제3회 감시․정찰․정보 학술대회

논문 작성 지침

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링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립용 접착제 OO특성 연구

Temperature Characteristics of Glues for Dither Assembly of Ring Laser Gyro

홍길동 김철수 OOO*

Gil-Dong Hong Cheol-Soo Kim OOO OOO OOO*

OOOO연구소 OO본부 OO센서 연구팀

* 고등기술연구원 OO팀

(발표자 연락처:홍길동 abc114@add.re.kr)

요  약

OOOOOOOO의 일종인 링레이저 자이로의 조립에는 접착제가 많은 부분 사용되고 있다. 접착제가 사용되는 조립 공정은 크게 케이스 몸체와 전자기파 차폐 판 사이의 조립, 피에조 변환기 조립, 공진기 몸체와 몸체 진동기 부시 사이의 조립 등을 들 수 있다. 링레이저 자이로가 군사용 회전센서로서의 성능을 원활히 수행하기 위해서는 -40도에서 +70도에 이르는 넓은 온도범위 안에서 안정적인 자이로 작동이 가능하여야 한다. OOO OOO OOO OOOO OO OOOOOOOOO..

키워드: OOO, OOO, OOO

1. 서   론

광학식 회전센서의 일종인 링레이저 자이로의 조립에는 접착제가 많은 부분 사용되고 있다. 접착제가 사용되는 조립 공정은 크게 케이스 몸체와 전자기파 차폐 판 사이의 조립, 피에조 변환기 조립, 공진기 몸체와 몸체 진동기 부시 사이의 조립 등을 들 수 있다. 링레이저 자이로가 군사용 회전센서로서의 성능을 원활히 수행하기 위해서는 -40도에서 +70도에 이르는 넓은 온도범위 안에서 안정적인 자이로 작동이 가능하여야 한다. 이러한 측면에서 이들 접착제가 가지는 온도특성은 링레이저 자이로 센서 성능에 막대한 영향을 미치는 주요 변수이다. 따라서, 넓은 영역의 온도변화에도 불구하고 안정된 자이로 출력을 내기 위해서는 온도특성이 매우 안정된 접착제의 선정이 무엇보다도 중요하다. 그러나 접착제 대부분의 경우, 온도가 상승할수록 접착 면의 전단강도가 점차적으로 감소하는 특성을 가지고 있다. 공진기 몸체와 몸체 진동기 조립의 경우, 접착 면의 전단강도가 감소하면 접착 면을 통해 전달되어야 하는 몸체 진동기로부터 공진기 몸체로의 회전 에너지 전달에 손실이 발생하게 된다.

링레이저 자이로는 특정 주파수 이하의 회전 각속도 입력이 들어올 경우, 시계 방향과 반시계 방향으로 진행하는 링레이저의 두 빔 사이에 주파수 잠김(lock-in) 현상이 일어난다. 이를 락인(lock-in) 현상이라 부르는 데, 락인 주파수 보다 작은 회전 입력에 대해 자이로는 회전감지 능력을 상실하는 단점이 있다. 링레이저 자이로의 몸체 진동기는 자이로에서 발생하는 락인 현상을 보상하기 위해서 강제적으로 공진기 몸체를 미소한 각도 안에서 회전시키는 기구이다. 몸체 진동기의 조립은 두 가지 공정에 접착제가 적용된다. 몸체 진동기 날개(spoke)에 회전 발생 피에조 세라믹을 부착시키는 공정, 그리고 공진기 몸체와 몸체 진동기 부시 사이의 접착 공정이 이에 해당한다. 링레이저 자이로의 주변 온도가 넓은 영역에서 변화할 경우, 고온에서 관측되는 접착제 접착면의 전단강도 약화는 자이로의 몸체 진동기 조립체의 접착된 양쪽 소재 사이의 완전 체결을 어렵게 하여 일종의 미끄럼 현상을 유발시킬 수 있다. 따라서, 피에조 세라믹로부터 몸체 진동기 날개에 인가되는 변위의 크기나, 몸체 진동기 날개에서 공진기 몸체로 전달하는 회전각 및 회전속도에 손실을 초래하여 링레이저 자이로의 성능을 저하시킬 수 있다.

본 논문에서는, 링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립용으로 서방에서 사용하고 있는 3종의 접착제에 대해 온도 특성 시험을 수행하였다. 온도 변화영역은 -50도에서 +70도로 하였으며, 온도 변화에 따라서 각 접착제가 적용된 몸체 진동기 조립체의 공진 주파수와 Q-factor, 그리고 몸체 진동기의 회전 진폭을 조사하였다. 이들 시험결과를 통하여 각 접착제 사이의 온도특성을 비교하였으며, 몸체 진동기 조립에 적합한 광역온도용 접착제을 선정하였다.

