KR101480769B1

KR101480769B1 - 입체 형상물 제조장치 및 입체 형상물 제조방법

Info

Publication number: KR101480769B1
Application number: KR1020130146123A
Authority: KR
Inventors: 강은구; 김보현; 이동윤; 이석우; 남성호
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-01-22

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 재료 입자를 분포시켜 상기 재료 입자의 층을 형성하는 층 형성부; 하전입자 빔을 발생시키는 빔 발생부; 상기 하전입자 빔을 집속시키는 집속 렌즈; 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔이 통과하는 개구부가 각각 형성된 복수의 단위 플레이트를 포함하는 빔 커팅부; 및 상기 빔 커팅부를 통과한 상기 하전입자 빔을 상기 분포된 재료 입자에 집속시키거나, 상기 하전입자 빔의 집속에 의하여 상기 재료 입자의 층이 용융되어 형성된 대상물에 집속시키는 대물 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 광축에 대하여 점차적으로 변한다.

Description

입체 형상물 제조장치 및 입체 형상물 제조방법{Apparatus for Manufacturing Three-Dimensional Structure and Method for the same}

본 발명은 입체 형상물 제조장치 및 입체 형상물 제조방법에 관한 것이다.

최근 3D 프린터와 같은 입체 형상물 제조장치에 대한 관심이 고조되고 있다. 입체 형상물 제조장치는 대상물 상에 분포된 재료 입자를 용융하여 적층함으로써 대상물의 최종 결과물을 형성할 수 있다.

입체 형상물 제조장치는 디지털화된 설계 정보를 바탕으로 대상물을 제작할 수 있으므로 부품이나 완제품을 빠르고 저렴하게 생산할 수 있어 입체 형상물 제조장치의 적용분야가 확대되고 있다.

이와 같이 입체 형상물 제조장치의 적용분야가 확대되어 감에 따라 하나의 입체 형상물 제조장치가 적층 공정과 폴리싱 공정을 수행할 수 있는 지에 대한 연구가 진행되고 있다.

공개특허 10-2011-0122195 (공개일 : 2011년11월09일)

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치 및 입체 형상물 제조방법은 적층 공정과 폴리싱 공정을 하나의 장치에서 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 출원의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 입체 형상물 제조장치는 재료 입자를 분포시켜 상기 재료 입자의 층을 형성하는 층 형성부; 하전입자 빔을 발생시키는 빔 발생부; 상기 하전입자 빔을 집속시키는 집속 렌즈; 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔이 통과하는 개구부가 각각 형성된 복수의 단위 플레이트를 포함하는 빔 커팅부; 및 상기 빔 커팅부를 통과한 상기 하전입자 빔을 상기 분포된 재료 입자에 집속시키거나, 상기 하전입자 빔의 집속에 의하여 상기 재료 입자의 층이 용융되어 형성된 대상물에 집속시키는 대물 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 광축에 대하여 점차적으로 변한다.

상기 개구부는 상기 광축에 대하여 대칭일 수 있다.

상기 빔 커팅부는, 상기 복수의 단위 플레이트들 중 일부 단위 플레이트들을 포함하는 제1 플레이트부와, 상기 복수의 단위 플레이트들 중 나머지 단위 플레이트들을 포함하는 제2 플레이트부를 포함하며, 상기 제1 플레이트부는 상기 제2 플레이트부에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고, 상기 제1 플레이부트의 단위 플레이트들의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 감소하고, 상기 제2 플레이부트의 단위 플레이트들의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있다.

상기 제1 플레이트부는, 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2 플레이트부는, 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치될 수 있다.

상기 제1 플레이트부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 둔각을 이루도록 테이퍼지게 형성되고, 상기 제2 플레이트부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 광축과 수직하는 가상선과 예각을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 대물 렌즈에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고, 상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 감소할 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치될 수 있다.

상기 빔 커팅부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 둔각을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈에 비하여 상기 대물 렌즈에 인접하게 배치되고, 상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치될 수 있다.

상기 빔 커팅부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 예각을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지보다 작을 수 있다.

본 발명의 일측면에 따른 입체 형상물 제조장치는 상기 대상물을 지지하는 빌드 플랫폼, 상기 빌드 플랫폼을 냉각유체로 냉각시키는 제1 냉각부, 상기 제1 냉각부와 연결되어 상기 냉각유체가 흐르는 연결유로, 및 상기 연결유로와 연결되어 상기 냉각유체로 상기 빔 커팅부를 냉각시키는 제2 냉각부를 더 포함할 수 있다.

상기 하전입자 빔은 이온빔 또는 전자빔일 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈는 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈와 같을 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도보다 작을 수 있다. 상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도보다 작을 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치와, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치가 서로 다를 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 입체 형상물 제조장치는 재료 입자를 분포시켜 상기 재료 입자의 층을 형성하는 층 형성부, 하전입자 빔을 발생시키는 빔 발생부; 상기 하전입자 빔을 집속시키는 집속 렌즈; 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 외곽 부분을 점차적으로 제거하는 빔 커팅부; 및 상기 빔 커팅부를 통과한 상기 하전입자 빔을 상기 분포된 재료 입자에 집속시키거나, 상기 하전입자 빔의 집속에 의하여 상기 재료 입자의 층이 용융되어 형성된 대상물에 집속시키는 대물 렌즈를 포함한다.

