우주 에너지 백과 01 · 기획 2/6 | 우주 전력·에너지 시스템
뉴스페이스 시대에 위성의 크기와 궤도는 다양해졌지만, 전력 설계의 출발점은 여전히 우주 태양전지 데이터시트의 효율 한 줄이다. 그 옆에는 거의 빠짐없이 “AM0”(Air Mass 0), 곧 대기권 밖 햇빛으로 쟀다는 표기가 붙는다. 그런데 독일 AZUR SPACE의 3중접합 셀 3G30C-Advanced 데이터시트는 같은 전기 특성값에 수명 초기 효율을 29.5%와 29.8% 두 개로 적는다. AM0 조도를 1,367 W/m²로 보느냐 1,353 W/m²로 보느냐의 차이다.
대기권 밖 햇빛이라는 하나의 조건이 왜 여러 숫자를 갖게 됐을까. 극한 환경의 궤도에서 전력을 설계하는 사람은 “AM0, 28 °C”라는 짧은 표기에서 무엇을 읽어 내야 할까.
에어 매스(AM)란 무엇인가 — AM0·AM1·AM1.5
에어 매스(AM, Air Mass)는 햇빛이 지표에 닿기까지 지나온 대기의 양을, 해가 천정(머리 꼭대기)에 있을 때를 1로 놓고 나타낸 값이다. 대기를 평평한 층으로 근사하면 AM ≈ 1/cos z이고, z는 천정에서 잰 태양의 각도(천정각)다. 천정각 60°면 AM2이고, 지상 태양전지의 기준인 AM1.5는 천정각 약 48.19°에 해당한다. AM0는 지나온 대기가 0인 대기권 밖이다. 이 근사는 해가 지평선에 가까워지면 곡률 때문에 맞지 않는다(그림 2).
지상 기준 AM1.5는 대기 조건까지 정해 둔 모델 스펙트럼이다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory — 2025년 12월 국립로키연구소(NLR, National Laboratory of the Rockies)로 개칭)에 따르면 미국재료시험학회(ASTM, American Society for Testing and Materials)의 G173-03 스펙트럼은 적도 쪽으로 37° 기운 수광면, 1976년 미국 표준대기, 수증기 상당량 1.42 cm, 오존 상당량 0.34 cm를 가정한 계산값이다. 반면 AM0에는 대기 가정이 없고, 태양 자체의 밝기와 태양까지의 거리가 변수로 남는다.
AM0와 AM1.5G 스펙트럼은 무엇이 다른가
지상 현황. AM1.5G(G는 직달광과 산란광을 합친 Global)의 280~4000 nm 적분값은 1,000.4 W/m²다(필자 적분). 지상용 셀 효율은 흔히 이 스펙트럼과 셀 온도 25 °C(약 298 K)에서 잰다.
우주 적용 시 변화. 대기권 밖 ASTM E490(AM0) 스펙트럼은 적분값이 1,366.1 W/m²가 되도록 맞춰져 있다. 총량이 약 1.37배일 뿐 아니라 모양도 다르다(그림 1). 400 nm 이하 자외선의 몫은 AM0 약 7.7%, AM1.5G 약 4.6%다(필자 적분). AM1.5G에는 대기가 파낸 흡수대가 뚜렷하다. 약 320 nm 아래는 오존(O₃), 760 nm 부근은 산소(O₂), 940 nm를 비롯한 근적외선 곳곳은 수증기(H₂O), 1.61 µm와 2.06 µm 부근은 이산화탄소(CO₂)의 흡수다.
연결 원리. 효율은 ‘어떤 빛에 대한’ 비율이므로 기준 스펙트럼과 함께 읽어야 한다. 여러 층이 파장을 나눠 받는 다중접합 셀은 스펙트럼 모양에 따라 층마다 받는 빛이 달라진다. 유럽 우주 표준화 협력기구(ECSS, European Cooperation for Space Standardization) 규격도 다중접합 셀의 기준 셀은 서브셀(component cell)별로 준비해 다중 광원 시뮬레이터로 교정하도록 정한다.
