30미터 망원경 국제 천문대: Coherent의 광학 기술, 망원경의 새로운 미래 제시

멋진 아이디어

갈릴레오가 망원경을 발명한 시점부터 천문학자들은 더 큰 망원경을 제작하기 위해 노력해 왔습니다. 간단한 물리학적 이유 때문입니다. 망원경이 커질수록 더욱 디테일하고 더 밝은 이미지를 얻을 수 있습니다. 이로써 우주를 더 멀리 관측할 수 있습니다.

이런 이유로 미국, 캐나다, 일본, 중국 및 인도 등이 파트너 그룹을 형성하여 30미터 망원경(TMT)을 제작하게 되었습니다. 참고로 현재 작동 중인 최대 규모의 전파 망원경에는 10.4m 미러가 장착되어 있습니다. 따라서 30m 망원경의 발명으로 이미징 기능이 진일보하는 계기가 되었습니다.

대형 리플렉터 망원경은 일반 렌즈와 달리 미러를 광학 장치로 사용합니다. 하지만 직경이 약 8.5m보다 훨씬 큰 망원경 미러를 만드는 것은 실용적이지 않습니다. 더 크게 보이기 위해 메인(또는 기본) 미러는 대신 더 작은 세그먼트 모자이크로 구성됩니다. 각각의 미러를 육각형 모양으로 제작하면 광학 설계가 최적화됩니다. 이를 통해 세그먼트를 원과 유사한 그림에 매우 가깝게 배치할 수 있습니다.

망원경은 크면 클수록 좋지만, 고품질 광학 장치의 경우에만 더 나은 이미지 품질이 보장됩니다. 그렇게 하기 위해서는 미러의 전체 모양이 디자인 형태와 정확하게 일치하고, 미러의 표면이 매끄럽고 수 나노미터 이내까지 정확해야 합니다.

Coherent, TMT 업적에 힘을 보탬

30미터 망원경 기본 미러는 492개의 각 세그먼트로 구성되며, 각 세그먼트는 모서리에서 모서리까지 길이가 1.44m입니다. 기본 미러의 전체 모양은 쌍곡선 모양입니다. 즉, 각 세그먼트는 이 모양의 축에서 벗어난 부분입니다(전체 TMT 미러 세그먼트에는 총 82개의 서로 다른 모양이 있음). 이러한 모양을 "자유형"이라고 합니다.

TMT에 필요한 정밀도 수준으로 직경 1미터 이상의 자유형을 만들 수 있는 기업은 전 세계적으로 극소수에 불과합니다. 30미터 망원경 국제 천문대(TIO)에서는 이 광학 장치를 제작하기 위해 4개의 각 그룹(미국, 일본, 중국 및 인도)을 선택했습니다.

Coherent(이전 Tinsley Laboratories)가 미국의 공급업체로 선정되었습니다. 당사는 다른 어느 그룹보다 많은 총 230개의 미러 세그먼트를 제작할 예정입니다. Coherent는 또한 미러 연마 장비, 고정 장치 및 테스트 장비를 제작해 인도의 그룹에 공급하고 있습니다. 인도 엔지니어들은 이미 Coherent에서 실시한 장비 사용에 대한 교육을 받았습니다. 또한 Coherent 직원들은 장비를 인도에 전달하여 장비 설치 및 시운전을 지원합니다.

제작 업무

미터 등급 고정밀 자유형을 연마하는 방법은 두 가지입니다. 모양이 단순 구형 표면에서 크게 벗어나는 경우 소위 "서브 조리개" 연마 도구를 사용합니다. 광학 장치보다 훨씬 작은 연마 도구를 사용하여 한 번에 한 영역에서만 작업합니다. 그리고 이 과정을 반복하여 전체 조리개를 덮습니다.

모양이 구면에 더 가까운 경우, 1960년대부터 상업용 비구면 광학 제작에 사용되었던 효과적인 "응력 미러 연마" 기술을 지상 망원경과 같은 넓은 표면에서도 사용할 수 있습니다. TIO 대변인에 따르면, "이 연마 방식은 켁 천문대의 쌍둥이 망원경에서 유래되었습니다. TMT에서 이 기술을 사용하여 미러 표면의 모양을 개선하고 연마 방법을 효율적으로 유지할 수 있습니다." 이 경우 광학 장치를 기계적으로 고정하여 표면을 의도적으로 왜곡시킵니다. 그런 다음 표준 방법을 사용하여 연마하면 구를 측정할 수 있습니다. 부품 조리개의 85%를 차지하는 연마 도구가 사용됩니다. 연마가 끝나면 클램프가 릴리스되고 부품이 원하는 최종 자유형 모양으로 "완화"됩니다.

