오늘날 우주 기반 망원경의 설계자들은 금속 거울의 사용으로 돌아가 천문학의 선구자들로부터 한 페이지를 빌려오고 있습니다. 1668년에 아이작 뉴턴 경은 "검경 금속"을 사용하여 최초의 반사 망원경용 거울을 제작했습니다. 검경은 1800년대 중반까지 망원경 거울 재료로 사용되었던 구리-주석 합금입니다. 그러다가 기술 발전으로 인해 더 나은 결과를 제공하는 유리 거울로 전환되었습니다.
금속 거울과 함께 미래로 돌아가기
그럼 이제 왜 시계를 다시 금속거울로 바꾸나요? 첫째, 제작이 어렵고 빨리 변색되는 검경 금속 거울을 사용하지 않기 때문입니다. 오늘날의 첨단 우주 망원경 거울은 알루미늄과 베릴륨의 최신 합금뿐만 아니라 탄화규소(SiC)와 같은 복합 재료로 만들어집니다.
이러한 재료를 사용하는 주요 이점은 거울과 마운트(거울을 고정하는 기계적 구조)가 모두 하나의 단일 구조로 생산될 수 있다는 것입니다. 유리에는 실용적이지 않습니다. 모놀리식 구조는 부품 수와 전체 망원경 무게를 크게 줄이고 조립 과정을 단순화하고 속도를 높여 결과적으로 비용을 낮출 수 있습니다.
모놀리식 금속 거울은 광학 부품과 장착 하드웨어를 통합합니다.
재료 차이
금속 거울은 확실히 실질적인 이점을 제공하지만 모든 용도에 "최고의" 재료는 아닙니다. 이는 망원경의 열적 특성을 고려할 때 특히 그렇습니다. 우주 환경은 우주선을 극한의 온도와 빠른 온도 순환에 노출시키기 때문에 이는 우주 시스템 설계에서 주요 고려 사항입니다. 이에 대해 더 자세히 알아보려면 우주 망원경 주경에 가장 일반적으로 사용되는 재료의 주요 특성 중 일부를 검토하는 것이 유용합니다.
재료 |
밀도(g/cm³) |
강성(GPa) |
CTE (10⁶/°C) |
열 전도성 (W/m·K) |
|
안경 |
용융 실리카 |
2.2 |
73 |
0.55 |
1.4 |
ZERODUR® |
2.53 |
90 |
0.1 |
1.7 |
|
복합체 |
SiC | 2.95 |
410 |
4 |
120 |
금속 |
베릴륨 |
1.85 |
287 |
11.4 |
190 |
알루미늄 |
2.7 |
69 |
23.6 |
205 |
|
ZERODUR®은 Schott AG의 등록 상표입니다.
용융 실리카와 Zerodur는 거울 기판에 사용되는 여러 "유리" 중 두 가지에 불과하지만 이러한 종류의 재료를 잘 대표합니다. 이들의 특징은 극도로 낮은 열팽창계수(CTE)입니다. 이는 단순히 이러한 재료가 온도 변화에 따라 많이 팽창하거나 수축하지 않는다는 것을 의미합니다.
유리는 열전도율도 낮습니다. 결과적으로 주변 온도 변화에 따라 가열되거나 냉각되는 데 오랜 시간이 걸립니다. 이렇게 하면 온도가 변해도 안정적으로 유지됩니다.
반면, 알루미늄은 온도에 따라 형태가 빠르게 변하고 열을 잘 전달합니다. 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있다는 실용적인 장점이 있으며 완성된 부품으로 신속하게 제작할 수 있습니다.
베릴륨은 약간 "마법의" 물질입니다. 유리보다 밀도는 낮지만 훨씬 더 단단합니다. 이를 통해 기계적으로 강한 얇고 가벼운 부품을 제작할 수 있습니다. 게다가 약 -130°C 이하의 온도에서는 베릴륨이 결정 형태를 바꾸고 열팽창 계수가 상당히 작아집니다. 이러한 특성의 조합으로 인해 이 소재는 가장 가볍고 구조적으로 강하며 열적으로 안정적인 소재입니다. 이것이 바로 James Webb 우주 망원경의 주 거울 부분과 같이 가장 까다로운 응용 분야에 사용되는 이유입니다.
베릴륨의 단점은 희귀하고 매우 비싸다는 것입니다. 게다가 독성이 매우 강하므로 작업자는 처리 시 극도의 예방 조치를 취해야 합니다.
SiC는 다른 어떤 물질보다 밀도가 높습니다. 그러나 이것이 SiC 미러를 경량화할 수 없다는 의미는 아닙니다. 이는 SiC가 매우 단단하기 때문입니다. 결과적으로 SiC 거울과 구조는 다른 재료보다 훨씬 더 얇게 만들 수 있으면서도 매우 강하고 안정적인 상태를 유지합니다.
이러한 특성은 망원경이 큰 온도 변화를 겪을 것으로 예상될 때 안경을 선호하게 만듭니다. 이것은 망원경의 한 부분이 햇빛에 있어서 가열되고 다른 부분이 그림자에 있을 때 발생합니다. 그림자 부분은 열이 우주로 방출되기 때문에 차가워집니다. 유리의 낮은 CTE와 열전도율은 거울이 온도 구배에 반응하여 빠르게 모양을 바꾸지 않는다는 것을 의미합니다.
