KR20210095399A

KR20210095399A - 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20210095399A
Application number: KR1020200009203A
Authority: KR
Inventors: 황용하; 정우준
Original assignee: 고려대학교 세종산학협력단
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-08-02
Also published as: KR102285322B1

Abstract

생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법은, 벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계; 상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 단계; 상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시키는 단계; 및 상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법{BIOCOMPATIBLE MICROSOFT BELLOW ACTUATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

아래의 실시예들은 MEMS 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅된 주형 제거 기법을 이용한 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체와 같은 마이크로, 나노 크기의 미세 소자를 제작하기 위해서는 일반적으로 리소그래피(lithography) 기술을 사용한다. 이 중 포토레지스트(photoresist)를 주형으로 사용하여 주조 방식으로 연한 재질의 소프트 폴리머 미세 소자를 제작하는 기술을 소프트 리소그래피라고 부르며, 소프트 폴리머로는 주로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용한다. PDMS는 생체적합성, 화학적 불활성, 기계적 유연성 및 내구성, 낮은 전기전도성, 광학적 투명성 및 사용 편의성을 비롯한 유용한 특성으로 인해 유체 시스템을 개발하는데 가장 보편적으로 활용된다. 소프트 리소그래피의 대표적인 응용 분야인 미세 유체 시스템은 밀리미터(mm) 크기 이하의 유체의 움직임을 조종하는 화학, 생명공학, 의학 분야, 특히 약물 전달 시스템(drug delivery system), 정량적 세포 생화학 기술(quantitative cell biology), 분자 진단기술(molecular diagnostics) 등에 있어서 중요한 기반 기술이다.

한편, 현존하는 3D 프린팅 기술은 일반적으로 (i) 압출 후 증착 방식(extrusion-based deposition 또는 fused deposition modelling), (ii) 스테레오 리소그래피(stereolithography, SLA), 그리고 (iii) 다중 사출 제작 방식(multijet modelling, MJM)으로 구분된다.

압출 후 증착 방식은 열가소성 소재의 필라멘트를 가열하여 용융시켜 노즐을 통해 압출하고, 노즐의 위치를 조종하여 구조물을 제작하는 방식이다. 용융된 열가소성 소재의 축선식(line-by-line) 출력 방식으로써 밀리미터 수준의 해상도를 가지며, 비교적 저렴한 대부분의 3D 프린터에 이용되는 방식이다.

스테레오 리소그래피는 액체 상태의 감광성 레진(photosensitive resin)을 레이저 빔 또는 프로젝터의 위치를 조종하면서 노광하여 축점식(point-by-point) 또는 축막식(layer-by-layer)으로 고체화시켜 구조물을 제작하는 방식이다. 단일 소재 이용 방식이므로 희생층 물질(sacrificial support material)의 적용이 불가능하고, 복잡한 구조, 돌출 구조 및 부동형(free-floating) 구조에 적용이 불가능하다.

또한, 다중 사출 제작 방식은 둘 이상의 액체 상태의 감광성 물질(일반적으로 구조물 물질과 희생층 물질)을 축막식으로 사출하는 동시에 자외선 노광으로 고체화시키고, 이를 적층하여 구조물을 제작하는 방식이다. 다수의 노즐을 통해 동시에 사출하기 때문에 구조물 제작 시간을 단축할 수 있다. 희생층 물질로 구조물 물질과는 다른 재료를 사용하기 때문에 임의의 모든 형상을 제작할 수 있다.

최근의 3D 프린팅 기술의 발전은 지금까지의 소프트 리소그래피 기술만으로는 거의 불가능에 가까운 것으로 여겨졌던 다양한 형태의 생명공학적 환경을 재현해 낼 수 있는 소자 제작 방식으로 주목받고 있다. 하지만 최근의 활발한 기술 개발에도 불구하고, 미세 유체 분야에서 가장 많이 이용되는 재료인 PDMS를 밀리미터 크기 이하의 해상도로 직접 출력할 수 있는 3D 프린터는 현재까지 상용화되어 있지 않다.

고해상도의 3D 프린터를 이용하여 미세 구조물을 출력하고, 이를 주형으로 이용하여 이전의 반도체 공정 기반 기술로 접근하기 어려웠던 3D PDMS 미세 구조물을 제작할 필요가 있다. 3D 프린팅 소자를 주형으로 활용하여 PDMS 주형 소자를 제작하는 기술의 핵심은 주형의 원활한 분리/제거 기술을 개발하는 것이다.

대부분의 3D 프린팅 소재는 3D 프린터 제작 회사에서 각각의 장비에 적합하도록 자체 개발한 특정 물질들을 이용하도록 설계된다. 이 소재들은 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PLA(Polylactic acid), PP (Polypropylene) 등의 일반적인 플라스틱 폴리머를 기본으로 하는 화합물이 주를 이룬다. 대부분 이러한 3D 프린팅 소재 자체가 최종결과물로 이용되기 때문에 열적, 화학적으로 비교적 안정된 특성, 즉 소프트 폴리머의 주형으로서 활용하기에 부적합한 특성을 가진다.

도 1은 일반적인 PDMS의 주조 성형 후 기계적인 방법으로 적출하는 PDMS 주형 소자를 제작하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.

일반적인 3D 프린터를 이용하는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린팅 소재를 PDMS(12)의 주형(11)으로 활용하기 위해, PDMS(12)의 주조 성형 후에 주형(11)을 기계적인 방법으로 적출한다.

이러한 경우, 주형(11)의 형태는 적출 가능성을 고려하여 주형(11)의 한쪽 끝단이 중앙부보다 같거나 크고, 동시에 단순한 구조로 설계가 필요하다. 결국, 임의의 모든 3D 형상을 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 활용하면서도 의도하는 모든 형상의 PDMS 소자를 제작할 수는 없다는 한계를 수반한다.

