LPBF 고정밀 마이크로 추력기

2026.10.28

대한금속재료학회

LPBF를 통해 제작한

우수한 고정밀 마이크로 추력기

김래언

지도교수: 김형섭 교수님

포항공과대학교 박사과정

1 장

Profile

김래언 (Rae Eon Kim)

Present: POSTECH, GIFT Ph.D candidate, 지도교수: 김형섭 교수님
M.S: POSTECH, GIFT
B.S: POSTECH, Mechanical Engineering

▪Research field

Additive manufacturing

Formability

Heterostructure

Hydrogen Embrittlement

Alloy design

연구 배경

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

[2] S. Malisuwan et al., Am. J. Ind. Bus. Manag. 12 (2022); [3] X. Luo et al., IEEE Netw. 38 (2024); [4] A. Cervone et al., Acta Astronaut. 195 (2022)

[5] R. Walker et al., Astron. Geophys. 59 (2018); [6] C. Nakalembe et al., Glob. Food Secur. 29 (2021)

[10] M. Tsay et al., SmallSat Conf. (2014); [11] B. Liu et al., Micromachines 10 (2019) 818

■ 소형 위성 확산과 마이크로 추력기의 용도

소형 위성 임무 확대 → 정밀·경량 마이크로 추력기 필요

소형 위성 플랫폼 확산

ISS에서 사출되는 학생 제작 CubeSat 3기 (NASA, 2026)

• 지구관측·통신·기후감시 서비스 확대 [2, 3]

• 위성 군집·VLEO·심우주 임무 증가 [4–6]

최근 소형 위성 플랫폼이 빠르게 확산되면서 지구관측, 통신, 기후감시 같은 서비스가 크게 늘고 있습니다. 왼쪽 사진은 올해 2월 국제우주정거장의 소형 위성 사출기에서 여러 나라 학생들이 만든 CubeSat 세 기가 지구 궤도로 나가는 장면입니다. 위성 군집 배치가 늘고 초저궤도, 행성 간 궤도, 심우주 탐사까지 임무가 넓어지면서, 작고 효율적이며 응답이 빠른 추진계가 어느 때보다 중요해졌습니다. 오른쪽 모식도처럼 3U CubeSat에서는 약 1U 크기의 추진 모듈에 추진제 탱크, 밸브, 추력기가 들어가고, 마이크로 추력기로 궤도 조정과 궤도 유지, 대기 항력 보상을 하며 모서리의 소형 노즐로 자세를 제어합니다. 특히 최소 추력을 줄이면 최소 임펄스 비트가 작아져 소형 위성의 제어 정밀도와 운용 효율이 높아지므로, 서브뉴턴급 마이크로 추력기가 필요합니다. 사진 출처: NASA, iss074e0301636 (2026-02-03), 'A trio of CubeSats is deployed into Earth orbit outside of the International Space Station' 참고 수치: 원고 1장: 소형 위성 서비스(지구관측·통신·기후감시) [1–3]; 위성 군집·VLEO·행성 간·심우주 임무 [4–6]; 소형 위성 추진계의 질량·부피·치수 제약 [7] 참고 수치: [11] Liu 2019: 자세 제어·항력 보상·궤도 유지·궤도 조정에 마이크로 추진계 필요, 편대 비행에도 필요; [10] Busek 0.5 N 추력기의 1U CubeSat 적용; 모식도는 배치 예시(Claude 작성) 참고 수치: 원고 3.4절: 최소 추력 감소 → 최소 임펄스 비트 감소 → 제어 정밀도·운용 효율 향상 참고문헌(원고 번호): [1] C. Daehnick et al., McKinsey Insights (2023)는 화면의 [1](본 논문)과 번호가 겹쳐 화면에서 생략; [7] A. Sarritzu, A. Pasini, Acta Astronaut. 217 (2024)

연구 배경

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

[8] J. Liu et al., Int. J. Adv. Manuf. Technol. 92 (2017); [9] M. Tsay et al., SmallSat Conf. (2013); [10] M. Tsay et al., SmallSat Conf. (2014)

[14] J. Huh et al., Sens. Actuators A 263 (2017); [19] J. Lee et al., Sens. Actuators A 363 (2023); [20] D. Moschou, A. Tserepi, Lab Chip 17 (2017)

