KR102199897B1 - 3d 프린터용 평판형 uv 어레이 경화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일반적으로 대면적 고해상도 출력이 가능한 3D 프린터를 제작할 수 있는 레진 경화 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 3D 프린터에서 렌즈 광학계와 LCD 패널을 제거하여 UV 광원의 손실율을 낮추어 3D 프린터의 출력 속도를 고속화하고 UV 광원에서 2차원 평면으로 출력물 평면 형상을 직접 정의함으로써 대화면에서도 고해상도를 달성할 수 있는 레진 경화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 종래기술에 비해 UV 광원의 손실율을 낮추어 3D 프린터의 출력 속도를 고속화할 수 있고, 출력면의 중앙 부분과 가장자리 부분 간의 공간적 왜곡을 제거하는 것이 가능해져 대화면에서도 고해상도 프린팅을 달성할 수 있으며, 출력물의 면적과 관계 없이 독립적으로 3D 프린팅의 해상도 성능을 정의할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면 출력면의 공간적, 선택적 경화 정도를 제어할 수 있고 출력면의 지지 영역 부위에 한정하여 경화 정도를 제어할 수 있으며 종래기술에 비해 3D 프린터를 슬림화할 수 있는 장점이 있다.

Description

3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템 {panel-type UV-array curing system for 3D printers}
본 발명은 일반적으로 대면적 고해상도 출력이 가능한 3D 프린터를 제작할 수 있는 레진 경화 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 3D 프린터에서 렌즈 광학계와 LCD 패널을 제거하여 UV 광원의 손실율을 낮추어 3D 프린터의 출력 속도를 고속화하고 UV 광원에서 2차원 평면으로 출력물 평면 형상을 직접 정의함으로써 대화면에서도 고해상도를 달성할 수 있는 레진 경화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 3D 프린터에 의한 3D 출력물은 소정 두께의 레이어를 반복하여 적층하는 구조로 구현된다. 이중에서 광경화성 레진(light-cured resin) 재료를 사용하는 3D 프린터로는 대표적으로 DLP(Digital Light Processing) 방식과 LCD(Liquid Crystal Display) 방식을 들 수 있다.
DLP 방식은 광경화성 액상 레진에 빔프로젝터가 특정 형상의 빛을 비추는데 빔프로젝터가 비추어주는 빛의 모양에 따라 광경화성 레진이 굳어지는 방식을 말한다. DLP 방식의 장점은 레진을 고속 경화할 수 있는 충분한 광량을 빔프로젝터가 출력하도록 할 수 있어 3D 프린터의 출력 속도가 빠르다는 점이다. 반면, DLP 방식의 단점은 빔프로젝터 광원의 해상도 한계로 인하여 출력 면적이 넓을수록 해상도가 저하되고 2차원 광원의 확산을 위해 사용하는 렌즈 광학계로 인하여 출력면의 중앙 부분과 가장자리 부분 간에 공간적 왜곡이 존재하는 문제가 있어 3D 프린터의 출력 대면적화에 분명한 한계가 있다는 점이다.
LCD 방식은 LED 광원과 콘덴서 렌즈(condenser lens)를 통해 자외선(UV) 광을 광경화성 액상 레진에 전체 면으로 조사하고 LCD 패널(LCD panel)이 출력 영역을 제외한 나머지 부분을 마스킹하는 방식을 말한다. LCD 방식의 장점은 DLP 방식 대비하여 3D 프린터 장치의 원가가 저렴하고 UV 광을 사용함에 따라 광경화성 레진을 다양하게 선택할 수 있다는 점이다. 반면, LCD 방식의 단점은 소면적의 UV 광원을 출력 면적에 맞게 확산 및 초점 맞춤하기 위한 렌즈 광학계(콘덴서 렌즈)를 사용하므로 UV 광의 광경로가 길어져 광량 손실이 발생하고 출력면의 형상 정의를 위한 LCD 패널을 투과하면서 90% 이상 UV 광량이 추가로 손실됨에 따라 3D 프린터의 출력 속도가 매우 느리다는 점이다. 또한, DLP 방식과 마찬가지로 LCD 방식에서도 렌즈 광학계에 의해 출력면의 중앙 부분과 가장자리 부분 간에 공간적 왜곡이 존재하여 3D 프린터의 출력 대면적화에 한계가 존재한다.
그에 따라, 이와 같은 종래기술의 3D 프린터이 갖고 있는 문제점을 해결할 수 있는 기술이 요망된다.
