KR101149069B1 - 표면장력을 이용한 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치는, 투명 윈도우, 및 상기 투명 윈도우와 대향하는 표면을 가지며, 상기 투명 윈도우 표면에 수직한 방향으로 이동 가능한 엘리베이터를 포함한다. 서로 대향하는 상기 엘리베이터의 표면과 상기 투명 윈도우의 표면 사이에 광경화성 수지가 저장될 수 있다.

Description

표면장력을 이용한 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치 {STEREOLITHOGRAPHY APPARATUS HAVING NON-CONTAINER SYSTEM USING SURFACE TENSION}

본 발명은 광조형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 구조물을 성형하기 위한 광조형 장치에 관한 것이다.

광, 전자 및 반도체와 같은 각종 첨단 산업은 다양한 형태 및 재료의 가공 방법을 요구하며, 그 정밀도는 마이크로 단위에서 서브 마이크로 단위까지 점차 증대되고 있다.

제품이 미세화 및 정밀화 됨에 따라, 마이크로 부품은 기존의 2차원 및 준3차원에서 완전한 3차원 형태의 기술로 발달하고 있다. 그러나 대부분의 제조 공정은 완전한 3차원 입체 형상으로 확장하는데 한계를 가진다.

따라서 레이저를 이용한 3차원 미세형상 제조방법이 연구되고 있다. 일례를 들면, 광조형 기술(Stereolighography Technology)은 광경화성 수지를 활용하여 3차원 구조물을 제작할 수 있다.

광조형 기술은 3차원 가공기술인 쾌속 조형(rapid prototyping) 기술들 중 가장 정밀도가 높은 기술로써, 다양한 상용화된 시스템들이 존재한다. 이러한 광조형 기술은 빛 에너지를 광경화성 수지의 특정부위에 조사하여 필요로 하는 2차원적인 형상을 성형하고 이를 층층이 쌓아올려, 필요로 하는 3차원 구조물 성형을 하게 된다.

도 6은 이러한 광조형 기술을 개략적으로 보여주고 있다. 광원(1, 예를 들어, 자외선)에서 얻어지는 빛 에너지를 광경화성 수지(2)에 주사하여 필요로 하는 2차원 형상(3)을 성형하고, 이를 층층이 쌓아 올려 필요로 하는 3차원 구조물을 제작하고 있는 것을 나타낸 것이다.

그러나 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 광경화성 수지(2)를 저장 및 가공에 공급하기 위한 수지통(container)(4)이 일반적으로 가공 시스템에 이용되고 있다. 이러한 시스템은 가공을 위하여 일정 용량 이상의 수지(2)를 통(4)에 채워주도록 되어 있다. 이는 성형물 제작에 필요한 용량 이상의 많은 수지(2)를 필요로 한다. 곧, 불필요한 수지(2)의 많은 낭비를 초래하게 된다. 그리고 나아가서는 초기 세팅 비용과 직결되어, 사용되는 재료의 가격이 증가할 수록 낭비되는 비용을 크게 증가시키게 된다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 광조형 기술을 위하여 표면장력을 이용하여 수지통이 필요 없는 무용기(non-container) 성형시스템을 구비한 광조형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치는, 투명 윈도우; 및 상기 투명 윈도우와 대향하는 표면을 가지며, 상기 투명 윈도우 표면에 수직한 방향으로 이동 가능한 엘리베이터를 포함한다. 서로 대향하는 상기 엘리베이터의 표면과 상기 투명 윈도우의 표면 사이에 광경화성 수지가 저장될 수 있다.

상기 엘리베이터는 상기 투명 윈도우와 대향하는 표면의 가장자리 부분에 경사면을 구비하여, 상기 광경화성 수지가 저장될 수 있도록 지지할 수 있다.

상기 경사면은 상기 엘리베이터의 가장자리로 갈수록 상기 투명 윈도우 표면으로부터 멀어지는 방향으로 경사져 있다.

상기 엘리베이터와 대향하는 상기 투명 윈도우의 표면은 소수성의 성질을 가질 수 있으며, 이를 위해 상기 투명 윈도우 표면에 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 코팅을 할 수 있다.

