1. 서 론
2. 실험장비 및 조건
2.1 마이크로파 소결로
2.2 재료 및 실험조건
2.3 특성분석
3. 실험결과
3.1 마이크로파 출력량
3.2 보조가열재 배치
3.3 소결온도
3.4 마이크로파 출력 위치
4. 결 론
1. 서 론
최근 인도 Chandrayaan-1 및 NASA LCROSS 임무를 통해 달 표면에서 물(water ice)과 헬륨-3(He-3) 등 에너지자원의 존재가 확인되었다(Pieters et al., 2009; Colaprete et al., 2010). 이러한 자원은 향후 심우주 탐사 시 에너지 생산, 생명 유지, 연료 공급원으로 활용될 수 있어 그 전략적 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 달은 단순한 과학적 목적의 탐사 대상에서 벗어나 지속 가능한 심우주 탐사를 위한 전초기지로 주목받고 있다(Christian et al., 2018; Li et al., 2018; Brent, 2019; Weiren et al., 2019; Cole et al., 2023; Wang et al., 2025). 특히, 미국 NASA의 Artemis 프로그램, 유럽 ESA의 Moon Village, 중국 CNSA의 ILRS(International Lunar Research Station) 등 세계 우주개발 선진국들은 달 기지 및 인프라(랜딩패드 등 지반구조물) 구축을 목표로 설정하고 적극적으로 연구개발을 추진하고 있다. 우리나라도 이러한 세계적 흐름에 따라 2021년 5월 NASA의 유인 달 탐사 프로그램인 아르테미스 약정에 세계 10번째 참여국이 되었으며, 2024년 5월 우주항공청을 공식적으로 개청하고 달, 화성 등 심우주 탐사 및 우주건설 분야를 국가 전략기술로 지정하여 관련 연구개발 투자를 확대하려는 움직임을 보이고 있다.
심우주 탐사를 위한 장기 체류 및 행성 간 이주를 실현하기 위해서는 달 현지에서 필요한 자원을 확보하고 생산할 수 있는 기술이 필수적이다. 이와 같은 배경에서 등장한 개념이 바로 현지자원활용(In-Situ Resource Utilization, ISRU) 개념이다. 지구에서 모든 물자와 건설자재를 운반하는 것은 경제적으로 매우 비효율적이며, 지구에서 달 표면까지 물자를 운반하는데 1 kg에 약 1 million USD 이상의 운송료가 예상된다(NASA, 2024). 따라서 ISRU는 운반비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 자급자족형 우주기지 구현의 핵심기술로 평가받고 있다. 특히, 달 표면에 널리 흩어져 있는 월면토(Regolith)는 가장 쉽게 활용할 수 있는 현지자원으로 평가받고 있다. 분말 재료에 녹는점보다 낮은 온도로 열이 가해질 때 입자 간 목(Neck)이 형성되다 하나의 물질이 되는 소결(sintering) 기술은 별도의 바인더를 요구하지 않는다는 특징이 있어(German, 1996), 월면토를 소결하여 건설재료를 생산하고 인프라 시공에 활용하기 위한 실험적 및 수치해석적 기초연구들이 수행되고 있다(Indyk and Benaroya, 2017; Warren et al., 2022; Licheri et al., 2022). 한국건설기술연구원에서는 마이크로파를 열원으로 활용한 소결 기술에 관해 연구개발을 수행하고 있다. 특히, 한국형 인공월면토(Korea Lunar Simulant, KLS-1)를 활용해 소형 소결체(직경 10 mm, 높이 25 mm 이하)를 제작하여 미세구조, 기계적, 열적 특성에 관해 평가한 바 있으며(Kim et al., 2021; 2025a), 건설자재로서 소결체를 활용하기 위해 요구되는 균질도를 확보하기 위해 가로, 세로, 높이 약 100 mm, 100 mm, 200 mm인 블록 제작 실험 및 수치해석적 연구를 수행하였으며(Jin et al., 2021; 2022; 2024; Lee et al., 2024; Go et al., 2025), 진공 환경에서 소형 소결체(직경 10 mm, 높이 10 mm) 제작 및 특성 분석(Kim et al., 2025b)을 통해 달 환경에서 마이크로파 소결 기술의 활용 가능성을 검증하였다.
