윤효상 연구실
항공우주공학과 윤효상
윤효상 연구실은 항공우주공학 분야에서 첨단 위성 시스템, 광학 통신, 자세결정 및 제어, 그리고 차세대 광학소자 개발에 집중하는 연구실입니다. 연구실은 위성 간 고속 데이터 전송을 위한 레이저 광통신 시스템과, 이를 지원하는 광학 지상국 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 기존의 RF 통신 방식의 한계를 극복하고, 소형화·경량화된 위성에서도 고속·고신뢰성 통신이 가능하도록 다양한 실험과 시뮬레이션, 시스템 설계를 수행하고 있습니다.
또한, 연구실은 초저고도 위성(VLEO) 설계 및 운용, 그리고 위성의 자세결정 및 제어 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 초저고도 위성은 고해상도 지구관측이 가능하지만, 대기 저항 등으로 인한 수명 단축 문제를 해결하기 위해, 구조 설계, 환경 해석, 임무 시뮬레이션, 통신 및 자세제어 등 다양한 서브시스템의 통합적 연구가 이루어지고 있습니다. 별 추적기, 태양센서, GNSS RO SDR 등 첨단 센서와, 제어모멘트자이로, 반작용휠 등 다양한 액추에이터의 개발 및 최적화도 활발히 진행 중입니다.
연구실은 또한, 초박형·적응형 광학소자 및 우주용 스마트 소재 개발에도 앞장서고 있습니다. 레이저 유도 그래핀 기반의 초박형 회절광학소자, 메타렌즈, 슈퍼렌즈 등은 위성 탑재체의 소형화와 다기능화에 기여하며, 우주 환경에서의 내구성과 신뢰성을 확보하기 위한 소재 공정 및 패터닝 기술의 혁신이 이루어지고 있습니다. 친환경적이고 효율적인 직접 레이저 묘화 방식은 다양한 광학 특성 구현과 대량생산에 유리합니다.
이외에도, 위성 자세결정 센서의 보정 및 캘리브레이션, 위성 진동 억제, 궤도 이탈 유도제어, 위성 군집 운용, 우주 환경 적응형 시스템 등 다양한 연구가 병행되고 있습니다. 이러한 연구들은 국방, 기상, 우주 인터넷, 지구관측, 우주환경 모니터링 등 다양한 분야에서 실질적인 파급효과를 기대할 수 있습니다.
윤효상 연구실은 국내외 다양한 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해, 대한민국 우주기술의 글로벌 경쟁력 강화에 기여하고 있습니다. 앞으로도 차세대 위성 시스템, 광학 통신, 스마트 광학소자 등 혁신적인 연구를 지속하여, 우주항공 분야의 미래를 선도할 계획입니다.
Star Tracker
Inter-Satellite Optical Communication
Digital Sun Sensor
위성 간 레이저 광통신 및 광학 지상국 개발
윤효상 연구실은 위성 간 고속 데이터 전송을 실현하기 위한 레이저 광통신 시스템과 광학 지상국 개발에 집중하고 있습니다. 기존의 RF 통신 방식은 대형 안테나와 높은 전력 소모, 낮은 데이터 전송 속도 등 여러 한계가 존재합니다. 이를 극복하기 위해 연구실에서는 레이저를 이용한 광통신 기술을 도입하여, 지상국과 위성, 그리고 위성 간의 통신 효율을 획기적으로 향상시키고자 합니다. NASA의 LLCD 프로젝트에서 보여준 바와 같이, 레이저 통신은 RF 대비 수백 배 이상의 데이터 전송 속도를 제공할 수 있으며, 소형화와 경량화에도 유리합니다.
광학 지상국의 개발에서는 30cm 직경의 망원경을 활용하여, 위성의 미세한 움직임까지도 정확하게 추적할 수 있는 시스템을 구축하고 있습니다. 위성의 궤도 운동과 자세 제어, 그리고 광학 시스템의 정밀한 설계가 필수적이며, 실제로 다양한 위성 추적 실험을 통해 그 성능을 입증하고 있습니다. 또한, 위성 간 레이저 통신 시스템의 경우, 1U 크기의 소형 위성에서도 4,000km 이상의 거리에서 안정적으로 통신이 가능하도록 소형화, 견고성, 신뢰성, 실현 가능성에 중점을 두고 연구가 진행되고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 저궤도 위성 군집 및 큐브위성 미션에서 필수적인 기술로, 국방, 기상, 우주 인터넷 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다. 앞으로는 위성 간 레이저 링크 시뮬레이션, 지상-우주 간 광통신, 그리고 실시간 임무 시뮬레이션 등으로 연구 범위를 확장하여, 대한민국 우주통신 기술의 글로벌 경쟁력을 높이는 데 기여하고자 합니다.