그림 1. ASTM E490(AM0)·G173(AM1.5G) 실데이터를 280~2500 nm에서 5 nm 평균으로 그렸고, 적분값은 원데이터 전체 구간 기준이다.
AM0 태양상수는 하나의 숫자가 아니다
대기권 밖 햇빛의 총량은 태양상수, 곧 1 AU(천문단위, Astronomical Unit — 지구와 태양의 평균 거리)에서의 태양 총복사(TSI, Total Solar Irradiance)다. 이 값은 시대와 규격마다 달랐다. 1971년 미국 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration) 설계 기준서 SP-8005는 고고도 측정값을 가중평균한 135.3 mW/cm²를 채택했다. 2000년 ASTM E490은 1,366.1 W/m², ECSS-E-ST-20-08C Rev.1(2012)은 세계복사센터(WRC, World Radiation Centre) 편집 스펙트럼의 136.7 mW/cm²를 썼다.
이후 위성 복사계 측정으로 더 낮은 값이 확인되자 국제천문연맹(IAU, International Astronomical Union)은 2015년 결의 B3에서 명목 태양 총복사를 1,361 W/m²로 정했고, ECSS Rev.2(2023)는 적분값 1,361.1 W/m²인 Gueymard(2018) 스펙트럼으로 기준을 바꿨다. 아래 표는 같은 셀의 출력을 각 값으로 나눈 결과다.
| AM0 총 조도 | 출처(연도) | 근거 | 3G30C 출력 402.6 W/m²의 효율 환산 |
|---|---|---|---|
| 1,353 W/m² (135.3 mW/cm²) | NASA SP-8005 (1971) | 고고도 측정 가중평균, 추정 오차 약 1.5% | 29.76% |
| 1,361 W/m² | IAU 2015 결의 B3 | 명목값, 태양 23주기 평균 1,361 ± 0.5 W/m² | 29.58% |
| 1,361.1 W/m² | ECSS-E-ST-20-08C Rev.2 (2023) | Gueymard(2018) 합성 스펙트럼의 적분값 | 29.58% |
| 1,366.1 W/m² | ASTM E490 (2000), NREL 배포 | 위성·우주왕복선·항공기·로켓·지상 망원경 자료와 모델 합성 | 29.47% |
| 1,367 W/m² (136.7 mW/cm²) | ECSS-E-ST-20-08C Rev.1 (2012), AZUR 데이터시트 “AM0 WRC” | WRC(Wehrli) 편집 스펙트럼 | 29.45% |
같은 측정 출력이 분모만 바꿔 29.45%에서 29.76%까지 움직인다. 0.31%p는 같은 데이터시트에서 맨 셀과 커버글라스를 붙인 조립체의 효율 차(29.5% 대 29.2%)와 맞먹는다. 제조사 간 효율을 비교하기 전에 분모부터 맞춰야 하는 이유다.
우주 태양전지 효율 표기 “AM0, 28 °C” 읽는 법
효율 옆의 짧은 표기는 네 가지를 말한다. 첫째는 분모다. 스펙트로랩(Spectrolab) XTJ Prime은 “AM0 (135.3 mW/cm², 28 °C)”에서 30.7%, 로켓랩(Rocket Lab)의 SolAero ZTJ는 “AM0 (135.3 mW/cm²)”에서 29.5%를 적는다. 3G30C도 29.5%지만 분모는 “AM0 WRC, 1367 W/m²”로 약 1% 크다. 3G30C가 병기한 1,353 W/m² 기준으로 맞추면 ZTJ 29.5%, 3G30C 29.8%, XTJ Prime 30.7%다(가정: 측정 출력은 두고 분모만 교체).
둘째는 셀 온도다. XTJ Prime과 3G30C는 28 °C(약 301 K), 3G30C와 같은 AZUR SPACE의 4G32C-Advanced(2026년 3월 판)는 25 °C를 적고, ECSS도 25 °C(또는 운용 온도) 측정을 기본으로 한다. ZTJ의 전기 특성 표에는 온도가 없다. 온도계수로 어림하면 3 °C 차이는 상대 출력 약 0.7~0.8%로(가정: 선형), 분모 차이와 비슷하다. 셋째는 BOL(수명 초기, Beginning of Life)과 1 MeV 전자 조사량별 열이다. 수명 말기(EOL, End of Life) 효율은 기획 4편에서 다룬다. 넷째는 맨 셀(Cell)과 조립체(CIC, Cell-Interconnect-Coverglass) 열이다.