이에 본 연구에서는 위의 ISRU 기반 연구개발의 연장선상에서 향후 도로, 랜딩패드 등 넓은 범위의 지반구조물 시공에 해당 기술을 적용하기 위해 마이크로파 조사 범위를 더 넓게 확장시켜 가로, 세로, 높이가 각각 약 200 mm, 200 mm, 60 mm 규모의 직육면체 블록을 제작하였다. 이 과정에서 균질한 마이크로파 소결 블록 제작에 영향을 미치는 하드웨어적 구성 요소들에 대해 평가하고 물리역학적 특성을 검토함으로써, 향후 달 기지 인프라 시공용 건설자재 개발을 위한 기초 데이터를 제공하고자 한다.
2. 실험장비 및 조건
2.1 마이크로파 소결로
본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 멀티-모드 방식의 최대출력 9 kW 급의 대형 마이크로파 소결로를 구축하고 연구에 활용하였다. 마그네트론 9기, 가열 챔버, 냉각팬, 전원공급장치 등으로 구성된 본 장비는 프레임을 포함해 가로, 세로, 높이가 각각 약 1.2 m, 1 m, 1.6 m에 달하는 대형 장비다. 마이크로파 소결로 공동(cavity) 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 약 0.596 m, 0.598 m, 0.396 m에 달하며, 공동 내부는 스테인리스 스틸 재질로 구성되어 있어 마이크로파를 반사시킨다. 상부, 후면, 우측면에는 출력주파수 2.45 GHz, 최대출력 1 kW인 마그네트론이 각각 3기씩 총 9기가 배치되어 있으며, 각각 독립적으로 온오프가 가능하다. 즉, 최소 1 kW부터 최대 9 kW까지 마이크로파 출력이 가능하다. 소결로 내부에는 단열박스가 위치하고 있으며, 단열박스 내부에는 인공월면토 KLS-1이 위치할 직육면체 형태의 보조가열재(SiC susceptor) 몰드(두께 5 mm, 가로, 세로, 높이 각각 약 210 mm, 210 mm, 70 mm)가 위치하고 있다. 또한, 보조가열재 몰드의 4개 측면에는 추가 보조가열재 조각(가로, 세로, 높이 각각 약 210 mm, 8 mm, 30 mm)을 배치할 수 있는 공간을 마련하여 시스템 구성을 변화시킬 수 있다. 보조가열재는 출력주파수 2.45 GHz의 마이크로파와 반응하여 쉽게 가열되는 재료로, 보조가열재에 의한 외부가열과 마이크로파가 재료와 반응하여 발생하는 내부가열이 동시에 작용하는 하이브리드 가열 시스템을 구축하였다. 단열박스 및 보조가열재 몰드 사이에 최대 1,600°C까지 측정가능한 세라믹 코팅된 R-type 열전대(정밀도 ±1.5°C)를 위치시켜 온도를 측정하고 있다. 가열 시에는 마이크로파 출력량을 고정하고 이에 따른 온도상승을 실시간으로 측정하였다.
2.2 재료 및 실험조건
본 연구에서 사용한 인공월면토 KLS-1(Korean Lunar Simulant)은 아폴로 임무에서 채취한 Lunar soil 14163을 비롯해 모사토 중 가장 널리 활용되고 있는 JSC-1과 FJS-1을 참조하여 화학적 구성성분, 기계적 특성을 검토해 개발하였다(McKay et al., 1994; Kanamori et al., 1998; Ryu et al., 2018). 소결실험 시에는 20번 체(0.85 mm)를 통과한 KLS-1 시료를 250°C에서 약 8시간 동안 진공가열 전처리(250°C까지 가열 후 진공환경 조성)하여 KLS-1이 가열되며 발생하는 탈기체(Out-gassing) 현상이 소결에 미치는 영향을 최소화하고자 하였다(Jin et al., 2024). 동일한 초기 조건 조성을 위해 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 모터 기반 진동대를 사용하였다. 균질한 다짐을 위해 좌우 및 상하 방향으로 진동하도록 2개의 모터를 사용하였다. 내부 공간의 가로, 세로, 높이가 각각 약 250 mm, 250 mm, 85 mm인 메탈 재질의 몰드 안에 뚜껑을 제외한 보조가열재 몰드를 위치시키고 85 mm 높이까지 KLS-1을 강사한 뒤 최대강도(1-10으로 진동강도 조절 가능)로 60초간 진동하였다. 이후 보조가열재 몰드를 꺼내 뚜껑을 덮고 단열박스 내부에 위치시켰다. 소결 블록 제작을 위해 Table 1에 나타낸 바와 같이 실험 계획을 수립하였다. 마이크로파 출력 고정 방식을 적용하고 3기의 마그네트론만을 가동하여 소결 블록을 제작하고자 하였다. 먼저 마이크로파 출력 영향을 평가하기 위해 추가 보조가열재 조각을 배치하지 않은 채 마이크로파 출력만 2.1 kW, 2.25 kW, 2.55 kW, 3 kW로 증가시키는 경우에 대해 소결 블록 제작 실험을 수행하였다(Case Nos. 1-4). 또한, 추가 보조가열재 조각 영향을 평가하기 위해 마이크로파 출력량을 2.1 kW로 고정한 채 보조가열재가 없는 경우, 양 측면에 1개씩 총 2개 위치시킨 경우, 4면에 1개씩 총 4개 위치시킨 경우, 4면에 2개씩 총 8개 위치시킨 경우에 대해 소결 블록 제작 실험을 수행하였다(Case Nos. 1 & 5-7). 마이크로파 출력 위치 및 보조가열재 배치를 고정한 채 소결온도가 소결 블록 제작에 미치는 영향을 검토하였으며(Case Nos. 5 & 8-9), 마이크로파 출력 위치를 변화시킨 경우에 대해 소결 블록 제작 실험을 수행하고 그 영향을 검토하였다(Case Nos. 5 & 10-11).
