우주광학용 SiC 소재, 초정밀 연마 기술개발
천둥과 번개를 다스리는 어벤져스의 영웅 ‘토르’, 그의 힘은 마법의 망치 ‘별일’을 만나 완성됩니다. 묘일은 전자장을 완벽하게 조종할 수 있고 마법에너지 블라스트를 발사해 지축을 흔드는 지진파를 만들기도 합니다. 비, 바람, 번개를 조종하여 폭풍을 일으킬 수도 있습니다.
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 것은 어떨까요? 천하의 토르도 멈추는 미션이지만 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터의 연구진이라면 가능합니다.
플라즈마는 전자와 원자로가 떨어져 자유롭게 움직이는 물질의 4번째를 말합니다. 토르가 다스리는 번개도 플라즈마의 일종입니다. 플라즈마는 번개와 같은 자연 현상뿐만 아니라 반도체와 디스플레이 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 기술이기도 합니다. 그동안 다양한 표면처리 기술로 첨단 산업을 이끌어온 플라즈마가 이번에는 인공위성의 주요 부품 중 하나인 자유형상 초정밀 광학계 가공에도 도전장을 내밀었습니다. 우주광학용 SiC 소재 초정밀 플라즈마 연마 기술개발을 이끈 최영섭 융복합기술연구부 부장과 석동찬, 이강일, 장수욱 연구원에게 그 의미를 물었습니다.
번개 모양의 대기압 플라즈마를 균일하게 제어하는 기술이 SiC 가공 기술의 핵심이다. <사진 출처=SCEI> 최고의 우주소재를 가공하는 최고의 장비 개발 인공위성의 눈으로 불리는 광학계는 일반 카메라 렌즈와 기능 및 구조가 비슷한데요. 지구 상공 1만㎞ 밖에서 지상 10㎝ 크기의 물체도 선명하게 촬영하기 위해서는 가공 시 미세한 상처도, 우주 환경에서도 작은 변형도 허용되지 않습니다. 초기에는 주로 유리가 사용됐지만 영상 120℃에서 영하 -180℃를 오가는 우주의 큰 온도차는 유리가 견디기 어려운 환경입니다.
SiC는 열에 뻗어도 녹지 않아요. 산을 부어도 꿈쩍도 하지 않아요. 유일한 단점은 유리보다 10배 이상 튼튼해 제작이 어렵다는 점입니다.
최영섭 부장은 SiC야말로 최고의 우주 소재라고 설명합니다. SiC는 이미 금속을 가공하는 공구를 비롯해 항공기용 타이어와 브레이크에도 폭넓게 적용돼 왔습니다. 무게도 유리의 1/3에 불과해 경량화가 중요한 인공위성 소재에 최적입니다. 문제는 최고의 소재를 연마할 장비가 없다는 사실입니다. 기존의 기계가공법은 2단계의 복잡한 제작공정을 거쳐야 합니다.
쇠 같은 금속은 연성이 좋아 드릴이나 톱을 이용해 원하는 대로 구멍도 뚫어 깎을 수 있습니다. 망치로 두드리면 늘어나거나 잘려 가공이 쉽습니다. 반면 유리나 다이아몬드, SiC 같은 소재는 강제로 깎으려고 하면 표면에 미세한 금이 가 깨집니다.
플라즈마 전문가들은 플라즈마야말로 물리적 충격 없이 SiC 표면을 가공하는 최적의 도구인 것으로 나타났습니다. 대기압 플라즈마 표면 가공 기술은 이미 LCD, 금속, 고무, 플라스틱 등 다양한 소재의 표면에 코팅력, 도금력, 증착력, 인쇄력과 같은 특성을 부여하는 시도를 성공적으로 이끌었기 때문입니다.
2016년 한국기초과학지원연구원, 해양과학원과 함께하는 창의융합과제가 시작되었습니다. 이들에게 주어진 미션은 플라즈마를 이용해 해양관측위성 SiC 광학계를 가공하는 기술개발이었습니다. 그동안 다양한 플라즈마 융복합 연구를 진행해온 석동찬, 이강일, 장수욱 연구원이 각각 대기압 플라즈마 식각도구(발생원), 원자층 식각장치, 이온빔을 이용한 이온원 개발을 담당하며 본격적으로 우주를 향한 꿈을 쏘아 올렸습니다.
(왼쪽부터) 장수욱, 이강일, 석동찬 연구원 번개와 구름의 장점 모든 하이브리드 플라즈마에서 문제해결 연구팀이 개발한 기술은 대기압 플라즈마의 불규칙한 형태와 세기를 제어한 ‘대기압 하이브리드 플라즈마 발생원’이자 일종의 조각도라고 할 수 있습니다.
대기압 플라즈마는 구름처럼 떠 있는 형상의 ‘글로’ 구조와 번개나 플라즈마 볼 안에서 뻗는 ‘필라멘트’ 구조로 나뉩니다. 대기압 환경에서 필라멘트 방전은 또한 강도와 모양에 따라 강하고 불규칙한 아크, 단속적인 스파크, 보다 얇게 빛나는 스트리머 등으로 구분됩니다.
