[Leading Researcher] 한국산업기술대학교 기계공학과 김택영 교수
QM급 PCM 기술 확보를 통한 우주 기술 선진국으로 도약
상변화 물질에 대한 지속적인 연구로 새로운 기술가치 창출
위성제작에 필요한 국내 기술은 이미 상당 부분 해외 기술에 근접하였으나, 열제어 분야 기술 수준은 해외 선진국과 비교할 때 아직 부족한 점이 많아 향후 독자적 탑재체 개발에 있어 기술적으로 뒤처진 분야로 지목받고 있다. 특히, 상변화물질을 적용한 국내 열제어 연구는 건물과 기능성 의류분야 등 지상분야에 연구가 집중되어 있으며, 우주 활용을 염두에 둔 기술개발은 해석수준에 머무르고 있는 상황이기에 이에 대한 많은 연구와 개발이 필요한 실정이다.
재현성 확보와 신뢰성 보장이 바탕 된 결과 도출
상변화물질(Phase Change Material, 이하 PCM)을 응용한 기술(Heat Switch / Actuator / Heat Storage Device)은 NASA와 ESA의 인공위성뿐만 아니라, 달 탐사선, 화성탐사선, 발사체 등에서 이미 널리 사용되고 있는 첨단 열제어 장치이다. 향후 국내 우주개발 단계의 기술적 보조를 맞추기 위해서는 해외 연구개발 및 응용사례를 참고하여 PCM을 이용한 열제어 장치 개발은 필수적이라고 할 수 있다. 이에 한국산업기술대학교 기계공학과의 김택영 교수는 고상-액상 상변화물질인 PCM을 이용한 열제어장치를 설계·제작하기 위해 신뢰성, 내구성 및 수명시험을 통하여 QM(Qualification Model)급 모듈을 개발하기 위한 연구를 펼치고 있다.
저궤도위성인 다목적실용위성의 탑재체 중 주기적으로 작동하는 부품의 열제어에 있어 질량과 소모 전력의 최적화를 위해서 열적완충질량인 TBM(Thermal Buffer Mass)을 사용한다. 일종의 열에너지 콘덴서인 TBM은 열에너지를 주기적으로 축적하고 방출하여 방열판의 크기와 질량을 줄이고 히터의 소모 전력도 절감시키지만 TBM의 질량도 무시할 수 없을 정도로 크고, TBM을 위성에 장착하기 위한 보조 기구물까지 고려한다면 질량 증가량이 상당하다. 김 교수는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존에 적용된 TBM의 제원을 분석하고, 이의 열용량에 대응하는 QM급 PCM 열제어장치의 최적설계를 수행하였다. 또한, TBM의 열용량에 대비한 PCM의 용량을 산정하고 수치해석과 실험을 통하여 검증하는 등 다양한 연구를 진행하고 있다. 이렇게 도출된 설계와 해석결과를 토대로 PCM 열제어장치의 시작품을 제작하고 기본적인 실험을 수행하게 되는데, 이는 재현성 확보와 신뢰성 보장의 바탕이 된다. 더불어 최종적으로 제작된 시제품은 QM급으로 인증을 받아야 하므로 이에 대비하여 장시간에 걸친 내구-수명 시험을 수행할 예정이며, 기본적인 성능시험과 내구성시험 및 단기 수명시험도 수행할 계획이다.
김 교수는 이번 연구를 통해 우주급 축열장치 시제품을 개발할 예정이다. 이미 현재까지의 연구로 PCM 열제어장치 우주 인증시험 규격을 정의했으며, 시작품 개발에 필요한 각종 요소기술에 대한 검증을 선행하였다. 이를 바탕으로 진행될 다음 단계 연구는 이미 검증된 요소기술의 집합체인 시제품에 대하여 열진공시험, 진동 및 충격시험, 장기간 운용시험 등을 수행함으로써 시제품의 우주인증을 받는 것을 목표로 하고 있다.
김 교수는 “이번 연구를 통해 우주부품으로서의 인증을 위한 Qualification Test 절차를 모두 완료하여 향후 인공위성에 장착할 수 있는 단계의 부품을 개발할 예정입니다”라며 “PCM을 이용한 열제어장치는 주기적으로 작동하는 부품이나 모듈에 효과적으로 활용될 수 있으며, 앞으로 각종 행성 간 임무수행위성과 유인우주선에서도 필요성이 예상되므로 QM급 PCM 기술의 확보는 우주분야에 미치는 영향이 적지 않을 것으로 판단됩니다”라고 확언했다.
국내 반도체 생산 장비 우수성 인정받는 연구 펼치다
우리나라의 우주개발 초기인 1995년도부터 우주환경 열제어분야에 관한 연구를 꾸준히 수행해온 김택영 교수는 한국산업기술대학교 열유동계측제어 연구실을 이끌며 우주환경 열제어기술 외에도 유체유량의 정밀한 계측과 제어를 통한 공급 장치인 유체 질량유량제어기(Mass Flow Controller, MFC)에 관한 연구를 활발히 펼치고 있다. 반도체 생산 공정에 주로 사용되는 핵심장치인 MFC는 기존 유체유량의 계측에 사용되는 압력 차를 측정하는 방식과 달리 대류열전달에 의한 온도 차를 이용한 계측법을 사용해 질량유량의 직접적인 계측이 가능한 기술이다.
지난 2004년도에 엠케이프리시젼(주)(대표이사 민병광)을 공동 설립한 이후 꾸준한 연구개발을 통하여 삼성전자의 반도체 생산라인에 사용되는 기체용 MFC를 공급하고 있는 김 교수는 현재 액체의 유량제어용 LFC(Linear Flow Controller)도 개발을 완료하여, 상품화를 위한 양산체제를 구축하고 있다. 그는 “반도체생산 대국임에도 불구하고 장비에 대해서는 국산화 실적이 저조한 것이 국내 현실입니다. 이에 비추어봤을 때 핵심 생산요소장치의 개발과 상품화는 기술자립도 측면에서도 매우 중요합니다”라며 연구에 대한 자부심을 내비쳤다.
연구에 대한 신뢰성을 바탕으로 방법론을 충실하게 되짚어 보는 것이 연구자로서 갖춰야 하는 기본적인 소양이라고 목소리를 높이는 김택영 교수. 그는 상변화 물질에 대한 지속적인 연구로 우주환경 열제어기술 발전에 보탬이 되고자 한다. 더불어 MFC, LFC 질량유량계를 상용화시켜 국내 반도체 생산 장비의 우수성을 알리고자 연구에 매진하고 있다. 이러한 그의 연구자로서 노력하는 진정성 있는 자세가 결실을 맺어 국내 과학기술의 발전에 한 축을 담당하기를 기대해본다.
Profile
1986, 학사, 서울대학교 기계공학과
1988, 석사, 서울대학교 기계공학과
1993, 박사, 한국과학기술원 항공우주공학과
1993-1994, 삼성전자 생활시스템 연구소, 선임연구원
1994-1999, 현대전자 위성사업단, 책임연구원
1995-1997, 미국 Space System Loral사 위성제작 기술연수
1999-현재, 한국산업기술대학교 기계공학과 교수