2. 링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립용 접착제 온도특성 실험 및 결과분석

몸체 진동기 조립에 사용되는 접착제 3종이 온도특성 실험에 활용되었다. 3종의 접착제는 각각 K-400, BK-9, 그리고 LCA-9이다. K-400은 러시아산 접착제로서, 러시아의 많은 링레이저 자이로 생산업체에서 공진기 몸체와 부시, 몸체 진동기의 피에조 세라믹 부착에 사용하고 있다. BK-9 역시 러시아산 접착제의 일종으로, 공진기 몸체와 몸체 진동기 재질의 중간정도 열팽창계수를 가지며, 온도특성 또한 양호하기 때문에 SiO2 분말과 혼합한 형태로 위의 두 부분 접합에 한하여 사용되는 접착제이다. LCA-9은 영국의 링레이저 자이로 업체인 GEC Marconi사에서 사용하는 접착제이다.

가. 링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립

K-400과 LCA-9을 사용하여 각각의 몸체 진동기 날개에 피에조 세라믹을 부착하였다. 몸체 진동기 날개의 접착 면과 피에조 세라믹의 접착 면에 접착제를 얇고 균일하게 바른다. 접착제를 바른 피에조 세라믹을 몸체 진동기 날개 면에 치구를 이용하여 부착한다. 표면 접착 후 수 초 이내에 초기 경화가 이르기 때문에 작업을 빨리 진행해야 한다. 이때, 피에조 세라믹 위치 고정을 위한 치구가 피에조 세라믹과 접착되지 않도록 주의한다. 다음으로, 공진기 몸체와 몸체 진동기 부시의 조립을 진행한다. 우선, 공진기 몸체와 몸체 진동기 부시의 접착 부위에 접착제를 균일하게 바른다. 부시를 공진기 몸체에 삽입한 후 접착 부위의 접착제 두께가 균일하게 분포하도록 한다. 부시가 공진기 몸체의 중앙으로부터 한쪽으로 치우치지 않고 접착되도록 치구를 사용하여 위치를 고정한다. 그림 1은 공진기 몸체와 몸체 진동기의 조립체 형상이다.

그림 1. 링레이저 자이로의 공진기 몸체와 몸체 진동기 조립체

나. 접착제의 온도특성 실험

광역 온도조건에서의 접착제 온도 특성은 접착제가 적용된 몸체 진동기 조립체의 출력변화를 측정하여 조사하였다. 몸체 진동기의 공진 주파수와 Q-factor 그리고 몸체 진동기의 진폭이 온도변화에 따라 측정되었으며, 이들 측정값의 변화는 해당 몸체 진동기 조립에 사용된 접착제의 온도 특성을 보여주는 직접적인 자료가 될 것이다. 앞서 기술한 방법에 따라, 몸체 진동기 부시와 공진기 몸체가 접착제를 통해 조립되었다. 이때, 몸체 진동기의 진폭 감지을 위하여 회전하는 공진기 몸체에는 영구자석을 부착하고 고정된 링레이저 자이로 케이스에는 원통형 배열의 코일을 부착하여 두 부품이 일직선상에서 서로 삽입된 형태의 정렬을 하도록 하였다. 즉, 몸체 진동기의 회전에 의해 몸체에 부착된 영구자석이, 정지된 케이스에 부착되어 있는 코일의 내부를 전후 왕복운동을 하면서 코일에 자기장 변화에 의한 유도 전류를 만들어 내고, 이를 감지하여 몸체 진동기의 회전 각속도 정보를 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 회전각 검출기를 RAVS (Relative Angular Velocity Sensor)라 한다. 몸체 진동기 날개 면에 피에조 세라믹을 접착하는 부분은 “Dither”로 표시하고, 몸체 진동기 부시와 공진기 몸체를 접착하는 부분은 “Bush”로 나타내었으며, 모두 5가지 경우의 접착제 적용 조건이 사용되었다. 조사된 접착제 적용 온도범위는 -50도에서 +70도까지 이다.

몸체 진동기의 공진 주파수는, Function generator를 이용하여 몸체 진동기에 인가하는 주파수를 점차적으로 증가시키면서 RAVS 신호의 크기가 가장 크게 나타나는 주파수를 찾아 측정하였다. 입력 주파수가 몸체 진동기의 공진 주파수 fp와 일치할 때, RAVS 신호는 최대가 된다. Q-factor는 공진 주파수에서 주파수를 서서히 올려 RAVS 신호가 공명 주파수 일 때의 0.7배가 되는 주파수 f+와 반대로 주파수를 서서히 내려서 공명 주파수 일때의 0.7배로 되는 f-를 측정하여 얻을 수 있다. 몸체 진동기의 Q-factor는 아래와 같이 표현된다.