상기 빔 커팅부는, 상기 집속 렌즈를 통과하여 직경이 감소하는 상기 하전입자 빔의 외곽을 점차적으로 제거하는 제1 플레이트부와, 상기 제1 플레이트부를 통과하여 직경이 증가하는 상기 하전입자 빔의 외곽을 점차적으로 제거하는 제2 플레이트부를 포함할 수 있다.

상기 제1 플레이트부는 상기 제2 플레이트부에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 제1 플레이트부는, 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되고, 상기 제2 플레이트부는 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치될 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 대물 렌즈에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고, 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트 이후에 상기 하전입자 빔의 외곽 부분에 대한 제거없이 상기 하전입자 빔이 상기 대물 렌즈를 통과할 수 있다.

상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈에 비하여 상기 대물 렌즈에 인접하게 배치되고, 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 외각 부분은 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트 이전에 제거가 이루어지지 않으며, 상기 빔 커팅부는 상기 외곽 부분을 점차적으로 제거할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 입체 형상물 제조장치는 상기 대상물을 지지하는 빌드 플랫폼, 상기 빌드 플랫폼을 냉각유체로 냉각시키는 제1 냉각부, 상기 제1 냉각부와 연결되어 상기 냉각유체가 흐르는 연결유로, 및 상기 연결유로와 연결되어 상기 냉각유체로 상기 빔 커팅부를 냉각시키는 제2 냉각부를 더 포함할 수 있다.

상기 하전입자 빔은 이온빔 또는 전자빔일 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도보다 작을 수 있다.

상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도보다 작을 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에 따른 입체 형상물 제조방법은 빌드 탱크를 따라 이동하는 빌드 플랫폼을 포함하는 입체 형상물 제조장치를 이용하며, 상기 빌드 플랫폼에 의하여 지지되는 대상물 상에 층 형성부를 통하여 재료 입자를 분포시키는 단계; 상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 집속시켜 상기 재료 입자에 조사하여 상기 재료 입자를 용융시키는 적층 단계; 상기 적층 단계가 이루어진 대상물에 하전입자 빔을 조사하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계; 상기 빌드 플랫폼의 하강 후에 상기 폴리싱 단계가 이루어진 상기 대상물 상에 상기 층 형성부를 통하여 상기 재료 입자를 분포시켜 상기 하전입자 빔의 집속을 통하여 상기 재료 입자를 용융시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또다른 측면에 따른 입체 형상물 제조방법은 빌드 탱크를 따라 이동하는 빌드 플랫폼을 포함하는 입체 형상물 제조장치를 이용하며, 상기 빌드 플랫폼에 의하여 지지되는 대상물 상에 층 형성부를 통하여 재료 입자를 분포시키는 단계; 상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 집속시켜 상기 재료 입자에 조사하여 상기 재료 입자를 용융시키는 적층 단계; 상기 재료 입자의 분포 단계와 상기 재료 입자의 용융 단계를 반복하여 최종 결과물에 해당되는 대상물을 형성하는 단계; 및 상기 최종 결과물에 해당되는 대상물에 상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 조사하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 빔 커팅부를 통하여 적층 공정 및 폴리싱 공정에서의 구면수차를 순차적으로 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층공정의 상대적으로 낮은 에너지밀도와 폴리싱 공정의 상대적으로 높은 에너지밀도를 지닌 하전입자 빔을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 구면수차의 순차적 감소 및 에너지 밀도의 조절을 통하여 적층 공정과 폴리싱 공정을 하나의 장치에서 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층공정의 표면조도개선과 입체형상물의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조방법은 하나의 입체 형상물 제조장치를 통하여 적층 공정과 폴리싱 공정을 교차하여 수행하거나 적층 공정의 완료 후 폴리싱 공정을 수행할 수 있다.

본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 층 형성부의 일례를 나타낸다.
도 3(a) 내지 도 3(k)는 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 동작을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 빔 커팅부의 직경 변화를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 단위 플레이트의 끝단 형상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 빔 커팅부의 제1 변형예를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 빔 커팅부의 제2 변형예를 나타낸다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 층 형성부(110), 빔 발생부(120), 집속 렌즈(130), 빔 커팅부(140) 및 대물 렌즈(150)를 포함한다.

층 형성부(110)는 재료 입자(10)를 분포시켜 재료 입자(10)의 층(15)을 형성한다. 재료 입자(10)는 금속 입자 또는 수지 입자일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하전입자 빔(170)에 의하여 용융될 수 있는 다양한 재질의 입자가 사용될 수 있다.

재료 입자(10)는 진공 챔버(160) 내부에 구비된 저장부(161)에 저장될 수 있다. 저장부(161)는 배출부(미도시)를 포함할 수 있으며, 배출부는 하나의 층을 형성하기 위하여 일정 양의 재료 입자(10)를 배출할 수 있는 배출부(미도시)를 포함할 수 있다.

빔(beam) 발생부는 하전입자 빔(170)을 발생시킨다. 하전입자 빔(170)은 이온빔 또는 전자빔일 수 있다. 전자빔은 열전자 방출에 의하여 형성될 수 있다. 열전자 방출은 텅스텐과 같은 금속 필라멘트를 고온으로 가열하여 자유전자가 금속 필라멘트 밖으로 탈출해 나감으로써 발생할 수 있다. 전자빔은 발생된 수많은 전자가 같은 방향으로 고속 운동하는 전자의 흐름이다.

