BOL과 EOL이란 — 방사선 열화가 위성 전력의 ‘마지막 날’을 정하는 방식

우주 에너지 백과 02 · 기획 4/6 | 우주 전력·에너지 시스템

BOL과 EOL 뜻 — 태양전지와 배터리에서 각각 무엇인가

BOL은 궤도에 막 올라 환경의 영향을 받기 전의 성능, EOL은 설계 수명 끝에도 보장해야 하는 성능이다. 미국 항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)의 소형 위성 기술 현황 보고서 전력 장(2026년 5월 갱신)은 흔히 적는 ‘Peak BOL’을 약 28 °C(약 301 K) 시험 조건의 수명 초기 최대 출력, 곧 임무와 무관한 값으로 본다. 반면 태양전지 어레이는 수명을 제한하는 부품이라 운용 온도에서의 EOL 성능이 핵심 지표이고, 열화 요인으로 방사선, 커버글라스·접착제 암화, 오염, 고장을 꼽는다.

배터리의 EOL은 기준이 다르다. NASA/TM-2009-215751(리튬이온 배터리 우주 적용 지침)은 실제 운용 조건에서 요구 에너지를 더 이상 공급하지 못할 때까지 시험하는 것을 가장 정확한 수명 판정법으로 들고, 그 시점을 수명 말기로 정의한다(요지). 이 정의에서는 비율이 아니라 임무 요구량이 기준이다. 사이클과 방전 심도(DoD, Depth of Discharge)는 기획 1편과 메가컨스텔레이션 위성의 수명은 왜 5년인가에서 다뤘다.

태양전지 방사선 열화의 원리 — 변위 손상

태양전지를 늙게 하는 것은 밴 앨런대(Van Allen belts)에 붙잡힌 전자·양성자와 태양 입자 사건(SPE, Solar Particle Event)의 고에너지 양성자다. 미국 제트추진연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory)의 갈륨비소(GaAs) 태양전지 방사선 핸드북(1996)에 따르면 셀 손상은 거의 언제나 원자 변위(atomic displacement)에서 온다. 밀려난 원자와 빈자리(vacancy)가 안정된 결함이 되어 소수 운반자(minority carrier)의 이동을 방해하고, 전류와 전압을 함께 깎는다. 이것이 변위 손상(displacement damage)이다.

1 MeV 전자 등가 플루언스 — 방사선의 공통 화폐

플루언스(fluence)는 1 cm²를 지나간 입자 수의 누적값이다. 궤도의 입자는 종류도 에너지도 제각각이라, JPL 핸드북은 이를 같은 손상을 내는 단일 에너지 입자의 플루언스로 환산한다. 기준인 1 MeV(메가전자볼트) 전자는 우주 방사선의 흔하고 중요한 성분이면서 대부분의 전자 가속기로 쉽게 낼 수 있는 에너지다(요지).

환율도 있다. 핸드북 표 9-1은 GaAs 셀의 최대출력(Pmax) 기준으로 10 MeV 양성자 1개를 1 MeV 전자 약 1,000개로 바꾸는 근사 계수를 싣는다. 데이터시트의 1×10¹⁵ e/cm²는 1 cm²에 1 MeV 전자 10¹⁵개를 쏜 것과 같은 손상을 입었다는 뜻이다.

태양전지 데이터시트 잔존율(remaining factor) 읽는 법

잔존율은 방사선을 맞은 뒤의 값을 BOL 값으로 나눈 비율이다. 읽을 때는 두 가지를 먼저 본다. 첫째, 기준 조건이다. AZUR SPACE 3G30C-Advanced(2025-04-11)는 AM0(Air Mass 0, 대기권 밖 태양 스펙트럼) 1,367 W/m², Spectrolab XTJ Prime(2022-07-27)은 1,353 W/m² 기준이고 둘 다 28 °C다.

