오늘날의 우주 기반 망원경 설계자들은 천문학의 선구자들이 쓴 역사의 일부를 되풀이하고 있습니다. 바로 금속 거울을 사용하는 방식으로 돌아가는 것입니다. 1668년에 아이작 뉴턴 경은 “검경 금속”를 사용하여 최초의 반사 망원경용 거울을 제작했습니다. 검경은 1800년대 중반까지 망원경 거울 재료로 사용되었던 구리-주석 합금입니다. 이후 기술이 발전하면서 결과가 더 나은 유리 거울로 전환되었습니다.
금속 거울과 함께 다시 미래로
그렇다면 이제 와서 다시 금속 거울을 사용하는 이유는 무엇일까요? 첫째, 만들기 어렵고 빨리 변색되던 검경 금속 거울에서 재료가 바뀌었기 때문입니다. 오늘날의 첨단 우주 망원경 거울은 알루미늄 및 베릴륨의 현대 합금뿐만 아니라 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 합성물 재료로 만들어집니다.
이러한 재료를 사용할 떄의 주요 이점은 거울과 거울 마운트(거울을 고정하는 기계적 구조물)를 모두 단일 모놀리식 구조로 생산할 수 있다는 것입니다. 유리에서는 실용적이지 않은 방식입니다. 모놀리식 구조를 이용하면 부품 수와 전체 망원경 무게를 크게 줄이고, 조립 과정을 단순하고 신속하게 진행하여 결과적으로 비용을 절감할 수 있습니다.
모놀리식 금속 거울은 광학 부품과 장착 하드웨어를 결합한 결과물입니다.
재료의 차이
금속 거울은 실질적인 이점이 상당하지만 모든 용도에서 “최고의” 재료는 아닙니다. 이는 망원경의 열적 특성을 고려할 때 특히 그렇습니다. 우주 환경에서 우주선은 극한의 온도와 급격한 온도 순환에 노출되기 때문에 열적 특성은 우주 기반 시스템 설계 시 주요한 고려 사항입니다. 이 부분을 더 자세히 살펴보기 위해서는 우주 망원경 주경에 가장 일반적으로 사용되는 재료의 주요 특성 중 일부를 검토해 보는 것이 유용합니다.
재료 |
밀도(g/cm³) |
강성(GPa) |
CTE(10⁶/°C) |
열 전도율 (W/m·K) |
|
유리 |
용융 실리카 |
2.2 |
73 |
0.55 |
1.4 |
ZERODUR® |
2.53 |
90 |
0.1 |
1.7 |
|
합성물 |
SiC | 2.95 |
410 |
4 |
120 |
금속 |
베릴륨 |
1.85 |
287 |
11.4 |
190 |
알루미늄 |
2.7 |
69 |
23.6 |
205 |
|
ZERODUR®는 Schott AG의 등록 상표입니다
용융 실리카와 Zerodur는 거울 기판에 사용되는 여러 “유리” 중 두 가지에 불과하지만, 이러한 종류의 재료를 효과적으로 대표합니다. 둘의 특징은 열팽창계수(CTE)가 극도로 낮다는 것입니다. 즉, 이 재료들은 온도 변화에 따라 크게 팽창하거나 수축하지 않습니다.
유리는 열전도율도 낮습니다. 결과적으로 주변 온도 변화에 따라 가열되거나 냉각되는 데 시간이 오래 걸립니다. 덕분에 온도가 변해도 안정적으로 유지됩니다.
반면 알루미늄은 온도에 따라 모양이 빠르게 변하고 열을 잘 전달합니다. 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있다는 실용적인 장점이 있으며, 완성된 부품으로 신속하게 제작할 수 있습니다.
베릴륨은 일종의 “마법 같은” 물질입니다. 유리보다 밀도는 낮지만 훨씬 더 단단합니다. 따라서 얇고 가벼우면서도 기계적으로 강한 부품을 제작할 수 있습니다. 게다가 약 -130°C 이하의 온도에서 베릴륨은 결정 형태를 바꾸며 열팽창계수가 상당히 작아집니다. 특성이 이렇게 조합되어 있기 때문에 가장 가볍고 구조적으로 강하며 열적으로 안정적인 재료입니다. 이것이 바로 베릴륨이 James Webb 우주 망원경의 주경 부분과 같이 가장 까다로운 응용 분야에 사용되는 이유입니다.
베릴륨의 단점은 희귀하고 매우 비싸다는 것입니다. 게다가 독성이 매우 강하므로 처리 시 작업자가 극도의 주의를 기울여야 합니다.
SiC는 다른 어떤 재료보다 밀도가 높습니다. 그렇다고 SiC 거울을 가볍게 만들 수 없는 것도 아닙니다. 그 이유는 SiC가 매우 단단하기 때문입니다. 따라서 SiC 거울 및 구조물은 다른 재료보다 훨씬 얇으면서도 상당히 튼튼하고 안정적인 상태로 만들 수 있습니다.
이러한 특성을 종합해 보면 망원경의 온도 기울기가 클 것으로 예상되는 경우 선호되는 재료는 유리입니다. 온도 기울기가 커지는 상황은 망원경의 한 부분이 햇빛에 비쳐 가열되고 다른 부분은 그림자 아래 있을 때 발생합니다. 그림자가 진 부분은 열이 우주로 방출되기 때문에 냉각됩니다. 유리는 CTE와 열전도율이 낮으므로 거울이 온도 기울기에 반응하여 형상이 급속하게 바뀌는 일이 없습니다.
반면 온도가 구조물 전반에 걸쳐 균일할 것으로 예상되는 경우 금속 또는 합성물로 거울과 마운트 모두를 만드는 편이 유리합니다. 효율적인 열 방출 덕분에 시스템에서 더 빠르게 평형에 도달하여 일시적인 온도 변화의 영향을 줄일 수 있습니다.