이온빔은 단일 소스에서 고전압에 의해 꺼내지는 이온 흐름의 덩어리로서 전하를 띈 분자나 원자의 집단일 수 있다. 이온빔은 전기장을 이용하여 가속시킬 수 있으며, 자기장을 가해주면 원운동을 하면서 더 높은 에너지를 가질 수 있다.

이와 같은 이온빔이나 전자빔을 형성하는 빔 발생부(120)의 구조에 대해서는 통상의 기술자에게 일반적인 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.

집속 렌즈(130)는 하전입자 빔(170)을 집속시킨다. 이에 따라 하전입자 빔(170)의 직경은 점진적으로 감소하다가 크로스 오버 포인트(cross over point)(COP) 이후에 점진적으로 증가할 수 있다. 크로스 오버 포인트 (COP)의 위치는 집속 렌즈(130)에 공급되는 전류의 크기에 따라 변동될 수 있다. 예를 들어, 집속 렌즈(130)에 공급되는 전류의 크기가 변화하면, 크로스 오버 포인트(COP)는 대물렌즈(150)에 비하여 집속 렌즈(130)에 인접하게 위치하거나 집속 렌즈(130)에 비하여 대물 렌즈(150)에 인접하게 위치할 수 있다.

빔 커팅부(140)는, 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)이 통과하는 개구부(A)가 각각 형성된 복수의 단위 플레이트(PLT)를 포함하며, 단위 플레이트(PLT)의 개구부(A)를 통과한다.

이 때 복수의 단위 플레이트(PLT)의 개구부(A)의 직경은 하전입자 빔(170)의 광축에 대하여 점차적으로 변한다. 또한 개구부(A)는 광축에 대하여 대칭일 수 있다.

단위 플레이트(PLT)는 몰리브덴이나 텅스텐과 같이 고온의 열에 잘 견디는 재질로 이루어질 수 있다.

대물 렌즈(150)는 빔 커팅부(140)를 통과한 하전입자 빔(170)을 분포된 재료 입자(10)에 집속시키거나, 하전입자 빔(170)의 집속에 의하여 재료 입자(10)의 층(15)이 용융되어 형성된 대상물(OBJ)에 집속시킨다.

대물 렌즈(150)가 빔 커팅부(140)를 통과한 하전입자 빔(170)을 분포된 재료 입자(10)에 집속시킴으로써 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 대상물(OBJ)에 대한 적층 공정을 수행할 수 있다.

또한 대물 렌즈(150)가 하전입자 빔(170)을 대상물(OBJ)에 집속시킴으로써 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 대상물(OBJ)에 대한 폴리싱(polishing) 공정을 수행할 수 있다.

일반적인 입체 형상물 제조장치는 적층 공정을 수행하고, 폴리싱 공정은 별도의 장치를 통하여 이루어진다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층 공정과 함께 폴리싱 공정을 수행할 수 있다.

적층 공정 및 폴리싱 공정에 대해서는 이후에 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1의 비점수차 렌즈 및 얼라이너(aligner)(180)는 하전입자 빔(170)의 비점수차를 줄이고 광축에 대한 얼라인을 향상시키기 위한 것으로, 빔 발생부(120)와 집속 렌즈(130) 사이에 배치될 수 있다.

편향기(190)는 대물 렌즈(150)를 통과한 하전입자 빔(170)의 조사 방향을 제어하기 위한 것으로, 대물 렌즈(150)를 통과한 하전입자 빔(170)이 통과하도록 배치될 수 있다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 동작에 대해 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 진공 챔버(160) 내부에는 재료 입자(10) 저장부(161)와 더불어 대상물(OBJ)을 지지할 수 있는 빌드 플랫폼(build-platform)(200)이 구비될 수 있다. 빌드 플랫폼(200)은 빌드 탱크(build-tank)(210)를 따라 상하로 이동가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 층 형성부(110)의 양끝단은 진공 챔버(160)의 양측면에 형성된 가이드 홈(165)에 삽입되어 좌우로 움직일 수 있다. 재료 입자(10) 저장부(161)로부터 재료 입자(10)가 배출되면, 도 3(a)와 같이, 층 형성부(110)가 좌우로 이동하여 재료 입자(10)를 빌드 플랫폼(200) 전체에 분포시킴으로써 빌드 플랫폼(200) 상에 재료 입자(10)의 층(15)을 형성할 수 있다.

도 3(b)에 도시된 바와 같이, 집속 렌즈(130), 빔 커팅부(140) 및 대물 렌즈(150)를 통과한 하전입자 빔(170)이 재료 입자(10)의 층(15)에 조사됨으로써 재료 입자(10)가 용융되어 대상물(OBJ)이 된다. 이 때 하전입자 빔(170)의 조사 영역은 최종 결과물의 입체 형상에 따를 수 있다.

이후 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 빌드 플랫폼(200)이 일정 깊이 만큼 하강하고, 층 형성부(110)가 재료 입자(10)를 빌드 플랫폼(200) 상의 대상물(OBJ) 및 재료 입자(10) 상에 분포시킬 수 있다.

도 3(d)에 도시된 바와 같이, 하전입자 빔(170)이 재료 입자(10)의 층(15)에 조사됨으로써 재료 입자(10)가 용융되어 대상물(OBJ)의 높이가 증가된다. 이 때 하전입자 빔(170)의 조사 영역은 최종 결과물의 입체 형상에 따를 수 있다.

이와 같이 재료 입자(10)의 분포, 재료 입자(10)의 용융, 빌드 플랫폼(200)의 하강 과정이 반복되면서 도 3(e)에 도시된 바와 같이, 최종 결과물에 해당되는 대상물(OBJ)이 형성될 수 있다.

