This paper proposes a new measuring method for abrasion of rifling. New method uses a position sensor to measure abrasion. To do this, position sensor is designed, fabricated and experimented. Two types of sensor are proposed. One is full-PDMS type sensor and the other is air gap-PDMS type sensor. Performance of full-PDMS type sensor is bad because it doesn’t react to displacement. But performance of air gap??PDMS type sensor is good. It reacts to displacement sensitively. The results are following. Measuring range is from 1㎛~30㎛. Changing capacitance is large and almost constant from 1㎛~12㎛. When 1㎛ displacement is changed, 100fF is changed in 1㎛~12㎛. Resolution is 1㎛. When experiment is performed 10 times, the maximum error is 0.6㎛. Sensing speed is very fast. All of these results are satisfied to measure abrasion of rifling. It can check abrasion without hurting rifling or gun barrel. And it also can check abrasion even though there is one shooting. Additionally, this proposed sensor is very valuable in research area. Proposed sensor is fabricated by PDMS membrane. PDMS membrane can be large deformed. It gives different characters to sensors but the method to fabricate PDMS membrane sensor have been difficult because the electrode can’t be made on the PDMS easily. But In this proposed sensor, electrode on PDMS is made by stretchable electrode easily. Stretchable electrode has wrinkles, so it can work even though PDMS is deformed largely. PDMS is biocompatible and flexible. So, this sensor can be used in many other fields like bio or flexible sensor.
Sensing principle is capacitance. It is very sensitive and fast method. Air gap PDMS type sensor consists of four parts: Glass substrate, Bottom electrode, Protective layer and PDMS structure with air gap and stretchable electrode (upper electrode). Glass substrate is opted to reduce noise capacitance. Bottom electrode is made on the glass substrate. Protective layer prevents contacting between bottom and upper electrode. PDMS structure with air gap and stretchable electrode is a moving part. This part contacts with rifling and moves up and down. Through this movement, distance of two electrodes inside sensor is changed. After all, their capacitance is also changed. Moving structure has three characters: PDMS, Air gap and Stretchable electrode. Moving material, PDMS, has large deformation. 12㎛ is very large range in MEMS sensor field, so PDMS with large deformation is necessary. Air gap improves sensitivity. If there is not air gap like a full-PDMS type sensor, the sensor is not working. Stretchable electrode is solution for using PDMS. PDMS can be stretched largely. However, if electrode on the PDMS can’t be stretched along PDMS, PDMS is not useful. But, stretchable electrode can be stretched using wrinkle in electrode, so the PDMS is used as sensor material and sensor can get a large deformation character.
This paper proposes a new method for measuring abrasion of rifling. And position sensor with PDMS and stretchable electrode is designed, fabricated and experimented to use for new method. Proposed sensor is air gap-PDMS type. Experiment results come out and it can be used to measure for abrasion. This sensor has many advantages, so, it is expected to be used in many other fields.
