KR101025132B1 - 블루레이 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지(8)에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광 경화성 수지에 주사되는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드(21)와, 상기 레이저를 통과시키는 제1 대물렌즈(22)를 포함하는 광 픽업 유니트(2)와, 상기 광 픽업 유니트(2)를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지(1)와, 상기 광 픽업 유니트(2)로부터 나오는 레이저를 평행광으로 변환시켜주는 콜리메이트 렌즈(61)와, 상기 콜리메이트 렌즈(61)로부터 나오는 레이저를 통과시키는 제2 대물렌즈(64)와, 기계적인 이동에 의해 레이저를 차단하거나 통과시킬 수 있도록 제공되는 차단부재(62)와, 상기 콜리메이트 렌즈(61)와 상기 제2 대물렌즈(64)의 사이에 위치하면서 상기 제2 대물렌즈(64)로 들어가는 레이저의 양을 조절하는 조리개(63)를 포함하는 경통부(6)와, 상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형될 수 있도록 하는 성형 보조 부재(4)와, 상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지(3)를 포함한다.

광조형 장치, 광 픽업 유니트

Description

블루레이 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치{Stereolithography Device Using Blue Lay Pick-up Unit}

본 발명은 블루 레이 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치에 관한 것이다.

항공 산업에서부터 바이오 산업에 이르는 다양한 산업 분야에서 높은 세장비(aspect ratio)를 가지는 복잡한 3차원 형상의 마이크로 형상을 정밀하게 성형하는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 미세한 구조물을 제작하는 데 가장 많이 이용되고 있는 기술은 반도체 제작 공정을 기반으로 하는 MEMS 나 LIGA(Lithography Galvanoforming Abforming) 공정 등이 있다. 이러한 공정은 가공 정밀도가 우수하며 대량 생산에 효과적인 장점이 있지만 2차원 혹은 제한적인 3차원 구조물을 만들기에 적합한 기술이므로 복잡한 3차원 마이크로 구조물을 제작하는데에는 한계가 있었다.

이러한 기존 공정의 한계를 극복하기 위해 개발된 광조형법(Stereolithography)는 복잡한 3차원 구조물을 제작하기 위하여 광조형 기술을 이용하는 공정이다. 이 기술은 액체 상태의 광 경화성 수지(photo resin)에 레이져를 조사하여 일정한 두께를 가지는 층을 미세하게 경화시키고, 이와 같은 층 을 반복적으로 적층하여 3차원 구조물을 성형하는 기술이다.

종래의 광조형 장치는 아르곤 이온(Ar+), 헬륨 카드뮴(He-Cd) 레이저 등 고가의 레이저를 사용하기 때문에 장치를 구성하거나 유지 보수하는데에 많은 비용이 들어가는 문제점이 있다. 그리고 광원의 빛을 광 경화성 수지의 표면에 주사히기 위해서 복잡한 광학 시스템을 이용해야 하였으므로 전체 시스템의 크기가 증대하고, 이 시스템에 사용되는 광학 부품의 정렬에 많은 노력이 필요한 단점이 있었다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여, 저렴하고 간단한 광조형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 광조형 장치는, 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지(8)에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광 경화성 수지에 주사되는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드(21)와, 상기 레이저를 통과시키는 제1 대물렌즈(22)를 포함하는 광 픽업 유니트(2)와, 상기 광 픽업 유니트(2)를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지(1)와, 상기 광 픽업 유니트(2)로부터 나오는 레이저를 평행광으로 변환시켜주는 콜리메이트 렌즈(61)와, 상기 콜리메이트 렌즈(61)로부터 나오는 레이저를 통과시키는 제2 대물렌즈(64)와, 기계적인 이동에 의해 레이저를 차단하거나 통과시킬 수 있도록 제공되는 차단부재(62)와, 상기 콜리메이트 렌즈(61)와 상기 제2 대물렌즈(64)의 사이에 위치하면서 상기 제2 대물렌즈(64)로 들어가는 레이저의 양을 조절하는 조리개(63)를 포함하는 경통부(6)와, 상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형될 수 있도록 하는 성형 보조 부재(4)와, 상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지(3)를 포함한다.

