포항공과대학교(POSTECH) 연구진이 금속 3D 프린팅 기술을 활용해 소형 위성용 초정밀 마이크로추력기 개발에 성공했다고 발표했다. 이번 성과는 기존 제작 방식의 한계를 극복하고 우주 탐사 분야에 새로운 전환점을 제시할 것으로 평가된다.

김형섭 POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 교수와 김동식·이안나 기계공학과 교수 공동 연구팀의 이번 연구 결과는 엔지니어링 분야 국제 학술지 'Virtual and Physical Prototyping' 온라인판에 게재됐다.

소형 위성 시장이 급속히 성장하면서 지구 기상 관측, 글로벌 통신, 기후변화 모니터링 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다. 하지만 소형 위성에 탑재되는 추진 장치는 손가락 크기의 초소형 규격을 유지하면서도 우주의 극한 환경을 견뎌야 하는 기술적 난제를 안고 있었다.

기존에는 실리콘 가공이나 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 통해 초소형 기계 부품을 조립하는 방식이 주로 사용됐으나, 성능과 내구성 측면에서 한계가 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 레이저 파우더 베드 퓨전(Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 방식의 금속 3D 프린팅 기술을 도입했다. 이 기술은 레이저를 이용해 금속 분말을 층층이 녹여 쌓으면서 복잡한 형태의 구조물을 정밀하게 제작할 수 있는 특징을 갖고 있다.

개발된 마이크로추력기는 연소 챔버 벽 두께가 0.5mm에 불과하며, 연료 분사 구멍의 크기는 약 180 마이크로미터(µm) 수준으로 제작됐다. 이는 동전 두께보다 얇은 수준의 초정밀 가공 결과다.

성능 검증을 위한 실험에서 이 추력기는 실제 우주 환경과 유사한 700도 고온에서 1분간 연소 실험을 진행했음에도 구조적 손상 없이 안정적으로 작동했다. 특성 속도 효율 84.3%, 비추력 효율 91.7%를 기록하며 높은 추진 효율을 입증했다.

이번 기술 개발로 더 많은 소형 위성의 우주 발사가 가능해질 것으로 전망된다. 경량화되고 성능이 향상된 추력기를 저비용으로 제작할 수 있게 되면서, 기상예보 정확도 향상, 지구 관측 능력 강화, 통신 속도 개선 등의 효과가 기대된다. 또한 화성이나 소행성 탐사 등 심우주 탐사 분야에서도 활용 가능성이 높아졌다.

김형섭 교수는 "금속 3D 프린팅을 활용해 소형 우주 추진기를 가볍고 정밀하게 제작한 최초 사례"라며 "특히 학생들이 주도적으로 연구를 이끌어 탁월한 성과를 낸 점에서도 큰 의미가 있다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 방위사업청, 산업통상자원부, 한국기초과학연구원 연구사업과 글로컬대학 30 사업의 지원을 받아 수행됐다.