둘째, 시험 절차다. XTJ Prime은 미국항공우주학회(AIAA, American Institute of Aeronautics and Astronautics) S-111-2005 표와 유럽우주표준협력기구(ECSS, European Cooperation for Space Standardization) 표를 따로 싣고, ECSS 표에만 광·온도 어닐링(annealing, ECSS-E-ST-20-08C) 적용 주석이 붙는다. 앞면의 ‘26.7% EOL’은 BOL 30.7%에 ECSS 표의 0.87을 곱한 값이다.

시사점은 두 가지다. 열화는 플루언스에 비례하지 않는다. 1×10¹⁵에서 10배로 늘어도 손실은 2~3배 남짓 늘 뿐이지만, 로그 눈금에서는 0.85~0.89이던 잔존율이 0.63~0.70으로 꺾인다. 또 같은 XTJ Prime도 5×10¹⁴부터 절차에 따라 0.02~0.05가 달라지고, 1×10¹⁵에서는 세 열 모두 최대출력점 전압이 전류보다 크게 준다. EOL 값을 비교하려면 기준 조도·절차·파라미터부터 맞춰야 한다.

LEO·MEO·GEO — 같은 5년이 서로 다른 EOL이 되는 이유

1년에 쌓이는 플루언스가 궤도마다 다르기 때문이다. ESA는 위쪽 밴 앨런대가 만드는 가혹한 환경 때문에 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)의 상한을 고도 2,000 km로 본다. NASA에 따르면 내대(양성자·전자 혼합)는 최저 약 1,000 km까지 내려오고 외대(주로 고에너지 전자)는 최대 약 60,000 km까지 부풀 수 있다. 1,000 km 아래 LEO도 남대서양 이상대(SAA, South Atlantic Anomaly)에서는 방사선이 높아진다(JPL). GPS(Global Positioning System) 위성이 도는 중궤도(MEO, Medium Earth Orbit) 약 20,200 km와 정지궤도(GEO, Geostationary Earth Orbit) 35,786 km는 모두 외대가 부풀 수 있는 범위 안이다.

XTJ Prime 데이터시트는 1×10¹⁴에 ‘10-yr LEO’(10년 LEO), 1×10¹⁵에 ‘15-yr GEO’(15년 GEO)라는 대표 표기를 달았다. 해마다 같은 양이 쌓인다고 가정하면 5년치는 LEO 5×10¹³, GEO 약 3.3×10¹⁴로 3G30C-Advanced 잔존율 0.963과 0.925~0.942 사이다. 벨트 한가운데는 다르다. JPL 핸드북의 계산 예에서 적도 상공 3,000 nmi(해리, 약 5,556 km) 원궤도의 셀은 12 mil(약 305 μm) 커버글라스를 써도 포획 양성자만으로 1년에 1.56×10¹⁶ e/cm²를 받는다. 15년 GEO 표기값의 약 15.6배다.

위성 제원표의 ‘950 W(EOL)’ 읽는 법

2026년 9월 기준 ESA가 공개한 FLEX의 950 W(EOL)은 설계 수명(3.5년과 초기 운용 3개월) 끝에도 이만큼을 내겠다는 약속이다. 방사선 잔존율만 반영하면(가정) 필요한 BOL은 EOL ÷ 잔존율이다. 3G30C-Advanced 표값으로는 수명 말기 플루언스가 5×10¹³이면 약 987 W, 1×10¹⁵이면 약 1,070 W, 1×10¹⁶이면 약 1,507 W다. FLEX의 실제 셀과 BOL 출력은 공개 자료에서 확인되지 않았다.

BOL이 크면 초기에 전력이 남는다. 국제우주정거장(ISS, International Space Station)도 초기 운용 때는 태양전지 날개 하나를 이루는 82개 스트링이 수요보다 훨씬 많은 전력을 낼 수 있어(NASA), 순차 션트 장치(SSU, Sequential Shunt Unit)가 스트링 전류를 차례로 단락(shunt)시켜 160 V 버스 전압을 유지했다. 한편 ESA 발사 미디어 키트(2026-09-14)는 같은 출력을 EOL 표기 없이 ‘about 950 W’로 적었다. 괄호 속 세 글자가 빠지면 숫자의 기준 시점도 사라진다.