■ 기존 마이크로 추력기 제조 방식의 한계

서브뉴턴급: SM은 미세 형상·비용, MEMS는 신뢰성 한계

절삭가공 (subtractive manufacturing, SM)

사진: Busek [9]

• N급(1 N 초과) 추력기에는 유효 [8–10]

• 서브뉴턴급: 미세 형상 구현·비용 효율 한계

MEMS (micro-electromechanical systems)

[14] Fig. 8

• 실리콘·유리·세라믹 취성 소재: 발사 진동·연소압에 취약

• 기판 접합 dead volume: 질량·부피 최적화 어려움 [19, 20]

이런 마이크로 추진계는 질량과 부피, 치수 정확도에 대한 엄격한 제약 아래에서도 구조 건전성과 추력 성능을 동시에 만족해야 합니다. 왼쪽 사진 같은 기존 절삭가공 추력기는 1 N을 넘는 N급 추력기에는 유효하지만, 비용과 마이크로미터급 형상 구현 한계 때문에 서브뉴턴급에는 적용이 어렵습니다. 오른쪽 사진 같은 MEMS 기반 추력기는 실리콘, 유리, 세라믹 같은 취성 소재 때문에 발사 진동과 연소압에 취약하고, 평면 기판 접합에 따른 dead volume으로 질량·부피 최적화가 어렵습니다. 그래서 다음 슬라이드에서는 이 두 한계를 넘을 수 있는 적층제조의 가능성과 과제를 보겠습니다. 참고 수치: 소형 위성 플랫폼 확산: 지구관측·통신·기후감시 서비스 확대 참고 수치: 질량·부피·치수 제약 아래 구조 건전성과 추력 성능을 동시에 요구 참고 수치: 절삭가공(SM): N급(>1 N)에 유효, 서브뉴턴급 미세형상·비용 한계 참고 수치: MEMS: 취성 소재(Si·glass·ceramic), 발사 진동·연소압 취약, dead volume 참고 수치: SM 적용 범위: N급 (Newton-class, >1 N) 참고 수치: MEMS 미해결 과제: 소재·구조 건전성·부피 활용 참고 수치: MEMS 접합 문제: 평면 기판 접합 dead volume 사진 출처: 왼쪽 Busek BGT-X5 0.5 N 녹색 단일추진제 추력기(busek.com, [9]·[10]의 추력기); 오른쪽 [14] J. Huh, D. Seo, S. Kwon, Sens. Actuators A 263 (2017) 332, Fig. 8 참고문헌(화면 생략): [10] M. Tsay et al., SmallSat Conf. (2014); [19] J. Lee et al., Sens. Actuators A 363 (2023); [20] D. Moschou, A. Tserepi, Lab Chip 17 (2017); [7] A. Sarritzu, A. Pasini, Acta Astronautica 217 (2024); [11] B. Liu et al., Micromachines 10 (2019)

적층제조 과제

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

[35] E. Fonda-Marsland et al., AIAA Propulsion and Energy Forum (2019)

