압전구동기 기반의 대구경 PPA FSM 구조 설계 및 실험

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확장요약문

고속조준거울(Fast Steering Mirror, FSM)은 구동기의 변위와 추력으로 거울의 기울기를 바꿔 레이저 빔을 목표 방향으로 빠르고 정밀하게 지향하는 장치로, 고에너지 레이저 무기, 위성 간 광통신, 적응 광학 등에서 대기 난류와 플랫폼 진동에 의한 빔 흔들림을 실시간으로 보상하는데 사용된다. 특히 레이저 무기체계에서는 고출력화에 따라 빔 직경이 커지므로, 대구경 거울을 탑재하면서도 수십 µrad 이하의 지향 정밀도와 100Hz 이상의 구동대역폭이 요구된다. 그러나 상용 압전형 FSM 은 대부분 Ø100 mm 이하의 거울을 대상으로 하여, 대구경 FSM 은 해외 업체의 주문 제작에 의존하고 있다. 이는 높은 가격과 긴 납기, 수출 통제 가능성으로 인해 무기체계 핵심부품의 안정적인 확보를 어렵게 하므로, 대구경 FSM 의 국산화가 필요하다.

대구경 FSM 은 거울과 거울 홀더의 질량 및 관성모멘트가 커서 구동부의 부하가 증가하고, 그 결과, Tip/Tilt 방향의 1 차 고유진동수가 낮아진다. 압전형 FSM 의 제어 대역폭은 일반적으로 1 차 고유진동수의 1/3~1/4 수준으로 제한되므로, 고유진동수의 저하는 곧 구동 대역폭의 저하로 이어진다. 고유진동수를 높이려면 유연형 힌지의 강성을 키워야 하지만, 이는 구동각이 감소되는 원인이 된다. 즉, 대구경 FSM 에서는 구동각과 고유진동수가 서로 상충하며, 두 성능을 동시에 만족하는 구조설계가 핵심 과제이다.

이에 본 연구에서는 대구경 FSM 국산화의 선행 연구로서, 대구경 거울을 변위 증폭 기구 없이 적층형 압전 구동기로 직접 구동하는 2 축 FSM 을 설계 및 제작하였다. 목표 성능은 구동각 ±2mrad 으로 설정하고, 이를 만족시키기 위한 1 차 고유진동수 목표를 300Hz 이상으로 정하였다. 고유진동수를 높이기 위해 중앙의 유연형 힌지가 거울 지지와 구동기 예압을 함께 담당하는 구조를 적용하였으며, 구동각과 고유진동수의 관계식을 바탕으로 압전 구동기 단면적에 대한 Parameter Study 와 PMN, PZT 재질별 액추에이터 성능 비교를 수행하여 구동기 사양을 선정하였다. 유한요소해석으로 최종 설계안의 고유진동수와 구동각을 예측한 뒤, 시제품에 대해 오토콜리메이터로 최대 구동각을, 개루프 주파수 응답함수(FRF)측정으로 1 차 고유진동수를 검증하였다.