출처 : https://spap.jst.go.jp/oceania/experience/2023/topic_eo_06.html

 

여기에서는 호주가 수십 년간에 걸친 지구 관측ㆍ기상 관측을 뒷받침해 온 과학 기술을 소개한다. 예를 들어 리모트 센싱에서는 해상도ㆍ신뢰성ㆍ내구성 및 경제성이 향상하여 사회를 뒷받침하는 인프라로서 위성 관측의 중요성이 한층 더 높아졌다.

 

1. 지구 관측ㆍ기상 관측

 

그렇다면, 어떻게 지구 관측ㆍ기상 관측을 해왔을까?

 

[관측 플랫폼]

지상에 설치된 기상 레이더, 해역 선박과 부이, 공역의 기구와 항공기, 그리고 우주역의 인공위성이 계측기를 탑재한 플랫폼으로 발전해 왔다. 인공위성이 추가되면서부터는 광역ㆍ변경ㆍ극역의 리모트 센싱이 지구적인 규모의 변화를 추출하는 데 큰 힘을 발휘하였다. 기후변화 감시, 수자원, 해양 자원, 삼림ㆍ토지 이용, 생태계, 그리고 대기오염 물질 등을 파악하고 있다.

 

<그림1> 전자파(마이크로파)로 보는 세계

 

[관측 매체]

지구 대기 및 기상 관측 등에는 광파ㆍ전자파가 이용되어 왔다. 주파수 순으로 마이크로파(주파수 0.3GHz～300GHz, 파장 1m~1mm), 적외광ㆍ가시광(파장 800nm~400nm)ㆍ자외광, 그리고 X선ㆍΓ선 등에 의한 계측이 존재한다.

 

[마이크로파 계측]

마이크로파 계측에서는 가시광 계측은 실시하기 어려운 야간 및 악천후에서의 관측이 가능하다. 기상 레이더를 통한 관측 연구에서는 마이크로파의 C대ㆍX대ㆍKu대ㆍKa대(밴드)에 의해 대/중/소 빗방울, 눈송이 및 눈송이 계측 기술이 연구되고 있다. 인공위성에 의한 관측 연구에서는 토양 수분ㆍ해면 수온ㆍ해빙 밀접도ㆍ강수량ㆍ가강수량ㆍ적산운 수량 및 수증기 연직 분포 등의 계측 기술이 연구되고 있다.

 

[관측 조성]

대기 미량 성분의 위성 관측에서는 ‘온실가스’인 이산화탄소(CO2)ㆍ메탄(CH4) 등, ‘대기오염 물질’인 이산화질소(NO2)ㆍ일산화탄소(CO) 및 이산화유황(SO2) 등이 위성으로부터 관측되고 있다. ‘오존층 파괴’와 관련해서는 자외선ㆍ오존ㆍ할로겐ㆍNOx 등이 관측되고 있다. 원리를 규명하고 메커니즘을 해명하려면 화학종별로 대기 중 수명ㆍ고도 분포 및 변동 범위 등을 파악해야 한다.

 

[관측 기관]

국제적인 프레임으로는, 기상 관측에 대해 ‘세계기상기구(WMO)’(1950년 설립), 지구 관측에 대해 ‘지구 관측에 관한 정부간회의(GEO)’(1984년 설립)를 중심으로 활동이 전개되고 있다. 호주에서는 기상국(BOM)ㆍ우주청(ASA)ㆍ연방과학산업연구기구(CSIRO)ㆍ지구과학기구(GA) 등이 협력하여 지구 관측 위성 4기를 설계ㆍ조립ㆍ발사ㆍ운용하는 ‘지구 관측을 위한 국가 우주 미션(NSMEO)’을 2022년에 발표하였다.

 

2. 위성 관측에서의 기술 혁신

 

호주의 국가 정보국(ONI)은 국가 정보 커뮤니티 위성 NICSAT에서 최초의 위성 Djara에 이어 Spire Global과 Dragonfly Aerospace에 2022년 1월에 두 번째 위성을 의뢰했다. Djara에서는 시판 센서ㆍFPGAㆍ칩상의 기계학습 시스템 등을 탑재하여, ‘궤도상에서 데이터를 수집하고 분석’하는 시스템을 실험하는 것을 미션으로 삼아 개념 설계부터 풀가동까지 15개월이라는 매우 짧은 기간 안에 실현시켰다. Spire Global은 실시간으로 지구를 관측하는 ‘초소형 위성의 대규모 위성군’을 구축ㆍ소유ㆍ운용하고 있으며, Dragonfly Aerospace는 소형ㆍ고성능ㆍ고내구성을 가진 Gecko 카메라를 제공함으로써 대규모 화상 처리 콘스텔레이션을 실현하여 광범위한 스펙트럼으로 지구의 화상을 지속적으로 제공한다. NICSAT2에서는 ‘상업 위성’을 활용하여 데이터의 수집과 분석을 개선하는 것을 목적으로 하는 연구에 초점을 맞춘다.

