[논문]대구경 주반사경의 접착 특성에 관한 연구

김현중; 서유덕; 박상훈; 윤성기; 이승훈; 이덕규; 이응식

[국내논문] 대구경 주반사경의 접착 특성에 관한 연구
A Study on the Adhesive Properties of Lightweight Primary Mirror 원문보기

대한기계학회 2007년도 춘계학술대회A, 2007 May 30, 2007년, pp.796 - 801

김현중 (한국과학기술원 기계공학과) , 서유덕 (한국과학기술원 기계공학과) , 박상훈 (한국과학기술원 기계공학과) , 윤성기 (한국과학기술원 기계공학과) , 이승훈 (한국항공우주연구원 광학탑재체 그룹) , 이덕규 (한국항공우주연구원 광학탑재체 그룹) , 이응식 (한국항공우주연구원 광학탑재체 그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The optical performance of the mirror for satellite camera is highly dependent on the adhesive properties between the mirror and its support. In order to design a mirror with high optical performance, the mechanical properties of adhesives should be well defined. In this research, the mechanical properties of three kinds of space adhesives are studied. In case of the materials which show nearly incompressible behavior such as space adhesives, it is important to measure shear modulus which governs deviatoric stress components. Shear moduli of the adhesives are determined by using single lap adhesively bonded joint. For the shear tests, several points have been selected from $-20^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$ which is operating temperature range of the adhesive. The shear modulus of each adhesive is expressed as a function of temperature. Characteristics of the adhesives are discussed regarding their temperature sensitivity. The analysis results of RMS wavefront error w.r.t shear modulus are presented.

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 접착제의 접착 특성에 관한 정확한 자료가 요구되고 실험을 통한 검증이 필요하다. 본 연구에서는 우주에서 널리 사용되어 성능이 입증된 세 종의 접착제를 선별하여 접착제의 기계적 특성을 규명한다.
본 연구에서는 우주용 접착제로 많이 사용되고 있는 에폭시(epoxy) 계열의 접착제 A, B, 폴리우레탄(polyurethane) 계열의 접착제 C 에 대해 온도에 따른 기계적 특성을 규명하고, 해석을 통해 접착제의 전단계수에 따른 반사경 RMS 오차의 경향을 파악한다. 규명하고자 하는 접착제의 기계적 특성은 전단계수로 탑재체 내부 운용온도 범위인 -20℃에서 55℃내 8 개 온도점을 선택하여 시험을 수행한다.
본 논문에서는 반사경 지지부의 접착 특성 연구를 위해 접착제의 기계적 물성을 규명하였다. 우주용 접착제는 점탄성 재료와 같이 비압축성에 가까운 거동을 보이므로 편차응력 성분을 지배하는 전단계수의 정확한 측정이 필요하다.

