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우주 극한환경 대응,

알루미늄·마그네슘 등 경량금속 소재기술 핵심 부상

韓, 저비용 고강도화·내식성 향상 중심 제조공정 기술 고도화 및 위성 적용

美·EU·中, 방사선 저항·고강성·저밀도 확보 新 합금 설계 확대로 경쟁력 강화

<우주환경용 소재기술>

1.3 기술의 중요성

2000년대에 성장한 IT 산업을 비롯해 제조 산업의 전반적인 생산력이 향상함으로써 위성과 발사체를 제조하는 비용이 감소되고 우주산업 장벽을 낮추어 민간이 진입할 수 있는 계기가 마련되었다. IT, 빅데이터 산업 등과 같이 현재 핵심 산업으로 등장한 부문에서는 초고속 통신이 핵심적 기술 요소이다. 스페이스 엑스(SpaceX)는 1,000개가 넘는 저궤도 통신위성을 근간으로 전 세계 통신망을 재구성하려고 시도하고 있다.

NASA, 유럽우주국(European Space Agency, ESA) 등과 같이 정부 주도의 우주개발을 대신하여 스페이스 엑스, 블루 오리진(Blue Origin)을 필두로 수많은 민간기업이 우주산업에 진입해 우주산업 생태계가 최근 급격하게 변화하고 있으며, 이를 뉴스페이스라고 지칭한다. 뉴스페이스 시대에 민간기업은 통신, 광물 채굴, 우주 태양광을 비롯해 과거에는 꿈꾸지 못했던 새로운 사업 기회를 우주에서 찾고자 하고 있다.

우주 환경용 소재기술의 중요성은 우선 우주 환경에 적합한 소재가 아직 턱없이 부족하다는 점에 있다. 우주개발 비용을 낮추려면 우주 환경에서 안정적으로 사용할 수 있는 소재 개발이 지속적으로 필요하다. 지구에서 비교적 가까운 저궤도 위성이라도 일단 우주로 발사된 후에 특정 부품에 문제가 발생하면 현실적으로 수리하기가 불가능하다. 이에 따라 우주 환경용 소재의 시험, 평가 기술이 매우 중요하다.

지구와 다른 우주 환경을 완벽하게 모사하는 데 한계가 있지만, 우주 환경의 특징(고진공, 자외선, 입자 복사, 원자산소 등)과 위성이 작동하는 환경(극심한 온도변화)에서 소재의 영향을 정확하게 측정하고 이해하는 시험평가 기술 개발이 필수적으로 요구된다. NASA를 비롯해 많은 경험을 가진 우주 분야 선진기관들은 우주용 소재, 부품의 개발 및 시험평가를 비롯해 인증 절차에 이르는 기술을 지속해서 개발해 오고 있다. 우리나라에서도 우주산업 발전을 위해 관련 기술을 개발해야 한다.

▲ <그림 1> 연도별 우주로 발사되는 체계 수의 변화(인공위성, 유인우주선, 착륙선 등 포함)

2. 연구개발 동향

2.1 구조용 경량금속 소재

1) 국내 동향

국내에서 연구개발 및 상용 서비스를 위해 제작된 위성체에서 금속소재는 산업적으로 충분히 검증된 소재를 위주로 사용되어 왔으며, 이 또한 대부분 수입에 의존해 왔다. 현재까지 알루미늄 혹은 마그네슘, 타이타늄, 베릴륨 합금을 위성체의 다양한 부품에 적용하고 있지만 국내에서 위성체 적용을 목적으로 경량금속 소재를 개발한 사례는 찾아보기 어렵다.

우주 환경에서 운용되는 구조체에 가장 많이 사용되는 금속소재 가운데 알루미늄 합금과 관련된 국내 기술은 수송기기 경량화를 위한 소재 개발을 중심으로 수행되고 있으며, 고강도합금 개발 수요가 많은 편이지만 기술 수준은 선진국 대비 절반 수준으로 낮게 평가되고 있다. 국내 고강도 알루미늄 소재기술 개발은 용탕제어기술, 박판주조기술 및 조직 제어기술로 강도 및 강성을 확보하고 이를 저비용으로 제조할 수 있는 공정 기술 개발이 진행되어 왔다.

