위성체가 작동하는 우주환경인 초고진공상태에서는 각 부품에서 발생 할 수 있는 기체방출로 인해 위성체가 오염되어 위성체의 성능이 저하될 수 있으며, 특히 광학렌즈를 오염시킴으로써 위성체 본연의 임무수행 실패라는 결과를 초래할 수도 있다. 최근 항공우주분야에서 활용 범위가 넓어지고 있는 PZT-5 계열 압전진동자의 위성부품 활용성 연구를 위하여 먼저 Collected Volatile Condensable Material 및 Total Mass Loss을 측정하여 규정된 0.1% 및 1.0% 이하의 값을 얻었고, 한국항공우주연구원에 설치된 베이크아웃(bake-out) 챔버를 이용하여 고온 및 고진공상태에서 500 $ng/cm^2/hr$ 이하의 낮은 ThermoelectricQuartz Crystal Microbalance 값을 얻어 위성체 부품으로의 적합성을 재확인하였다. 압전진동자에 대한 고진공 환경 전후의 압전 특성을 비교 분석한 결과 진공환경에 의한 전기-기계적 특성은 1% 미만으로 큰 변화가 없음을 확인하였다.
위성체가 작동하는 우주환경인 초고진공상태에서는 각 부품에서 발생 할 수 있는 기체방출로 인해 위성체가 오염되어 위성체의 성능이 저하될 수 있으며, 특히 광학렌즈를 오염시킴으로써 위성체 본연의 임무수행 실패라는 결과를 초래할 수도 있다. 최근 항공우주분야에서 활용 범위가 넓어지고 있는 PZT-5 계열 압전진동자의 위성부품 활용성 연구를 위하여 먼저 Collected Volatile Condensable Material 및 Total Mass Loss을 측정하여 규정된 0.1% 및 1.0% 이하의 값을 얻었고, 한국항공우주연구원에 설치된 베이크아웃(bake-out) 챔버를 이용하여 고온 및 고진공상태에서 500 $ng/cm^2/hr$ 이하의 낮은 Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance 값을 얻어 위성체 부품으로의 적합성을 재확인하였다. 압전진동자에 대한 고진공 환경 전후의 압전 특성을 비교 분석한 결과 진공환경에 의한 전기-기계적 특성은 1% 미만으로 큰 변화가 없음을 확인하였다.
In the high vacuum condition of the space, outgassing from any assembly of satellite can contaminate satellites, especially second surface mirror and optical lens, it cause satellite to fail in own missions. Therefore, all unit shall be check for compatibility with vacuum using CVCM (Collected Volat...
In the high vacuum condition of the space, outgassing from any assembly of satellite can contaminate satellites, especially second surface mirror and optical lens, it cause satellite to fail in own missions. Therefore, all unit shall be check for compatibility with vacuum using CVCM (Collected Volatile Condensable Material) and TML (Total Mass Loss) in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric ceramic vibrator has less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than 500 $ng/cm^2/hr$ of Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance for vacuum bake-out test using high temperature(more than $80^{\circ}C$) and high vacuum (less than $5.0{\times}10^{-3}$ Pa). Thus, piezoelectric ceramic vibrator may be employed in the vacuum environments. Finally, it can be confirmed that the characteristics change of the piezoelectric ceramic vibrator is less than 1% under vacuum environments.
In the high vacuum condition of the space, outgassing from any assembly of satellite can contaminate satellites, especially second surface mirror and optical lens, it cause satellite to fail in own missions. Therefore, all unit shall be check for compatibility with vacuum using CVCM (Collected Volatile Condensable Material) and TML (Total Mass Loss) in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric ceramic vibrator has less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than 500 $ng/cm^2/hr$ of Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance for vacuum bake-out test using high temperature(more than $80^{\circ}C$) and high vacuum (less than $5.0{\times}10^{-3}$ Pa). Thus, piezoelectric ceramic vibrator may be employed in the vacuum environments. Finally, it can be confirmed that the characteristics change of the piezoelectric ceramic vibrator is less than 1% under vacuum environments.