본 발명에 따른 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치는 수지의 낭비를 최소화 하여 주며, 나아가서는 광 조형 기술을 이용한 가공비의 절감을 유도할 수 있다.

도 1은 일반적인 광조형 장치의 구성도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 광조형 기술을 위하여 표면장력을 이용한 무용기 성형시스템을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력방향과 소수성 표면을 고려한 무용기 성형시스템을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무용기 성형시스템을 구현한 광조형 장치를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 무용기 성형시스템을 이용하여 구축된 광조형 장치를 이용하여 제작된 성형물을 나타낸 사진이다.
도 6은 종래 광조형 기술을 설명하기 위한 개략도이다.

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

도 1은 일반적인 광조형 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 광조형장치(100)는 광경화성수지(2)를 내장하는 컨테이너(4), 광경화성수지(2)로 형성되는 2차원구조물(3)을 컨테이너(4) 내에서 Z축 방향으로 쌓아 올리는 Z스테이지(5), 빛 에너지를 발생시키는 광원(1), 광원(1)의 빛 에너지를 광경화성수지(2)로 전달하는 광학계(7), 및 광학계(7)를 X축 및 Y축 방향으로 조절하는 XY스테이지(8) 및 이들을 제어하는 제어부(9)를 포함한다. Z스테이지(5)와 XY스테이지(8)는 공지의 제품을 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

광학계(7)는 제어부(9)에 의하여 제어되어 광원(1)에서 조사되는 빛 에너지를 단속하는 셔터(71), 셔터(71)를 통과하는 빛 에너지의 광량을 제어하는 ND(Neutral Density)필터(72), ND필터(72)를 통과한 빛 에너지의 방향을 분할 및 전환하는 빔 스프리터(73), 빔 스프리터(73)에서 반사되는 빛 에너지를 제어하는 프리즘들(74) 및 프리즘(74)에서 전달되는 빛 에너지의 초점을 광경화성수지(2)의 소정 부위에 맞추는 대물렌즈(75)를 포함한다. 대물렌즈(75)를 통과한 빛 에너지의 초점이 광경화성수지(2) 상에서 맺혀지므로 광경화성수지(2)가 경화되어 2차원구조물(3)을 형성한다.

제어부(9)는 CAD로 만들어진 제품의 형상 데이터를 이용하여, Z스테이지(5) 및 XY스테이지(8)를 제어하고, 또한 셔터(71)를 통하여 광원(1)에서 발생되는 빛 에너지의 주사를 단속한다.

따라서 광경화성수지(2)는 일정 두께의 단면으로 나누어지는 2차원 구조물(3)을 형성하며, 반복적으로 형성되는 2차원구조물들(3)은 연속적으로 적층되어 3차원구조물을 성형한다.

본 발명의 일 실시예에서는, 상기 광경화성수지(2)를 저장하는 컨테이너(4)를 대신하여 엘리베이터와 투명윈도우를 포함하는 무용기 성형시스템을 도입하였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광조형 기술을 위하여 표면장력을 이용한 무용기 성형시스템(20)을 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력방향과 소수성 표면을 고려한 무용기 성형시스템(20)을 도시한 개략도이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 무용기 성형시스템(20)은 상부에 엘리베이터(23)를 구비하고 그 하부에 투명윈도우(25)를 구비한다. 상기 엘리베이터(23)와 투명윈도우(25)는 각각 서로 대향하는 평평한 표면을 가지며, 상기 두 표면 사이의 표면장력에 의하여 액체 수지(2)가 특정 공간을 채우게 된다(도 2의 (b) 참조). 그리고 채워진 공간에서 필요로 하는 3차원 구조물이 제작되는 것이다. 이 때, 자외선 등 빛 에너지는 하방에서 상기 투명 윈도우(25)를 통해서 광경화성 수지(20)에 조사될 수 있다.

