플라즈마, 인공위성의 눈을 만들다

우주광학용 SiC소재, 초정밀 연마 기술의 개발뢰를 다스리는 어벤져스의 영웅 "톨", 그의 힘은 마법의 망치 "뮬니르"를 완성합니다. ョ닐은 전자계를 완벽하게 조종할 수 있습니다.또 마법 에덕지 브라스트를 발사해 지축을 흔드는 지진파를 만들기도 합니다. 비, 바람, 천둥을 조종하여 폭풍을 하나로 묶을 수도 있습니다.그럼 이것도 가능할까요? 다이아몬드 강철로 딱딱한 물질의 실리콘 카바이드(SiC) 표면을 머리카락 두께의 처음 0만분의 약 1배인 0.5μ(자기노미터, 최초 φ×초0-9m) 수준으로 닦아 인공위성 카메라 렌즈로 만들면 어떨까요? 천하의 토르도 멈추지 않는 미션이지만 정부 핵융합연구소 플라스마 기술연구센터의 연구진이라면 가능합니다.플라스마는 전자와 원자로에서 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째를 예상합니다. 토르가 다스리는 번개도 플라즈마 중 하나입니다. 플라즈마는 번개같은 자연현상에만 있는 것이 아니라 반도체 자신의 디스플레이 등 다양한 산업분야에서 활용되는 기술이기도 합니다. 그동안 다양한 표면처리 기술로 첨단 산업을 이끌어온 플라스마가 이번에는 인공위성의 주요 부분품 중 결함신인 '자유형상 초정밀 광학계'의 가공에도 도전장을 내밀었습니다. 우주광학용 SiC소재의 초정밀 플라스마 연마 기술의 개발을 주도한 융복합기술연구부의 최영섭 부장과 석동찬, 이강하나, 장수욱 연구원에게 그 의의를 들었습니다.

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인공위성의 눈이라고 불리는 광학계는 1반 카메라 렌즈와 기능 및 구조가 비슷한데요. 지구 상공 1만 m2 밖에서 땅 10cm 크기의 물체도 선명하게 촬영하려면 가공할 때의 미세한 흠집이나 우주 환경에서도 작은 변형도 허용되지 않습니다. 초기에는 유리를 주로 사용했지만 120도에서 영하 180도를 넘나드는 우주의 큰 온도차는 유리를 감당하기 힘든 환경입니다. SiC는 열에 늘 그랬듯이 나빠져도 녹지 않습니다. 산을 따라도 괜찮아요. 한 가지 단점은 유리보다 10배 이상 딱딱해 제작이 어렵다는 점이다.최영섭 부장은 "SiC가 이 이야기에서 최고의 우주 소재"라고 설명한다. SiC는 이미 금속을 가공하는 공구를 비롯해 항공기용 타이어나 브레이크에도 폭넓게 적용되어 왔습니다. 무게도 유리의 1/3에 불과해 경량화가 중요한 인공위성의 소재로 최적입니다. 문재는 최고의 소재를 단련할 수 있는 장비가 없다는 사실입니다. 기존 기계가공법은 2단계의 복잡한 제작 공정을 거쳐야 한다.철 같은 금속은 연성이 좋아 드릴이 나쁘지 않기 때문에 톱으로 원하는 대로 구멍을 내서 깎을 수 있습니다. 망치로 두드리면 여느 때처럼 나쁘지 않고, 나쁘지 않고 잘라서 가공이 쉽습니다. 반면 유리나 다이아몬드, SiC 같은 소재는 강제로 깎으려고 덤비면 표면에 미세한 금이 가 깨진다.플라즈마 전문의는 "플라즈마 야이 스토리"로 물리적 충격 없이 SiC의 표면을 가공할 수 있는 최적의 도구입니다. 대기압 플라즈마 표면 가공 기술은 이미 LCD, 금속, 고무, 플라스틱 등 다양한 소재의 표면에 코팅력, 도금력, 증착력, 인쇄력 등의 특성을 부여하는 시도를 성공으로 이끌었기 때문입니다.2016년 대한민국 기초과학지원연구원, 해양과학원과 같은 창의융합과제가 시작되었다. 그들에게 주어진 미션은 플라즈마를 이용해 해양 관측 위성인 SiC광학계를 가공하는 기술개발이었습니다. 그동안 다양한 플라스마 융복합 연구를 진행해 온 석동찬, 이동1, 장수욱 연구원이 각각 대기압 플라즈마 식각 도구(생성원), 원자층 식각장치, 이온빔을 이용한 이온원 개발을 통해 본격적으로 우주를 향한 꿈을 펼쳐왔습니다.​