도 2는 일반적인 물리적, 화학적 용해 방법을 사용하는 PDMS 주형 소자를 제작하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 3D 프린팅 기술로 출력한 주형(21)을 열 또는 압력 등의 물리적 방법 또는 화학적 용해 방법에 의해 주형(21)의 손상 없이 분리할 수 있다. 이와 같이 3D 프린팅 소재를 PDMS(22)의 주형(21)으로 활용하기 위해 기계적 적출에 의존하지 않고, 열, 압력, 화학물 등에 의한 주형 제거 기술을 통해 형태의 제한이 없는 미세 PDMS 소자 구현이 가능하다.

그러나, 기존의 3D 프린트된 주형(21)을 화학적으로 녹여서 제거하는 방법들은 다음과 같은 한계들이 있다. 일례로, 굳기 전의 PDMS(22) 내부에 3D 프린터를 이용하여 액체 금속 구조물(21)을 만들고 3D 미세 유체 채널을 제작할 수 있다. 경화된 PDMS(22) 내의 액체 금속(21)은 3D 미세 채널을 남기면서 전기 화학 반응에 의해 제거된다. 그러나, 프린트된 액체 금속(23)은 미세 채널로부터 불완전하게 제거될 수 있다. 다른 예로, 맞춤형 프린팅 노즐을 사용하여 아세톤에 의해 용해되는 ABS 주형에 PDMS를 주조할 수 있다. 맞춤형 시스템의 낮은 분해능(~500 μm) 때문에 프린트된 주형과 설계된 주형이 다를 뿐만 아니라 주형의 형상이 일부 제한된다. 또 다른 예로, 액체 n-hexane을 이용해 화학적으로 제거된 3D 프린트 왁스를 사용하여 PDMS 가상 수술 모델을 제작할 수 있다. 왁스 주형을 사용하여 직경 2 mm의 단일체 PDMS 채널을 만들었지만, 프린트된 왁스 주형을 녹이기 위한 n-hexane은 이전 연구에 따르면 PDMS의 부피를 35%까지 팽창시키기 때문에 미세 채널 표면에 심각한 변형을 일으킬 수 있다.

하이드로 겔, 탄수화물 및 polyvinyl 알코올은 물을 사용하여 제거할 수 있는 주형 물질로 보고되고 있으나, 3D 프린터의 해상도의 한계로 밀리미터 이하의 크기를 가지는 임의 형상의 미세 구조물을 제작하는 것은 불가능하다.

PDMS 미세 채널의 직접적인 3D 프린팅도 연구되었다. 맞춤형 3D 프린터는 PDMS를 압출하는 동안 지지 소재로 작용하는 친수성 Carbopol 젤 배스에서 PDMS 채널 제작을 실현한다. PDMS 채널은 인산염 완충 생리 식염수 용액을 사용하여 액화함으로써 Carbopol 겔에서 방출한다. 주형 공정이 필요 없기 때문에 PDMS의 직접적인 프린팅이 가장 간단한 접근이지만, 밀리미터 이상의 좋지 않은 해상도와 압출된 PDMS 사이의 측면 결합과 같은 해결해야 할 과제가 남아있다.

D. P. Parekh, C. Ladd, L. Panich, K. Moussa, and M. D. Dickey, Lab Chip 16(10), 1812-1820(2016).

실시예들은 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용하여 제작되어 생체에 무해한 공압 방식으로 작동하는 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터를 3D 프린팅 용해성 주형과 서포트를 이용해 실험적으로 제작하고 검증하는 기술을 제공한다.

실시예들은 3D 구조의 마이크로 벨로우 액추에이터를 PDMS의 비선형 탄성 특성을 기반으로 액추에이터의 기계적 동작을 시뮬레이션하여 설계하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법은, 벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계; 상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 단계; 상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시키는 단계; 및 상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계는, 상기 3D 프린터의 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터를 형성하기 위한 상기 주형을 수직으로 인쇄할 수 있다.

상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 단계는, 상기 주형의 각 벨로우의 가장자리 주위에 있는 복수 개의 식각 구멍들을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하며, 상기 복수 개의 식각 구멍들은 상기 벨로우의 수에 비례하여 구성될 수 있다.

상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시키는 단계는, 액상 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하여 액체 상태의 PDMS 혼합물을 상기 주형의 빈 공간에 넣고 경화시킬 수 있다.

상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시키는 단계는, 상기 주형의 빈 공간에 상기 생체적합성 물질(PDMS)을 넣을 때 생성되는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버에서 기포를 제거할 수 있다.

상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계는, 아세톤을 이용하여 화학적으로 용해하여 복제 주형을 제거하고 상기 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조할 수 있다.

공정 중 기포가 포착되어 상기 벨로우 액추에이터 내에 남아 있지 않도록 하기 위해, 공기 주입을 위한 흡입구 부분은 항상 위를 향하도록 할 수 있다.

다른 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치는, 벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 3D 프린터; 상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 서포트 구조물 제거부; 상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시키는 PDMS 경화부; 및 상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 주형 제거부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 3D 프린터는, 상기 3D 프린터의 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터를 형성하기 위한 상기 주형을 수직으로 인쇄할 수 있다.

상기 서포트 구조물 제거부는, 상기 주형의 각 벨로우의 가장자리 주위에 있는 복수 개의 식각 구멍들을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하며, 상기 복수 개의 식각 구멍들은 상기 벨로우의 수에 비례하여 구성될 수 있다.

상기 PDMS 경화부는, 액상 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하여 액체 상태의 PDMS 혼합물을 상기 주형의 빈 공간에 넣고 경화시킬 수 있다.