본 발명의 목적은 대면적 고해상도 출력이 가능한 3D 프린터를 제작할 수 있는 레진 경화 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 3D 프린터에서 렌즈 광학계와 LCD 패널을 제거하여 UV 광원의 손실율을 낮추어 3D 프린터의 출력 속도를 고속화하고 UV 광원에서 2차원 평면으로 출력물 평면 형상을 직접 정의함으로써 대화면에서도 고해상도를 달성할 수 있는 레진 경화 시스템을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 해결 과제는 이들 사항에 제한되지 않으며 본 명세서의 기재로부터 다른 해결 과제가 이해될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템은, 하방에 윈도우 필름(111)이 구비된 용기 형태로 구성되어 그 내부에 광경화성 액상 레진(112)이 수용되는 수조(110); 광경화성 액상 레진(112)이 광경화되어 3D 출력물(121)이 하방으로 슬라이스 적층되는 빌드 플랫폼(120); 마이크로LED로 이루어진 다수의 UV 발광소자가 3D 프린터의 인쇄 크기 사양 및 인쇄 해상도 사양에 대응하는 플레이트 크기 및 픽셀 밀도로 평판 배열되어 윈도우 필름(111) 하방에 배치된 마이크로 UV-LED 어레이(130); 다수의 광섬유(fiber optic)가 페이스 플레이트(face plate) 형태로 구성되고 윈도우 필름(111)과 마이크로 UV-LED 어레이(130) 사이에 배치되어 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 방지 및 광 가이드를 수행하는 광 확산방지 필터(140); 3D 프린팅 과정에서 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 마이크로 UV-LED 어레이(130)에 대해 픽셀 단위의 발광을 제어하는 광경화 제어부(150);를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 광 확산방지 필터(140)는 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터의 UV 광에 대한 내성(UV light tolerance)를 확보하기 위해 브라운 색상의 광섬유 페이스 플레이트로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 광 확산방지 필터(140)는 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 손실을 저감하기 위해 윈도우 필름(111)의 하방에 밀착 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 광 확산방지 필터(140)는 3D 프린팅 과정에서 빌드 플랫폼(120)에 의해 인가되는 누름 압력에 의한 마이크로 UV-LED 어레이(130)의 파손을 막는 두께와 강도를 갖춘 보호 부재(protection layer)를 구비하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)는, 마이크로LED 공정에서 다수의 UV 발광소자가 형성되기 위한 평판형 베이스를 구성하고 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 3D 인쇄 크기와 같거나 그 이상의 사이즈로 이루어지며 윈도우 필름(111) 하방에 배치된 기판 플레이트(290); 기판 플레이트(290) 상에 마이크로LED 공정으로 형성된 하나 이상의 UV 발광소자를 구비하여 이루어지고 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 인쇄 해상도와 같거나 그 이상의 픽셀 밀도를 갖도록 기판 플레이트(290) 상에 배치된 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260); 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)에 대하여 UV 발광 구동 신호를 전달하기 위하여 기판 플레이트(290) 상에 형성된 회로 배선을 구비하는 마이크로LED 구동라인(271, 272); 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하기 위한 UV 발광 구동 신호를 제공하는 마이크로LED 구동회로(280);를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에서 광경화 단위 픽셀(210)은, 이질형의(heterogeneous) UV 발광 특성을 가지고 각각 독립적으로 구동 제어 가능한 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216); 마이크로LED 구동회로(280)가 제공하는 UV 발광 구동 신호에 대응하여 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)을 각각 독립적으로 발광 제어하는 픽셀 드라이브 모듈(217, 298);를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 광경화 제어부(150)는 3D 프린팅 과정에서 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260) 각각에 대한 UV 노출 사양을 도출하고 UV 노출 사양에 대응하여 해당 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하는 발광 제어 명령을 생성하여 마이크로LED 구동회로(280)로 제공한다. 마이크로LED 구동회로(280)는 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 각각의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 구성하는 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216) 각각에 대하여 각자의 이질형의 UV 발광 특성에 대응하는 UV 발광 구동 신호를 픽셀 드라이브 모듈(217, 298)로 제공한다.
또한, 본 발명에서 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)는 파장 특성(λ1 ~ λ6) 및 출력 파워 특성(P1 ~ P6) 중 하나 이상에 대해 이질형의 UV 발광 특성을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 3D 프린터에서 렌즈 광학계와 LCD 패널을 제거하는 것이 가능해져 종래기술에 비해 UV 광원의 손실율을 낮추어 3D 프린터의 출력 속도를 고속화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 평판형 2차원 어레이 UV-LED 광원을 통해 2차원 평면으로 레진 경화 및 출력면 형상을 직접 정의할 수 있어 출력면의 중앙 부분과 가장자리 부분 간의 공간적 왜곡을 제거하는 것이 가능해져 대화면에서도 고해상도 프린팅을 달성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 평판형 2차원 어레이 UV-LED 광원을 통해 레진 경화 및 출력면 형상을 동시에 정의하므로 출력물의 면적과 관계 없이 독립적으로 3D 프린팅의 해상도 성능을 정의할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 평판형 2차원 어레이 UV-LED 광원을 통하여 출력면의 공간적, 선택적 경화 정도를 제어할 수 있고 출력면의 지지(support) 영역 부위에 한정하여 경화 정도를 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 3D 프린터에서 렌즈 광학계와 LCD 패널을 제거하고 레진 수조(resin vat) 일체형 평판형 UV-LED 경화 시스템을 구성할 수 있어 종래기술에 비해 3D 프린터를 슬림화할 수 있는 장점이 있다.
