속도와 정확성을 책임지는 NSK 리니어 기술

혈액 검사, 질병 검사, 도핑 테스트 등 임상 병리 및 분석에는 많은 분야가 있다. 이러한 분석 작업에는 샘플과 시약을 빠른 속도로 검사하는 고도로 자동화된 장치를 사용한다. 이와 관련하여 리니어 드라이브에 대해 까다로운 요건이 제시된다.

에두아르도 로드리게스(Eduardo Rodriguez): NSK Deutschland GmbH Seiki 매니지먼트 유닛 디렉터

핵심 내용

  • 임상 병리실에서는 내부식성 외에 높은 처리량과 수명도 매우 중요하다.
  • 분석기에 사용하는 NSK의 MonocarrierMCM은 고속으로 지속적으로 정밀하게 작동한다.
  • DH/DS 시리즈의 리니어 가이드 같은 개별 구성 요소가 의료 기술에 사용된다.

의학적 진단법은 코로나 팬데믹 때문만이 아니라, 자동화 기술 및 처리 기술을 다양하게 적용할 수 있는 흥미로운 분야이다. 일반적인 응용 방법에는 샘플 튜브 취급뿐만 아니라 타이터 플레이트와 시료 계량 등이 포함된다 이러한 응용 분야는 동일한 동작 시퀀스로 구성되는 것이 아니라 점진적인 단계로 이루어지기 때문에 흥미롭다. 대부분의 분석기에서는 분석해야 할 용액을 개별 튜브나 앰플이 아닌 마이크로 타이터 플레이트를 통해 운반하고 처리한다. 이는 웰(Well)이 96개 이상 포함된 손바닥 크기의 플레이트이며, 이 웰 안에는 각각의 샘플들이 들어 있다. 각각의 웰에는 병원체를 검출하기 위해 활성 성분이나 반응제를 계량하여 빠른 속도로 처리한다(그림 1).

그림 1: 자동화된 검사 분석에는 강력한 리니어 드라이브가 필요하며, 이 과정에서 시스템 제조사는 토탈 모듈을 선호한다.

높은 강성의 리니어 토탈 시스템

여러 의료 분석기 업체가 이러한 프로세스와 앰플 처리 반복 작업을 위해 NSK의 Monocarrier MCM 리니어 시스템을 사용한다. 이 리니어 시스템에는 다음의 여러 구성 요소가 하나의 콤팩트한 유닛으로 통합되어 있다(그림 2).

• 고품질 NSK 볼 스크류 드라이브,

• 서보 모터 또는 스테퍼 모터

• U 프로파일 리니어 가이드,

• 베어링 유닛 및

• 모터 어댑터.

Monocarrier의 주요 특징으로는 높은 강성과 하중 용량, 부드러운 동작 그리고 정확한 포지셔닝 능력을 들 수 있다. 임상 검사 분석의 측면에서는 긴 수명도 중요하고, 시스템이 지속적으로 많은 양을 처리한다. 또한 임상 병리실에서는 잦은 세척이 일상적이기 때문에 사용하는 모든 성분에 대한 내부식성이 반드시 필요이다. Monocarrier는 이를 다양한 코팅 옵션으로 보완하고 있다.

그림 2: 샘플 처리를 위한 마이크로 타이터 플레이트의 Monocarrier 리니어 액추에이터 조합

샘플 캐리어에서 앰플 빼기

다음은 구체적인 리니어 시스템 사용 예시이다. 작고 강력한 검사 분석용 프리미엄 장치를 만드는 한 제조업체는 샘플 캐리어에서 앰플을 제거하기 위해 두 개의 Monocarrier MCM 시스템을 조합하여 사용한다. Y 축 슬라이드에는 MCM03 타입의 유닛이 있고, 짧은 X축은 MCM02 유닛으로 구현한다. 두 축 모두 스테퍼 모터가 설치되어 있고, 스테퍼 모터는 공간 상 여건으로 U 형태로 배열되고 드라이브 벨트를 통해 Monocarrier를 구동한다. 이는 다소 일반적이지 않은 형태로, 대부분의 사용자는 샤프트 커플링을 통해 MCM 유닛으로 모터를 직접 구동하는 것을 선호하기 때문이다.

