고해상도 천체망원경 개발 탄력

표준硏, 직경 2m이상 광학거울 만드는 광학가공실 구축

지구궤도 인공위성 감시체계 기반 마련

위성 장착땐 지상 車번호판 식별도 가능

15나노미터 정밀도로 연마후 금속박막 코팅

위성용으로 쓰려면 무게 줄이는 기술 필요

직경 2m급 광학거울을 15나노미터의 정밀도로 연마하는 모습.

대형 광학거울의 표면을 코팅하는데 사용되는 광학박막증착기. 코팅작업 때 금속 입자가 공기 분자와 충돌하지 않게 높은 진공상태를 유지해야 한다.

높은 정밀도를 가진 대형 광학거울을 만드려면 표면의 정밀도를 제작단계별로 측정해야 한다. 사진은 측정장비를 이용한 형상측정 모습.

한국표준과학연구원(원장 정광화)은 직경 2m 크기의 대형 비구면 광학거울을 만들 수 있는 광학가공실을 구축했다고 8일 밝혔다. 이에 따라 직경 2m 이상급 천체망원경 개발의 최대 걸림돌이 해소되고 인공위성용 고해상도 카메라 개발도 탄력을 받을 것으로 기대된다.

대형 비구면 광학거울은 미국ㆍ러시아ㆍ프랑스 등 일부 국가만이 가공기술을 보유하고 있으며 제품 수출도 엄격히 통제하고 있다.

◇어디에 활용되나=대형 광학거울 가공기술은 천체망원경과 인공위성용 고해상도 카메라 개발에 필수적이며 향후 국방 분야에서도 요긴하게 활용될 것으로 전망된다. 직경 2m 이상의 천체망원경이 제작되면 천체 관측은 물론 지구궤도를 돌고 있는 인공위성의 대략적 형태 식별도 가능해진다.

인공위성 전문가들은 위성의 형태만으로도 첩보위성인지 일반 통신용인지 구분하는 것으로 알려졌다. 공군과 한국천문연구원 등이 추진 중인 인공위성 감시체계를 구축하는 기반도 마련된다. 현재 국내 최대 천체망원경은 1.8m급(보현산천문대)에 불과하다.

또 직경 2m급 이상의 광학거울을 인공위성용 고해상도 카메라에 장착하면 10㎝급 해상도의 위성영상 촬영이 가능해진다. 이 정도면 지상에 있는 차량의 번호판을 확인하는 것도 가능하다. 우주궤도에 올려진 미국 허블 우주망원경은 직경 2.4m로 지상관측용으로 사용할 경우 축구장의 축구공을 볼 수 있는 해상도를 가진 것으로 알려져 있다.

현재 한국항공우주연구원이 개발해 운용 중인 다목적 실용위성(아리랑) 2호는 약 0.7m급 광학거울을 사용해 1m급 해상도를 가진 위성영상 촬영이 가능하다. 개발 중인 아리랑 3호는 0.9m급 광학거울을 사용, 70㎝급 해상도를 가진 위성 영상을 촬영하게 된다.

◇어떻게 제작하나=광학거울은 고강도 유리나 세라믹 재료의 표면을 15나노미터(㎚ㆍ10억분의1m)의 정밀도로 연마한 뒤 금속박막 코팅을 해 거울 같은 표면을 갖게 된다. 특히 평면 형태의 일반 거울과 달리 위성통신용 접시 안테나처럼 거울로 들어오는 빛을 한 점으로 반사시키는 비구면으로 가공해야 한다.

표준연은 지난해 직경 1m 크기의 비구면 광학거울 자동연마기술을 개발했으나 연마장비가 작아 1m 이상급을 제작할 수 없었다. 직경 2m급 광학거울은 직경 1m급에 비해 폭은 2배지만 면적은 4배나 되기 때문에 보다 정밀한 연마기술이 요구된다. 표준연은 대형 광학가공실 구축으로 재료 표면의 연마에서 정밀도 측정, 금속박막 코팅에 이르기까지 일관 가공할 수 있게 됐다.

인공위성에 사용되는 광학거울은 정밀도와 우주먼지 등을 견디는 강도도 갖춰야 하지만 가장 중요한 요소는 가벼워야 한다는 점이다. 직경 2m급 광학거울은 무게가 약 600㎏이나 되기 때문에 인공위성용으로 쓰려면 거울 뒷면을 벌집형태로 파내 구조적인 강도를 유지하면서도 '체급'을 최대한 낮추는 기술이 필요하다.

표준연이 지난해 항우연에 공급한 지상 테스트용 0.9m 광학거울의 경우 무게가 400㎏가량 되지만 인공위성에 탑재하려면 뒷면을 파내 130㎏ 정도로 줄여야 한다. 내구성의 경우 인공위성이 운용되는 5년 안팎 정도만 보장되면 된다.

반면 천체망원경용 광학거울은 무게가 별 문제가 되지 않으며 장기간 사용할 수 있는 강도ㆍ정밀도가 훨씬 중요하다. 장기간 사용해 표면의 정밀도가 떨어지면 다시 금속박막 코팅을 해 사용하면 된다.