[도 1]과 [도 2]는 본 발명에 따른 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면.
[도 3]은 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이의 구성의 일 실시예를 나타내는 도면.
[도 4]는 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이를 구성하는 광경화 단위 픽셀의 일 실시예를 나타내는 도면.
[도 5]는 레진의 종류에 따라 광경화 특성이 다양하게 나타나는 점을 나타내는 도면.
[도 6]은 레진의 종류에 따라 광경화 물성이 다양하게 나타나는 점을 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[도 1]과 [도 2]는 본 발명에 따른 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다. [도 1]은 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)가 분리 구성된 실시예를 나타내고, [도 2]는 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)가 일체로 형성된 실시예를 나타낸다.
일반적으로 3D 프린터는 수조(VAT) 내의 액상 레진을 소정 두께의 레이어(슬라이스) 단위로 반복 경화시켜 3D 출력물을 생성하는데, 본 발명은 이 액상 레진을 자외선(UV)으로 경화시키는 기술에 관한 것이다.
[도 1]과 [도 2]를 참조하면, 본 발명에 따른 평판형 UV 어레이 경화 시스템은 렌즈 광학계와 LCD 패널을 구비하고 있지 않아 종래기술에 비해 UV 광원의 손실율이 낮아 3D 프린터의 출력 속도를 고속화할 수 있다. 발명자의 실험에 의하면 본 발명에서는 UV 광원의 손실률이 20 % 미만이어서 종래기술에 비해 현저하게 낮아졌으며, 이는 3D 프린팅의 고속화를 의미한다.
또한, 마이크로LED 공정으로 이루어진 평판형 발광 어레이가 3D 출력물의 각 슬라이스별 평면 형상을 직접 정의하면서 UV 발광을 수행하는 방식을 채택함에 따라 종래기술의 문제점이었던 광원의 출력면적 확산에 의한 해상도 열화가 해결되어 대화면에서도 고해상도를 달성할 수 있다. 발명자의 실험에 의하면 본 발명에서는 3D 프린팅의 공간적 왜곡율이 1 % 미만이어서 종래기술에 비해 현저하게 낮아졌으며, 이는 각 슬라이스의 외곽 부분에서 출력물 형상이 찌끄러지지 않기에 3D 인쇄를 대형화하더라도 고해상도가 가능함을 의미한다.
[도 1]에는 본 발명에 따른 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템의 2가지 실시예가 도시되어 있다. 스탠바이(standby) 상태에서는 [도 1] (a), (c)와 같이 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 이격시켜 두었다가, 3D 프린팅을 진행할 때에 [도 1] (b), (d)와 같이 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 근접시킨다. 3D 프린팅 중에 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 [도 1] (b), (d)와 같이 밀착시키는 것이 광 손실 방지와 왜곡 저감의 측면에서 바람직하지만, 일정 거리 이격시키는 구성도 배제하지 않는다. 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 밀착시켰을 때의 구성요소의 상호 배치는 [도 1]의 (b), (d)에 제시된 것처럼 다양하게 설계될 수 있다.
[도 2]에는 레진 수조(resin vat) 일체형 평판형 UV-LED 경화장치를 구성하는 2가지 실시예가 도시되어 있다. 즉, 수조(110)와 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 일체로 구현하는 방식이다. [도 2]에는 마이크로 UV-LED 어레이(130)와 광 확산방지 필터(140)를 접착시키는 광학 접착제(141)가 도시되어 있지 않은데, 이는 [도 2]에서 광학 접착제(141)의 사용을 배제하는 것은 아니다. [도 1]과 [도 2]에서 접착물질의 사용은 필요에 따라 적절히 적용될 수 있다.
[도 1]과 [도 2]를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템은 수조(110), 빌드 플랫폼(120), 마이크로 UV-LED 어레이(130), 광 확산방지 필터(140), 광경화 제어부(150)를 포함하여 구성된다. 그리고, 3D 프린터의 동작을 위해 프린터 구동부(160)가 구비된다.