응력 미러 연마를 시용하여 더욱 빠르고 확실하게 대형 광학 장치를 제작할 수 있습니다. 서브 조리개 연마는 한 번에 부품의 더 작은 영역에서 작동하므로 더 빠릅니다. 그래서 전체 표면을 덮기 위해 일반적으로 추가 처리 주기가 필요합니다. 또한, 서브 조리개 연마를 사용하면 반드시 표면에 작은 잔물결이나 표면 잔류물이 생성됩니다. 고성능 광학 장치의 경우 시간이 많이 소요되는 단계가 추가될 수 있으므로 해당 잔류물을 제거해야 합니다. 응력 미러 연마는 기본적으로 거의 완벽한 평면이나 구형을 구현하는 기술을 기반으로 하므로 보다 확실한 연마 방법입니다.

응력 미러 연마에 정밀 도구를 사용하여 적절한 힘을 제대로 전달하는 경우 기판이 왜곡될 수 있습니다. Coherent에서 서로 다른 32개의 미러 모양이나 유형을 제작하고 있으므로 이 도구를 제작하는 데 생산 시간이 상당히 소요될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 Coherent는 프로그래밍할 수 있는 단일 도구를 개발하여 TMT 세그먼트의 다양한 모양을 연마하는 데 필요한 포스 패턴을 제공하고 있습니다.

Coherent와 파트너십 구축

"Coherent는 대규모 광학 장치 제작 분야에서 확고한 역량과 신뢰성을 갖추고 있기 때문에 초창기부터 확실한 공급업체로 여겨졌습니다."라고 TIO 선임 광학 제작 엔지니어 Glen Cole은 말했습니다. "Coherent는 수 차례 허블 우주 망원경 프로젝트를 성공적으로 수행했습니다. 가장 유명한 프로젝트는 COSTAR 광학 장치로 기본 미러의 결함 모양을 수정했던 사례입니다. 최근에는 James Webb 우주 망원경에 필요한 1.4m 베릴륨 기본 미러 세그먼트 중 18개를 모두 제작한 경험이 있습니다."

"하지만 기술 이전 파트너 역시 필요했습니다. 인도에서 그룹을 시작하고 운영할 수 있는 파트너입니다. 이러한 노력을 지원하는 Coherent의 역량이 파트너를 선택하는 데 중요한 요인으로 작용했습니다. Coherent의 성공사례는 우리의 선택이 옳았다는 것을 말해줍니다."

Cole은 "2017년 Coherent와 최초 계약을 맺었을 때 전 세계 코로나19 팬데믹을 예측할 수 없었습니다."라고 덧붙였습니다. "이로 인해 당사의 모든 노력이 속도를 늦추게 되었고 프로젝트 일정이 연기되었습니다. 하지만 Coherent는 당사 프로젝트에 상당한 엔지니어링 리소스를 투입했으며, 특히 TMT 세그먼트의 대량 생산을 처리하기 위해 대규모 시설을 건설했습니다. 이로써 거리두기 조치에서 벗어나면서 추진력을 지속적으로 유지할 수 있었습니다. 또한, 문제를 해결하거나 발생한 모든 제조 문제를 처리하는 놀라운 능력을 입증해 보였습니다. 대형 정교한 옵틱을 제작하는 경험에 있어 큰 장점으로 작용하고 있습니다."

첫 몇 개의 미러 세그먼트(둥근 모양으로 인해 "원형판"이라고 함) 연마의 최초 성공으로 인해 TIO는 2020년에 Coherent와 추가 계약을 체결했습니다. 이는 당사가 생산하는 모든 원형판을 최종 육각형 모양으로 절단하기 위한 공정입니다(헥싱 공정이라고 함).

TMT는 앞으로 흥미로운 도전이 펼쳐질 대형 프로젝트입니다. James Webb 우주 망원경에서 되돌아오는 놀라운 이미지를 바탕으로, JWST 우주 망원경의 20배가 넘는 수집 영역대를 가진 TMT가 멋진 과학적 이미지를 보여줄 것으로 예상됩니다. 

여기서 30미터 망원경(TMT)에 대해 자세히 알아보기.

성공 사례 더 보기