KR100895864B1 - 대면적 마이크로 구조물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성함에 있어서 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성할 수 있도록 하기 위한 대면적 마이크로 구조물의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 형성하고자 하는 3차원의 마이크로 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 각 단위층의 단면 윤곽으로 이루어지는 단면 데이터를 획득한 후, 단면 데이터의 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 획득한다. 그리고, 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 3차원의 마이크로 구조물을 형성한다. 또한 본 발명의 마이크로 광조형 장치는 광원(20), DMD(36)가 설치되는 광조사 유니트(30), 광조사 유니트(30)를 X 및 Y 방향으로 이동시키기 위한 이송 유니트(50), 스테이지(70)를 Z 방향으로 이동시키기 위한 이송 유니트(80) 및 전술한 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 따라 공정의 진행을 제어하는 제어부(90)로 이루어진다.

Description

대면적 마이크로 구조물의 제조방법{MANUFACTURING METHOD LARGE AREA MICROSTRUCTURE}

본 발명은 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성함에 있어서 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성할 수 있도록 하기 위한 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로 기계 부품, 정보 및 통신 기기, 의료 기기 등과 같은 초정밀 부품에 대한 수요가 날로 증가하고 있으며, 이를 지원하기 위해 MEMS(Micro Electro Mechanical System), LIGA(x-ray LIthographie, Galvanoformung, Abformtechnik)와 같은 기술들이 각종 응용분야에 다양한 형태로 제안되고 있다. 그러나 이러한 기 술들은 고세장비를 가진 복잡한 3차원 부품 또는 기기들을 제작하는데 기술적인 한계를 가지고 있다.

한편, 마이크로 광조형 기술은 기존의 광조형 기술과 비교해 가공방법, 사용재료, 표준 파일 포맷 등에서 거의 유사하다. 이와 같은 마이크로 광조형 기술은 CAD 프로그램을 사용하여 형성된 모델링 형상으로부터 3각형 면으로 이루어진 STL 파일로 변환하고, 적층 두께만큼 슬라이싱하여 여러 개의 단위층에 대한 단면 데이터를 생성한 후, 생성된 단면 데이터를 바탕으로 가공 경로를 생성하여 이미 가공된 단위층상에 새로운 단위층을 연속 적층함으로써 최종적으로 원하는 형상의 마이크로 구조물을 만들게 된다. 이와 같은 마이크로 광조형 기술은 현재까지 MEMS, LIGA 기술과 비교해서 가공할 수 있는 재료(광 경화성 수지)가 한정적임에도 불구하고 복잡한 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성{실질적으로 마이크로 구조물을 형성하기 위한 폴리머 몰드(polymer mold)의 제작에 적용되고 있다}하는데 유용한 것으로 알려지고 있어 그 적용을 위한 기술이 다양하게 연구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0102531호 "마이크로 광 조형 방법 및 장치"는 소정의 광학계를 통하여 수 ㎛ 직경을 갖는 초점된 레이저 빔을 광 경화성 수지 표면 위에 주사하는 레이저 빔 주사 단계와; 레이저 빔 주사 단계를 통해 소정의 광 경화성 수지 단면 층을 성형하는 성형 단계; 및 성형 단계에 의해 상기 단면 층이 성형되었으면, 단면 층위에 성형 단계를 반복 적용하여 광 경화성 수지 단면 층을 연속적으로 적층 성형하여 3차원 광 경화성 수지 구조물을 조형하는 조형 단계를 포함하는 마이크로 광 조형 방법을 제안하였고, 레이저 광원과; 레이저 광원에서 출력되는 레이저 빔을 수 ㎛ 직경을 갖는 초점된 레이저 빔으로 하기 위한 광학계 수단과; 레이저 빔의 경로를 X축 및 Y축 방향으로 제어하기 위한 X-Y축 스테이지와; 레이저 빔에 의해 경화되는 광 경화 수지의 단면 층 두께를 조절하기 위한 Z축 스테이지를 포함하고, X-Y축 스테이지를 통해 레이저 빔을 광 경화성 수지 표면 위에 주사하여 광 경화성 수지 단면 층을 성형하고 이를 Z축 스테이지를 통해 연속적으로 적층 성형시킴으로써 최종적으로 3차원 마이크로 광 경화성 수지 구조물을 조형하도록 된 마이크로 광조형 장치를 제안하고 있다.