Table 1.
Influencing factor-based experimental design
2.3 특성분석
가로, 세로, 높이가 각각 약 200 mm, 200 mm, 60 mm으로 크기가 향상된 소결블록의 물리역학적 특성을 분석하기 위해 블록을 무작위로 코어링하여 원통형 코어 샘플에 대한 부피밀도(bulk density, )와 진밀도(true density, )를 측정하였다. 진밀도를 측정하기 위해 헬륨가스를 활용한 가스 피크노미터(UltraPycnometer 5000; Anton Paar, Austria)를 사용하였으며, 측정한 부피밀도와 진밀도 값을 이용해 공극률을 계산하였다(Fig. 3). 또한, 소결체의 역학적 특성인 압축강도를 분석하기 위해 최대하중 5톤의 로드셀이 장착된 압축장비를 이용해 샘플높이의 약 1%/min의 일정한 변형률(strain rate)로 시료를 압축하며 일축압축강도(Unconfined Compressive Strength, UCS)를 측정하였다.
3. 실험결과
3.1 마이크로파 출력량
마이크로파 출력량이 소결 블록 제작에 미치는 영향을 검토하기 위해 Table 1의 Case Nos. 1-4의 실험을 수행하였다. 추가 보조가열재 조각 없이 우측면에 설치된 마그네트론 3기의 마이크로파 출력만 조절하였으며, 이에 따른 승온거동은 Fig. 4와 같이 나타났다. 세부적으로 살펴보면, 2.1 kW의 마이크로파를 KLS-1에 조사한 Case No. 1의 경우 24시간 만에 약 1,000°C에 도달 및 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 낮은 출력으로 인해 고온에서 마이크로파에 의한 가열 효과가 미미한 것으로 판단되며, 본 실험이 대기 중에서 진행됨에 따라 시료 및 대기 간 발생하는 열교환에 의해 1,000°C 이상으로 온도가 상승하는 것이 어려운 것으로 판단된다. 이로 인해 Fig. 5(a)에 나타낸 바와 같이 소결 블록이 형성되지 못하고 탈형 시 부서졌다. 따라서 소결체를 형성하기 위해서는 더 높은 온도까지 도달하도록 마이크로파 출력값 향상이 필요한 것으로 판단되어, 마이크로파 출력을 2.25 kW로 증가시켜 소결 실험을 진행하였다(Case No. 2). 그 결과 약 15시간 만에 1,050°C에 도달하였다. 그러나 소결 블록 중심부에서 가열이 집중되는 현상이 나타났으며 하부 바닥판이 부분적으로 용융되었다(Fig. 5(b)). 추가 검토를 위해 마이크로파 출력을 2.55 kW로 증가시켜 가열한 Case No. 3의 경우, 약 11시간 만에 1050°C에 도달하였다. 2.25 kW 경우와 마찬가지로 중심부에서 가열 집중 현상이 나타났으나 외적으로 용융된 부분이 나타나지 않고 대체로 균질한 소결 블록이 제작되었다(Fig. 5(c)). 내부 관측을 위해 225 kV 강도로 약 40분간 3차원 X-ray CT 스캐닝 이미지를 측정한 결과, 균질한 외형과 다르게 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 많은 내부균열이 관측되었다. 마지막으로 우측면 마그네트론 3기의 최대 출력인 3 kW를 조사한 Case No. 4의 경우, 약 7시간 만에 1,050°C에 도달하였으나 Fig. 5(d)에 나타낸 바와 같이 하부에서 소결 블록이 용융된 것이 확인되었다. 본 실험을 통해 마이크로파 출력값이 증가할수록 가열속도가 향상되는 경향이 나타났으나, 균질한 소결 블록을 제작하기 위해서는 강한 출력에 의한 승온속도 증가보다는 적절한 승온속도 적용이 필요한 것으로 판단된다.