도 3(e)에 도시된 바와 같이, 재료 입자(10)가 용융되어 대상물(OBJ) 상에 적층되므로 대상물(OBJ)의 표면에는 요철이 발생하므로, 도 3(f)에 도시된 바와 같이, 표면 거칠기(surface roughness)를 낮추기 위하여 최종 대상물(OBJ)의 표면에 하전입자 빔(170)을 조사하여 최종 대상물(OBJ)의 표면에 대한 폴리싱(polishing) 공정이 이루어질 수 있다.

도 3(f)의 폴리싱 공정과는 다르게 재료 입자(10)의 용융에 따른 적층과 적층 사이에 폴리싱 공정이 이루어질 수도 있다. 즉, 도 3(g) 및 도 3(h)에 도시된 바와 같이, 대상물(OBJ)이 형성된 후 대상물(OBJ)의 표면에 대한 폴리싱 공정이 이루어질 수 있다.

도 3(i) 에 도시된 바와 같이, 재료 입자(10)가 대상물(OBJ) 상에 분포되어 재료 입자(10)의 층(15)이 형성된 후, 하전입자 빔(170)이 조사되어 재료 입자(10)가 용융됨으로써 도 3(j)와 같이 용융 물질이 적층될 수 있다.

이후 도 3(k)에 도시된 바와 같이, 적층 공정 후의 대상물(OBJ) 표면에 대한 폴리싱 공정이 이루어져 표면 거칠기가 낮아질 수 있다.

이와 같이 적층 공정 사이에 폴리싱 공정이 이루어지면 적층 품질이 향상될 수 있다. 즉, 적층면의 표면 거칠기가 크면 적층 공정의 횟수가 증가할수록 실제 대상물(OBJ)과 설계 상에서의 대상물(OBJ) 사이의 오차가 커져 실제 대상물(OBJ)의 정밀도가 낮아질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층 공정 사이에 폴리싱 공정을 수행함으로써 대상물(OBJ)의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층 공정과 더불어 폴리싱 공정 역시 수행할 수 있으며, 이를 위하여 빔 커팅부(140)가 하전입자 빔(170)의 외곽 부분을 제거할 수 있다. 일반적인 하나의 입체 형상물 제조장치가 적층 공정과 더불어 폴리싱 공정을 함께 수행하기 어려운 이유는 적층 공정에서 필요한 에너지 밀도와 폴리싱 공정에서 필요한 에너지 밀도가 다르기 때문이다. 이 때 에너지 밀도는 하전입자 빔(170)이 조사되는 단위 면적당 에너지일 수 있다.

즉, 적층 공정에서 필요한 에너지 밀도는 폴리싱 공정에서 필요한 에너지 밀도에 비하여 작을 수 있다. 적층 공정은, 갭(gap)이 있을 수 있는 재료 입자(10)들에 대하여 이루어지고, 재료 입자(10)들 사이의 갭은 재료 입자(10)를 용융시키는 열의 전도를 방해할 수 있다.

따라서 열 에너지 중 재료 입자(10)의 용융에 사용되는 에너지 외에 외부로 빠져나가는 에너지가 감소하기 때문에 적층 공정은 낮은 에너지 밀도의 하전입자 빔(170)을 이용하여 이루어질 수 있다.

반면에 폴리싱 공정은 재료 입자(10)들의 용융에 의하여 형성된 대상물(OBJ)에 대하여 이루어지므로 열의 전도가 대상물(OBJ) 전체 표면에서 이루어진다. 즉, 적층 공정에서는 재료 입자(10)들 사이의 갭(gap)이 열의 전도를 방해하나 폴리싱 공정은 그와 같은 갭이 없으므로 열의 전도가 적층 공정에 비하여 크게 일어날 수 있다.

따라서 열 에너지 중 폴리싱 공정에 사용되는 에너지 외에 외부로 빠져나가는 에너지가 적층 공정에 비하여 크기 때문에 폴리싱 공정은 적층 공정에 비하여 높은 에너지 밀도의 하전입자 빔(170)을 이용하여 이루어질 수 있다.

적층 공정과 폴리싱 공정에서의 에너지 밀도 조절 과정은 다음과 같다.

앞서 설명된 바와 같이, 폴리싱 공정은 적층 공정에 비하여 에너지 밀도가 높아야 하므로 빔 발생부(120)는 폴리싱 공정에서 적층 공정에 비하여 높은 에너지를 갖는 하전입자 빔(170)을 형성할 수 있다.

빔 발생부(120)의 소스(source) 히팅 온도가 증가할수록 보다 높은 에너지를 갖는 하전입자 빔(170)을 형성할 수 있다. 소스 히팅 온도를 높이기 위하여 빔 발생부(120)에 공급되는 전류가 증가할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 빔 발생부(120)가 적층 공정에서 100의 에너지를 갖는 하전입자 빔(170)을 형성하고, 폴리싱 공정에서 200의 에너지를 갖는 하전입자 빔(170)을 갖는다고 가정한다.

빔 커팅부(140)는 적층 공정 및 폴리싱 공정에서 하전입자 빔(170)의 외곽을 순차적으로 제거함으로써 구면수차를 줄이는 역할을 한다. 즉, 빔 커팅부(140)는 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 외곽을 순차적으로 제거하여 구면수차를 줄임으로써 빔 커팅부(140)가 없는 일반적인 입체 형상물 제조장치에 비하여 재료 입자(10)나 대상물(OBJ)에 조사되는 하전입자 빔(170)의 스팟 사이즈(spot size)를 줄일 수 있다.