[eqn: Q = f_p over { f_+ -f_-}] (1)

한편, 몸체 진동기의 진폭 측정은 공진 주파수에서 RAVS 신호를 측정하여 얻었다.

그림 2. 사용 접착제 종류별 온도 변화에 따른 몸체 진동기의 공진 주파수 변화

온도에 따른 몸체 진동기의 공진 주파수 측정 결과가 그림 2에 나타나 있다. Dither 부분과 Bush 부분에 접착제 사용을 다르게 하여 조립한 몸체 진동기의 공진 주파수를 측정한 결과, 모든 접착제의 적용 조건에서 온도에 따른 몸체 진동기의 공진 주파수 변화는 매우 미미하였다. 각 접착제 사용 조건에서 몸체 진동기의 공진 주파수 절대값이 상이한 이유는 조립 중에 있을 수 있는 접착제의 두께차이 등을 들 수 있으며, 상단과 하단의 몸체 진동기 공진 주파수 차이 약 30Hz은 설계상 몸체 진동기 규격이 다른 경우이다.

그림 3. 사용 접착제 종류별 온도 변화에 따른 몸체 진동기의 Q factor 변화

그림 3은 온도 변화에 따른 몸체 진동기의 Q-factor 측정 결과를 나타낸다. 현재 허용 가능한 몸체 진동기의 Q-factor 규격은 100～150으로 되어 있다. 모든 경우의 접착제 조건에 있어서, 몸체 진동기의 Q-factor는 -50도에서 약 +50도까지의 온도 영역에서 100 이상의 수치를 나타내고 있다. 그러나 온도가 추가 상승되어 +70도에 도달해서는 뚜렷한 Q-factor 감소현상을 보이고 있다. 특히, Dither 부분과 Bush 부분 모두에 K-400 접착제가 사용된 경우는 Q-factor의 감소 폭이 매우 크게 나타났다. +70도에서 100 이상의 Q-factor 값을 유지하고 있는 것은 모든 부분을 LCA-9으로 접착한 경우로 한정되었다.

그림 4. 사용 접착제 종류별 온도 변화에 따른 RAVS 신호 변화

온도변화에 따른 각 접착제 별 RAVS 신호의 크기변화(Vp-p/2) 측정 결과가 그림 4에 나타나 있다. -50도에서 +40도까지의 온도 영역에서는 모든 접착제의 경우 대체로 안정된 RAVS 신호를 보이고 있다. 그러나 +50도 이상에서는 3 종류의 접착제 사용 조건에서 급격한 RAVS 신호 크기 감소가 확인되었다. 즉, 공진기 몸체로 전달되어야 하는 몸체 진동기의 회전력이 고온에서 접착제의 전단강도 약화로 의해 상당부분 손실되었음을 의미한다. 단지, Dither 부분을 LCA-9으로, Bush 부분을 BK-9으로 접착한 몸체 진동기 조립체와 이들 두 부분 모두를 LCA-9으로 접착한 몸체 진동기 조립체의 경우는 비교적 안정된 RAVS 신호 크기를 유지하고 있었다. 현재 몸체 진동기의 신호처리를 위해서는 RAVS 신호가 7 Vp-p 이상이 되어야 한다. 이 규격 또한 (Dither LCA-9, Bush BK-9)의 적용 조건과 (all LCA-9)만이 만족시키고 있음을 알 수 있다.

3. 결론

링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립에 사용되는 접착제의 온도특성 연구가 수행되었다. -40도에서 +70도의 광역온도 조건에서 작동해야 하는 링레이저 자이로의 성능을 안정적으로 유지시키기 위해서는 온도 특성이 양호한 접착제가 몸체 진동기 조립에 사용되어야 한다. 이에 레이저 공진기 몸체와 몸체 진동기 사이, 그리고 몸체 진동기와 이에 부착되는 피에조 세라믹 사이의 조립 공정에 3종의 접착제를 사용하여, 각각의 경우 온도변화에 따른 몸체 진동기 조립체의 공명 주파수와 Q-factor, 그리고 몸체 진동기의 진폭 변화를 조사하였다. 실험 결과, 위의 3종 접착제 가운데에서 온도 안정성이 뛰어난 LCA-9이 링레이저 자이로의 몸체 진동기 조립용 접착제로서 가장 적합한 소재임을 확인하였다.

참고문헌

[1] K-400 접착제 사양 (러시아 표준 규격)

[2] LCA-9 접착제 사양 (Bacon Industries사)