As micro devices become smaller, the ability to manipulate micro elements with highly accurate control is increasingly important. Because the friction force is dominant at a micro scale, it is difficult to apply kinematic design to a micro moving element. Moving elements based on elastic design allow precise movements without any friction. In this thesis, motion-transforming and basic operating elements have been designed based on the elastic design concept.
For motion-transforming elements, the multi-link structure based on elastic design has been proposed for translational and rotational movements. By calculating the strain of the link, the width of the hinge is designed to be twice thicker of the width of the link. The element can be used to convert linear motion to rotational motion when the motion-transforming elements is driven by wire actuation. The element can be also used for reducing a large movement to a precise smaller movement. The movement of designed motion-transforming elements has been evaluated by FEM simulation and tested experimentally. As one of the applications, the motion-transforming elements have been applied to a micro-catheter. The target diameter of catheter was 3.5mm. The accurate positioning and surgical movement of the catheter is controlled by motion-transforming elements attached to Operating Mini-Station (OMS).
Basic operating elements have been also proposed based on the elastic design concept. New 3D micro-joint has been designed based on a cross-spring that has precise and reliable rotational motion. However, the cross-spring has a limitation in the range of rotational angle. By adding the helical structure, the modified rotational joint can achieve much enlarged rotational movement. A new micro translational joint based on the elastic-design concept has been designed for large and precise translational motion. Taking advantage of the elastic deformation of spiral structures, the new translational joint is able to accomplish precise movements over the long distance. By the nano-stereolithography process, basic operating elements have been fabricated with sub-micron fabrication resolution. Through the finite element method (FEM) simulation and the experimental test by optical trapping force, the proposed basic operating elements have been shown to achieve large, but still precise movement. The basic operating elements can be further used for various micro applications. In this thesis, basic operating elements have been applied to a micro device for cell manipulation.
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.
