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레이저를 활용한 마이크로 로봇의 마이크로 플랫폼 내부 원격 이송
정민용(M. Y. Jung),권귀감(K. K. Kwon),김원진(W. J. Kim),송대섭(D.-S. Song),안성훈(S.-H. Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
마이크로 스마트랩은 기존의 미세전자기계시스템(MEMS)과 같이 다양한 목표 물질을 검출할 뿐 아니라 마이크로/나노 스케일에서 다종 재료의 형상/기구를 제작할 수 있는 플랫폼을 말한다. 마이크로 스마트랩 구성에 있어 마이크로 스케일의 물질을 원하는 위치로 이송시키는 것은 기본적인 기능이라 할 수 있으나, 외부로부터 격리되어 있는 플랫폼 내의 공간에서 수-수십 마이크로미터 스케일의 물질을 원격으로 제어하는 것에는 어려움이 있다. 이러한 기능을 수행하기 위해서는 격리된 플랫폼 내에서 원격제어를 통해 이송될 수 있는 마이크로 로봇 및 이에 대한 제어기술이 필수적이다. 본 연구에서는 레이저를 이용하여 마이크로 로봇을 물속에서 원격으로 이송시키는 방법으로, 폐쇄된 플랫폼 내에서 다양한 방식으로 마이크로 로봇의 구동을 진행하였다. 마이크로 로봇으로 직경 50, 길이 300 μm 의 니켈-티타늄 합금와이어를 활용하였다. 마이크로 로봇 제어에 용이한 자외선 레이저가 플랫폼을 투과하여 로봇을 제어할 수 있도록, 자외선 영역에서 광투과성을 갖는 유리 플랫폼을 제작하였으며, 이는 레이저 후면 식각 공정을 활용하여 100 μm 깊이 수준의 복잡한 2 차원 형상 및 깊이 변화를 갖는 마이크로 포켓 형태로 가공되었다. 제작된 플랫폼 내에서 마이크로 로봇과 주변 구조물의 상대적인 위치에 맞게 레이저를 제어함으로써 마이크로 로봇의 직선운동과 회전운동을 포함한 다양한 구동이 가능함을 확인하였으며, 열린 공간에서의 기존 제어 방식과 이를 비교하였다.
신준우(J. W. Shin),허재경(J. K. Heo),정민용(M. Y. Jung),안성훈(S.-H. Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
형상기억합금은 차가운 상태에서 변형이 일어나도 특정 온도 이상으로 가열하면 본래의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 소재이다. 형상기억합금의 형태 기억 효과는 온도에 의한 합금의 상태 변화로 인해 발생하므로 복잡한 기계적 구성요소 없이도 원하는 동작을 만들어낼 수 있다. 특히, 마이크로 스마트랩과 같이 수십 마이크로미터 크기의 물질들을 다루어 전통적인 기계적 메커니즘을 적용하기 어려운 환경에 접목할 수 있다. 형상기억합금을 사용하여 마이크로 그리퍼 개발의 장애물인 제어 및 소재의 강도 문제를 해결할 수 있으나, 낮은 변형율과 불균일한 열전달과 같은 단점 역시 존재한다. 이 연구에서는 형상기억합금에 컴플라이언트 구조를 적용하여 구동 변위를 증폭시키고, 레이저를 통해 열을 인가함으로써 제어가 쉽고 넓은 범위에서 활용 가능한 마이크로 그리퍼를 설계 및 제작하였다. 집속이온빔 장치를 사용하여 25 마이크로미터 직경의 형상기억합금 와이어를 설계된 컴플라이언트 구조로 가공하였다. 가공된 형상기억합금 그리퍼는 광섬유의 끝단에 부착되어 있어, 레이저를 통해 외부에서 제어가 가능하다. 형상기억합금 그리퍼는 가공 후 거동 안정화를 위해 반복적인 하중 트레이닝 및 복원 과정을 거치면 최종적으로 완성된다. 완성된 그리퍼는 상온에서 열린 상태로 존재하다가, 레이저를 통해 가열되면 턱의 벌림이 11.8 마이크로미터에서 3.4 마이크로미터로 복원되며 그리핑 동작을 구현하였다. 이 연구는 형상기억합금을 컴플라이언트 구조로 가공, 레이저를 통해 구동하여 마이크로미터 크기의 물질을 제어한 최초의 사례이며, 혈관 내 삽입수술을 위한 마이크로 카테터 및 마이크로 입자 운반 등 다양하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.