가설 설정

2mm 로 모델링하였다.(Fig. 14) 자중은 광축에 수직인 방향으로 작용한다고 가정하였고 반사경 재료는 제로더(zerodur)로, 마운트 재료는 인바(invar) 로 모델링 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 우주용 접착제로 많이 사용되고 있는 에폭시(epoxy) 계열의 접착제 A, B, 폴리우레탄(polyurethane) 계열의 접착제 C 에 대해 온도에 따른 기계적 특성을 규명하고, 해석을 통해 접착제의 전단계수에 따른 반사경 RMS 오차의 경향을 파악한다. 규명하고자 하는 접착제의 기계적 특성은 전단계수로 탑재체 내부 운용온도 범위인 -20℃에서 55℃내 8 개 온도점을 선택하여 시험을 수행한다. 세 접착제의 기계적 특성을 비교, 분석 하여 각 접착제의 기계적 특성이 반사경의 변형과 광학 성능에 미치는 영향을 알아본다.
규명하고자 하는 접착제의 기계적 특성은 전단계수로 탑재체 내부 운용온도 범위인 -20℃에서 55℃내 8 개 온도점을 선택하여 시험을 수행한다. 세 접착제의 기계적 특성을 비교, 분석 하여 각 접착제의 기계적 특성이 반사경의 변형과 광학 성능에 미치는 영향을 알아본다. 접착특성을 고려한 반사경 해석을 통해 각 접착제가 지지부의 접착제로 사용하였을 경우에 대해 안정성 여부를 파악한다.
세 접착제의 기계적 특성을 비교, 분석 하여 각 접착제의 기계적 특성이 반사경의 변형과 광학 성능에 미치는 영향을 알아본다. 접착특성을 고려한 반사경 해석을 통해 각 접착제가 지지부의 접착제로 사용하였을 경우에 대해 안정성 여부를 파악한다.
이 방법은 두꺼운 접착물(thick adherend)을 사용하기 때문에 peel strength 에 의한 영향을 최소화할 수 있다. 시험에 사용된 시편의 규격은 ASTM D5656, D3983 을 참고하여 시험장비에 적합하게 수정하여 사용하였다. 접착 두께는 0.
시편이 충분한 양의 압축력을 받지 않는다면 강-강 시편이 제대로 접착되지 않아 시편 불량이 발생한다. 이러한 시편 제작상의 불량률을 감소시키기 위해 상판과 중판, 하판을 체결하고 상판을 볼트로 뚫어 볼트를 죄임으로써 볼트가 각각의 강 시편에 직접 압축력을 가할 수 있게 금형을 고안하였다.
시험기기는 INSTRON 사의 전단 시험기기를 사용하였으며 변형률은 신장계(extensometer)를 이용 하여 측정하였다. Fig.
3 는 신장계를 전단 시험 시편에 부착하였을 때의 사진을 나타낸다. 탑재체 운용온도 범위인 -20℃에서 55℃ 범위내 -20℃, -10℃, 0℃, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃, 55℃의 8 개 온도 점에서 전단 시험을 수행하였으며 항온 시간은 20분으로 하였다. 각 온도지점당 최소 10 개 이상의 시편을 사용하였으며 시험기기로부터 받는 데이터는 초당 20 개로 설정하였다.
ASTM D3983 에는 치구작동속도(crosshead speed)를 분당 접착두께만큼의 속도로 하도록 제시되어있다. 본 과제에서는 시편의 접착두께가 0.5mm 이므로 치구작동속도를 0.5mm/ min 로 하였다.
인공 위성 카메라에 사용되는 접착제의 변형은 수십마이크로 미터 수준에 불과하므로 접착제의 변형은 초기의 극히 미세한 부분에서 변형이 일어난다고할 수 있다. 이를 고려하여 1% 변형률 범위까지 선형 맞춤하여 전단계수 값을 구하였다. Fig.
13 에 나타내었다. 시험을 통해 얻은 결과를 바탕으로 우주용 접착제의 접착 특성이 대구경 주반사경의 광학적 성능에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 실제 마운트를 주반사경에 접착시킬 때 접착면의 두께가 0.
시험을 통해 얻은 결과를 바탕으로 우주용 접착제의 접착 특성이 대구경 주반사경의 광학적 성능에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 실제 마운트를 주반사경에 접착시킬 때 접착면의 두께가 0.2mm 이므로 실제 접착 조건과 동일하게 두께를 0.2mm 로 모델링하였다.(Fig.
접착제의 재료 상수는 온도에 따라 급격하게 변할 수 있으며 이러한 변화가 반사경의 광학면 RMS 파면오차에 영향을 미친다. 반사경 시스템의 해석을 수행하여 접착제의 전단계수 변화에 따른 광학면 RMS 파면 오차의 경향을 파악하였다. Fig.
15 는 전단계수에 따른 광학면의 RMS 파면 오차 결과를 나타낸다. 실험으로부터 탑재체 운용온도 범위내에서 접착제 A, B, C 의 전단계수가 가질 수있는 범위를 얻었으므로 이 범위에 따른 RMS 파면오차를 정사각형으로 도시하였다. 운용 온도 범위 내에서 접착제 A 와 B 를 사용한 경우 모두 광학 성능 요구 조건인 λ /20 를 만족시킴을 알 수 있다.
전단계수 측정법으로 단일겹치기 접착 조인트 시험법을 사용하였으며 반사경의 운용 온도 범위인 -20℃에서 +55℃내 8 개 온도점에서 에폭시 계열의 접착제 A, B, 폴리우레탄 계열의 접착제 C 에 대해 전단 계수를 측정하였다 시험을 통해 규명한 전단계수는 실제 반사경의 구동환경과 잘 부합하는 재료 특성으로 판단된다.
시험 결과를 바탕으로 접착특성을 고려한 반사경 구조해석을 수행하였다. 기 설계된 반사경 시스템에서 전단계수가 수십 MPa 정도의 값을 갖으면 반사경 RMS 파면오차가 광학성능 요구조건(λ/20)보다 크게 나와 광학 성능의 안정성을 보장할수 없었고, 접착제 A 와 B 의 경우 모든 운용온도 범위에서 광학성능 요구 조건을 만족시켰다.

대상 데이터

접착 두께는 0.5mm±0.05mm 로 하였고 접착물로 강(steel)시편을 사용 하였다.
탑재체 운용온도 범위인 -20℃에서 55℃ 범위내 -20℃, -10℃, 0℃, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃, 55℃의 8 개 온도 점에서 전단 시험을 수행하였으며 항온 시간은 20분으로 하였다. 각 온도지점당 최소 10 개 이상의 시편을 사용하였으며 시험기기로부터 받는 데이터는 초당 20 개로 설정하였다. ASTM D3983 에는 치구작동속도(crosshead speed)를 분당 접착두께만큼의 속도로 하도록 제시되어있다.