■ PBF-LB/M(LPBF)의 가능성과 남은 과제

CAD(b1) → 출력(b2): 챔버-노즐 일체

과제 1

기공·lack of fusion

→ 건전성·열효율 저하

과제 2

노즐 표면 불규칙

→ 치수 부정확

과제 3

최소 형상 약 0.5 mm [35],

오리피스 250 µm 미만 난항

고해상도·고정밀 박벽 설계와 공정 최적화 필요

PBF-LB/M은 복잡한 형상의 추력기를 만들 수 있고, 운용 중 열·기계 하중에서도 치수 안정성과 균열 저항성을 보여 왔습니다. 그러나 기공이나 lack of fusion 같은 공정 유발 결함은 구조 건전성과 열효율을 떨어뜨려 추력 성능에 직접 영향을 줍니다. 노즐 목과 출구처럼 중요한 부위의 표면 불규칙은 치수 부정확과 추력 효율 저하로 이어집니다. 또한 기존 프린팅 추력기는 최소 형상이 약 0.5 mm 수준이고, 250 μm 미만 오리피스 제작이 어려워 긴 유로의 Poiseuille형 인젝터로 우회해 왔습니다. 왼쪽 그림처럼 CAD 모델(b1) 그대로 인젝터와 분해챔버를 서포트와 함께 출력할 수 있지만, 이 과제들을 풀려면 고해상도·고정밀 박벽 설계와 공정 최적화가 필요합니다. 참고 수치: PBF-LB/M: 복잡 형상 추력기 제작, 열·기계 하중에서 치수 안정·균열 저항 참고 수치: 과제 1: 기공·lack of fusion 등 공정 결함 → 구조 건전성·열효율 저하 참고 수치: 과제 2: 노즐 목·출구 표면 불규칙 → 치수 부정확, 추력 효율 저하 참고 수치: 과제 3: 최소 형상 약 0.5 mm, 오리피스 <250 μm 난항 → Poiseuille형 우회 참고 수치: 기존 최소 형상 크기: 약 0.5 mm 참고 수치: 오리피스 해상도 한계: <250 μm 제작 난항 참고 수치: 0.5 mm 박벽 챔버: 선행연구 미고려 참고 수치: AM 적용의 핵심 문제: 치수·해상도·공정 결함 참고문헌(화면 생략): [32] M. Santi et al., AIAA Propulsion and Energy Forum (2019); [33] M. Crachi et al., Mater. Today Commun. (2025)

연구 목적

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

[36] J. Lee et al., Addit. Manuf. 94 (2024); [62] Nikon SLM Solutions, Ti6Al4V Grade 23 ELI Material Data Sheet (2025)

■ 연구 목적

[문제 인식]

서브뉴턴급 소형·경량화 한계

SM: 미세 형상·비용 한계

MEMS: 취성·구조 신뢰성

[제안 기술]

PBF-LB/M Ti-6Al-4V 박벽 추력기

0.5 mm 박벽 챔버-노즐 일체 출력

180 µm 오리피스 공정 최적화

[목표 성능]

정밀도·건전성·추진 성능 동시 확보

치수 정확도·형상 해상도

박벽 건전성: 상온(RT)·700 °C

■ 소재 및 LPBF 공정 조건

소재: Ti-6Al-4V (Ti64)

• ASTM Grade 23 (ELI): 저산소 O ≤ 0.13 wt.% [62]

• 분말: AP&C, 플라즈마 분무 구형 분말

• 입도: 10–55 µm, d₅₀ 20 µm

공정 변수 [36]	값
레이저 출력	80 W
스캔 속도	1000 mm/s
해치 간격	60 µm
적층 두께	20 µm
스캔 전략	양방향, 층간 67° 회전
빔 스폿	40 µm
분위기	Ar 99.999 %,

