28.35 자외선 및 우주 방사선의 전자 장치 영향

자외선(ultraviolet radiation)과 우주 방사선(cosmic radiation)은 항공 로봇이 운용되는 환경의 전자 장치, 광학 부품, 재료에 직접적·간접적 영향을 미치는 환경 인자이다. 특히 고고도 운용 무인기, 성층권 비행체, 우주 응용 로봇에서는 이러한 방사선의 영향이 주된 환경 위협으로 작용한다. 본 절에서는 자외선과 우주 방사선의 학술적 정의, 전자 장치에 미치는 영향, 그리고 항공 로봇 공학에서의 의의를 다룬다.

1. 자외선의 학술적 정의

자외선은 가시광선의 자색 파장(약 400 nm)보다 짧은 파장의 전자기 복사로 정의된다. 학술적으로 자외선은 다음과 같이 분류된다.

대기를 통과하는 태양 자외선의 대부분은 UVA이며, UVB의 일부도 지표면에 도달한다. UVC는 일반적으로 성층권의 오존층에 의해 거의 완전히 흡수된다.

2. 우주 방사선의 학술적 정의

우주 방사선은 우주 공간에서 지구로 도달하는 고에너지 입자와 전자기 복사를 의미한다. 학술적으로 다음과 같이 분류된다.

2.1 은하 우주선

은하 우주선(galactic cosmic ray, GCR)은 우리 은하 내에서 기원한 고에너지 입자(주로 양성자, 알파 입자, 무거운 핵)이다. 에너지 분포가 매우 광범위하며, 일부 입자는 GeV 이상의 에너지를 가진다.

2.2 태양 우주선

태양 우주선(solar cosmic ray, SCR) 또는 태양 입자 사건(solar particle event, SPE)은 태양에서 기원한 고에너지 입자이다. 태양 플레어와 코로나 질량 방출(coronal mass ejection, CME)에 의해 발생하며, 일시적으로 매우 강한 입자 흐름을 일으킨다.

2.3 밴 알렌 방사선대

밴 알렌 방사선대(Van Allen radiation belt)는 지구 자기장에 의해 포획된 고에너지 입자(주로 양성자와 전자)의 영역이다. 내측 밴드(약 1000 ~ 6000 km 고도)와 외측 밴드(약 13000 ~ 60000 km 고도)로 구분된다.

3. 자외선이 전자 장치에 미치는 영향

자외선은 전자 장치에 다음과 같은 영향을 미친다.

3.1 광다이오드와 광학 센서

CMOS와 CCD 영상 센서는 자외선에 의한 광이온화 효과로 노이즈가 증가하거나 픽셀 손상이 발생할 수 있다. 또한 강한 자외선 노출은 센서의 응답 특성을 변화시킨다.

3.2 광학 코팅과 폴리머

광학 코팅과 폴리머 재료(렌즈 보호 코팅, 케이블 절연체, 가스킷 등)는 자외선에 의한 광분해를 겪어 시간이 지남에 따라 변색, 균열, 강도 저하 등이 발생할 수 있다.

3.3 태양 전지

태양 전지의 표면 보호 유리와 봉지재(encapsulant)는 자외선에 의한 열화로 효율이 감소할 수 있다.

3.4 표면 도료

비행체 표면의 도료는 자외선에 의한 광분해와 변색을 겪을 수 있으며, 정기적인 재도색이 요구된다.

4. 우주 방사선이 전자 장치에 미치는 영향

우주 방사선은 전자 장치에 다음과 같은 영향을 미친다.

4.1 단일 사건 효과

단일 사건 효과(single event effect, SEE)는 단일 고에너지 입자가 반도체 소자에 충돌하여 일시적 또는 영구적 오류를 유발하는 현상이다. 다음과 같은 유형이 있다.

4.2 총선량 효과

총선량 효과(total ionizing dose, TID)는 누적된 방사선 노출에 의해 반도체 소자의 특성이 점진적으로 변화하는 현상이다. 트랜지스터의 임계 전압 이동, 누설 전류 증가, 이득 감소 등이 발생한다.

4.3 변위 손상

변위 손상(displacement damage, DD)은 고에너지 입자가 반도체 결정 격자의 원자를 변위시켜 결함을 형성하는 현상이다. 광학 검출기, 광다이오드의 응답 특성이 저하될 수 있다.

4.4 메모리 오류

DRAM, SRAM, 플래시 메모리는 우주 방사선에 의한 SEU에 취약하다. 메모리 비트의 일시적 반전이 발생하여 데이터 오류를 유발할 수 있다.

5. 고도에 따른 우주 방사선 영향

우주 방사선의 강도는 고도에 따라 변화한다.

