(a) 100mN 프린트된 마이크로 추력기의 개략도 및 작동 원리 (b1) 기하학적 설계 및 배치를 나타낸 등각 CAD 및 프린트 이미지 (c) MnOx/Al2O3 촉매 과립(1.00–1.18 mm) (d) 목표 설계 마이크로 추력기의 세부 치수. (사진=Virtual and Physical Prototyping)
[뉴스토마토 서경주 객원기자] 포스텍 연구진이 주목할 만한 소형 위성용 초정밀 추력기 개발 성과를 내놨습니다. 신소재공학과 김형섭 교수와 기계공학과 김동식·이안나 교수 공동 연구팀이 금속 3D 프린팅(LPBF, Laser Powder Bed Fusion) 기술을 이용해 소형위성용 초정밀 ‘마이크로 추력기’를 제작하고, 실제와 유사한 조건에서 성능을 입증했습니다.
위성이 궤도에서 제 역할을 하려면 자세를 바꾸거나 궤도를 수정할 수 있는 추진 장치(엔진)가 반드시 필요합니다. 그런데 초소형 위성에 들어가는 엔진은 ‘손가락 크기’밖에 되지 않아, 그 안에 수백 도의 열과 높은 압력을 견디는 복잡한 구조를 넣어야 합니다. 지금까지는 실리콘을 깎아 만드는 마이크로 전자기계 시스템 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술이 많이 활용됐지만, 재료가 쉽게 깨지고 제작 공정이 복잡해 대량 생산에는 적합하지 않았습니다.
MEMS의 벽 넘어선 금속 3D 프린팅
포스텍 연구팀은 이 한계를 금속 3D 프린팅으로 돌파했습니다. 금속 가루를 레이저로 녹여 층층이 쌓는 방식으로, 기존에는 불가능했던 얇고 복잡한 구조를 정밀하게 만들 수 있었습니다. Ti–6Al–4V 합금을 이용해 만든 추력기는 챔버(연소실) 벽 두께가 불과 0.5mm, 연료가 분사되는 구멍은 180마이크로미터(머리카락 굵기의 1/3 수준)에 지나지 않습니다. 이렇게 작은 구조물이지만, 섭씨 700도의 고온에서 1분간 연소 시험을 해도 균열이나 변형이 전혀 없었습니다.
추진 효율도 주목할 만합니다. 일반적으로 로켓 엔진 성능은 ‘특성 속도 효율(C*)’과 ‘비추력 효율(Isp)’이라는 지표로 평가하는데, 각각 84.3%와 91.7%라는 높은 값을 기록했습니다. 이는 기존 MEMS 기반 엔진보다 뛰어난 수치로, 사실상 대형 엔진에 버금가는 효율을 낸 것으로 볼 수 있습니다. 연구진은 표면거칠기·미세구형화 입자가 불가피한 적층 특성을 고려해, ‘작지만 강하고, 효율까지 높은 엔진’을 구현할 수 있게 됐다고 설명합니다.
가볍고 빠르게…위성 발사 판도 바꿀 기술
이번 연구의 가치는 크게 경량화와 제작 시간 단축을 들 수 있습니다.
우선 경량화는 챔버 벽을 0.5mm까지 얇게 줄이면서도 구조적 강도를 유지해, 엔진 전체 무게를 크게 줄였습니다. 우주에서는 몇 그램의 차이가 전체 위성 질량과 발사 비용에 큰 영향을 줍니다. 실제로 로켓 발사 비용은 1kg당 수만 달러에 이르기 때문에, 추력기를 가볍게 만드는 것만으로도 발사비를 줄일 수 있습니다. 게다가 가벼운 엔진 덕분에 동일한 로켓으로 더 많은 위성을 동시에 실어 올릴 수 있어, 최근 각광받는 메가 콘스텔레이션(초대형 소형위성 군집) 구축에도 유리합니다.
둘째, 제작 시간 단축 효과입니다. MEMS 방식은 화학적 증착, 에칭, 금속 증착, 다단 조립 등 수많은 공정을 거쳐야 해 완성까지 수십 시간이 걸립니다. 그러나 금속 3D 프린팅은 설계 도면만 입력하면 챔버와 인젝터 같은 주요 부품을 하나의 적층 과정에서 일체형으로 출력할 수 있습니다. 실제로 연구팀은 챔버 제작에 약 2.8시간, 인젝터 제작에 약 1.3시간, 총 약 4시간 만에 완성했다고 밝혔습니다. 이는 MEMS 공정 대비 최소 10배 이상 빠른 속도로, 연구·개발 주기를 단축시킨 것입니다. 덕분에 설계 → 출력 → 시험 → 개선의 반복 사이클을 며칠 단위로 돌릴 수 있어, 위성 개발과 맞춤형 제작에 큰 장점이 됩니다.
김형섭 교수는 “이번 연구는 금속 3D 프린팅으로 소형 우주 추진기를 정밀하면서도 가볍게 제작한 세계 최초 사례”라며 “특히 학생들이 연구를 주도해 탁월한 성과를 낸 점도 의미가 크다”고 말했습니다.
과학기술정보통신부, 한국연구재단, 방위사업청, 산업통상자원부, 한국기초과학지원연구원, 글로컬대학30 사업의 지원으로 이루어진 이번 성과는 국제 학술지 <버추얼 앤드 피지컬 프로토타이핑(Virtual and Physical Prototyping)>에 게재됐습니다.
논문 DOI: https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2533944
(a) 마이크로 추력기 시료의 단면을 보여주는 현미경 이미지 (b) 확대된 현미경 이미지 (c) 노즐 내부 영역의 표면 거칠기 특성 분석. (사진=Virtual and Physical Prototyping)
서경주 객원기자 kjsuh57@naver.com
이 기사는 뉴스토마토 보도준칙 및 윤리강령에 따라 강영관 산업2부장이 최종 확인·수정했습니다.
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