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접착력의 능동 제어와 촉각 센싱이 가능한 스마트 그리핑 표면의 적층 제조
김동근(D. G. Kim),제형민(H. Je),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
제조업의 생산기술 패러다임이 변화함에 따라 스마트 팩토리 구축을 위한 첨단화 및 지능화 기술들의 필요성이 증대되고 있으며, 특히 고도의 자동화 생산을 구현하기 위해서는 지능형 로봇 기술 도약이 필수적이다. 로봇 그리핑 시스템은 제조 산업의 다양화로 인하여 적용 범위가 넓어졌으며, 수동적이고 전통적인 그리핑 방법으로는 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 기계적으로 유연하면서도 접촉을 감지할 수 있는 촉각 센싱 기능과 접착력을 가역적으로 제어 가능한 3 차원 2-in-1 스마트 그리핑 표면 구조를 제안한다. 광경화성 수지 조형 방식(SLA)의 적층 제조방식을 이용하여 마이크로 미터 크기의 3 차원 접착 표면을 제작하고, 은 나노 와이어로 구성된 전극 패턴 형성과 탄성중합체(Elastomer)를 코팅함으로써 전자접착(Electroadhesion)을 유도하여 그리핑이 가능하다. 이때 형성된 전극은 콘덴서 구조를 가지며, 표면 구조와 접촉될 때 발생하는 전기용량(Capacitance)의 변화율을 측정함으로써 접촉 면적, 접촉력, 접촉 깊이, 재질에 따라 촉각 감지를 구현할 수 있다. 0-3 kV 의 인가되는 외부 전압에 따라 전기접착력의 크기가 변화하며, 이때 인가 전압을 조절하여 접착력 조작한다. 또한, 적층 제조 기술을 활용하면 다양한 형상을 가지는 마이크로 표면 구조를 제작하여 성능을 개선할 수 있다. 본 연구에서는 각도, 접착 표면의 모양, 스케일의 변화에 따른 기계적 물성을 측정하여, 다양한 조건에서의 측면 접착력(Lateral Adhesion)과 전기용량 변화를 분석한다. 또한 3 차원 접착 표면을 로봇 그리퍼에 적용하여 가용 파지력(Gripping Force)를 정량적으로 평가한다.
기하학적 설계 변수에 따른 의료용 지방흡입 기기의 성능 분석
김동근(D. G. Kim),김성재(S. J. Kim),장창환(C. Jang),김대겸(D. Kim),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
의료용 흡입 기기는 기초 수술 분야 및 지방흡입 분야에서 널리 사용되고 있다. 조직과 직접 접촉하는 캐뉼라는 다양한 형상으로 그 특성에 따라 다목적으로 사용되고 있다. 하지만 캐뉼라의 정량적인 연구가 존재하지 않아 현재 사용되고 있는 캐뉼라 디자인이 흡입 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대한 이해가 부족하며, 성능 개선을 위한 디자인 최적화에 어려움이 있다. 본 연구에서는 의료현장에서 실제 사용되는 캐뉼라 기기의 기하학적 특성을 분석하였고, 그에 따른 흡입 성능에 대한 정량적인 데이터를 획득하였다. 먼저, 캐뉼라의 제작 방법에 따른 외경과 내경, 팁끝 반경, 거칠기 등 기하학적 특성 데이터를 분석하였다. 지방 흡입 성능의 정량적 획득을 위해서 지방흡입 수술을 모사한 자동화 흡입 실험 시스템을 구축함으로써 캐뉼라의 기하학적 특성에 따른 흡입 성능을 평가하였다. 또한 전산 유체 역학에 따른 시뮬레이션을 통해 실험 결과와 흡입 성능을 비교 검증하였으며, 추가적인 주요 디자인 변수의 영향을 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 캐뉼라의 지름이 커짐에 따라 단조적으로 흡입량이 증가하는 것을 확인하였고, 같은 지름에서 펌프와 근접한 상부에 흡입 구멍이 위치하는 것이 효율적임을 확인하였다. 캐뉼라의 단면 형상이 원일 때 가장 우수한 성능을 보였으며, 둘레 방향의 홀 가공은 흡입 성능과 큰 영향이 없어 목적에 맞게 유연한 디자인을 제공할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 흡입 기기의 성능을 향상시키고 세척 과정의 수월성을 높이기 위해 캐뉼라 내부에 나노다공성 윤활 코팅 방법을 제안하였다. 해당 코팅 방식은 액적에 의한 표면 오염을 줄이며 적절한 음압 조건 하에서 흡입 성능을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
연마율 개선을 위한 화학적기계연마 패드 표면돌기의 기계적 특성 제어
류현준(H. J. Ryu),김동근(D. G. Kim),강석경(S. Kang),정지훈(J.-H. Jeong),김산하(S. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
화학적 기계연마공정은 웨이퍼 표면을 평탄화 또는 적층 구조의 막두께를 조절하기 위해 적용되는 공정으로, 연한 패드를 압착하여 미세한 나노 연마 입자를 대상 표면에 접촉시킨 후 상대운동을 수행함으로써 수 나노 이하 조도의 정밀한 표면 가공을 진행한다. 화학적기계연마 공정의 우수한 평탄화 기능은 초고정밀의 표면 형상을 제작하는 집적 소자 생산 라인에 필수적인 요소공정으로써 자리잡고 있다. 그러나 이러한 초정밀 공정의 필수 소모품인 연마 패드의 표면을 살펴보면 형상 및 기계적인 특성이 매우 불균일하며, 이로 인해 다양한 소재에 대한 연마 공정 메커니즘 파악이 어렵기 때문에 생산 현장에서 많은 엔지니어들이 경험에 의존하여 공정을 제어하고 있다. 본 연구에서는 화학적기계연마 공정을 패드와 기판의 접촉면을 구성하는 미세한 단일 접촉점에서 연마 거동을 정밀하게 분석함으로써 연마 거동 이해를 함양한다. 패드 표면의 미세한 단일돌기의 기계적 특성에 따른 연마 거동을 실험적으로 분석하고, 접촉역학 이론을 통해 주요 거동을 설명한다. 뿐만 아니라 단일 접촉점의 표면에 막질 적층 구조를 코팅하여 제작한 이종 적층 구조 연마 패드를 소개한다. 리소그래피-레플리카 공정으로 단일미세돌기 핀 및 다수미세돌기 연마패드를 제작, 슬러리 환경하에 연마 실험을 수행함으로써 이종 적층 구조의 연마 패드가 기존의 단일 소재 연마 패드들에 비해 연마율 향상 및 연마 패드 형상 수명 연장이 가능함을 검증한다.