Application and Verification Trend of Space Qualified Materials

기술동향

우주용 자재의 적용 및 검증기술 동향

이춘우

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^***

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Application and Verification Trend of Space Qualified Materials

Choon-Woo Lee^*, Chang-Ho Lee^**, Young-Jun Cho^***, Do-Soon Hwang^****

ABSTRACT

The characteristic and properties of materials are rapidly degraded when subjected to the synergistic effects of the space environment such as atomic oxygen, radiation, vacuum and thermal cycling. In order to understand the mechanism of material property variation in space environment and to develop new space materials applicable to the future space program, advanced space organizations such as NASA, ESA and JAXA have been continuing many researches on material test specimens used on ISSE(International Space Station Experiment) or LDEF(Long Duration Exposure Facility). In this paper, the selection requirements and verification trend of materials in space applications are introduced.

초 록

원자산소 입자복사 진공 및 열주기 등과 같은 우주환경 요소의 복합적인 영향으로 인하여 우주용 자재의 특성, , 및 물성치에 급격한 성능저하가 일어나게 된다 따라서 우주환경이 자재에 미치는 특성변화 매커니즘을 이해하고. 차세대 우주프로그램에 적용될 수 있는 신소재 개발을 위하여NASA, ESA및JAXA와 같은 선진 우주기관에서는 국제우주정거장 또는LDEF 실험위성 등에 적용된 자재시편을 활용하여 많은 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 본 논문에서는NASA및JAXA의 우주용 자재연구 동향과ESA의 우주자재 선정기준에 대하여 소개하고자 한다.

Key Words : Space Qualified Materials 우주용자재( ), LDEF(장기노출실험위성), MISSE(국제우주정거장 자재실험), SM/MPAC&SEED(미세입자포획실험 및 우주환경노출시험장치)

* 이춘우 한국항공우주연구원 위성기술사업단 위성구조팀, [email protected]

** 이창호 한국항공우주연구원 위성기술사업단 위성구조팀, [email protected]

*** 조영준 한국항공우주연구원 위성기술사업단 위성구조팀, [email protected]

**** 황도순 한국항공우주연구원 위성기술사업단 위성구조팀, [email protected]

서 론 1.

우주환경에서 사용되는 자재는 고진공 환경 하에서 극저온 및 고온을 반복하고 자외선 입자복사 및 원자, 산소 등과 같은 혹독한 환경에 노출되어 운영됨에 따 라 지상 운영 자재와 다르게 임무 기간 중 자재의 특성 및 성능에 급격한 성능 저하가 나타나게 된다 따라서. , NASA (National Aeronautics and Space Administration),

및

ESA (European Space Agency) JAXA(Japan Aerospace 와 같은 선진 우주기관에서는 Exploration Agency)

우주용 자재의 선정 기준을 엄격하게 정의하고 우주 프로그램별 임무환경에 따라 자재의 선정 및 검증 체계 를 수립하는데 많은 연구를 진행하고 있다.

그러나 고진공 자외선 입자복사 및 원자산소와, , , 같은 우주환경 요소들이 자재에 미치는 영향은 개별 적인 현상이 아니라 상호 복합적으로 작용하여 자재의 특성 및 성능에 변화를 초래함에 따라 지상에서 우주용 자재의 성능 변화를 정확하게 예측하는데 기술적 한계에 직면하고 있는 실정이다 따라서 대부분의 위성. 프로그램의 자재 선정기준은 우주프로그램에 기적용 하여 성공한 헤리티지(heritage)를 우선적으로 고려 하여 제한적인 범위에서 자재를 선정하는 보수적인, 경향을 보여 왔다.

이를 극복하기 위하여 선진 우주항공 기관에서는 우주환경에서의 자재의 특성 변화를 연구하기 위하여 우주환경을 복합적으로 모사할 수 있는 지상시험 장비 를 개발하거나 우주왕복선 또는 국제우주정거장을, 활용하여 우주환경에 장기간 노출된 자재의 특성변화 를 연구함으로서 차세대 우주 프로그램에 적용될 수 있는 신소재의 연구개발에 박차를 가하고 있다.

