[논문]형상기억합금(SMA) 스티어링 카테터의 반응속도 향상을 위한 펠티어 열전소자의 열전기적 특성 평가

오동준; 김철웅; 김태영; 이호상; 김재정

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.3.301

형상기억합금(SMA) 스티어링 카테터의 반응속도 향상을 위한 펠티어 열전소자의 열전기적 특성 평가
Evaluation of Thermoelectric Characteristics of Peltier Thermoelectric Module for Increasing Response Velocity in Shape Memory Alloy (SMA) Steering Catheter 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.3 = no.294, 2010년, pp.301 - 307

오동준 (안동대학교 기계교육과) , 김철웅 (고려대학교) , 김태영 (트리플씨메디칼 부설연구소) , 이호상 (트리플씨메디칼 부설연구소) , 김재정 (한양대학교 기계공학과)

초록
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형상기억합금(SMA)을 이용한 액추에이션 방식은 차세대 의료기기 시장을 선도할 중요한 핵심기술이다. 그 이유는 인간의 손동작과 같은 유연성과 섬세한 움직임을 구현할 수 있어서 시술자의 정교한 최소침습술(MIS) 테크닉을 그대로 인체내 병변치료에 적용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 아직까지 SMA 액추에이터가 상용화에 크게 성공을 거두지 못한 이유는 SMA 고유의 히스테리시스(hysteresis)와 같은 비선형적 동특성이 아직 해결되지 못하고 있기 때문이다. 이러한 한계성을 극복해줄 수 있는 방안으로 본 저자는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자를 SMA 카테터에 결합하여 능동적이고 신속하게 급열 급랭할 수 있는 SMA 액추에이터를 특허등록하였고, 본 연구를 통해 열전소자의 연속전류의 단계적 전류증가에 따른 온도변화, 불연속 정전류 역전류에 따른 온도변화를 평가하고 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Actuation using a shape memory alloy (SMA) is considered to be an important technology that will play a leading role in market for next-generation medical devices because an SMA actuator can accurately imitate skillful and delicate hand movements. However, SMA actuators have not been successfully used because of problems in control design caused by the nonlinear hysteresis effect of SMA, which leads to inaccuracies in control systems. In order to overcome the effect, the authors invented a SMA actuator, which could actively and rapidly cool down and heat up, by combining a SMA catheter and a TE module using the Peltier effect. In order to evaluate the TE characteristics of our TE module system, the changes in the temperature with 1) incremental increases in a continuous electric current and 2) the appearance of a discontinuous constant or reverse current are discussed in this paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전류값이 지속적으로 증가하여 주울열이 우세해지면 전류의 증가는 더 이상 흡열량을 증가시키지 못하여 냉방효과를 저하시키므로 최대허용전류(I_max)를 정확히 파악해야한다.⁽¹⁰⁾ 본 연구에서는 이상의 고전적 열전소자의 구조를 Fig. 3 및 Fig. 4와 같이 SMA 카테터에 적용 가능하도록 개발하였다. 상용화된 열전모듈의 패턴은 127쌍의 열전 P-N 반도체 쌍이 직렬로 연결되어 하나의 소자를 구성하므로 하나의 P-N 반도체 구성만 손상되어도 전체모듈이 구동할 수 없다.
본 연구는 인체내 병변에서 자유롭게 방향제어가 가능한 SMA 스티어링 카테터를 개발하기 위한 기초 연구로서, SMA의 흡발열을 신속하게 제어하기 위한 펠티어 열전소자의 열전기적 특성을 평가하고 다음과 같은 결론을 유도하였다.
이러한 SMA의 히스테리시스에 대한 한계성을 극복해줄 수 있는 방안으로 본 저자는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자를 SMA 카테터에 결합하여 능동적이고 신속하게 급열·급랭할 수 있는 SMA 액추에이터를 개발하였고, Fig. 1과 같이 사체를 이용한 수핵성형술에 적용해 보았다.

