초저궤도 산화물/산화물 세라믹 복합재의 플라즈마 식각 및 이차전자방출 거동 = Oxide/Oxide ceramic composites in Very Low Earth Orbit (VLEO) space applications: plasma erosion and secondary electron emission behavior

국문 초록 (Abstract)

초저궤도 위성은 발사 비용 절감과 통신 효율 향상 등의 이점을 제공한다. 하지만 원자 산소에 의한 재료 열화와 대기 항력으로 인 한 추진 기술이 필수적이다. 기존 화학 추진기 대비 전기추진기는 높은 비추력으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 이 중 홀 효과 추력기는 구조가 간단하고 추력 밀도가 높아 많이 활용되고 있다. 홀 효과 추력기에서는 안정적인 플라즈마 유지를 위해 방전 벽이 활용된다. 방전 벽 소재로 널리 사용되는 h-BN은 적절한 이차 전자 방출계수로 인해 우수한 추력 성능을 확보할 수 있지만 낮은 기계 적 강도와 고온에서의 제작 공정 및 플라즈마 식각 취약성으로 인 해 장기 신뢰성 확보에 한계가 있다. 본 연구에서는 산화물/산화물 세라믹 기지를 기반으로 한 플라즈마 추력 복합재를 제안하였다. 제 안된 복합재는 저온/저압 조건에서 제조할 수 있으며, 산화물 기반 조성으로 인해 초저궤도 환경에서 추가적인 화학 반응이 억제되는 특성을 갖는다. 굽힘 강도 평가 결과, 본 복합재는 h-BN 대비 약 420% 향상된 기계적 강도를 나타냈으며, 초저궤도 환경 모사 시험 후 강도 감소율은 5% 미만으로 구조적 건전성을 유지하였다. 또한 Ar⁺ 플라즈마 식각 시험에서는 장시간 노출 시 표면이 준-동적 평형 상태에 도달하며 초기 대비 약 80%의 침식률 감소가 확인되었다. 아울러, 개선된 전자 산란 모델 기반 Monte Carlo 시뮬레이션을 통 해 이차 전자 방출계수를 예측한 결과, 제안된 복합재는 기존 금속 산화물 대비 낮은 이차 전자 방출계수를 보였다. 본 연구에서 제안 된 산화물/산화물 기반 복합재는 플라즈마 및 초저궤도 환경에서 장 기간 안정성을 확보할 수 있는 홀 효과 추력기 방전 벽 소재로 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 문헌 조사 4
• 1.3 연구 목적 8
• 제2장 재료 10
• 2.1 세라믹 산화물 섬유 10
• 2.2 산화물 세라믹 기지 11
• 제3장 실험 방법 12
• 3.1 플라즈마 식각 실험 12
• 3.2 극한 환경 초저궤도 모사 실험 13
• 3.3 기계적 물성 시험 15
• 3.4 총질량 손실 시험 16
• 제4장 설계 및 제작 17
• 4.1 이차 전자 방출계수 17
• 4.2 이차 전자 방출계수 예측 모델 20
• 4.2.1 전자 탄성 산란 21
• 4.2.2 전자 비탄성 산란 22
• 4.2.3 Phonon 산란 23
• 4.2.4 Monte Carlo 기반 이차 전자 방출계수 예측 모델 23
• 4.3 플라즈마 추력 복합재 설계 25
• 4.3.1 검증 25
• 4.3.2 이차 전자 방출계수 최적화 26
• 4.4 플라즈마 추력 복합재 설계 29
• 4.4.1 세라믹 기지 29
• 4.4.2 플라즈마 추력 복합재 제작 29
• 4.4.3 물성 측정 32
• 제5장 결과 및 분석 34
• 5.1 플라즈마 식각 특성 34
• 5.2 초저궤도 환경 저항 거동 39
• 5.3 플라즈마 추력 복합재 구조 건전성 45
• 5.4 총질량 손실 시험 결과 47
• 제6장 결론 49
• 참 고 문 헌 50
• ABSTRACT 56