KR101966332B1 - 3d광도파로를 갖는 물체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D광도파로를 갖는 광도파체에 관한 것이다. 광도파체에 있어서, 광투과성 수지재료로 3차원적으로 연장되도록 성형된 코어부; 및 광투과성 수지재료로 코어부를 둘러싸도록 성형된 클래드부를 포함하고, 코어부는 클래드부에 비해 가교밀도가 상이하도록 성형되어 3D광도파로를 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 3D광도파로를 갖는 3차원 물체는, 3D프린터를 이용하는 성형공정을 이용하므로 형상이나 위치의 제약 없는 3D광도파체를 제공할 수 있다. 또한, 금형의 투자 없이 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하다.

Description

3D광도파로를 갖는 물체 {An object having a 3D optical wave guide}

본 발명은 3D광도파로를 갖는 3차원 물체에 관한 발명이다. 특히 3D프린터로 성형한 3D광도파로를 갖는 3차원 물체에 관한 발명이다.

광IC를 채용하는 전자제품이 증가하는 추세이다. 종래에는 2차원 광도파로 제품 혹은 플라스틱 성형품 광도파로가 이용된다.

광IC를 채용하는 전자제품이 증가함에 따라 광신호를 전달하는 광도파로 부품의 수요가 증가하고 있다. 광도파로는 그를 둘러싼 캐리어소재와의 굴절률 차이 혹은 경계면에서의 반사특성을 이용하여 광신호를 전달한다.

종래에는 광투과성 재로로 만들어진 광도파로를 먼저 제작한 다음 동종 혹은 이종재료의 캐리어소재에 인서트사출 혹은 이중사출의 방식으로 성형하여 광도파로 부품을 제조하였다.

그러나 이러한 종래의 제조방법은 2차원 광도파로나 비교적 단순한 3차원 광도파로의 제조에 한정된다. 전자제품의 고집적화, 소형화 등 다양한 시장의 필요에 따라 복잡한 3차원 형상적 경로를 갖는 광도파로나 복수의 상이한 광도파로가 하나의 캐리어소재 내에 형성된 광도파로 부품에 대한 니즈가 증대하고 있다. 그러나 이러한 복잡한 구조의 광도파로의 제조는 종래의 방법으로는 매우 곤란하거나 사실상 불가능하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 3차원 형상의 광도파로가 효율적으로 형성된 물체를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광도파체에 있어서, 광투과성 수지재료로 3차원적으로 연장되도록 성형된 코어부; 및 상기 광투과성 수지재료로 상기 코어부를 둘러싸도록 성형된 클래드부를 포함하고, 상기 코어부는 상기 클래드부에 비해 가교밀도가 상이하도록 성형되어 3D광도파로를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 코아부는 상기 클래드부보다 높은 가교밀도를 가지는 것이 바람직하다. 이에 의해 코아부의 굴절률이 클래드부에 비해 높아져 광도파로서의 기능을 적절히 수행할 수 있다.

상기 광경화성 수지재료의 광경화에 의해 형성되는 다수의 단위성형층이 적층되며, 상기 단위성형층 중 적어도 일부는 상기 코어부와 상기 클래드부를 형성하는 단위층상부를 갖는다. 3D프린팅 공정을 이용하여 다수의 단위성형층을 적층하여 물체를 성형하며, 각 단위성형층 중 적어도 일부의 성형층에는 코아부와 클래드부를 가지도록 하여 굴절률 차이로 광도파로를 형성하도록 한다.

상기 코어부의 단위층상부와 상기 클래드부의 단위층상부는 광조사량, 광조사시간 및 광조사광의 색상 중 적어도 어느 하나가 상이하다. 조사광의 에너지를 변화시키기 위해서는 광파워 자체를 변화하거나, 조사시간을 변화하거나, 조사광의 색상을 변화할 수 있다.

상기 코어부의 양 단부는 상기 클래드부로부터 노출되어 입사부와 출사부를 형성하며, 상기 입사부와 출사부는 광진행 방향의 각도와 위치 중 적어도 하나가 상이하다. 3D프린팅 방식으로 적층 성장하는 광도파로를 갖는 3차원물체는 입체적으로 원하는 위치 및 방향에 입사부 및 출사부를 설계한다.

