「KRISS의 보물」

- 세상을 밝게 비춰줄 비구면 광학 거울 -

 

 

 

<007 시리즈>, <미션 임파서블>, <스테이트 오브 에너미>와 같은 스파이나 전쟁을 소재로 하는 영화들에 단골손님처럼 등장하는 장면이 있다. 바로 인공위성을 이용해 적의 동태를 감시하는 것이다. 영화에서처럼 우주에서 지상을 내려다보거나 지상에서 별을 관측하기 위해서 초정밀급 성능을 발휘할 수 있는 광학 거울이 필요하다. 이러한 위성 카메라용 광학 거울을 국내에서 제작할 수 있는 곳은 KRISS가 유일하다. 이번 ‘KRISS의 보물’ 코너에서는 우리나라 광학 가공 관련 기술을 단시간 내에 선진국 반열에 올린 ‘우주용 대구경 비구면 광학 거울’을 소개한다.

 

  

 

 ▲ 「KRISS의 보물」 - 우주용 대구경 비구면 광학 거울

 

 

광학카메라 국산화에 첫발을 내딛다.

 

지금으로부터 약 30년 전. KRISS 우주광학팀은 주로 카메라와 소형 광학계 관련 연구 개발을 진행했다. 광학계 평가기술을 개발하여 표준화하였으며, 수입하던 성능평가 장치를 국산화하여 모든 국내 광학 회사에 보급함으로써 국내 카메라 기술을 선진국 수준으로 향상시키는 데 크게 이바지했다. 하지만 대기업들이 기술력을 갖추면서 정부출연연구기관의 비전과 역량에 걸맞은 성과를 창출해야 하는 KRISS는 연구 방향에 대해 진지한 고민에 빠질 수밖에 없었다.

그러던 중 1997년 정부가 다목적실용위성 2호의 광학카메라 개발사업에 대한 공고를 냈다. 공고문의 내용은 한국항공 우주연구원뿐만 아니라 국내 기업체도 주도적으로 개발 사업에 참여할 수 있게 한다는 것이었다.

 

당시 KRISS는 우리별 위성 카메라와 다목적실용위성* 1호 카메라 개발을 지원하고 있었으므로 국내에서 유일하게 우주용 광학계를 개발할 수 있었다.

한국항공우주연구원은 물론 많은 대기업이 KRISS를 향해 협력의 손길을 내밀었고, 이윤우 책임연구원은 위성 카메라용 광학 거울 기술 도입을 위하여 러시아 등 우주개발 선진국의 관련 시설들을 일일이 방문했다.

 

그러나 기술 도입은 만만한 작업이 아니었다. 미국식 기술에 익숙한 관련 전문가들의 반대로 러시아 기술 도입은 적지 않은 진통만 겪은 채 무산되고, 한국항공우주연구원의 주도로 이스라엘의 기술을 도입하게 된다. 이스라엘의 기술은 프랑스의 기술을 도입한 것이니, 결과적으로 우리나라는 이스라엘을 통해 유럽의 기술을 받아들인 것이다.

 

광학계의 국내 순수 기술개발은 그렇게 시작되었다.

 

 

우리나라 광학 가공 기술을 선진국 반열에 올리다.

 

지구를 관측하는 위성 카메라는 우주의 열악한 환경(무중력, 고진공, 큰 온도 변화, 발사 충격과 진동, 우주 방사선 등)에서 매우 안정적으로 동작해야 한다. 이 때문에 열악한 우주환경과 발사조건에서도 안정된 성능을 유지하는 특수한 광기계 구조의 대구경 초정밀 거울이 필요한 것이다. 우주용 광학 거울은 지구상에서 가장 높은 수준의 초정밀급 부품으로, 나노미터 수준의 비구면 형상으로 되어 있어, 위성 카메라가 선명한 고해상도 영상을 촬영할 수 있도록 한다.

 

KRISS 우주광학팀은 직경 1 m의 초정밀급 비구면 거울을 2004년 국내 순수 기술로 개발하는 데 성공했다. 그러나 우주용 대구경 비구면 거울개발을 위한 길은 순탄하지 않았다.

대형 비구면 거울의 핵심은 중력에 매우 민감한 얇은 비구면 연마기술이다. 광학 거울의 해상도를 높이기 위해서는 비구면 거울 표면 전체의 형상 오차**를 20 ㎚ 이하로 연마해야 한다. 이는 성인 머리카락 굵기의 4천분의 일 크기로 기계가공에만 의존할 수 없고 반드시 비구면 형상 측정기술과 중력보정 자동연마기술이 함께 뒷받침되어야 한다.

 

연구 개발 초기에는 우주환경에 최적화된 비구면 거울용 광기계 해석, 경량화, 우주환경 시험 기술을 확보하지 못했던 우주광학팀은 외부 업체와 타 연구기관에 의뢰하기도 했지만, 작업 중 유리가 손상되거나 국내 광기계 해석과 우주환경 시험 기술의 한계에 부딪히게 되었다. 결국 2006년 국가전문연구단을 재구성하여 자체적으로 광기계 해석, 경량화, 우주코팅, 우주환경시험 기술을 개발하게 됐다.