이와 같은 기술은 광조형 기술에서 주사방식((scanning method)을 적용한 것이다. 주사방식의 마이크로 광조형 기술은 슬라이싱 단면을 따라서 레이저 빔의 위치가 이동함으로써 한 단위층이 경화되며, 이를 반복적으로 적층시킴으로써 원하는 형상을 만들게 된다. 현재까지 이와 같은 주사방식의 광조형 기술에 의하면, 수백 ㎚의 정밀도를 가진 수 μm 크기의 마이크로 구조물을 형성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이와 같은 주사방식은 마이크로 구조물을 형성하기 위한 작업시간이 후술하는 전사방식에 비해 상대적으로 오래 걸린다는 문제점이 있다. 즉, 주사방식은 슬라이싱 단면을 초점화된 레이저 스팟을 이동하면서 경화시켜 결과적으로 하나의 단면을 경화시키는데, 이는 레이저 주사 경로의 생성이라는 부분이 추가가 되며, 상용 장비의 경우 단면의 윤곽을 그린 후, 지그재그 방식으로 X 방향 및 Y 방향으로 채워나가는 해칭 등의 추가 작업이 필요하게 되므로 작업시간이 길어지는 것이다. 또한, 초점화된 레이저 스팟은 매우 미세한 가우시안 형태의 에너지 분포를 가지며, 이러한 레이저 스팟이 중첩이 되면서 하나의 단면을 경화시키므로, 표면이 거칠어지는 문제점이 있는 것이다.

한편, 본 발명자는 한국정밀공학회 제23권 제11호(통권188호) 2006. 11. "Digital Micromirror Device를 이용한 3차원 마이크로구조물 제작"과 Journal of Mechanical Science and Technology(KSME Int. J.), Vol. 20, No. 12, pp.2094~2104, 2006. "Design of Microstereolithography System Based on Dynamic Image Projection for Fabrication of Three-Dimensional Microstructures"를 통해 3차원 형상의 마이크로 구조물을 가공하기 위한 마이크로 광조형 장치를 제안한 바 있다. 이와 같은 마이크로 광조형 장치는 마이크로 광조형 기술에서 전사방식(projection method)을 적용한 것이다. 전사방식의 광조형 기술은 전술한 주사방식과 같이 적층을 통하여 최종 형상이 얻어지지만, 각 층의 가공 방식에 있어서 차이점이 있다. 즉, 마스크를 통과하며 형성된 광 패턴을 이용하여 하나의 단위층을 한꺼번에 가공함으로써, 더욱 빠른 시간에 마이크로 구조물을 제작할 수 있으며, 특히 동적 마스크(dynamic mask)를 이용하여 마스크의 제작없이 다양한 모양의 패턴을 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 동적 마스크에는 LCD(Liquid Crystal Display)와 DMD(Digital Micromirror Device)가 있다. 본 발명자는 위 두 논문에서 DMD를 동적 마스크로 적용하고, DMD의 구동과 수지 표면의 이미지 형성에 따른 광의 경로를 고려한 마이크로 광조형 장치를 제안하였다. 이와 같은 전사방식의 마이크로 광조형 장치는 지속적으로 개발이 되어 현재 수평 및 수직 방향에 대하여 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 mm까지의 크기를 갖는 다양한 마이크로 구조물을 제작하는데 적용되고 있다.

이와 같이 전사방식의 마이크로 구조물 제조방법은 슬라이싱 단면에 대해서 바이너리 이미지만 생성하면 되기 때문에 가공 데이터의 생성이 용이하고, 전술한 주사방식에 비해 더욱 빠른 시간에 마이크로 구조물을 제작할 수 있으며, 동적 마스크를 사용할 수 있고, 윤곽부분을 제외한 내부 부분은 거의 균일한 에너지 분포를 가지기 때문에 주사방식에 비해 상대적으로 깨끗한 표면을 가지는 장점이 있는 반면, 그 제조가능한 마이크로 구조물의 크기에 있어서 상대적으로 제한되는 문제점이 있다. 또한, 본 발명자가 위 두 논문을 통해 제안한 마이크로 광조형 장치는 정밀도를 가지면서도 비교적 복잡한 3차원 마이크로 구조물을 가공할 수 있는 장점이 있지만, 상대적으로 대면적의 마이크로 구조물을 형성하는 점에 있어서는 부족한 점이 있었다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성함에 있어서 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성할 수 있도록 할 수 있는 새로운 형태의 대면적 마이크로 구조물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성하되 연속적으로 접속되는 부분에서 단차의 발생을 최소화시키므로써 전체적으로 연속되는 균일한 표면을 갖도록 할 수 있는 새로운 형태의 대면적 마이크로 구조물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 형성하고자 하는 3차원의 마이크로 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 각 단위층의 단면 윤곽으로 이루어지는 단면 데이터를 획득하는 단계와; 상기 단면 데이터의 각 단위층별 단면 윤곽을 가 로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 획득하는 단계 및; 상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 상기 3차원의 마이크로 구조물을 형성하는 단계를 포함하여, 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 cm까지의 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성한다.