먼저, 수조(VAT)(110)는 내부에 광경화성 액상 레진(light cured or UV cured resin)(112)을 수용하기 위한 용기로서 그 하방으로는 레진 경화를 위한 UV 광이 통과할 수 있도록 윈도우 필름(window film)(111)이 형성되어 있다. 이는 DLP 방식이나 LCD 방식의 3D 프린터에서 사용되는 수조(VAT)와 공통되며, 종래기술의 수조(VAT)를 본 발명에 활용할 수도 있다.
빌드 플랫폼(build platform)(120)은 광경화성 액상 레진(112)이 슬라이스 단위로 광경화되어 3D 출력물(3D printed model)(121)이 하방으로 슬라이스 적층되어가기 위한 베이스 플레이트이다. 빌드 플랫폼(120) 또한 DLP 방식이나 LCD 방식의 3D 프린터에서 사용되는 빌드 플랫폼과 공통되며, 종래기술의 빌드 플랫폼을 본 발명에 활용할 수도 있다.
마이크로 UV-LED 어레이(Micro UV pixel array)(130)는 마이크로LED 공정을 통해 이루어진 픽셀 단위 혹은 서브픽셀 단위의 다수의 UV 발광소자가 2 차원 평면으로 배열된 평판형 UV-LED 플레이트이다. 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 렌즈 광학계로 조사 영역을 넓히지 않고 그 자체로 3D 프린터의 인쇄 영역을 정의한다. 그에 따라, 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 그 플레이트 크기(plate size)가 3D 프린터의 인쇄 크기(조형크기) 사양에 대응한다. 또한, 마이크로 UV-LED 어레이(130)에는 하나 혹은 복수 개의 UV 발광소자가 픽셀(pixel, 화소)을 정의하는데, 그 픽셀 밀도는 3D 프린터의 인쇄 해상도 사양에 대응한다. 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 [도 1] 및 [도 2]에 도시된 바와 같이 윈도우 필름(111)의 하방에 배치되어 윈도우 필름(111)을 통과하여 수조(110) 내부로 UV 광을 조사한다.
마이크로 UV-LED 어레이(130)는 2차원 픽셀이 형성되는데, 이들 픽셀들은 각각 어드레싱(addressing)이 이루어짐으로써 3D 프린팅 과정에서 3D 출력물(121)을 형성하기 위한 각각의 슬라이스에서 인쇄 사양을 정의하게 된다. 이를 통해, 본 발명에서는 광경화(curing)와 패터닝(patterning)이 동시(simultaneously)에 가능해지고 UV-LED 픽셀 단위로 행(row), 열(column), 조사강도(power), 조사시간(exposure time), 그레이 스케일(gray scale) 계조를 독립적으로 제어하는 것이 가능해졌다.
3D 프린팅의 해상도 개선을 위하여 마이크로 UV-LED 어레이(130)와 윈도우 필름(111) 사이에 필터를 설치하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 인접 UV-LED 픽셀과의 광학적 간섭을 막기위한 광학 차단벽(optical blocking wall)이 단일 픽셀 또는 복수의 픽셀 단위로 설치될 수 있다. 또한, 인접 UV-LED 픽셀과의 전기적 간섭(크로스토크)을 막기위한 전기적 패턴 또는 회로가 단일 픽셀 또는 복수의 픽셀 단위로 구성될 수 있다. 또한, 고해상도 UV-LED 픽셀로 인한 픽셀 앨리어싱(pixel aliasing), 디지털 앨리어싱 에러(digital aliasing error)의 출력을 방지하기 위한 광산란 목적의 필터가 구성될 수 있다.
광 확산방지 필터(UV or light guide filter)(140)는 윈도우 필름(111)과 마이크로 UV-LED 어레이(130) 사이에 배치되어 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 방지 및 광 가이드를 수행한다. 광 확산방지 필터(140)는 3D 프린팅의 해상도 개선을 위해 설치되는 구성요소이며, 본 발명의 장치에 포함되지 않더라도 평판형 UV 어레이 경화 시스템이 작동은 가능하다. 본 발명에서 광 확산방지 필터(140)는 다수의 광섬유(fiber optic)가 페이스 플레이트(face plate) 형태로 구성되어 UV 광의 확산 방지 및 광 가이드를 수행한다. UV 광이 통과하는 과정에서 발생하게 되는 광 손실을 낮추기 위해 마이크로 UV-LED 어레이(130)와 광 확산방지 필터(140)는 광학 접착제(optical glue, UV optical adhesives)(141)로 접착되는 것이 바람직하다.
광 확산방지 필터(140)는 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터의 UV 광에 대하여 투과도(UV light transparent)가 높아야 하면서(예: 90 %) 동시에 UV 광에 대한 내성(UV light tolerance)도 확보해야 한다. 이를 위해, 광 확산방지 필터(140)는 브라운 색상의 광섬유 페이스 플레이트(brown colored fiber optic face plate)로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 광 확산방지 필터(140)는 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 손실을 저감하기 위해 윈도우 필름(111)의 하방에 밀착 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 광 확산방지 필터(140)는 3D 프린팅 과정에서 빌드 플랫폼(120)에 의해 인가되는 누름 압력에 의한 마이크로 UV-LED 어레이(130)의 파손을 막는 두께(예: 2 mm 이상)와 강도를 갖춘 보호 부재(protection layer)를 구비하는 것이 바람직하다.