상기 입사부 혹은 상기 출사부 중 적어도 하나는 상기 다수의 단위성형층 중 제1성형층 및 최종성형층 사이의 다수의 중간성형층에 형성된다. 입사부 혹은 출사부의 단위단면적은 복수의 성형층을 적층하여 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 3D광도파로를 갖는 3차원 물체는, 3D프린터를 이용하는 성형공정을 이용하므로 형상이나 위치의 제약 없는 3D광도파체를 제공할 수 있다. 또한, 금형의 투자 없이 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하다.

도 1은 본 발명 제1실시예에 의한 3D광도파로를 갖는 물체의 사시도이다.
도 2는 본 발명 제1실시예에 의한 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3은 본 발명 제2실시예에 의한 3D광도파로를 갖는 물체의 사시도이다.
도 4는 본 발명 제2실시예에 의한 도 3의 B-B' 단면도이다.
도 5는 본 발명 제3실시예에 의한 3D광도파로를 갖는 물체의 사시도이다.
도 6은 본 발명 3D광도파로를 갖는 물체를 성형하는 3D프린터의 블록도이다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 바람직한 실시예에 대한 설명으로 더욱 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명 제1실시예에 의한 3D광도파로를 갖는 물체의 사시도이다. 도 1의 3차원 물체(1)는 3D프린터를 이용하여 성형한 물체이다. 물체(1)는 광경화성액체 수지에 광을 조사하여 경화하여 성형한다. 이때 높은 광에너지로 조사하면 가교밀도가 높아진다. 낮은 광에너지로 조사하면 가교밀도가 낮아진다.

가교밀도가 높은 수지가 가교밀도가 낮은 수지에 둘러싸인 상태로 성형하면 빛에 대한 굴절률 차이로 인하여 가교밀도가 높은 부분은 빛이 통과할 수 있는 3D광도파로가 된다. 가교밀도가 낮은 부분은 가교밀도가 높은 부분을 둘러싸고 있으므로 빛이 외부로 나가는 것을 막아주고 가교밀도가 높은 부분으로 반사하여 가교밀도가 높은 부분이 3D광도파로가 되도록 지지한다.

3D프린터에서 조사하는 광량을 제어하면 가교밀도가 높은 부분과 낮은 부분을 제어적으로 성형할 수 있다.

높은 광에너지로 조사하기 위해서는 광파워를 높인다. 높은 광에너지로 조사하기 위해서는 노광하는 시간을 길게 할 수 있다. 높은 광에너지를 얻기 위해서는 노광하는 광의 색상을 변화시킬수 있다. 본 발명은 광파워를 높이거나, 노광시간을 길게 하거나, 광의 색상을 변경하는 것 등을 전부 포함한다.

낮은 광에너지로 조사하기 위하여 광파워를 낮출 수 있다. 낮은 광에너지로 조사하기 위하여 노광시간을 짧게 할 수 있다. 낮은 광에너지로 조사하기 위하여 놔강하는 과의 색상을 변경할 수 있다. 본 발명은 광파워를 낮추거나, 노광시간을 짧게 하거나, 광의 색상을 변경하는 것을 전부 포함한다.

3D프린터로 성형한 3광도파로를 갖는 3차원물체(1)의 최상위 층은 제1성형층(10A)에 해당한다. 제1성형층(10A)는 높은 광에너지로 조사하여 성형된 코아부(2a)와, 낮은 광에너지를 조사하여 성형한 클래드부(10a)로 이루어진다. 코아부(2a)는 입사부(2)에서 출사부(3)까지 계속하여 연결되어 있고, 연결된 코아부 전체는 3D광도파로(4)에 해당한다.

클래드부(10a)는 코아부(2a)를 둘러싸는 주변부에 해당한다. 코아부(2a)는 높은 가교밀도를 가지므로 빛에 대한 굴절률이 높다. 클래드부(10a)는 낮은 가교밀도를 가지므로 빛에 대한 굴절률이 낮다. 코아부와 클래드부의 굴절률 차이로 인하여, 입사부(2)로 입사된 빛은 클래드부에서 반사되어 코아부 내부로 빛을 모아주므로 코아부는 3D광도파로(4)가 된다.

본 발명 제1실시예에서의 광도파로(4)는 물체의 중앙부분에서 상당한 각도로 꺽여져서 전면에 출사부(3)를 가지는 구조이다. 입사부(2)로부터 출사부(3)까지는 연결되며 전부 코아부를 형성하여 높은 가교밀도를 가지는 3D광도파로(4)를 형성한다.

