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우주환경용 소재, 극한 조건 넘어 미래 위성 경쟁력 좌우

저궤도 소형위성 증가, 고강도·저열팽창 소재 수요 확대

Al-Li 합금부터 CFRP까지 차세대 우주 구조소재 확보 경쟁

1. 기술의 개요
국제우주정거장(ISS), 아리랑 위성 그리고 최근에 가장 화제가 되고 있는 스타링크까지 모두 지구 표면에서 200km 이상 고도에서 운용 중인 저궤도 인공위성들이다. 이들은 모두 우주방사선, 원자산소, 고진공 및 극한의 온도변화 등 지구 대기권 내의 환경과는 전혀 다른 극한의 환경에서 노출되어 운용되고 있다. 이와 더불어 저궤도 이상의 우주 환경에서 작동되는 인공위성 및 탐사선과 같은 여러 운용체를 개발하려면 구조계, 전력계, 자세제어계, 추진계 등 다양한 구성요소의 안정성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 본 백서에서는 우주 환경의 특징을 간단히 알아보고 주로 저궤도 및 정지궤도에서 운용 중인 위성의 구조계에 초점을 맞추어, 금속 및 고분자 복합재 구조물을 우주 환경에서 건전하게 사용하기 위해 고려해야 할 주요 요소 및 관련 연구 동향을 개괄적으로 나타내고자 한다.
1.1 우주 환경의 개념

▲ <그림 1> 고도에 따른 대기의 수직 분포 및 비행체 운용 범위일반적으로 위성의 궤도는 고도에 따라 저궤도, 중간궤도, 지구정지궤도로 구분된다. 우주 환경은 대기의 밀도가 0에 가까운 지구 대기의 최상층부인 열권이라 불리는 고도 200km 이상에서부터 시작되며, 고도 200km에서 1,500km 이하 궤도를 저궤도(low earth orbit, LEO)라 칭한다. 정지궤도는(Geo-synchronous Orbit)는 약 36,000km 고도를 나타내는데, 우리나라의 천리안과 같은 기상위성 및 여러 관측 위성이 정지궤도에서 운용되고 있다. 한편 최근에 크게 이슈가 되고 있는 제임스 웹은 고도 약 540km 저궤도에서 운용 중인 허블망원경과 달리 공전하는 천체들의 중력이 상쇄되는 지구-태양 간 라그랑주점(L2)이 위치하는 150만km 지점에서 2022년부터 운용되고 있다.
통신위성이 위치하는 저궤도의 경우, 높은 고도 때문에 대기의 밀도가 매우 낮아 10-5Torr 압력 수준의 고진공 상태이므로 태양 빛이 어떠한 방해 없이 직접적으로 전달되고, 빛에 노출되는 위치에 따라 같은 물체 내에서도 격한 온도차가 발생한다. 저궤도 영역인 열권에서의 대기 상태는 태양의 활동에 큰 영향을 받는데, 일례로 태양에서 지자기 폭풍이 발생하면 많은 양의 하전 입자(charged partcle)가 대기로 몰려와 희박한 대기 분자와 충돌하여 이온화되어 밀도가 변화한다. 이때 대기 중에 미세하게 존재하는 산소는 태양에서 발생한 강한 자외선 등에 의해 원자산소(atomic oxygen, AO) 형태로 광분해(photodissociation)되어, 결국 저궤도 고도 대기 중 원자산소가 상당량 생성된다.