이론/모형

본 연구에서는 우주용 접착제의 전단계수 측정법으로 단일겹치기 접착 조인트(single lap adhesively bonded joint)를 이용한 전단 시험법을 사용한다. 이에 관해서는 ASTM D5656, D3983 에 기술되어있다.

성능/효과

반면 접착제 A 는 저온에서 B 보다 강성이 작지만 온도에 따른 변화폭은 B 보다 작아 고온에서는 B 보다 높은 강성을 갖는다. 접착제 C 는 저온에서 고온으로 갈수록 전단계수가 감소하기는 하나 그 수치가 수십 MPa 정도를 유지하여 다른 접착제에 비해 온도에 따른 전단계수 변화폭이 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 온도 민감도(temperature sensitivity)를 본다면 접착제 B > 접착제 A > 접착제 C 의 순이다.
Primer 는 접착물 간의 접착력을 강화시키기 위해 접착제 투여이전에 접착물에 바르는 표면코팅 시약으로 대구경 반사경과 반사경 지지부 접착시 반드시 필요하다. 전단계수 측정 시험 과정 중 시편을 제작하는 과정에서 primer 를 바르는 경우와 그렇지 않는 경우에 대해 접착제의 접착력이 확연히 차이가 남을 알 수 있었다. Primer 를 바르지 않게 되면 시편 불량률이 높고 그립에 시편을 물릴때 접착부가 쉽게 파단되기 때문에 primer 를 바르지 않는 시편의 경우는 시험을 수행할 수 없었다.
기 설계된 반사경 시스템에서 전단계수가 수십 MPa 정도의 값을 갖으면 반사경 RMS 파면오차가 광학성능 요구조건(λ/20)보다 크게 나와 광학 성능의 안정성을 보장할수 없었고, 접착제 A 와 B 의 경우 모든 운용온도 범위에서 광학성능 요구 조건을 만족시켰다.

후속연구

기 설계된 반사경 시스템에서 전단계수가 수십 MPa 정도의 값을 갖으면 반사경 RMS 파면오차가 광학성능 요구조건(λ/20)보다 크게 나와 광학 성능의 안정성을 보장할수 없었고, 접착제 A 와 B 의 경우 모든 운용온도 범위에서 광학성능 요구 조건을 만족시켰다. 이와 같은 일련의 과정을 통해 반사경의 하중 및 온도 환경, 재료 등 반사경의 성능에 영향을 미치는 다양한 요인들을 면밀히 검토할 수 있으며 이에 맞는 적합한 접착제를 선별할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주용 접착제의 포와송비는 어느정도인가?	우주용 접착제와 같이 포와송비가 0.5 에 근접한 비압축성에 가까운 거동을 보이는 재료의 경우, 체적 완화 함수(dilatational relaxation function)의 분모는 상당히 작은 값을 갖는다. 따라서 탄성계수를 정확히 측정하여 대입하였다 하더라도 체적 변형 부분의 항 자체가 이미 상당히 큰 값을 갖기 때문에 탄성계수의 변화폭을 제대로 반영하기가 어렵다.
	점탄성 재질의 거동을 잘 표현하기 위해서는 편차응력 성분을 지배하는 전단계수의 정확한 측정이 필요한 이유는 무엇인가?	5 에 근접한 비압축성에 가까운 거동을 보이는 재료의 경우, 체적 완화 함수(dilatational relaxation function)의 분모는 상당히 작은 값을 갖는다. 따라서 탄성계수를 정확히 측정하여 대입하였다 하더라도 체적 변형 부분의 항 자체가 이미 상당히 큰 값을 갖기 때문에 탄성계수의 변화폭을 제대로 반영하기가 어렵다. 따라서 점탄성 재질의 거동을 잘 표현하기 위해서는 편차응력 성분을 지배하는 전단계수의 정확한 측정이 필요하다.
	반사경 제작 이전에 접착특성을 고려한 반사경 변형의 정확한 구조해석이 필요한 이유는 무엇인가?	인공위성 주반사경의 접착 특성은 반사경의 변형에 지대한 영향을 미치고 온도에 따라 그 특성이 민감하게 변하기 때문에 고성능의 반사경을 설계하기 위해서는 반사경 제작 이전에 접착특성을 고려한 반사경 변형의 정확한 구조해석이 필요하다. 이를 위해 접착제의 접착 특성에 관한 정확한 자료가 요구되고 실험을 통한 검증이 필요하다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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