반대로, 구조물 전체에 걸쳐 온도가 균일할 것으로 예상되는 경우, 거울과 마운트를 모두 금속이나 복합재로 만드는 것이 유리합니다. 효율적인 열 방출을 통해 이러한 시스템은 더 빠르게 평형에 도달할 수 있어 일시적인 온도 변화의 영향을 줄일 수 있습니다.
또한, 온도가 변할 때 거울과 마운트에 동일한 재료를 사용하면 반응 방식의 차이가 사라집니다(별도의 부품이더라도). 거울과 가대 사이의 차등 팽창으로 인해 망원경의 초점이 흐려질 수 있기 때문에 이는 중요합니다. 또한 거울에 압력을 가하고 표면 모양을 왜곡시켜 이미지 품질을 저하시킬 수도 있습니다. 유리 거울 망원경 설계자는 종종 이 효과를 최소화하는 구조를 만들지만 이로 인해 비용이 추가되고 때로는 무게가 추가됩니다.
유리에는 분명한 이점이 있습니다
광학 제조 측면에서 유리는 오랫동안 다른 재료에 비해 또 다른 중요한 장점을 갖고 있었습니다. 매우 높은 정밀도로 모양을 만들고 연마할 수 있습니다. 그리고 컴퓨터와 레이저가 사용되기 전부터 100년 넘게 높은 정밀도로 광학 장치를 만드는 것이 가능했습니다.
망원경 거울에서 "정밀도"가 무엇을 의미하는지 정확히 이해하려면 광학 표면이 지정되는 방식에 대해 조금 알아야 합니다. 본질적으로 두 가지 별도의 관심 영역이 있습니다.
One way to quantify the shape of a telescope mirror is to measure its “power” (the amount by which its overall shape departs from the desired curve), its “irregularity” (the smaller scale bumps and ripples in the surface), and its “surface roughness” (the height variations on a microscopic scale).
첫 번째는 일반적으로 "그림" 또는 "표면 정확도"라고 불리는 전체적인 모양입니다. 구체적으로는 거울면의 표면 형상(곡률)이 디자인 형태와 얼마나 잘 일치하는지를 나타냅니다.
최적의 이미지 품질을 위해서는 표면 모양이 의도한 값과 150nm 이상(나노미터는 10억분의 1미터) 이내로 일치해야 합니다. 망원경 거울의 표면 정확도 사양이 60nm인 것은 전혀 이상한 일이 아닙니다.
두 번째 관심 분야는 미세한 수준의 표면 거칠기입니다. 망원경 거울은 산란되는 빛의 양을 최소화하기 위해 매우 매끄러워야 합니다. 산란광은 이미지 밝기와 대비를 낮춥니다.
고품질의 가시 파장 이미지를 형성하려면 망원경 거울의 최대 표면 거칠기가 수십 옹스트롬이어야 합니다. 옹스트롬은 100억분의 1미터입니다. 이는 수소 원자의 직경 정도입니다.
과거에는 유리 거울에서 얻을 수 있는 형태 정확도나 매끄러움(낮은 표면 거칠기)으로 금속 거울을 연마하는 것이 불가능했습니다. 금속 거울 표면 거칠기를 줄이기 위해 거울 위에 두꺼운 금속 층(수십 미크론)을 도금하여 매끄럽게 만들었습니다.
알루미늄 거울의 경우 도금 재료로 니켈을 사용하는 것이 표준 관행이었습니다. 그러나 니켈의 CTE는 알루미늄과 다릅니다. 코팅과 거울 기판 사이의 차별적인 팽창이나 수축으로 인해 거울의 모양이 변형되어 이미징 품질이 저하될 수 있습니다. 이는 알루미늄 미러 배포에 있어 제한 요소였습니다.
금속 연마 기술 개선
바카라 카지노는 수년 동안 광학 연마 기술을 개선하기 위해 노력해 왔습니다. 우리는 독자적인 CCOS(컴퓨터 제어 광학 표면처리) 방법을 개발했으며 고급 계측 장비에 막대한 투자를 했습니다.
이를 통해 우리는 유리 광학에 필적하는 형태 정확도로 금속 거울을 연마할 수 있습니다. 우리는 얼마 전에 이 이정표에 도달했지만, 여기서 우리의 역량은 여전히 광학 산업에서 독보적입니다.
최근에는 금속 거울의 표면 거칠기를 극적으로 낮추기 위해 공정을 더욱 개선했습니다. 이제 코팅을 하지 않고도 거울로 사용할 수 있을 만큼 매끄러운 표면을 만들 수 있습니다. 그러나 보다 일반적으로 반사율을 향상시키기 위해 금속 또는 유전체 재료의 얇은 층(1 마이크론 미만)이 적용됩니다. 금은 일반적으로 사용되는 코팅 재료 중 하나입니다. 가장 중요한 점은 이러한 층이 코팅과 거울 기판 사이의 CTE 불일치와 관련된 문제를 제거할 만큼 충분히 얇다는 것입니다.
우리 기술로 가능한 차세대 고정밀 금속 및 복합 거울은 이러한 재료를 더욱 실용적으로 만들고 망원경 설계자의 툴킷을 확장합니다. 특히 알루미늄은 더욱 매력적인 옵션이 됩니다. 이미지 품질을 저하시키지 않으면서 광학 장치의 비용과 출시 무게를 줄일 수 있습니다. 그리고 알루미늄 거울은 일반적으로 다른 재료보다 훨씬 빠르게 생산될 수 있으므로 생산 일정을 더 쉽게 맞출 수 있습니다.
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