Functional Sensor and Actuator Fabricated Using Additive Manufacturing for Various Applications: Health Monitoring and Soft Gripper

Abstract

Recently, additive manufacturing (AM) has garnered attention as a promising technology in various fields, such as the medical devices and aerospace industries, owing to its rapid prototyping capability for complex production. Among the various AM types, the material extruder type can provide a useful function with the biocompatible and biodegradable polymer, polylactic acid (PLA). Using AM and material properties, a unique structure can be printed, and these two factors assist in the fabrication of functional devices, sensors, and actuators. In this thesis, a flexible pressure sensor with a distinctive microstructure fabricated by a novel method using AM and the shape memory property of PLA, and a thermally actuated soft gripper with a tunable adhesion state in response to heat are described. First, for a flexible pressure sensor, a microstructure with a concentric circle pattern (CCP) was fabricated on a two-dimensional plane using a novel method. This is called the compression method, in which a cone-shaped product of PLA is compressed into a plane above its glass transition temperature (Tg), leaving a rough surface in the plane. The size of the CCP was controlled by changing the printing layer height (PLH), a manufacturing parameter. A flexible pressure sensor was fabricated by replicating its structure in polydimethylsiloxane and coating it with poly(3,4 ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) as a conductive layer. The sensitivity increases as the PLH increases, and the pressure sensor with a 0.16 mm PLH exhibits outstanding sensitivity (160 kPa-1), corresponding to a linear pressure range of 0–0.577 kPa. This pressure sensor also exhibited stable and repeatable operation under various pressures and durability at 6.56 kPa for 4000 cycles. This pressure sensor is feasible for use in health- monitoring applications such as wrist pulse, swallowing activity, and word pronunciation. Finally, for the thermally actuated soft gripper, a structure with PLA was printed for actuation using AM, and a silicone elastomer was cured in the structure to enable adhesion to objects. The soft gripper was inspired by the adhesion mechanism of an aphid, and the change in adhesion was based on the shape-memory property of PLA, which reacts to external heat at the temperature boundary of Tg. The detachment time can be controlled by changing the PLH, which results in a shorter detachment time when it is small. The analysis was conducted using heat transfer simulations. In addition, the reversibility between the adhesion-on and adhesion-off states was demonstrated, revealing good repeatability with similar adhesion strengths. This soft gripper has potential applications in the transfer of Si wafers. It can also be printed to fit a flat plate of any shape, enabling it to grip the plates stably by transferring the acrylic plates of a word shape.|최근 적층 제조 (AM) 기술은 복잡한 제품을 신속하게 시제품으로 제작이 가능하여 의료기기, 항공우주 산업 등 다양한 응용 분야에서 유망한 기술로 주목받고 있다. 다양한 AM 방식 중 재료 압출 방식은 생체 적합성 및 생분해성 고분자인 폴리젖산 (PLA)을 사용하여 사용자에게 유용한 기능을 제공할 수 있다. 예를 들면, AM과 소재의 특성에 따라 독특한 구조의 출력이 가능하며, 이 두가지 요소는 기능성 센서와 액츄에이터 제작을 가능하게 한다. 본 학위 논문에서는 PLA의 형상기억 특성과 AM을 이용한 새로운 방법으로 제작된 독특한 미세구조를 갖는 유연 압력 센서와 열에 반응하여 접착 상태를 조절할 수 있는 열 반응 소프트 그리퍼에 대해 기술한다. 먼저 새로운 공정 방법인 압축법을 개발하여 유연한 압력센서의 동심원 패턴 (CCP)을 갖는 미세구조를 제작하였다. CCP를 2차원 평면에 형성하는 새로운 공정 방법은 원뿔형의 출력된 제품을 유리전이온도 이상에서 압축하여 AM기술로 인한 거친 표면을 평면에 남기도록 하는 방법이다. CCP의 크기는 제조 파라미터 중 하나인 인쇄 층 높이 (PLH)를 변경하여 조절할 수 있으며, 수학적으로 나타낼 수 있다. 유연한 압력 센서는 PDMS로 미세 구조를 복제하고 전도성 폴리머인 PEDOT:PSS를 도포하여 제작된다. 제작된 압력센서의 민감도는 PLH가 증가함에 따라 증가하며, 0.16 mm PLH의 압력센서는 0–0.577 kPa의 선형 압력 범위에 해당하는 뛰어난 감도 (160 kPa-1)를 보인다. 또한, 이 압력센서는 다양한 압력에서 안정적이고 반복 가능한 작동과 6.56 kPa 압력에서 4000회의 반복에 대해 내구성을 보여준다. 이 압력 센서는 손목 맥박, 연하 활동, 단어 발음과 같은 건강 모니터링에 활용 가능하다는 것을 보여준다. 마지막으로 열 반응 소프트 그리퍼의 경우, 3D 프린팅을 통해 열에 반응하여 작동되는 구조물을 출력한 후 실리콘 탄성 중합체를 경화시켜 옮기고자 하는 물체에 접착할 수 있도록 한다. 소프트 그리퍼는 진딧물의 접착 메커니즘에서 영감을 얻었으며, 접착력의 변화는 외부 열에 반응하는 PLA의 형상 기억 특성을 기반으로 유리전이온도를 경계로 외부 열에 대해 반응한다. PLH를 변화시킴으로써 접착된 물체를 분리하는 분리 시간을 조절할 수 있고 PLH가 낮을수록 빠르게 분리되는 경향을 보였다. 이에 대한 분석은 열전달 시뮬레이션을 이용해 진행되었다. 접착 상태와 비접촉 상태 사이의 가역성도 입증되어 유사한 접착 강도로 우수한 반복성을 보여준다. 이러한 특성을 이용해 소프트 그리퍼가 실리콘 웨이퍼 이송에 응용될 수 있음을 실험을 통해 입증하였다. 또한, AM 기술을 통해 소프트 그리퍼를 임의의 모양의 평판에 맞추어 제작할 수 있기 때문에 안정적으로 글자 모양의 아크릴 판을 이송할 수 있음을 보여준다.