사격 발수에 따라 화포 내부에 있는 강선의 마모가 얼만큼 일어나는지 확인하는 것은 중요하다. 왜냐하면 그 마모 정도를 정확히 확인해야 화포의 수명을 결정할 수 있으며 사격의 정확도를 향상 시킬 수 있기 때문이다. 그러한 이유로 새로운 화포를 개발한 후 시험평가 과정에서 사격발수에 따른 포신 마모 정도를 측정하고 있다. 현재 사용하는 방법은 게이지에 의한 방법과 압흔을 이용한 방법이 있는데 두 방법은 각기 장??단점을 가지고 있다. 이 논문에서는 이 두 방법의 장점만을 취합한 새로운 방법을 제안하고자 한다. 그 방법은 MEMS 기술을 이용하여 만든 고성능의 위치센서를 이용하는 것을 기반으로 한다. 그에 따라 필요한 센서의 성능으로는 감지 범위가 약 1㎛~12㎛이어야 한다는 것과 1㎛의 변위를 감지할 수 있어야 한다는 것이 있다. 또한 운용에 있어서는 화포 또는 강선에 흠집을 내서는 안 되야 한다. 그리고 가능한 센서의 제작이 쉬워야 한다. 센서는 유연한 PDMS 재료를 이용하여 MEMS 센서로서는 큰 범위에 해당하는 10㎛ 이상의 변위까지 실현하도록 하였고 가능한 민감한 센서가 되도록 하기 위해 작은 변화도 쉽게 확인할 수 있는 정전용량 방식의 감지 원리를 적용하였다. 디자인은 2가지 형태로 설계하였는데 PDMS 내부가 꽉 차있는 형태와 PDMS 내부에 공기가 있는 형태이다. 제작 과정은 간단하였지만 유연한 PDMS 물질 위에 정전용량 방식을 구현하기 위한 전극을 올리는 과정이 문제가 되었다. PDMS 위에 형성된 전극은 PDMS의 변형에 의해 쉽게 갈라져 전극으로서의 기능을 하지 못하게 되었기 때문이다. 그러나 그 문제는 PDMS위에 잘 늘어날 수 있는 전극을 형성함으로써 해결되었다. 잘 늘어나는 전극의 원리는 주름이 펴지는 원리와 동일한데 먼저 열에 의해 PDMS를 미리 늘여놓은 상태에서 전극을 형성하고 다시 PDMS를 상온으로 복귀 시킴으로써 전극에 압축력을 가하여 전극을 주름지게 만든다. 이렇게 만들어진 전극의 주름은 다시 PDMS가 늘어난다 하더라도 주름이 펴지기만 할 뿐 찢어지지 않아서 전극으로 작동하게 된다. 제작된 센서는 화포 강선을 모사한 기판을 고정시켜 놓은 상태에서 센서를 접촉 시켜 놓고 마이크로 및 나노미터 스테이지로 1㎛ 단위씩 변위를 변화시킴으로써 그 성능을 측정하였다. 측정 결과 꽉 찬 PDMS 형태의 센서는 변위에 변화에 대해서 반응하지 않았고 PDMS 내부에 공기가 들어간 형태의 센서는 변위의 변화에 민감하게 반응하였다. 측정 가능한 범위는 우리가 원하던 12㎛를 포함하는 30㎛까지 측정 가능하였고 변위 1㎛~12㎛ 까지는 대체로 선형적인 모습을 보여주었다. 각 1㎛변위 차에 대해서는 정전용량의 변화가 약 100fF을 보였다. 10차례 반복 시행하여 본 결과 그 오차는 최대 0.6㎛까지 발생하였다.
반응시간도 변위가 발생하는 시점과 거의 일치하여 빠른 반응속도를 보였다. 그러나 센서가 눌리는 경우가 아닌 눌린 센서가 다시 원래 위치로 복원되는 것에 관한 실험에서는 센서가 반응하는 시간이 다소 느린 것을 확인할 수 있었고 센서를 여러 개 생산하고 각 센서의 성능을 비교해 본 결과 그 결과가 일정치 않아서 센서의 재현성에 문제가 있었다. 그것은 제작 과정 중 각 구조체의 결합 과정에서 발생하는 오차 때문으로 판단되었고 더 정밀한 제작 과정이 요구되어졌다.
PDMS와 신축적 전극을 이용한 위치 센서는 화포의 강선의 마모를 측정하는데 적합할 뿐만 아니라 센서로서도 좋은 성능을 보여주었다. 또한 PDMS를 이용하여 만드는 센서의 과정을 신축적 전극을 이용해 쉽고 간단하게 만들어서 PDMS를 이용하여 만든 센서가 다양한 분야에 적용 될 수 있다는 가능성을 보여주었다. PDMS를 이용한 센서는 인체에 무해하고 유연하다는 PDMS 재료의 특성을 활용하여 바이오 분야나 유연한 센서 분야에 적용될 것으로 기대된다.