초저고도 위성 및 자세결정·제어 기술
연구실은 초저고도(VLEO) 위성의 설계와 운용, 그리고 위성의 자세결정 및 제어(Attitude Determination and Control) 기술 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 초저고도 위성은 지구 대기의 영향을 크게 받아 수명이 짧아지는 단점이 있지만, 지상과의 거리가 가까워 고해상도 영상 획득이 가능하다는 장점이 있습니다. 이를 위해서는 위성의 구조 설계, 저고도 우주환경 해석, 임무 시뮬레이션, 그리고 통신 및 자세제어 등 다양한 서브시스템의 통합적 시스템 엔지니어링이 필요합니다.
특히, 연구실은 별 추적기(Star Tracker), 태양센서(Sun Sensor), GNSS Radio Occultation 수신기 등 첨단 자세결정 센서의 개발과, 제어모멘트자이로(CMG), 반작용휠 등 다양한 자세제어 액추에이터의 성능 최적화에 주력하고 있습니다. 별 추적기는 수만 개의 별 데이터베이스를 활용하여 위성의 정확한 자세를 결정하며, 태양센서는 저전력·경량화와 넓은 시야각을 동시에 달성하도록 설계되고 있습니다. GNSS RO SDR의 경우, 지구 대기 관측을 위한 고감도 수신기와 오픈루프 트래킹 기술이 적용되어, 대기 파라미터의 정밀한 산출이 가능합니다.
이와 더불어, 자세결정 센서의 보정 및 캘리브레이션, 위성 진동 억제 및 최적화, 궤도 이탈 유도제어 등 다양한 연구가 병행되고 있습니다. 이러한 기술들은 초저고도 위성의 장기 운용과 임무 성공률을 높이는 데 핵심적인 역할을 하며, 국방, 지구관측, 우주환경 모니터링 등 다양한 분야에서 실질적인 파급효과를 기대할 수 있습니다.
초박형·적응형 광학소자 및 우주용 스마트 소재
연구실은 우주 및 항공 분야에서 요구되는 초박형, 경량형, 그리고 적응형 광학소자 개발에도 집중하고 있습니다. 최근에는 레이저 유도 그래핀(LIG) 기반의 초박형 회절광학소자, 메타렌즈, 슈퍼렌즈 등 차세대 광학 기술을 활용하여, 위성 탑재체의 소형화와 다기능화를 실현하고 있습니다. 이러한 광학소자는 우주 환경에서의 내구성, 신뢰성, 그리고 실시간 광학 특성 조절이 가능해야 하므로, 소재 공정 및 패터닝 기술의 혁신이 필수적입니다.
특히, 직접 레이저 묘화(Direct Laser Writing) 방식은 기존 반도체 리소그래피나 나노임프린트 공정 대비 친환경적이고, 공정이 단순하며, 다양한 기하학적 구조와 광학 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 연구실은 전기적으로 조절 가능한 초박형 광학소자, 스마트 텍스타일, 우주용 온도/변형 센서 등 다양한 응용 분야에 적합한 소재와 소자를 개발하고 있습니다. 실제로, 우주복 및 우주망원경에 적용 가능한 LIG 기반 스마트 소재는 높은 광흡수율, 우수한 열 확산성, 신뢰성 등에서 탁월한 성능을 보이고 있습니다.
이러한 연구는 우주탐사, 위성 광학 탑재체, 실시간 표면 프로파일링, 차세대 모바일 기기 등 다양한 산업 분야로 확장될 수 있습니다. 앞으로는 초박형 광학소자의 대량생산, 우주환경 적합성 검증, 그리고 실시간 광학 특성 제어 기술을 통해, 우주 및 항공 분야의 혁신적인 광학 솔루션을 제공할 계획입니다.
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Green Manufacturing of Electrically-Tunable Smart Light-Weight Planar Optics: A Review.
Dongwook Yang, Younggeun Lee, Hyeokin Kang, Quang Huy Vu, Guseon Kang, Seung Eon Lee, Hyogeun Han, Seunghwan Kim, Han Ku Nam, Soongeun Kwon, Hyug-Gyo Rhee, Joohyung Lee, Hongki Yoo, Hyosang Yoon, Young-Jin Kim
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2024.05
2
Analytic pointing error evaluation on nano-satellite laser communication system
Baeck, K., Wi, J., Yoon, H.
Optics Comunications, 2024
3
Ultra-thin light-weight laser-induced graphene (LIG) diffractive optics
Lee, Y., Low, M., Yang, D., Nam, H., Le, TSD., Lee, S., Han, H., Kim, S., Vu, Q., Yoo, H., Yoon, H., Lee, J., Sandeep, CSS., Lee, K., Kim, S., Kim, Y.
Light: Science & Applications, 2023
2
(통합EZ)극초단 레이저 직접묘화 기반 초박형/적응형 슈퍼/메타렌즈 패터닝(2024년도)
3
(RCMS)(초)소형 관측 위성용 데이터 송/수신 시스템 연구 (HS-32)(2024년도)