이러한 표면장력을 이용한 무용기 성형시스템(20)은 가공 방향 및 투명윈도우(25)의 표면 특성 조절을 통하여 그 효용성을 더욱 극대화시킬 수 있다. 도 2의 (b)에서 보는 것처럼, 제작된 구조물(30)이 투명윈도우(25)와 접하는 면이 새로운 2차원 구조물이 성형되는 부분으로 이를 중력방향, 즉 아래 방향으로 향하게 한다. 그러면 도 3과 같이 적층 성형을 위하여 제작되는 새로운 2차원 구조물(3차원 성형물의 맨 아래층)과 투명윈도우(25) 사이에 새로운 두 고체 평면 조건을 만들어 주게 된다. 이러한 특징은 높은 구조물의 성형도 가능하도록 한다.

또한 투명윈도우(25)의 표면에 소수성을 부여함으로써 낮은 표면 에너지 특성을 부여하면, 주위에 있는 수지가 새로운 액체층을 만들기 위하여 필요로 하는 면으로 쉽게 이동할 수 있는 특징을 가지게 된다. 이를 위해 상기 투명윈도우(25) 표면에 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 PTFE(Polytetrafluoroethylene, 일명 "테프론") 코팅을 통한 소수성 표면 형질을 부여함으로써 소수성 표면(25a)을 형성할 수 있다.

한편, 상기 엘리베이터(23)는 원형의 평면을 가질 수 있으며, 가장자리 부분에 경사면(23a)을 형성하여 측단면이 사다리꼴 형상을 가지도록 할 수 있다. 상기 경사면(23a)은 가장자리로 갈수록 대향하는 투명윈도우(25)의 표면으로부터 멀어지는 방향으로 형성되며, 이 부분은 수지(2)의 보관을 위한 것이다. 즉, 장비의 초기 세팅 시에 엘리베이터(23)와 투명윈도우(25) 사이에 얇은 액체층을 만들어 주면, 가공을 위한 충분한 양의 수지를 보관하기 힘든데, 이와 같이 경사면(23a)을 형성함으로써 이 경사면(23a)과 투명윈도우(25) 표면 사이 공간에 적절한 양의 수지(2)를 보관할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무용기 성형시스템을 구현한 광조형 장치를 나타낸 사진이다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 사다리꼴 형상의 측단면을 갖는 엘리베이터(23)의 설계를 통해 광경화성수지의 저장소를 구현하였으며, 투명윈도우(25) 표면에 PDMS나 PTFE 코팅을 통한 소수성 표면 형질을 부여하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 무용기 성형시스템을 이용하여 구축된 광조형 장치를 이용하여 제작된 성형물을 나타낸 사진이다. 이와 같은 무용기 성형시스템을 적용하여 높은 세장비의 가공물도 충분히 가공될 수 있음을 보여주고 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1: 광원 2: 광경화성 수지
4: 컨테이너 5: Z스테이지
7: 광학계 8: XY스테이지
9: 제어부 20: 무용기 성형시스템
23: 엘리베이터 23a: 경사면
25: 투명윈도우 25a: 소수성 표면

Claims (5)

1. 광조형 기술을 수행하는 광조형 장치에 있어서,
   투명 윈도우; 및
   상기 투명 윈도우와 대향하는 표면을 가지며, 상기 투명 윈도우 표면에 수직한 방향으로 이동 가능한 엘리베이터
   를 포함하며,
   서로 대향하는 상기 엘리베이터의 표면과 상기 투명 윈도우의 표면 사이에 광경화성 수지가 저장될 수 있고,
   상기 엘리베이터는 상기 투명 윈도우와 대향하는 표면의 가장자리 부분에 경사면을 구비하여, 상기 광경화성 수지가 저장될 수 있도록 지지하는 것을 특징으로 하는 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경사면은 상기 엘리베이터의 가장자리로 갈수록 상기 투명 윈도우 표면으로부터 멀어지는 방향으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 엘리베이터와 대향하는 상기 투명 윈도우의 표면은 소수성의 성질을 갖는 것을 특징으로 하는 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 투명 윈도우 표면에 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 코팅하여 소수성을 부여한 것을 특징으로 하는 무용기 성형시스템을 구비한 광조형 장치.

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