또한 온도가 변할 때 거울과 마운트에 동일한 재료를 사용하면 (일체형이 아닌 별개의 부품이라 하더라도) 반응 방식의 차이가 발생하지 않습니다. 이 부분이 중요한 이유는 거울과 마운트 사이의 차등 팽창으로 인해 망원경의 초점이 맞지 않을 수 있기 때문입니다. 또한 거울에 압력이 가해지고 표면 모양이 왜곡되어 이미지 품질이 저하될 수도 있습니다. 유리 거울 망원경의 설계자는 흔히 이 효과를 최소화하도록 구조물을 만들지만, 이로 인해 비용이 추가되고 때로는 무게가 늘어납니다.
분명한 이점이 있는 유리
광학 제조 측면에서 유리는 오랫동안 다른 재료에 비해 또 다른 중요한 이점을 갖추고 있었습니다. 바로 매우 정밀한 수준으로 모양을 만들고 연마할 수 있다는 점입니다. 컴퓨터와 레이저가 사용되기 전부터 100년이 넘는 세월 동안 매우 정밀하게 유리로 광학 장치를 만드는 것이 가능했습니다.
망원경 거울에서 “정밀도”가 무엇을 의미하는지 정확히 이해하려면 광학 표면이 지정되는 방식에 대해 약간 알아야 합니다. 본질적으로 별개의 관심 영역 두 가지가 있습니다.
망원경 거울의 모양을 정량화하는 방법 중 하나는 거울의 “힘”(거울의 전반적인 모양이 원하는 곡선에서 벗어나도록 하는 힘의 정도), “불균일성”(표면의 미세한 요철 및 물결 형태) 및 “표면 거칠기”(미시적 수준의 높이 변동)를 측정하는 것입니다.
첫 번째는 일반적으로 “형상” 또는 “표면 정확도”라고 지칭하는 전체적인 모양입니다. 구체적으로는 거울면의 표면 모양(곡률)이 디자인 형태와 얼마나 잘 일치하는지를 나타냅니다.
최적의 이미지 품질을 위해서는 표면 모양이 의도한 값과 150nm 이하(나노미터는 10억분의 1미터)의 범위 내로 일치해야 합니다. 망원경 거울의 표면 정확도 사양이 60nm인 것은 전혀 특별한 일이 아닙니다.
두 번째 관심 영역은 미시적인 표면 거칠기입니다. 망원경 거울은 산란되는 빛의 양을 최소화하기 위해 매우 매끄러워야 합니다. 산란광은 이미지 밝기와 대비를 떨어뜨립니다.
고품질 가시 파장 이미지를 형성하려면 망원경 거울의 표면 거칠기가 수십 옹스트롬 이하여야 합니다. 옹스트롬은 100억분의 1미터입니다. 이는 수소 원자의 직경과 비슷한 길이입니다.
과거에는 유리 거울에서 가능한 형태 정확도나 매끄러움 수준(표면 거칠기가 낮은 상태)으로 금속 거울을 연마하는 것이 불가능했습니다. 금속 거울의 표면 거칠기를 줄이기 위해 두꺼운 금속 층(수십 마이크론)을 거울 위에 도금하여 매끄럽게 만들었습니다.
알루미늄 거울의 경우 이러한 도금 재료로 니켈을 사용하는 것이 표준 관행이었습니다. 그러나 니켈의 CTE는 알루미늄과 다릅니다. 코팅과 거울 기판 사이의 차등 팽창이나 수축으로 인해 거울의 모양이 변형되어 이미징 품질이 저하될 수 있습니다. 이것이 알루미늄 거울을 활용하는 데 제약 요소였습니다.
금속 연마 기술 향상
Coherent는 오랫동안 광학 연마 기술을 개선하기 위해 노력해 왔습니다. Coherent는 독자적인 컴퓨터 제어 광학 표면 처리(CCOS) 방법을 개발했으며, 고급 계측 장비에 막대한 투자를 했습니다.
덕분에 금속 거울을 유리 광학에 필적하는 모양 정확도로 연마할 수 있습니다. 이러한 수준에 도달한 이후 상당한 시간이 흘렀지만, 여전히 Coherent의 관련 역량은 광학 산업에서 독자적인 입지를 지키고 있습니다.
최근에는 금속 거울의 표면 거칠기를 대폭 낮추기 위해 공정을 더욱 개선했습니다. 이제는 코팅 없이도 거울로 사용할 수 있을 만큼 매끄러운 표면을 만들 수 있습니다. 그러나 더 일반적으로는 반사율을 향상시키기 위해 금속 또는 유전체 재료를 얇은 층(1마이크론 미만)으로 입힙니다. 금은 일반적으로 사용되는 코팅 재료 중 하나입니다. 가장 중요한 점은 이러한 층이 코팅과 거울 기판 사이의 CTE 불일치와 관련된 문제를 해소할 만큼 충분히 얇다는 것입니다.
Coherent의 기술로 가능한 차세대 고정밀 금속 및 합성물 거울은 이러한 재료의 실용성을 더욱 높이고 망원경 설계자의 재료 선택 폭을 넓혀 줍니다. 특히 알루미늄이 더욱 매력적인 옵션으로 떠오르게 됩니다. 알루미늄을 사용하면 이미지 품질을 저하시키지 않으면서 광학 장치의 비용과 발사 무게를 줄일 수 있습니다. 그리고 알루미늄 거울은 일반적으로 다른 재료보다 훨씬 빠르게 생산할 수 있으므로 생산 일정을 더 쉽게 맞출 수 있습니다.
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