본 논문에서는 서브 밀리미터 직경의 카테터 표면 위에 금속 마이크로 와이어를 접착하는 공정을 연구하였다. 최근 유연 전자 디바이스 분야는 유연한 평면 폴리머 기판과 그 기판 위의 마이크로 전극 공정이 계속해서 연구되고 있다. 하지만, 의료 분야에서는 카테터와 같이 곡면을 가진 기판이 중요하다. 특히 카테터 중에서도 여러 한계점을 가진 뇌혈관 수술을 개선하기 위한 서브 밀리미터의 직경을 가진 조향 가능한 카테터의 중요성이 대두되고 있다. 이러한 카테터를 구현하기 위해 조향을 위한 엑추에이터들은 연구가 되고 있지만 이를 구동하기 위한 배선 연구는 진행된 바가 없다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 서브 밀리미터 카테터 위에 마이크로 금속 와이어를 접착하는 공정을 개발하였다. 적합한 지그를 설계함으로써 마이크로 와이어를 서브 밀리미터 직경의 카테터에 정렬한다. 그리고 자외선 경화 시스템과 상용품을 이용하여 공정 시간 및 공정 비용을 감소시켰다. 상용품으로 골드 마이크로 와이어, 자외선 경화 에폭시, 자외선 램프 그리고 서브 밀리미터 카테터를 이용하였다. 공정 후 카테터는 광학 현미경, 저항 측정기, 만능 시험기를 통해 분석하였다.
본 논문에서는 서브 밀리미터 직경의 카테터 표면 위에 금속 마이크로 와이어를 접착하는 공정을 연구하였다. 최근 유연 전자 디바이스 분야는 유연한 평면 폴리머 기판과 그 기판 위의 마이크로 전극 공정이 계속해서 연구되고 있다. 하지만, 의료 분야에서는 카테터와 같이 곡면을 가진 기판이 중요하다. 특히 카테터 중에서도 여러 한계점을 가진 뇌혈관 수술을 개선하기 위한 서브 밀리미터의 직경을 가진 조향 가능한 카테터의 중요성이 대두되고 있다. 이러한 카테터를 구현하기 위해 조향을 위한 엑추에이터들은 연구가 되고 있지만 이를 구동하기 위한 배선 연구는 진행된 바가 없다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 서브 밀리미터 카테터 위에 마이크로 금속 와이어를 접착하는 공정을 개발하였다. 적합한 지그를 설계함으로써 마이크로 와이어를 서브 밀리미터 직경의 카테터에 정렬한다. 그리고 자외선 경화 시스템과 상용품을 이용하여 공정 시간 및 공정 비용을 감소시켰다. 상용품으로 골드 마이크로 와이어, 자외선 경화 에폭시, 자외선 램프 그리고 서브 밀리미터 카테터를 이용하였다. 공정 후 카테터는 광학 현미경, 저항 측정기, 만능 시험기를 통해 분석하였다.
In this paper, we investigated a manufacturing process of metal micro-wire interconnection on submillimeter diameter catheter. Over the years, flexible electronic researches have focused on flexible plane polymer substrate and micro electrode manufacturing on its surface. However, a curved polymer s...
In this paper, we investigated a manufacturing process of metal micro-wire interconnection on submillimeter diameter catheter. Over the years, flexible electronic researches have focused on flexible plane polymer substrate and micro electrode manufacturing on its surface. However, a curved polymer substrate, such as catheter, is very important for medical application. Among many catheters, importance of submillimeter diameter steerable catheter is increasing to resolve the several limitations of neurosurgery. Steering actuators have been researched for realizing the steerable catheter, but there is no research about practical wiring for driving these actuators. Therefore we developed a new manufacturing process for metal micro-wire interconnection on submillimeter diameter catheter. We designed custom jigs for alignment of the metal micro-wires on the submillimeter diameter catheter. An UV curing system and commercial products were used to reduce the manufacturing time and cost; Au micro-wire, UV curable epoxy, UV lamp, and submillimeter diameter catheter. The assembled catheter was characterized by using an optical microscope, a resistance meter, and a universal testing machine.
