▲ 금속 3D프린팅을 이용한 고정밀 마이크로추력기제작(左)과 추력 우수성 모식도(右)(출처: POSTECH)

포스텍(POSTECH)이 금속 3D프린팅 기술을 활용해 기존보다 작고 가벼우면서도 우수한 성능의 추력기를 개발해 우주 탐사 활성화에 기여할 전망이다.

포스텍은 친환경소재대학원·신소재공학과 김형섭 교수, 기계공학과 김동식·이안나 교수 연구팀이 금속 3D프린팅 기술을 활용해 기존 방식의 한계를 뛰어넘는 우주 탐사용 고정밀 마이크로추력기를 개발하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

최근 우주에는 점점 더 많은 소형 위성이 올라가고 있다. 이들은 지구의 날씨를 관측하고 전 세계 통신을 연결하며, 기후 변화를 감시하는 중요한 역할을 한다.

우주에서 위성이 제대로 움직이려면 자동차 엔진처럼 ‘추진 장치’가 필요한데, 문제는 소형 위성에 들어갈 추진 장치는 손가락 크기만큼 작으면서도, 우주의 극한 환경을 견뎌야 한다는 점이다. 지금까지는 실리콘을 깎아 만들거나 초소형 기계 부품들을 조립하는 ‘MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)’ 기술을 사용했지만, 성능과 내구성에 한계가 있었다.

연구팀은 LPBF(Laser Powder Bed Fusion) 방식 금속 3D프린팅’ 기술을 활용했다. 이 기술은 레이저로 금속 가루를 녹이며 층층이 쌓아 원하는 모양을 만드는 기술로, 해당 기술을 이용하면 기존 방식으로는 불가능했던 매우 얇고 복잡한 구조도 정밀하게 제작할 수 있다.

연구팀이 만든 마이크로추력기는 아주 작지만 놀라운 성능을 보였다. 연소가 일어나는 챔버(chamber) 벽 두께는 0.5 mm에 불과한데, 이는 동전 두께보다도 얇은 수준이며 연료가 분사되는 구멍은 약 180마이크로미터(μm, 10-6m) 수준이다.

이렇게 정교하게 제작된 추력기는 실제 우주 환경과 비슷한 700℃의 고온에서 1분 동안 진행된 연소 실험에서도 구조적 손상 없이 안정적으로 작동했다. 추진 효율도 매우 높아 특성 속도 효율은 84.3%, 비추력 효율은 91.7%를 기록했다.

작고 가벼우면서 성능이 뛰어난 추력기를 저렴하게 만들면, 더 많은 소형 위성을 우주에 보낼 수 있고 이는 곧 더 정확한 일기예보와 지구 관측, 더 빠른 통신이 가능해진다. 화성이나 소행성 같은 먼 우주 탐사에도 활용할 수 있어, 이번 연구는 우주 탐사에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

김형섭 교수는 “이번 연구는 금속 3D프린팅을 활용해 소형 우주 추진기를 가볍고 정밀하게 만든 최초 사례”라며, “특히 학생들이 주도적으로 연구를 이끌어 탁월한 성과를 낸 점에서도 큰 의미가 있다”고 밝혔다.