순수 국내 기술로 우주 미래 개척에 한발 다가서다-차세대중형위성 1호에 국산 반사경 탑재
2021-03-25관리자
순수 국내 기술로 우주 미래 개척에 한발 다가서다
- 차세대중형위성 1호에 국산 반사경 탑재 -
- 정부출연연구기관 간 협력 연구 성공 결과 -
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 3월 22일 발사된 국내 최초의 표준모델급 인공위성 ‘차세대중형위성 1호’의 망원경 핵심부품인 반사경을 모두 국산화하는 데 성공했다.
◦ 반사경은 인공위성 카메라의 해상도를 결정하는 핵심부품이다. 반사경의 지름이 클수록 더욱 선명한 영상을 얻을 수 있지만, 대형 반사경은 전략물자로 사용될 수 있기에 해외 수입이 어렵다.
3월 22일 발사된 차세대중형위성 1호에 사용된 거울은 총 5개다. 그중 가장 중심이 되는 거울인 주 반사경은 지름이 0.6 m로 크지만, 무게가 13 kg 남짓으로 매우 가볍다. 거울면의 형상 오차는 머리카락의 8천분의 1 수준인 10 nm(나노미터, 10억분의 1 ｍ) 정도로, 좁은 골목길까지 정밀하게 촬영할 수 있다.
대구경 주 반사경의 초경량화 설계 및 제작기술은 지구의 중력과 로켓에 의한 발사환경, 그리고 우주 환경에 영향을 받지 않도록 해야 한다. 이는 최첨단 기술로서 지금까지 국내에서는 이 요구조건을 만족하는 설계 및 제작기술이 전혀 없었다.
KRISS 첨단측정장비연구소 우주광학팀은 지난 2005년부터 현재까지 한국항공우주연구원(이하 항우연)과 협력 연구를 통해 반사경 국산화를 위해 지속적인 노력을 기울였다. KRISS는 반사경 가공 및 측정에 관한 기술을 주로 개발했고 우주 환경에 관련한 정보제공 및 관련 시험은 항우연이 담당했다.
KRISS 연구팀은 반사경이 가볍지만 잘 휘지 않도록 만드는 경량화 설계기술, 거울면의 형상을 최첨단 반도체보다 정밀하게 만드는 가공기술, 그리고 발사체의 진동과 충격으로부터 거울을 보호하는 조립기술을 등 초정밀 광학측정 및 제작기술을 세계적인 수준으로 끌어올렸다.
KRISS는 이 기술을 바탕으로 지름 0.6 m의 주 반사경을 비롯해 총 5개의 반사경으로 구성된 비행모델 두 세트 개발을 완료했고, 그중 하나가 이번에 발사된 ‘차세대중형위성 1호’에 탑재됐다. 또한, 향후 발사될 다양한 위성에 탑재할 반사경도 항우연과 공동으로 개발하고 있다.
반사경 개발과제 책임자인 KRISS 양호순 책임연구원은 “반사경은 위성의 눈 역할을 하는 핵심부품 중 하나로, 설계‧가공‧조립에 이르는 모든 과정을 독자적으로 개발했다는 데 큰 의미가 있다”라며, “향후 도래할 우주 시대에 우리나라가 뛰어난 경쟁력을 확보할 수 있도록 노력하겠다”라고 말했다.
지난 2005년부터 항우연과의 협력 연구를 이끌었던 KRISS 이윤우 책임연구원은 “연구소 간 벽을 허물고 훌륭한 연구결과를 보여준 협력 연구의 대표적 성공 사례”라고 언급하면서 “앞으로 더욱 긴밀한 연구 협력을 통해 차세대 위성 개발에도 최선을 다하겠다”라고 포부를 밝혔다.
붙임1
연구성과 추가 설명
○ 어디에 사용할 수 있나?
1. 대형 인공위성 카메라 국산화 기술 확보
위성카메라의 광부품 중에서도 주 반사경은 위성카메라의 시력을 결정하는 핵심부품으로서 고해상도의 선명한 영상을 얻기 위해서는 대형 반사경이 필요하다. 주 반사경이 커질수록 지구에서 방출되는 빛을 많이 잡아낼 수 있기 때문이다. 차세대중형위성의 주 반사경의 지름은 0.6 m지만, 앞으로 우리나라가 개발할 대형위성은 지름 1 m 이상으로, 지금까지의 KRISS의 연구성과를 바탕으로 국내 수요에 대응하기 위해 더욱 기술을 발전시킬 계획이다.