본 연구의 목적은 PBF-LB/M으로 Ti-6Al-4V 박벽 100 mN급 액체 단일추진제 마이크로 추력기를 설계, 제작, 평가하는 것입니다. 공정을 최적화해 달성 가능한 최소 형상인 180 μm 오리피스와 0.5 T 박벽 분해챔버를 동시에 구현하여 시스템 수준의 경량화를 목표로 했습니다. 소재는 Ti-6Al-4V, 즉 Ti64 합금입니다. AP&C의 플라즈마 분무 구형 분말로, ASTM Grade 23(ELI) 등급이며 입도는 10~55 μm, d50은 20 μm입니다. 자체 제작 PBF-LB/M 장비(200 W 파이버 레이저, 빔 스폿 40 μm)에서 레이저 출력 80 W, 스캔 속도 1000 mm/s, 해치 간격 60 μm, 적층 두께 20 μm, 층간 67° 회전 양방향 스캔으로 출력했고, 산화를 막기 위해 아르곤(99.999 %)을 흘려 산소를 100 ppm 미만으로 유지했습니다. 추진제는 87.5 wt.% 과산화수소, 촉매는 γ-Al2O3 담체의 MnOx/Al2O3 granule입니다. 액체 단일추진제는 구조가 단순하고 신뢰성이 높으며 추력 조절이 가능해 위성용으로 적합합니다. 치수 정확도, 형상 해상도, 구조 건전성, 추진 성능, 재현성을 한 번에 검증하는 것이 목표입니다. 참고 수치: 분말: Ti-6Al-4V ASTM Grade 23, 10~55 μm, d50 20 μm 참고 수치: 추진제: 87.5 wt.% H2O2, 단열 분해온도 700 °C 참고 수치: 촉매: MnOx/Al2O3 granules 1.00~1.18 mm (γ-Al2O3 담체) 참고 수치: 단일추진제 선택 이유: 구조 단순, 높은 신뢰성, 추력 조절 가능 참고 수치: 목표 추력: 100 mN 참고 수치: 최소 형상: 180 μm 오리피스 참고 수치: 챔버 벽 두께: 0.5 T (0.5 mm) 참고 수치: [문제 인식] AM: 결함·치수·해상도 참고 수치: [제안 기술] H2O2 단일추진제, 100 mN급 참고 수치: [목표 물성] 추진 성능·재현성 검증 참고 수치: Grade 23 (ELI): Al 5.50~6.50, V 3.50~4.50, O ≤ 0.13, Fe ≤ 0.25 wt.% (ASTM B348, [62]) 참고 수치: Grade 23은 Grade 5보다 O·Fe(침입형 원소)를 낮춰 연성과 파괴인성을 높인 등급 ([62]) 참고 수치: 장비: IPG YLR-200-AC, Scanlab intelliSCAN 14, F-θ 렌즈 f = 255 mm, 빌드 플랫폼 φ130 mm × 90 mm 참고 수치: 공정 변수는 박벽 선행연구 [36] 기반 최적화, 윤곽·내부 동일 출력·속도

설계·실험 방법

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

■ 설계 목표값과 평가 방법

설계 치수

추진 시험 구성

항목	값
Thrust	100 mN
Chamber pressure	3.0 bar
I_sp (theoretical)	85.5 s
C* (theoretical)	909.3 m/s
Mass flow rate	7.15 g/min
Injector ΔP	0.15 bar
Orifice diameter	175 µm
Throat / exit	0.68 / 1.00 mm
최적 팽창비	1.13

• 공정: 80 W, 1000 mm/s, hatch 60 µm, layer 20 µm, 67° 회전

• 평가: micro-XCT, XRD, EBSD, 박벽 인장, 추진 시험

설계는 목표 추력 100 mN, 챔버압 3.0 bar를 기준으로 CEA 코드로 이론 비추력 85.5 s와 특성속도 909.3 m/s를 구하고, 질량유량 7.15 g/min, 체적유량 5.18 mL/min을 도출했습니다. 인젝터는 챔버압의 5~20% 압력강하 범위 중 5%인 0.15 bar를 목표로, 방출계수 0.70을 가정해 오리피스 직경 175 μm로 설계했고, 촉매층은 직경 10 mm, 길이 14 mm, 벽 두께 0.5 mm, 노즐 목 직경 0.68 mm입니다. 최적 팽창 출구 직경은 0.72 mm이지만, 더 높은 연소실 압력으로의 확장성을 보려고 출구를 1.0 mm로 키워 과팽창으로 설계했습니다. 공정은 최대 200 W 파이버 레이저와 40 μm 빔 스폿을 갖춘 자체 제작 PBF-LB/M 장비에서, 출력 80 W, 스캔 속도 1000 mm/s, hatch 60 μm, 층 두께 20 μm, 67° 층간 회전 양방향 스캔으로 진행했습니다. 평가는 5 μm 해상도 micro-XCT, XRD, EBSD, 0.5 mm 박벽 dog-bone 시편의 상온·700 °C 인장, 그리고 시린지 펌프와 로드셀 3개로 구성한 추진 시험 장치로 수행했습니다. 모든 분석은 후처리 없는 as-built 상태에서 진행했습니다. 참고 수치: 설계: 추력 100 mN, 챔버압 3.0 bar, Isp 85.5 s, C* 909.3 m/s (CEA) 참고 수치: 인젝터: 압력강하 5%(0.15 bar), Cd 0.70 가정, 오리피스 175 μm 참고 수치: 챔버: 촉매층 D 10 × L 14 mm(L/D 1.4), 벽 0.5 mm, 노즐 목 0.68 mm 참고 수치: 평가: micro-XCT(5 μm), XRD, EBSD, 박벽 인장(RT·700 °C), 추진시험 참고 수치: 공정: 출력·속도·hatch/층두께 (Table 1): 80 W, 1000 mm/s, 60/20 μm 참고 수치: 스캔 전략: bidirectional, 67° 회전 참고 수치: 인장 시편: gauge 5×2.5 mm, 벽 0.5 mm 참고 수치: 추력 측정: load cell 3개, 0.3 mN 분해능 참고문헌(화면 생략): [43] S. Gordon, B.J. McBride, NASA (1994); [44] D.K. Huzel, AIAA (1992); [45] J.W. Kim et al., J. Propuls. Power (2025)