본 논문에서는NASA, ESA및JAXA에서 수행하고 있는 우주용 자재의 선정기준을 소개하고 우주환경에서, 장기간 노출된 자재의 연구 실적 및 기술동향을 소개 하여 향후 국내 우주산업에 적용할 수 있는 우주용, 자재의 연구 방향을 고찰하고자 한다.

우주프로그램의 자재 선정 기준 2.

우주용 자재의 선정시 차적으로 고려해야 하는 것은1

프로그램에서 요구하는 임무 환경과 수명요구 조건이다.

즉 우주용 자재가 노출 운영되는 지상환경 발사환경, , 및 우주환경에서의 주요 환경 요소 지상 온습도 지상( , 하중 발사진동 및 충격하중 저진공 자외선 원자산소, , , , , 입자복사 등 들에 의한 자재 성능 변화가 임무 수명) 기간 동안 설계 요구 조건을 충족하는지 사전에 면밀 하게 검토하여 우주용 자재를 최종 선정하게 된다.

특히 우주환경은 그림 과 같이 지상 및 발사환경과, 1 전혀 다른 환경으로 원자산소에 의한 자재 침식 자외, 선에 의한 색상 변화 고진공하에서의 유기물질의 기체, 방출(outgassing), 전하에 의한 충방전 현상 및 극심한 온도변화에 따른 열팽창 수축 미세운석 및 입자에 의한, 외부 충돌 등 혹독한 환경에 자재가 노출되게 된다.

또한 이러한 우주환경 요소들이 자재에 미치는 영향은, 각각 개별적로 나타나지 않고 그림 와 같이 상호작용을2 일으키며 자재의 여러 가지 특성 변화를 초래하기 때문에 지상에서 우주용 자재의 성능을 검증하고 평가하는데 많은 어려움이 존재하게 된다.

즉 저궤도 우주환경에 노출된 자재는 고진공 자외선, , , 입자복사 및 원자산소 등의 환경요소에 의하여 자재 색상 변화 기체방출, (outgassing) 현상 자재 침식 충방전, , 현상 및 열 광학적 특성 변화 등이 복합적으로 나타나게 되며 이러한 자재의 물리적 특성 변화는 우주 환경 요소, 들 간에 상호 작용을 일으키며 나타나는 것으로 알려져 있다.

따라서 선진 우주항공기관에서는 우주용 자재를 선정, 할 때 임무 환경에 따라 자재선정 기준으로 아래의 항목을 엄격하게 적용하고 자재의 우주 적합성 평가를 거치도록 규정하고 있다.

z Temperature z Thermal Cycling z Vacuum Outgassing z Atomic Oxygen

z Stress Corrosion Cracking z Corrosion

z Off-gassing and toxicity z Bacterial and fungus growth z Flammability

z Fluid compatibility z Useful life and so on.

우주용 자재의 선정 및 검증 관련 규격은 다음과 같이 및 기술표준 미국방성 규격 및

NASA ESA , MIL ASTM

규격 등을 주로 참고하여 적용하고 있다.

z MSFC-HDBK-527 Materials selection list for space hardware systems

z MSFC-SPEC-522 Design criteria for Controlling stress corrosion cracking

z MIL-HDBK-5 Metallic materials and elements for aerospace vehicle structure

z MIL-STD-889 Dissimilar materials

z MIL-STD-1547B Electronic parts, materials, and processes for space and launch vehicles z ASTM E595 Standard Test Method for Total

Mass Loss and Collected Volatile Condensable Materials from Outgassing in a Vacuum Environment

z ECSS-Q-70 Requirements for Materials, Mechanical Parts and Processes

z ECSS-Q-70-71 Data for selection of space materials and processes

z ECSS-Q-70-36 Material selection for controlling stress-corrosion cracking

이중 NASA Marshall Space Flight Center에서

년 발행한 은 우주환경에서

1998 MSFC-HDBK-527

금속 및 비금속 자재의 적합성 여부를 판정한 방대한 정보를 제공하고 있으며NASA는 우주용 자재와 관련 하여 MAPTIS(Materials and Process Technical 데이터 베이스를 별도로 구축 Information System)

하여 인가된 기관에 한하여 제한적으로 정보를 공개 하고 있다.