▲ <그림 2> 고도에 따른 온도 및 원자산소(AO)의 농도(자료: Richter. H. et al., Communications Earth & Environment v2, 2021, 19)
문제는 이들이 갖는 높은 반응력이 위성에 사용된 재료의 화학적 특성을 바꾸거나 부식시키는 현상을 발생시킨다는 것이다. 실제로 원자산소에 의해 발생한 화학 작용은 자외선 복사, 이온 조사 및 오염 등에 의해 가속화되고 촉진되어 저궤도에서 운용되는 우주 구조물에 큰 피해를 미치게 된다. 특히 고분자 계열의 접착제, 필름, 도료, 코팅, 윤활제 및 다양한 복합재 형태로 제작된 구조물은 원자산소에 취약할 수 있으므로 반드시 원자산소에 의한 특성 변화를 고려하여 사용하여야 한다.
이와 더불어 10의 -5승torr 이하의 고진공으로 인해 대부분의 재료는 내부에 잔류하는 기체 성분이나 재료 자체를 분출(outgassing)하게 된다. 대부분의 금속과 고분자 소재는 지상 환경에서 유기물질이나 수분이 흡착 또는 흡수된 내외부층이 존재하며, 이는 고진공 환경에서 낮은 압력으로 인하여 외부층으로 분출하게 된다. 문제는 분출 시 재료에 대한 미세 균열 및 변형 등으로 구조물의 기계적·물리적 기본 성능에 큰 변화를 일으켜 중대한 사고를 야기할 수 있다는 것이다.
특히 정지위성의 경우 완전한 대기권 밖에서 운용되기 때문에 원자산소에 의한 위성체 손상보다는 고진공 상태(~10의-13승torr)에서 나타나는 물질의 손상 위험이 크다. 또한 분출된 물질은 위성을 구성하는 부품에 흡착되어 기능을 손상시킬 수 있으므로 이에 대한 영향을 정확히 파악하고 대비해야 한다.한편, 우주 환경에서 태양으로부터의 복사는 위성 내 부품을 구성하는 원자들이 열에 의해 들떠 전자기파를 방출하게 하고 나아가 정전기 방전에 따른 전자부품의 파괴를 야기한다. 또한 복사열에 의해 -70℃~80℃ 수준의 급격한 온도변화를 겪게 된다. 이들 온도 사이의 계속되는 열 주기 현상은 재료에 피로를 일으켜 위성체 부품과 시스템에 결함을 유발할 수 있다. 참고로 무중력과 진공의 영향으로 우주에서 위성체 내부로 열전달은 오직 전도와 복사로만 전달된다.

▲ <그림3> 우주 환경에서 운용하는 소재들이 극복해야 할 다양한 요소들(자료 : Ghidini. T., Nature Materials., v17, 2018, pp.846-850)
이처럼 우주 환경에서 안정하게 임무를 수행하려면 태양방사선, 매우 낮은 압력(고진공), 우주 플라스마, 반응성이 높은 원자 산소, 반복되는 극심한 온도변화 등으로 인해 소재가 지구에서와는 다른 극한 환경의 조건을 견뎌야 한다. 이러한 우주 환경 요소들이 소재에 미치는 영향은 각각 개별적인 것이 아니라 <그림 3>과 같이 상호작용을 일으키고 소재의 여러 가지 특성 변화를 가져오기 때문에 이러한 조건들을 극복할 수 있는 우주 환경용 소재 개발이 매우 필요하다. 미국, 일본, 유럽에서는 이미 오래전부터 활발하게 연구, 개발을 진행 중이다. 우주산업은 인공위성으로 대표되는 위성산업이 전체 산업의 75%를 차지하며, 저비용으로 초고속·고해상도 통신서비스를 제공할 수 있는 저궤도 소형위성 개발이 가장 활발하게 이루어지고 있다.
1.2 우주 환경 소재의 정의 및 분류
앞서 언급한 바와 같이 우주용 재료로서 일반적으로 요구되는 사항은 높은 비강도 및 비강성, 높은 방열 효과 또는 매우 낮은 열전도율, 온도변화에 따른 치수 형상 변화가 거의 없는 저열팽창률, 다양한 부식 환경에 대응하는 내식성 등이다. 현재 우주에서 사용하려는 재료 중 금속재료로는 알루미늄, 마그네슘, 타이타늄 합금 등이 있지만 위성체의 유효하중(payload) 관점에서 경량화 문제가 있어 가벼운 비금속 재질인 고분자 복합재료가 상당 부분 사용될 수 있다. 하지만 복합재는 유기물의 기체방출 및 낮은 열 안정성 같은 문제를 극복해야 하며, 이를 위해 주로 Cyanate ester, 폴리이미드(polyimide, PI) 수지가 복합재의 기지로 사용되고 있다. <표 1>은 우주 환경에서 사용할 수 있는 소재들의 기계적 특성을 나타낸다.

