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ABSTRACT
1. 서 론
최근 달에서 물(water ice) 등 다양한 에너지자원이 발견됨에 따라 달은 지속가능한 우주탐사를 위한 전진기지로 주목받고 있다(Christian et al., 2018; Li et al., 2018; Brent, 2019; Weiren et al., 2019; Cole et al., 2023). 기지 뿐 아니라 기지운영을 위한 다양한 인프라 건설은 달을 전진기지로 활용하기 위한 촉매제 역할을 할 수 있다(Zhang et al., 2021). 최근 효율적인 기지 구축을 위해 현지 자원 활용(In Situ Resources Utilization, ISRU) 개념이 주목받고 있으며, 월면토는 달 표면에서 가장 쉽게 활용할 수 있는 현지 자원으로 평가받고 있다. 별도의 바인더를 필요로 하지 않으며 분말재료에 녹는점보다 낮은 온도로 열을 가해 하나의 덩어리로 만드는 소결(sintering) 기술은 달 환경에서 월면토를 고형화해 건설재료 생산, 인프라 시공 등에 활용이 가능하다(Sikalidis, 2011; Lim et al., 2015). 월면토 소결을 위한 열원으로써 레이저(Balla et al., 2012; Fateri and Gebhardt, 2015; Goulas et al., 2017), 태양광(Lin et al., 1997; Sauerborn et al., 2004; Hintze et al., 2009; Meurisse et al., 2018), 스파크 플라즈마(Phuah et al., 2020; Zhang et al., 2020; 2021), 마이크로파(Meek et al., 1985; Allen, 1998; Taylor and Meek, 2005; Allan et al., 2013; Gholami et al., 2022) 등이 연구되어 왔다. 특히, 마이크로파를 열원으로 활용한 소결은 달 표면 적용 시 포장도로 또는 랜딩패드 등과 같은 넓은 영역 건설 시 적용될 수 있다는 장점이 있다(Sato et al., 2003; Taylor and Meek, 2005; Agrawal, 2006; Taylor et al., 2010).
이에 따라 최근 미항공우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)의 달-화성 자율 건설 프로젝트(Moon to Mars Planetary Autonomous Construction Project, MMPACT)에서는 실험과 수치해석을 통해 마이크로파 가열에 의한 월면토의 온도 프로파일, 균일성, 깊이 등에 관한 연구를 수행하였으며(Effinger, 2020; Effinger et al., 2021), 유럽우주국(European Space Agency, ESA)의 유럽우주비행사센터(European Astronaut Centre, EAC)는 주방 전자레인지를 활용한 마이크로파 가열 연구 및 반개방형 마이크로파 소결로를 활용한 진공 조건에서의 마이크로파 가열 연구를 수행하였다(Thiebaut and Cowley, 2019; ESA, 2021). 최근에는 마그네트론의 대안으로 반도체 기반 마이크로파 발생기(Solid-State Microwave Generator)의 적용 가능성에 대한 검토가 이뤄지고 있으며(Lim et al., 2023; Zhou et al., 2023; Gatto et al., 2024), 나아가 달 표면에서의 ISRU 실험을 위해 페이로드인 MHD(Microwave Heating Demonstrator) 개념이 구체적으로 제안되기도 했다(Lim et al., 2022). 한국건설기술연구원(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, KICT)에서도 한국형 인공월면토 KLS-1에 마이크로파를 가해 제작한 소결체의 미세구조, 기계적 특성에 대해 분석하였으며, 이를 바탕으로 100mm * 100mm * 50mm 크기의 균질한 소결 블록 제작을 위한 가열 프로세스를 정립하였다(Kim et al., 2021; Jin et al., 2024).
본 연구에서는 앞서 NASA, ESA, KICT 등에서 수행한 기초 선행연구 결과를 바탕으로 100mm * 100mm * 50mm 소결 블록을 제작하며 소결에 영향을 미칠 수 있는 하드웨어적 구성 요소인 보조가열재, 마그네트론으로부터의 거리 등의 영향에 대해 검토하였다. 또한, 소결온도 유지시간이 소결에 미치는 영향에 대해 검토함으로써 소결 효율에 대해 평가하였다. 본 연구에서 도출된 연구 결과는 향후 향상된 기술 수준의 마이크로파 가열 시스템을 활용한 달 인프라 건설에 적용하기 위한 가이드가 될 수 있을 것으로 판단된다.
