2단 Lever 메커니즘 기반 대구경 압전형 FSM 구조설계

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확장요약문

정밀 지향 구동장치인 Fast Steering Mirror (FSM)은 탑재된 광학 미러에 반사된 레이저 빔 또는 광원을 특정 방향으로 빠르고 정밀하게 조향하는 시스템이다. FSM 은 저궤도 위성 간 자유 공간 광통신 (Free- Space Optical Communication, FSO)과 방산 분야 등 다양한 영역에서 핵심 장치로 활용되고 있다. 최근 방산분야에서는 레이저 무기의 고출력화 추세에 따라, 대구경 미러를 탑재할 수 있는 FSM 의 개발 필요성이 증대되고 있다. 대기 왜란 및 진동 등 외부 환경 요인 속에서 레이저 빔을 목표 지점에 빠르고 정확하게 지향하기 위해서는 넓은 구동각과 높은 구동대역폭을 확보할 수 있는 FSM 의 구조 설계 및 제어 기술 연구가 필수적이다.

FSM 에 적용되는 구동기로는 대표적으로 보이스 코일 액추에이터 (Voice coil Actuator, VCA),릴럭턴스 액추에이터, 압전 액추에이터 (Piezoelectric Actuator) 등이 활용된다. 이 중 압전 액추에이터는 높은 추력 과 강성, 그리고 빠른 응답속도를 갖는 장점이 존재한다. 그러나 압전 액추에이터의 경우 변형률이 길이 방향으로 약 0.1 % (0.001) 밖에 발생하지 않는 구동기의 한계로 FSM 의 구동각이 짧은 한계가 존재한다. FSM 의 구동각을 증가 시키기 위해 압전 구동기의 길이를 증가 시키는 방법이 존재하지만, 이는 압전체의 적층 수를 증가시켜야 하며 이는 액추에이터 제작 비용을 증가시키는 한계가 존재한다.

본 연구는 압전 구동기의 적층 수를 증가시키는 방법 외 지렛대 원리 기반을 활용한 증폭 메커니즘을 적용하여 압전형 FSM 의 한계인 좁은 구동 범위를 개선하고자 한다. 압전 구동기 짧은 변위 한계를 개선시키는 방법으로 변위 증폭 기구 (Displacement Amplification Mechanism)를 활용하여 변위증폭형 압전 구동기 (Amplified Piezoelectric Actuator, APA)를 설계함으로 써 압전 구동기의 변위를 키우는 등 다양한 방법이 존재한다. 본 연구에서는 APA 설계 외의 2 단 Lever 기반의 2 단 증폭 메커니즘을 설계함으로써 압전 구동기의 변위를 증폭 시키고, 유연형 힌지 (flexure hinge) 설계를 활용하여 정밀 2 축 회전 거동이 가능한 FSM 구조를 구현하였다. 이를 통해 압전 액추에이터의 단순 높이 차를 이용해 FSM 구동각을 발생 시킬 때 보다 구동각 성능이 향상되는 성능 개선 효과를 확인하였다.