우주용 자재 연구 3. NASA

에서 수행한 우주용 자재의 연구 프로그램중 NASA

가장 대표적인 사례는 1984년 4월 7일 우주왕복선 챌린져호에 장착하여 발사된LDEF실험위성이다.

실험위성은 저궤도 고도에서 장기간 노출된 LDEF

우주용 자재의 성능 변화를 연구할 목적으로 제작된 실험위성으로 그림 과 같이 각형의 실린더형 으로3 8 길이30피트 직경, 14피트 크기의 구조물이다 우주용. 자재에 대한 검증 및 평가를 위하여 LDEF 내외부 판넬에 약 10,000여 종의 자재시편을 부착하였으며 동일한 형상의 자재시편을 지상에서 별도로 보관하여 우주환경과 지상환경에서 자재의 특성 변화를 비교 분석할 수 있도록 하였다. 1984년 월 발사된4 LDEF 실험위성은 당초 발사 년 후에 지상으로 회수하도록1 계획되었으나 우주왕복선 챌린저호 사고로 인하여 회수 계획이 장기간 지연되어 약 년 개월이 지난5 9 1990년 월1 우주왕복선 콜롬비아호에 의해 지상으로 회수되었다.

이는 오히려 장기간 우주환경에 노출된 자재시편을, 확보할 수 있게 된 좋은 기회가 되었으며 LDEF실험 위성을 통해 우주환경이 자재성능변화에 대한 많은 연구가 이루어지게 되었다.

실험위성을 통하여 획득한 주요 결과로 저궤도 LDEF

우주환경에 존재하는 원자산소와 위성체 표면의 충돌에 의한 자재 침식량을 정확하게 예측하는 모델을 개발하였 으며 미세운석 및 입자 충돌에 의한 자재 변화를 관찰, 하는데 중요한 자료를 제공하였다.

그림 는4 LDFE실험위성의 발사전 및 회수후의 시편 자재의 변화를 나타낸 것으로 원자산소의 충돌에 의해 캡톤 테이프가 완전 침식되어 파괴된 형상을 나타낸 것 이다 또한. LDEF에 장착된 열제어 페인트 아노다이징, 처리된 알루미늄 및 은도금 테프론 블랭킷의 경우 장기간, 노출에도 불구하고 재료의 광학적 열적 특성을 그대로 유지하고 있음을 알 수 있게 되었으며 마일라 캡톤, , , 페인트 결합제 및 복합재 표면과 같은 무기물질의 경우 에는 자재침식 및 성능저하가 급격하게 나타나는 것을 확인하는 등 우주환경에 대한 자재의 특성연구에 많은 연구결과가 발표되었다 그림 는. 5 LDEF내부에 장착된 컨넥터 인근부위에서 발생하는 기체방출에 의한 분자 오염 현상을 나타낸 것으로 고진공 환경하에서 유기 물질 자재의 오염특성과 전달 매커니즘을 이해할 수 있게 되었다.

이와 같이 LDFE 실험위성을 통해 획득된 자료는 다음과 같이 개의 카데고리로 분류하여 저궤도 우주7 환경 모델을 수정하는데 활용되었으며 원자산소 및, 자외선에 의한 유기 무기물질의 특성변화와 오염특성을 이해하게 되었다.

z Environments and Data Bases z LDEF Contamination

z Thermal Control Coatings and Protective Treatments

z Polymers and Films

z Polymer-Matrix Composite

z Metals, Ceramics, and Optical Materials z Systems-Related Materials

최근에는 국제우주정거장을 활용하여 저궤도 우주 환경에서의 자재 성능 재평가 및 차세대 우주 프로 그램에 적용할 수 있는 신소재 개발을 추진하고 있다.

