[논문]저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용한 고출력 저전력형 마이크로 분사기

김상욱; 강태구; 조영호

doi:10.3795/ksme-b.2002.26.6.868

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 저온 비등 팽창유체인 FC72와 고점성 유체마개인 기름을 사용하는 새로운 형태의 마이크로 분사기의 개념을 제시하고, 이를 제작하여 그 분사 특성을 실험적으로 분석함으로써 인공위성의 자세제어에 필요한 고출력, 저전력형 연발형 마이크로 분사기로의 실현 가능함을 확인하였다.
따라서, 본 연구에서는 저온 비등 팽창유체인 FC72와 고점성 유체마개인 기름을 사용하는 새로운 형태의 마이크로 분사기의 개념을 제시하고, 이를 제작하여 그 분사 특성을 실험적으로 분석함으로써 인공위성의 자세제어에 필요한 고출력, 저전력형 연발형 마이크로 분사기로의 실현 가능함을 확인하였다.
이에 본 논문에서는 저온 비등 팽창유체(low-boiling-temperature liquid propellant)# 사용함으로써 입력에너지를 줄이고, 고점성 유체 마개(high-viscosity fluid plug)의 점성력을 이용하여 분사 시 팽창유체의 압력을 극대화하여 보다 큰 충격량을 발생시킬 수 있도록 하였으며, 또한 연속발사가 가능하게끔 설계된 새로운 고출력 마이크로 분사기를 제안하고 그 실현 가능성을 실험적으로 검증한다.

가설 설정

1(a)의 초기 상태에서 가하면, 팽창유체(liquid propellant) 는버블(bubble)을 형성하여 압력을 증가시키게 되고, 이 때 팽창유체 앞을 가로막고 있는 고점성 유체마개의 높은 점성 마찰력(viscous friction force) 으토 인해 분사 직전(Fig. 1(b))까지 팽창유체의 압리을 극대화 할 수 있다. 즉, 고점성 유체마개의으'할은 팽창유체의 압력이 극대화 될 때까지 분 人'.
분사된 미소 액적의 크기로부터 미소 액적의 질량을 도출하기 위하여, 종이 위에 인쇄된 미소액 적의 형상을 반구의 형태로 가정하고 분사된 미소 액적의 크기를 계산하면 아래의 식 (1)과 같다.