2. 실험장비 및 조건
2.1 마이크로파 소결로
본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 멀티모드 방식의 마이크로파 소결로를 구축하여 사용하였다. 우측면에 최대출력 1kW 마크네트론 1기(출력주파수 2.45GHz)가 장착되어 있으며, 소결로 내부 표면은 마이크로파를 반사시키는 금속으로 구성하였다. 소결로 내부에는 단열박스가 위치하고 있으며 단열박스 내부에는 소결체 제조를 위한 원재료인 인공월면토가 위치할 직육면체 형태의 5mm 두께의 보조가열재(SiC susceptor) 몰드(몰드 내부 가로, 세로, 높이 각각 약 100mm, 100mm, 50mm)가 위치하고 있다. 보조가열재 몰드 주변에는 추가적인 보조가열재 조각들을 위치시킴으로써 소결 시스템 구성에 변화를 줄 수 있도록 하였다. 보조가열재는 출력주파수 2.45GHz의 마이크로파와 반응하여 쉽게 가열되는 재료이다. 즉, 보조가열재에 의한 외부가열과 마이크로파가 재료와 반응하여 발생하는 내부가열이 동시에 작용하는 하이브리드 가열 시스템을 구축하였다. 단열박스 및 보조가열재 몰드 사이에는 최대 1,600℃까지 측정 가능한 세라믹 처리된 R-type 열전대(정밀도 ±1.5℃)를 위치시켜 내부 온도를 측정할 수 있게 하였다. 가열 시에는 설정온도를 맞추기 위해 0~1kW의 마이크로파 출력이 자동으로 조절된다.
Fig. 1
Schematic diagram of the hybrid microwave sintering system
2.2 재료 및 실험조건
본 연구에서는 한국형 인공월면토인 KLS-1(Korean Lunar Simulant)을 사용하였다(Ryu et al., 2018). KLS-1은 아폴로 임무에서 채취한 Lunar soil 14163를 비롯해, 가장 널리 활용되고 있는 모사 월면토인 JSC-1와 FJS-1을 참조하여 화학적 구성성분, 기계적 특성을 검토해 개발하였다(McKay et al., 1994; Kanamori et al., 1998). 소결실험 시에는 20번 체(0.85mm)를 통과한 KLS-1 분말을 250℃에서 진공가열 전처리하여 KLS-1이 가열되며 발생하는 탈기체(Out-gassing) 현상이 소결에 미치는 영향을 최소화하였다(Jin et al., 2024). 전처리된 KLS-1 분말은 보조가열재 몰드에 강사, 진동, 태핑을 통해 밀도 있게 다지고 뚜껑을 덮은 뒤 단열박스 내부에 위치시켰다.
소결 시스템 구성 및 유지시간에 의한 소결 효율을 평가하기 위해 Table 1에 나타낸 바와 같이 실험 계획을 수립하였다. 먼저 소결 시스템 구성에 관한 영향을 평가하기 위해 Fig. 2에 나타내고 있는 평면도에서 추가적인 보조가열재 조각(우측면 보조가열재 조각 유무) 구성 및 소결로 좌측면으로부터 거리(D) 변화를 통해 마이크로파 출력부로부터의 위치를 조정하였다. 여기서, 이동하는 대상은 단열박스, KLS-1를 담고 있는 보조가열재 몰드, 추가 보조가열재 조각을 포함한다. 보조가열재 조각들을 4개 측면에 모두 위치시키는 경우와 우측면을 제외한 3개 측면에 위치시키는 경우에 대해 각각 D를 30mm, 50mm, 70mm로 변화시키는 경우들을 조합하였다. 승온 프로그램은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 500℃까지 5℃/min의 속도로 승온 후 2시간 유지, 이후 3℃/min의 속도로 700℃, 900℃, 1,000℃까지 가열하며 각 온도에 도달했을 때 30분씩 유지하도록 하였다. 이는 마이크로파 가열에 의해 발생 가능한 온도구배 발생으로 인한 열 폭주(thermal runaway) 현상을 방지하고자 함이다(Bhattacharya and Basak, 2016). 최종 소결온도인 1,080℃에서 0분, 30분, 60분, 120분 동안 유지한 뒤 실험을 종료하고 유지시간이 소결에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
Table 1.