상기 주형 제거부는, 상기 주형의 빈 공간에 상기 생체적합성 물질(PDMS)을 넣을 때 생성되는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버에서 기포를 제거할 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터는, 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시킨 후, 상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하고, 상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시킨 후, 상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하여 제조되는 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 벨로우 액추에이터는, 탄성 소프트 폴리머인 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)로 구성되며, 공기 압력에 의한 팽창으로 인해 선형 운동을 생성할 수 있다.

실시예들에 따르면 생체적합성 물질(PDMS)을 사용하여 제작되어 생체에 무해한 공압 방식으로 작동하는 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터를 제공함으로써, 2D 박막을 쌓고 여러 개의 석판 및 정렬 단계를 필요로 하기 때문에 복잡한 기하학적 구조를 가진 유연한 공압 액추에이터를 제작하기에 부적합한 기존의 평면 미세 제작 기법의 문제점을 개선할 수 있는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

실시예들에 따르면 기존의 소프트 리소그래피 기법을 사용하여 제작할 수 없는 3D 구조의 마이크로 벨로우 액추에이터를 3D 구조의 마이크로 벨로우 액추에이터를 PDMS의 비선형 탄성 특성을 기반으로 액추에이터의 기계적 동작을 시뮬레이션하여 설계할 수 있는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 PDMS의 주조 성형 후 기계적인 방법으로 적출하는 PDMS 주형 소자를 제작하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 물리적, 화학적 용해 방법을 사용하는 PDMS 주형 소자를 제작하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 인가 압력에 대한 폰-미세스 응력 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공급 압력에 의한 액추에이터의 팽창된 변위를 비교한 결과를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 다양한 레이어 두께로 인쇄한 단면 주형을 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 3-벨로우 액추에이터의 작동 이미지를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 3-벨로우 액추에이터의 시뮬레이션과 측정 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 반복 동작에 대한 측정 실험을 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 액추에이터의 단일 작동 값에 대한 작동 변위 변화를 나타내는 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 3D 프린팅된 용해성 주형 기법을 사용하여 제작된 벨로우 액추에이터의 다양한 설계를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 인가 압력에 따른 4개의 서로 다른 벨로우 액추에이터의 변위 비교 결과를 나타낸다.
도 14는 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치를 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

아래의 실시예들은 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 사용하여 제작되어 생체에 무해한 공압 방식으로 작동하는 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터를 3D 프린팅 용해성 주형과 서포트를 이용해 실험적으로 제작하고 검증하였다. 일반적인 평면 미세 제작 기법은 2D 박막을 쌓고 여러 개의 석판 및 정렬 단계를 필요로 하기 때문에 복잡한 기하학적 구조를 가진 유연한 공압 액추에이터를 제작하기에 부적합하다.

본 실시예에서는 기존의 소프트 리소그래피 기법을 사용하여 제작할 수 없는 3D 구조의 마이크로 벨로우 액추에이터를 PDMS의 비선형 탄성 특성을 기반으로 액추에이터의 기계적 동작을 시뮬레이션하여 설계하였다. 이후, 설계된 3D 프린팅 용해성 주형 기법은 3D 프린터의 인쇄 방향과 레이어 두께에 따라 달라지는 인쇄 품질을 고려하면서 벨로우 액추에이터를 5 μm 해상도로 제작하는 데 사용되었다.

마이크로 벨로우 액추에이터는 작동 성능 평가 시, 60 kPa의 가압에서 1540 μm의 변위를 보이며 0.14 N의 힘을 가할 수 있다. 10,000회의 반복 동작 후에도 작동 특성의 변화는 0.44% 미만이었다. 또한, 다양한 설계 변경이나 다른 연성 폴리머 재료를 사용하여도 어떠한 공정 개정 없이 48시간 이내에 액추에이터의 신속한 프로토타이핑이 가능하다는 것이 입증되었다. 보고된 제작 기법은 마이크로 소프트 로봇 응용을 위해 밀봉된 부드러운 3D 공압 액추에이터를 제작하는 탁월한 방법이다.

도 3은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 단면도를 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터(310)를 설명하기 위해 하나의 예시로써 기본 모델인 3-벨로우 액추에이터(310)의 단면도를 나타낼 수 있다.

생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터(310)는 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시킨 후, 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 서포트 구조물을 제거하고, 서포트 구조물이 제거된 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시킨 후, 주형을 화학적으로 용해하여 제거하여 제조되는 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 포함하여 이루어질 수 있다. 벨로우 액추에이터(310)는 탄성 소프트 폴리머인 생체적합성 물질(PDMS)로 구성되며, 공기 압력에 의한 팽창으로 인해 선형 운동을 생성할 수 있다.

여기서, 벨로우 액추에이터(310)의 팽창은 각 벨로우의 폴리머의 두께(t), 벨로우의 높이(h), 벨로우의 각도(

), 벨로우의 반지름(w) 및 피벗 반경(c)의 영향을 받을 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 인가 압력에 대한 폰-미세스 응력 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 기본 모델인 3-벨로우 액추에이터의 60 kPa 인가 압력에 대한 폰-미세스 응력(Von Mises Stress) 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 410은 액추에이터의 외측 가장자리를 나타내고, 확대도는 벨로우의 중심 단면을 나타낸다. 여기서, 실선은 초기 상태의 액추에이터 윤곽을 나타내며, 색상은 인가 압력에 의해 변형된 형상의 폰-미세스 응력을 나타낸다. 예컨대, 빨간색 및 파란색은 각각 1.2 MPa 및 0 Pa이다.

이는, PDMS 표면의 입력 압력과 폰-미세스 응력에 대한 전형적인 편향 프로파일을 보여준다. 벨로우 액추에이터의 움직임은 벨로우 가장자리의 전개와 PDMS 박막의 확장이 동시에 기여하는 것으로 확인되었다.