3.2 보조가열재 배치
보조가열재 배치가 소결 블록 제작에 미치는 영향을 검토하기 위해 Table 1의 Case Nos. 1 & 5-7에 나타낸 바와 같이 추가 보조가열재 조각 개수를 변화시키며 소결 실험을 진행했다. 앞서 소결체가 형성되지 못한 Case No. 1을 토대로 마이크로파 출력값은 2.1 kW로 고정한 뒤 추가 보조가열재 조각 개수를 늘려나갔으며, 이에 따른 승온 거동은 Fig. 7과 같이 나타났다. Case No. 5의 경우 양 측면에 1개씩 총 2개의 보조가열재 조각을 배치한 뒤 마이크로파를 조사하였으며, 그 결과 약 5시간 만에 목표 온도인 1,050°C에 도달하였다. 또한, Fig. 8(b)에 나타낸 바와 같이 중심부에서 가열 집중 현상이 나타났으나 외적으로 용융된 부분이 나타나지 않고 균질한 소결 블록이 제작되었다. 내부 관측을 위해 앞서 측정한 조건과 동일한 방식으로 X-ray CT 스캐닝 이미지를 측정한 결과 Fig. 9에 나타낸 바와 균질한 블록이 제작되었음이 확인되었다. Case No. 6의 경우 모든 측면에 1개씩 총 4개의 보조가열재 조각을 배치한 뒤 마이크로파를 조사하였으며, 그 결과 목표 온도인 1,050°C는 약 4시간만에 도달하였다. 그러나 Fig. 8(c)에 나타낸 바와 같이 빠른 가열속도로 인한 열 충격에 의해 몰드가 파괴되었으며, 파괴 부위를 따라 소결 시료가 함께 갈라졌다. Case No. 7의 경우 모든 측면에 2개씩 총 8개의 보조가열재 조각을 배치한 뒤 마이크로파를 조사하였으며, 그 결과 앞서 4개의 보조가열재를 배치한 것과 유사하게 약 4시간 만에 목표 온도인 1,050°C에 도달하였다. 그러나 마찬가지로 급격한 온도상승으로 인한 열충격으로 인해 몰드 하부가 손상되었으며, 손상 부위를 따라 시료 하부에서 용융이 발생하는 등 불균질한 소결 양상이 나타났다(Fig. 8d). 본 실험을 통해 추가 보조가열재 조각 개수가 증가할수록 가열속도가 증가하는 경향이 나타났으나, 4개 이상의 보조가열재 조각 배치 시 열충격으로 인한 시료의 불균질성이 야기됐다. 따라서 앞서 검토한 마이크로파 출력량 및 추가 보조가열재 조각 배치 영향을 고려한 적절한 조합이 필요한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 2.1 kW의 마이크로파 출력값 및 양 측면에 1개씩 총 2개의 보조가열재를 배치한 경우(Case No. 5)를 최적 조합으로 설정하고 추가적인 영향 평가를 수행하였다.
3.3 소결온도
앞서 도출한 소결 시스템 최적 조합(2.1 kW, 보조가열재 조각 양 측면 1개씩 총 2개)을 적용하고 소결온도가 소결 블록 제작에 미치는 영향을 평가하고자 Table 1의 Case Nos. 5 & 8-9에 나타낸 바와 같이 소결온도를 각각 1,070°C, 1,090°C로 상승시켜 소결 실험을 진행했다. 이에 따른 승온 거동은 Fig. 10에 제시한 바와 같이 최종 소결온도를 제외하고 유사하게 나타났다. 그러나 Case Nos. 8 & 9의 경우 Case No. 5에서는 나타나지 않던 좌측면 용융이 발견되었으며, 소결 온도가 증가할수록 용융 강도가 상승하였다(Fig. 11). 이 결과를 통해 해당 조건에서 200 mm, 200 mm, 60 mm 규모의 소결 블록을 제작하기 위한 최적 소결온도는 1,050°C ~ 1,070°C임을 확인하였다.
