Selective Laser Control of S-bend Shape Memory Alloy Micro Actuator with Metasurface

Abstract

Shape Memory Alloys (SMAs) have been widely researched as actuators because SMAs have advantages in high force density and deformable structures. The SMA actuator has a lower actuation speed. To overcome this limit, there have been researched to reduce the size of the actuator to the micro scale in order to use the scale effect of heat transfer. The SMA micro actuator showed higher actuation speed and heat transfer rate than the meso scale actuator. In this research, S-bend shaped actuators were studied to make a SMA micro actuator. In addition, a metasurface was designed and fabricated on the actuator to enhance the absorption of the laser light at 785 nm wavelength. The metasurface was a lattice array of subwavelength nano cavities, and designed to minimize the reflectance of light at a wavelength of 785 nm. Focused Ion Beam (FIB) was used to fabricate the SMA micro actuator and the metasurface. It was experimentally confirmed that the actuation length of the SMA micro actuator with the metasurface was about twice longer than that without metasurface. It is expected that the absorption spectra of SMA micro actuators can be changed by using the metasurface.

형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)는 높은 힘 밀도와 변형 가능한 구조를 가지는 장점 덕분에 구동기로서 연구되어왔다. 형상기억합금 구동기는 구동력에 비해 낮은 구동속도를 가지고 있어, 이를 극복하기 위해 크기 효과 (Size effect)를 이용하고자 구동기의 크기를 마이크로 수준으로 낮추는 연구가 진행되어왔다. 이렇게 연구된 형상기억합금 마이크로 구동기는 메소스케일 구동기와 비교하면 보다 높은 구동 속도, 변형률, 열 전달률을 가진다. 전기저항으로 온도를 제어하는 대신 마이크로 스케일에서는 자외선 파장의 레이저로 구동되는 특징을 보인다. S밴드 형상을 가지는 마이크로 구동기를 제안하였고, 구동원을 가시광선 및 적외선 영역으로 확장하고자 메타표면(Metasurface)을 구동기 표면에 제작하였다. 메타표면은 파장 이하 길이를 가지는 나노 홈 격자 구조로 이루어져 있으며, 785 nm 파장의 빛의 반사율을 최소화하는 방향으로 설계되었다. 형상기억합금 마이크로 구동기 및 메타표면을 제작하기 위해 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)이 사용되었다. 결과적으로, 785 nm 파장의 구동원에서 메타표면을 가지는 형상기억합금 마이크로 구동기의 구동 길이가 메타표면을 가지지 않는 구동기보다 약 223% 더 긴 것을 실험적으로 확인하였다. 본 연구를 통해 형상기억합금 마이크로 구동기의 구동원을 확장할 수 있고, 구동원에 따라 선택적으로 구동을 할 수 있을 것으로 기대한다.