▲ <표 1> 우주 환경에서 사용 가능한 소재들의 기계적 특성
1) 우주 환경 대응 경량금속 소재
최초의 인공위성 스푸트니크 1호부터 최근 국내에서 발사에 성공한 나로호에 탑재된 위성체들까지 고특성 금속 소재는 위성 구조체의 핵심 소재로 적용되어 왔다. 특히, 철강에 비해 3배 이상 가벼운 알루미늄(밀도 2.7g/cm3)과 이러한 알루미늄의 1/3 수준 무게인 마그네슘(밀도 1.74g/cm3) 금속이 위성체 경량화를 위해 현재까지 다양한 부품에 사용되고 있다. 소재기술이 발달하면서 경량화와 더불어 높은 강성을 확보하고 극한의 우주 환경에 대응하고자 탄소섬유강화 복합재료(carbon fiber polymer composites, CFRP)를 비롯한 비금속질 및 금속재질 복합재(composite)의 비중이 크게 증가하고 있다. 그러나 최근 국가가 주도하는 우주산업에서 민간이 주도하는 뉴스페이스(New Space) 시대로 전환하는 시점에서 경제성과 산업 확장성을 고려할 때 고특성 경량금속 소재의 중요성은 더욱 강조될 것이다.
우주 발사체, 위성체는 수 kg 무게 감소로 수천만 원 이상의 발사비용을 절감할 수 있기 때문에 우주개발 시작부터 경량화는 핵심 이슈였다. 특히, 최근 들어 100kg 이하 초소형 군집위성산업이 매우 증가하면서 위성체를 비롯한 탑재체, 탐사선 등의 경량화 이슈가 더욱 부각되고 있다. 위성 구조체는 페이로드 중량을 늘리기 위한 경량화가 필수이며, 지상에서 발사 시 최대 10G에 달하는 중력이 가해지기 때문에 막대한 외력에 견딜 수 있는 고강도 특성과 200℃ 이상 온도편차가 발생하는 극한의 우주 환경에서 오차 없이 임무를 수행하고 광학/관측 탑재체의 기하학적인 안정성을 만족시킬 수 있는 고특성 소재가 필요하다.
우주산업 초기부터 금속 소재 중 가볍고 강도가 우수한 2xxx계, 6xxx계 및 7xxx계 고강도 알루미늄 합금이 주로 적용되어 왔으며 이러한 합금들보다 약 5~10% 경량화할 수 있는 고강도 Al-Li계 합금이 많이 연구 개발되고 있다. 마그네슘 소재의 경우 연구 목적용 위성에만 시험적으로 적용된 사례가 있으나 상용 위성에서는 사용된 사례가 거의 없다. 한편, 첨단 전자장비를 보호하는 하우징(housing 구조물)의 경우 위성 총중량의 약 20%를 차지하여 경량화가 매우 중요하며, 근래에 쟁점이 되는 우주방사선 피해를 최소화하고자 차폐 효과가 우수한 알루미늄 합금을 광범위하게 적용하고 있다. 또한 점차 전문화되고 다양해지는 탑재체의 임무를 위해 추가되는 부가 장비 때문에 무게 절감의 압박이 더욱 가중되고 있어 알루미늄 합금보다 효과적으로 경량화하고자 마그네슘 합금 적용을 검토하고 있다.
▲ <그림 4> 인공위성에 사용되는 밀폐형 반도체 패키징 금속 유닛(자료 : Hermeticsolution.com)2) 우주 환경 대응 고분자 복합재
우주 환경에 대응할 수 있는 고분자 복합재는 발사 시의 진동이나 충격에 견딜 수 있는 높은 비강도 및 비강성 재료인 CFRP가 많이 사용되고 우주용 탄소섬유에는 700GPa 이상 초고탄성 탄소섬유가 사용되고 있으며, 함께 사용되는 고분자 소재 또한 우주 환경 조건에 맞아야 한다. 특히 고분자는 사용온도가 금속이나 세라믹에 비하여 낮고 극저온에서의 취성 특성 때문에 온도변화에 따른 기계적 물성과 형상 변화율이 작은 고분자 소재가 많이 연구되고 있다.
고분자 소재는 열경화성 소재와 열가소성 소재로 크게 나뉘는데, 우주용으로 많이 사용되는 열경화성 고분자 소재는 Cyanate ester와 PI가 대표적이다. 두 소재는 앞서 언급한 온도변화에 따른 안정성 요구 측면에서 부합하며 고진공에서도 유기물질 방출이 적은 소재로 알려져 있다. 특히 Cyanate ester는 C와 N의 강력한 삼중 결합으로 구성된 비스페놀계 열경화성 수지로서 유리전이온도 최대 400℃급, 높은 열 안정성과 더불어 수분흡수가 매우 적어 우주 환경용 소재에 매우 적합하여 탄소섬유와 복합화한 복합재료로 많이 사용되고 있다.