3.4 마이크로파 출력 위치
본 연구에서 사용한 마이크로파 소결로는 3방향(우측면, 후면부, 상부)에서 마이크로파 출력이 가능한 장비다. 출력 위치가 소결 블록 제작에 미치는 영향을 평가하고자 Table 1의 Case Nos. 5 & 10-11에 나타낸 바와 같이 마이크로파 출력 위치를 변화시키며 소결 실험을 진행했다. Fig. 12에 제시한 바와 같이 승온 거동은 우측면 마이크로파 포트를 가동했을 때 나머지 두 측면에 비해 승온속도가 미세하게 느리게 관측되었으나 그 차이는 크지 않았다. 또한, 마이크로파 출력 위치와 관계없이 Fig. 13에 나타낸 바와 같이 내외부 모두 균질한 소결 블록이 제작되었다.
마이크로파 출력 위치가 소결에 미치는 영향을 정밀하게 분석하기 위해 소결 블록 1개당 약 7-10개씩 무작위로 직경 약 22 mm, 높이 약 50 mm인 원통형으로 코어링하고 물리역학적 특성을 측정하여 비교하였다. 그 결과 Table 2 및 Fig. 14에 나타낸 바와 같이 마이크로파 출력 위치와 관계없이 진밀도 값이 유사하게 측정되었다. 반면, 부피밀도는 우측면일 때(Case No. 5)와 상부일 때(Case No. 10) 유사하게 측정된 반면, 후면일 때(Case No. 11) 약간 낮게 관측되었다. 이는 곧 공극률에 영향을 미쳐 마이크로파 출력 위치가 우측면, 상부인 경우 유사한 값을 나타낸 반면, 후면에서 마이크로파가 출력된 경우 상대적으로 높은 공극률이 나타났다. 압축강도 또한 마이크로파 출력 위치가 우측면, 상부인 경우 유사한 값이 측정된 반면, 후면에서 마이크로파가 출력된 경우 절반에 가까운 값이 측정되었다. 이는 마이크로파 출력 위치가 후면인 경우 다른 경우에 비해 소결 효율이 상대적으로 떨어짐을 뜻한다.
4. 결 론
본 연구에서는 현지자원활용 개념에 기반한 건설자재 생산 및 인프라 시공 등 달 환경에서 활용성이 높을 것으로 기대되는 마이크로파 소결 기술의 고도화를 위해 인공월면토 소결 블록의 크기를 200 mm, 200 mm, 60 mm 규모로 확장하였다. 최대 출력 9 kW의 마이크로파 소결로를 이용해 균질한 소결 블록 제작을 실험적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 마이크로파 출력량 및 소결 시스템 구성이 소결 블록 제작에 미치는 영향을 평가한 결과, 마이크로파 출력 2.1 kW 조건에서 양 측면에 각각 1개씩 총 2개의 보조가열재 조각(SiC susceptor)을 배치한 경우, 1,050°C에서 균질한 소결 블록을 제작할 수 있는 것으로 나타났다.
(2) 앞서 도출한 마이크로파 출력량 및 소결 시스템 구성을 동일하게 적용한 채, 소결온도를 1,050°C에서 1,070°C 및 1,090°C로 상승시켜 소결 블록 제작 실험을 수행한 결과, 1,070°C 이상에서는 불균질한 소결 블록이 제작됨을 확인하였다.
(3) 소결온도를 1,050°C로 유지한 채 동일한 마이크로파 출력량을 상부 및 후면에서 출력한 경우 균질한 소결 블록이 제작되었다. 출력 위치를 달리하여 제작된 소결 블록들의 물리역학적 특성을 분석한 결과, 우측면 및 상부에서 마이크로파가 출력된 경우에는 유사한 특성을 보인 반면, 후면에서 마이크로파가 출력된 경우 상대적으로 낮은 소결 효율을 나타냈다.
(4) 본 연구에서는 기존의 마이크로파 소결 기술로 제작하던 소형 소결체의 크기를 200 mm, 200 mm, 60 mm 규모로 확장하는 데 성공했다. 향후 소결체의 형상 및 크기 변화에 따라 최적화된 소결 시스템 구성 및 조건을 도출하는데 본 연구의 결과 및 프로세스가 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