제안 방법

(])ropellant-plug pair) 과 입력 펄스폭 (input pulse width) 및 미소열선(micmheater)의 크기가 마이크로분사기의 성능에 미치는 영향을 실험적으로 분식 하였다.
±0.25㎛로 서로 다른 마이크로분사기를 제작하여, 물-물의 팽창유체-유체마개 조합을 사용한 경우에 대하여 각각의 마이크로분사기에서 분사된 미소 액적의 반경과 분사거리를 측정하였다. 각각의 경우 미소열선의 전기적 저항값은 각각 60±0.
3은 마이크로분사기의 단면도를 나타낸다. 이의 제작을 위해서 먼저 표면미세가공법(surface micromachining)을。「용하여 하부유리판 위에 미세 열선(microheater) 과 전기도선 (electrical interconnection), 팽창유체 채널을 각각 제작한 후, ICP RIE 공정을 이용하여 중간 실리콘 판에 유체마개 채널 및 유체 주입구를 형성하였고, 전선(wire) 통로 및 유체 주입구가 제작된 상부 폴리머판과 결합하여 마이크로 분사기를 완성하였다.
5X2(H₂₃0) 및 420 + 0, 5^2(H₄₂0)으로 측정되었다. 각각의 미소 열선에 가해지는 단위 미소열선의 부피당 입력에너지를 2.14Xl0Mw/m3으로 고정하였으며, 이 경우 H60 에 가해지는 입력 전압은 1.8V이고, H₂₃0 및 H420의 경우는 각각 7.1V와 13V이며, 각각의 경우에 가해진 입력펄스폭은 모두 12“sec였다. 이와 같이 단위 미소열선의 부피당 가해지는 입력에너지를 같도록 하는 것은 미소열선에서의 열적 상태가 같게 유지되도록 한 것이다.
9), 이는 기름 유체마개를 사용한 경우에 팽창유체의 분사 압력(blasting pressure)이 기름의 높은 점성저항력을 이기고 분사될 때까지 증가하는 데 소요되는 에너지가 물 유체마개를 사용한 경우보다 훨씬 크다는 것을 의미한다. 또한, 본 논문에서는 기름을 유체마개로 사용하고 팽창유체를 끓는점이 100℃인 물과 59笆인 FC72를 사용하는 마이크로 분사기의 성능을 측정하고 비교하였다. Fig.
마이크로분사기의 분사 줄력(blasting impulse)을 시험적으로 구하기 위해서 미소 액적(droplet)의 분사된 거리와 크기를 측정하여 이로부터 분사된 미소 액적의 질량과 초기 분사 속도를 도출하는 방법을 사용하였다. 또한, 사각 펄스 형태의 전기적 입력신호(square pulse signal)의 경우에 대해 분사에 필요한 최소 펄스폭(minimum pulse width)인 시작펄스폭(turn-on pulse width)을 즉정하였다.
7은 제작된 마이크로분사기의 성능 시험 장치와 시험 방법을 설명하고 있다. 마이크로분사기의 분사 줄력(blasting impulse)을 시험적으로 구하기 위해서 미소 액적(droplet)의 분사된 거리와 크기를 측정하여 이로부터 분사된 미소 액적의 질량과 초기 분사 속도를 도출하는 방법을 사용하였다. 또한, 사각 펄스 형태의 전기적 입력신호(square pulse signal)의 경우에 대해 분사에 필요한 최소 펄스폭(minimum pulse width)인 시작펄스폭(turn-on pulse width)을 즉정하였다.
마지막으로 40㎛ 두께의 필름 접착제(SHUR Tape)를 사용하여 전선통로 및 유체 주입구가 제작된 상부 폴리머 판(top polymer layer)과 중간 실리콘판 및 하부 유리판을 결합함으로써 마이크로 분사기의 제작을 완성하였다. Fig.
먼저, 동일한 물을 팽창유체로 사용하면서, 유체마개를 물과 기름을 사용한 경우의 시험 결과를 비교하여 보자. 두 가지 경우 모두 마이크로 분사기의 기하학적 치수와 형상이 동일할 뿐 아니라, 420±0.
미소열선의 크기가 마이크로분사기의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 본 논문에서는 미소 열선의 폭은 20±0.25㎛로 서로 같지만, 미소 열선의 길이가 40±0.25㎛와 70±0.25㎛ 및 320본 논문에서는 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용하여 마이크로 인공위성의 자세 제어용 연속발사형 고출력, 저전력형 발열 저항식 마이크로분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험하였다. 제작된 마이크로 분사기로부터 비등점이 다른 2종의 팽창유체(물, FC₇₂)와 점도가 다른 2종의 유처]마개(물, 기름)를 사용하였을 때 각각의 미소 액적의 분사되어진 거리와 크기를 측정하였고, 그 값으로부터 마이크로 분사기의 분사 충격량을 실험적으로 구하였다.
본 논문에서 제안하는 마이크로분사기는 Fig. 2 에 나타나 있는 바와 같이 세 개의 층으로 구성되어 있으며, Fig. 3은 마이크로분사기의 단면도를 나타낸다. 이의 제작을 위해서 먼저 표면미세가공법(surface micromachining)을。「용하여 하부유리판 위에 미세 열선(microheater) 과 전기도선 (electrical interconnection), 팽창유체 채널을 각각 제작한 후, ICP RIE 공정을 이용하여 중간 실리콘 판에 유체마개 채널 및 유체 주입구를 형성하였고, 전선(wire) 통로 및 유체 주입구가 제작된 상부 폴리머판과 결합하여 마이크로 분사기를 완성하였다.
본 논문에서는 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용하여 마이크로 인공위성의 자세 제어용 연속발사형 고출력, 저전력형 발열 저항 식 마이크로분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험하였다. 제작된 마이크로 분사기로부터 비 등점이 다른 2종의 팽창유체(물, FC72)와 점도가 다른 2종의 유처］마개(물, 기름)를 사용하였을 때 각각의 미소 액적의 분사되어진 거리와 크기를 측정하였고, 그 값으로부터 마이크로 분사기의 분사충격량을 실험적으로 구하였다.
8은 서로 다른 팽창유처卜유체마개 조합인물-물, perfluoro normal hexane (FC₇₂, CsFQ-기름및 물-기름의 세 가지 경우에 대한 미소 액적의 분사 거리와 크기 측정치로부터 도출된 분사 출력분포를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 앞서 언급한 세 가지 팽창유체-유체마개 조합에 관한 실험 결과를 바탕으로 같은 팽창유체와 서로 다른 두 가지 종류의 유체마개를 사용한 시험 결과를 비교함으로써 유체마개의 점성 마찰 효과로 인한 분사 출력의 차이를 실험적으로 분석하였으며,마찬가지로 같은 유체마개와 서로 다른 두 가지 종류의 팽창유체를 사용한 시험 결과를 비교함으로써 팽창유체의 끓는점(boiling point) 차이로 인한 입력에너지 차이를 실험적으로 분석하였다. Fig.
입력 펄스폭의 변화가 마이크로분사기의 성능에 미치는 효과를 실험적으로 분석하기 위하여, 본 논문에서는 물 팽창유체와 물 유체마개를 사용하는 마이크로분사기에 각각 12“sec(turn-on pulse width), 1msec 및 3msec의 펄스폭을 인가한후 분사된 미소 액적의 반경과 분사거리를 측정하였다. 제작된 마이크로분사기의 시작펄스폭 (tum-on pulse width)은 물-물의 팽창 유체-유체마개조합을 사용하는 경우에 있어서 12“sec로 측정되었으며, 이때 분사된 미소 액적의 분사충격량(impluse bit)은 2.
25㎛ 및 320본 논문에서는 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용하여 마이크로 인공위성의 자세 제어용 연속발사형 고출력, 저전력형 발열 저항식 마이크로분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험하였다. 제작된 마이크로 분사기로부터 비등점이 다른 2종의 팽창유체(물, FC₇₂)와 점도가 다른 2종의 유처]마개(물, 기름)를 사용하였을 때 각각의 미소 액적의 분사되어진 거리와 크기를 측정하였고, 그 값으로부터 마이크로 분사기의 분사 충격량을 실험적으로 구하였다. 기름을 유체마개로 사용한 경우, 물을 유체마개로 사용한 경우의 약 2배인 6.
25㎛ 및 320본 논문에서는 저온 비등 팽창유체와 고점성 유체마개를 이용하여 마이크로 인공위성의 자세 제어용 연속발사형 고출력, 저전력형 발열 저항식 마이크로분사기를 설계, 제작하고 그 성능을 시험하였다. 제작된 마이크로 분사기로부터 비등점이 다른 2종의 팽창유체(물, FC₇₂)와 점도가 다른 2종의 유처]마개(물, 기름)를 사용하였을 때 각각의 미소 액적의 분사되어진 거리와 크기를 측정하였고, 그 값으로부터 마이크로 분사기의 분사 충격량을 실험적으로 구하였다. 기름을 유체마개로 사용한 경우, 물을 유체마개로 사용한 경우의 약 2배인 6.
한편, 중간 실리콘판(middle silicon layer)에 PR 식각보호막(etching mask layer)을 이용한 ICP RIE공정으로 50㎛ 깊이의 유체마개 채널을 형성하였고, 또한 5㎛ 두께의 TEOS 식각보호막을 이용한 ICP RIE 공정을 통해 중간 실리콘판을 관통하는 전선 통로 및 유체 주입구를 형성하였다. 마지막으로 40㎛ 두께의 필름 접착제(SHUR Tape)를 사용하여 전선통로 및 유체 주입구가 제작된 상부 폴리머 판(top polymer layer)과 중간 실리콘판 및 하부 유리판을 결합함으로써 마이크로 분사기의 제작을 완성하였다.