5.1 지표면

지표면에서는 대기에 의해 우주 방사선의 대부분이 흡수되며, 잔여 입자는 주로 중성자(neutron)이다. 이러한 중성자는 항공 전자 장치에서의 SEU의 주된 원인이다.

5.2 항공 비행 고도

상업 항공 비행 고도(약 10 km)에서는 우주 방사선의 강도가 지표면의 약 100배에 도달한다. 항공기 승무원의 방사선 노출과 항공 전자 장치의 SEU 위험이 증가한다.

5.3 고고도 비행

고고도 무인기(약 20 km 이상)에서는 우주 방사선의 강도가 더욱 증가한다. 항공 전자 장치의 방사선 보호 설계가 필수적이다.

5.4 우주 환경

지구 자기권 외부의 우주 환경에서는 우주 방사선의 영향이 매우 크다. 위성과 우주 탐사 로봇은 강력한 방사선 보호 설계가 요구된다.

6. 방사선 보호 설계

전자 장치의 방사선 보호 설계는 다음과 같은 방법으로 수행된다.

6.1 방사선 강화 부품

방사선 강화(radiation-hardened, rad-hard) 부품은 방사선 환경에서의 동작이 보장된 특수 부품이다. 우주 응용에 광범위하게 활용되지만, 비용이 높고 성능이 제한적이다.

6.2 방사선 내성 부품

방사선 내성(radiation-tolerant) 부품은 일반 부품에 비해 방사선 환경에서의 동작이 비교적 안정한 부품이다. 비용과 성능의 균형을 제공한다.

6.3 회로 수준 보호

회로 수준에서는 SEU에 대비해 트리플 모듈러 리던던시(triple modular redundancy, TMR), 오류 검출 코드(error detection code), 오류 정정 코드(error correction code, ECC) 등이 활용된다.

6.4 시스템 수준 보호

시스템 수준에서는 워치독 타이머(watchdog timer), 자동 재시작, 다중 시스템 백업 등이 활용된다.

6.5 차폐 설계

차폐(shielding)는 방사선이 전자 장치에 도달하는 양을 감소시킨다. 알루미늄, 텅스텐, 폴리에틸렌 등의 재료가 활용된다.

7. 학술적 시험과 표준

방사선 영향 시험과 표준은 다음과 같다.

7.1 자외선 시험

ASTM G154 Standard Practice for Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus for Exposure of Materials은 자외선 노출 시험의 표준을 제공한다. ASTM G155 Standard Practice for Operating Xenon Arc Light Apparatus for Exposure of Materials은 광범위한 광 노출 시험을 다룬다.

7.2 방사선 시험

JEDEC JESD89 Measurement and Reporting of Alpha Particle and Terrestrial Cosmic Ray-Induced Soft Errors in Semiconductor Devices는 반도체 소자의 방사선 영향 측정 표준이다. ECSS(European Cooperation for Space Standardization)와 NASA의 다양한 표준이 우주 환경에서의 방사선 시험 절차를 제공한다.

8. 항공 로봇 공학에서의 의의

자외선과 우주 방사선은 항공 로봇 공학에서 다음과 같은 의의를 가진다.

첫째, 고고도 무인기, 성층권 비행체, 우주 응용 로봇의 설계와 운용에 핵심적 환경 요인이다. 둘째, 전자 장치의 신뢰성과 수명에 영향을 미친다. 셋째, 광학 부품과 재료의 장기적 성능에 영향을 미친다. 넷째, 인증 절차에서 환경 시험 조건의 정의에 활용된다. 다섯째, 우주 응용 로봇 분야에서의 핵심 환경 인자이다.

특히 도심 항공 모빌리티(UAM)와 같은 새로운 항공 응용에서는 방사선 환경의 영향이 비교적 작지만, 운용 시간이 길어짐에 따라 누적 효과가 무시할 수 없는 수준이 될 수 있다.

9. 출처

• Smith, B. C., Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 2nd edition, CRC Press, 2011.
• ASTM International, ASTM G154-23, Standard Practice for Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus for Exposure of Materials, 2023.
• JEDEC Solid State Technology Association, JESD89C: Measurement and Reporting of Alpha Particle and Terrestrial Cosmic Ray-Induced Soft Errors in Semiconductor Devices, 2021.
• Holmes-Siedle, A. and Adams, L., Handbook of Radiation Effects, 2nd edition, Oxford University Press, 2002.
• Messenger, G. C. and Ash, M. S., The Effects of Radiation on Electronic Systems, 2nd edition, Van Nostrand Reinhold, 1992.
• European Cooperation for Space Standardization (ECSS), ECSS-Q-ST-60-15C, Space Product Assurance: Radiation Hardness Assurance – EEE Components, 2012.
• Petersen, E. L., Single Event Effects in Aerospace, Wiley, 2011.

10. 버전

• 문서 버전: 1.0
• 작성일: 2026-04-18