개별 구성 요소 대신 토탈 드라이브

이 분석기는 시간당 많은 테스트를 처리하는 것이 특징이다. NSK Monocarrier 유닛은 지속적으로 빠른 사이클로 작동한다. 이는 분석기의 자동 로딩 및 언로딩을 보장하기 때문이다. NSK Monocarrier 유닛은 분석기의 중앙 컨트롤 시스템을 통해 제어 명령을 수신한다. 이 리니어 드라이브 솔루션은 신뢰도가 높고, 분석 시스템이 1년 365일 24시간 모드로 빠른 속도와 높은 정밀도를 유지하면서 무정비로 작동한다. MCM 시리즈의 리니어 시스템은 스트로크 길이와 기울기가 각기 다른 5가지 표준 사이즈로 공급된다.

이 분석 시스템 제조사는 위의 응용 사례 외에도, 사전 조립되어 바로 설치할 수 있는 유닛을 선호한다. 이런 경우 센서 및 홀더와 같은 다른 부착품이 함께 제공된다. 이로 인해 시스템 조립 시간이 단축되고, 서로 정확하게 조정하여 전문적으로 조립된 드라이브 구성 요소로 인해 수명이 길어지는 효과가 있다.

다른 의료 기술 응용 분야에서도 리니어 기술의 개별 요소들이 널리 사용되고 있으며, 예를 들면 CT 및 MRT 진단기의 테이블 가이드가 있다. 여기서는 긴 수명과 뛰어난 작동 정숙성이 결정적 기준이 되며, 이런 관점에서 NSK는 DH/DS 시리즈의 새로운 리니어 가이드를 개발하였다(그림 3). 기존의 제품 라인과 비교할 때 새로운 시리즈는 동적 정격 하중이 두 배 정도 높다. 이러한 개선사항은 몇 가지 구조적 신기술 덕분이며, 특히 특수 재료, NSK 고유의 TF 강 그리고 특수 열처리 덕분이다. 이 열처리는 리니어 가이드의 피로 수명을 늘리기 위해 강에 잔류되는 오스테나이트 비율을 조절할 수 있다.

까다로운 타겟 시장

의료 기술 분야가 제시하는 리니어 기술 요건과 공작기계 엔지니어링이나 반도체 제조 분야가 제시하는 요건은 크게 다르지 않다. 결국 원활한 작동과 긴 수명은 특별한 고객의 요건이 아니며, 회로 기판의 실장 프로세스가 검사 분석법의 동작 시퀀스와 많이 다르지 않다.

하지만 의료 기술에서는 지속적인 높은 가용성이 특히 중요하다. 이는 시스템의 장애나 고장을 ‘프로그램 도구’로 제거할 수 없기 때문에 장기간에 걸친 무제한 가용성이 결정적 요소가 된다. 또한 요즘 같은 코로나 팬데믹 정국에서 수백만 건의 테스트와 그 결과를 빠르게 제공하는 것도 매우 중요하며, 이는 분석기가 24시간 내내 최대 속도로 작동해야 가능한 일이다.

펄스 사이클로 작동하는 볼 스크류 드라이브

검사 분석 분야 외에 강력한 리니어 드라이브는 수요가 많다. NSK의 리니어 가이드, 볼 스크류 드라이브, 토탈 드라이브는 방사선 치료 장치에 사용되고, Berlin Heart GmbH의 심실 보조 장치(Ventricular Assist Devices; VAD)에도 사용된다. 현대식 Excor-VAD의 경우, 환자의 혈액 순환이 캐뉼라를 통해 체외에 위치한 압축공기 다이어프램 펌프와 연결된다. NSK의 미니 볼 스크류 드라이브는 최대 55.5mm의 스트로크를 분당 60 ~ 130회 실시하여 정해진 양의 공기를 다이어프램 방향으로 밀어내고, 다이어프램의 반대쪽에는 캐뉼라가 위치하고, 이 캐뉼라를 이용하여 환자의 혈액 순환이 일어난다.

이 구동 시스템을 선택할 때의 결정적 기준은 수명이다. NSK 드라이브는 다른 리니어 드라이브와의 비교 테스트에서 약 1억 2천만 사이클로 큰 차이를 두고 가장 우수한 값을 달성하였다.

스핀들 시스템의 기초는 정확도 등급 C3의 연삭 볼 스크류 드라이브이다. 이 스핀들은 고객 요건에 따라 제작되기 때문에 ‘맞춤형’이라 할 수 있다. NSK는 베어링 유닛과 함께 즉시 설치할 수 있는 모듈 형태 드라이브를 제공한다.