도1의 실시예에서는 광도파로를 1개 개시하였으나, 광도파로를 복수 개 설치 할 수 있다. 도 5과 같이 입사부의 광도파로의 위치와 출사부의 광도파로의 위치가 상이하도록 다양하게 변화 시킬 수 있다.

도 2는 본 발명 제1실시예에 의한 도 1의 A-A' 단면도이다.

3D 프린터로 성형한 물체(1)는 제1성형층(10A), 제2성형층(10B)등 복수개의 단위성형층으로 이루어지며, 최종성형층(11F)의 성형에 의하여 3차원물체(1)는 완성된다. 각각의 성형층들은 연속성형법으로도 성형할 수 있다.

이와 같은 복수의 단위성형층들은 제1성형층(10A)으로부터 최종성형층(11F)까지 복수의 성형층을 성장 적층하여 3차원물체를 만든다.

제1성형층(10A)은 중앙에 코아부(2a)와 코아부의 주변영역을 둘러싸는 클래드부(10a)로 이루어진다. 전술한 바와 같이 코아부(2a)는 더 높은 에너지의 광으로 조사한다. 클래드부(10a)는 코아부에 비교하여 상대적으로 낮은 에너지의 광으로 조사한다. 코아부(2a)에 더 많은 시간을 조사하여 경화 할 수 있다. 코아부(2a)에 더 많은 에너지가 집중하도록 조사하는 광의 색상을 달리할 수 있다.

코아부는 높은 에너지를 받으므로 높은 가교밀도를 갖는다. 클래드부는 낮은 에너지를 받으므로 낮은 가교밀도를 갖는다.

코아부는 클래드부에 대하여 광을 전달하수 있는 광도파로(4)가 된다.

코아부(2a)는 크기(d)가 50 ~ 125 마이크로미터의 원형 혹은 사각형 형상으로 성형 할 수 있다.

제1성형층(10A)의 두께는 일반적인 3D 프린팅 공정에 의한 두께로서 5 ~ 10 마이크로미터의 경우가 일반적이다.

본 발명은 코아부의 크기 혹은 성형층의 두께에 의하여 한정되는 것은 아니다.

제2성형층(10B)도 마찬가지로 코아부(2b)와 코아부의 주변영역을 둘러싸는 클래드부(10b)로 이루어진다. 제2성형층(10B)과 제1성형층(10A)은 일정량의 옵셋을 주면서 연결할 수 있다. 제3성형층(10C)도 제2성형층(10B)에 대하여 일정량 옵셋을 주면서 성형한다.

본 발명 도 2는 실제의 두께에 비하여 과장적으로 큰 두께를 갖도록 형상하 하였다. 제1성형층(10A) 및 제2성형층(10B)는 일정량의 옵셋에 의한 계단 모양의 경계선은 도면의 과장에 의하여 발생하는 것이며, 실제는 코아부 와 클래드부의 경계선은 빛을 반사할 정도의 경계선이고, 이 경계선을 통하여 빛의 굴절률 차이로 인하여 입사되는 빛은 코아부 내부로 모아진다.

제1성형층(10A), 제2성형층(10B) 및 제3성형층(10C)를 성장 적층하는 경우에, 각각의 코아부는 서로 연결되도록 적층하고, 옵셋의 양을 조절하여 일정한 각도를 경사지게 직선 혹은 곡선으로 형성하여, 입체적인 광도파로, 즉 3D광도파로가 된다.

적층 성형한 3차원물체(1)는 중앙에 임의의 성형층(11A)까지 동일한 방식으로 성형한다. 중앙의 특정의 성형층(11B)부터는 코아부의 형상을 변경한다. 이 특정 성형층(11B)은, 코아부(3b)는 중앙부터 좌측으로 연장된 형상으로 성형한다. 이러한 형상으로 좌측의 끝단이 출사부(3)가 된다.

코아부의 크기가 길이 50 ~ 125 마이크로미터 라면, 실시예에서는 3b, 3c 및 3d의 3개층을 적층하였으나, 실제로는 더 많은 성형층을 적층하여 구성할 수도 있다. 단위 성형층의 두께가 10마이크로미터 인 경우, 원형의 광도파로를 형성하기 위하여서는 5개 혹은 12개의 중간 성형층을 적층하여 출사면(3)의 광도파로 사이즈는 50 ~ 120 마이크로미터 사이즈의 원형의 광도파로를 만들 수 있다. 사각형상의 광도파로를 만들 수도 있다.