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문제 정의
본 연구에서는 향후 위성 부품으로 사용될 수 있는 PZT-5 계열의 압전진동자의 진공 베이크아웃 시험시의 오염측정 수행방법 및 그 결과를 통해 위성부품으로서의 활용 가능성을 확인하였다. 아울러, 진공 베이크아웃 전후의 압전진동자의 공진 특성을 조사하여 진공 환경 하에서 특성 변화를 관측하였다.
제안 방법
3) 고진공 도달 후 히터를 이용하여 챔버 내부의 온도를 80℃이상으로 가열한 후, 약 2시간 정도 온도를 일정하게 유지하면서 TQCM으로 내부 오염도를 정량적으로 관측한다.
Fig. 2에 보이는 압전진동자 시편을 챔버내부의 진동에 영향을 받지 않도록 고정하고 시편의 전극에는 리드선을 연결하여 외부의 임피던스 분석기(Impedance Analyzer 4294a)에 연결하여 공진 특성을 측정하였다. 시편을 장착한 챔버 내부는 최초 상온/상압에서 어드미턴스(admittance)를 측정하였으며 이후 고진공, 고진공 및 고온 환경, 그리고 다시 상온 상압의 환경 변화를 주며 공진특성의 변화를 관찰하였다.
먼저 시험에 사용될 상용 PZT-5 계열의 압전진동자에 대한 CVCM과 TML 측정을 수행하였다. 보다 신뢰성있는 값을 얻기 위하여 측정은 표준과학연구원에 의뢰하였으며, CVCM은 0.
세라믹 재질로 된 히터를 30° 간격으로 총 48개를 설치하여 챔버 내부를 고온으로 모사하고, 온도제어는 PID방식을 이용하였다.
2에 보이는 압전진동자 시편을 챔버내부의 진동에 영향을 받지 않도록 고정하고 시편의 전극에는 리드선을 연결하여 외부의 임피던스 분석기(Impedance Analyzer 4294a)에 연결하여 공진 특성을 측정하였다. 시편을 장착한 챔버 내부는 최초 상온/상압에서 어드미턴스(admittance)를 측정하였으며 이후 고진공, 고진공 및 고온 환경, 그리고 다시 상온 상압의 환경 변화를 주며 공진특성의 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 향후 위성 부품으로 사용될 수 있는 PZT-5 계열의 압전진동자의 진공 베이크아웃 시험시의 오염측정 수행방법 및 그 결과를 통해 위성부품으로서의 활용 가능성을 확인하였다. 아울러, 진공 베이크아웃 전후의 압전진동자의 공진 특성을 조사하여 진공 환경 하에서 특성 변화를 관측하였다.
세라믹 재질로 된 히터를 30° 간격으로 총 48개를 설치하여 챔버 내부를 고온으로 모사하고, 온도제어는 PID방식을 이용하였다. 온도 측정을 위하여 Omega사의 T형 열전대 사용하였고, 챔버 내의 진공은 컨벡트론게이지와 이온게이지를 사용하여 각각 저진공과 고진공을 측정하였다. 또한 물질의 정량적인 측정을 수행하는 TQCM과 오염물질의 종류 및 각 종류에 대한 분압을 측정하는 RGA가 장착되어 있다.
이 동안 TQCM을 −20℃로 유지시키면서 내부 오염도를 정량적으로 관측하고, RGA를 사용하여 내부 가스성분분포를 측정한다.