전력·에너지 관점

Point. 태양전지의 EOL은 날짜가 아니라 누적 플루언스다. 그리고 위성에는 시계가 두 개 있다. 태양전지는 누적 플루언스로, 배터리는 누적 사이클과 온도·충전 상태(SOC, State of Charge)로 늙고, 먼저 한계선에 닿는 쪽이 전력의 마지막 날을 정한다.

Reason. 잔존율은 시간이 아닌 플루언스의 함수이고, 연간 플루언스는 앞의 가정 계산처럼 궤도에 따라 몇 배에서 천 배 이상 달라진다. NASA/TM-2009-215751은 한 상용 셀이 1년 보관만으로 0% 충전·0 °C(약 273 K)에서는 2% 미만, 100% 충전·40 °C(약 313 K)에서는 약 13%의 비가역 용량(irreversible capacity)을 잃은 사례를 들고, 사이클이 쌓일수록 용량이 준다고 적는다.

Example. FLEX가 전지판과 배터리 양쪽에 EOL을 붙인 것은 두 시계를 따로 관리한다는 표시로 읽힌다(이 글의 해석). 10년 LEO 표기점에서도 잔존율이 0.94인 LEO라면 일식마다 충방전을 쌓는 배터리 시계를 먼저 의심해야 하고, JPL 계산 예의 벨트 한가운데 궤도라면 태양전지 시계가 1년 만에 데이터시트 마지막 칸(1×10¹⁶)을 넘는다.

Point. 그래서 EOL 숫자는 ‘어느 시계의 어느 눈금인가’로 읽어야 한다.

반론과 제약. EOL로 설계했으니 안전하다는 것은 낙관적 독해다. 시계는 고르게 가지 않는다. JPL 핸드북 표 8-3에서 태양 활동 주기 22의 주요 태양 입자 사건 21건 가운데 1989년 10월 19일 사건 하나가 10 MeV 이상 양성자 플루언스 합계의 약 37%를 차지했다. 핸드북은 두 벨트 사이 ‘슬롯(slot)’ 영역 부근에서 방사선 모델 간 차이가 때로 세 자릿수에 이르렀다고도 적는다. Worst-case 여유는 ‘EOL 플루언스 상향 → BOL 전지판 확대 → 질량·관성 증가 → 자세 제어 전력 증가 → 발사 질량 증가’로 번지고, 초기에 단락할 잉여 전류도 늘린다. 배터리도 ‘방열 부족 → 셀 온도 상승 → 용량 손실 가속 → 배터리 증량 → 발사 질량 증가’로 같은 순환에 든다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 데이터시트 잔존율은 1 MeV 전자를 조사한 지상 시험값이다. JPL 핸드북은 수직 입사 단일 에너지 빔의 실험실 데이터를 전방향으로 들어와 커버글라스에 가려지는 궤도 방사선에 그대로 쓸 수 없다고 본다(요지). 실측도 예측과 맞지 않았다. 1987년 발사된 고도 1,100 km 실험 위성의 GaAs 패널은 출력이 연 2.2~4.5% 줄어 예측치 연 약 1%를 웃돌았고(JPL), ISS P6 날개의 첫 26개월 단락전류(Isc, short-circuit current) 열화는 연 0.45%·0.15%로 예측치 연 0.8%보다 작았다(열화량이 분석 불확도 ±3.2%보다 훨씬 작아 NASA는 ‘뚜렷한 열화 없음’으로 결론). 빨리 감기도 다르다. 1×10¹⁵~1×10¹⁶ e/cm² 전자 조사는 보통 몇 시간이면 끝나지만(JPL), NASA 배터리 지침은 가속 계수를 2 이하로 권고한다. 5년 임무라면 지상 확인에도 최소 2.5년이 든다.

정리하면 BOL은 출발선, EOL은 끝까지 지킬 약속이며, 그 기한은 달력이 아니라 태양전지가 맞은 입자의 양과 배터리의 사용 이력이 정한다.