 

또한 호주 연방과학산업연구기구(CSIRO) 환경 비즈니스 유닛(Khan), S 등은 유럽우주기구(ESA)의 지구 관측 위성 Sentinel-1A 및 B 이미징 합성 개구 레이더 SAR을 활용한, 4년간(2017-2021)의 호주 연안 지역의 해면 풍속과 풍향(1km의 공간해상도)에 대해 ‘고해상도의 교정 및 검증된 합성 개구 레이더 오스트레일리아 주변 해양 표면풍 데이터’를 보고하였다.

 

레이더의 분해능은 안테나가 클수록 향상되는데, 위성에 탑재할 수 있는 안테나의 크기는 한정되어 있다. 그래서 여기에서는 위성 관측 기술 중에서 Synthetic Aperture Radar 합성 개구 레이더에 주목한다. SAR이란 데이터의 일종으로, 항공기 및 인공위성에 탑재되어 이동함에 따라 가상적으로 큰 개구면(레이더의 지름)으로 작용하는 레이더이다. 그 해상도를 높이기 위한 기술에 주목하여, 그림2 합성 개구 레이더, 그림3 단시간 펄스, 그림4 펄스 압축, 그림5 도플러 효과, 그림6 스포트라이트 모드에 대해 설명한다.

 

<그림2> 합성 개구 레이더

 

<그림3> 단시간 펄스

 

<그림4> 펄스 압축

 

<그림5> 도플러 효과

 

<그림6> 스포트라이트 모드

 

3. 반도체에 의한 기술 혁신

 

최근 반도체 기술 및 회로 기술이 급격하게 발전하면서 계측ㆍ연산ㆍ기억ㆍ통신ㆍ제어ㆍ전원과 같은 기능이 대폭 개선되어 위성 관측에 소형ㆍ경량ㆍ고성능화라는 선택지가 생겼다.

 

[전자관의 고체화]

반도체 소자가 보급되기 전에는 방송 위성ㆍ위성 통신ㆍ지상 마이크로파 통신 등에서 전기회로의 증폭부의 끝단에 전자관(진공관)이 사용되었다. 하지만 고체 소자인 반도체는 진공 대응ㆍ소형화ㆍ집적화ㆍ양산에 적합하고 소비 전력이 적으며 진동ㆍ가속도에 강하고 신뢰성이 높고 수명이 길어 특정한 용도ㆍ영역을 제외하고 전자관이 반도체로 교체되었다.

 

[파워 반도체]

전력 기기ㆍ무선통신 기기용 반도체 소자는 컴퓨터 등에 사용되는 반도체 소자에 비해 전압이 높고 많은 전류를 취급하며, 고주파 작동이 가능한 것도 많다. 철도 차량ㆍ전기자동차ㆍ펌프 등의 모터 제어, 고주파 전력 발생용으로 전자레인지ㆍIH 조리기, 마이크로파 레이더 등의 무선통신에 이용되고 있다. 특히 앞으로 무선통신 기기가 소형화ㆍ경량화ㆍ저소비전력화됨에 있어 GaN이 크게 도움을 줄 것으로 기대된다.

 

[화합물 반도체]

두 종류 이상의 원소가 결합하여 만들어지는 화합물 반도체가 사용된다. 화합물 반도체가 되는 원소의 조합으로 대표적인 것은 III족과 V족 원소, II족과 VI족 원소이며, 각각 III-V족 반도체, II-VI족 반도체라 불린다. III족 원소로는 알루미늄(Al)ㆍ갈륨(Ga)ㆍ인듐(In), V족 원소로는 질소(N)ㆍ인(P)ㆍ비소(As)ㆍ안티몬(Sb)이 있다.