가장 가벼운 금속인 마그네슘 합금은 밀도가 1.74g/cm3로 알루미늄보다 약 33% 이상 가볍고 비강도와 비탄성률이 우수하여 최근 항공우주 관련 산업에서 많은 관심을 받고 있다. 국내 마그네슘 소재 관련 연구는 고강도·고성형성 합금, 고내식 합금 등 소재 단위 개발과 이를 효율적으로 제조할 수 있는 압출, 압연 및 미세조직 제어기술 개발이 주를 이루고 있으며 해외 선진국과 대등한 수준의 우수한 기술적 성과를 보인다. 반면, 국내 마그네슘 산업은 원소재 전량을 중국에서 수입하고 있으며 국제 정세에 따라 가격 변동폭이 커서 국내 산업 기반이 매우 취약하여 연구성과의 파급력은 다소 미비하다.

한국재료연구원은 위성체 및 우주 환경에 대응할 고특성 경량금속 소재 연구를 가장 활발하게 수행하는 기관이며, 알루미늄 소재의 경우 Al-Zn-Mg-Cu 합금원소로 구성된 7xxx 계열의 고강도 합금 판재를 저비용으로 제조할 수 있는 박판주조 기술이 개발되어 가격 경쟁력을 확보하였다. 초음파를 이용한 용탕제어기술 개발을 통해 알루미늄 주조 합금의 특성을 크게 향상했다. 또한 마그네슘 주조 용해 공정에서 발생하는 발화 문제를 해결하고 기존 소재 대비 10배 이상 내식성을 갖는 고내식 난연 신합금을 개발하여 수송기기 경량화를 위한 다이캐스팅 부품과 압출 부품에 적용하는 연구를 수행하였다.

▲ <그림 2>고강도 알루미늄 합금 판재의 저비용 제조 기술
▲ <그림 3> 고내식 난연 마그네슘 합금의 특성

한국항공우주연구원은 중형급 이상 위성체 설계 및 제작 등의 시스템 개발 사업을 주도적으로 수행하고 있다. 최근 위성체 및 탐사선의 내충격성을 확보하고 경량화와 강성을 동시에 만족하기 위해 알루미늄 허니콤 패널을 3D 프린터로 제조하는 기술을 개발하였다.

▲ <그림 4> 3D 프린터로 제작한 이중층 허니콤 구조 하중시험(자료 : 항공우주시스템공학회 춘계학술대회 2020)

한국생산기술연구원은 친환경 마그네슘인 ECO-Mg 소재를 활용해 발화나 산화 가능성이 낮은 에코알루미늄 기술을 개발하여 북미에 최초로 소개한 바 있다. 표면에 보호막을 형성하는 특수합금 방식을 사용해 기존 알루미늄 합금 소재의 가볍고 강한 성질은 강화하면서 발화 및 산화 문제를 해결해 수송기기 적용을 위한 압연 판재 및 주조 부품을 성공적으로 제조하였다.

위성체 부품에 대한 경량금속 소재의 중요성은 다른 곳에서 부각된다. 우주의 극한 환경에서 지속적인 임무 수행에 가장 큰 영향을 미치는 것은 태양 및 외부 은하에서 오는 강력한 우주방사선이다. 특히, 지자계(Earth Magnetic Field)에 붙잡힌 고에너지 양성자로 구성된 우주방사선은 저궤도 위성체의 전자장비에 치명적인 피해를 주는 원인이다.

