눈을 만드는 플라즈마 인공위성인

 우주광학용 SiC소재, 초정밀 연마기술 개발

벼락을 다스리는 어벤져스의 영웅 토르, 그의 힘은 마법의 해머 뮬니를 만나면서 완성됩니다. 므조르니아는 전자기장을 완벽하게 조종할 수 있고 마법에너지 블라스트를 발사해 지축을 뒤흔드는 지진파를 만들기도 합니다. 비, 바람, 번개를 조종하여 폭풍을 일으킬 수도 있는 것입니다.

그럼 이것도 가능할까요? 다이아몬드 다음으로 단단한 물질인 실리콘 카바이드(SiC) 표면을 머리카락 두께의 10만분의 1 정도의 0.5인치(나노미터, 1蕂=1×10-9m) 수준으로 연마해서 인공위성 카메라 렌즈로 만드는 것은 어떨까요? 천하의 토르도 주춤하는 미션이지만 국가핵융합연구소 플라즈마 기술연구센터 연구진이면 가능합니다.

플라즈마는 전자와 원자로에 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 네 번째를 말합니다. 토르가 다스리는 번개도 플라즈마입니다. 플라즈마는 번개 같은 자연현상뿐만 아니라 반도체나 디스플레이 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있는 기술이기도 합니다. 그동안 다양한 표면처리 기술로 첨단산업을 이끌어온 플라스마가 이번에는 인공위성의 주요 부품 중 하나인 자유형상의 초정밀 광학계 가공에도 도전하고 있습니다. 우주광학용 SiC 소재의 초정밀 플라즈마 연마기술 개발을 이끈 융복합기술연구부 최영섭 부장과 석동찬, 이강일, 장수욱 연구원에게 그 의미를 물었습니다.

번개 모양의 대기압 플라즈마를 균일하게 제어하는 기술이 SiC 가공기술의 핵심이다. <사진출처=SCEI > 최고의 우주소재를 가공하는 최고의 장치개발인 인공위성의 눈이라 불리는 광학계는 일반 카메라의 렌즈와 기능 및 구조가 비슷합니다. 지구 상공 1만 km 떨어진 곳에서 지상 10cm의 물체도 선명하게 촬영하려면 가공할 때의 미세한 상처도, 환경에서도 작은 변형도 인정받지 못합니다. 초기에는 주로 유리가 사용되었지만, 영상 120℃에서 영하 -180℃까지의 우주의 큰 온도차는 유리에는 어려운 환경입니다.

「SiC는 열로 신장도 녹지도 않습니다. 산을 부어도 괜찮습니다. 유일한 단점은 유리보다 10배 이상 튼튼해 제작이 어렵다는 점입니다.

최영섭 부장은 SiC야말로 최고의 우주 소재라고 말합니다. SiC는 금속 가공용 공구를 비롯해 항공기용 타이어와 브레이크에도 폭넓게 채택되고 있습니다. 무게도 유리의 13으로 경량화가 중요한 인공위성 소재로도 최적입니다. 문제는 최고의 소재로 연마할 수 있는 장비가 없다는 겁니다. 기존의 기계가공법은 2단계의 복잡한 제작 공정을 거쳐야 합니다.

쇠 같은 금속은 연성이 좋아 드릴이나 톱으로 구멍을 내고 깎을 수 있습니다. 망치로 두드리면 늘어나거나 끊어지기 때문에 가공이 용이합니다. 반면 유리 다이아몬드 SiC 같은 소재는 강제로 깎으려고 하면 표면에 미세한 금이 가 깨질 수 있습니다.

플라즈마 전문가들은 플라즈마야말로 물리적으로 충격을 주지 않고 SiC 표면을 가공할 수 있는 최적의 도구라는 사실을 알게 되었습니다. 대기압 플라즈마 표면가공기술은 이미 LCD, 금속, 고무, 플라스틱 등 다양한 소재 표면에 코팅력, 도금력, 증착력, 인쇄력과 같은 특성을 부여하는 시도를 성공시켰기 때문입니다.

2016년 한국기초과학지원연구원, 해양과학원과 함께하는 창의융합과제가 시작되었습니다. 이들에게 부여된 미션은 플라즈마를 이용해 해양 관측 위성의 SiC 광학계를 가공하는 기술 개발이었습니다. 그동안 다양한 플라스마 융복합 연구를 수행한 석동찬 이강일 장수욱 연구원이 각각 대기압 플라스마 에칭툴(발생원), 원자층 에칭장치, 이온빔을 이용한 이온원 개발을 담당하면서 우주에 대한 꿈을 본격적으로 쏘아 올렸습니다.

(왼쪽부터) 장수욱, 이강일, 석동찬 연구원이 번개와 구름, 그리고 문제해결 연구팀이 개발한 기술은 대기압 플라즈마의 불규칙한 형태와 강도를 제어한 ‘대기압 하이브리드 플라즈마 발생원’으로 일종의 조각도라고 할 수 있습니다.