 

통신 기지국이나 레이더 등의 전파 송신부에서는 뛰어난 물성으로 인해 화합물 반도체가 널리 이용되고 있다. 그림7에는 작동 주파수와 증폭 디바이스의 출력 전력 관계를 나타냈다. 최근 무선통신 용도에서 원하는 고주파수ㆍ고출력의 특성도 함께 표시했는데, GaN이 바람직한 재료일 것으로 판단된다.

 

<그림7> 무선통신 용도 출력과 주파수에 의한 화합물 반도체의 응용 분야

 

[GaN-HEMT]

통신 기지국이나 위성 통신 시스템의 고주파 전력 증폭기는 소형ㆍ경량화ㆍ고성능화를 위해 고출력 고효율 GaN-HEMT(전계 효과형 트랜지스터)을 적용하고 있다. GaN-HEMT은 고출력 동작 시 발열로 인해 전류가 흐르기 어렵다는 문제가 있어, 지금까지 본래의 성능을 발휘하지 못했다. 그래서 GaN-HEMT 기판으로 기존의 Si 기판 및 SiC 기판이 아니라 열전도율이 높은 ‘다이아몬드 기판’을 사용하는 구조가 일본에서 개발되었다.

 

한편 GaN 에피택셜층과 같은 재료인 고품질 ‘GaN 기판’을 채용하고, GaN 기판 표면에 특수한 처리를 함으로써 기존 트랜지스터를 능가하는 성능을 가진 GaN-HEMT을 일본 기업이 개발하였다. 고품질 GaN 기판 위에 성장한 GaN 에피택셜층에서는 에피택셜층/기판 간 결정 격자 간격이 정해져 있기 때문에, 그러지 못했던 기존 기판에 비해 결정 결함을 두 자릿수 이상 절감할 수 있다. 또한 반도체 재료 중에서 가장 큰 절연 내압을 가진 ‘AIN 기판’을 이용하는 고출력 HEMT도 개발되고 있다.

 

4. 화상 재구성에서의 기술 혁신

 

프랑스의 수학자이자 물리학자인 조제프 푸리에(1768-1830)는 ‘거의 모든 함수는 사인파를 겹쳐서 실현할 수 있다’고 주장했다. 적어도 공학적으로 취급하는 (연속되는) 함수는 푸리에 급수 전개가 가능하다는 주장이다.

 

입력을 가지고 출력을 구하는 문제를 순문제라 부르며, 그 반대로 출력을 가지고 입력을 추정하는 문제를 ‘역문제’라고 한다. 고전 물리로는 설명할 수 없는 현상이 드러나고, 그 한계가 인식되기 시작한 19세기 말경부터 관측 결과에 근거하여 현상의 원인을 결정하는 ‘역문제’ 발생에 의한 연구가 시작되었다.

 

결상이란 관측 데이터를 통해 공간상에 배치된 착란체의 위치와 크기를 추정하는 것을 말한다. 컴퓨터 단층 촬영법(CT)에서 볼 수 있는, 화상 재구성과 패턴 인식의 수리 계측에 주목하면 ‘역문제의 매력ㆍ다양성ㆍ발전의 원동력이 관측의 관계식을 현실의 물리 계측 안에서 차을 수 있다. 관측의 관계식을 알면 역문제의 기본을 고려하여 생각하는 데에서 다양한 해법 연구가 생겨난다’고 한다. 현재는 화상 ‘역문제’가 활발하게 이용되고 있으며, 위성 관측, 산업 계측에서부터 생체 이미징까지 확산되어 있다.

 

마치며

 

호기심은 호모사피엔스만의 특징이다. 알고 싶어서 모험을 함으로써 해역ㆍ극역ㆍ우주역 및 체태 등의 프론티어에서는 알지 못하여 계측하고 싶은 뉴스가 생겨난다. 프론티어에서 계측에 도전하는 것은 미지에 가까이 가는 일의 시작이며, 새로운 기술 혁신 및 사회 혁신을 창출하는 원천이다. 프론티어에서 갈고 닦은 STEM(과학ㆍ기술ㆍ공학ㆍ수학)을 기초로 하여 에너지ㆍ교통 운송ㆍ정보통신 등의 사회 인프라에 파급하여, 기상 예보를 통해 식료와 건강 등의 생활 면과 관련을 맺는다.

 

메가트렌드인 지구 환경 문제ㆍ기후변화 문제에서는 지역의 재해와 이상기후와 같은 리스크에 대비하여 계측 기술ㆍ관측 연구를 기반으로 하는 국제 협력이 한층 더 요구된다.

 

 

 

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