본 발명 제1실시예에서는 제1성형층(10A)와 최종성형층(11F) 사이의 임의의 중간 성형층에서 복수개의 성형층에 코아부(3a, 3b, 3c, 3d)를 성형하여 출사부(3)를 이루는 광도파로(4)을 만든다.

본 발명 제1실시예에서는 제1성형층(10A)에 입사부(2)을 중간의 복수개의 성형층에 출사부(3)을 설치하는 것을 예시하였으나, 본 발명은 이 실시예에 한정되지 않는다.

제1성형층에 출사부를, 출사부와 연결되는 반대 방향의 광도파로 끝단을 입사부로 할 수도 있다.

또한, 본발명 제1실시예를 약간 변형하여, 수평 방향으로 입사부 및 출사부가 되도록 만들 수도 있다. 이때에도 수직의 상.하 방향 및 수평의 좌.우방향으로 조금씩 기울어지게 설치 할 수 있다.

입사부에 입사하는 입사각과 출사부을 통하여 출사하는 출사각의 각도는 입체적으로 서로 기울어진 각도를 형성할 수 있다.

도 3은 본 발명 제2실시예에 의한 광도파로를 갖는 3차원물체의 사시도이다.

3차원물체(1)의 상면에는 입사부(2)가 형성된다. 입사부(2)는 코아부로서 성형된다. 3차원물체의 바닥면에는 출사부(3)가 형성된다. 입사부(2) 및 출사부(3)의 사이에는 입체적인 광도파로(4)가 형성되고, 광도파로(4)는 입체적으로 일정한 각도로 기울어진 각도를 만든다.

도 4는 본 발명 제2실시예에 의한 도 3의 B-B' 단면도이다.

3차원물체(1)는 제1성형층(12A)부터 최종성형층(12G)까지 3D프린터를 이용하여 성형한다. 연속적층 방식으로 성형할 수도 있다.

본 발명의 제2실시예도 제1성형층(12A)는 코아부(2a) 및 클래드부(12a)를 가진다. 코아부(2a)는 높은 에너지를 갖는 광을 액상의 광경화성 수지에 조사하여 경화시킨다.

클래드부(12a)는 낮은 에너지를 갖는 광을 액상의 광경화성 수지에 조사하여 경화시킨다. 코아부는 높은 에너지를 받으므로 높은 가교밀도를 갖는다. 클래드부는 낮은 에너지를 받으므로 낮은 가교밀도를 갖는다.

따라서, 코아부는 클래드부에 대하여 높은 굴절률을 가지므로, 입사부(2)로 입사된 광을 코아부 내부로 모아서 광을 전달하는 입체적인 광도파로(4)가 된다. 광도파로(4)는 입사부(2) 및 출사부(3)를 갖는다.

본 발명 제2실시예는 제1성형층(12A)에 입사부(2)를, 최종성형층(12G)에 출사부(3)를 이루도록 성형하였으나, 본원발명은 여기에 한정되지 않는다. 제1성형층에 출사부를 최종성형층에 입사부를 설치할 수 있다.

또한, 입사부에 입사하는 입사각과 출사부을 통하여 출사하는 출사각의 각도는 입체적으로 서로 기울어진 각도를 형성 할 수 있도록 다양한 형상의 입체적인 광도파로를 형성할 수 있다.

도 5는 본 발명 제3실시예에 의한 3D광도파로를 갖는 물체의 사시도이다.

본 발명 제3실시예에서는, 3D광도파로를 복수개 설치한다. 실시예에서는 3개의 광도파로를 설치한 것이다. 광도파로를 물체의 내부에서 다양한 경로를 가지도록 성형함으로서, 입사부에 있는 광도파로의 형태, 배열, 간격 등은 출사부에서 변경되어 출사된다. 제3실시예에서는 삼각형 배열의 복수의 입사부(2-1, 2-2, 2-3)는, 일자형 배열로 이루어진 복수의 출사부(3-1, 3-2, 3-3)로 광이 출사되도록 만들 수 있다. 이러한 입사부 및 출사부의 형태 및 배열을 이용하여, 시리얼데이터 전송 혹은 병렬데이터 전송이 가능하다. 따라서, 본원발명의 3D광도파로를 이용하여 광을 이용한 신호 전달이 가능하다.