성능/효과

또한, 본 논문에서는 기름을 유체마개로 사용하고 팽창유체를 끓는점이 100℃인 물과 59笆인 FC72를 사용하는 마이크로 분사기의 성능을 측정하고 비교하였다. Fig. 8에 나타나 있는 바와 같이, 두 가지 경우 모두 분사층격량은 거의 같은 값으로 측정되었으나(물 팽창유체의 경우: 6.4XIOfsec, FC₇₂ 팽창유체의 경우: 6.2X 10-8Nsec),FC₇₂를 팽창유체로 사용하는 경우는 물을 팽창 유체로 사용한 경우에 비해 단위 분사출력 (impulse bit)을 발생하는데 필요한 입력에너지가 1/3수준으로 측정되었다. 이로서 FC₇₂를 팽창 유체로 사용할 경우 물 팽창유체에 비해 끓는점이 낮음으로 인해 동일 팽창압력을 발생하는데 필요한 전기적 입력 에너지를 1/3 수준으로 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
4xl{y*Nsec의 분사충격량을 얻었으며, 또한, FC₇₂를 팽창유체로 사용함으로써 분사에 필요한 입력에너지를 1/3 수준으로 줄였다. 뿐만아니라, 발열 저항식의 마이크로분사기에 있어서 시작펄스폭 이후에 추가적으로 가해지는 입력에너지는 분사충격량에 영향을 미치지 않으며, 미소열선의 크기가 커짐에 따라 마이크로분사기의 충격량도 증가한다는 것을 실험적으로 검증하였다.
4xl{y*Nsec의 분사충격량을 얻었으며, 또한, FC₇₂를 팽창유체로 사용함으로써 분사에 필요한 입력에너지를 1/3 수준으로 줄였다. 뿐만아니라, 발열 저항식의 마이크로분사기에 있어서 시작펄스폭 이후에 추가적으로 가해지는 입력에너지는 분사충격량에 영향을 미치지 않으며, 미소열선의 크기가 커짐에 따라 마이크로분사기의 충격량도 증가한다는 것을 실험적으로 검증하였다.
2X 10-8Nsec),FC₇₂를 팽창유체로 사용하는 경우는 물을 팽창 유체로 사용한 경우에 비해 단위 분사출력 (impulse bit)을 발생하는데 필요한 입력에너지가 1/3수준으로 측정되었다. 이로서 FC₇₂를 팽창 유체로 사용할 경우 물 팽창유체에 비해 끓는점이 낮음으로 인해 동일 팽창압력을 발생하는데 필요한 전기적 입력 에너지를 1/3 수준으로 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

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