Experimental design with system configuration and dwell time
Case
No.
|
Quantity of SiC pieces
along the sides
|
Distance from left side
of the furnace (mm)
|
Dwell time at 1,080°C
(min)
|
Note
|
|
1
|
4
|
30
|
30
|
System configuration
|
|
2
|
4
|
50
|
30
|
|
3
|
4
|
70
|
30
|
|
4
|
3
|
30
|
30
|
|
5
|
3
|
50
|
30
|
System configuration & Dwell time
|
|
6
|
3
|
70
|
30
|
System configuration
|
|
7
|
3
|
50
|
0
|
Dwell time
|
|
8
|
3
|
50
|
60
|
|
9
|
3
|
50
|
120
|
Fig. 2
Schematic diagram of system configuration (plan view)
Fig. 3
Heating program of the microwave sintering experiments
2.3 특성분석
소결체의 물리적 특성을 분석하기 위해 재료에 존재하는 공극들을 고려한 부피밀도(bulk density, ρb) 및 진밀도(true density, ρt)를 측정하였다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 부피밀도는 개기공 및 폐기공을 모두 재료의 부피로 고려하고 있으며, 진밀도는 기공들을 제외한 재료만의 부피를 고려하고 있다. 재료만의 부피를 측정하기 위해 가스 피크노미터(UltraPycnometer 5000; Anton Paar, Austria)를 사용하였으며, 이때 가스는 헬륨가스를 사용하였다. 측정한 부피밀도 및 진밀도 값을 이용해 공극률을 계산하였다. 또한, 소결체의 기계적 특성인 압축강도를 분석하기 위해 최대 하중 5톤의 로드셀을 이용해 높이의 약 1%/min의 일정한 변형률(strain rate)로 시료를 압축하며 응력-변형률(stress-strain) 거동을 측정하고 최댓값인 일축압축강도(Unconfined Compressive Strength, UCS)를 도출하였다.
Fig. 4
3. 실험결과
3.1 소결 시스템 구성에 따른 형상
Case 1-3 및 Case 4-6은 소결 시스템 구성이 소결에 미치는 영향을 평가하기 위해 각각 몰드 우측면의 추가 보조가열재 조각 유무 및 소결로 좌측면으로부터의 거리(D)를 변화시키며 1,080℃에서 30분간 유지하여 소결 블록을 제작하였다. 추가 보조가열재 조각들을 몰드 주변 4개 측면에 모두 위치시킨 Case 1-3의 경우Figs. 5. 5(a-c)에 나타낸 바와 같이 모두 우측 하단부에서 재료의 불균일한 승온에 의해 불균질한 소결체를 얻었다. 세부적으로 보면, Case 1(D=30mm)의 경우 우측면의 하단부에서 균열이 발생하였고(Fig. 5(a)), Case 2(D=50mm)의 경우 우측면의 하단부에서 재료가 용융되었으며(Fig. 5. 5(b)), Case 3(D=70mm)의 경우 Case 2보다 정도는 약하지만 우측면의 하단부에서 재료가 용융되었다(Fig. 5(c)). 반면, 우측면의 추가 보조가열재 조각을 제거한 경우(3면에만 추가 보조가열재 조각 위치)에는 Case 4(D=30mm)의 경우(Fig. 5(d))를 제외한 Case 5-6(각각 D=50mm, 70mm)의 경우 외적으로 균질한 소결체가 얻어졌다(Figs. 5. 5(e-f)).