적층제조 최적화

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

■ 빌드 방향·CAD 보정과 XCT 검증

CAD 0.35 mm 채택

XCT: 상대밀도 99.95%

형상	출력	목표	정확도 (%)
T	0.49	0.50	98.00
D₂	0.69	0.68	98.53
D₃	10.12	10.00	98.80
D₄	0.180	0.175	97.14
θ₁	7.19°	7.50°	95.87
θ₂	45.30°	45.00°	99.33

* 단위 mm (θ: °), [1] Table 3

T 벽 두께, θ₁ 발산각, θ₂ 수렴각

직경: D₂ 노즐 목, D₃ 촉매층, D₄ 오리피스

수직 빌드 + CAD 보정:
180 µm 오리피스·0.5 mm 박벽

빌드 방향이 첫 번째 고려 사항이었는데, 오리피스와 노즐 목·출구에는 서포트를 두지 않았습니다. 수평으로 출력한 오리피스는 오버행 부위의 overmelting과 melt-pool sinking 때문에 CAD 치수와 무관하게 막혔고, 수직 출력은 막힘이 없으면서 CAD 직경이 커질수록 직경과 진원도가 개선되어 수직 배치를 채택했습니다. 왼쪽 광학현미경 사진처럼 오리피스 직경과 벽 두께를 여러 CAD 값으로 비교한 뒤 두 치수 모두 0.35 mm로 보정했습니다. XCT 결과 분해챔버 기공률은 0.05%로 상대밀도 99.95%였고, 기공은 서포트 계면에 집중되어 있었습니다. 치수는 설계 대비 최대 편차 4.1% 이내였으며, 180 μm 직경, 1.00 mm 깊이의 오리피스가 편차 0.005 mm로 구현되었습니다. 큰 형상일수록 정확도가 높았고, 서포트가 없는 노즐 출구의 발산각 θ1은 오버행 부위의 overmelting 때문에 95.87%로 정확도가 상대적으로 낮았습니다. 참고 수치: 수평 출력: overmelting·melt-pool sinking으로 CAD 치수 무관 막힘 참고 수치: 수직 출력: 막힘 없음, CAD 직경 증가 시 직경·진원도 개선 → 수직 배치 채택 참고 수치: CAD 보정: D 0.35~0.45 mm, T 0.15~0.55 mm 비교 → 둘 다 0.35 mm 채택 참고 수치: XCT: 기공률 0.05%(상대밀도 99.95%), 기공은 서포트 계면에 집중 참고 수치: 최대 치수 편차: 4.1% (설계 대비) 참고 수치: 실제 오리피스: 180 μm, 깊이 1.00 mm 참고 수치: 노즐 치수 정확도 θ2 99.33% (D1은 원고 Table 3의 1.05/1.00 mm와 99.95%가 서로 맞지 않아 표에서 제외, 확인 중) 참고 수치: θ1 정확도 (노즐 출구): 95.87% 참고문헌(화면 생략): [47] A. Charles et al., Addit. Manuf. 46 (2021); [49] A. Hussain, D. Kim, J. Manuf. Process. 135 (2025); [51] A. Charles et al., Addit. Manuf. 50 (2022)