즉, 하전입자 빔(170)의 외곽은 광축에서 멀기 때문에 초점을 맺는 위치가 어긋나므로 집속 렌즈(130)의 가장자리를 통과한 하전입자 빔(170)의 외곽은 집속 렌즈(130) 및 대물 렌즈(150)의 중앙 부분을 통과하는 하전입자 빔(170)에 비하여 초점을 맺는 위치가 어긋나므로 스팟 사이즈가 커지게 된다.

앞서 설명된 바와 같이 에너지 밀도는 단위 면적 당 에너지이므로 하전입자 빔(170)의 스팟 사이즈가 커지면 에너지 밀도가 낮아지므로 빔 커팅부(140)는 구면수차를 줄여 스팟 사이즈를 줄일 수 있다.

빔 커팅부(140)가 적층 공정에서 하전입자 빔(170)의 외곽을 제거함에 따라 하전입자 빔(170)의 에너지 100 중 일부는 손실(예를 들어, 30)되고, 나머지 에너지(예를 들어, 70)를 지닌 하전입자 빔(170)이 재료 입자(10)에 조사될 수 있다.

이 때 하전입자 빔(170)의 스팟 사이즈가 SIZE 1이라면 적층 공정에서의 에너지 밀도는 70/SIZE 1이 될 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 폴리싱 공정에서 빔 발생부(120)는 200의 에너지를 지닌 하전입자 빔(170)을 형성할 수 있다. 그런데 빔 발생부(120)가 형성하는 하전입자 빔(170)의 에너지가 증가하면 하전입자 빔(170)의 직경이 증가하여 구면수차 역시 증가할 수 있다.

그러나 하전입자 빔(170)의 직경이 증가하면 하전입자 빔(170)과 빔 커팅부(140)가 충돌하는 영역이 증가할 수 있다. 따라서 빔 커팅부(140)는 적층 공정에 비하여 하전입자 빔(170)의 외곽을 더 많이 제거하게 됨으로써 하전입자 빔(170)의 에너지 증가에 따른 구면수차 증가를 상쇄시킬 수 있다.

폴리싱 공정에서의 하전입자 빔(170) 외곽의 제거 정도는 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP)의 위치 조절에 의하여 이루어질 수 있으며, 이는 집속 렌즈(130)에 공급되는 전류를 조절함으로써 구현될 수 있다.

빔 커팅부(140)가 적층 공정에 비하여 폴리싱 공정에서 하전입자 빔(170)의 외곽을 더 많이 제거함에 따라 하전입자 빔(170)의 에너지 200 중 일부는 손실(예를 들어, 70)되고, 나머지 에너지(예를 들어, 130)를 지닌 하전입자 빔(170)이 재료 입자(10)에 조사될 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 하전입자 빔(170)의 에너지 증가에 따른 구면수차 증가가 상쇄되도록 빔 커팅부(140)가 하전입자 빔(170)의 외곽을 더 많이 제거하고, 제거 정도 역시 크로스 오버 포인트(COP)의 위치에 따라 조절가능하므로 폴리싱 공정에서의 하전입자 빔(170)의 스팟 사이즈는 적층 공정에서의 스팟 사이즈와 동일하게 형성될 수 있다.

따라서 폴리싱 공정에서의 에너지는 밀도는 130/SIZE 1이 되어 적층 공정에서의 에너지 밀도 70/SIZE 1보다 커짐을 알 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층 공정 및 폴리싱 공정에서의 하전입자 빔(170)의 에너지 밀도를 조절할 수 있다.

하전입자 빔(170)의 외곽을 순차적으로 제거하는 것은 하전입자 빔(170)이 고에너지를 가지기 때문이다. 하전입자 빔(170)의 외곽이 순차적으로 제거되지 않고 한번에 제거될 경우 빔 커팅부(140)에 에너지가 집중되어 빔 커팅부(140)가 변형되거나 파손될 수 있다.

하전입자 빔(170)의 외곽을 순차적으로 제거하기 위하여 빔 커팅부(140)는 복수의 단위 플레이트(PLT)를 포함하며, 복수의 단위 플레이트(PLT)는 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)이 통과하는 개구부(A)를 지닌다.

이 때 복수의 단위 플레이트(PLT)의 개구부(A)의 직경은 하전입자 빔(170)의 광축에 대하여 점차적으로 변한다. 본 발명의 실시예와 다르게 빔 커팅부(140)가 하나의 플레이트로 이루어진 경우, 만족할만한 스팟 사이즈를 위하여 하나의 플레이트가 하전입자 빔(170)의 외곽 제거를 전담해야 하므로 플레이트의 온도가 급격히 상승하여 변형 또는 녹을 수 있다.

이와 다르게 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 경우, 복수의 단위 플레이트(PLT)가 점차적으로 하전입자 빔(170)의 외곽을 제거하므로 복수의 단위 플레이트(PLT) 각각의 온도는 상대적으로 낮을 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 빔 커팅부(140)는 제1 플레이트부(141)와 제2 플레이트부(143)를 포함할 수 있다. 제1 플레이트부(141)는 복수의 단위 플레이트(PLT)들 중 일부 단위 플레이트(PLT)들을 포함하며, 제2 플레이트부(143)는 복수의 단위 플레이트(PLT)들 중 나머지 단위 플레이트(PLT)들을 포함할 수 있다.