In this paper, we investigated a manufacturing process of metal micro-wire interconnection on submillimeter diameter catheter. Over the years, flexible electronic researches have focused on flexible plane polymer substrate and micro electrode manufacturing on its surface. However, a curved polymer substrate, such as catheter, is very important for medical application. Among many catheters, importance of submillimeter diameter steerable catheter is increasing to resolve the several limitations of neurosurgery. Steering actuators have been researched for realizing the steerable catheter, but there is no research about practical wiring for driving these actuators. Therefore we developed a new manufacturing process for metal micro-wire interconnection on submillimeter diameter catheter. We designed custom jigs for alignment of the metal micro-wires on the submillimeter diameter catheter. An UV curing system and commercial products were used to reduce the manufacturing time and cost; Au micro-wire, UV curable epoxy, UV lamp, and submillimeter diameter catheter. The assembled catheter was characterized by using an optical microscope, a resistance meter, and a universal testing machine.
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문제 정의
본 논문에서는 길이가 긴 서브 밀리미터 카테터 표면 위에 네 개의 마이크로 와이어를 접착하는 공정을 개발하였다. 기존 공정의 문제점인 폴리머에 열 손상을 주지 않기 위해 자외선 공정을 이용하였으며 이를 통해 공정 시간 또한 매우 절감하였다.
가설 설정
특히 마이크로 와이어는 다른 재료와 달리 금속이기 때문에 공정 후 기계적 물성에 많은 영향을 줄 수 있으며, 열 처리에 따라 인장강도 및 연신율이 달라질 수 있다. 21) 따라서 와이어의 신뢰성을 생각할 경우 고온 열처리에 따른 좋은 연신율을 가진 와이어를 사용하는 것이 좋다. 접착제와 같은 경우에도 화학적 구조에 따라 기계적 특성이 다르다.
제안 방법
이러한 기존 공정의 한계들을 극복하기 위해 본 논문에서는 자외선 (UV) 경화 시스템16)을 이용하여 공정시간을 줄이고 카테터에 손상을 줄 수 있는 열 공정을 제외하였다. 이러한 자외선 경화 공정은 박막 증착 공정처럼 진공을 만들기 위한 시간이 필요 없으며, 프린팅 공정에서 잉크의 성능 개선을 위한 추가적인 sintering 공정 시간이 필요 없이 바로 접착제 경화만이 필요하기에 공정시간을 단축할 수 있었다.
이러한 자외선 경화 공정은 박막 증착 공정처럼 진공을 만들기 위한 시간이 필요 없으며, 프린팅 공정에서 잉크의 성능 개선을 위한 추가적인 sintering 공정 시간이 필요 없이 바로 접착제 경화만이 필요하기에 공정시간을 단축할 수 있었다. 또한 카테터와 같이 매우 긴 기판의 공정에 적합한 배선의 재료로 골드 마이크로 와이어를 이용하고 이를 통해 카테터의 두께 증가를 최소화시키면서 생체적합성(biocompatibility)을 유지하였다. 마지막으로 마이크로 와이어를 카테터에 정렬하는 지그 및 자외선 경화 접착제를 마이크로 와이어에 코팅을 하는 지그를 설계하였다.
또한 카테터와 같이 매우 긴 기판의 공정에 적합한 배선의 재료로 골드 마이크로 와이어를 이용하고 이를 통해 카테터의 두께 증가를 최소화시키면서 생체적합성(biocompatibility)을 유지하였다. 마지막으로 마이크로 와이어를 카테터에 정렬하는 지그 및 자외선 경화 접착제를 마이크로 와이어에 코팅을 하는 지그를 설계하였다. 이를 통해 매우 긴 길이의 카테터 위에 골드 마이크로 와이어를 박리 없이 선형으로 잘 접착시킬 수 있었다.
그리고 카테터는 매우 길기 때문에 최대한 배선의 선형을 유지하여 배선의 저항을 줄여야 한다. 공정 후 결과는 광학 현미경, 저항 측정기, 만능 시험기를 이용하여 분석하였다.
네 개의 마이크로 와이어를 카테터 위에 정렬을 도와주는 지그들을 제작한다. 먼저 Fig.
압착용 지그는 실리콘 고무와 테플론 필름을 이용하여 제작한다. 실리콘 고무를 통해 응력을 분산시키고 테플론 필름을 이용하여 마찰을 줄일 수 있도록 하였다. 다만 모든 와이어의 경우 접착제 경화 전에는 접착제의 점성, 초기 접촉 조건에 영향을 받는다.
