증하였다. 이렇게 Al과 PE의 복합소재를 사용하여 우주 방사선 차폐 하우징을 구성함으로써 경제성과 성능을 모두 챙길 수 있다.
우주방사선으로 인한 인공위성 피해에는 [그림 1]과 같이 크게 세가지가 존재한다. 먼저 지속된 우주방사선 노출로 인해 부품의 성능이 저하되는 TID(Total Ionizing Dose), 방사선이 반도체 부품을 관통하는 과정에서 발생한 전자, 정공 쌍으로 인해 펄스신호가 발생하여 오작동을 유발하는 SEE(Single Event Effects), 마지막으로 고에너지 중이온이 반도체를 관통하는 과정에서 반도체를 구성하는 내부 원소와의 충돌로 내부 원소의 위치가 변화하여 발생하는 DD (Displacement Damage)가 있다. 2.
보안모듈의 우주방사선 피해 대응 방안 위에서 언급한 우주방사선에 의한 피해를 대응하기 위해 현재 인공위성 설계에는 크게 두 가지 방법을 사용하고 있다. 먼저 탑재되는 전자부품을 강한 내방사선 성능을 지닌 소재로 제작한 EEE 부품을 사용하는 방식과 약한 내방사선 성능의 COTS 부품을 사용하되 방사선 차폐 하우징을 적용하여 전자부품에 작용하는 우주방사선의 선량 자체를 줄이는 방법이 있다. 그러나 EEE 부품은 COTS 부품에 비하여 매우 단가가 높고, 생산 기간이 오래 소요되며 국내생산이 불가하여 위성의 보안모듈과 같은 부품에 사용하였을 경우 유사시 통제권 탈취와 같은 상황이 발생할 수 있는 위험이 있기에 국내 생산이 가능한 COTS 부품을 사용한 보안모듈에 차폐 하우징을 적용하는 연구를 수행하였다.
위성 탑재 보안모듈에 치명적인 영향을 줄 수 있는 연간 방사선 흡수선량과 LEO 위성 환경에서 [그림 2]와 같이 가장 큰 영향을 주는 양성자빔이 약 30 MeV 이하에서 97.47% 가 분포한다는 OMERE 분석 결과를 토대로 연구를 수행하였다.
그리고 기존에 사용하던 Al 단일 소재로 구성된 차폐 하우징보다 성능이 월등히 우수한 분석 결과를 얻음으로 그 효용성을 입증하였다. 이렇게 Al과 PE의 복합소재를 사용하여 우주 방사선 차폐 하우징을 구성함으로써 경제성과 성능을 모두 챙길 수 있다. 추후 인공위성에 탑재하는 보안모듈, 또한 다른 전자부품들을 위한 차폐 하우징을 개발 및 개선하고자 하는 경우 본 논문에서 제시한 방안이 도움을 줄 수 있을 것이라 본다.

후속연구

해당 코드가 성능 분석에 탁월한 점은 분명하나 우주 환경에서 발생가능한 모든 변수에 대한 분석이 가능한 것은 아니다. 또한 PHITS 시뮬레이션의 경우 빈틈이 없는 완벽한 구의 형태를 가정하고 분석하였으나 현실에서 해당 형태를 구현하고 위성에 탑재하기에는 어려움이 있다.
기존 국내의 위성 개발사업에서는 높은 기준의 부품 선정 및 설계 기준으로 COTS 사용이 필요한 시대적 요구와 맞지 않아 국내 시정에 맞는 국제 규격의 테일러링 방안이 제시되었다[4]. 또한, COTS의 우주 방사선 피해를 막기 위한 차폐소재에 대한 연구도 활발히 진행중이다. 다양한 소재들 중 PE(폴리에틸렌)이 차세대 차폐 소재로 꼽히고 있다[5][6][7].
우주방사선은 태양으로부터 조사되는 태양방사선과 심우주에서 날아오는 은하방사선으로 분류하며, 이러한 방사선이 지구 자기장에 의해 특정 고도에서 나선운동을 하며 머물게 되며, 이를 밴앨런밸트 방사선이라고 한다. 이러한 고에너지 방사선은 위성의 전자부품들의 순간적인 오류나 심각한 손상을 유발할 수 있으므로 적절한 차폐조치가 필요하다. 특히 고에너지 양성자는 위성 전자부품의 손상을 일으키는 주원인이 되며 저궤도에 많이 분포하는 양상을 보인다.
이러한 점을 고려할 때 복합소재를 활용하여 보안 모듈의 차폐 하우징을 구현하기 위해서는 실제 적용 가능한 형태로 제작하여 발사 충격과 진동이 가해진 이후에도 같은 방사선 차폐성능을 보이는지, 탑재 시에 타공과 같은 소요가 발생하여 실제 성능에 열화가 발생하는지와 같은 관련 연구와 실험이 충분히 수행될 필요가 있다.
다음, 차폐 하우징을 적용한 보안모듈이 탑재될 위성의 임무환경을 상정하여, OMERE, SRIM, PHITS를 사용한 Al 단일 소재 차폐 성능과 Al과 PE 복합소재의 차폐 성능을 비교 분석하여 제시한다. 이후 해당 분석의 결과로 위성 탑재 보안 모듈의 하우징 방안을 제시하고 결론 및 향후 보강 연구의 방향을 제시한다.
이렇게 Al과 PE의 복합소재를 사용하여 우주 방사선 차폐 하우징을 구성함으로써 경제성과 성능을 모두 챙길 수 있다. 추후 인공위성에 탑재하는 보안모듈, 또한 다른 전자부품들을 위한 차폐 하우징을 개발 및 개선하고자 하는 경우 본 논문에서 제시한 방안이 도움을 줄 수 있을 것이라 본다.

참고문헌 (11)

Conner.R.Julien, "An FPGA-based Radiation tolerant SmallSat computer", 2015
Hanson.C.Nguyen, "Robust, Radiation Tolerant？Command and Data Handling and Power System？Electronics for SmallSats", 2018
Tanabashi M, Hagiwara K, Hikasa K, Nakamura？K, Sumino Y, Takahashi F, "Review of Particle？Physics",Physical Review D , 2018
정성근, 초소형SAR 위성개발가이드라인, 2022
차지훈, "강화된기계적특성및우주환경적용을위한？우주방사선차폐및전자기흡수구조연구", 2022
장태성등, "우주방사차폐를위한경량폴리에틸렌복합재료의양성자차폐특성연구", 2013
장태성외, 항공우주산업기술동향, 2017
T. Siamak, "A study of on-orbit spacecraft failures", 2009.
"Intelsat shuts down transponder hijacked by terrorists", Satellite Today, 2007.4.26.
Y. Michalevsky and Y. Winetraub, "SpaceTEE:？Secure and Tamper-Proof Computing in Space？hsing CubeSats", AHES'17, pp. 27~32, 2017
J. A. Grieve et al., "SpooQySat: CubeSats to？Demonstrate Quantum Key Distribution？Technologies", Acta Astronautica, Vol. 151, pp.？103~106, 2018

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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