도 5는 일 실시예에 따른 공급 압력에 의한 액추에이터의 팽창된 변위를 비교한 결과를 나타낸다.

도 5에 도시된 바와 같이, 설계변수의 영향을 분석하기 위해 COMSOL Multiphysics를 사용하여 공급 압력에 의한 액추에이터의 팽창된 변위를 비교할 수 있다. 각 벨로우의 높이(액추에이터의 전체 높이)가 각 매개변수 변경에 따라 달라지기 때문에 상대 변위 차이(변위 비율)를 비교하여 적절한 설계 매개변수를 결정할 수 있다. PDMS의 파괴 응력과 이전 논문의 실험 결과에 기초하여, 공기압이 최대 60 kPa까지 벨로우 액추에이터 모델의 내부 표면에 균일하게 가해졌다.

먼저, 폴리머 두께(t)는 250 μm로 결정하면서 안정적인 출력을 얻을 수 있는 3D 프린터(3Z STUDIO, Solidscape, 미국)의 성능을 고려했다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 액추에이터 변위에 대한 피벗 반경(c)의 영향은 무시할 수 있으므로 공기를 주입하는 데 필요한 튜브 직경을 고려하여 피벗 반경은 300 μm로 결정될 수 있다.

도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 5개의 서로 다른 조건(10° ~ 30°)의 벨로우 각도

에서 작동 변위를 나타낼 수 있다. 벨로우 각도가 증가함에 따라, 기울어진 벨로우 평면은 벨로우 액추에이터가 늘어나는 방향에 수직적으로 있다가 점차 수평적으로 배치된다. 따라서 기울어진 벨로우 평면의 각도는 벨로우 액추에이터의 변위에 더 크게 기여하며, 최대 변위는 20°에서 관찰된다. 같은 압력을 가했을 때 낮은 각도가 더 크더라도 변위 비율은 감소하는 경향이 있다.

도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 고정 피벗 반경이 300 μm이고 벨로우 각도가 20°인 상태에서 벨로우 반지름(w)이 증가하면 벨로우 높이가 증가하게 되며, 그 결과 변위 비율이 증가하게 된다. 따라서 설계에 큰 벨로우 반경을 갖는 것이 액추에이터 길이 증가 측면에서 유리하다. 그러나 액추에이터의 전체 부피도 과도하게 증가하기 때문에 기본 모델의 벨로우 반경은 900 μm로 설정되었다.

표 1은 벨로우 액추에이터의 주요 수치를 나타낸다. 벨로우 액추에이터의 주요 수치는 이에 제한되지는 않지만, 위의 시뮬레이션 결과를 사용하여 결정된 최적의 설계 매개변수를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[표 1]

도 6은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 제조 방법을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 작동 방향과 평행한 단면을 갖는 벨로우 액추에이터의 제조 과정을 설명한다. 벨로우 액추에이터는 3D 프린터로 제작한 용해성 주형을 사용하여 제조될 수 있다.

도 6의 (a)를 참조하면, 3D 프린팅된 주형(610)과 서포트 구조물(620)이 있는 상태를 나타낸다. 3D 구조는 CAD(computer-aided design) 소프트웨어 Autodesk Inventor(Autodesk Inc., 미국)를 사용하여 설계될 수 있다.

설계된 주형(610) 구조는 3D 프린터(3Z STUDIO, Solidscape, 미국)를 사용하여 프린터의 빌드 플랫폼과 병렬로 한 층을 그리고 수직 방향으로 이동하여 다른 층을 쌓아가며 형성된다. 각 인쇄층은 용해성 주형(610)으로 사용되는 빌드 재료(3Z-model (970120), Solidscape, 미국)와 서포트 구조물(620)로 사용되는 o-toluenesulfonamide과 p-ethylbenzenesulfonamide의 복합체 성분인 서포트 재료(3Z-support (970119), Solidscape, 미국)로 이루어질 수 있다. 3D 프린팅된 주형(610) 구조(즉, 설계 치수 대비 구조물의 형상 차이)의 품질은 각 층의 두께와 인쇄 방향(재료 적층 방향)에 따라 달라질 수 있다. 이는 도 7을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.

도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍(630)을 통해 용매가 침투하여 서포트 구조물(620)을 제거할 수 있다. 주형(610)을 3D 공간에 적층하는 데 필요한 서포트 구조물(620)은 50 °C, 400 rpm의 dewaxing solvent(Melt Dissolvable Support, Solidscape, 미국) 안에서 5시간 동안 제거될 수 있다.

다음으로, 액상 PDMS 베이스와 경화제(Sylgard 184, Dow Corning, 미국)를 15:1의 중량비로 혼합하여 진공실에서 30분간 기포를 제거할 수 있다. 액체 상태의 PDMS 혼합물(640)은 식각 구멍(630)을 통해 주형(610)에 주입되어 서포트 재료(620)를 제거하여 생성된 빈 공간을 채울 수 있다. PDMS(640)가 좁은 구멍을 메울 때 생성되었을 공기 방울을 제거하기 위해 주형(610)은 진공 챔버에서 30분 동안 공기를 빼낼 수 있다.

도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 액체 상태의 PDMS(640)가 주형(610) 내부에 부어지고 경화될 수 있다. 예컨대, 주형(610) 안의 PDMS(640)는 75°C의 오븐에서 24시간 동안 완전히 경화될 수 있다.

마지막으로, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 아세톤을 이용하여 화학적으로 용해하여 복제 주형(610)을 제거하고 PDMS 벨로우 액추에이터(640)를 완성할 수 있다. 보다 구체적으로, 주형(610)이 들어 있는 복제 PDMS 구조를 30분 동안 아세톤에 담가 주형(610)을 녹이고, 그 다음 탈이온수로 세척할 수 있다. 물을 완전히 증발시키기 위해 PDMS 벨로우 액추에이터(640)를 75°C의 오븐에서 2시간 동안 건조할 수 있다.