이와 같은 본 발명에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에서 상기 세그먼트 데이터를 획득하는 단계는 상기 다수개의 분할 이미지에서 연속적으로 접속되는 분할 이미지가 서로의 경계에서 겹침 영역을 갖도록 하고, 상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계는 연속적으로 접속되는 분할 이미지가 서로의 경계를 기준으로 상기 겹침 영역에서 서로 겹치도록 하여 이루어질 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에서 상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계는 상기 분할 이미지의 겹침 영역에서의 광량이 내측에서 외측으로 점진적으로 감소되도록 하여 이루어질 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 DMD(36, Digital Micromirror Device)에 의해 형성된 광 패턴을 이용하여 하나의 단위층을 한꺼번에 가공하는 전사방식으로 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성하기 위한 마이크로 광조형 장치는 상기 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료가 반응하는 파장의 광을 발생하여 광섬유(22)를 통해 전송시키기 위한 광원(20)과; 상기 DMD(36)가 설치되어 상기 광원(20)으로부터 전송되어 입사되는 광을 상기 단위층을 형성하기 위한 광 패턴으로 형성하여 조사하기 위한 광조사 유니트(30)와; 상기 광조사 유니트(30)를 X 및 Y 방향으로 이동시키기 위한 이송 유니트(50)와; 상기 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료가 수용되는 스테이지(70)와; 상기 스테이지(70)를 Z 방향으로 이동시키기 위한 이송 유니트(80) 및; 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 사용하여 상기 DMD(36)의 광의 반사위치를 조절하고, 상기 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)와 Z 방향 이송 유니트(80)를 제어하여 상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 상기 마이크로 구조물을 형성하도록 제어하는 제어부(90)를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 광조형 장치에서 상기 광조사 유니트(30)는 상기 광원(20)과 상기 광섬유(22)를 통해 접속되어 상기 광원(20)으로부터 전송되는 광이 평행하게 상기 DMD(36)로부터 반사되는 반사광의 방향에 대해 측방향에서 입사되도록 하는 콜리메이팅 렌즈부(32)와; 상기 DMD(36)로부터 반사되는 반사광의 경로상에 상기 DMD(36)와 평행하도록 설치되고, 상기 콜리메인팅 렌즈부(32)를 통과한 광을 반사하여 상기 DMD(36)로 입사되도록 하며, 상기 DMD(36)로부터 반사된 반사광이 통과하도록 하는 프리즘(34)과; 상기 DMD(36)로부터 반사되어 상기 프리즘(34)을 통과한 광의 경로상에 상기 DMD(36)와 평행하도록 설치되고, 상기 프리즘(34)을 통과한 광을 평행광으로 형성하는 튜브렌즈(38)와; 상기 DMD(36)로부터 반사되어 상기 튜브렌즈(38)를 통과한 평행광의 경로상에 상기 DMD(36)와 평행하도록 설치되고, 상기 튜브렌즈(38)를 통과한 평행광이 상기 스테이지(70)의 방향으로 조사되도록 하는 반사경(40) 및; 상기 반사경(40)에 의해 반사된 광의 경로상에 설치되고, 상기 반사경(40)에 의해 반사된 광을 상기 스테이지(70)상에 집광시키기 위한 대물렌즈(42)를 구비하고, 상기 DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38) 및 반사경(40)은 수평방향의 광 경로가 형성되도록 할 수 있다.