 

처음 자체적인 기술 개발을 제안했을 때 엔지니어들은 ‘까다롭고 위험한 이 작업을 우리가 과연 해낼 수 있을까?’ 의문을 품었다. 당시 여러 나라의 기술 정보를 수집하며 우주용 경량화와 시험 기술을 접했던 이윤우 책임연구원은 이재협 책임기술원과 연구원들을 설득하여 연구에 몰입했다.

그 결과 우주광학팀은 직경 2 m인 광학 거울을 형상 오차 20 ㎚ 이하로 가공하고 측정할 수 있는 모든 장비를 국산화 함으로써 세계 수준의 성공적인 결과를 불러왔다. 당시 세계적으로도 이러한 대형 광학 거울을 설계하고 초정밀 가공할 수 있는 나라는 미국, 프랑스, 러시아 등 손에 꼽을 정도였다. 초정밀 비구면 광학 거울개발은 우리나라 광학 가공 관련 기술을 단시간 내에 선진국 수준까지 끌어올렸다고 할 수 있다.

 

 

▲ (좌)이재협 책임기술원과 (우)이윤우 책임연구원이 연마기를 시험 중인 모습

 

 

세상을 밝히는 연구를 위한 길

 

KRISS가 개발한 비구면 광학 거울은 당시 제작된 광학 거울 중에서 직경이 가장 큰 것으로, 위성 카메라에 사용되는 경우 600 km 상공에서 약 0.5 m 이하의 해상도를 가진다. 기존 위성 카메라가 움직이는 버스 정도를 인식할 수 있었다면, KRISS의 초정밀 비구면 광학 거울을 사용한 위성 카메라는 자동차의 번호판까지 인식할 수 있게 된 것이다. 또한 이 기술은 다양한 목적의 위성 카메라 제작뿐만 아니라 대형 천체망원경, 위성추적용 광학계, 대구경 시준(視準)장치, 반도체용 자외선 노광기, 가속기용 거울에도 직접 사용할 수 있을 정도로 활용도가 높다.

 

한편 미국이나 러시아는 1960년대부터 경쟁적으로 위성 카메라를 개발하면서 광학 설계, 소재 개발, 연마, 조립, 시험 등의 주요 기술을 여러 기관에 분산시킨 반면 후발주자였던 우리나라는 비구면 연마, 경량화, 광기계 해석, 비구면 형상 측정, 조립, 우주 환경시험 등의 기술과 관련 장비를 한 곳에 집적함으로써 연구효율을 획기적으로 높였다. 개발 과정에서 발생하는 많은 문제를 빠르게 해결할 수 있었고, 이는 어느 나라에도 없는 연구효율과 팀워크를 만들었다.

 

최근에는 신산업에 의한 새로운 광기술 수요가 발생해 우주용 및 산업용 광기술이 협업이 점차 강조되고 있다. 이에 우주광학팀의 새로운 연구주제도 차세대 반도체용 리소그래피 광학계, 거대 천체망원경, 극한환경 광학기기 등으로 매우 다양하다.

 

우주광학팀 이윤우 책임연구원과 이재협 책임기술원은 “빛을 다루는 연구자인 만큼 세상을 밝히는 연구를 해 나가는 것이 우리의 목표입니다.”라고 말한다. 마치 그들이 개발한 우주용 대구경 비구면 광학 거울이 국내 광산업의 미래를 밝게 비춘 것처럼 말이다. 그리고 지금 순간에도 KRISS 우주광학팀은 자신들의 철학에 따라 인류의 삶을 안전하고 편리하게 하는 연구 개발에 최선을 다하고 있다.

 

* 다목적실용위성

다 목 적 실 용 위 성 인 아 리 랑 위 성 은 한 국 항 공 우 주 연구원에서 개발해 1999년 12월에 1호가 발사되었으며 지도제작, 국토관리, 재난관리를 위한 공간해상도 6 . 6 m 의 광학카메라가 탑 재 되 었 다 . 2 0 0 6 년 에 발사된 아리랑 2호에는 공간해상도 1 m, 2012년에 발사된 아리랑 3호에는 공간해상도 0.7 m, 그리고 2015년에 발사된 아리랑 3A호는 공간해상도 0.5 m의 광학카메라가 탑재되었다.

** 형상 오차

구조물의 형상이 목표형상과 일치하지 않는 오차를 말하며, 실무와 관련해서는 설계형상과 완공 후의 형상 차이라 할 수 있다.

 

KRISS 사보는 PDF 파일로도 다운로드 받으실 수 있습니다.

(https://www.kriss.re.kr/gallery.es?mid=a10106040100&bid=0003)