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201905.08

플라즈마, 인공위성의 눈을 만들다

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/929

우주 광학용 SiC 소재, 초정밀 연마 기술 개발

 

 천둥과 번개를 다스리는 어벤져스의 영웅 ‘토르’, 그의 힘은 마법의 망치 ‘묠니르’를 만나 완성됩니다. 묠니르는 전자기장을 완벽하게 조종할 수 있으며, 마법 에너지 블라스트를 발사해 지축을 흔드는 지진파를 만들기도 합니다. 비, 바람, 천둥을 조종해 폭풍을 일으킬 수도 있죠.

 

 그럼 이것도 가능할까요? 다이아몬드 다음으로 단단한 물질인 실리콘 카바이드(SiC) 표면을 머리카락 두께의 10만분의 1 정도인 0.5㎚(나노미터, 1㎚=1×10-9m) 수준으로 연마해 인공위성 카메라 렌즈로 만드는 건 어떨까요? 천하의 토르도 멈칫할 미션이지만 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터 연구진이라면 가능합니다.

 

 플라즈마는 전자와 원자로 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째를 말합니다. 토르가 다스리는 번개도 플라즈마의 일종이죠. 플라즈마는 번개 같은 자연 현상으로만 있는 것이 아니라 반도체나 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 기술이기도 합니다. 그동안 다양한 표면처리 기술로 첨단산업을 이끌어온 플라즈마가 이번엔 인공위성의 주요 부품 중 하나인 자유형상 초정밀 광학계 가공에도 도전장을 내밀었습니다. 우주 광학용 SiC 소재 초정밀 플라즈마 연마 기술 개발을 이끈 융복합기술연구부 최용섭 부장과 석동찬, 이강일, 장수욱 연구원에게 그 의미를 물었습니다.

 


번개 모양의 대기압 플라즈마를 균일하게 제어하는 기술이 SiC 가공 기술의 핵심이다. <사진출처 = SCEI>

 


|최고의 우주 소재를 가공할 최고의 장비 개발


 인공위성의 눈이라 불리는 광학계는 일반 카메라 렌즈와 기능 및 구조가 흡사한데요. 지구상공 1만㎞ 밖에서 지상 10㎝ 크기의 물체도 선명하게 촬영하려면 가공 시 미세한 흠집도, 우주 환경에서도 작은 변형도 허용되지 않습니다. 초기에는 주로 유리가 사용됐지만 영상 120℃에서 영하 -180℃를 오가는 우주의 큰 온도 차는 유리가 감당하기 어려운 환경입니다.

 

 “SiC는 열에 늘어나지도 녹지도 않아요. 산을 부어도 끄떡 없습니다. 유일한 단점은 유리보다 10배 이상 단단해 제작이 어렵다는 점입니다.”

 

 최용섭 부장은 SiC야 말로 최고의 우주소재라고 설명합니다. SiC는 이미 금속을 가공하는 공구를 비롯해 항공기용 타이어와 브레이크에도 폭넓게 적용돼 왔습니다. 무게 또한 유리의 1/3에 불과해 경량화가 중요한 인공위성 소재로 제격입니다. 문제는 최고의 소재를 연마할 장비가 없다는 사실입니다. 기존의 기계가공법은 두 단계의 복잡한 제작공정을 거쳐야 합니다.

 

 “철과 같은 금속은 연성이 좋아서 드릴이나 톱을 이용해 원하는 대로 구멍도 뚫고 깎을 수 있어요. 망치로 때리면 늘어나거나 끊어져 가공이 용이해요. 반면 유리와 다이아몬드, SiC 같은 소재는 강제로 깎으려고 덤비면 표면에 미세한 금이 가면서 깨져버리곤 합니다.”

 

 플라즈마 전문가들은 플라즈마야말로 물리적인 충격 없이 SiC의 표면을 가공할 최적의 도구임을 알았습니다. 대기압플라즈마 표면가공기술은 이미 LCD, 금속, 고무, 플라스틱 등 다양한 소재의 표면에 코팅력, 도금력, 증착력, 인쇄력과 같은 특성을 부여하는 시도를 성공으로 이끌었으니까요.

 

 2016년 한국기초과학지원연구원, 해양과학원과 함께하는 창의융합과제가 시작됐습니다. 이들에게 주어진 미션은 플라즈마를 이용해 해양관측위성의 SiC 광학계를 가공하는 기술 개발이었습니다. 그간 다양한 플라즈마 융복합연구를 진행해온 석동찬, 이강일, 장수욱 연구원이 각각 대기압플라즈마 식각툴(발생원), 원자층식각장치, 이온빔을 이용한 이온원 개발을 담당하며 본격적으로 우주를 향한 꿈을 쏘아 올렸습니다.

 

(왼쪽부터)장수욱, 이강일, 석동찬 연구원

 

 


|번개와 구름 장점 모든 하이브리드 플라즈마로 문제 해결

 

 연구팀이 개발한 기술은 대기압플라즈마의 불규칙한 모양과 세기를 제어한 ‘대기압 하이브리드 플라즈마 발생원’으로 일종의 조각칼이라 할 수 있습니다.

 

 대기압 플라즈마는 구름처럼 떠있는 형상의 ‘글로우’ 구조와 번개나 플라즈마 볼 속에서 뻗어나가는 ‘필라멘트’ 구조로 나뉘는데요. 대기압 환경에서 필라멘트 방전은 또 세기와 모양에 따라 세고 불규칙한 아크, 간헐적인 스파크, 보다 연하게 빛나는 스트리머 등으로 구분됩니다.