Fig. 5
Photographs of the KLS-1 sintered blocks based on system configuration
즉, 추가 보조가열재 조각 배치가 같더라도 D에 따라 형상이 다른 소결체가 얻어졌으며, D가 같더라도 추가 보조가열재 조각 배치에 따라 형상이 다른 소결체가 얻어졌다. 추가 보조가열재 조각이 3면에만 위치하고 D가 50mm, 70mm인 Case 4-5의 경우에 균질한 소결체가 얻어졌음을 통해 추가 보조가열재 조각 유무가 D보다 상대적으로 더 지배적인 영향을 미친다는 것을 유추할 수 있다.
3.2 유지시간에 따른 물리적, 기계적 특성 평가
Case 7-9는 앞서 균질한 소결체가 도출된 Case 5(추가 보조가열재 조각 3면 위치, D=50mm)의 소결 시스템 구성을 적용하고, 최종 소결온도인 1,080℃에서 유지시간이 0분, 30분, 60분, 120분인 경우에 대해 소결체를 제작한 뒤 물리적, 기계적 특성을 평가하였다.
1,080℃에서 0분 유지한 Case 7(Fig. 6(a))의 경우에는 소결이 덜 되어 블록 형태를 유지하지 못하였다. 반면 1,080℃에서 30분, 60분, 120분 유지한 경우(각각 Case 5, 8, 9) 모두 외적으로 균질한 소결체가 얻어졌다(Figs. 6(b-d)). 그러나 최종온도에서의 유지시간에 따라 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 소결 블록들의 부피밀도가 달라졌다. 즉, 유지시간이 30분인 경우(Case 5) 약 2.04g/cm3, 60분인 경우(Case 8)는 30분인 경우보다 부피밀도가 증가해 약 2.10g/cm3, 120분인 경우(Case 9)는 60분인 경우보다 부피밀도가 감소해 2.05g/cm3로 나타났다.
Fig. 6
Photographs (front view) of the KLS-1 sintered blocks at different dwell times
Fig. 7
Bulk densities of microwave-sintered blocks at different dwell times
1,080℃에서의 유지시간이 소결에 미치는 영향을 보다 정밀하게 분석하기 위해 Fig. 8에 나타낸 위치에서 소결체 당 5개씩 평균 직경 약 20mm, 평균 높이 약 45mm인 원통형으로 코어링하고 물리적, 기계적 특성을 분석하였다. 코어링 시료의 부피밀도 및 진밀도를 측정하고 이 두 값을 바탕으로 Fig. 5에 나타낸 공극률 계산식을 이용해 공극률을 도출하였다. 그 결과 Table 2 및 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 1,080℃에서의 유지시간 증가 여부와 관계없이 유사한 진밀도 값(3.01~3.02g/cm3)이 얻어졌다. 반면, 1,080℃에서의 유지시간 30분에서 약 2.06g/cm3였던 부피밀도는 60분일 때 약 2.11g/cm3으로 증가하였으며, 120분일 때 약 2.03g/cm3으로 다시 감소하였다. 이 때 얻어진 평균 부피밀도는 앞서 Fig. 7에서 소결 블록에 대해 측정한 값과 유사하게 측정되어 코어시료의 대표성을 간접적으로 다시 한번 검증하였다. 공극률은 부피밀도와 반대로 1,080℃에서의 유지시간이 30분일 때 약 31.65%에서 60분일 때 약 30.16%로 감소한 뒤 120분일 때 다시 33.12%로 증가하였다. 또한, 1,080℃에서의 유지시간이 30분일 때 약 16.29MPa이던 일축압축강도는 60분일 때 약 18.87MPa로 증가하였으며, 120분일 때 약 8.03MPa로 감소하였다. 즉, 1,080℃에서의 유지시간이 30분에서 60분으로 증가할 때, 부피밀도 및 일축압축강도는 증가하고 공극률이 감소한 반면, 60분에서 120분으로 증가할 때, 부피밀도 및 일축압축강도는 감소하고 공극률이 증가하였다.
Fig. 8
Diagram of the coring scheme (numbering and locations) for sintered body
Table 2.
