초박막 코팅 기술로 달 먼지 해결 나서

과학기술

초박막 코팅 기술로 달 먼지 해결 나서
원자층 증착 기술 활용…초박막 코팅 페인트 개발

2019.11.14 10:28 심창섭 객원기자

아르테미스 계획이 추진되면서 ‘달 먼지(Lunar Dust)’가 다시 주목받고 있다. 과거 아폴로 우주비행사들은 불규칙한 형태의 면도날처럼 날카로운 먼지 알갱이들이 우주복과 만지는 모든 것에 달라붙어서 곤욕을 치렀다. 이것은 달 착륙에서 해결해야 할 가장 어려운 과제 중 하나다.

지난 6일 미항공우주국(NASA)은 초박막 코팅 기술을 활용해서 정전기를 차단하는 페인트 안료를 개발 중이라고 발표했다. 이 기술을 사용하면 정전기를 띤 달 먼지가 우주복이나 월면차, 주거지 등에 달라붙는 것을 방지할 수 있다.

아폴로 12호 우주비행사 찰스 주니어의 우주복 무릎 아래에 달 먼지가 묻어 있다. © NASA

흔히 레골리스(Regolith)라고 불리는 달 먼지는 매우 작은 알갱이로 이루어져 있는데, 수십억 년에 걸친 운석 충돌로 인해 암석이 반복적으로 부서지고 녹아 작은 유리 조각과 광물 파편이 생성되었다. 이러한 먼지는 들쭉날쭉한 단면을 지녔을 뿐만 아니라 정전기를 띠고 있어서 모든 유형의 표면에 쉽게 달라붙는다.

달에서 낮 동안 받게 되는 태양 자외선 복사는 달 토양 상층부의 먼지 입자가 양(+) 전하를 띠도록 만든다. 반면에 극지방이나 어두운 면에서는 상황이 조금 다르다. 태양에서 나오는 플라스마가 달 표면을 충전하지만, 이 경우 전자를 침전시켜 음(-) 전하를 생성시킨다. 명암 경계선에서는 두 가지 현상이 뒤섞여서 강한 전기장이 발생한다.

달 먼지 입자를 확대한 모습으로 화산재처럼 표면이 매우 거칠다. © NASA

달 표면에 착륙한 아폴로 우주비행사들은 미세한 가루로 구성된 달 먼지층 위를 걸어야 했다. 이 먼지층의 두께는 일반적으로 달 바다에서 4~5m, 고지대에서는 10~15m가량이다.

월면 활동을 마치고 착륙선으로 귀환한 12명의 우주비행사는 우주복에 붙어있던 먼지 때문에 목이 따갑거나 코가 막히는 증세를 보였다. 이런 증상은 며칠 동안 지속하다가 점차 사라졌지만, 여전히 우주선 내부에는 마치 화약이 타다 남은듯한 먼지 냄새가 났다.

날카롭게 마모된 달 먼지 입자를 흡입하면 폐에 상처가 나서 염증을 유발하거나 착륙선 내부의 곳곳에 들러붙어 장치에 이상을 일으킬 수 있다. 심지어 우주복의 표면이 부식되었고, 샘플 컨테이너의 진공 실링이 파손되기도 했다.

지난 10월 아르테미스 xEMU 우주복을 소개하는 짐 브라이든스틴 NASA 국장. © NASA / Joel Kowsky

달 먼지 문제 해결에 도움이 되는 코팅 기술

NASA 고다드 우주비행센터의 기술자인 비벡 드위베디(Vivek Dwivedi)와 마크 하세가와(Mark Hasegawa)는 전하 축적을 차단할 수 있는 코팅 기술을 연구하고 있다.

원래 이 기술은 탐사선이나 인공위성이 지구 자기장을 통과할 때 플라스마 영향으로 정전기가 발생하는 것을 막기 위해 개발되었다. 플라스마는 하전 입자를 지니고 있어서 전하를 축적시키고, 그로 인해 발생한 정전기가 탐사선의 전자 장치를 파괴할 수 있어서다.

비록 달 착륙을 위해 고안된 것은 아니지만, 새로운 코팅 기술이 달 먼지 문제 해결에도 도움이 된다는 사실을 알게 됐다. NASA가 후원하는 ‘소행성과 달 및 화성의 위성 환경(DREAM2)’ 연구팀의 빌 파렐(Bill Farrell) 수석 연구원은 “이러한 용도에 매우 적합하다”라고 밝혔다. 이 연구팀은 2028년까지 아르테미스 프로그램에 따라 지속 가능한 달 탐사를 목표로 하므로 달 먼지를 해결해야 할 주요 과제 중 하나로 간주하고 있다.

드위베디는 “NASA는 인간의 거주지를 찾아 달 남극을 주시해왔기 때문에 달 먼지의 정전기를 방지하기 위한 효율적인 방법을 개발하는 것이 특히 중요하다”라고 말했다.

코팅이 안 된 왼쪽 안료의 표면은 거칠지만, 오른쪽 코팅 안료는 매끈하다. © NASA

원자층 증착 기술을 활용한 초박막 코팅 페인트

하세가와는 ‘원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD)’이라는 최신 기술을 사용하면 전하를 효과적으로 분산시키는 인듐·주석 산화 화합물을 페인트 안료에 초박막 코팅할 수 있다는 아이디어를 떠올렸다. 이렇게 코팅된 페인트를 바르면 전하 축적이 완화된다.

반도체 산업에서 사용하기 시작한 원자층 증착 기술은 기판이나 샘플을 오븐과 같은 반응기 챔버 내부에 배치하고, 다른 종류의 가스를 진동시켜 문자 그대로 단일 원자보다 두껍지 않은 초박막을 생성하게 된다. 이 기술의 장점은 3차원 물체를 포함한 거의 모든 형태에 적용할 수 있다는 사실이다.

드위베디와 하세가와의 연구팀은 코팅된 안료로 만든 페인트의 효과를 확인하기 위해 국제우주정거장의 실험용 팔레트에서 플라스마 노출 테스트를 진행하고 있다. 실험에 사용된 샘플은 코팅 처리를 거친 ‘절취 시편(coupon)’이나 ‘실리콘 기판(wafer)’으로, 올해 말 지구로 돌아올 예정이다.

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