본 발명에 의한 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 의하면, 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 새로이 구성한 후, 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 마이크로 구조물을 형성하므로, 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성할 수 있다. 그리고, 본 발명에 의한 마이크로 광조형 장치에 의하면, 콜리메이 팅 렌즈부(32), DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38), 반사경(40) 및 대물렌즈(42)로 이루어지는 광조사 유니트(30)가 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)에 의해 X 및 Y 방향으로 이동되도록 하고, 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료가 수용되는 스테이지(70)가 Z 방향 이송 유니트(80)에 의해 Z 방향으로 이동되도록 구성되므로, 장치의 높이를 상대적으로 줄이면서 가공을 위한 구성의 정밀한 이송이 가능하다. 특히, 본 발명에 의한 마이크로 광조형 장치는 DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38) 및 반사경(40)이 수평방향의 광 경로상에 평행하게 설치되므로 기계적, 광학적으로 안정되게 되어 정밀한 가공이 가능하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 11에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 일반적으로 마이크로 구조물을 형성하기 위한 마이크로 광조형 방법 및 장치와 관련하여 통상 이 분야의 관련 기술로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법의 기술적 특징을 설명하기 위한 도면이며, 도 3 내지 도 5는 도 2의 겹침 영역을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들로서, 도 3은 도 2에서 겹칩 영역의 경화 방법의 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 겹칩 영역을 형성하기 위해 겹침 영역을 갖는 두 분할 이미지의 재분할 이미지를 생성하는 방법을 보여주는 도면이며, 도 5는 도 4의 재분할 이미지를 사용해서 겹침 영역을 형성하는 방법을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 형성하고자 하는 3차원의 마이크로 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 각 단위층의 단면 윤곽으로 이루어지는 단면 데이터를 획득하는 단계(S100), 이 단면 데이터의 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 획득하는 단계(S110) 및, 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 3차원의 마이크로 구조물을 형성하는 단계(S120)로 이루어진다.

이때, 본 발명에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 세그먼트 데이터를 획득(S110)하고, 이 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성(S120)하는 점에 있어서 종래기술과 다른 기술적 특징을 갖는다. 즉, 통상적인 전사방식의 마이크로 구조물의 제조방법은 마스크를 통과하며 형성된 광 패턴을 이용하여 하나의 단위층을 한꺼번에 가공하여 이루어지는 반면, 본 발명은 하나의 단위층의 단면 윤곽을 일정 개수로 분할하여 분할 이미지로 구성 한 후, 이 분할 이미지를 접속시키면서 하나의 단위층을 가공하게 되는 것이다. 이와 같은 본 발명의 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 그 광 패턴 크기에 제한을 갖는 전사방식의 문제점을 효과적으로 해결하므로써, 통상 전사방식에서 얻어지는 수 ㎛의 정밀도를 유지하면서 수 cm까지의 대면적을 갖는 마이크로 구조물을 형성할 수 있는 것이다.

한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 세그먼트 데이터를 획득하는 단계(S110)는 다수개의 분할 이미지에서 연속적으로 접속되는 분할 이미지가 서로의 경계에서 겹침 영역을 갖도록 한다. 그리고, 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계(S120)는 연속적으로 접속되는 분할 이미지(도 2에서는 제 1 분할 이미지 영역과 제 2 분할 이미지 영역을 보이고 있다)가 서로의 경계를 기준으로 겹침 영역에서 서로 겹치도록 하여 단위층을 형성하도록 한다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계(S120)에서, 도 2에서 보는 바와 같이 분할 이미지(제 1 분할 이미지와 제 2 분할 이미지)의 겹침 영역에서의 에너지가 내측에서 외측으로 점진적으로 감소되도록 하여 이루어지도록 하므로써, 겹침 영역에서 경화되는 깊이를 일정하게 하도록 한다. 즉, 도 2에서 보는 바와 같이, 제 1 분할 이미지 영역과 제 2 분할 이미지 영역에서 서로 겹치는 영역(겹침 영역)에서는 그 에너지가 외측방향으로 점진적으로 감소되도록 하므로써 경화되는 깊이가 겹치지 않 는 영역에 비해 상대적으로 얕게 되도록 하는 것이다.

이때, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서 겹침 영역을 형성하는 방법은, 도 3에서 보는 바와 같이, 겹침 영역에서 양측 에너지의 합이 겹치지 않는 영역과 같은 에너지를 갖도록 하는 것이다. 그리고, 이와 같이 겹침 영역에서의 에너지의 합이 겹치지 않는 영역에서의 에너지와 같은 값을 갖도록 하기 위해 사용되는 방법은 도 4와 같은 과정을 통해 형성되는 재분할 이미지를 사용하여 도 5와 같이 겹침 영역에서 에너지의 합이 겹치지 않는 영역과 동일하게 이루어지도록 하여 겹침 영역을 형성하게 된다. 예컨대, 전술한 바와 같이 단면 윤곽을 다수개의 분할 이미지로 분할하여 가공하는 본 발명의 방식은 연속적으로 접하는 두 분할 이미지 사이에 경계{실험에 의한 측정을 통해 경계선의 폭은 약 20㎛ 정도였다}가 나타난다.

