우주 광학용 SiC소재, 초정밀 연마 기술 개발의 천재라는 번개를 다스리는 어벤져스의 영웅”토르”그의 힘은 마법의 망치”무 조르반 니어”을 만나서 완성됩니다.무 조르반 니어는 전자기장을 완벽하게 구사할 수 있는 마법 에너지 블라스트를 발사하고 지축을 흔드는 지진파를 만들 수도 있습니다.비, 바람, 천둥을 치고 폭풍을 일으킬 수도 있습니다.그럼 이것도 가능할까요?다이아몬드의 다음에 딱딱한 물질인 실리콘 카바이드(SiC)표면을 머리카락 굵기의 10만분의 1정도의 0.5nm(나노 미터 1nm=1×10-9m)수준으로 연마하고 인공 위성 카메라 렌즈 할까요?천하의 토르도 그쳐밋션입니다만, 국가 핵 융합 연구소 플라스마 기술 연구 센터의 연구진에 가능합니다.플라스마는 전자와 원자에 떨어지고 자유롭게 움직이는 물질의 4번째의 것입니다.토르가 다스리는 번개도 플라즈마의 일종입니다.플라스마는 번개 같은 자연 현상뿐만 아니라 반도체나 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 기술이기도 합니다.그동안 다양한 표면 처리 기술에서 첨단 산업을 이끌어 온 플라스마가 이번에는 인공 위성의 주요 부품 중 하나인 자유형 초정밀 광학계 가공에도 도전장을 내밀었습니다.우주 광학용 SiC소재의 초정밀 플라스마 연마 기술의 개발을 이끈 융복합 기술 연구부 최·용소프 부장과 석·이동찬 이·암 일본 장·스욱 연구원에 그 뜻을 물었습니다.
번개 모양의 대기압 플라즈마를 균일하게 제어하는 기술이 SiC 가공 기술의 핵심이다. <사진출처=SCEI>최고의 우주소재를 가공하는 최고의 장비개발
인공 위성의 눈이라고 불리는 광학계는, 일반 카메라 렌즈와 기능이나 구조가 비슷합니다.지구 상공 1만 km밖에서 지상 10cm크기 물체도 선명하게 촬영하기 위해서는 가공 시 미세한 상처도 우주 환경에서도 작은 변형도 허락되지 않습니다.초기에는 주로 유리가 사용되고 있었지만, 영상 120℃에서 영하-180℃을 오가는 우주의 큰 온도차는 유리가 견디기 어려운 환경입니다.”SiC는 열에 신장도 녹지도 않아요.산을 쏟고도 꿈쩍도 하지 않아요.유일한 단점은 유리보다 10배 이상 딱딱한 것으로 제작이 어렵다는 점입니다최·용소프 부장은 SiC가 최고의 우주 소재다라고 설명합니다.SiC는 이미 금속을 가공하는 공구를 비롯한 항공기용 타이어, 브레이크도 폭넓게 적용되어 왔습니다.무게도 유리 3분의 1에 불과하고 경량화가 중요한 인공 위성 소재로 최적입니다.문제는 최고의 소재를 연마하는 장비가 없다는 사실입니다.기존의 기계 가공 법은 2단계의 복잡한 제작 공정을 거쳐야 합니다.” 철석같은 금속은 연성이 좋아 드릴이나 톱을 이용하고 알아서 구멍도 열어 줄 수 있습니다.망치로 두드리게 자라거나 끊기거나 하여 가공이 용이합니다.한편 유리와 다이아몬드 SiC 같은 소재는 강제적으로 없앤다고 하면 미세한 금이 가 쪼개질 수 있습니다.”플라스마 전문가들은 플라즈마이야말로 물리적인 충격 없이 SiC의 표면을 가공하는 최적의 도구임을 알았습니다.대기압 플라즈마 표면 가공 기술은 이미 LCD, 금속, 고무, 플라스틱 등 다양한 소재의 표면에 코팅력, 도금력, 증착력, 인쇄력이라는 특성을 부여하려는 시도를 성공으로 이끈 때문입니다.2016년 한국 기초 과학 지원 연구원 해양 과학원과 함께 하는 창의 융합 과제가 시작되었습니다.그들에게 주어진 미션은 플라즈마를 이용하고 해양 관측 위성 SiC광학계를 가공하는 기술 개발이었습니다.그동안 다양한 플라스마 융복합 연구를 진행하고 온 석·이동찬 이·암 일본 장·스욱 연구원이 각각 대기압 플래즈머 에칭 툴(발원), 원자층 에칭 장치, 이온 빔을 이용한 이온원 개발을 맡으면서 본격적으로 우주를 향한 꿈을 발사했다.
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(왼쪽부터) 장수욱 이강일 석동찬 연구원 번개와 구름의 장점 모든 하이브리드 플라즈마로 문제 해결
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새로운 조각 칼의 이점은 이것만이 아닙니다.2단계로 나아가고 있던 SiC가공 공정도 한번으로 줄였습니다.지금까지 한차 기계 가공에서 SiC를 빨리 깎아 낸 뒤 거친 표면을 이온 빔을 이용하고 미세하게 갖춘 폴리싱 단계가 필요했습니다.플라스마를 이용하면 대상면이 갈라지지 않으니까, 한번의 공정에서 충분합니다.그들의 도전은 끝이 없습니다.올해는 제2단계 산업화 개발 단계에 접어들면서 실제 산업 현장에서 사용할 수 있는 600㎜직경을 가지는 대상물 가공을 목표로 사용자 편의성이 가미된 플라스마 가공기 개발에 돌입했습니다.연구진은 우주 광학 및 첨단 소재 분야는 기술 안보가 철저한 만큼 연구 성과가 더 가치가 있다고 합니다.이·암 일본 연구원은 “인공 위성은 각국의 미래 전략 산업인 국방력을 결정하는 전략 기술이기 때문에, 기술의 외부 공개와 이전이 엄격히 제한된 “이라며”지금까지는 인공 위성 광학계(렌즈 또는 반사경 등)을 일본 등 몇몇 나라에서 제작했지만 우주 개발과 첨단 산업 발전을 위해서는 한국 자체 기술 개발이 중요하다”라고 강조했습니다.실제로 이번 연구의 목적은 플라즈마 자체가 없었습니다.플라스마를 이용하고 광학계를 가공하는 것이 목표입니다.연구진은 SiC와 플라스마의 상호 작용에 대한 기반 연구가 없는 상황에서 새로운 분야를 공부해야 할 시간적 자원적 어려움도 극복해야 했어요.장·스욱 연구원은 “이번 과제는 원천 기술 개발을 넘어 제품화를 목표로 3기관이 협력하고 융합 과제인 만큼 핵 융합 연구소의 역할을 해야 한다는 책임감을 갖고 임하다”로 진행 과정의 긴장감도 전했습니다.초고 순도 SiC소재는 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등의 전력 소자, 태양 광선 소자의 에너지 변환 소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자 제품용 전력 소자로 사용이 기대되는 만큼 이번의 가공 기술 개발은 향후 큰 활약이 기대됩니다.연구자들은 되묻겠습니다.”SiC에 대해서 알고 가공하는 도구도 개발했기 때문에 이제 응용과 성능 향상은 더 쉽지는 않겠죠?”마법의 망치”무 조르반 니어”을 든 소 같은 자신감 넘치는 표정으로 플라즈마 가공 장비 국산화의 길을 열어 나가는 연구 팀의 다음의 성과가 기다려집니다.
필라멘트와 글로우 구조의 플라즈마를 균형 있게 발생시키는 하이브리드 플라즈마 발생 장치
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