이전에는 3D 프린팅된 용해성 주형 기법을 개발하기 위해 주형용 용제의 용해성 및 PDMS와의 용해성 호환성을 고려했다. 주형으로 사용되는 빌드 재료(3Z 모델)는 23,000 μm/min의 식각률로 아세톤에 의해 용해되지만, 최종 구조물을 형성하는 PDMS는 용해할 수 없다. 아세톤과 접촉하는 동안 PDMS가 약 6%까지 부풀어 오르지만, 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용한 관찰 결과 건조 시 원래 부피로 빠르게 수축한 후 구조물에 주요한 결함이 남지 않는 것으로 나타났다.

본 실시예에서 3D 프린팅된 용해성 주형 기법을 용이하게 하기 위해, 주형(610) 설계에 300 μm 직경의 식각 구멍(630) 복수 개를 배치하여 최종적으로 액추에이터의 빈 공간이 될 부분에 dewaxing solvent와 액체 PDMS(640)가 들어갈 수 있도록 하였다. 또한, 공정 중에 공기 방울이 포착되어 벨로우 액추에이터 내에 남아 있지 않도록 하기 위해, 공기 주입을 위한 흡입구 부분은 항상 위를 향하도록 하였다.

도 7은 일 실시예에 따른 다양한 레이어 두께로 인쇄한 단면 주형을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 인쇄 방향(적층)과 적층 두께에 따른 인쇄된 출력의 품질을 비교한 것으로, 3Z STUDIO 프린터를 사용하여 프린터의 빌드 플랫폼에 금형을 수직 또는 수평 방향으로 인쇄할 때, 다양한 레이어 두께(6~25 μm)로 인쇄한 단면 주형 사진이다. 도 7의 (a)~(d)는 프린터의 빌드 플랫폼에 금형을 수직 방향으로 인쇄할 때의 레이어 두께에 따른 인쇄된 단면 주형 사진을 나타내고, (e)~(h)는 프린터의 빌드 플랫폼에 금형을 수평 방향으로 인쇄할 때의 레이어 두께에 따른 인쇄된 단면 주형 사진을 나타낸다. 여기서, 노란색 점선은 설계 치수와의 비교에서 설계 도형의 윤곽을 그리기 위해 각 영상에 중첩된다. 0.5 mm의 동일한 막대 눈금이 모든 사진에 적용된다. 각 표본의 단면적은 선명한 이미지를 얻기 위해 3000 그릿의 사포로 연마하였다.

수직 방향은 빌드 플랫폼 평면에서 90° 방향으로 출력 방향을 나타내며, 수평 방향은 빌드 플랫폼 평면에서 0° 방향으로 출력 방향을 나타낸다. 구조물을 인쇄할 때, 3D 프린터는 빌드 플랫폼의 수평 방향과 수직 방향에 대해 다른 해상도를 제공한다. 본 실시예에서 3Z STUDIO 프린터의 경우, 수평 방향의 평면 분해능은 5 μm(5000 DPI)이며, 6.4, 12.7, 19.1, 25.4 μm의 수직 분해능(층 두께)을 선택하여 사용한다. 결과적으로 수평 방향과 수직 방향에 따라, 다른 인쇄 해상도는 인쇄물의 세부 모양에 영향을 미친다.

기본적인 벨로우 액추에이터의 디자인은 4개의 다른 층 두께로 수직, 수평 방향으로 인쇄되어 반으로 잘랐다. 그런 다음 광학 현미경(HRM-300, HUVITZ, Korea)을 사용하여 벨로우의 가장자리 이미지를 캡처하고 각 설계 프로파일(빨간선)과 겹쳐서 인쇄된 출력의 변형을 시각적으로 비교하였다. 도 7의 (a)~(d)에서 수직 방향의 인쇄된 구조물은 원래의 설계와 비교하여 의도한 대로 날카로운 경사면이 형성되었으나, 수평으로 인쇄된 (e)~(h) 구조물은 벨로우 끝이 둥글게 변형된 형상으로 출력되었다. 층 두께는 수직 및 수평 방향으로 인쇄된 모든 표본 (a)~(h)에 유의미한 차이를 가져오지 않는다. 따라서, 의도된 설계에 가장 가까운 형태로 인쇄함으로써 기대 성능과의 불일치를 줄이기 위해 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터의 주형을 수직으로 인쇄할 수 있다. 게다가, 층 두께는 제작 시간 단축을 위해 25 μm로 지정할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 3-벨로우 액추에이터의 작동 이미지를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 10 kPa 간격으로 액추에이터의 내부에 공기 압력이 가해질 때 정지 상태인 3-벨로우 액추에이터의 이미지를 나타낸다. 튜브를 통해 연결된 주사기의 압축은 내강 내 기압을 증가시켜 액추에이터가 팽창하게 한다. 최대 60 kPa의 압력이 공급되며, 이는 파괴 응력으로 인해 파손되기 전에 PDMS가 견딜 수 있는 경험적 최대 압력이다. 제작된 액추에이터는 벨로우 수를 기준으로 이름이 지정되었다. 3-벨로우 액추에이터의 작동은, 도 8에 도시된 바와 같이, 현미경을 사용하여 캡처한 이미지(ViTiny UM12, 미국)로 표시되며, 공급 압력을 10 kPa까지 증가시킨다. 3-벨로우 액추에이터는 이전의 시뮬레이션 연구와 인쇄 조건에서 결정된 설계 매개변수에 따라 인쇄된 용해성 주형을 사용하여 제작되었다.