광경화 제어부(150)는 3D 프린팅 과정에서 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 마이크로 UV-LED 어레이(130)에 대해 픽셀 단위의 발광을 제어한다. 3D 프린터가 특정의 3D 출력물(121)을 인쇄하기 위해서는 각각의 슬라이스 단면에 대해 2차원 출력 패턴을 픽셀 단위로 결정하고, 그에 대응하여 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 픽셀 단위로 발광 제어해야 한다.
[도 3]은 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)의 구성의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
마이크로 UV-LED 어레이(130)는 수조(110) 내의 액상 레진(112)를 슬라이스 단위로 광경화시키기 위한 UV 광을 2차원 평면으로 발생시켜 수조(110) 내부로 조사해주는 구성요소이다. 이를 위해, 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 마이크로LED 공정을 통해 이루어진 픽셀 단위 혹은 서브픽셀 단위의 다수의 UV 발광소자가 2 차원 평면으로 배열된 평판형 UV-LED 플레이트이다.
본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)의 UV 발광소자는 마이크로LED 공정을 통해 이루어진다. 일반적으로 마이크로LED는 10 ~ 100 ㎛ 크기의 초소형 LED 발광입자를 기판에 형성시킨 것으로, 발광소자 그 자체가 픽셀로 활용 가능하다. 조도, 채도, 전력 효율성 면에서 장점이 많기에 플렉서블(flexible) 표시장치나 롤러블(rollable) 표시장치 분야에서 활발하게 개발되고 있다. 일반적으로 마이크로LED는 Al, Ga, N, P, As In 등의 무기물 재료를 사파이어 기판 또는 실리콘 기판 위에 박막 성장시킴으로써 10 ~ 100 ㎛ 크기의 초소형 LED 발광입자를 기판에 형성할 수 있다. 마이크로LED는 기판상에 무기물 재료를 전사하기만 하면 되므로 기판을 크게 만들거나 플렉서블하거나 롤러블하게 만듬으로써 소망하는 사양의 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 구성할 수 있다.
[도 3]을 참조하면, 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 기판 플레이트(290), 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260), 마이크로LED 구동라인(271, 272), 마이크로LED 구동회로(280)을 포함하여 구성될 수 있다.
기판 플레이트(290)는 수조(110)의 윈도우 필름(111) 하방에 배치되며, 마이크로LED 공정에서 다수의 UV 발광소자가 형성되기 위한 평판형 베이스, 즉 기판(substrate)을 구성한다. 기판 플레이트(290)는 사파이어 기판이나 실리콘 기판 등으로 구현될 수 있다. 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 렌즈 광학계로 조사 영역을 넓히지 않고 그 자체로 3D 프린터의 인쇄 영역을 정의하는데, 이를 위해 기판 플레이트(290)는 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 3D 인쇄 크기와 같거나 그 이상의 사이즈로 이루어진다.
다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)은 기판 플레이트(290) 상에 마이크로LED 공정으로 형성된 하나 이상의 UV 발광소자를 구비하여 이루어진다. 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)은 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 인쇄 해상도에 대응되는 개념이다. 예를 들어, 3D 프린터의 인쇄 해상도가 2560 x 1440 라면 단일 플레이트에서 정의되는 총 3,686,400 개의 픽셀 각각에 해당하는 개념이 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)이다. 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)는 렌즈 광학계로 조사 영역을 넓히지 않고 그 자체로 3D 프린터의 인쇄 영역을 정의하는데, 이를 위해 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)은 3D 프린터의 인쇄 해상도와 동일하거나 혹은 그 이상의 픽셀 밀도를 갖도록 기판 플레이트(290) 상에 배치된다. 또한, 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)은 마이크로LED 공정으로 형성된 UV 발광소자 하나에 대응될 수도 있고, [도 3]에 도시된 바와 같이 복수 개의 UV 발광소자를 구비하여 이루어질 수도 있다. 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)이 복수 개의 UV 발광소자로 구성된 경우에는 슬라이스의 인쇄 사양을 개별 픽셀 단위로 제어할 수 있게 되는데, 이에 대해서는 [도 4]를 참조하여 후술한다.