 

 반도체 소재로 사용되는 실리콘은 글로우 플라즈마로도 식각이 가능하지만 단단한 SiC 소재를 식각하려면 보다 강력한 필라멘트가 필요합니다. 하지만 번쩍하는 순간 가지모양으로 사방으로 뻗치는 번개를 붙잡아 광학계 표면을 가공하면 결이 엉성한 빗자루가 지나간 것처럼 불규칙한 스크래치가 남겠죠.

 

 문제는 대기압에서 필라멘트 구조를 조절하기가 어렵다는 점입니다. 플라즈마가 조금만 세도 번개형태의 아크로 나타나거나 조금만 약해도 글로우가 됩니다. 연구진은 수많은 시행착오 끝에 글로우와 필라멘트가 공존하는 최적의 플라즈마 전극형태와 구조를 도출했습니다.

 

 “실험 중 특이한 결과들이 나올 때마다 기록하고 기억하고 있다가 다시 재현하며 글로우와 필라멘트가 안정적으로 공존하는 형태의 하이브리드 조건을 완성했습니다.” 석동찬 연구원은 시행착오의 결과였다고 말하지만, 이는 수 없이 많은 실험으로 완성된 노력의 다른 이름이었습니다.

 

 연구진은 압축 소결된 SiC로 최적공정을 도출하고, 웨이퍼 상태의 SiC를 사용해 성능을 검증했습니다. 이미 2017년 바늘처럼 뾰족한 점상형 대기압 플라즈마의 연마도를 5㎚수준으로 개발했으며, 2018년에는 0.5㎚이하까지 개선했습니다. 진공플라즈마를 이용할 경우 0.2㎚의 초미세 연마도 가능합니다. 처음 목표였던 거칠기 1㎚ 보다도 2배 이상 우수한 능력입니다. 대기압 SiC 정밀 연마 장치는 SiC의 보정 연마기로 사용 가능하며, 진공 장치의 경우 실리콘과 카본 두 가지 원소가 결합한 SiC를 단순히 깎는 게 아닌 원자를 한 층, 한 층 벗겨내는 개념을 최초로 적용한 ‘SiC 원자층 단위 식각 (Atomic Layer Etching)’ 원천기술입니다.

 


플라즈마 볼을 통해 대기압 필라멘트의 형상을 볼 수 있다. <사진출처=pxhere>

 


|2차 산업화 과제 추진으로 다양한 응용과 성능향상 기대

 

 새로운 조각칼의 장점은 이것만이 아닙니다. 두 단계로 진행되던 SiC 가공 공정도 한 번으로 줄였습니다. 지금까지는 1차 기계 가공으로 SiC를 빠르게 깎아 낸 후 거칠어진 표면을 이온빔을 이용해 미세하게 다듬는 폴리싱 단계가 필요했는데요. 플라즈마를 이용하면 대상면이 거칠어지지 않기에 한 번의 공정으로도 충분합니다.

 

 이들의 도전은 끝이 아닙니다. 올해는 2단계 산업화 개발 단계로 진입하며 실제 산업현장에서 쓸 수 있는 600㎜ 직경을 갖는 대상물 가공을 목표로 사용자 편의성이 가미된 플라즈마 가공기 개발에 돌입했습니다.

 

 연구진은 우주광학 및 첨단소재 분야는 기술안보가 철저한 만큼 연구성과가 더욱더 값지다고 하는데요. 이강일 연구원은 “인공위성은 각국의 미래전략산업이자 국방력을 결정짓는 전략기술이기에 기술의 외부 공개와 이전이 엄격히 제한돼 있다”며 “지금까지는 인공위성 광학계 (렌즈 또는 반사경 등)를 일본 등 몇몇 국가에서 제작했지만 우주개발과 첨단산업 발전을 위해서는 우리나라 자체 기술 개발이 중요하다”고 강조했습니다.

 

 사실 이번 연구의 목적은 플라즈마 자체가 아니었습니다. 플라즈마를 이용해 광학계를 가공하는 게 목표죠. 연구진은 SiC와 플라즈마의 상호작용에 대한 기반 연구가 없는 상황에서 새로운 분야를 공부해야 하는 시간적, 자원적 어려움도 극복해야 했습니다. 장수욱 연구원은 “이번 과제는 원천기술 개발을 넘어 제품화를 목표로 3개 기관이 협력하는 융합과제인 만큼 핵융합연구소의 역할을 다해야 한다는 책임감을 갖고 임했다”며 진행 과정의 긴장감도 전했습니다.

 

 초고순도 SiC 소재는 전기자동차, 하이브리드카 등의 전력소자, 태양광소자의 에너지 변환소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자제품용 전력소자로도 사용이 기대되는 만큼 이번 가공기술 개발은 앞으로 큰 활약이 기대되는데요.

 

 연구진은 되묻습니다. “SiC에 대해 알았고, 가공할 도구도 개발했으니 이제 응용과 성능향상은 보다 쉽지 않을까요?” 마법의 망치 ‘묠니르’를 손에 넣은 토르와 같은 자신감 넘치는 표정에서 플라즈마 가공 장비의 국산화 길을 열어가는 연구팀의 다음 성과가 기다려집니다.

 

필라멘트와 글로우 구조의 플라즈마를 균형있게 발생하는 하이브리드 플라즈마 발생장치

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