우주용으로 사용되는 PI 또한 열 안정성이 높은 고분자 물질로서 우수한 기계적 강도, 높은 내열성 및 전기절연성 등의 특성이 있으며, 미항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)에서 복합재 성형이 용이한 여러 종류의 PI 수지를 개발하여 실제 사용하고 있다. 열가소성 수지 복합재료는 열경화성 수지 대비 수분흡수가 0.1% 이하로 적을 뿐만 아니라 진공하에서의 낮은 휘발성분과 뛰어난 치수 안정성 및 충격흡수능 등이 장점으로 인식된다. 그럼에도 불구하고 열팽창 계수 및 열에 의한 치수 안정성 관점에서 개선할 점이 많아 아직은 적극적으로 사용되지는 않고 있다.
우주구조물은 발사 때의 극심한 가속도 조건, 궤도에서의 온도편차（-157~120℃）및 고진공, 자외선, 산소 원자 등의 가혹한 환경 조건을 견뎌야 한다. 그런데 탄소섬유 복합재료의 높은 비강도/강성도 특성은 발사 비용을 줄일 수 있는 무게 절감 효과를 가져올 수 있고, 열팽창 계수에 대한 설계 유연성 특성은 열변형에 대한 구조물의 치수 안정성 효과를 볼 수 있는 장점을 지니고 있다. 이러한 특성으로 현재 생산 중이거나 계획 중인 위성과 우주정거장 구조물 재료의 20~40%가 복합재료이며, 샌드위치 복합재료가 구조물의 대부분에 쓰이고 있다.
구조재료 이외에 내열 복합재료로 쓰이는 부품으로는 탄소/탄소(Carbon/Carbon) 복합재료가 로켓의 노즐 및 대기권 재돌입 셔틀의 리딩 에지(leading edge), 노즈(Nose) 등에 내열 복합재료로 쓰여 경량화와 고온에서의 내마모성 효과를 크게 보고 있다. 주로 구조물용 복합재료는 강도보다는 강성이 중요하여 비강성이 높은 탄소섬유가 적용된 CFRP이다.
다음으로 절연성 또는 전파 투과성이 요구되는 태양전지 패널, 안테나 등의 응용에는 아라미드 섬유나 유리섬유 강화 복합재료가 사용된다. 인공위성의 구조는 안테나, 태양전지 패널, 각 탑재장비를 연결하는 트러스(truss), 자세제어를 위한 모터용 압력용기 등으로 구성된다. 주 구조물은 발사 때 진동하중을 견디는 경량의 고강성도 특성을 가져야 하므로 오토클레이브(autoclave) 성형법으로 제작된 CFRP 면재, 하니콤 심재의 샌드위치 형태와 프레임이 결합한 격자 구조 형상, 필라멘트 와인딩 기법을 이용한 축 대칭 원통형 구조 형상으로 사용된다. 통신용 포물면 안테나는 정밀한 성형과 궤도 위에서 온도변화에 대한 치수 안정성이 요구되므로 CFRP 외피와 알루미늄 하니콤 샌드위치 구조로 만들어진다.
탐사용 안테나의 경우 절연성과 치수 안정성이 동시에 요구되므로 아라미드 계통의 케블라 섬유 강화 복합재료(kevlar fiber reinforced plastic, KFRP)를 사용한 방사 패널과 CFRP의 지지판으로 구성된 하이브리드 복합재료 패널이 사용되기도 한다. 트러스와 압력용기에는 필라멘트 와인딩 기법을 이용한 CFRP, KFRP 등이 사용되고 태양전지판의 경우 태양전지를 올려놓을 수 있는 최소 중량구조가 필요하므로 CFRP 프레임에 그물형 장력 막을 갖는 복합구조가 많이 사용되는데, 이 그물형 장력 막과 프레임은 필라멘트 와인딩 기법으로 성형된다.
인공위성용 구조재는 크기 및 무게의 제한에 따른 경량화 요구 못지않게 운용되는 환경 여건에 따른 요구 특성을 충분히 고려하여 재료를 선정하여야 한다. 경량화 요구를 만족하는 복합재 특성 중 높은 비강도와 강성 외에 인공위성 구조재로서 요구되는 특성을 요약하면 다음과 같다. ① 정하중 및 발사 때의 동하중을 견딜 수 있는 고강성, 고강도 및 진동감쇠 ② 가혹한 온도환경(-160~100℃)에서의 치수 안정성을 위한 낮은 열팽창 계수 ③ 고진공에서 중량 감소율 1% 이하의 기화율(outgassing ratio), NASA 기준 0.01% 이하 ④ 방사선, 자외선, 원자산소 침식에 강한 저항성 ⑤ 장기간 사용에 따른 우수한 크립(creep) 특성

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)