도 9는 일 실시예에 따른 3-벨로우 액추에이터의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 9의 (a)를 참조하면, 인가 압력의 함수로서 3-벨로우 액추에이터 상단에서 측정된 변위를 나타낸다. 오차 막대는 5개의 측정된 소자의 데이터의 최소값과 최대값을 나타낸다. 변위는 액추에이터가 초기 상태(0 kPa)일 때와 팽창 상태일 때 액추에이터 상단이 이동하는 거리의 차이를 말한다. 튜브 연결용 흡입구를 제외한 총 길이가 1,200 μm인 3-벨로우 액추에이터는 60 kPa의 가압에서 1,540 μm의 변위를 보여 액추에이터의 스트로크가 길이보다 128% 더 길다는 것을 나타냈다. 동일한 입력 압력에 대해 동일한 디자인의 벨로우 액추에이터 표본 5개를 측정한 결과, 최대 5.9%의 차이를 보였다. 반면, 같은 표본에서 액추에이터가 팽창하고 감압되었을 때의 변위차는 최대 3.1%로 나타났다. 이는 입력 압력에 대한 동작 응답의 히스테리시스는 무시할 수 있음을 의미한다.

액추에이터는 제공된 압력 하에서 부드러운 PDMS 표면을 팽창시키는 메커니즘뿐만 아니라, 제공된 압력 때문에 접힌 벨로우 가장자리가 작동 방향으로 확장되는 메커니즘에 의해 구동된다. 그러나 45 kPa 이후 시뮬레이션 값과 측정 값 사이에는 차이가 있으며, 이는 다음과 같은 이유로 인해 발생할 가능성이 가장 높다. (1) 도 8에 도시된 바와 같이, 3-벨로우 액추에이터도 고압에서 작동 방향으로 수평으로 부풀어오른 것을 관찰하였고, 점차적으로 벨로우 액추에이터 반경(w)을 증가시켰다. 이는 PDMS의 비선형 기계적 특성(응력-변형도 선도) 때문에 3-벨로우 액추에이터가 적용된 압력에 대해 비선형 반응을 보인다. (2) PDMS의 탄성 특성은 베이스와 경화제의 혼합비에 의해 영향을 받는다. (3) 측정된 성능은 시뮬레이션에 적용된 Ogden 모델의 매개변수와의 불일치로 인해 불일치를 보였다.

도 9의 (b)를 참조하면, 다른 압력에 따라 팽창하는 방향으로 측정했을 때 액추에이터가 가하는 힘(마커)을 나타낸다. 액추에이터 상단이 수직 방향으로 가하는 중량은 전자 눈금(TC-20 A형, Creattwo, 대한민국)을 사용하여 측정하고 중력 가속을 곱하여 힘을 얻는다. 액추에이터는 적용 압력에 따라 최대 0.14 N까지 선형적으로 증가하는 힘을 가하며, 범위는 0~60 kPa이다. 외부에서 가해진 공기 압력이 액추에이터의 내부 벽에 균일하게 가해져 벨로우 액추에이터가 가하는 힘의 형태로 직접 전달되어 선형 반응을 보인다.

도 10은 일 실시예에 따른 벨로우 액추에이터의 반복 동작에 대한 측정 실험을 나타내는 도면이다.

벨로우 액추에이터를 구성하는 소프트 폴리머의 탄성은 공기 압력에 의한 반복 팽창에 의해 손상될 수 있으며, 이는 안정적 작동에 영향을 미친다. 본 실시예에서 보고된 벨로우 액추에이터는 두께 250 μm의 얇은 PDMS 필름과 날카로운 벨로우 가장자리로 구성되어 있기 때문에 반복적인 팽창으로 PDMS 내외부의 미세 균열이 발생할 수도 있으므로 액추에이터의 성능을 확인하기 위해 반복성 테스트를 수행해야 한다.

도 10을 참조하면, 벨로우 액추에이터(1000)의 반복성 테스트를 위한 측정 실험을 나타내며, 공압 컨트롤러는 실시간 모니터링 및 압력 센서를 사용하여 액추에이터(1000)에 일정한 압력을 반복적으로 가할 수 있다. 벨로우 액추에이터(1000)의 반복 작동을 위해 선형 모터(미니어 선형 모션 시리즈, L16, 캐나다)(1010), 주사기(1020), 압력 센서(33A 시리즈, SHIBA Co, 대한민국)(1030), 아두이노 제어기(싱글보드 마이크로컨트롤러(예컨대, Arduino Uno, Arduino, 이탈리아))(1040), DC 전원 공급 장치(3631A, Agilent, 미국)로 구성된 공압 컨트롤러가 구성되었다. 6 V에서 구동되는 선형 모터(1010)는 주사기(1020)의 피스톤 로드 역할을 하므로 아두이노 제어기(1040)의 제어 신호에 따라 10 ml 주사기(1020) 플랜지 조절하여 공기압을 제어한다. 압력 센서(1030)는 T-커넥터를 통해 주사기(1020)와 액추에이터(1000) 사이에 연결되어 실시간으로 공급되는 압력을 측정하며, 아두이노 플랫폼은 지정된 압력 및 사이클에서 액추에이터(1000)의 작동을 제어한다. 액추에이터(1000)의 작동은 현미경(1050)을 사용하여 모니터링한다.

도 11은 일 실시예에 따른 액추에이터의 단일 작동 값에 대한 작동 변위 변화를 나타내는 도면이다.

도 11을 참조하면, 3-벨로우 액추에이터로 초기 60 kPa 주입 후 반복 작동 중 상대적인 변위 변화를 나타낸다. 보다 구체적으로, 60 kPa의 가압으로 6개의 표본이 최대 10,000회 반복적으로 작동하는 동안 액추에이터의 단일 작동 값에 대한 작동 변위 변화를 나타낸다. 여기서, 오차 막대는 6개의 독립 측정에서 얻은 표준 편차를 나타낸다.