본 발명에서는 이와 같은 경계선을 제거하기 위해, 도 4에서 보는 바와 같이, 우선 단면 윤곽의 분할 이미지(1, 2)에서 나타나는 경계(선)을 기준(좌우측 또는 상하측)으로 50 픽셀(가공시 약 100㎛에 해당)이 겹침 영역(3)으로 형성되도록 재분할하여 이미지(1, 2, 3a, 3b)를 저장한다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 단면윤곽에서 분할된 제 1 분할 이미지(1)에는 겹치지 않는 영역(a)이 있고, 제 2 분할 이미지(2)에는 겹치지 않는 영역(b)이 있으며, 이 제 1 분할 이미지(1)와 제 2 분할 이미지(2)는 겹침 영역(c)을 가지면서 서로 연속적으로 접속되는데, 이를 재 분할하면, 4개의 재분할 이미지(1', 2', 3a, 3b)가 형성된다. 이 4개의 재분할 이미지(1', 2', 3a, 3b)에서 제 1 재분할 이미지(1')는 제 1 분할 이미지(1)의 겹치지 않는 영역(a)을 갖고, 제 2 재분할 이미지(3a)는 제 1 분할 이미지(1)와 제 2 분할 이미지(2)의 겹침 영역(c)에 대해 제 1 분할 이미지(1)의 겹침 영역(c)과 대응되는 영역(c')을 가지며, 제 3 재분할 이미지(3b)는 제 1 분할 이미지(1)와 제 2 분할 이미지(2)의 겹침 영역(c)에 대해 제 2 분할 이미지(1)의 겹침 영역(c)과 대응되는 영역(c")을 갖고, 제 4 재분할 이미지(2')는 제 2 분할 이미지(2)의 겹치지 않는 영역(b)을 갖는다.

본 발명은 접속되는 두 분할 이미지의 경계를 이와 같은 재분활 이미지(1', 3a, 3b, 2')를 순차적으로 사용해 형성하게 된다. 즉, 제 1 및 2 재분할 이미지(1', 3a)를 경화시킨 후, 후술하는 마이크로 광조형 장치(10)의 X 및 Y 방향 이송 유니트(50, 도 7 참조)를 이동시켜 제 3 및 제 4 재분할 이미지(3b, 2')를 차례로 경화시킨다. 이때, 제 1 재분할 이미지(1')와 제 4 재분할 이미지(2')는 100%의 에너지로 경화(일반적으로 조사되는 에너지의 크기는 노출시간으로 조절한다. 본 실시예에서는 2초 동안 광을 노출한 경우를 100%로 가정한다. 이 시간은 어떤 한 단면의 경화 두께 및 폭과 연관이 있다)시킨다. 그리고, 제 2 및 제 3 재분할 이미지(3a, 3b)는 전술한 도 3과 같이 선형적으로 변하는 에너지를 중첩시키면 결과적으로 100%의 에너지를 준 것과 동일한 효과를 볼 수 있도록 하여 경계선 문제를 해결한다. 이와 같은 제 2 및 제 3 재분할 이미지(3a, 3b)를 사용한 경화는 수 지 표면에 조사되는 광 에너지를 조절하기 위해서 100% 에너지에 해당되는 노출 시간인 2초 동안 단면 이미지를 도 5에서 보는 바와 같이 점차적으로 변화시킨다. 이렇게 하면, 중첩이 많이 되는 부분은 100%의 에너지가 조사되고 중첩이 거의 없는 부분은 0%에 가까운 에너지가 조사되어 결과적으로 경계선이 배제된 형상을 가공할 수 있는 것이다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 따라 치아 구조물을 가공하는 예를 보여주는 도면들이다.

도 6 및 도 7은 형성하고자 하는 3차원의 마이크로 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 각 단위층의 단면 윤곽으로 이루어지는 단면 데이터를 획득하는 단계(S100)를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 6의 (a)는 CAD 프로그램을 통해 모델된 3차원의 치아 구조물을 보여주는 도면이고, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에서 보인 치아 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 상태(본 실시예에서는 총 64개의 단위층으로 슬라이싱하였다)를 보여주는 도면이며, 도 7의 (a)는 도 6의 (b)와 같이 슬라이싱된 단위층들 중 한 단위층의 단면 윤곽(본 실시예에서는 64개의 단위층들 중 40번째의 단위층을 보였다)을 보여주는 도면이다. 이와 같은 과정은 통상의 마이크로 조형기술과 동일하게 CAD 프로그램을 사용하여 형성된 모델링 형상으로부터 3각형 면으로 이루어진 STL 파일로 변환하고, 적층 두께만큼 슬라이싱하여 여러 개의 단위층에 대한 단면 데이터를 생성하는 과정이다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명의 기술적 특징인 단면 데이터의 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 획득하는 단계(S110) 및, 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 3차원의 마이크로 구조물을 형성하는 단계(S120)를 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 7의 (b)는 도 4의 (a)에서 보인 단면 윤곽을 가로 방향(m)과 세로 방향(n)으로 정해진 수(m×n)만큼 분할(본 실시예에서는 가로방향 3개, 세로방향 3개로 분할하였다)하는 상태를 보여주는 도면이고, 도 8은 도 7의 (b)와 같이 분할된 분할 이미지들을 수지(마이크로 구조물을 형성하기 위한 폴리머) 표면에 결상시키기 위한 이미지{도 7의 (b)의 이미지에서 180도 회전시킨 상태}로 변환하여 세그먼트 데이터로 저장되는 형태를 보인 도면이다. 이와 같이 본 발명은 종래와 달리 단면 윤곽을 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 구성하고, 이 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층(S120)하여 공정을 진행하므로써, 도 9에서 보는 바와 같은 최종적인 3차원의 마이크로 구조물(치아 구조물)을 형성하게 되는 것이다.