2. 극한환경용 대구경 광학계 개발
본 연구성과로 얻은 요소기술들은 우주용 인공위성 카메라뿐만 아니라 감시정찰기술과 고출력 레이저를 이용한 미사일 무력화 기술, 그리고 극지용 천체망원경에 이르는 극한환경용 광학계 개발에 사용할 수 있다. 또한, 차세대 극자외선 반도체 공정장비와 방사광가속기용 반사경 등 국내 미개척 광학 분야로도 그 활용 분야를 확장하고 있다.
○ 연구개발 과정
1. 광기계설계
광학적인 설계를 통해 광선의 진행경로를 결정하는 거울의 크기, 곡률반경 및 비구면 상수 등을 정하고 이를 토대로 광기계 설계를 진행한다. 광기계 설계는 거울 뒷면의 경량화 가공패턴과 반사경이 변형되지 않도록 유지하는 지지구조물 설계를 일컫는다.
이때, 무게 제한 및 온도 조건 또는 진동의 크기 등 사용하는 조건에 맞도록 설계 및 해석을 수행하는데, 반사경의 크기가 클수록 설계가 더욱 어렵고 중요해진다. 그래서 지름이 1 m 이상인 경우, 이러한 광기계 설계가 전체 사업 기간의 절반 이상을 차지하기도 한다.
2. 경량화 및 에칭 공정
광기계설계가 완료되면 다이아몬드 가공툴을 이용한 경량화 과정과 이 과정에서 생기는 미세크랙을 제거하기 위한 에칭공정을 진행한다.
3. 반사면 제작
반사면의 연삭, 연마 및 광학적인 측정을 통해 원하는 비구면 형상으로 반사면을 제작한다. 우주용 반사경의 경우 대부분 형상오차는 10 nm 수준이다.
4. 지지대 조립
제작 완료된 비구면 반사경을 지지구조물에 조립하여 우주환경 시험을 통하여 우주에서의 사용 가능 여부를 확인한다.
○ 타 연구와의 차별점
지금까지 인공위성 카메라의 해상도를 결정하는 핵심부품인 대구경 주 반사경은 기술적 난도가 높아서 독일, 프랑스 등 유럽의 광학 선진국 기술에 의존할 수밖에 없었다. 차세대중형위성 1호의 주 반사경은 그동안 한국표준과학연구원이 15여 년에 걸쳐 한국항공우주연구원과 공동개발한 주 반사경 기술의 집약체이다. 설계부터 가공, 조립에 이르는 모든 과정을 국내 최초로 독자 개발했다는데 큰 의미가 있으며, 위성카메라를 구성하는 고부가가치 품목의 기술독립을 이룬 사례이다.
○ 지원사업 관련 정보
- 사업명: 차세대 중형위성 광학탑재체 반사경 개발(‘15.11~’18.12)
- 발주처: 한국항공우주연구원 (총연구비 25억 원)
붙임2
사진 자료
▲ KRISS 양호순 책임연구원(좌), 이재협 책임연구기술원(우)
▲ 차세대중형위성 1호에 사용된 주 반사경
▲ 주 반사경을 제작한 KRISS-항우연 연구팀
붙임3
연구팀 프로필
1. 인적사항
○ 성 명 : 양호순
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소 우주광학팀
○ 직 책 : 책임연구원
2. 경력사항
○ 2003～현재 : 한국표준과학연구원 우주광학팀 책임연구원
○ 2000~2003 : ㈜쎄트렉아이 선임연구원
3. 전문 분야 정보
○ 대형 반사경 가공 및 평가
1. 인적사항
○ 성 명 : 이윤우
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 첨단측정장비연구소 우주광학팀
○ 직 책 : 책임연구원
2. 경력사항
○ 2021 : 한국광학회 회장
○ 2014~2020 : 과학기술연합대학원대학교 교수
○ 2014~2018 : 한국군사과학기술학회 이사
○ 2006~2016 : 한국표준과학연구원 우주광학연구단장, 우주광학센터장, 산업측정표준본부장