6개의 3-벨로우 액추에이터 표본은 서로 다른 날짜에 제작되었다. 동일한 압력으로 작동하여 발생한 길이의 차이는 1,000회까지는 200번마다, 10,000회까지는 2,000번마다 측정되었다. PDMS 벨로우 액추에이터는 최대 동작 범위를 10,000회 반복한 후 변위가 0.44% 미만 증가하는 것을 보였다. 이 성능은 도 9에서 서로 다른 가공된 벨로우 액추에이터 사이의 상대 변위 순서와 동일하므로 개발된 벨로우 액추에이터의 뛰어난 반복성을 입증한다. 연성 폴리머의 전단 저항 감소로 인한 변형률 연화 현상 때문에 연성이 반복될 때 상대 변위가 점진적으로 증가한다고 볼 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따른 3D 프린팅된 용해성 주형 기법을 사용하여 제작된 벨로우 액추에이터의 다양한 설계를 나타낸다.

도 12의 (a)~(d)는 인가 압력이 없을 때와 최대 인가 압력이 가해졌을 때의 사진을 겹친 것이다. 보다 구체적으로, 도 12의 (a)는 기본 PDMS 3-벨로우 액추에이터이고, (b)는 PDMS 5-벨로우 액추에이터이며, (c)는 PDMS 7-벨로우 액추에이터이고, (d)는 Ecoflex 5-벨로우 액추에이터이다.

기본 설계로 검증된 3-벨로우 액추에이터는 외압 60 kPa에서 1540 μm의 스트로크를 가진다. 다른 애플리케이션에서는 서로 다른 작동 특성이 요구되어 전체적인 설계 매개변수의 변경을 의미한다. 일반적인 미세조립과 비교해 볼 때 3D 프린팅 용해성 주형 기법에 기초한 벨로우 액추에이터의 설계 유연성과 빠른 프로토타이핑이 주된 장점이다. 힘, 변위 및 접촉 영역에 영향을 미치는 벨로우 액추에이터의 설계 매개변수는 3D CAD 설계에 통합되어 있다. 따라서 전체 프로세스의 변경 없이 48시간 이내에 수정된 벨로우 액추에이터에 설계의 변화가 즉시 반영될 수 있다는 것이 실현된다.

도 13은 일 실시예에 따른 인가 압력에 따른 4개의 서로 다른 벨로우 액추에이터의 변위 비교 결과를 나타낸다.

도 13을 참조하면, 도 12에서 설명한 인가 압력에 따른 4개의 서로 다른 벨로우 액추에이터의 변위 비교 결과를 나타낸다. 여기서, 변위는 각 액추에이터의 초기 상태(0 Pa)에서 위쪽 끝 단을 기준으로 이동한 거리를 측정하였다.

비교를 위해 도 7의 (b) 및 (c)와 기본 3-벨로우 액추에이터(a)는 동일한 제작 프로세스를 사용하여 얻은 PDMS 5 및 7-벨로우 액추에이터의 동작을 보여준다. 5-벨로우 및 7-벨로우 액추에이터는 힘을 유지하기 위해 3-벨로우 액추에이터와 동일한 접촉 영역을 갖도록 설계된다. 더욱이 이들은 각각 33%와 100%의 더 긴 변위를 가진다. 5 및 7-벨로우 액추에이터와 같이 비교적 긴 액추에이터의 경우에도 3D 프린팅 과정에서 더 긴 시간(50% 및 100%)이 필요하다는 점을 제외하면 이후의 모든 프로세스에 필요한 시간은 동일하다. 이것은 반복적인 식각 구멍이 용해성 주형의 각 아래쪽 가장자리에 추가되기 때문이다.

따라서 벨로우 수가 증가함에 따라 3D 설계 전반에 걸쳐 비례적으로 배치된 식각 구멍의 수도 증가하게 되며, 이를 통해 서포트 재료를 제거하는 데 필요한 시간과 PDMS 주조에 필요한 시간이 기본 설계에서 요구되는 시간과 일치하게 된다. 3D 프린팅된 주형 기법은 같은 압력 하에서 변위 변화로 보다 긴 액추에이터를 신속하게 설계하고 제작할 수 있다는 점에서 실용적 우위에 있다. 동일한 이유로 더 큰 힘을 발휘하기 위해 더 긴 벨로우 반경을 가진 액추에이터를 신속하게 설계할 수 있다.

본 실시예에서 발명한 제작 기법을 이용한 구조물의 재료는 PDMS에만 국한되지 않고, 소프트 로봇 공학에 널리 사용되는 다양한 폴리머(예: 다양한 혼합비를 가진 Ecoflex)에도 적용된다. PDMS는 영률이 ~ 0.5 Mpa이고, Ecoflex는 ~ 0.1 Mpa이다. Ecoflex가 보다 유연하게 팽창함에 따라 Ecoflex 재질의 5-벨로우 액추에이터는 도 13의 (d)와 같이 60 kPa 공급 압력으로 2,960 μm의 변위로 작동한다.

도 14는 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법은, 벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계(S110), 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 서포트 구조물을 제거하는 단계(S120), 서포트 구조물이 제거된 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시키는 단계(S130), 및 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계(S140)를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법은, 도 6을 참조하여 상술하였으며, 아래에서는 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치를 예를 들어 설명한다.

도 15는 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치를 나타내는 블록도이다.

도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치(1500)는 3D 프린터(1510), 서포트 구조물 제거부(1520), PDMS 경화부(1530) 및 주형 제거부(1540)를 포함하여 이루어질 수 있다.