그 예로서2001년부터 그림 과 같이 국제우주정거장6 외부에 가방 크기 형상의 자재 시편 판넬을 장착하여 장기간 우주환경에 노출 시킨 후 우주왕복선을 통해, 지상 회수하는 MISSE(Materials International Space 프로그램을 현재까지 지속적으로 Station Experiment)

운영하고 있다.

MISSE

그림 은7 454종의 시편자재를 장착한MISSE 1 및 의 가방 형상 자재시편 판넬을 년 월

MISSE 2 2001 8

우주정거장에 최초로 장착하는 모습이다 이후 약 년. 4 이 지난 2005년 월에 지상으로 시편자재 판넬 그림8 ( 을 회수하여 원자산소 및 자외선의 노출에 의한 열광 8)

학적 특성 변화 및 자재 침식을 연구하였다.

또한MISSE 1및 를 대체하는 목적으로 태양전지셀2 및 우주용 자재의 내구성 시험을 수행하기 위하여 MISSE 및 를 년 월 국제우주정거장에 장착하였다

3 4 2006 8 .

이후에도MISSE 5를2005년 월에 발사하여 약 년8 1 후인2006년 월에 지상으로 회수하였으며9 2008년 월3 에는MISSE 6A및6B를 그림 와 같이 국제우주정거장9 에 장착하여 대운석 보호재 및 열보호 재료로 사용되는 초고강도 실리콘 카바이드 신소재와 우주망원경에 사용 되는 초경량 거울인 폴리머 필름 등에 대한 개발시험을 수행하고 있다.

최근에는 미공군 연구기관에서500개의 자재 시편에 대한 국제우주정거장 시험 계획을 발표하였으며 후속 프로그램인 MISSE 7신규 계약을 추진하는 등 우주용 자재에 대한 연구 활동을 활발하게 추진하고 있다.

우주용 자재 선정 기준 4. ESA

의 경우에는 전기전자기계류 부품 과

ESA (EEE Part)

달리 우주용 자재에 대해서는 별도의 선호 자재 목록 을 관리하고 있지 않으며 (Preferred Materials List) , 해당 우주 프로그램의 환경조건 유인 무인 또는( / LEO/

등 에 따라 자재 및 공정의 적합성 평가를 거쳐 GEO )

우주용 자재를 선정하도록 규정하고 있다.

이를 위하여 ESA Materials & Process Division 에서는 우주용 자재에 대한 적합성 평가 실험 및 해석을 수행하고 있으며 우주용 자재에 대한 평가 결과를 웹 데이터 베이스(http://esmat.esa.int/)를 구축하여 운영 관리하고 있다.

에서 관리하는 주요 데이터는 약 종 자재의

ESA 5000

기체방출 데이타(Outgassing database/TML, RML, 와 약 여 종 자재의 연소특성결과 기타

CVCM) 1000 ,

응력부식 및 이종금속관련 자재정보 등이 있다 다음은. 프로그램에 일반적으로 적용되는 자재 선정기준 ESA

이며 각 항목별 세부기준 및 가이드라인은 ECSS-Q- 70-71 “Data for selection of space materials and 규격으로 정의하여 표 과 같이 우주용

processes” 1

자재를 분류 관리하고 있다

z Temperature z Thermal cycling z Vacuum outgassing z Manned environment z Offgassing and toxicity z Bacterial and fungus growth z Flammability

z Radiation

z Electrical charge and discharge z Lightning strike

z Chemical (corrosion)

z Stress corrosion resistance z Fluid compatibility

z Galvanic compatibility z Atomic oxygen

z Micrometeoroids and debris

z Moisture absorption and desorption

Material classes

Class Material

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Aluminum and Al-alloys Copper and Cu-alloys Nickel and Ni-alloys Titanium and Ti-alloy Steels