이 때 제1 플레이트부(141)는 제2 플레이트부(143)에 비하여 집속 렌즈(130)에 인접하게 배치되고, 제1 플레이부트의 단위 플레이트(PLT)들의 개구부(A)의 직경(D1, D2, D3)은 점차적으로 감소할 수 있다. 또한, 제2 플레이부트의 단위 플레이트(PLT)들의 개구부(A)의 직경(D4, D5, D6)은 점차적으로 증가할 수 있다.

이에 따라 제1 플레이트부(141)는, 집속 렌즈(130)를 통과하여 직경이 감소하는 하전입자 빔(170)의 외곽을 점차적으로 제거하고, 제2 플레이트부(143)는 제1 플레이트부(141)를 통과하여 직경이 증가하는 하전입자 빔(170)의 외곽을 점차적으로 제거할 수 있다.

이와 같이 제1 플레이부트의 단위 플레이트(PLT)들의 개구부(A)의 직경(D1, D2, D3)은 점차적으로 감소하고, 제2 플레이부트의 단위 플레이트(PLT)들의 개구부(A)의 직경(D4, D5, D6)은 점차적으로 증가하는 것은 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 직경이 점진적으로 감소하다가 크로스 오버 포인트(COP) 이후에 점진적으로 증가하기 때문이다.

이와 같은 제1 플레이트부(141)는, 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP)와 집속 렌즈(130) 사이에 배치되고, 제2 플레이트부(143)는, 크로스 오버 포인트(COP)와 대물 렌즈(150) 사이에 배치될 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트부(141)의 단위 플레이트(PLT)의 끝단은 광축과 수직하는 가상선과 둔각(θ1)을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다. 또한 제2 플레이트부(143)의 단위 플레이트(PLT)의 끝단은 광축과 수직하는 가상선과 예각(θ2)을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

이와 같은 구조는 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP)를 전후하여 하전입자 빔(170)의 직경이 점차로 감소하다가 증가하므로 이와 같은 하전입자 빔(170)의 직경 변화에 따라 하전입자 빔(170)의 외곽 제거를 원활히 하기 위해서이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 빔 커팅부(140)의 제1 변형예 및 제2 변형예를 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 빔 커팅부(140)는 대물 렌즈(150)에 비하여 집속 렌즈(130)에 인접하게 배치되고, 복수의 단위 플레이트(PLT)의 개구부(A)의 직경은 하전입자 빔(170)의 진행 방향을 따라 점차적으로 감소할 수 있다.

도 1의 빔 커팅부(140)의경우, 제1 플레이트부(141)와 제2 플레이트부(143)가 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP) 전후에 배치되나 도 6의 빔 커팅부(140)는 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP)와 집속 렌즈(130) 사이에 배치될 수 있다.

이에 따라 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP) 이후에 하전입자 빔(170)의 외곽 부분에 대한 제거없이 하전입자 빔(170)은 대물 렌즈(150)를 통과할 수 있다.

이 때 빔 커팅부(140)의 단위 플레이트(PLT)의 끝단은 하전입자 빔(170)의 광축과 수직하는 가상선과 둔각(θ1)을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 빔 커팅부(140)는 집속 렌즈(130)에 비하여 대물 렌즈(150)에 인접하게 배치되고, 복수의 단위 플레이트(PLT)의 개구부(A)의 직경은 하전입자 빔(170)의 진행 방향을 따라 점차적으로 증가할 수 있다.

도 1의 빔 커팅부(140)의 경우, 제1 플레이트부(141)와 제2 플레이트부(143)가 하전입자 빔(170)의 크로스 오버 포인트(COP) 전후에 배치되나 도 7의 빔 커팅부(140)는 크로스 오버 포인트(COP)와 대물 렌즈(150) 사이에 배치될 수 있다.

이에 따라 집속 렌즈(130)를 통과한 하전입자 빔(170)의 외곽 부분은 크로스 오버 포인트(COP) 이전에 제거가 이루어지지 않으며, 상기 빔 커팅부(140)는 상기 크로스 오버 포인트(COP) 이후의 상기 하전입자 빔(170)의 외곽 부분을 점차적으로 제거할 수 있다.

이 때 빔 커팅부(140)의 단위 플레이트(PLT)의 끝단은 하전입자 빔(170)의 광축과 수직하는 가상선과 예각(θ2)을 이루도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

한편, 도 1, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 대상물(OBJ)을 지지하는 빌드 플랫폼(200), 빌드 플랫폼(200)을 냉각유체로 냉각시키는 제1 냉각부(220), 제1 냉각부(220)와 연결되어 냉각유체가 흐르는 연결유로(230), 및 연결유로(230)와 연결되어 냉각유체로 빔 커팅부(140)를 냉각시키는 제2 냉각부(240)를 더 포함할 수 있다. 이 때 냉각유체는 질소, 헬륨, 공기와 같은 기체이거나 물과 같은 액체일 수 있다.

빌드 플랫폼(200)은 고에너지를 지닌 하전입자 빔(170)에 의하여 형성된 대상물(OBJ)을 지지하므로 빌드 플랫폼(200)의 온도가 과도하게 높아질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 빌드 플랫폼(200)을 냉각하는 제1 냉각부(220)를 포함할 수 있다.

