국내 기술로 만든 추적 망원경, 러시아 인공위성에 탑재
추적 카메라 기술로 산업용 감시카메라, 로봇 눈, 스텔스 카메라 기술 활용 기대
국내 연구진에 의해 개발된 초고속 추적 망원경(TMT：Tracking Mirror Telescope)이 2009년에 이어 두 번째로 러시아 인공위성에 탑재 되어 우주선이 지구 기상에 미치는 영향 등에 대한 연구가 활발해 질 것으로 보인다.
미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원산업의 지원으로 성균관대 물리학과 박일홍 교수 연구팀이 우주망원경 MTEL-2를 개발했다.
MTEL-2는 올해 7월 발사 된 러시아 RELEC위성에 탑재되어 적어도 1년 이상 800km 우주상공에서 지구를 내려다보며 자외선과 가시광 섬광을 추적할 예정이다.
MEMS기술 이용한 초고속 카메라
MTEL-2는 초미세 거울 조각들을 반사경처럼 이용해 넓은 지역에서 무작위로 발생하는 고속의 이동광원을 순간적으로 포착하여 추적하는 초고속, 초민감 카메라를 장착하고 있다.
망원경에 이용된 카메라는 모든 방향으로 연속적으로 빠르게 방향을 바꿀 수 있는 MEMS기술이 집약된 초미세 거울이 장착되어 있다.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems technology) 기술은 기계 부품, 센서, 액츄에이터, 전자회로를 하나의 실리콘 기판 위에 집적하는 초미세 기계 및 전기 기술로 주로 반도체 집적회로 제작 기술에 이용된다. 그러나 평면이 아닌 입체 형상을 만들기 위한 여러 다른 제작기술도 포함된다. 과거 디스플레이용으로 개발되었으나 잉크젯 프린터 헤드, 압력센서, 가속도센서, 자이로스코프, 프로젝터 등에 활용되는 등 폭넓은 응용이 이루어지고 있다.
방향변환 미러셀 추적
이번에 개발된 추적 망원경 아이디어는 반도체 MEMS 광학 미러 기술에 바탕을 둔 아르키메데스 미러를 현대적으로 구현한 것이라고 볼 수 있다.
즉 모든 미러셀이 초기에는 광시야각(wide FOV) 상태를 이루고 있으나 표적이 나타나면 표적의 다음 이동장소로 모든 미러셀들이 방향을 변환하며 같은 방향으로 표적을 계속 추적한다.
표적을 우주에서 내려다 볼 경우 추적 망원경은 마이크로 미러 각 변환 속도 (100 μsec/도)를 감안하더라도 빛같이 빠른 물체의 추적이 가능하다.
따라서 광시야각, 확대 그리고 추적 기능을 갖춘 신개념 추적 망원경은 매우 빠르게 무작위로 일어나는 자연 현상의 관측에 활용될 수 있다.
따라서 고층대기 극한방전 현상의 관측과 이들의 우주선(Cosmic ray)과의 감마선 폭발과 같은 우주의 극한 폭발현상의 극초기 순간 포착이나 미지의 우주 섬광 발견 등을 기대할 수 있다.
극한방전 현상규명
극소형 MEMS 우주망원경을 제작하여 추적 망원경의 아이디어를 증명한 연구팀은 러시아 인공위성 Tatiana-2에 극소형 추적망원경을 탑재해 2009년 고층대기 극한방전(Upper Atmospheric Extreme Lightining) 현상규명을 위한 우주실험을 수행한 바 있다.
그러나 Tatiana-2 인공위성은 의문의 우주 실종으로 인하여 1개월 남짓 기간 동안만 데이터 획득이 이루어졌다.
당시 5시간의 MTEL 시험운영 중 세계 협정시 2010년 1월 11일 19시 04분에 MTEL은 남위 14.90도, 동경 46.5252 아프리카 마다가스카르 상공의 위치에서 고층대기 방전 현상이라고 추측되는 사건을 관측하였다.