공정 후 네 개의 마이크로 와이어가 접착된 카테터를 광학현미경(VHX-100, KEYENCE), 저항 측정기를 이용하여 마이크로 와이어의 손상과 와이어 간의 전기적 합선을 분석하였다.
공정에 사용되는 마이크로 와이어의 기계적 인장 물성과 공정 후 카테터의 굽힘 특성 및 신뢰성을 측정하였다 (Fig. 5). 인장시험과 3점 굽힘 시험은 만능 시험기가 사용 되었다.
인장시험과 3점 굽힘 시험은 만능 시험기가 사용 되었다. 인장시험 시 마이크로 와이어의 정렬 및 시험기 장착을 위해 종이 프레임을 이용하였고 와이어의 길이는 43 mm, 와이어 인장 속도는 0.43 mm/min로 인장시험을 진행하였다.
또한 공정 후 카테터의 굽힘 신뢰성 평가를 위해 파이프 굽힘 시험을 진행하였다. 굽힘 조건은 Fig.
다만 이러한 시험은 앞서 언급한 바와 같이 사람의 손으로 굽힘을 가하기 때문에 시험 회수를 통해 이러한 시험 에러를 최소화시켰다. 굽힘 신뢰성 시험 후 광학 현미경을 통해 마이크로와이어의 파괴 및 박리 여부를 관찰하였다.
굽힘 시험을 통해 공정 전의 카테터와 공정 후 네 개의 25 μm 골드 와이어가 접착된 카테터의 굽힘 특성을 측정하였다.
앞의 시험들을 통해 측정된 신뢰성의 적합성을 판단하기 위해 뇌혈관의 굽힘 환경을 예측할 수 있는 문헌들을 조사하여 곡률 반경을 계산하였다. 19) 이와 같이 정량적인 수치의 기준이 아닌 문헌 조사를 통해 예측한 이유는 다음과 같다.
본 논문에서는 길이가 긴 서브 밀리미터 카테터 표면 위에 네 개의 마이크로 와이어를 접착하는 공정을 개발하였다. 기존 공정의 문제점인 폴리머에 열 손상을 주지 않기 위해 자외선 공정을 이용하였으며 이를 통해 공정 시간 또한 매우 절감하였다. 또한 곡면을 가진 기판의 형상을 극복하기 위하여 마이크로 와이어를 적합한 지그와 접착제를 이용하여 카테터에 정렬 및 접착하였다.
기존 공정의 문제점인 폴리머에 열 손상을 주지 않기 위해 자외선 공정을 이용하였으며 이를 통해 공정 시간 또한 매우 절감하였다. 또한 곡면을 가진 기판의 형상을 극복하기 위하여 마이크로 와이어를 적합한 지그와 접착제를 이용하여 카테터에 정렬 및 접착하였다. 다양한 직경의 마이크로 와이어와 길이 1m의 서브 밀리미터 카테터를 공정에 적용하여 공정의 범용성 및 양산화 가능성을 검증하였다.
또한 곡면을 가진 기판의 형상을 극복하기 위하여 마이크로 와이어를 적합한 지그와 접착제를 이용하여 카테터에 정렬 및 접착하였다. 다양한 직경의 마이크로 와이어와 길이 1m의 서브 밀리미터 카테터를 공정에 적용하여 공정의 범용성 및 양산화 가능성을 검증하였다. 공정 후 네 개의 마이크로 와이어가 서브 밀리미터 카테터 위에 정렬 및 접착되어 있음을 광학 현미경과 저항 측정기를 통해 검증하였다.
다양한 직경의 마이크로 와이어와 길이 1m의 서브 밀리미터 카테터를 공정에 적용하여 공정의 범용성 및 양산화 가능성을 검증하였다. 공정 후 네 개의 마이크로 와이어가 서브 밀리미터 카테터 위에 정렬 및 접착되어 있음을 광학 현미경과 저항 측정기를 통해 검증하였다. 인장 시험 및 피로시험을 통해 마이크로 와이어의 기계적 물성 및 신뢰성을 측정하였고 3점 굽힘 시험 및 다양한 곡률 반경을 이용한 굽힘 신뢰성 시험을 통해 공정 후 카테터의 굽힘 강성과 굽힘 신뢰성에 대해 측정하였다.