AM0는 어디서 재나 — 기구·항공기 교정과 기준 셀
지상에서는 AM0 햇빛을 받을 수 없으니 기준 셀(reference cell)을 대기 대부분의 위로 올리고, 남은 대기의 영향은 보정한다. 제트추진연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory)는 1963년부터 고고도 기구로 교정용 셀을 띄웠고, 2001년 비행이 그 59·60번째였다. 2001년 교정에서는 약 36.6 km 고도에서 잰 출력을 28 °C와 1 AU로 보정했고, 회수한 셀을 시뮬레이터 빛 속에 두고 기구에서 읽은 값과 같아질 때까지 빛의 세기를 맞춘다. 프랑스 국립우주연구센터(CNES, Centre National d’Études Spatiales)도 1976년부터 성층권 기구 교정을 해 왔다. 이 기구 교정(CASOLBA)은 2005년 이후 중단됐다가 2017년 4월 재개됐고, 3G30C 데이터시트는 기준을 “CASOLBA 2005”로 적는다.
NASA 글렌 연구센터(GRC, Glenn Research Center)는 고고도 항공기 ER-2가 고도를 낮추는 동안 단락 전류를 재고, 에어 매스에 대한 로그 값을 AM = 0까지 직선 외삽(랭글리 외삽)한 뒤 태양 거리(AU)의 제곱을 곱해 1 AU 값으로 바꾼다(그림 2). 한 4접합 셀에서 이 값은 CASOLBA 기구 측정과 0.2% 안에서 일치했다. 요컨대 이렇게 교정한 기준 셀을 쓰면 실험실 빛의 세기는 셀이 기억하는 ‘1 AU의 실제 태양’에 맞춰지고, 효율의 분모는 데이터시트가 따로 적는 약속이 된다. 3G30C가 한 측정값에 두 효율을 적을 수 있는 까닭으로 읽힌다.
그림 2. 에어 매스 기하와 AM0 교정 방식의 개념도로, 랭글리 도표의 점과 기울기는 설명용 가정이다.
전력·에너지 관점
Point. 전력 설계에서 AM0 효율은 답이 아니라 ‘1 AU에서 1 m²가 내는 W’로 되돌리기 위한 중간값이다. 그리고 AM0라는 이름의 모든 값은 1 AU라는 거리를 전제로 한다.
Reason. 효율에 그 데이터시트의 분모를 곱해야 기준 출력이 나오고, 다른 분모를 곱하면 최대 약 1% 어긋난다. 여기에 조도는 거리의 제곱에 반비례한다. 지구 궤도 이심률은 0.0167이고, 근일점(1억 4,709.5만 km)과 원일점(1억 5,210만 km)의 조도는 1,361 W/m² 기준 약 1,407.7 W/m²와 1,316.6 W/m²다(필자 계산). 평균 대비 +3.4%와 −3.3%로 분모 차이의 3배가 넘는다. 2026년 근일점은 1월 3일, 원일점은 7월 6일(협정 세계시)이다. 태양 활동에 따른 총복사 변동(약 0.08%)은 이보다 훨씬 작다.
Example. 3G30C 맨 셀의 기준 출력 402.6 W/m²(최대출력점 전압 2,411 mV × 전류 504 mA ÷ 셀 면적 30.18 cm²)를 1 AU 출력으로 보면(가정) 근일점 약 416.5 W/m², 원일점 약 389.5 W/m²다. 화성 궤도 평균 조도는 NASA 자료표 기준 586.2 W/m²(지구의 0.431배)이므로 같은 가정에서 약 173.4 W/m²다. 다만 효율이 변하지 않는다는 가정이다. 스펙트로랩 XTE-LILT(저조도·저온, Low Intensity Low Temperature) 데이터시트는 같은 셀의 BOL 효율을 1 AU 31.6%, 5.5 AU 37%로 따로 적는다.