마이크로LED 구동라인(271, 272)은 기판 플레이트(290) 상에 형성된 회로 배선을 구비하여 이루어지며, 이를 통해 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)에 대한 개별적인 UV 발광 구동 신호가 전달된다. 마이크로LED 구동라인(271, 272)는 기판 플레이트(290) 상에 인쇄 회로 기판으로 구현되는 것이 바람직한데, 마이크로 LED 공정 기술에 맞도록 다양하게 구현될 수 있다.
마이크로LED 구동회로(280)는 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하기 위한 UV 발광 구동 신호를 제공한다.
[도 4]는 본 발명에서 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 구성하는 광경화 단위 픽셀(131)의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명에서 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)은 마이크로LED 공정으로 형성된 UV 발광소자 하나에 대응될 수도 있고, 마이크로LED 공정으로 형성된 UV 발광소자 여러 개의 덩어리가 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260) 하나를 정의할 수도 있다. 후자의 경우에, UV 발광소자 하나는 서브픽셀(sub-pixel)에 해당하는 것으로 간주할 수 있다. [도 3]은 UV 발광소자 6개가 하나의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 이루는 구현 예를 도시한 것이다. 이 갯수는 전체적으로 동일한 것이 일반적이나, 구현 예에 따라서는 상이하게 설정될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 마이크로 UV-LED 어레이(130) 내에서 1개의 UV 발광소자로 이루어진 광경화 단위 픽셀, 3개의 UV 발광소자로 이루어진 광경화 단위 픽셀, 5개의 UV 발광소자로 이루어진 광경화 단위 픽셀이 혼재될 수도 있다.
또한, 하나의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 구성하는 복수 개의 UV 발광소자들이 균일한(homogeneous, uniform) UV 발광 특성을 갖도록 구성될 수도 있고 이질형의(heterogeneous, non-uniform) UV 발광 특성을 갖도록 구성될 수도 있다. 이때, UV 발광 특성으로는 출력 파워 특성(radiation power specification)과 파장 특성(wavelength specification) 등을 들 수 있다.
[도 4]를 참조하면, 본 발명에서 광경화 단위 픽셀(210)은 각각 독립적으로 구동 제어 가능한 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216) 및 마이크로LED 구동회로(280)가 제공하는 UV 발광 구동 신호에 대응하여 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)을 각각 독립적으로 발광 제어하는 픽셀 드라이브 모듈(217, 298)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, UV 발광소자들(211 ~ 216)의 UV 발광 특성은 균일하도록 설정될 수도 있고 이질형이 되도록 설정될 수도 있다.
UV 발광소자들(211 ~ 216)의 UV 발광 특성이 이질형인 경우에는 하나의 광경화 단위 픽셀(210)을 구성하는 복수의 UV 발광소자들(211 ~ 216)이 상이한 UV 발광 특성, 즉 파장 특성 및 출력 파워 특성을 갖는다. [도 4]에서도 광경화 단위 픽셀(210)을 구성하는 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)가 파장 특성(λ1 ~ λ6) 및 출력 파워 특성(P1 ~ P6) 중 하나 이상에 대해 이질형의 UV 발광 특성을 갖도록 구성되는 구현 예를 도시하였다. 엘이디(LED) 소자의 파장 특성과 출력 파워 특성을 상이하게 설정하는 기술은 전자부품 기술 분야에서 널리 알려진 것이며 실제로도 다양한 기술사양을 갖는 UV-LED 소자가 출시되어 있으므로 이에 관해서는 본 명세서에서 자세한 설명을 생략한다.
이처럼 UV 발광소자들(211 ~ 216)의 UV 발광 특성이 이질형으로 구성된 경우에는 3D 출력물(121)에 있어서 각 슬라이스 출력면 내에서 각 픽셀 단위로 경화정도를 선택적으로 제어하는 것이 가능해진다. 각 파장별로 경화되는 액상 레진의 경화 정도가 상이하다는 점을 이용하여 3D 프린팅을 수행하면서 동시에 각 영역 별로 소망하는 바에 따라 경도를 달리 설정할 수 있다. [도 6]에는 레진의 종류에 따라 광경화시의 경도가 상이하게 나타나는 사실이 도시되어 있다. 이러한 레진 성질과 본 발명의 이질형 구성을 조합하면, 예를 들어, 3D 출력물(121)에서 특정 부분, 예컨대 돌출부나 뼈대부는 강하게 경화시키고 다른 부분, 예컨대 지지대(support) 부위는 무르게 경화시키는 것이 가능하다.
또한, 수조(110) 내에 광경화 특성이 상이한 다양한 액상 레진을 혼합하여 수용함으로써 이질형의 UV 발광소자들(211 ~ 216)을 통해 3D 출력물(121)에 다양한 효과를 달성할 수 있다. 예를 들어 복수의 서로 다른 파장대(λ1 ~ λ6)의 UV-LED 발광소자(서브픽셀)로 픽셀이 구성된 경우에 각 파장별로 경화되는 액상 레진에 색상을 달리 지정함으로써 3D 프린팅을 수행하면서 동시에 각 영역 별로 소망하는 바에 따라 채색(coloring)을 달성할 수 있다. [도 6]에는 레진의 종류에 따라 광경화시의 색상이 상이하게 나타나는 사실이 도시되어 있다.
