Development of basic operating and motion-transforming elements based on elastic design and their applications

Abstract

마이크로 소자가 작아짐에 따라, 마이크로 요소를 정밀한 조작을 통해 구동하는 것이 중요해졌다. 마이크로 크기에서 마찰력이 지배적이므로, 기구학적 설계를 마이크로 구동 요소로 적용하는 것은 어렵다. 탄성 설계 기반의 구동요소는 마찰없이 정밀한 움직임을 얻을 수 있다. 본 연구에서는, 탄성 설계 기반의 정밀 기본 구동 및 운동 전환 요소를 설계하였다. 운동전환 요소를 위해, 선형 및 회전 움직임이 가능한 탄성설계 기반의 다중 링크 구조를 제안하였다. 스트레인 값을 계산하여, 링크의 폭이 힌지의 폭의 두배 일때 최적 설계임을 확인하였다. 운동 전환 요소가 와이어에 의해 구동될때, 와이어의 선형 움직임을 회전 움직임으로 전환 시킬수 있다. 또한, 운동 전환 요소는 큰 움직임을 정밀한 작은 움직임으로 전환 하도록 할 수 있다. 이러한 운동 전환 요소의 움직임은 FEM 시뮬레이션 및 실험을 통해 평가하였다. 응용으로써, 운동 전환 요소를 마이크로 카테터 소자에 적용하였다. 직경 3.5mm 카터에 적용하였다. 카테터의 정밀한 위치 결정과 수술 움직임은 Operating Mini-Station (OMS)에 달려있는 운동전환요소를 활용하여 구현하였다. 기본구동요소 또한 탄성설계를 기반으로 하여 설계하였다. 제안한 3차원 마이크로 조인트는 정밀 회전 움직임이 가능한 크로스 스프링 기반으로 설계하였다. 그러나 기존의 크로스 스프링은 회전량이 적은 단점이 있다. 큰 회전 움직임을 얻기 위해, 제안된 3차원 마이크로 관절에 나선형 구조를 삽입하였다. 또한, 탄성 설계를 기반으로하여 큰변위를 가지면서 정밀한 선형 움직임을 갖는 새로운 마이크로 선형 관절을 제안하였다. 나선형 구조의 탄성변형을 활용하여, 새로운 탄선 선형 관절이 정밀하면서도 큰 움직임을 갖도록 하였다. FEM 시뮬에이션 및 광포획력을 활용한 실험을 통해서, 제안된 탄성관절이 대변위의 정밀한 움직임을 갖는것을 확인하였다. 기본 구동요소는 나노스테레오리소그래피 공정을 활용하여 마이크로 이하 정밀도로 제작하였다. 기본구동요소는 여러가지 마이크로 응용소자로 활용할 수 있다. 본 논문에서는 기본 구동 요소를 세포 조작을 위한 마이크로 구동 소자에 활용하였다.