물성·미세조직

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

■ 0.5 mm 박벽의 RT·700 °C 인장과 α′ 조직

columnar prior-β + acicular α′

조건	UTS (MPa)	연신율 (%)
RT (23 °C)	1148	9.8
700 °C	181	95.7

• XRD: α/α′ 피크

• 700 °C: α′ 분해 → 연성 증가

박벽: RT·700 °C 하중에서 구조 건전성 유지

추력기와 같은 0.5 mm 벽 두께의 시편을 빌드 방향으로 상온과 700 °C에서 인장시험했습니다. 상온에서는 인장강도 1148 MPa, 파단 연신율 9.8%를 보였고, 추진제 분해온도인 700 °C에서는 강도가 181 MPa로 낮아지는 대신 연신율이 95.7%로 크게 증가했는데, 이는 원자 확산 가속과 α′ 마르텐사이트의 α+β 분해 때문입니다. XRD에서 분말과 출력물 모두 α/α′ 피크가 확인되었고, EBSD에서는 빌드 방향으로 epitaxial 성장한 columnar prior-β 결정립 안에 급냉으로 형성된 매우 미세한 침상 α′ 마르텐사이트가 관찰되었습니다. 이 미세 α′ 조직이 상온 고강도에 기여했습니다. 박벽 시편은 표면 거칠기와 기공에 민감하지만, 두 온도 모두에서 추력기 운용 중 열·기계 하중을 파손 없이 견딜 수 있음을 보여줍니다. 참고 수치: RT(23 °C): UTS 1148 MPa, 연신율 9.8% (빌드 방향) 참고 수치: 700 °C: 강도 181 MPa, 연신율 95.7% - 확산 가속과 α′ 분해(α+β) 참고 수치: XRD: α/α′ 피크; EBSD: columnar prior-β + fine acicular α′ 참고 수치: 급냉 → 미세 α′ 상이 RT 고강도 기여; prior-β는 빌드 방향 epitaxial 성장 참고 수치: RT UTS / 연신율: 1148 MPa / 9.8% 참고 수치: 700 °C UTS / 연신율: 181 MPa / 95.7% 참고 수치: 박벽 민감성: 표면 거칠기·기공 결함 참고 수치: prior-β 성장: 빌드 방향 epitaxial 참고문헌(화면 생략): [36] J. Lee et al., Addit. Manuf. 94 (2024); [53] S. Ivanov et al., Materials 14 (2021); [55] S.U. Rani et al., J. Alloys Compd. 960 (2023); [56] F. Bartolomeu et al., Metals 12 (2022)

인젝터 성능

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

■ 180 µm 오리피스의 압력강하·방출계수와 재현성

항목	값
C_d (실험)	0.66 (SM 0.70)
ΔP @ 5.18 mL/min	0.203 bar (설계 0.15)
CV (I~III × 3)	1.99%

180 µm 오리피스로 압력강하 확보

왼쪽은 출력한 인젝터의 XCT와 CAD 비교로, 직경 180 μm, 깊이 1.00 mm 오리피스가 편차 0.005 mm, 정확도 97.14%로 출력되었습니다. 추진 성능은 동일하게 제작한 인젝터와 분해챔버 세 세트, 추력기 I~III로 평가했습니다. 먼저 각 인젝터의 압력강하를 과산화수소 유량 3~8 mL/min에서 측정했고, 유량 3~8 mL/min 전 범위에서 방출계수가 거의 일정함을 확인했습니다. 실험 방출계수는 0.66으로 절삭가공 오리피스의 0.70보다 소폭 낮았으며, 출력 오리피스의 상대적으로 높은 표면거칠기에 따른 추가 압력손실로 해석됩니다. 목표 유량 5.18 mL/min에서 평균 압력강하는 0.203 bar로 설계값 0.15 bar보다 높았는데, 이 추가 압력강하는 분해챔버의 저주파 압력 섭동을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 세 인젝터, 세 사이클 전체의 변동계수는 1.99%에 불과해 제조 재현성이 우수했습니다. 핵심은 180 μm 오리피스를 직접 구현해 Poiseuille형의 길고 복잡한 유로 없이 필요한 압력강하를 얻었다는 점입니다. 참고 수치: 유량 3~8 mL/min 전 범위에서 방출계수 거의 일정 참고 수치: 실험 Cd 0.66: SM 가공 0.70보다 소폭 낮음 - 출력 오리피스 표면거칠기 참고 수치: 목표 유량 5.18 mL/min: 압력강하 0.203 bar (설계 0.15 bar보다 높음) 참고 수치: 인젝터 I~III × 3 cycle 변동계수 1.99% → 유체역학적 일관성·제조 재현성 참고 수치: 방출계수 Cd: 0.66 (SM 가공 0.70) 참고 수치: 압력강하 @ 5.18 mL/min: 0.203 bar (설계 0.15) 참고 수치: 변동계수 (CV): 1.99% 참고 수치: 긴 유로 불필요: 180 μm 오리피스로 ΔP 확보 참고문헌(화면 생략): [35] E. Fonda-Marsland et al., AIAA Propulsion and Energy Forum (2019); [45] J.W. Kim et al., J. Propuls. Power (2025)

