KR102006451B1

KR102006451B1 - 광 유도 현상을 이용한 3차원 구조물의 제조 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102006451B1
Application number: KR1020180029791A
Authority: KR
Inventors: 김준원; 이상민; 임종경
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-03-14

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치는 투명 기판, 상기 투명 기판에 광 경화 액적을 적하시키는 적어도 하나 이상의 적하기, 상기 투명 기판 아래에 위치하며 상기 광 경화 액적에 광을 조사하여 3차원 구조물을 만드는 광 조사기를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법은 투명 기판 위에 적어도 하나 이상의 적하기를 이용하여 광 경화 액적을 적하 시키는 단계, 그리고 상기 광 경화 액적에 광을 조사하여 상기 광 경화 액적을 광 경화시켜 3차원 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

광 유도 현상을 이용한 3차원 구조물의 제조 장치 및 방법{MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD FOR 3D STRUCTURE USING IN-SITU LIGHT-GUIDING MECHANISM}

본 발명은 광 유도 현상을 이용한 3차원 구조물의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 구조물을 제조하기 위해 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 및 스테레오 리소그래피(Streolithography, SLA)와 같은 3차원 인쇄 방법이 사용된다. 이러한 3차원 인쇄 방법은 견고한 지지체를 사용하여 3차원 구조물을 제조한다. 그러나, 3차원 구조물을 완성한 후 지지체를 제거하는 공정에서 3차원 구조물 변형 등의 부작용이 발생할 수 있다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지지체 없이 3차원 구조물을 제조하는 3차원 구조물의 제조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치는 투명 기판, 상기 투명 기판에 광 경화 액적을 적하 시키는 적어도 하나 이상의 적하기, 상기 투명 기판 아래에 위치하며 상기 광 경화 액적에 광이 조사되어 3차원 구조물을 만드는 광 조사기를 포함한다.

상기 광 조사기에서 발생한 광은 상기 3차원 구조물의 내부를 따라 전반사 되어서 상기 3차원 구조물에 적하되는 상기 광 경화 액적을 광 경화 시킬 수 있다.

상기 3차원 구조물의 굴절률은 외부 매질의 굴절률보다 클 수 있다.

상기 적하기의 위치를 이동시키는 적하기 이동 장치를 더 포함할 수 있다.

상기 광 조사기에서 조사된 상기 광을 반사시키는 미러, 그리고 상기 미러의 각도를 변형시키는 미러 각도 변동 장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법은 투명 기판 위에 적어도 하나 이상의 적하기를 이용하여 광 경화 액적을 적하 시키는 단계, 그리고 상기 광 경화 액적에 광을 조사하여 상기 광 경화 액적을 광 경화시켜 3차원 구조물을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 광은 상기 투명 기판과 상기 3차원 구조물의 접합면으로 조사될 수 있다.

상기 적하기를 이동시켜 상기 광 경화 액적의 적하 위치를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 미러의 각도를 변형시켜 상기 광의 조사 위치를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치는 광 유도 현상을 이용하여 지지체 없이 광 경화 액적으로 이루어진 3차원 구조물을 제조할 수 있다.

따라서, 지지체를 제거하기 위한 추가적인 공정이 요구되지 않으므로, 재료의 낭비가 없어 제조 비용의 절감 및 3차원 구조물의 변형 등의 부작용을 방지 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 제조 장치에 의해 제조되는 3차원 구조물의 내부를 따라 진행하는 광의 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법의 순서도이다.
도 4, 도 5, 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법의 일 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치에 대하여 도 1 및 도 2를 참고로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 제조 장치에 의해 제조되는 3차원 구조물의 내부를 따라 진행하는 광의 상태를 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치는 투명 기판(10), 투명 기판(10) 위에 위치하는 적어도 하나 이상의 적하기(20), 투명 기판(10) 아래에 위치하는 광 조사기(30), 적하기(20)의 위치를 이동시키는 적하기 이동 장치(40)를 포함할 수 있다.

투명 기판(10)은 글래스(glass) 등의 재질로 형성될 수 있다.

적하기(20)는 투명 기판(10) 위에 위치하며, 투명 기판(10)에 광 경화 액적(1)을 적하 시킨다. 광 경화 액적(1)은 하이드로겔 액적을 포함할 수 있다. 그러나, 광 경화 액적(1)은 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 투명하고 광 경화되는 물질이면 다양한 물질이 가능하다.

광 조사기(30)는 광 경화 액적(1)에 광(2)을 조사하여 3차원 구조물(3)을 만든다. 광(2)은 레이저 빔을 포함할 수 있다. 그러나, 광(2)은 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 광 경화되는 물질을 경화 시킬 수 있는 광이면 사용이 가능하다.