이 때 제1 냉각부(220)에서 유출된 냉각유체는 연결 유로를 통하여 제2 냉각부(240)로 유입될 수 있다. 제2 냉각부(240)는 빔 커팅부(140)를 냉각하는데, 하전입자 빔(170)의 제거과정에서 빔 커팅부(140)의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 제1 냉각부(220)와 제2 냉각부(240)는 동일한 냉각유체를 통하여 빌드 플랫폼(200)과 빔 커팅부(140)를 냉각함으로써 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치의 냉각 구조를 단순화시킬 수 있다.

도 1, 도 6 및 도 7에서 펌프(250)는 연결 유로에 설치되어 냉각유체를 제1 냉각부(220) 및 제2 냉각부(240) 사이에서 순환시킬 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조장치는 적층 공정과 폴리싱 공정을 할 수 있으므로, 다음과 같은 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조방법이 제공될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조방법은 빌드 탱크(210)를 따라 이동하는 빌드 플랫폼(200)을 포함하는 입체 형상물 제조장치를 이용하며, 빌드 플랫폼(200)에 의하여 지지되는 대상물(OBJ) 상에 층 형성부(110)를 통하여 재료 입자(10)를 분포시키는 단계, 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부(120)에 의하여 발생된 하전입자 빔(170)을 집속시켜 재료 입자(10)에 조사하여 재료 입자(10)를 용융시키는 적층 단계, 적층 단계가 이루어진 대상물(OBJ)에 하전입자 빔(170)을 조사하여 대상물(OBJ)의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계, 빌드 플랫폼(200)의 하강 후에 폴리싱 단계가 이루어진 대상물(OBJ) 상에 층 형성부(110)를 통하여 재료 입자(10)를 분포시켜 하전입자 빔(170)의 집속을 통하여 재료 입자(10)를 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.

즉, 도 3(g) 내지 도 3(k)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조방법은 적층 공정과 적층 공정 사이에 대상물(OBJ)에 대한 폴리싱 공정을 수행할 수 있다.

이와 다르게, 본 발명의 실시예에 따른 입체 형상물 제조방법은 빌드 플랫폼(200)에 의하여 지지되는 대상물(OBJ) 상에 층 형성부(110)를 통하여 재료 입자(10)를 분포시키는 단계, 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부(120)에 의하여 발생된 하전입자 빔(170)을 집속시켜 재료 입자(10)에 조사하여 재료 입자(10)를 용융시키는 적층 단계, 재료 입자(10)의 분포 단계와 재료 입자(10)의 용융 단계를 반복하여 최종 결과물에 해당되는 대상물(OBJ)을 형성하는 단계 및 최종 결과물에 해당되는 대상물(OBJ)에 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부(120)에 의하여 발생된 하전입자 빔(170)을 조사하여 대상물(OBJ)의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계를 포함할 수 있다.

즉, 도 3(a) 내지 도 3(f)에 도시된 바와 같이, 연속된 적층 공정에 의하여 대상물(OBJ)이 최종적으로 형성된 후 폴리싱 공정이 이루어질 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

재료 입자(10)
재료 입자의 층(15)
층 형성부(110)
빔 발생부(120)
집속 렌즈(130)
빔 커팅부(140)
제1 플레이트부(141)
제2 플레이트부(143)
개구부(A)
단위 플레이트(PLT)
대물 렌즈(150)
대상물(OBJ)
진공 챔버(160)
저장부(161)
가이드 홈(165)
하전입자 빔(170)
크로스 오버 포인트(COP)
비점수차 렌즈 및 얼라이너(180)
편향기(190)
빌드 플랫폼(200)
빌드 탱크(210)
제1 냉각부(220)
연결유로(230)
제2 냉각부(240)
펌프(250)