연소 시험

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

[57] D. Lee et al., Sens. Actuators A 283 (2018)

■ 추력기 I~III 60 s hot-fire

• 정상상태 2.35 / 2.42 / 2.37 bar, 81.0 / 79.0 / 83.4 mN (I / II / III)

• C* 효율 84.26% (MEMS 최대 약 82% [57]), I_sp 효율 91.67%

0.5 mm 박벽: 60 s 연소에도 구조 열화 없이 재현성 있는 추력

인젝터와 분해챔버를 조립한 추력기 I~III를 hot-start 조건에서 60초간 연속 연소시켰습니다. 정상상태 챔버압은 2.35, 2.42, 2.37 bar, 추력은 81.0, 79.0, 83.4 mN으로 목표 100 mN의 약 80% 수준이었고, 불확도는 압력 3.61%, 추력 1.86%로 인젝터의 충분한 압력강하가 반응 불안정의 상류 전파를 막았습니다. 측정 챔버압으로 계산한 특성속도는 766.2 m/s, 특성속도 효율은 84.26%로 기존 MEMS 추력기의 최대치 약 82%를 넘어섰습니다. 이는 Ti-6Al-4V의 열전도도가 실리콘이나 세라믹보다 훨씬 낮아 0.5 mm 벽을 통한 열손실이 줄어든 결과로 추정됩니다. 비추력 효율은 91.67%로 노즐 에너지 손실이 작았고, 약 700 °C에서 60초 운전 후에도 노즐 목 ablation이나 구조 손상은 없었습니다. 참고 수치: 정상상태 챔버압 2.35 / 2.42 / 2.37 bar, 추력 81.0 / 79.0 / 83.4 mN 참고 수치: 목표 100 mN의 약 80% 수준; 불확도 압력 3.61%, 추력 1.86% 참고 수치: C* 효율 84.26% (C*exp 766.2 m/s): 기존 MEMS 최대 ~82% 상회 참고 수치: 열전도도 Ti-6Al-4V 6.2~7.5 vs Si 125, HTCC ~20 W/m·K: 열손실 저감 추정 참고 수치: 정상상태 추력 (I / II / III): 81.0 / 79.0 / 83.4 mN 참고 수치: C* 효율: 84.26% (MEMS ~82%) 참고 수치: Isp 효율: 91.67% (71.31 / 77.79 s) 참고 수치: 노즐 목 ablation: 60 s, ~700 °C 후 없음 참고문헌(화면 생략): [46] J. Huh et al., J. Microelectromech. Syst. 31 (2022); [58] L. Bolzoni et al., Mater. Des. 52 (2013)