Point. 따라서 “AM0 29.5%”를 전력으로 옮기는 순서는 ① 분모를 곱해 기준 출력으로 되돌리고 ② 운용 온도로 보정하고 ③ 궤도의 거리와 계절로 옮긴 뒤 ④ 수명 말기 열화를 반영하는 것이다. 효율끼리의 비교는 분모와 온도를 맞춘 다음이다.
반론과 제약. 1% 남짓한 분모 차이는 사소해 보인다. 그러나 최악 조건(Worst-case)인 원일점·고온·수명 말기가 겹칠 때 분모 착오 1%는 그대로 마진 손실이 되고, 이를 면적으로 메우면 어레이 면적 증가 → 질량 증가 → 전개 구조·자세 제어 부담 증가 → 발사 질량 증가로 이어진다. JPL도 시뮬레이터 세기를 조금만 잘못 맞춰도 전력이 일찍 모자라거나 너무 크고 무거운 태양전지판을 발사하게 될 수 있다고 경고했다(요지). 또 제조사별 기준 셀 교정 체계는 데이터시트만으로 확인되지 않는다.
지상 시험과 우주 환경의 괴리. 기준 셀이 정확해도 태양 시뮬레이터는 태양이 아니며, ECSS는 스펙트럼 일치 등급만으로는 측정 불확도를 예측할 수 없다고 적는다. 기구 위에 남은 대기가 스펙트럼을 얼마나 바꾸는지도 오랫동안 의문이었다. JPL은 1984년 우주왕복선 디스커버리에서 교정한 셀을 1985년 기구 비행에서 다시 재어 두 결과가 거의 같음을 확인하고서야 기구 교정의 정확도를 입증할 수 있었다. 무엇보다 데이터시트의 25~28 °C는 실험실 조건이고, 궤도의 셀은 고진공에서 복사로만 열을 버리며 일조와 식을 오간다. 지상에서 잰 효율을 궤도 전력으로 확언할 수 없는 이유다.
경계 조건(BC) 주석. (1) 기준 출력 402.6 W/m²는 AZUR SPACE 3G30C-Advanced 맨 셀 BOL 전형값(최대출력점 전압 2,411 mV, 전류 504 mA, 셀 면적 30.18 cm²)으로 계산했다. (2) 분모 환산은 측정 출력을 고정하고 분모만 바꾼다고 가정했다. (3) 거리 환산은 수직 입사, 조도에 비례하는 출력, 셀 온도·효율·스펙트럼 모양 불변을 가정했고, 태양 총복사 1,361 W/m²(IAU 명목값)와 NASA 행성 자료표의 궤도 거리(지구 긴반지름 1억 4,959.8만 km)를 썼다. (4) 25 °C와 28 °C 차이의 어림은 3G30C·4G32C의 BOL 온도계수(데이터시트의 28~140 °C 구간 값)를 25 °C까지 선형 연장한 가정값이다(3G30C −0.230 %/°C, 4G32C −0.278 %/°C). (5) 스펙트럼 적분은 원데이터 격자의 사다리꼴 적분이며, 그림 1의 곡선은 5 nm 구간 평균이다.