제안 방법

SMA 액추에이션 기술을 이용하여 카테터를 제어하는 방식은 액추에이터의 구동부에 해당하는 SMA와 펠티어 열전소자가 융합된 니들팁 파트의 무게당 힘발생 비율, 에너지 집적도, 방향제어 기술 등에 의해 그 완성도가 결정된다. 따라서 본 연구는 첫 번째 기초연구로서, 자체 개발한 열전소자의 열전기적 특성을 평가하기 위해 1) 연속전류의 단계적 전류증가에 따른 온도변화, 2) 불연속 정전류 역전류에 따른 온도변화를 평가하고 고찰하였다.
따라서 본 저자는 Fig. 8에 제시한 바와 같이 발열부(T1)와 흡열부(T2)를 인위적으로 실시간 온도 보상하여 온도차(ΔT) 영역까지도 시술자가 마음대로 컨트롤할 수 있는 전자회로를 설계하였다.
1A씩 연속 증가시킬 때의 열전소자 발열부(T1) 및 흡열부(T2) 에서의 온도변화를 관찰하였다. 또한, SMA 카테터 시술시 실제 적용가능한 12V, 1.0A 조건과 12V, 2.0A 조건에서 120초 단위로 정전류와 역전류를 통할 경우, 열전소자 T1과 T2의 온도변화 거동을 관찰하였다.
본 절에서는 SMA 카테터 시술시 실제 적용가능한 12V, 1.0A 조건과 12V, 2.0A 조건에서 120초 단위로 정전류와 역전류를 인가할 경우, 열전소자 발열부(T1) 및 흡열부(T2)의 온도변화 거동을 관찰하였다. Fig.
본 절에서는 직류전압 12V 조건에서 0.1A부터 4.0A로 전류를 60초 단위로 0.1A씩 연속증가시킬 때 열전소자의 발열부(T1) 및 흡열부(T2)에서의 온도변화를 관찰하였다. Fig.
이상의 실험장비를 이용하여 직류전압 12V 조건에서 0.1A부터 4.0A로 전류를 60초 단위로 0.1A씩 연속 증가시킬 때의 열전소자 발열부(T1) 및 흡열부(T2) 에서의 온도변화를 관찰하였다.

대상 데이터

프로그래머블 직류전원공급기(Programmable DC power supply)는 ODA사의 OPE-505S를 사용하였고, 온도데이터저장기(Thermometer datalogger)는 EXTECH Instrument사의 EasyView™15를 사용하였다. 또한, 오실로스코프(oscilloscope)는 Tektronix사의 TDS-2022B를 사용하였다. 온도변화는 전기에 비해 반응속도가 매우 느리므로 데이터 습득률(data sampling rate)은 1/sec로 적용하였다.
프로그래머블 직류전원공급기(Programmable DC power supply)는 ODA사의 OPE-505S를 사용하였고, 온도데이터저장기(Thermometer datalogger)는 EXTECH Instrument사의 EasyView™15를 사용하였다.

성능/효과

(1) 본 연구에서 개발한 열전소자 모듈은 연속전류 단계적 상승 실험에서 12V 조건 경우, 0.4A 이상부터 온도차(ΔT)가 발생되기 시작해서 1.0A~3.0A 조건에서 최대온도차(ΔTmax)가 발생하였다.
(3) 12V, 1.0A 및 12V, 2.0A 조건에서 120초씩 정전류 역전류 반복시험을 수행한 결과, 각 구간 별 온도차(ΔT)는 다르게 나타났다.
(4) 12V, 1.0A 조건의 정전류 역전류 반복시험에서 흡열부(T2)의 온도변화는 거의 나타나지 않았고, 2.0A에서 흡열부(T2)는 온도차(ΔT)=10℃ 내외로 미약하게 나타났다.
1) 12V, 1.0A에서 최대온도차(ΔTmax)는 대략 30℃ 정도로 나타났고, 12V, 2.0A 조건에서 최대온도차(ΔTmax)는 무려 70℃ 정도로 나타났다.
2) 동일한 전압(V), 전류(A) 조건에서 120초씩 정전류와 역전류를 통할 경우, 각 구간별 온도차(ΔT)는 일정해야하지만 본 실험에서의 구간 온도차(ΔT)는 다르게 나타났다.
1A 이상에서는 별도의 온도 컨트롤 장치가 필요 함을 알 수 있었다.3) SMA 카테터가 인체 내에서 실제 적용되는 온도대인 영역(II)에서는 비교적 안정한 곡선이 나타났으나, 인체에 적용하기 위해서는 더욱 정밀한 온도 제어를 위한 장치가 필요하다.4) Fig.
영역 간의 정확한 비교를 위해 그래프의 x-y-축 스케일을 동일하게 적용하였다. Fig. 6을 자세히 살펴보면, 1) 동일 전류량 내에서 온도는 불규칙적인 패턴으로 꾸준히 변화하며 지속적인 상승을 나타내었고, 전류(A)가 증가할수록 온도상승 구배가 커졌다.2) 0.
0A에서 흡열부(T2)는 온도차(ΔT)=10℃ 내외로 미약하게 나타났다. 또한, 발열부(T1)는 전류(A)가 일정한 동일구간 내에서도 불규칙한 변화를 나타냈고, 발열부(T1)의 온도변화 폭도 1.0A보다 2.0A에서 더 크게 나타났다.
7(b))에서 정전류와 역전류의 반복 횟수가 증가할수록 온도차(ΔT)는 증가하는 것으로 나타났다. 이상의 내용을 통해 유추해보면, 본 저자가 자체개발한 열전소자 단순모델의 성능개선을 위해서는 별도의 온도 컨트롤러가 필요함을 알 수 있었다. 따라서 본 저자는 Fig.