도 10은 본 발명의 기술적 사상에 따른 마이크로 광조형 장치를 설명하기 위 한 도면이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치를 광조사 유니트를 중심으로 보여주는 사진 도면이며, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 광조사 유니트를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 콜리메이팅 렌즈부, 프리즘 및 DMD에서 광의 경로를 간략하게 보여주는 도면이며, 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 X 및 Y 방향 이송 유니트를 보여주는 사진 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 광조형 장치(10)는 기본적으로 DMD(36, Digital Micromirror Device)에 의해 형성된 광 패턴을 이용하여 하나의 단위층을 한꺼번에 가공하는 전사방식으로 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성하기 위한 통상의 마이크로 광조형 장치를 개선하여 전술한 대면적 마이크로 구조물의 제조가 용이하도록 구성된 것이다. 이와 같은 본 발명의 마이크로 광조형 장치(10)는 광원(20), 광조사 유니트(30), X 및 Y 방향 이송 유니트(50), 스테이지(70), Z 방향 이송 유니트(80) 및 제어부(90)를 구비하여 이루어진다. 여기서, 광원(20)은 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료가 반응하는 파장의 광을 발생하여 광섬유(22)를 통해 전송시킨다. 광조사 유니트(30)는 DMD(36)가 설치되어 광원(20)으로부터 전송되어 입사되는 광을 단위층을 형성하기 위한 광 패턴으로 형성하여 조사한다. 그리고, X 및 Y 방향 이송 유니트(50)는 광조사 유니트(30)를 X 및 Y 방향으로 이동시키고, 스테이지(70)는 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료 가 수용되며, Z 방향 이송 유니트(80)는 스테이지(70)를 Z 방향으로 이동시킨다. 그리고, 제어부(90)는 통상 컴퓨터가 적용되며, 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 사용하여 DMD(36)의 광의 반사위치를 조절하고, X 및 Y 방향 이송 유니트(50)와 Z 방향 이송 유니트(80)를 제어하여 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 마이크로 구조물을 형성하도록 제어한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 광조형 장치(10)는 콜리메이팅 렌즈부(32), DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38), 반사경(40) 및 대물렌즈(42)로 이루어지는 광조사 유니트(30)가 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)에 의해 X 및 Y 방향으로 이동되도록 하고, 마이크로 구조물을 형성하기 위한 재료가 수용되는 스테이지(70)가 Z 방향 이송 유니트(80)에 의해 Z 방향으로 이동되도록 구성되므로, 장치의 높이를 상대적으로 줄이면서 가공을 위한 구성의 정밀한 이송이 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 마이크로 광조형 장치(10)에서 광학계인 광조사 유니트(30)는 X 및 Y 방향 이송 유니트(50) 위에 얹혀져 구성되므로, X 및 Y 방향 이송 유니트(50)는 적절한 하중하에서 정밀도, 속도 및 가속도 등을 맞출 수가 있고, 간결하면서도(compact) 가벼운 구조로 만들 수 있어 오차가 없이 이송가능한 것이다. 그리고, Z 방향으로 높이가 높으면 전체적으로 중심이 위쪽에 있어 불안정한 시스템이 되게 되는데, 본 발명의 마이크로 광조형 장치(10)는 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)를 적용하여 Z 방향으로 발생하는 광의 경로를 최대한 줄이고 X 및 Y 방향으로 광의 경로를 설정하게 된 것이다.