성능 비교

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

■ 최소 추력 대 중량비(TWR) 비교

• 서브뉴턴급 상용 (200~300 g): 0.5~1.8

• N급 상용: 대부분 3.0 이하

• 본 추력기: 서브뉴턴급의 약 2.5배, N급의 약 1.5배

• 측정값에 실험용 플랜지 포함 → 경량화 여지

출력 부품

낮은 최소 추력·높은 TWR:
정밀 제어·경량화에 유리

이 그래프는 본 추력기의 최소 추력 대 중량비, TWR을 상용 위성 추력기 어셈블리와 비교한 것이며, 오른쪽 위 범례는 비교한 상용 추력기 목록입니다. 최소 추력을 줄이면 최소 임펄스 비트가 작아져 소형 위성의 제어 정밀도와 운용 효율이 높아집니다. 질량 200~300 g의 상용 서브뉴턴급 추력기는 TWR이 0.5~1.8 수준이고, N급 제품도 3.0을 넘는 경우가 드뭅니다. 본 추력기는 서브뉴턴급 대비 약 2.5배, N급 대비 약 1.5배 높은 TWR을 보였습니다. 더구나 이 측정값에는 실험 편의를 위한 플랜지 무게가 포함되어 있어 설계 최적화로 추가 경량화가 가능합니다. 참고 수치: 상용 서브뉴턴급(200~300 g): TWR 0.5~1.8; N급도 3.0 초과 드묾 참고 수치: 본 추력기: 서브뉴턴급 대비 약 2.5배, N급 대비 약 1.5배 높은 TWR 참고 수치: 측정값에 실험용 플랜지 포함 → 설계 최적화로 추가 경량화 여지 참고 수치: 최소 추력 감소 = 최소 임펄스 비트 감소 → 소형 위성 제어 정밀도·운용 효율 참고 수치: 상용 서브뉴턴급 TWR: 0.5~1.8 (200~300 g) 참고 수치: N급 상용 TWR: 대부분 3.0 이하 참고 수치: 본 연구 vs 서브뉴턴급: 약 2.5배 높은 TWR 참고 수치: 본 연구 vs N급: 약 1.5배 높은 TWR 참고문헌(화면 생략): [33] M. Crachi et al., Mater. Today Commun. (2025); [59] Nammo, MHT-1N (2025); [60] ArianeGroup, 1N Hydrazine Thruster (2025); [61] Rafael, LT 1N SP Thruster (2025)

연구 요약

[1] J. Lee, J. Lee, R.E. Kim et al., Virtual Phys. Prototyp. 20 (2025) e2533944

1. 공정 최적화로 상대밀도 99.95%, 0.5 mm 박벽·180 µm 오리피스 구현

2. RT 1148 MPa·9.8%, 700 °C 181 MPa·95.7%: 박벽 구조 건전성 확인

3. 60 s hot-fire: 79.0~83.4 mN 안정 추력, 균열·변형 없음, C* 효율 84.26%

4. 상용 서브뉴턴급 대비 약 2.5배 TWR: PBF-LB/M을 MEMS의 실현 가능한 대안으로 제시

정리하겠습니다. PBF-LB/M 공정을 최적화해 상대밀도 99.95%와 우수한 치수 정확도를 확보했고, 기존 최소 형상 한계(약 0.5 mm)보다 작은 180 μm 오리피스와, 선행연구에서 명시적으로 다루지 않은 0.5 mm 박벽 분해챔버를 함께 구현했습니다. 박벽 Ti-6Al-4V는 상온에서 1148 MPa·연신율 9.8%, 700 °C에서 181 MPa·연신율 95.7%로 상온과 분해온도 모두에서 구조 건전성을 유지했습니다. 60초 hot-start 연속 운전에서 세 추력기 모두 균열이나 변형 없이 79.0~83.4 mN의 안정적인 추력을 재현했고, 특성속도 효율 84.26%, 비추력 효율 91.67%로 기존 MEMS 추력기를 상회했습니다. 180 μm 오리피스 인젝터는 긴 Poiseuille형 유로 없이 필요한 압력강하를 얻었고, 변동계수 1.99%로 재현성이 우수했습니다. TWR은 상용 서브뉴턴급 대비 약 2.5배로, PBF-LB/M이 경량·고해상도·내열 마이크로 추력기의 실용적이고 확장 가능한 제조 경로임을 보여줍니다. 마지막으로, 이번 측정값에는 실험 편의용 플랜지 무게가 포함되어 있어 설계 최적화를 통한 추가 경량화 여지가 있습니다. 참고 수치: 향후: 실험용 플랜지 제거 등 설계 최적화로 추가 경량화 여지 참고 수치: 상대밀도 / 최대 편차: 99.95% / 4.1% 참고 수치: C* / Isp 효율: 84.26% / 91.67% (학회 초록 84.3% / 91.7%) 참고 수치: TWR: 서브뉴턴급 상용 대비 약 2.5배

2026.10.28

대한금속재료학회

감사합니다!

김래언

지도교수: 김형섭 교수님

포항공과대학교 박사과정