실례로 최근 우리 천리안 1호는 고에너지 우주방사선 입자를 맞아 기상관측에 난항을 겪으면서 복구작업이 진행되었고, 2022년 2월 스페이스엑스에서 발사된 저궤도 소형위성 49기 가운데 40기가 지자계 폭풍으로 인해 소실되었다. 이를 계기로 위성체 및 탑재체에서 우주방사선 차폐의 필요성이 더욱 중요하게 부상하고 있다.

위성 구조체에 가장 많이 사용되는 CFRP는 이러한 우주방사선 차폐율이 금속소재에 비해 현저히 떨어지기 때문에 전자부품을 보호하는 하우징 구조 소재는 대부분 금속 재질이며, 주로 경량금속인 알루미늄 합금으로 제조되고 있다. 최근 위성체의 고밀도 전장부품으로 인해 우주방사선 차폐의 중요도가 더욱 부각되면서 차폐율을 향상하기 위한 소재 단위의 연구가 수행되고 있다.

제주국립대학교에서는 다양한 경량금속 및 폴리머 소재에 대한 양성자 차폐 성능을 전산모사로 평가하는 한편, 한국과학기술원(KAIST)의 인공위성연구소에서는 금속-폴리머 복합패널 및 산화물 형태의 소재 개발 연구와 양성자 조사 실험을 통한 평가를 수행하였다.

▲ <그림 5> 인공위성 구조 및 열 제어계 알루미늄 적용 사례 (자료: 인공위성연구소)

위성체에 마그네슘 소재를 적용하려는 연구는 거의 수행된 적이 없으나 국내에서 개발된 위성에 상용소재가 적용된 사례는 있다. 2018년 12월, 스페이스엑스의 팰컨 9 로켓에 실려 발사된 차세대 소형위성 1호의 경우 카이스트 인공위성연구소에서 별 탄생의 신비를 밝히고 인공위성에 사용되는 국산 부품 성능시험을 담당하고자 개발되었다.

다양한 성능의 탑재체를 싣고 최종 무게인 107kg을 만족하려고 알루미늄 합금 소재를 마그네슘 합금으로 교체하여 무게를 38%가량 줄인 것으로 알려졌다. 이때 사용된 합금은 AZ31B 합금으로서 항복강도 200MPa 수준의 압연 판재로 적용되었으며, 구조적인 설계 및 디자인으로 강도를 확보하고 갤바닉 부식을 방지하고자 패널과 프레임을 이종소재로 연결하지 않고 통합된 마그네슘 구조체를 설계하여 적용하였다.

▲ <그림 6> 한국형 우주과학연구용 위성인 차세대 1호 (자료: KAIST)

2) 해외 동향

NASA에서는 이미 항공기용 부품으로 많이 사용되는 알루미늄 합금을 우주 발사체 및 인공위성 구조체로 사용해 왔다. 소재기술이 발달하면서 우주 시대를 먼저 개척한 선진국에서는 위성 구조체 재료 선정에 있어 발사체에서 전달되는 외부 진동 및 충격에 뛰어난 복합소재를 이미 대부분 적용하고 있다. 그러나 전자부품 하우징에는 최근까지 우주방사선 차폐 성능이 우수한 금속소재인 알루미늄 합금을 적용해 왔다. 알루미늄-베릴륨 합금(AlBeMet)은 베릴륨(Be)의 인체 유해성 때문에 사용이 제한적이긴 하지만 우주 항공산업에서 기존 6xxx 계열 알루미늄-마그네슘 합금의 대안으로 빠르게 성장하고 있다.

낮은 밀도와 우수한 기계적 특성(철강과 유사한 영률) 덕에 기존 상용 알루미늄 합금보다 약 25% 더 경량화할 수 있다. 오하이오주 메이필드 하이츠(Mayfield Heights) 및 스위스 시놉타(Synopta GmbH)는 코페르니쿠스 어스(Copernicus Earth) 관찰 프로젝트를 위해 개발한 위성의 통신 핵심 부품에 경량의 고강성 소재인 마테리언(Materion)의 알루미늄-베릴륨 합금을 적용하였다.