대기압 플라즈마는 구름처럼 떠 있는 모양의 ‘글로우’ 구조와 번개, 플라즈마 볼 속에서 뻗어나가는 ‘필라멘트’ 구조로 나뉩니다. 대기압 환경에서 필라멘트 방전은 또한 강도와 모양에 따라 강하고 불규칙한 아크, 간헐적인 스파크, 더 얇게 빛나는 스트리머 등으로 구분됩니다.

반도체 소재로 사용되는 실리콘은 글로우 플라스마에서도 식각이 가능하지만 단단한 SiC 소재를 식각하기 위해서는 보다 강력한 필라멘트가 필요합니다. 하지만 빛이 나는 순간 가지 모양으로 사방으로 뻗는 번개를 잡아 광학계 표면을 가공하면 나뭇결이 거친 빗자루가 뚫린 것처럼 불규칙한 스크래치가 남을 것입니다.

문제는 대기압으로 인해 필라멘트의 구조를 조정하기 어렵다는 점에 있습니다. 플라스마가 조금 강하면 번개형 아크로 나타나거나 조금 약해도 글로우가 됩니다. 연구팀은 수많은 시행착오 끝에 글로우와 필라멘트가 공존하는 최적의 플라즈마 전극의 형태와 구조를 도출해 냈습니다.

실험 중 특이한 결과가 나올 때마다 기록하고 기억했다가 다시 재현해 글로와 필라멘트가 안정적으로 공존하는 형태의 하이브리드 조건을 완성했습니다.

연구진은 압축 소결된 SiC로 최적 공정을 도출하고 웨이퍼 상태의 SiC를 사용하여 성능을 검증하였습니다. 이미 2017년에 바늘처럼 뾰족한 점상의 대기압 플라즈마 연마도를 5개 수준으로 개발했으며, 2018년에는 0.5개 이하까지 개선한 바 있습니다. 진공 플라즈마 이용시 0.2°의 초미세 연마도 가능합니다. 당초 목표했던 거칠기 1L보다 2배 이상 뛰어난 능력입니다. 대기압 SiC정밀 연마장치는 SiC의 보정연마기로 사용될 수 있으며 진공장치의 경우 실리콘과 카본의 2개 원소가 결합된 SiC를 단순히 깎는 것이 아니라 원자를 한 층 벗겨내는 개념을 최초로 적용한 “SiC원자층단위 에칭(Atomic Layer Etching)”의 원천기술입니다.

플라스마볼을 통해 대기압 필라멘트의 형상을 볼 수 있다. <사진출처=pxhere > 2차 산업화 과제 추진으로 다양한 응용과 성능 향상에 기대되는 새로운 조각도의 장점은 이것만이 아닙니다. 2단계에서 실시하던 SiC 가공 공정도 일괄적으로 마무리했습니다. 기존에는 1차 기계가공으로 SiC를 빠르게 깎아낸 후 표면을 이온빔으로 세밀하게 마무리하는 폴리싱 단계가 필요했는데요. 플라스마를 이용하면 대상면이 거칠어지지 않기 때문에 1회 공정으로 충분합니다.

그들의 도전은 끝이 아닙니다. 올해는 2단계 산업화 개발단계에 진입하여 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 600mm의 직경을 가진 대상물 가공을 목표로 사용자의 편의성을 고려한 플라즈마 가공기 개발에 돌입하였습니다.

연구진은 우주광학 및 첨단소재 분야는 기술안보가 철저한 만큼 연구 성과가 더욱 중요하다고 합니다. 이강일 연구원은 “인공위성은 각국의 미래 전략산업인 동시에 국방력을 결정하는 전략기술이어서 기술의 외부 공개와 이전은 엄격히 제한돼 있다”며 “지금까지는 인공위성광학계(렌즈 또는 반사경 등)를 등 몇몇 나라에서 제작했지만 우주개발과 첨단산업 발전을 위해서는 한국의 독자기술 개발이 중요하다”고 강조했다.

사실 이번 연구의 목적은 플라즈마 자체가 아니었어요. 플라스마를 이용하여 광학계를 가공하는 것이 목표입니다. 연구진은 SiC와 플라즈마 상호작용에 대한 기반연구가 없는 상황에서 새로운 분야를 공부해야 시간적, 자원적 어려움도 극복해야 했습니다. 장수욱 연구원은 이번 과제는 원천기술 개발뿐 아니라 제품화를 목표로 하는 3개 기관이 협력하는 융합과제인 만큼 핵융합연구소 역할을 해야 한다는 책임감을 갖고 임했다며 진행과정에서 긴장감을 감추지 않았다.

초고순도 SiC 소재는 전기자동차, 하이브리드카 등의 전력소자, 태양광소자의 에너지 변환소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자제품용 전력소자로 사용될 것으로 기대되는 만큼 이번 가공기술 개발은 앞으로 크게 활약할 것으로 기대됩니다.

연구진은 되묻습니다. “SiC에 대해 알고 가공할 도구도 개발했으니 응용과 성능 향상은 더 쉽지 않을까요?” 마법의 망치 뮬니를 손에 넣은 토르처럼 자신감 넘치는 표정으로 플라즈마 가공장비의 국산화의 길을 열어가는 연구팀의 다음 성과가 기대됩니다.

필라멘트와 글로우 구조의 플라즈마를 균형있게 발생시키는 하이브리드 플라즈마 발생장치