광(2)은 광 경화 액적(1)의 적하 위치에 대응하는 투명 기판(10)에 조사된다. 따라서, 투명 기판(10) 위에 적하된 광 경화 액적(1)은 광(2)에 의해 광 경화되어 3차원 구조물(3)이 된다. 그리고, 계속하여 광(2)은 3차원 구조물(3)과 투명 기판(10)의 접합면(11)을 통해서 3차원 구조물(3)의 내부로 입사한다.

광 경화 액적(1)이 광 경화되어 만들어지는 3차원 구조물(3)의 굴절률은 외부 매질의 굴절률보다 크다. 즉, 하이드로겔 액적의 굴절률은 1.4이고, 외부 매질인 공기의 굴절률은 1.0이므로, 도 2에 도시한 바와 같이, 굴절률 차이에 의해 3차원 구조물(3)의 내부를 따라 광(2)은 전반사 되어 진행한다.

따라서, 광(2)은 전반사에 의한 광 유도 현상에 의해 3차원 구조물(3)의 상부까지 신속하게 도달하므로, 3차원 구조물(3)이 자체적으로 발광하는 효과를 발생시킨다. 따라서, 3차원 구조물(3)에 적하되는 광 경화 액적(1)을 실시간으로 광 경화시킬 수 있다. 따라서, 3차원 구조물(3)은 연속적으로 반복되는 공정에 의해 실시간으로 성장하게 된다.

한편, 광(2)의 출력을 조절함으로써, 3차원 구조물(3)의 직경을 작거나 크게 할 수 있다. 즉, 광(2)의 출력이 큰 경우에는 적하된 광 경화 액적(1)의 경화 시간이 상대적으로 빨라서 방울 당 형성되는 층의 두께를 두껍게 하며, 연속적으로 반복되는 공정에 의해 성장된 3차원 구조물(3)의 직경을 작게 한다. 반면, 광(2)의 출력이 작은 경우에는 적하된 광 경화 액적(1)의 경화 시간이 상대적으로 느려서 방울 당 형성되는 층의 두께를 얇게 하며, 연속적으로 반복되는 공정에 의해 성장된 3차원 구조물(3)의 직경을 크게 한다.

또한, 복수개의 적하기(20)를 동시에 사용함으로써, 다양한 구조의 3차원 구조물(3)을 신속하게 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치는 광 조사기(30)에서 조사된 광(2)을 반사시켜 투명 기판(10)에 조사 시키는 미러(50), 미러(50)의 각도를 변경시키는 미러 각도 변경 장치(60)를 더 포함할 수 있다.

적하기 이동 장치(40)는 공압 디스펜서 등을 포함할 수 있다. 그러나, 적하기 이동 장치는 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 적하기(20)를 이동시키기 위한 다양한 장치가 가능하다.

적하기 이동 장치(40)를 이용하여 적하기(20)의 위치를 이동시킬 수 있다. 따라서, 광 경화 액적(1)의 적하 위치를 변경할 수 있으므로, 3차원 구조물(3)의 성장 방향과 굽힘 각도를 조절함으로써, 곡선 구조의 3차원 구조물(3)을 제조할 수 있다. 이 때, 광 경화 액적(1)에 높은 점도의 물질을 포함시킴으로써, 용이하게 곡선 구조의 3차원 구조물(3)을 제조할 수 있다.

이와 같이, 광 경화 액적(1)의 적하 위치를 조절하여 오버행(overhang) 구조의 3차원 구조물(3)도 제조할 수 있다. 이 경우, 별도의 지지체가 필요하지 않으며, 또한, 지지체를 제거하기 위한 추가 공정도 요구되지 않으므로, 재료의 낭비가 없어 제조 비용을 절감 할 수 있고 3차원 구조물의 변형 등의 부작용을 방지 할 수 있다.

미러 각도 변동 장치(60)를 이용하여 미러(50)의 각도를 변경시킬 수 있다. 따라서, 광(2)의 조사 위치를 변경할 수 있으므로, 3차원 구조물(3)의 초기 성장 위치를 조절함으로써, 다양한 크기와 모양의 3차원 구조물(3)을 제조할 수 있다. 미러 각도 변동 장치(60)는 키네마틱 미러 마운트 등을 포함할 수 있다. 그러나, 미러 각도 변동 장치는 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 미러(50)의 각도를 변형시키기 위한 다양한 장치가 가능하다.

한편, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 장치를 이용한 3차원 구조물의 제조 방법에 대해 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법의 순서도이다. 도 4, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 제조 방법의 일 단계를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 우선 투명 기판(10) 위에 적어도 하나 이상의 적하기(20)를 이용하여 광 경화 액적(1)을 적하시킨다(S10). 광 경화 액적(1)은 하이드로겔 액적을 포함할 수 있다.