대상 데이터
먼저 분석장치로 사용되는 TQCM은 석영 단결정의 표면에 입자가 증착 또는 방출될 때 단결정의 진동주파수가 변한다는 원리를 이용하여 고진공환경(10-3 Pa 이하)에서 사용될 수 있도록 제작된 일종의 초고정밀저울로, 시험에 사용된 TQCM은 QCM research社의 MK10이며 특정 공진주파수를 갖는 매우 얇은 단결정판(두께 0.112 mm)이 두 개 장착되어 있다. 안쪽에 내장된 단결정은 기준 단결정으로 외부환경과 차단되어 외부입자의 양과는 무관하게 일정한 진동 주파수를 갖는 반면 바깥쪽에 노출된 것은 센서 역할을 하는 것으로 입자가 표면에 증착, 방출되는 정도에 따라 진동주파수가 변하게 된다.
성능/효과
1. PZT-5 계열의 압전진동자에 대한 베이크아웃의 압력과 사전 베이크아웃의 압력을 비교한 결과 베이크아웃에 의해 압전진동자로부터 방출되는 물질은 거의 없음을 확인할 수 있었는데, 이는 사전에 CVCM 및 TML 측정으로 예견된 결과와 동일하다.
2. 동일하게 TQCM으로 측정된 값도 사전 베이크아웃 시의 값과 유사한 500 ng/cm2/hr 이하 수준으로 압전진동자 자체에서 방출되는 오염량은 한국항공우주연구원에서 허용하는 위성부품 적용 수준 내에 있음을 확인할 수 있었다.
3. 시험중 챔버내부에 잔류하는 가스는 주로 H2O, N2, O2였으며, 10-6 Pa을 넘어 서는 영역에서는 특별한 오염성분은 발견할 수 없었다.
4) 챔버의 온도를 80±2℃로 가열한 후 24시간 이상 온도를 일정하게 유지한다.
4. 압전진동자는 위성의 진동 저감을 위한 구동기의 부품 수준으로 장착 가능한데, CVCM 및 TML 측정 결과는 각 0.005%, 0.0361%로 위성 오염에는 전혀 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 또한 구동기의 실제 제작, 조립, 운반 등의 과정을 거치는 동안 불가피하게 구동기의 표면에 달라붙게 되는 미세먼지 및 대기증의 수분들은 고진공의 베이크아웃에 의해서 제거될 수 있음 여러 실험을 통해 확인한 만큼 오염관점에서 압전진동자는 위성부품으로서 사용이 가능할 것으로 판단된다.
사전 베이크아웃은 챔버를 80℃에서 5×10-4 Pa 정도에 도달할 때까지 배기한 것이며, 압전진동자에 대한 베이크아웃은 다시 80℃로 시험한 결과이다. 근소한 차이나마 압전진동자 베이크아웃이 사전 베이크아웃 보다 높은 진공(낮은 압력) 상태를 유지하는 것으로 미루어 빈 챔버를 사전 베이크아웃 한 후 챔버 진공도가 향상됨을 알 수 있다. 일반적으로 시편으로부터 방출될 수 있는 물질들은 베이크아웃 초반(12시간 이내)에 대부분 방출됨에도 두 그래프에서 뚜렷한 진공도 변화 없이 감소하는 것은 압전진동자로부터 특별히 방출되는 물질이 없이 챔버 내부의 온도 상승으로 인한 수분 방출이 주를 이루고 있음을 알 수 있다.
먼저 시험에 사용될 상용 PZT-5 계열의 압전진동자에 대한 CVCM과 TML 측정을 수행하였다. 보다 신뢰성있는 값을 얻기 위하여 측정은 표준과학연구원에 의뢰하였으며, CVCM은 0.005%, TML은 0.0361%의 값을 얻었다. 이는 위성부품용 조건인 0.
7에 나타내었다. 이 결과를 보면 시편의 횡진동 모드에 대한 공진 및 반 공진 주파수의 변화 범위는 상온 상압시의 값을 기준으로 0.3% 이내임을 알 수 있다. 따라서 압전진동자의 횡진동모드의 특성은 주어진 환경변화에 큰 영향을 받지 않음을 확인할 수 있다.