도 6은 본 발명 3D광도파로를 갖는 물체를 성형하는 3D프린터의 블록도이다.

수지조(30)에는 액상의 광경화성 수지(5)가 저장된다. 조형판(20)에는 3차원물체(1)가 부착된다. 3차원물체(1)는 얇은 판상의 단위 성형층들이 Z축 방향을 따라 순차적으로 적층되어 입체적 형상을 갖도록 성형된다. 수지조(30)의 바닥은 투명한 상태로서 이미지광조사부(40)가 발생하는 이미지광을 통과시킨다.

본 발명의 실시예에서는 조형판(20)이 위로 상승하는 것을 설명하나 조형판이 수지조 내부로 침지하는 실시예도 가능하다.

본 발명은 수지조 방식의 3D 프린팅 장치에 한정되는 것은 아니다.

이미지광조사부(40)에 의하여 조사된 이미지광은 물체(1)와 수지조의 투명바닥판 사이의 액체상태의 광경화성 수지를 노광하여 액체상태의 광경화성 수지는 고체 상태로 경화되어 물체(1)의 하부에 적층된다.

제어부(50)은 3D프린터의 전반적인 제어를 수행한다. 3D프린터 본체(70)에 장착된 조형판구동부는 제어부(50)의 제어에 의하여 조형판(20)을 상부로 이동시킨다.

이때, 전술한 바와 같이 높은 에너지를 갖는 광을 코아부에 노광하고, 낮은 에너지를 갖는 광을 클래드부에 노광하여 코아부는 클래드부에 비교하여 높은 가교밀도를 갖도록 하여, 각 적층별로 연결된 코아부가 3D광도파로가 되도록 성형하는 것이다.

본 발명에 따른 3차원 성형장치는 전술한 바와 같이 조형판을 단속적으로 상승시켜 단위성형층을 적층하는 방식뿐만 아니라, 조형판을 연속적으로 상승시키면서 단위이미지에 대응하는 이미지광을 순차적으로 변경하여 조사하는 연속성형방식에서도 채용할 수가 있다. 본 발명은 수지조 방식이 아니라 수지도포방식의 3D 프린터에서도 사용이 가능하다.

1 : 3차원물체
2, 2-1, 2-2, 2-3 : 입사부
2a : 제1성형층 코아부
3, 3-1, 3-2, 3-3 : 출사부
3a, 3b, 3c, 3d, 3g : 출사면 코아부
4 : 3D광도파로
5 : 광경화성수지
10A, 12A : 제1성형층
10F, 12G : 최종성형층
10a : 제1성형층 클래드부
12g : 최종성형층 클래드부
20 : 조형판
30 : 수지조
40 : 이미지광조사부
50 : 제어부
60 : 조형판구동부
70 : 3D프린터 본체

Claims (6)

1. 광도파체에 있어서,
   광경화성 액상수지가 광경화하여 광투과성 수지재료로 3차원적으로 연장되도록 성형된 코어부; 및
   상기 광경화성 액상수지가 광경화한 상기 광투과성 수지재료로 상기 코어부를 둘러싸도록 성형된 클래드부를 포함하고,
   상기 코어부는 상기 클래드부에 비해 가교밀도가 상이하도록 성형되어 3D광도파로를 형성하고,
   상기 광경화성 액상수지가 광경화에 의해 형성되는 다수의 단위성형층이 적층되며, 상기 단위성형층 중 적어도 일부는 상기 코어부와 상기 클래드부를 형성하는 단위층상부를 가지고,
   상기 코어부의 단위층상부와 상기 클래드부의 단위층상부는 광조사량, 광조사시간 및 광조사광의 색상 중 적어도 어느 하나가 상이한 것을 특징으로 하는 광도파체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 코아부는 상기 클래드부보다 높은 가교밀도를 갖는 광도파체.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 코어부의 양 단부는 상기 클래드부로부터 노출되어 입사부와 출사부를 형성하며, 상기 입사부와 출사부는 광진행 방향의 각도와 위치 중 적어도 하나가 상이한 광도파체.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 입사부 혹은 상기 출사부 중 적어도 하나는 상기 다수의 단위성형층 중 제1성형층 및 최종성형층 사이의 다수의 중간성형층에 형성된 광도파체.

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