또한, 상기 성형 보조 부재에는 상하방향으로 이동시 유동의 흐름을 개선하기 위한 하나 이상의 구멍(41)이 형성되어 있다.

본 발명에 의하면, 광 픽업 유니트를 사용함으로써, 고가의 레이저를 사용하지 않고, 더욱이 복잡한 정렬이 필요한 광학 시스템이 필요없는 광조형 장치를 제공한다. 또한, 광조형 방법을 이용한 구조물 성형시에 광 픽업 유니트의 이동시에 원하지 않는 성형을 방지할 수 있고, 레이저의 양을 조절하여 경화되는 영역을 제어함으로써 더 정교하고 정밀한 구조물을 성형하는 것이 가능해진다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 광조형 장치의 구성도가 도시되어 있다. 액체 상태의 광 경화성 수지(8)가 용기(7)에 수용되어 있으며, 광 경화성 수지(8)에 레이저를 주사하여 구조물을 성형한다.

본 발명에 의한 광조형 장치는, 제1 스테이지(1)와 제1 스테이지에 지지되어 있는 광 픽업 유니트(2)와, 제2 스테이지(3)와, 제2 스테이지(3)에 지지되어 있는 성형 보조 부재(4)와, 광 픽업 유니트(2)와 성형 보조 부재(4)사이에 위치하는 경통부(6)를 포함한다.

제1 스테이지(1)는 제1 축과 제2 축을 따라서 이동 가능하다. 도 1의 예에서 제1 축은 X축이고, 제2 축은 Y축이다. 제1 축과 제2 축은 서로에 대해서 직각을 이루지만, 반드시 직각을 이루어야 하는 것은 아니다. 제1 스테이지(1)가 제1 축 및 제2 축을 따라서 이동함에 따라 제1 스테이지(1)에 지지되어 있는 광 픽업 유니트(2)도 제1 축 및 제2 축을 따라 이동하게 된다. 광 픽업 유니트(2)는 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.

제2 스테이지(3)는 제3 축을 따라서 이동 가능하다. 도 1의 예에서 제3 축은 제1 축 및 제2 축과 직각을 이루는 Z축이다. 그러나 제1 축, 제2 축 및 제3 축은 서로의 관계가 반드시 이러한 배향(orientation)을 가지는 축일 필요는 없다. 제2 스테이지(3)에는 성형 보조 부재(4)가 지지되어 있는데, 제2 스테이지(3)가 제3 축을 따라서 이동함에 따라 성형 보조 부재(4)도 제3 축을 따라서 이동하게 된다. 성형 보조 부재(4)의 위쪽에는 광 경화성 수지가 배치되는데, 광 픽업 유니트(2)에서 주사된 레이저가 성형 보조 부재(4) 위쪽 영역의 광 경화성 수지부분을 경화시킨다.

도 1에서 광 픽업 유니트(2)와 경통부(6) 사이의 얇은 선은 진행하는 레이저를 표시한 것이고, 경통부(6)를 통해 나오는 레이저(10)에 의해 성형 보조 부재(4)위의 광 경화성 수지가 경화되어 구조물(5)을 형성하는 모습을 보여준다.

도 2에는 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용되는 광 픽업 유니트(2)와 경통부(6)의 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서는 가장 간단한 광 픽업 유니트(2)의 구성이 도시되어 있지만, 좀 더 복잡한 광 픽업 유니트의 다른 형태도 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 광 픽업 유니트(2)는 광원의 역할을 하는 레이저 다이오드(21)와, 대물렌즈(22)를 포함한다. 레이저 다이오드에서 주사되는 레이저는 대물렌즈(22)를 거쳐서 경통부(6)로 들어가게 된다.

본 발명에 사용되는 광 픽업 유니트(2)의 레이저 다이오드는 청자색 레이저 다이오드인 것이 바람직하다. 청자색 레이저는 소위 블루 레이 또는 HD-DVD에서 사용하는 레이저로서 그 파장이 405nm 대의 레이저를 의미한다. 그러나 레이저의 종류는 사용하는 광 경화성 수지의 특성에 따라서 다양한 파장대의 레이저가 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명이 적용되는 범위는 광 픽업 유니트에 의해 구현 가능한 레이저에 제한된다.