Stainless steels

Filler materials: welding, brazing, soldering Miscellaneous metallic materials Optical materials

Adhesives, coatings, varnishes Adhesive tapes

Paints and inks Lubricants

Potting compounds, sealants, foams Reinforced plastics

Rubbers and elastomers

Thermoplastics (inc. non-adhesive tapes and foils[MLI]) Thermoset plastics

Wires and cables

Miscellaneous non-metallic materials (e.g. ceramics)

일반적으로 우주용 자재의 선정기준은 임무 기간동안 노출되는 우주환경을 복합적으로 고려하여 설계 요구조 건의 만족여부를 검증하게 된다 따라서 우주용 자재의. , 적합성 평가를 위하여 지상에서 우주환경을 복합적으로 모사할 수 있는 지상시험장비 개발이 선행되어야 하나 아직까지는 많은 기술적인 한계 존재하고 막대한 비용이 요구되는 실정이다.

현재 ESA에서 운영하고 있는 자재연구 관련 주요 시험설비로는 그림10및 그림11에 나타난 것과 같이 저궤도 우주환경에서 원자산소 충돌에 의한 자재침식을 모사하기 위한 시험설비와 자외선, X-ray 및 전하에 의한 태양복사환경을 모사하기 위한SORASI시험장비 등을 운영하고 있다.

우주용 자재 연구 5. JAXA

에서는 년부터 우주왕복선 및 국제우주 JAXA 1992

정거장을 활용하여 최근까지 지속적으로 우주용 자재 관련 프로그램을 추진하고 있다 그림. 12는 자재 관련

프로그램의 실적을 나타낸 것이다

JAXA .

에서 본격적으로 우주용 자재에 대한 연구를 JAXA

추진하게 된 것은 1995년 H2 로켓을 통해 발사된 위성을 년 후인 년 우 SFU(Space Flyer Unit) 1 1996 주왕복선을 이용하여 최초로 지구로 회수하면서 부터 이다 그림. 13은SFU실험위성의 회수 장면을 나타낸 것으로 회수된 위성을 통하여 우주환경의 미세운석 및 우주 입자 충돌에 의한 표면 크레이터 현상에 대한 많 은 연구를 수행하였다.

이후에도 JAXA에서는 국제 우주정거장의 활용한 자재실험의 일환으로 러시아 서비스 모듈을 이용하여 우주용 자재를 장기간 우주환경에 노출시키는 실험을 년에 완료하였다 우주환경이 자재에 미치는 영향을

2005 .

연구하기 위하여JAXA이외에 대학 연구기관 민간기업, , 등으로부터 표 와 같이 우주용 구조재 열제어 자재2 , 페인트 및 폴리이미드 필름 미러등 각종 윤활제

( , ),

및 기계류 부품 등 우주용 신소재를 제안 받아 그림 14 와 같은 자재시편 판넬(SM/MPAC&SEED) 3기를 동일 하게 제작하여2001년10월에 국제우주정거장에 장착 하였다.

Sample Name Organization Main Use

CF/polycyanate,PIXA Fuji Heavy Industries Ltd. Structural materials

PEEK(loaded) Hokkaido University Inflatable structure

AIN

Tokyo Institute of Technology Structural and functional materials

SiC(reaction sintering/Hot pressed) TiN-coaterd AL/Al

O

Ball-bearing Tohoku University Mechanism application

SUS304 National Institute for Materials

Science Lubrication

Cu-/CuBN/TiN/MoS2-coated SUS304

MoS

-coated Ti alloy IHI Aerospace Lubrication

Loaded polyimide film(UPILEX-S)

Japan Aeerospace Exploration Agency

Inflatable structures

Modified polyimide film Thermal control

Flexible OSR Thermal control

White paint Thermal control

Adhesive Adhesion

Potting compound Potting

이후 3기의SM/MPAC&SEED자재시편 판넬을 각각 개월 개월 개월 동안 우주환경에 노출 시킨 후

10 , 28 , 46 ,

순차적으로 회수하여 최종 시편 판넬을2005년 월에8 국제우주정거장에서 회수 완료하였다 이러한 실험은. 우주환경에 노출된 기간에 따라 동일한 자재가 어떠한 특성 변화가 일어나는지 확인할 수 있게 된 세계 최초의 시험으로 우주용 자재 개발 및 연구에 중요한 시편자재 로 평가 받고 있다.