| 요약 항목 | 내용 |
|---|---|
| 핵심 질문 | 데이터시트의 “AM0, 28 °C”는 무엇을 뜻하고, 전력 설계에서 어떻게 읽어야 하나 |
| 핵심 제원 | AM1.5 ↔ 천정각 48.19°, E490 1,366.1 W/m², AM1.5G 1,000.4 W/m², AM0 총 조도 값 1,353~1,367 W/m², 1 AU 기준 근일점 +3.4%·원일점 −3.3% |
| 핵심 통찰 | AM0는 하나의 숫자가 아니다 — 같은 측정 출력이 분모에 따라 29.45~29.76%로 적히고, 실험실 빛은 기준 셀이 기억하는 실제 태양에 맞춰지며 분모는 표기상의 약속이다 |
| 숨은 제약 | 셀 온도 기준(25·28 °C) 차이 약 0.7~0.8%, 다중접합 셀의 스펙트럼 모양 민감도, 조도·온도에 따른 효율 변화(LILT) |
| 확인 필요 | 국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization) 15387 원문의 AM0 규정, 제조사별 기준 셀 교정 체계와 시뮬레이터 설정 조도, ZTJ 데이터시트의 셀 온도, XTJ Prime 표기 효율과 최대출력점 전압·전류밀도 곱의 차이(약 1.4%) 원인 |
정리하면 AM0는 ‘대기 경로 0, 거리 1 AU’라는 조건의 이름이지 하나의 숫자가 아니며, 데이터시트의 효율은 분모와 셀 온도를 확인해 W로 되돌린 뒤에야 전력 설계의 입력이 된다.
기획 · 궤도 위의 전기 — 6편
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본 글은 NREL·ASTM 기준 스펙트럼 데이터, NASA·JPL·IAU·ECSS·CNES 문서, 제조사가 공개한 데이터시트를 근거로 작성했다. 계산값은 본문과 BC 주석에 밝힌 가정에 따른 설명용 값이며, 확인하지 못한 항목(ISO 15387 원문, 제조사별 교정 체계 등)은 추정하지 않고 “확인 필요”로 남겼다. 그림 1의 데이터는 NREL 연구원이 작성한 기준 스펙트럼 스프레드시트에서 읽었고, 적분값이 NREL 공개값(1,366.1 W/m²)과 일치함을 확인했다.
1차 출처: 미국 에너지부, “Energy Department Renames NREL ‘National Lab of the Rockies’” (2025-12-01) · NREL, “2000 ASTM Standard Extraterrestrial Spectrum Reference E-490-00” · NREL, “Reference Air Mass 1.5 Spectra” · NASA, “Solar Electromagnetic Radiation” SP-8005 (1971-05) · Prša 외, “Nominal values for selected solar and planetary quantities: IAU 2015 Resolution B3” (2016) · ECSS, “ECSS-E-ST-20-08C Rev.2 Photovoltaic assemblies and components” (2023-04-20) · ECSS, “ECSS-E-ST-20-08C Rev.1 Photovoltaic assemblies and components” (2012-07-18) · Gueymard, “Revised composite extraterrestrial spectrum based on recent solar irradiance observations”, Solar Energy 169 (2018) · AZUR SPACE, “TJ 3G30-Advanced (4×8)” 데이터시트 (2025-04-11) · AZUR SPACE, “QJ 4G32-Advanced (4×8)” 데이터시트 (2026-03-24) · Spectrolab, “30.7% XTJ Prime” 데이터시트 (2022-07-27) · Spectrolab, “XTE-LILT” 데이터시트 (2019-12-23) · Rocket Lab(SolAero), “ZTJ Space Solar Cell” 데이터시트 · JPL, “Results of the 2001 JPL Balloon Flight Solar Cell Calibration Program” (2002-02) · NASA GRC, “Calculation Method for Predicting AM0 Isc from High Altitude Aircraft Flight Data” (2018) · CNES·ESA, “Casolba: Balloon Calibration of Solar Cells”, E3S Web of Conferences 16 (2017-05-23) · NASA, “Earth Fact Sheet” (2024-11-15 갱신) · NASA, “Mars Fact Sheet” (2025-05-19 갱신) · 미 해군천문대(USNO), “Earth’s Seasons and Apsides” 2026년 자료 · Gueymard, “SMARTS2, A Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine” FSEC-PF-270-95 (1995-12) · NASA JPL, “OCO-2 & OCO-3 Level 2 Full Physics Retrieval ATBD” v2.0 Rev 3 (2020-12-01) · NASA, “MODIS Specifications”
참고 자료: PVEducation, “Air Mass” · PVEducation, “Solar Cell Efficiency” · PVEducation, “Standard Solar Spectra”(NREL 작성 스프레드시트 AM0AM1_5.xls 배포) · pvlib-python, “ASTMG173.csv”(G173 데이터 교차 검증)