본래 광 픽업 유니트에 사용되는 대물렌즈는 기록 매체에 기록되어 있는 고밀도의 데이터를 판독해야 하기 때문에 높은 경구율(NA)값을 가지는데, 본 발명에 의한 광조형 장치에서는 긴 초점거리를 필요로 하고 초점되는 레이저의 직경이 수 μm 정도이기 때문에, 통상의 광 픽업 유니트에 사용되는 대물렌즈보다 낮은 경구율을 갖는 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 경통부에서 사용되는 대물렌즈의 경우에도 마찬가지이다.

본 발명에서 사용되는 경통부(6)는 렌즈 포지셔너(positioner)와, 콜리메이트 렌즈(61)과, 차단부재(62)와 연결되어 차단부재를 조잘하는 셔터와, 조리개(63) 와, 대물렌즈(64)를 포함한다. 대물렌즈(64)는 광 픽업 유니트(2)에서 사용되는 대물렌즈(22)와 구별하기 위해 광 픽업 유니트에서는 제1 대물렌즈, 경통부에서는 제2 대물렌즈로 표현하였다.

본 발명의 광 픽업 유니트(2)에서는 청자색 레이저를 사용하기 때문에, 이에 사용되는 제1 대물렌즈의 초점거리는 1mm이하로서 매우 짧은 편이다. 따라서 이를 늘려주기 위한 콜리메이트 렌즈와 추가의 제2 대물렌즈를 경통부에서 사용한다. 이러한 각각의 렌즈들의 얼라인먼트(alignment)를 위해서는 5축으로 조절이 가능한 렌즈 포지셔너가 필요하다. 다만, 이는 렌즈의 위치를 조절하는 장치로서 도면에 별도로 표시하지는 않았다.

콜리메이트 렌즈(61)는 광 픽업 유니트의 제1 대물렌즈(22)를 통과하여 퍼지는 빛을 평행광으로 바꿔주는 기능을 한다. 위에서 설명한 바와 같이 제1 대물렌즈는 초점거리가 매우 짧기 때문에 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 초점거리가 경통부(6)에 미치지 못한 위치에 존재하게 된다. 따라서 이를 모아주는 기능을 하는 것이 콜리메이트 렌즈(61)이다.

셔터는 스테이지(1, 3)가 이동할 때 경화되는 영역과 그렇지 않은 영역을 구분하기 위해 사용한다. 이는 광 픽업 유니트(2)의 전원을 On/Off 하는 방법도 있지만 지연 시간이 길어지기 때문에 기계적인 셔터를 사용하여 레이저를 차단하는 것이 유리하다. 셔터는 차단부재(62)와 연결되어 있으며, 셔터의 동작에 따라 차단부재(62)가 이동하여 레이저의 통과를 차단하게 된다. 차단부재는 성형 보조 부재로 레이저가 진행하는 것을 차단하는 것이므로, 경통부의 어느 곳에 위치하여도 무 방하다. 혹은 광 픽업 유니트(2)에 위치하여도 무방하다.

도 3에서는 차단부재(62)의 동작에 따라 레이저가 차단되는 모습이 도시되어 있다. 외편의 모습은 차단부재(62)가 작동하지 않아서 레이저의 통과를 허용하는 경우이고, 오른편의 모습은 차단부재(62)가 작동하여 레이저의 통과를 차단하는 경우이다. 스테이지의 이동시에 레이저의 차단이 없다면 이동시에 광 경화성 수지가 원치않게 경화되는 문제점이 발생할 수 있는데, 이를 방지하기 위함이다.