[도 5]는 레진의 종류에 따라서 광경화 특성이 다양하게 나타나는 점을 나타내는 도면이고, [도 6]은 레진의 종류에 따라 광경화 물성이 다양하게 나타나는 점을 나타내는 도면이다. UV 광에 노출되었을 때에 레진의 속성(경도, 색상 등)이 이처럼 다양하게 나타난다는 사실을 본 발명의 이질형 구성과 조합함으로써 3D 프린팅시에 다양한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 쇼어(shore) 경도가 상이한 레진을 혼합 사용함으로써 픽셀 단위의 경도 제어(shore control)가 가능하다. 광개시제(photoinitiator)의 최대흡수(peak absorption) 특성을 고려하면 특정 파장대에서 경화되는 쇼어 경도를 조정 가능하다.
기존의 광경화 방식의 3D 프린터에서는 레진 자체의 경화시 자연색상(nature color)로 단색을 표현할 뿐으로 3D 출력물(121)의 특정 영역에 의도적으로 특정 색상으로 채색하는 것은 불가능하였다. 반면, 본 발명에서는 여러 파장대(λ1 ~ λ6)를 갖는 서브픽셀들(211 ~ 216)을 묶어서 하나의 픽셀을 구성하고, 특정 파장대에서 채색이 이루어지는 레진을 섞어 수조(110)에 넣은 후, 채색이 필요한 영역에서는 해당 광경화 단위 픽셀(예: 210)에서 그 특정 파장대로 UV 광을 출력하도록 서브픽셀을 구동시킴으로써 3D 출력시에 채색을 달성할 수 있다. 이때, 특정 색상으로 채색하는 것 뿐만 아니라 레진 종류를 적절히 선택함으로써 투명도 역시 3D 출력시에 바로 설정하는 것이 가능하다.
이와 동일한 원리로 특정 파장대에서 특정한 경도와 연성으로 경화되는 레진을 섞어 사용함으로써 국부적으로 경도가 다르거나 특정 부위의 연성이 의도적으로 조정된 3D 출력물을 얻을 수 있다.
광경화 단위 픽셀(210)을 구성하는 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)가 이질형으로 구성되는 경우에 광경화 제어부(150)와 마이크로LED 구동회로(280)는 다양한 제어 프로세스를 수행할 수 있다.
먼저, 광경화 제어부(150)는 3D 프린팅 과정에서 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260) 각각에 대한 UV 노출 사양(예: 파장 특성, 출력 파워 특성)을 도출하고, 그 UV 노출 사양에 대응하여 해당 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하는 발광 제어 명령을 생성하여 마이크로LED 구동회로(280)로 제공한다. 즉, 3D 출력물(121)을 형성해나가는 과정에서 각 슬라이스를 구성하는 각각의 픽셀(예: 2560 x 1440 개)에 대해 UV 노출 사양을 도출하고, 그에 맞게 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하는 발광 제어 명령을 생성하는 것이다.
마이크로LED 구동회로(280)는 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 각각의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 구성하는 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216) 각각에 대하여 각자의 이질형의 UV 발광 특성에 대응하는 UV 발광 구동 신호를 픽셀 드라이브 모듈(217, 298)로 제공한다. 즉, 마이크로LED 구동회로(280)는 마이크로 UV-LED 어레이(130)를 구성하는 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260) 각각에 대해 그 해당하는 발광 제어 명령에 맞게 발광 제어를 수행하는 것이다. 특히, 해당 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)에 대해 발광 제어 명령에서 지정된 UV 발광 특성에 맞도록 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 구성하는 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216) 각각에 대하여 UV 발광 구동 신호를 생성하고, 이 UV 발광 구동 신호를 픽셀 드라이브 모듈(217, 298)로 제공한다.
한편, 본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비휘발성 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태로 구현되는 것이 가능하다. 이러한 비휘발성 기록매체로는 다양한 형태의 스토리지 장치가 존재하는데 예컨대 하드디스크, SSD, CD-ROM, NAS, 자기테이프, 웹디스크, 클라우드 디스크 등이 있고 네트워크로 연결된 다수의 스토리지 장치에 코드가 분산 저장되고 실행되는 형태도 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 하드웨어와 결합되어 특정의 절차를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수도 있다.