Claims

재료 입자를 분포시켜 상기 재료 입자의 층을 형성하는 층 형성부;
하전입자 빔을 발생시키는 빔 발생부;
상기 하전입자 빔을 집속시키는 집속 렌즈;
상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔이 통과하는 개구부가 각각 형성된 복수의 단위 플레이트를 포함하는 빔 커팅부; 및
상기 빔 커팅부를 통과한 상기 하전입자 빔을 상기 분포된 재료 입자에 집속시키거나, 상기 하전입자 빔의 집속에 의하여 상기 재료 입자의 층이 용융되어 형성된 대상물에 집속시키는 대물 렌즈를 포함하며,
상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 광축에 대하여 점차적으로 변하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 개구부는 상기 광축에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 빔 커팅부는,
상기 복수의 단위 플레이트들 중 일부 단위 플레이트들을 포함하는 제1 플레이트부와, 상기 복수의 단위 플레이트들 중 나머지 단위 플레이트들을 포함하는 제2 플레이트부를 포함하며,
상기 제1 플레이트부는 상기 제2 플레이트부에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고,
상기 제1 플레이부트의 단위 플레이트들의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 감소하고,
상기 제2 플레이부트의 단위 플레이트들의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 플레이트부는, 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되고,
상기 제2 플레이트부는, 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 플레이트부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 둔각을 이루도록 테이퍼지게 형성되고,
상기 제2 플레이트부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 광축과 수직하는 가상선과 예각을 이루도록 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 대물 렌즈에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고,
상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제6항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되는 입체 형상물 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 빔 커팅부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 둔각을 이루도록 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈에 비하여 상기 대물 렌즈에 인접하게 배치되고,
상기 복수의 단위 플레이트의 개구부의 직경은 상기 하전입자 빔의 진행 방향을 따라 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제9항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제10항에 있어서,
상기 빔 커팅부의 단위 플레이트의 끝단은 상기 하전입자 빔의 광축과 수직하는 가상선과 예각을 이루도록 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대상물을 지지하는 빌드 플랫폼, 상기 빌드 플랫폼을 냉각유체로 냉각시키는 제1 냉각부, 상기 제1 냉각부와 연결되어 상기 냉각유체가 흐르는 연결유로, 및 상기 연결유로와 연결되어 상기 냉각유체로 상기 빔 커팅부를 냉각시키는 제2 냉각부를 더 포함하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔은 이온빔 또는 전자빔인 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈는 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈와 같은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치와, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치가 서로 다른 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
재료 입자를 분포시켜 상기 재료 입자의 층을 형성하는 층 형성부;
하전입자 빔을 발생시키는 빔 발생부;
상기 하전입자 빔을 집속시키는 집속 렌즈;
상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 외곽 부분을 점차적으로 제거하는 빔 커팅부; 및
상기 빔 커팅부를 통과한 상기 하전입자 빔을 상기 분포된 재료 입자에 집속시키거나, 상기 하전입자 빔의 집속에 의하여 상기 재료 입자의 층이 용융되어 형성된 대상물에 집속시키는 대물 렌즈를 포함하는 입체 형상물 제조장치.
제19항에 있어서,
상기 빔 커팅부는,
상기 집속 렌즈를 통과하여 직경이 감소하는 상기 하전입자 빔의 외곽을 점차적으로 제거하는 제1 플레이트부와, 상기 제1 플레이트부를 통과하여 직경이 증가하는 상기 하전입자 빔의 외곽을 점차적으로 제거하는 제2 플레이트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제20항에 있어서,
상기 제1 플레이트부는 상기 제2 플레이트부에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제20항에 있어서,
상기 제1 플레이트부는, 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되고,
상기 제2 플레이트부는 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 대물 렌즈에 비하여 상기 집속 렌즈에 인접하게 배치되고,
상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트 이후에 상기 하전입자 빔의 외곽 부분에 대한 제거없이 상기 하전입자 빔이 상기 대물 렌즈를 통과하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제23항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트와 상기 집속 렌즈 사이에 배치되는 입체 형상물 제조장치.
제19항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 집속 렌즈에 비하여 상기 대물 렌즈에 인접하게 배치되고,
상기 집속 렌즈를 통과한 상기 하전입자 빔의 외각 부분은 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트 이전에 제거가 이루어지지 않으며,
상기 빔 커팅부는 상기 외곽 부분을 점차적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제25항에 있어서,
상기 빔 커팅부는 상기 크로스 오버 포인트와 상기 대물 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 형성부가 형성하는 상기 하전입자 빔의 에너지보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대상물을 지지하는 빌드 플랫폼, 상기 빌드 플랫폼을 냉각유체로 냉각시키는 제1 냉각부, 상기 제1 냉각부와 연결되어 상기 냉각유체가 흐르는 연결유로, 및 상기 연결유로와 연결되어 상기 냉각유체로 상기 빔 커팅부를 냉각시키는 제2 냉각부를 더 포함하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔은 이온빔 또는 전자빔인 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈는 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때의 상기 하전입자 빔의 스팟 사이즈와 같은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 에너지 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도는, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 빔 커팅부가 상기 하전입자 빔의 외곽을 제거하는 정도보다 작은 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하전입자 빔이 상기 분포된 재료 입자에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치와, 상기 하전입자 빔이 상기 대상물에 집속될 때 상기 하전입자 빔의 크로스 오버 포인트의 위치가 서로 다른 것을 특징으로 하는 입체 형상물 제조장치.
빌드 탱크를 따라 이동하는 빌드 플랫폼을 포함하는 입체 형상물 제조장치를 이용한 입체 형상물 제조방법에 있어서,
상기 빌드 플랫폼에 의하여 지지되는 대상물 상에 층 형성부를 통하여 재료 입자를 분포시키는 단계;
상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 집속시켜 상기 재료 입자에 조사하여 상기 재료 입자를 용융시키는 적층 단계;
상기 적층 단계가 이루어진 대상물에 하전입자 빔을 조사하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계;
상기 빌드 플랫폼의 하강 후에 상기 폴리싱 단계가 이루어진 상기 대상물 상에 상기 층 형성부를 통하여 상기 재료 입자를 분포시켜 상기 하전입자 빔의 집속을 통하여 상기 재료 입자를 용융시키는 단계
를 포함하는 입체 형상물 제조방법.
빌드 탱크를 따라 이동하는 빌드 플랫폼을 포함하는 입체 형상물 제조장치를 이용한 입체 형상물 제조방법에 있어서,
상기 빌드 플랫폼에 의하여 지지되는 대상물 상에 층 형성부를 통하여 재료 입자를 분포시키는 단계;
상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 집속시켜 상기 재료 입자에 조사하여 상기 재료 입자를 용융시키는 적층 단계;
상기 재료 입자의 분포 단계와 상기 재료 입자의 용융 단계를 반복하여 최종 결과물에 해당되는 대상물을 형성하는 단계; 및
상기 최종 결과물에 해당되는 대상물에 상기 입체 형상물 제조장치의 빔 발생부에 의하여 발생된 하전입자 빔을 조사하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 낮추는 폴리싱 단계
를 포함하는 입체 형상물 제조방법.