반도체 소재로 사용되는 실리콘은 글로우 플라즈마에서도 식각이 가능하지만 단단한 SiC 소재를 식각하려면 더욱 강력한 필라멘트가 필요합니다. 하지만 빛이 나는 순간 가지 형태로 사방으로 뻗는 번개를 잡고 광학계 표면을 가공하면 결이 거친 빗자루가 지나간 것처럼 불규칙한 스크래치가 남을 것입니다.
문제는 대기압으로 필라멘트 구조를 조절하기가 어렵다는 점입니다. 플라즈마가 조금 강하기만 해도 천둥 모양의 아크로 나타나거나 조금 약하거나 하는 것만으로 글로우가 됩니다. 연구진은 수많은 시행착오 끝에 글로우와 필라멘트가 공존하는 최적의 플라즈마 전극 형태와 구조를 도출했습니다.
“실험 중 특이한 결과가 나올 때마다 기록하고 기억하다가 다시 재현해 글로우와 필라멘트가 안정적으로 공존하는 형태의 하이브리드 조건을 완성했습니다.” 석동찬 연구원은 시행착오의 결과였다고 하는데 이는 셀 수 없이 많은 실험에서 완성된 노력의 다른 이름이었습니다.
연구진은 압축 소결된 SiC로 최적 공정을 도출하고 웨이퍼 상태의 SiC를 사용해 성능을 검증했습니다. 이미 2017년에 바늘처럼 뾰족한 점상형 대기압 플라즈마의 연마도를 5ᅮᄌᆫ で 수준으로 개발했고 2018년에는 0.5ᄒᄒ まで 이하까지 개선했습니다. 진공 플라즈마를 이용할 경우 0.2파이 초미세 연마도 가능합니다. 첫 번째 목표였던 거칠기 1ᅩᄃ 2보다도 2배 이상 우수한 능력입니다. 대기압 SiC 정밀 연마 장치는 SiC 보정 연마기로 사용할 수 있으며 진공 장치의 경우 실리콘과 카본 두 가지 원소가 결합된 SiC를 단순히 깎는 것이 아니라 원자를 한층 떼어내는 개념을 최초로 적용한 ‘SiC 원자층 단위 식각(Atomic Layer Etching)’ 원천 기술입니다.
플라즈마 볼을 통해 대기압 필라멘트의 형상을 볼 수 있다. <사진 출처=pxhere> 2차 산업화 과제 추진으로 다양한 응용과 성능 향상에 기대되는 새로운 조각칼의 장점은 이뿐만이 아닙니다. 2단계로 진행되던 SiC 가공 공정도 1회로 줄였습니다. 기존에는 1차 기계가공으로 SiC를 빠르게 깎아낸 뒤 거친 표면을 이온빔을 이용해 미세하게 다듬는 폴리싱 단계가 필요했습니다. 플라즈마를 이용하면 대상면이 거칠어지지 않기 때문에 한 번의 공정으로도 충분합니다.
그들의 도전은 끝이 아닙니다. 올해는 2단계 산업화 개발 단계에 들어가 실제 산업현장에서 사용할 수 있는 600㎜ 직경을 가진 대상물 가공을 목표로 사용자 편의성이 가미된 플라즈마 가공기 개발에 돌입했습니다.
연구진은 우주광학 및 첨단소재 분야는 기술안보가 철저한 만큼 연구 성과가 더 가치 있다고 말합니다. 이강일 연구원은 “인공위성은 각국의 미래전략산업이자 국방력을 결정짓는 전략기술이기 때문에 기술의 외부 공개와 이전이 엄격히 제한돼 있다”며 “지금까지는 인공위성 광학계(렌즈 또는 반사경 등)를 일본 등 여러 나라에서 제작했지만 우주개발과 첨단산업 발전을 위해서는 한국 독자기술 개발이 중요하다”고 강조했습니다.
사실 이번 연구의 목적은 플라즈마 자체가 아니었습니다. 플라즈마를 이용하여 광학계를 가공하는 것이 목표입니다. 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 핵융합연구소 역할을 해야 한다는 책임감을 갖고 임했다”며 진행 과정의 긴장감도 전했습니다.
초고순도 SiC 소재는 전기차, 하이브리드카 등의 전력소자, 태양광 소자의 에너지 변환소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자제품용 전력소자로도 사용이 기대되는 만큼 이번 가공기술 개발은 향후 큰 활약이 기대됩니다.
연구진은 되묻습니다. “SiC에 대해 알고 가공하는 도구도 개발했으니 이제 응용과 성능 향상은 더 쉽지 않을까요?” 마법의 망치 ‘별일’을 손에 넣은 토르와 같은 자신감 넘치는 표정으로 플라즈마 가공장비 국산화의 길을 열어갈 연구팀의 다음 성과가 기다려집니다.
필라멘트와 글로우 구조의 플라즈마를 균형있게 발생하는 하이브리드 플라즈마 발생장치