9∼11에 나타내었다. 이들 결과에서 나타내듯이 측정조건에 따른 공진 및 반공진 주파수의 변화는 매우 적으며 상압(CaseA)과 2차 진공 상태(Case L)를 비교할 때 공진 및 반공진주파수의 변화 범위는 0.17% 및 0.01% 이내임을 나타내고 있으나 이는 임피던스 분석기의 측정오차범위 이내의 값으로 무시할 수 있을 것으로 생각된다. 결합계수의 경우 모든 측정조건에 대해 0.
또한 구동기의 실제 제작, 조립, 운반 등의 과정을 거치는 동안 불가피하게 구동기의 표면에 달라붙게 되는 미세먼지 및 대기증의 수분들은 고진공의 베이크아웃에 의해서 제거될 수 있음 여러 실험을 통해 확인한 만큼 오염관점에서 압전진동자는 위성부품으로서 사용이 가능할 것으로 판단된다. 특히, 진공환경에 의한 압전진동자의 전기-기계적 특성 변화는 무시할 만큼 작은 것으로 대기압에서 측정된 구동기내 압전 특성을 진공 하에서동일하게 적용할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
0361%로 위성 오염에는 전혀 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 또한 구동기의 실제 제작, 조립, 운반 등의 과정을 거치는 동안 불가피하게 구동기의 표면에 달라붙게 되는 미세먼지 및 대기증의 수분들은 고진공의 베이크아웃에 의해서 제거될 수 있음 여러 실험을 통해 확인한 만큼 오염관점에서 압전진동자는 위성부품으로서 사용이 가능할 것으로 판단된다. 특히, 진공환경에 의한 압전진동자의 전기-기계적 특성 변화는 무시할 만큼 작은 것으로 대기압에서 측정된 구동기내 압전 특성을 진공 하에서동일하게 적용할 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TQCM은 무엇인가?
먼저 분석장치로 사용되는 TQCM은 석영 단결정의 표면에 입자가 증착 또는 방출될 때 단결정의 진동주파수가 변한다는 원리를 이용하여 고진공환경(10-3 Pa 이하)에서 사용될 수 있도록 제작된 일종의 초고정밀저울로, 시험에 사용된 TQCM은 QCM research社의 MK10이며 특정 공진주파수를 갖는 매우 얇은 단결정판(두께 0.112 mm)이 두 개장착되어 있다.
압전진동자의 진동모드에는 어떤 종류가 있는가?
압전진동자의 진동모드에는 인가하는 전계의 방향과 같은 방향으로 진동하는 압전 두께진동 모드(thickness mode)혹은 종진동 모드(longitudinal mode)와 함께 인가전계의 방향과 수직한 방향으로 진동하는 횡진동 모드(transversemode)가 있다 [6]. 압전진동자를 이용한 압전 밴딩모드 액추에이터, 위치제어센서 등에 사용되는 압전 자이로 스코프,통신용 필터에 사용되는 압전 표면파 디바이스 등은 모두 압전 횡진동 모드를 이용한 예이다 [7-9].
참고문헌 (13)
D. G. Kwag, J. S. Bae, and J. H. Hwang, J. Korean Soc. for Aeronautical and Space Sciences ,37, 399, (2009).
S. H. Lee, H. J. Seo, G. W. Moon, and S. W. Choi, J. Korean Vac. Soc. 11, 87, (2002).
D. McKeown and R. V. Peterson, AIAA Shuttle Environment and Operations II Conference 108, (1985).
ASTM Designation, Standard Test Method for total Mass Loss and Collected Volatile Condensable Materials from Outgassing in a vaccum Environment, 15, E595 (1993).
IEEE Standard on Piezoelectricity, IEEE/ANSI Std. 176-1978, pp. 27-45.
M.-K. Chae, M.-J. Kim, K.-L. Ha, and C.-B. Lee, Jpn. J. Appl. Phys. 42, 3091 (2003).
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