도 11 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치(10)는 광원(20), 콜리메이팅 렌즈부(32), DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38), 반사경(40) 및 대물렌즈(42)로 이루어지는 광조사 유니트(30)가, 도 14에서 보는 바와 같이 구성되는 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)상에 설치되므로써, 광조사 유니트(30) 전체가 마이크로 구조물의 형성이 이루어지는 스테이지(70)에 대해 X 및 Y 방향으로 이송가능하도록 설치된다.

이때, 광조사 유니트(30)를 이동시키기 위한 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)는, 도 14에서 보는 바와 같이, 프레임(52, 58)상에 서보 모터(54, 60)를 설치하고, 이 서보 모터(54, 60)에 의해 구동되는 리니어 스크류 세트(56, 62)로 이루어지는 통상의 이송 기구가 적용된다. 본 실시예에의 마이크로 광조형 장치(10)는 상술한 이송 기구가 적층되는 구조로 설치되어 각 이송기구에 의해 X 방향 이송(도 14에서 하측) 및 Y 방향 이송(도 14에서 상측)이 이루어지도록 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)를 구성하였다. Y 방향 이송이 이루어지도록 하는 이송기구의 상측에는 도 11에서 보는 바와 같이 광조사 유니트(30)를 설치하기 위한 판넬(66)이 결합된다. 그리고, 본 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치(10)에서 Z 방향 이송 유니트(80)는 스테이지(70)로부터 상측으로 연장되도록 설치되는 연장 바(84)를 실린더(82)에 의해 상하이동시켜 스테이지(70)를 Z 방향으로 이송시키도록 구성된다. 물론, 이와 같은 이송 유니트(50, 70)의 구성은 다양한 이송 기구를 적용하여 구성할 수 있는 것이다.

그리고, 본 실시예에서 광원(20)은 발생된 광이 광섬유(22)를 통해 콜리메이팅 렌즈부(32)로 입사되도록 한다. 이때, 본 실시예에서 광원(20)은 200nm~1000nm의 광대역 파장을 발생시킬 수 있는 UV 램프를 적용하였다. 물론, 이와 같은 광원은 필요한 파장의 광원을 필터링하기 위해 별도의 필터를 설치하여 사용할 수 있는 것이다. 특히, 본 실시예에서는 적용 수지에 맞추어 365nm의 광만을 필터링할 수 있는 필터를 설치하여 적용하였는데, 이와 같은 광의 적용 파장은 수지를 경화시키는데 이용되는 광개시제에 따라 설정되는 것이다. 이와 같은 광원(20)으로부터 발생된 광은 광섬유(22)를 통해 콜리메이팅 렌즈부(32)로 입사된다. 여기서, 광섬유(22)는 유연한 성질 때문에 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)에 의해 광조사 유니트(30)가 이동하여도 안정된 광 전송을 유지할 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치는 DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38) 및 반사경(40)이 수평방향의 광 경로상에 평행하게 설치되므로 기계적, 광학적으로 안정되게 되어 정밀한 가공이 가능하다. 즉, 도 12에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치(10)에서 광조사 유니트(30)는 콜리메이팅 렌즈부(32), 프리즘(34), 튜브렌즈(38), 반 사경(40) 및 대물렌즈(42)로 이루어지고, DMD(36), 프리즘(34), 튜브렌즈(38) 및 반사경(40)은 수평방향의 광 경로가 형성되도록 하는 것이다.

