평판형 MEMS 고체 추진제 추력기 요소 제작 및 성능 평가

Abstract

수 ㎛ 크기의 단위 구조체의 형성에서부터 기계 요소의 제작에 이르기까지 MEMS(Micro electro mechanical system)기술은 모태가 되었던 반도체 공정 기술을 넘어서서 기존의 기계 요소의 초소형화와 새로운 형태의 장치 제작으로 그 응용 범위가 확대되고 있으며, 신소재의 개발과 새로운 공정의 개발로 인해서 MEMS기술을 적용할 수 있는 선택의 폭도 넓어지고 있다. MEMS기술의 발전으로 인해서 다양한 분야에서 기존 요소들의 신뢰도 향상 및 경량화, 소형화의 가능성이 확대되었다. 적은 제작 비용과 발사 비용, 높은 신뢰도가 요구되는 우주 항공 기술 분야에서도 MEMS기술을 적용하여 기존 위성체의 임무를 수행 할 수 있는 초소형 위성체와 같은 우주 비행체에 대한 연구가 현재 활발히 진행 중이다. 항공우주 분야에서 MEMS기술의 응용으로는 MAV(Micro aerial vehicle)나 스마트 더스트(Smart dust) 개념과 같은 소형 비행체와 그 내부에 탑재되는 각종 센서, 통신, 추진 장치들을 들수 있으며 역시 대기권 밖에서 작동하는 위성체의 초소형화 개념부터 시작하여 위성의 서브 시스템들을 구성하는 요소들의 개발에도 많은 연구가 활발히 진행 되고 있다. 위성체로의 MEMS기술의 적용은 마이크로/나노 위성체의 개념을 예로 들 수 있다. 마이크로 위성체는 기존의 메조 스케일의 제작 기술을 이용해서 작고, 최대한 가볍게 요소들을 제작한 수십 kg 정도의 위성체에 해당하며 나노 위성체는 기존의 제작 기술을 이용함과 동시에 부분적으로 MEMS기술을 이용하여 요소 제작 및 통합을 한 위성이며 그 운용 개념은 수 kg 수준의 위성체들을 편대화하여 임무를 수행함으로써 적은 제작 비용과 발사 비용, 높은 수준의 신뢰도를 확보할 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 편대를 이루어서 작동하는 초소형 위성체들의 상대적인 위치 보정, 자세 제어, 항력 보상 등의 작동에 필요한 핵심 요소로서 마이크로 추력기가 필수적이다. 기존의 수 mN급의 MEMS 고체 추진제 추력기는 실제 마이크로/나노 위성체의 킥모터,지능탄(Smart bomb)의 측추력기로 응용하기에는 추력 레벨이 너무 낮다는 한계가 있었다. 이 연구에서는 고체 추진제의 연소 면적을 증대시킴으로써 추력 레벨이 향상된 MEMS 고체 추진제 추력기의 제작 가능성을 확인하고 연소 실험을 통해서 구조체의 안정성을 확인하였으며 직접 추력을 측정하여 수백 mN급의 단위 추력기를 개발하였다. 연소 챔버와 노즐, 덮개 층은 감광성 유리 기판을 이용하여 제작하였으며 마이크로 점화기는 파이렉스 기판 위에 300 ㎚ 높이의 니켈과 크롬을 패터닝(patterning)하여 제작하였다. 마이크로 점화기의 성능 해석과 실험을 통한 검증을 수행하여 고체 추진제의 점화를 위한 공급 전력을 계산하였으며 힘 센서를 통하여 추력기의 추력을 측정하였다.