Averaged physical properties of all cored samples for each Cases
|
Case No.
|
Dwell time at 1,080°C (min)
|
True density (g/cm3)
|
Bulk density (g/cm3)
|
Porosity (%)
|
UCS (MPa)
|
|
5
|
30
|
3.01
|
2.06
|
31.65
|
16.29
|
|
8
|
60
|
3.02
|
2.11
|
30.16
|
18.87
|
|
9
|
120
|
3.01
|
2.03
|
33.12
|
8.03
|
Fig. 9
Averaged physical and mechanical behavior of cored sintered cylinders with dwell time
이러한 경향성이 도출된 이유는 Fig. 10에서 나타내고 있는 코어링 시료의 대표 사진을 통해 확인할 수 있다. 1,080℃에서의 유지시간이 30분, 60분인 경우 균질하게 소결된 것과 달리(Figs. 10(a-b)), 120분인 경우 시료가 균질하게 소결되지 못한 것을 확인할 수 있다(Fig. 10(c)). 이 결과를 통해 1,080℃에서 유지시간이 증가할수록 소결효율(밀도)이 증가하지만 임계시간이 지나면 특정 단결정 입자가 우선적으로 성장하며 결정립계(grain boundary)를 약화시켜 균열을 발생시키는 것으로 판단된다(Youhua et al., 2018; Wen et al., 2022). 따라서 소결 효율 향상을 위한 유지시간 증가 시 주의가 요구된다.
Fig. 10
Representative photographs of the sintered cylinders at location No. 4
또한, 코어링 시료들의 물리적, 기계적 특성 간의 상관관계를 Fig. 11에 나타냈다. 부피밀도가 증가할수록 공극률이 감소하고(Fig. 11(a)), 공극률이 증가할수록 일축압축강도가 감소하며(Fig. 11(b)), 부피밀도가 증가할수록 일축압축강도가 증가한다(Fig. 11(c)). 특히, 부피밀도와 공극률 간 상관관계가 매우 좋게 나타났으며, 기계적 특성인 일축압축강도는 부피밀도 및 공극률의 변화에 매우 민감하여 상관관계의 경향성은 관측되나 변화가 상대적으로 크게 나타났다.
Fig. 11
Relationships between physical and mechanical properties
4. 결 론
본 연구에서는 현지 자원 활용 기반 건설재료 생산, 인프라 시공 등 달 환경에서 활용성이 높을 것으로 기대되는 마이크로파 소결의 효율성을 검토하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 1kW 급의 마이크로파 소결로에서 몇 가지 영향인자들을 변화시키며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 소결 시스템 구성이 소결 효율에 미치는 영향을 평가하기 위해 추가 보조가열재 조각 구성 및 소결로 왼쪽 측면으로부터 떨어진 거리(D)를 변화시키며 소결 블록 제작 실험을 진행한 결과, 두 가지 영향인자 모두 소결체 형성에 영향을 미치는 것으로 판단되었으며, 추가 보조가열재 조각 유무가 D보다 더 지배적인 것으로 나타났다.
(2) 소결온도(1,080℃) 유지시간이 소결 효율(소결체 밀도)에 미치는 영향을 평가하기 위해 유지시간을 변화시키며 소결 블록 제작 실험을 진행한 결과, 일정 시간 이상의 유지시간이 요구되며 그 이상으로 유지시간이 증가할수록 소결 효율이 증가하다 임계시간을 지나면 오히려 소결 효율이 떨어지는 것으로 나타났다.
(3) 소결온도(1,080℃) 유지시간이 소결 효율에 미치는 영향을 정밀하게 분석하기 위해 앞서 제작한 소결 블록을 위치별로 코어링하고 정밀분석을 수행한 결과, 일축압축강도는 부피밀도와 유사한 경향성을 나타내며 공극률은 부피밀도와 정반대의 경향성을 나타냈다. 특히, 다른 물성들이 평균값으로부터 ±10% 내외의 편차를 나타낸 것과 달리 평균 14.40MPa를 나타내는 일축압축강도의 경우 소결 효율에 따라 그 값이 5.18~35.72MPa로 매우 민감하게 나타났다.
Acknowledgements
본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20240182-001, 유인 우주기지 건설 핵심기술 협력 개발).
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