이때, 콜리메이팅 렌즈부(32)는 광원(20)과 광섬유(22)를 통해 접속되어 광원(20)으로부터 전송되는 광이 평행하게 DMD(36)로부터 반사되는 반사광의 방향에 대해 측방향에서 입사되도록 한다. 그리고, 프리즘(34)은 DMD(36)로부터 반사되는 반사광의 경로상에 DMD(36)와 평행하도록 설치되어 콜리메인팅 렌즈부(32)를 통과한 광을 반사하여 DMD(36)로 입사되도록 하며, DMD(36)로부터 반사된 반사광이 통과하도록 한다. 본 실시예에서 프리즘(34)은 'oerlikon'이라는 회사가 "LightGate"라는 상표명으로 판매하고 있는 제품을 적용하였다. 이와 같은 "LightGate"는 중량을 줄이고, 광의 경로를 줄일 수 있도록 하여 정밀도를 높일 수 있도록 한다. 이와 같은 프리즘(34)은, 도 13에서 보는 바와 같이, 적절한 입사각에 따라 반사 혹은 투과되도록 구성되어 있어, 콜리메인팅 렌즈부(32)를 통과한 광이 내부에서 반사되어 DMD(36)로 입사되도록 하고, DMD(36)에 설정된 광 패턴에 따른 따라 반사된 광은 반사되지 않으며, 직진을 하여 튜브 렌즈(38)를 통과하게 된다. 이때, 튜브렌즈(38)는 DMD(36)로부터 반사되어 프리즘(34)을 통과한 광의 경로상에 DMD(36)와 평행하도록 설치되고, 프리즘(34)을 통과한 광을 평행광으로 형성한다. 그리고, 반사경(40)은 DMD(36)로부터 반사되어 튜브렌즈(38)를 통과한 평행광의 경로상에 DMD(36)와 평행하도록 설치되어 튜브렌즈(38)를 통과한 평행광이 스테이지(70)의 방향으로 조사되도록 한다. 이와 같이 반사경(40)에 의해 반사된 광은 반사경(40)에 의해 반사된 광의 경로상에 설치되는 대물렌즈(42)를 통해 스테이지(70)상(수지표면)에 집광되므로써 DMD(36)에서 생성된 분할 이미지가 수지표면을 경화시켜 얇은 층을 형성시키게 된다. 이때, 형성된 층은 수지표면 아래로 가라앉게 되고, 새로운 수지가 이미 가공된 층위에 덮히게 되는 과정이 반복되므로써 최종적으로 마이크로 구조물을 생성하게 된다. 그리고, 새로운 분할 이미지의 위치는 X 및 Y 방향 이송 유니트(50)와 Z 방향 이송 유니트(80)의 이송에 의해 반복적으로 수행되게 된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법 및 그를 위한 마이크로 광조형 장치를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법은 종래기술과 동일하게 3차원 마이크로 구조물을 형성하기 위해 적용되지만, 특히, 본 발명의 기술적 특징으로 인해 전사방식으로 종래기술에 비해 상대적으로 대면적의 마이크로 구조물을 제조하는데 적용할 수 있다. 예컨대, 스캐폴드 제조(scaffold fabrication) 분야에 매우 유용하게 적용할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법을 설명하기 위한 도면;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법의 기술적 특징을 설명하기 위한 도면;

도 3 내지 도 5는 도 2의 겹침 영역을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면들;

도 6 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 마이크로 구조물의 제조방법에 따라 치아 구조물을 가공하는 예를 보여주는 도면들;

도 10은 본 발명의 기술적 사상에 따른 마이크로 광조형 장치를 설명하기 위한 도면;

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치를 광조사 유니트를 중심으로 보여주는 사진 도면;

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 광조사 유니트를 설명하기 위한 도면;

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 콜리메이팅 렌즈부, 프리즘 및 DMD에서 광의 경로를 간략하게 보여주는 도면;

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 광조형 장치에서 X 및 Y 방향 이송 유니트를 보여주는 사진 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 마이크로 광조형 장치 20 : 광원

22 : 광섬유 30 : 광조사 유니트

32 : 콜리메이팅 렌즈부 34 : 프리즘

36 : DMD 38 : 튜브 렌즈

40 : 반사경 42 : 대물렌즈

50 : (X 및 Y 방향) 이송 유니트 70 : 스테이지

80 : (Z 방향) 이송 유니트 90 : 제어부

Claims (5)

1. 삭제
2. 형성하고자 하는 3차원의 마이크로 구조물의 모델 데이터로부터 적층 두께에 따라 슬라이싱한 각 단위층의 단면 윤곽으로 이루어지는 단면 데이터를 획득하는 단계와;

   상기 단면 데이터의 각 단위층별 단면 윤곽을 가로 방향과 세로 방향으로 정해진 수만큼 분할하여 다수개의 분할 이미지로 이루어지는 세그먼트 데이터를 획득하는 단계 및;

   상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하고, 각 단위층을 순차적으로 적층하여 상기 3차원의 마이크로 구조물을 형성하는 단계를 포함하여, 마이크로 광조형 기술의 전사방식을 이용해 수 cm까지의 3차원 형상의 마이크로 구조물을 형성하되;

   상기 세그먼트 데이터를 획득하는 단계는 상기 다수개의 분할 이미지에서 연속적으로 접속되는 분할 이미지가 서로의 경계에서 겹침 영역을 갖도록 하고,

   상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계는 연속적으로 접속되는 분할 이미지가 서로의 경계를 기준으로 상기 겹침 영역에서 서로 겹치도록 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 구조물의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 세그먼트 데이터의 분할 이미지를 연속적으로 접속시키면서 각 단위층을 형성하는 단계는 상기 분할 이미지의 겹침 영역에서의 광량이 내측에서 외측으로 점진적으로 감소되도록 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 마이크로 구조물의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제

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