또한, JAXA Space Materials Sub-Group에서는 우주용 자재의 내구성 검증 및 차세대 신소재 개발 시험 을 위하여 입자복사 자외선 및 원자산소 등과 같은 우주, 환경 요소를 복합적으로 모사할 수 있도록 그림16과 같은 복합 우주환경 모사시험 설비를 구축하여 운영 하고 있으며 프랑스 국립우주연구센터(CNES)와 상호 협력 하에 우주용 자재의 평가검증에 주력하고 있다.

이와 같이, JAXA 프로그램을 통해 획득한 수많은 자재관련 정보를 웹 데이터베이스(http://matdb.jaxa.jp/) 로 구축하여 일반인에게 공개하고 있다 공개되고 있는. 자료의 내용은 다음과 같다.

z Outgas Data

z Outgassing Rate Data

z Safety Verification Test Data z Materials Evaluation Data z Space Experiment Data

또한 3,300여 종의 유기물질 자재의 고진공환경 하에서 기체방출특성 시험테이타(TML,CVCM )등 를 보유 관리하고 있다 이 자료의 내용은 그림. 17과 같이 구성되어 있다.

결 론 6.

우주환경에 장기간 노출된 자재의 특성변화에 대한 연구는 차세대 우주 프로그램에 적용될 수 있는 신소재 개발 및 우주용 자재의 적합성 검증을 위하여 반드시 선행되어야 하는 기초과학분야라고 할 수 있다 그러나. 현재까지 지상에서 우주환경을 정확하게 모사하는데 기술적으로 어려울 뿐만 아니라 우주환경이 자재에 미치는 특성변화에 대해 알려지지 않은 영역이 많이 존재함에 따라NASA, ESA및JAXA와 같은 선진우주 기관에서는 우주왕복선 및 국제우주정거장을 활용한 자재시편의 우주환경 노출시험을 장기간 지속적으로 수행하고 있다.

따라서 국내우주산업의 자재 분야에서 국제경쟁력, 을 확보하고 우주용 신소재 개발흐름에 뒤처지지 않기 위해서는 우주왕복선 및 국제우주정거장을 활용한 국제 공동연구 프로그램에 적극적으로 참여할 필요가 있다.

또한 국내 우주개발 프로그램을 통하여 축적된 우 주용 자재 정보를 체계적으로 정비하여 별도의 데이터 베이스로 구축하고 선진 우주기관과 우주용 자재 검, 증

및 신소재 개발기술에 대한 정보를 공유할 수 있도록 국제적인 네트워크를 형성해야 한다고 본다.

참고문헌

1. ESA Materials and Process Training Materials, ESA/ ESTEC, 2004

2. ECSS-Q-70 “Materials, mechanical parts and processes”, 2004

3. ECSS-Q-70-71 “Data for selection of space materials and processes”, 2004

4. MSEC-HDBK-527F “Materials Selection List for Space Hardware Systems”, 1988

5. JAXA Material DB(http://www.matdb.jaxa.jp) 6. Research activities of space materials sub-group,

the 19th Microelectronics Workshop JAXA, 2006 7. ESA ESMAT Web Site(http://esmat.esa.int) 8. NASA M&P Web Site(http://ndeaa.jpl.nasa.gov) 9. NASA MISSE’S MASTER(http://misse1.larc.nasa.gov) 10. NASA CP 3134 “LDEF-69 Months in Space”, 1991 11. NASA CP 3194 “LDEF-69 Months in Space”, 1992