우주 환경이 제공하는 물리적 이점

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MADE IN SPACE, 지구 한계를 뛰어넘는 우주 공장 2화

26.03.11.

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○ 지구와 우주의 결정적 차이는 중력과 대기의 유무. 우주에서는 미세중력(▲대류 및 침전의 부재 ▲용기 없는 처리 ▲표면 장력의 지배)과 초고진공(▲절대 청정 및 산화 방지 ▲방해 없는 완벽한 직진성 ▲완벽한 탈기¹ ▲냉간용접²)의 물리적 이점을 활용 가능

○ [미세중력] 흔히 ‘무중력’이라 불리지만, 엄밀히 말하면 지구 중력의 영향이 거의 없는 상태를 의미. 지구에서 섞이지 않던 물질들을 용기에 넣지 않고 공중에 씌운 상태로 균일하게 혼합 가능해 밀도가 서로 다른 물질들을 활용해 혁신적 신소재를 생산할 수 있음

(대류 및 침전의 부재) 가열된 액체나 기체가 이동하는 ‘대류’와 무거운 입자는 바닥으로 가라앉는 ‘침전’ 현상이 발생하지 않아, 지구에서 섞이지 않던 물질들을 균일하게 혼합해 초경량·고강도 신소재 합금을 생산
(용기 없는 처리) 물질을 공중에 띄운 상태로 가공해 용기 접촉으로 인한 오염이나 불필요한 결정화를 원천 차단함으로써, 밀도가 서로 다른 물질들을 균일하게 혼합해 모양이 삐뚤어지지 않고 불순물이 없는 완벽한 반도체 및 단백질 결정을 생산
- 이는 합금 제조나 결정 성장³ 분야에서 결정적 역할을 함
(표면 장력의 지배) 중력이 없으면 액체는 표면 장력에 의해 완벽한 구(球) 형태를 이룬다는 특성을 활용해 정밀 베어링이나 광학 렌즈를 생산

용기 없는 처리 방식의 물질 가공 장면

자료: 그록(Grock) 생성

[그림 3] 용기 없는 처리 방식의 물질 가공 장면

자료: 그록(Grock) 생성

¹ 우주의 극한 진공이 재료 속 미세한 기포까지 완벽하게 뽑아내어, 내부 결함이 전혀 없는 고강도 물질을 만드는 현상

² 열을 가하지 않고 압력만으로 이어 붙이는 방법으로 알루미늄, 구리, 은, 납 따위의 쇠붙이에 사용됨(《대한건축학회 건축용어사전》)

³ 분자들이 규칙적으로 배열되면서 결정체를 형성해 가는 과정. 지구에서는 대류로 인해 결정이 성장하는 동안 구조가 불균일해지는 문제가 발생하지만, 미세중력 환경에서는 대류가 억제되어 훨씬 더 순수하고 균일한 결정을 키울 수 있음

○ [초고진공] 압력이 대기압보다 현저히 낮고 기체 분자가 거의 존재하지 않는 극한의 저압 상태를 의미. 단순히 공기가 없는 수준을 넘어, 금속 표면의 분자가 충돌하는 횟수조차 극도로 제한되어 완벽한 순도를 보장하는 무결점 제조가 가능

(절대 청정 및 산화 방지) 부식이나 산화가 일어나지 않아, 산화막 형성이나 불순물 혼입을 원천 차단함으로써 초고순도의 특수 합금이나 신소재 등을 제조
- 금속 표면을 덮는 산화막이 형성되지 않아, 순수한 금속 원자층끼리 접촉하는 것만으로도 단일 구조로 융합되어 열에 의한 소재 변형이 없는 정밀 접합이 가능
(방해 없는 완벽한 직진성) 이물질이 전무해 원자나 분자가 다른 기체 분자와 충돌하여 흩어지는 일 없이 목적지까지 도달
- 원자를 기판 위에 정밀하게 쌓는 적층 공정의 효율이 극대화되어, 결함 없는 차세대 초미세 반도체나 초정밀 광학 렌즈를 만들 수 있음(그림 4 참조)
(완벽한 탈기) 압력이 극도로 낮은 상태에서는 재료 내부에 갇혀 있던 미세한 가스들이 쉽게 바깥으로 빠져나오게 되는데, 이 같은 현상이 재료가 굳을 때 내부에 미세한 기포 공간이 생기는 것을 차단해 고밀도와 균일한 고강도의 부품을 주조
- 기포 공간은 결함을 의미하며, 재료에 기포 공간이 사라지면 무결점의 제품 제작이 가능

고진공 상태에서의 박막 형성 과정

'진공 증착의 3단계를 설명하는 다이어그램'입니다. 1단계 진공 상태 조성, 2단계 증발원 가열을 통한 기체화, 3단계 기판에 증기가 응결되어 박막을 형성하는 과정을 도식화하여 보여줍니다.