공정 후 네 개의 마이크로 와이어가 서브 밀리미터 카테터 위에 정렬 및 접착되어 있음을 광학 현미경과 저항 측정기를 통해 검증하였다. 인장 시험 및 피로시험을 통해 마이크로 와이어의 기계적 물성 및 신뢰성을 측정하였고 3점 굽힘 시험 및 다양한 곡률 반경을 이용한 굽힘 신뢰성 시험을 통해 공정 후 카테터의 굽힘 강성과 굽힘 신뢰성에 대해 측정하였다. 추후 계산 한 카테터의 예측 굽힘 신뢰성 조건을 만족하기 위해 적합한 마이크로 와이어 및 접착제의 선정이 필요하다.
그 후 와이어가 카테터에 접촉을 할 수 있도록 압착용 지그를 만들어 설치한다. 압착용 지그는 실리콘 고무와 테플론 필름을 이용하여 제작한다. 실리콘 고무를 통해 응력을 분산시키고 테플론 필름을 이용하여 마찰을 줄일 수 있도록 하였다.
성능/효과
을 이용하여 공정시간을 줄이고 카테터에 손상을 줄 수 있는 열 공정을 제외하였다. 이러한 자외선 경화 공정은 박막 증착 공정처럼 진공을 만들기 위한 시간이 필요 없으며, 프린팅 공정에서 잉크의 성능 개선을 위한 추가적인 sintering 공정 시간이 필요 없이 바로 접착제 경화만이 필요하기에 공정시간을 단축할 수 있었다. 또한 카테터와 같이 매우 긴 기판의 공정에 적합한 배선의 재료로 골드 마이크로 와이어를 이용하고 이를 통해 카테터의 두께 증가를 최소화시키면서 생체적합성(biocompatibility)을 유지하였다.
마지막으로 마이크로 와이어를 카테터에 정렬하는 지그 및 자외선 경화 접착제를 마이크로 와이어에 코팅을 하는 지그를 설계하였다. 이를 통해 매우 긴 길이의 카테터 위에 골드 마이크로 와이어를 박리 없이 선형으로 잘 접착시킬 수 있었다. 이러한 공정 신뢰성은 어느 제품에서나 중요하지만 특히 카테터와 같은 경우 혈류에 노출되기 때문에 박리 지점이 생기면 이로 인해 배선 전체가 박리가 될 수 있어 공정 신뢰성이 매우 중요하다.
또한 네 개의 골드 마이크로 와이어의 저항을 각각 측정하였고, 저항 측정 시 약 45 Ω으로 1 m 길이의 카테터에 합선 및 손상 없이 선형으로 잘 접착되어 있는 것을 확인하였다.
이와 같은 경우 0.5 m 길이의 카테터를 통해 보다 작은 와이어의 공정 가능성을 확인하였고 저항 측정 시 약 73 Ω으로 이 또한 본 공정 시스템에 잘 적용 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
6(a)는 길이 1m의 서브 밀리미터 카테터 표면 위에 네 개의 25 μm 골드 와이어를 본 공정을 통해 접착 후, 광학 현미경을 통해 와이어의 접착 상태 및 손상에 대해 분석한 것이다. 공정 후 골드 마이크로 와이어가 카테터 표면 위에 손상 없이 제작된 지그를 통해 의도된 정렬로 접착되어 있음을 확인할 수 있었다. 또한 네 개의 골드 마이크로 와이어의 저항을 각각 측정하였고, 저항 측정 시 약 45 Ω으로 1 m 길이의 카테터에 합선 및 손상 없이 선형으로 잘 접착되어 있는 것을 확인하였다.
또한 업체에서 제공하는 기계적 특성과 같은 경우 파단하중 및 파단 연신율만을 제공하기 때문에 이러한 인장시험을 통해 공정 후 기계적 특성 평가 및 신뢰성 시험 조건에 필요한 데이터를 직접 구해야 한다. 또한 인장 시험에서 측정한 파단 연신율을 바탕으로 편차 고려 시 변형률 4% 가 최대로 가할 수 있는 조건이라 판단하였으며, 카테터가 일회용품이기 때문에 500 회의 피로 시험을 진행하여 와이어의 신뢰성을 평가하였고 파괴되지 않음을 확인하였다.