▲ <그림 7> Materion AlBeMet 합금 부품 및 Synopta 통신위성(자료: ASM international, 2019. 12)

우주 민간산업의 개막을 알린 스페이스엑스의 경우 발사체 및 우주 환경 구조체의 많은 부분에서 알루미늄 합금을 적용하고 있다. 항공우주산업에서 구조체에 가장 많이 사용되는 알루미늄-리튬 합금 2195-T84는 이전 알루미늄 합금보다 모듈러스(modulus)가 5% 더 높고 인장강도가 더 커서 극저온 응용 분야에도 탁월한 고강도 특성과 마찰교반 용접이 가능하다.

유럽에서는 기존 알루미늄 합금보다 우주방사선 환경에서 더욱 효과적인 5xxx 및 7xxx 계열 알루미늄 합금의 크로스오버 특성을 지닌 AlMgZn 신합금을 개발하였다. 이 합금은 높은 분율의 Mg32(Zn, Al)49 경화 석출물을 형성하여 극한의 방사선 조사에서 우수한 열화 저항성을 보여주었으며, 이러한 현상의 메커니즘을 분석해 우주 탐사를 위한 금속합금 설계에 새로운 방향성을 제시하고 있다.

▲ <그림 8> AlMgZn 크로스오버 신합금의 경화 석출물 상분석 및 분율 계산(자료 : Adv. Sci. 2020)

마그네슘 소재의 경우 우주와 관련된 연구와 적용 사례가 적어 NASA에서는 거의 쓰이지 않고 있었다. 하지만 최근 고에너지 우주방사선에 의한 이차 방사선 노출이 알루미늄 합금에 비해 약 30% 완화한다는 보고가 있어 마그네슘 소재에 관심이 급증하고 있으며, 합금화 및 표면처리 기술 발달로 기존의 마그네슘 소재의 단점이 개선된 사례가 늘고 있어 우주 환경에서의 구조체에 적용할 목적으로 연구가 확산하고 있다. 이와 관련하여 NASA와 플로리다대학교(Univ. of Florida)에서는 UF-RadSat 프로젝트를 공동으로 수행하면서 큐브샛(CubeSat) 임무를 통해 마그네슘-가돌리늄(Mg-Gd) 신합금의 방사선 완화 특성 테스트를 진행 중이며, 열중성자 차단에 대한 금속의 유용한 특성 연구를 수행하고 있다.

최근 과학기술 및 상업적으로 개발되고 사용되는 큐브샛의 수가 증가함에 따라 우주 쓰레기 처리 및 파편의 위험성이 고조되면서 제어불능이거나 수명이 다한 위성이 대기권으로 재진입 중에 열에 소멸, 폐기되는 기술이 제안되고 있다. 마그네슘 소재는 작은 열에도 쉽게 발화 및 분해되므로 경량화와 폐기 가능성이 모두 우수한 새로운 큐브샛의 구조재료로 평가받고 있다.

▲ <그림 9> CubeSat 구조 특성(자료 : Adv. Sp. Res., 67(2021))

중국은 미국에 이어 활발한 우주개발을 진행하고 있으며, 최근 달 착륙 프로그램을 성공적으로 이끌어 눈부신 기술적 성과를 이루고 있다. 특히 중국은 다양한 위성체에 마그네슘 소재를 적극적으로 적용하고 있다. 2015년 ‘푸장 1호’ 위성에 마그네슘-리튬 합금을 성공적으로 적용하였으며, 2016년 12월 이산화탄소 모니터링 과학 실험 위성에는 CFRP 수준의 저밀도 마그네슘-리튬 금속 소재를 적용하여 우수한 전자파 간섭 차폐능을 확보하고 충격 흡수 및 소음 감소 효과를 부가할 뿐만 아니라 위성 무게를 크게 줄여 발사 비용을 저감하는 데 일조하였다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)