후속연구

향후에는 더욱 개선된 기술을 바탕으로 병변 인근조직의 괴사를 방지할 수 있는 42℃ 이하에서 SMA 카테터 니들팁을 자유롭게 방향조종할 수 있는 열전소자를 개발하고 그 실험결과를 평가할 예정이다. 또한 상용화된 열전소자와의 비교를 통하여 본 기술의 우수성 및 개선점을 검토해 나갈 예정이다.
이상의 내용을 종합한 결과, 본 저자가 자체개발한 열전소자 단순모델은 발열부(T1), 흡열부(T2)를 실시간 온도보상하여 온도차(ΔT)를 수술자가 인위적으로 컨트롤할 수 있는 전자회로가 필요하며 향후 전자회로를 통한 열전소자의 열전기적 거동을 평가할 예정이다.
3과 같은 요추부 디스크 수핵 감압, 대퇴경골부의 연조직 삭마, 전후방십자인대 의 파열 수술용 소작 등에 적용될 예정이므로 수술 도중 1~2분 동안의 카테터 적용으로 수술의 성패가 좌우되기 때문에 열전소자 흡발열부의 초기 온도보상은 매우 중요한 핵심기술이고, 의도하기 않은 온도차에 대한 보상용 컨트롤러는 필수적이다. 향후에는 더욱 개선된 기술을 바탕으로 병변 인근조직의 괴사를 방지할 수 있는 42℃ 이하에서 SMA 카테터 니들팁을 자유롭게 방향조종할 수 있는 열전소자를 개발하고 그 실험결과를 평가할 예정이다. 또한 상용화된 열전소자와의 비교를 통하여 본 기술의 우수성 및 개선점을 검토해 나갈 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SMA의 히스테리시스의 한계성을 극복할 방법으로 본 저자가 개발한 것은?	그러나 현재까지도 SMA 액추에이터가 상용화에 크게 성공을 거두지 못한 이유는 SMA 고유의 히스테리시스(hysteresis)와 같은 비선형적 동특성이 아직 해결되지 못하고 있기 때문이다. 이러한 SMA의 히스테리시스에 대한 한계성을 극복해줄 수 있는 방안으로 본 저자는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자를 SMA 카테터에 결합하여 능동적이고 신속하게 급열·급랭할 수 있는 SMA 액추에이터를 개발하였고, Fig. 1과 같이 사체를 이용한 수핵성형술에 적용해 보았다.
	SMA 액추에이터가 사용화에 성공을 거두지 못하는 이유는?	(1) 특히 SMA를 이용한 액추에이션 방식이 차세대 의료기기 시장을 선도할 중요한 핵심기술이라고 판단하는 이유는 인간의 손동작과 같은 유연성과 섬세한 움직임을 구현할 수 있어서 시술자의 정교한 최소침습술(Minimally Invasive Surgery, MIS) 테크닉을 그대로 인체내 병변치료에 적용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 현재까지도 SMA 액추에이터가 상용화에 크게 성공을 거두지 못한 이유는 SMA 고유의 히스테리시스(hysteresis)와 같은 비선형적 동특성이 아직 해결되지 못하고 있기 때문이다. 이러한 SMA의 히스테리시스에 대한 한계성을 극복해줄 수 있는 방안으로 본 저자는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자를 SMA 카테터에 결합하여 능동적이고 신속하게 급열·급랭할 수 있는 SMA 액추에이터를 개발하였고, Fig.
	형상기억합금이 차세대 의료기기 시장을 선도할 핵심기술이라고 판단하는 이유는?	최근 차세대 액추에이터로 각광받는 압전세라믹 (PZT), 전기작동형 폴리머(electroactive polymer), 공기 근육 액추에이터(air muscle actuator), 형상기억합금(Shape Memory Alloy, 이하 SMA) 등은 기존 모터방식의 전기기계적 액추에이터(electro-mechanical actuator)에 비해 높은 에너지 집적도, 경량화, 간단한 구조 등의 장점으로 인해 차세대 의료기기 시장을 크게 변화시킬 것으로 기대된다.(1) 특히 SMA를 이용한 액추에이션 방식이 차세대 의료기기 시장을 선도할 중요한 핵심기술이라고 판단하는 이유는 인간의 손동작과 같은 유연성과 섬세한 움직임을 구현할 수 있어서 시술자의 정교한 최소침습술(Minimally Invasive Surgery, MIS) 테크닉을 그대로 인체내 병변치료에 적용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 그러나 현재까지도 SMA 액추에이터가 상용화에 크게 성공을 거두지 못한 이유는 SMA 고유의 히스테리시스(hysteresis)와 같은 비선형적 동특성이 아직 해결되지 못하고 있기 때문이다.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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