조리개(63)는 콜리메이트 렌즈(61)와 제2 대물렌즈(64)의 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 조리개(63)를 사용하여 아랫부분에 위치한 제 2 대물렌즈(64)로 들어가는 레이저의 직경을 조절하게 되면, 최종적으로 포커싱 되는 부분의 스팟 크기(spot size)를 조절할 수 있다. 이를 통해 경화되는 영역을 제어할 수 있게 된다. 보통 조리개의 직경은 1mm 내지 10mm 인 것이 바람직하다. 레이저 빔의 직격이 그 범위이기 때문이다.

도 4는 조리개의 동작에 따라 투과되는 레이저의 직경이 변화되는 모습이 도시되어 있다. 이렇듯 조리개를 조절함으로써 레이저의 파워를 매우 손쉽게 제어하는 것이 가능해지므로, 종래의 광조형 장치에 비하여 훨씬 정교하고 정밀한 광조형 공정을 수행하는 것이 가능하다.

제2 대물렌즈(64)는 렌즈와 광경화 수지 사이에 적당한 간격이 유지될 수 있도록 초점거리가 긴 대물렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 보통은 5mm 내지 20mm 정도를 사용하는 것이 바람직하다.

경통부(6)는 제1 스테이지 또는 제2 스테이지에 고정되거나, 혹은 별도의 스 테이지에 의해 고정되는 것이 가능하다.

본 발명에서의 성형 보조 부재(4)는 도 1과 같이 다수의 작은 구멍(41)을 형성하여 광 경화성 수지의 유동의 흐름을 좋게 할 수 있다. 광조형 장치에서 사용하는 광 경화성 수지는 일반적으로 점성을 가지기 때문에 스테이지 3의 이동에 따라 성형 보조 부재(4)가 상하 방향으로 이동하게 되면, 점성에 의한 저항력을 받게 된다. 넓은 판형을 가진 물체를 액체에 판형과 수직인 방향으로 이동시킬 때에는 액체의 저항으로 이동하기 어려우나, 다수의 구멍을 가지고 있는 경우에는 그 이동이 수월함을 알 수 있다.

이러한 점성에 의한 저항이 이미 형성된 구조물에 영향을 줄 수 있기 때문에 종래에는 수지의 점성에 따른 영향을 감소시키기 위해 Z축 스테이지에 연결된 성형 보조 부재(4)를 광 경화성 수지 단면 층의 두께 높이보다 더 깊이 아래 방향으로 이동시킨 후, 재차 위쪽 방향으로 이동시켜 소정시간 대기한 후 상기 광 경화성 수지 단면 층의 성형을 시작하고 있었다. 이러한 경우 작업 공정이 지체되어 지연 시간이 길어지는 문제가 있었다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 이러한 저항을 최소화하기 위하여 다수의 구멍을 형성하고 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.

1. 도 1은 본 발명에 의한 광조형 장치의 구성도

2. 도 2는 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용되는 광 픽업 유니트와 경통부의 구성도

3. 도 3은 본 발명의 차단부재의 동작을 설명한 설명도

4. 도 4는 본 발명의 조리개의 동작을 설명한 설명도

Claims (2)

1. 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치에 있어서,

   상기 광 경화성 수지에 주사되는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드와, 상기 레이저를 통과시키는 제1 대물렌즈를 포함하는 광 픽업 유니트와,

   상기 광 픽업 유니트를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지와,

   상기 광 픽업 유니트로부터 나오는 레이저를 평행광으로 변환시켜주는 콜리메이트 렌즈와, 상기 콜리메이트 렌즈로부터 나오는 레이저를 통과시키는 제2 대물렌즈와, 상기 콜리메이트 렌즈와 상기 제2 대물렌즈의 사이에 위치하면서 상기 제2 대물렌즈로 들어가는 레이저의 양을 조절하는 조리개를 포함하는 경통부와,

   기계적인 이동에 의해 레이저를 차단하거나 통과시킬 수 있도록 제공되는 차단부재와,

   상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형될 수 있도록 하는 성형 보조 부재와,

   상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지를 포함하는,

   광조형 장치
2. 청구항 1에 있어서, 상기 성형 보조 부재에는 상하방향으로 이동시 유동의 흐름을 개선하기 위한 하나 이상의 구멍이 형성되어 있는,

   광조형 장치

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