위 그림 1에서 왼쪽에 빨간색으로 표시된 트리거 망원경 광센서 채널에서 트리거 되었으며 MEMS미러가 장착된 추적/확대 망원경은 이 트리거 된 영역을 추적하여 오른쪽에 파란색으로 둘러 싸인 광센서 영역으로 확대 하였다.
이 사건의 관측은 MEMS 우주 망원경의 기본 아이디어인 추적 및 확대 기능을 우주에서 실제로 증명한 최초의 사건이었다.
MTEL-2 안정적이고 선형적 구동방식 채택
이후 연구팀은 성능이 더욱 안정되고 향상된 MTEL-2 추적우주 망원경을 제작했다.
MTEL-2 광학계는 MTEL과 마찬가지로 트리거 광학계, 확대/추적 광학계, 분광계로 이루어져 있다.
전기적인 시스템은 구조물의 형태에 따라 새롭게 설계되었지만 각각의 신호처리 시스템과 파워 시스템은 기존과 동일하게 구성하였다. 데이터 수집 및 통신을 담당하는 데이터처리시스템과 마이크로 미러를 움직이는 미러 구동 시스템은 위성의 통신 시스템 및 바뀐 마이크로 미러의 구동 방법에 따라 일부 수정하고 새로운 로직을 추가하였다.
또한 MTEL-2는 핀홀 카메라로 트리거 광학계의 구경이 곧 핀홀이 된다. 확대/추적 광학계는 평판 마이크로 미러를 사용하여 구경으로 들어오는 빛의 경로를 꺾어 확대/추적 기능을 하도록 설계 하였다. 이때 마이크로 미러는 확대/추적 광학계의 핀홀이 된다.
관측을 위한 충분한 광량을 확보하기 위해 광학계의 구경을 충분히 크게 설계하였다. 분광계는 빔가이드 구조물의 구경과 길이가 곧 핀홀의 역할을 하여 초점거리를 결정하도록 하였다.
마이크로 미러의 안정적인 선형 구동을 위해 신개념 구동회로를 제작하였다. MTEL-2의 MEMS 마이크로 미러 구동회로는 하나의 축에 2개의 전압을 걸어 주는 방식으로 양 방향에서 대칭적으로 힘을 가해주기 때문에 MTEL구동방식보다 안정적이고 선형적인 구동이 가능하다.
고에너지 우주선과 관련성 증명
연구팀은 우주 인증 및 다양한 시험을 진행하여 MTEL-2를 러시아 우주국에 인도하였고 러시아는 후속으로 RELEC 위성에 이를 장착하여 올해 7월 발사하게 되었다.
앞으로 적어도 1년 이상 우주 임무를 수행하며 고층대기 극한 방전 현상의 규명은 물론 이의 기원으로서 가정되고 있는 고에너지 우주선과의 관련성도 증명 할 수 있을 것이다.
MEMS 우주망원경 연구단 박일홍 교수는 “10여년간 대학 차원의 한-러 우주협력의 산물로 향후에도 우리나라 최첨단 우주 임무 탑재체가 러시아 인공위성에 채택될 것”이라고 밝혔다. 연구팀은 이번 소형 추적 망원경 이외에도 우주 최대폭발인 감마선 폭발의 초기순간을 촬영하기 위한 중형 추적 망원경(UFFO)을 개발, 최종 우주시험을 마치고 2015년 하반기 발사를 기다리고 있다고 밝혔다.
추적 카메라 기술 산업용으로 응용효과 기대
극소형 MEMS 추적망원경은 초고속 자연 현상의 포착을 위한 차세대 우주망원경의 시작으로, 우주 관측기술의 기반이 될 것으로 기대된다.
이번에 개발된 추적망원경 탑재체는 순수 국내기술로 개발한 사례로 향후 우리나라 우주 개발기술에 큰 영향을 미칠 것이다.
한편 추적카메라 기술의 기본 아이디어인 추적 및 확대 기능은 산업용 및 일반용의 각종 감시 카메라, 로봇 눈 그리고 스탤스 카메라 기술에도 활용 가치가 높을 것으로 기대된다.
출처 | 미래창조과학부(www.msip.go.kr)