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연구팀이 개발한 기술은 대기압 플라즈마의 불규칙한 형태와 강도를 제어한 '대기압 하이브리드 플라즈마 발발원'으로 일종의 조각칼이라고 할 수 있습니다.대기압 플라즈마는 구름처럼 떠 있는 형상의 "글로"구조와 천둥 자체 플라스마 볼 속에서 성장하여 자신있는 "필라멘트"구조를 자신합니다. 대기압 환경에서의 필라멘트 방전은 역시 강도와 형태에 따라 강하고 불규칙한 아크, 간헐적인 스파크, 더 얇고 빛을 내는 스트리머 등으로 구분됩니다.반도체 소재로 쓰이는 실리콘은 글로플라스마에서도 에칭이 가능하지만 튼튼한 SiC 소재를 부식시키려면 더 강력한 필라멘트가 필요할 것이다. 하지만 번개가 번쩍이는 순간 가지 모양으로 사방으로 뻗는 번개를 붙잡아 광학계 표면을 가공하면 눈이 성긴 빗자루가 떨어졌으니 스스로 한 것처럼 불규칙한 스크래치가 남겠죠.사고는 대기압으로 필라멘트 구조를 조정하는 것이 어려운 것입니다. 플라즈마가 약 오랜만에 몰려도 번개 모양의 액으로, 나 자신도 약 오랜만에 약해도 검게 됩니다. 연구진은 수많은 시행착오 끝에 글로와 필라멘트가 공존하는 최적의 플라스마 전극 형태와 구조를 도출하였습니다.검토 중 특이한 결과가 자신 있을 때마다 기록하고 기억했다가 다시 재현해 글로와 필라멘트가 안정적으로 공존하는 형태의 하이브리드 조건을 완성했다고 석동찬 연구원은 시행착오의 결과였다고 하는데 이는 수없이 많은 검토로 완성된 노력의 다른 이름이었습니다.연구진은 압축 소결된 SiC로 최적 공정을 도출하였으며, 웨이퍼 상태의 SiC를 사용하여 성능을 검증하였습니다. 이미 20일, 7년 버거의 매일같이 뾰족한 점상형 대기압 플라즈마 단련도를 5°C 수준으로 개발하여 20일~8년에는 0.5°C 이하까지 개선하였습니다. 진공 플라즈마를 이용할 경우 0.2mm의 초미세단련도 가능할 것이다. 지금까지 추구하고 있던 거친 일보다 2배 이상 우수한 능력입니다. 대기압 SiC 정밀단련장치는 SiC의 보정단련기로 사용 가능하며 진공장치의 경우 실리콘과 카본의 두 원소가 결합된 SiC를 단순히 깎는 것이 아니라 원자를 더욱 한층 더 끌어내는 개념을 처음 적용한 SiC 원자층 단위 부식(Atomic Layer Etching) 원천기술입니다.​

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새 조각칼의 장점은 이것만이 아닙니다. 2단계였던 SiC가공공정도 1회로 줄였습니다. 얼마 전까지 시발기계가공으로 SiC를 빨리 깎은 뒤 거친 표면을 이온빔을 이용해 미세하게 다듬는 폴리싱 단계가 필요했습니다. 플라스마를 이용하면 대상면이 거칠어지지 않기 때문에 한 번의 공정으로 충분할 것입니다.그들의 도전은 끝이 아닙니다. 올해는 2단계 산업화 개발단계에 진입하여 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 600mm 직경을 가진 대상물의 가공을 목표로 사용자 편의성을 가미한 플라스마 가공기 개발에 돌입하였습니다.조사진은 우주 광학 및 첨단 소재 분야는 기술 안보가 철저한 만큼 조사 성과가 더욱 가치 있다고 합니다. 이후 1개 조사원은 "인공위성은 각국의 미래전략산업이자 국방력을 자결하는 전략기술이어서 기술의 외부 유출과 이전이 엄격히 제한돼 있다"며 "얼마 전까지 인공위성광학계(렌즈도 반사경 등)를 1개 등 여러 정부에서 제작했지만 우주개발과 첨단산업 발전을 위해서는 우리 나쁘지 않고 독자적인 기술개발이 중요하다"고 강조했다.사실 이번 조사의 목적은 플라즈마 그 자체가 아니었습니다. 플라즈마를 이용해 광학계를 가공하는 것이 목표입니다. 조사진은 SiC와 플라스마의 상호작용에 대한 기반조사가 없는 상황에서 새로운 분야를 공부해야 할 때로 자원적 어려움도 극복해야 했습니다. 장수욱 조사원은 이번 과제는 원천기술 개발을 넘어 제품화를 목표로 3개 기관이 협력하는 융합과제인 만큼 핵융합조사소 역할을 해야 한다는 책입니다. 감을 갖고요라고 말해 진행 과정의 긴장감도 전했다.초고순도 SiC 소재는 전기자동차, 하이브리드카 등 전력소자, 태양광소자의 에너지 희지변환소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자제품용 전력소자로도 사용이 기대되는 만큼 이번 가공기술의 개발은 앞으로 큰 활약이 기대됩니다.조사진은 되묻습니다. SiC에 대해 알고 가공하는 도구도 개발했으니 응용과 성능향상은 더 쉽지 않을까요?라며 마법의 해머 뮬닐을 손에 넣은 톨과 같은 나쁨을 느낄 수 없는 표정으로 플라즈마 가공장비의 국산화 길을 열어갈 조사팀의 향후 성과가 기다려집니다.​

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