다음으로, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 광 경화 액적(1)에 광(2)을 조사하여 광 경화 액적(1)을 광 경화시켜 3차원 구조물(3)을 제조한다(S20). 이 때, 광(2)은 투명 기판(10)과 3차원 구조물(3)의 접합면(11)으로 조사되어 3차원 구조물(3)의 내부로 입사한다. 그리고, 3차원 구조물(3)의 내부로 입사한 광(2)은 3차원 구조물(3)의 내부에서 전반사 되어 3차원 구조물(3)이 발광하도록 하여, 3차원 구조물(3)에 적하 되는 광 경화 액적(1)을 실시간으로 광 경화 시킬 수 있다. 이 때, 3차원 구조물(3) 자체가 광원의 역할을 하게 된다. 따라서, 광 경화 액적(1)이 3차원 구조물(3)의 어느 위치에 적하 되더라도 광 경화가 용이하게 이루어질 수 있다. 즉, 광 경화 액적(1)의 적하 위치에 약간의 변동이 있어도 3차원 구조물(3)은 성장할 수 있다. 따라서, 3차원 구조물(3)은 연속적으로 반복되는 공정에 의해 실시간으로 성장하게 된다.

다음으로, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 적하기(20)를 이동시켜 광 경화 액적(1)의 적하 위치를 이동시킨다(S30). 따라서, 평면상 광 경화 액적(1)의 적하 위치와 접합면(11)의 위치가 서로 다르게 되며, 3차원 구조물(3)을 오버행(overhang) 구조로 제조할 수 있다. 이 때, 별도의 지지체 없이도 오버행 구조의 3차원 구조물(3)을 제조할 수 있으며, 지지체를 제거하기 위한 추가 공정도 요구되지 않으므로, 재료의 낭비가 없어 제조 비용을 절감할 수 있고 3차원 구조물의 변형 등의 부작용을 방지 할 수 있다.

다음으로, 도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이, 미러 각도 변경 장치(60)를 이용하여 미러(50)의 각도를 변경시켜 광(2)의 조사 위치를 이동시킨다(S40). 따라서, 초기 3차원 구조물(3)의 형성 위치와 다른 위치에서 추가적인 3차원 구조물(3')을 제조할 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

1: 광 경화 액적 2: 광
3: 3차원 구조물 10: 투명 기판
20: 적하기 30: 광 조사기
40: 적하기 이동 장치 50: 미러 각도 변동 장치

Claims

투명 기판, 상기 투명 기판에 광 경화 액적을 적하 시키는 적어도 하나 이상의 적하기, 상기 투명 기판 아래에 위치하며 상기 광 경화 액적에 광이 조사되어 3차원 구조물을 만드는 광 조사기를 포함하고,
상기 광 조사기에서 발생한 광은 상기 3차원 구조물의 내부를 따라 전반사 되어 상기 3차원 구조물의 최상단에 도달하여 광원이 되고,
상기 광원은 상기 3차원 구조물의 최상단에 적하되는 상기 광 경화 액적을 광 경화 시키는 3차원 구조물의 제조 장치.
삭제
제1항에서,
상기 3차원 구조물의 굴절률은 외부 매질의 굴절률보다 큰 3차원 구조물의 제조 장치.
제1항에서,
상기 적하기의 위치를 이동시키는 적하기 이동 장치를 더 포함하는 3차원 구조물의 제조 장치.
제1항에서,
상기 광 조사기에서 조사된 상기 광을 반사시키는 미러, 그리고
상기 미러의 각도를 변형시키는 미러 각도 변동 장치
를 더 포함하는 3차원 구조물의 제조 장치.
투명 기판 위에 적어도 하나 이상의 적하기를 이용하여 광 경화 액적을 적하 시키는 단계, 그리고 상기 광 경화 액적에 광을 조사하여 상기 광 경화 액적을 광 경화시켜 3차원 구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 투명 기판 아래에서 조사된 상기 광은 상기 3차원 구조물의 내부를 따라 전반사 되어 상기 3차원 구조물의 최상단에 도달하여 광원이 되고 상기 광원은 상기 3차원 구조물의 최상단에 적하되는 상기 광 경화 액적을 광 경화 시키는 3차원 구조물의 제조 방법.
제6항에서,
상기 광은 상기 투명 기판과 상기 3차원 구조물의 접합면으로 조사되는 3차원 구조물의 제조 방법.
제7항에서,
상기 적하기를 이동시켜 상기 광 경화 액적의 적하 위치를 이동시키는 단계를 더 포함하는 3차원 구조물의 제조 방법.
제8항에서,
상기 광을 반사시키는 미러의 각도를 변형시켜 상기 광의 조사 위치를 이동시키는 단계를 더 포함하는 3차원 구조물의 제조 방법.