단계(S110)에서, 3D 프린터(1510)를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시킬 수 있다. 이 때, 3D 프린터(1510)의 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터를 형성하기 위한 주형을 수직으로 인쇄할 수 있다.

단계(S120)에서, 서포트 구조물 제거부(1520)는 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 서포트 구조물을 제거할 수 있다. 여기서, 서포트 구조물 제거부(1520)는 주형의 각 벨로우의 가장자리 주위에 있는 복수 개의 식각 구멍들을 통해 용매를 침투시켜 서포트 구조물을 제거하며, 복수 개의 식각 구멍들은 벨로우의 수에 비례하여 구성될 수 있다.

단계(S130)에서, PDMS 경화부(1530)는 서포트 구조물이 제거된 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시킬 수 있다. PDMS 경화부(1530)는 액상 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하여 액체 상태의 PDMS 혼합물을 주형의 빈 공간에 넣고 경화시킬 수 있다. 또한, PDMS 경화부(1530)는 주형의 빈 공간에 생체적합성 물질(PDMS)을 넣을 때 생성되는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버에서 기포를 제거할 수 있다.

단계(S140)에서, 주형 제거부(1540)는 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 주형 제거부(1540)는 아세톤을 이용하여 화학적으로 용해하여 복제 주형을 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조할 수 있다. 그리고, 공정 중 기포가 포착되어 벨로우 액추에이터 내에 남아 있지 않도록 하기 위해, 공기 주입을 위한 흡입구 부분은 항상 위를 향하도록 할 수 있다.

실시예들은 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터를 활용하여 병원에서 수술용 로봇으로 활용 가능하다. 마찬가지로, 실시예들은 식품 가공업에서 음식물이 상처입지 않도록 하는 자동화 기계의 그리퍼용으로 활용 가능하다. 또한, 실시예들은 생체적합 소재의 능동형 미세 유체 소자(채널 형상가변 소자, 펌프, 벨브, 믹서 등) 개발을 통해 랩온어칩으로 활용 가능하다.

실시예들은 생체적합 소재로 구성된 능동형 미세 유체 소자(펌프, 밸브, 믹서 등) 개발에 직접 적용되어 생화학 분야에서 면역검출(immunodetection), 세포 증식 및 선별(cell culture & screening) 소자로 활용될 것으로 기대된다. 또한 작업 로봇의 그리퍼로서 활용되어 쓰레기 수거 및 분류, 식료품 공장의 자동화 기계에 활용될 것으로 기대된다.

이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims

벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계;
상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 단계;
상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시키는 단계; 및
상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계
를 포함하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 단계는,
상기 3D 프린터의 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터를 형성하기 위한 상기 주형을 수직으로 인쇄하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 단계는,
상기 주형의 각 벨로우의 가장자리 주위에 있는 복수 개의 식각 구멍들을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하며, 상기 복수 개의 식각 구멍들은 상기 벨로우의 수에 비례하여 구성되는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시키는 단계는,
액상 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하여 액체 상태의 PDMS 혼합물을 상기 주형의 빈 공간에 넣고 경화시키는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(PDMS)을 넣고 경화시키는 단계는,
상기 주형의 빈 공간에 상기 생체적합성 물질(PDMS)을 넣을 때 생성되는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버에서 기포를 제거하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계는,
아세톤을 이용하여 화학적으로 용해하여 복제 주형을 제거하고 상기 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
제1항에 있어서,
공정 중 기포가 포착되어 상기 벨로우 액추에이터 내에 남아 있지 않도록 하기 위해, 공기 주입을 위한 흡입구 부분은 항상 위를 향하도록 하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 방법.
벨로우 액추에이터를 형성하기 위해 3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시키는 3D 프린터;
상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하는 서포트 구조물 제거부;
상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시키는 PDMS 경화부; 및
상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 주형 제거부
를 포함하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 3D 프린터는,
상기 3D 프린터의 빌드 플랫폼에 벨로우 액추에이터를 형성하기 위한 상기 주형을 수직으로 인쇄하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 서포트 구조물 제거부는,
상기 주형의 각 벨로우의 가장자리 주위에 있는 복수 개의 식각 구멍들을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하며, 상기 복수 개의 식각 구멍들은 상기 벨로우의 수에 비례하여 구성되는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 PDMS 경화부는,
액상 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하여 액체 상태의 PDMS 혼합물을 상기 주형의 빈 공간에 넣고 경화시키는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 주형 제거부는,
상기 주형의 빈 공간에 상기 생체적합성 물질(PDMS)을 넣을 때 생성되는 기포를 제거하기 위해 진공 챔버에서 기포를 제거하는 것
특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
제8항에 있어서,
상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하고 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 단계는,
아세톤을 이용하여 화학적으로 용해하여 복제 주형을 제거하고 상기 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터를 제조하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터의 제조 장치.
3D 프린터를 사용하여 용해성 주형으로 사용되는 빌드 재료와 서포트 구조물로 사용되는 서포트 재료를 적층시킨 후, 상기 주형의 벨로우의 가장자리 주위에 있는 식각 구멍을 통해 용매를 침투시켜 상기 서포트 구조물을 제거하고, 상기 서포트 구조물이 제거된 상기 주형의 빈 공간에 액체 상태의 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)을 넣고 경화시킨 후, 상기 주형을 화학적으로 용해하여 제거하여 제조되는 생체적합성 물질(PDMS)의 벨로우 액추에이터
를 포함하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터.
제14항에 있어서,
상기 벨로우 액추에이터는,
탄성 소프트 폴리머인 생체적합성 물질(polydimethylsiloxane, PDMS)로 구성되며, 공기 압력에 의한 팽창으로 인해 선형 운동을 생성하는 것
을 특징으로 하는, 생체적합성 마이크로 소프트 벨로우 액추에이터.