8(b)에 나타내었다. 시험 결과 파이프 곡률 반경 5~10 mm에 임계 곡률 반경이 있음을 알 수 있었 다. 이러한 파이프 곡률 반경을 통해 카테터의 굽힘 중립면(Neutral plane)에 가해지는 곡률 반경을 파이프 곡률 반경과 카테터의 반지름을 더하여 구할 수 있다.
후속연구
3(b)에서 제작한 압착용 지그를 밑 방향 와이어가 나오는 입구에 설치하여 수평방향에서 초기 접촉 조건을 보상하는 바와 같이 접촉을 시켜주면 접착제 경화 전 와이어의 박리 현상을 방지할 수 있다. 따라서 추후에는 이와 같은 방향에 따라 달라질 수 있는 접촉 조건을 통일시키기 위해 지금과 같은 변위 조절에 따른 접촉 방식 대신에 접촉 힘에 따른 방식으로 개선해 나갈 예정이다.
먼저 와이어에 파단 전 까지 쌓여있던 에너지가 파단 후 접착제와의 계면으로 분산되면서 박리를 유도한 것이라 생각할 수 있으며, 반대로 접착제 계면에 쌓여있던 에너지가 박리 후 와이어에 분산되면서 와이어의 파단을 유도한 것이라 생각할 수 있다. 하지만 어떠한 경우에서도 와이어의 박리 현상을 방지해야 하기 때문에 추후 적합한 접착제 선정을 통해 접착력을 개선해야 한다. 또한 공정에 쓰인 골드 와이어보다 파단 연신율이 좋은 골드 와이어를 사용한다면 앞서 정확히 해석하지 못한 접착제 박리 현상에 대한 원인에 대해 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 어떠한 경우에서도 와이어의 박리 현상을 방지해야 하기 때문에 추후 적합한 접착제 선정을 통해 접착력을 개선해야 한다. 또한 공정에 쓰인 골드 와이어보다 파단 연신율이 좋은 골드 와이어를 사용한다면 앞서 정확히 해석하지 못한 접착제 박리 현상에 대한 원인에 대해 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
인장 시험 및 피로시험을 통해 마이크로 와이어의 기계적 물성 및 신뢰성을 측정하였고 3점 굽힘 시험 및 다양한 곡률 반경을 이용한 굽힘 신뢰성 시험을 통해 공정 후 카테터의 굽힘 강성과 굽힘 신뢰성에 대해 측정하였다. 추후 계산 한 카테터의 예측 굽힘 신뢰성 조건을 만족하기 위해 적합한 마이크로 와이어 및 접착제의 선정이 필요하다. 본 공정은 폴리머 평면 기판 외에 점차 수요가 늘어가고 있는 카테터와 같은 곡면을 가진 기판의 공정 가능성 및 마이크로 공정의 양산화 연구에 기여할 것으로 기대한다.
추후 계산 한 카테터의 예측 굽힘 신뢰성 조건을 만족하기 위해 적합한 마이크로 와이어 및 접착제의 선정이 필요하다. 본 공정은 폴리머 평면 기판 외에 점차 수요가 늘어가고 있는 카테터와 같은 곡면을 가진 기판의 공정 가능성 및 마이크로 공정의 양산화 연구에 기여할 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서브 밀리미터 카테터로 무엇을 이용하였는가?
마이크로와이어로 15, 25 μm 골드와이어(MK Electron), 자외선 경화 접착제로 자외선 경화 에폭시(OG 142-112, EPO-TEK), 자외선 램프(VL-6.LC, VILBER LOURMAT), 서브 밀리미터 카테터로 뇌혈관 수술용 카테터(XT-27, Stryker)를 이용하였다. 카테터의 형상 및 구성과 같은 경우 Fig.
평면 형태의 유연기판 및 유연전극 관련하여 공정3-5)과 정확한 기계적 물성 평가2,6) 등이 연구되고 있는 이유는?
최근 전자 디바이스 분야에서는 유연한 디스플레이, 패키징 그리고 센서 등의 연구가 주목 받고 있다. 1) 따라서 평면 형태의 유연기판 및 유연전극 관련하여 공정3-5)과 정확한 기계적 물성 평가2,6) 등이 연구되고 있다.
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