110 : 수조(VAT)
111 : 윈도우 필름
112 : 광경화성 액상 레진
120 : 빌드 플랫폼
121 : 3D 출력물
130 : 마이크로 UV-LED 어레이
140 : 광 확산방지 필터
141 : 광학 접착제
150 : 광경화 제어부
160 : 프린터 구동부
210 ~ 260 : 광경화 단위 픽셀
211 ~ 216 : UV 발광소자
217, 218 : 픽셀 드라이브 모듈
271, 272 : 마이크로LED 구동라인
280 : 마이크로LED 구동회로
290 : 기판 플레이트

Claims (8)

  1. 하방에 윈도우 필름(111)이 구비된 용기 형태로 구성되어 그 내부에 광경화성 액상 레진(112)이 수용되는 수조(110);
    상기 광경화성 액상 레진(112)이 광경화되어 3D 출력물(121)이 하방으로 슬라이스 적층되는 빌드 플랫폼(120);
    마이크로LED로 이루어진 다수의 UV 발광소자가 3D 프린터의 인쇄 크기 사양 및 인쇄 해상도 사양에 대응하는 플레이트 크기 및 픽셀 밀도로 평판 배열되어 상기 윈도우 필름(111) 하방에 배치된 마이크로 UV-LED 어레이(130);
    상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터의 UV 광에 대한 내성(UV light tolerance)를 확보하기 위해 다수의 광섬유(fiber optic)가 브라운 색상의 광섬유 페이스 플레이트(brown colored fiber optic face plate) 형태로 구성되고 상기 윈도우 필름(111)과 상기 마이크로 UV-LED 어레이(130) 사이에 배치되어 상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 상기 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 방지 및 광 가이드를 수행하는 광 확산방지 필터(140);
    3D 프린팅 과정에서 상기 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)에 대해 픽셀 단위의 발광을 제어하는 광경화 제어부(150);
    를 포함하여 구성되는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 확산방지 필터(140)는 상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)로부터 상기 수조(110) 내부로 전달되는 UV 광의 확산 손실을 저감하기 위해 상기 윈도우 필름(111)의 하방에 밀착 배치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광 확산방지 필터(140)는 3D 프린팅 과정에서 상기 빌드 플랫폼(120)에 의해 인가되는 누름 압력에 의한 상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)의 파손을 막는 두께와 강도를 갖춘 보호 부재(protection layer)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 UV-LED 어레이(130)는,
    마이크로LED 공정에서 상기 다수의 UV 발광소자가 형성되기 위한 평판형 베이스를 구성하고 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 3D 인쇄 크기와 같거나 그 이상의 사이즈로 이루어지며 상기 윈도우 필름(111) 하방에 배치된 기판 플레이트(290);
    상기 기판 플레이트(290) 상에 마이크로LED 공정으로 형성된 하나 이상의 UV 발광소자를 구비하여 이루어지고 3D 프린터의 제품 사양으로 미리 설정된 인쇄 해상도와 같거나 그 이상의 픽셀 밀도를 갖도록 상기 기판 플레이트(290) 상에 배치된 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260);
    상기 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)에 대하여 UV 발광 구동 신호를 전달하기 위하여 상기 기판 플레이트(290) 상에 형성된 회로 배선을 구비하는 마이크로LED 구동라인(271, 272);
    상기 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 상기 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하기 위한 UV 발광 구동 신호를 제공하는 마이크로LED 구동회로(280);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광경화 단위 픽셀(210)은,
    이질형의(heterogeneous) UV 발광 특성을 가지고 각각 독립적으로 구동 제어 가능한 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216);
    상기 마이크로LED 구동회로(280)가 제공하는 상기 UV 발광 구동 신호에 대응하여 상기 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)을 각각 독립적으로 발광 제어하는 픽셀 드라이브 모듈(217, 298);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 광경화 제어부(150)는 3D 프린팅 과정에서 상기 3D 출력물(121)에 대한 각 슬라이스의 단면 출력 패턴에 대응하여 상기 다수의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260) 각각에 대한 UV 노출 사양을 도출하고 상기 UV 노출 사양에 대응하여 해당 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 제어하는 발광 제어 명령을 생성하여 상기 마이크로LED 구동회로(280)로 제공하고,
    상기 마이크로LED 구동회로(280)는 상기 광경화 제어부(150)가 제공하는 발광 제어 명령에 대응하여 각각의 광경화 단위 픽셀(210 ~ 260)을 구성하는 상기 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216) 각각에 대하여 각자의 이질형의 UV 발광 특성에 대응하는 UV 발광 구동 신호를 상기 픽셀 드라이브 모듈(217, 298)로 제공하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수의 UV 발광소자(211 ~ 216)는 파장 특성(λ1 ~ λ6) 및 출력 파워 특성(P1 ~ P6) 중 하나 이상에 대해 이질형의 UV 발광 특성을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 평판형 UV 어레이 경화 시스템.
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