KR102232234B1 - 면광원 장치 및 이를 구비한 3차원 프린터 - Google Patents

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KR102232234B1
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박정현
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

면광원 장치와 이를 구비한 3차원 프린터를 제공한다. 면광원 장치는 서로 반대되는 제1면과 제2면을 포함하는 기판과, 제1면에서 기판의 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 정렬된 복수의 마이크로 엘이디(LED)와, 제2면에서 복수의 마이크로 엘이디 각각에 대응하여 위치하는 복수의 렌즈를 포함한다. 복수의 마이크로 엘이디 각각은 기판을 향할수록 폭이 커지는 형상을 가지며, 반사층이 복수의 마이크로 엘이디 각각의 경사진 측벽에 위치하여 활성층에서 방출된 빛을 기판을 향해 반사하여 빛의 배향이 기판을 향하도록 한다.

Description

면광원 장치 및 이를 구비한 3차원 프린터 {SURFACE LIGHT SOURCE APPARATUS AND 3-DIMENSIONAL PRINTER WITH THW SAME}
본 발명은 면광원 장치 및 이를 구비한 3차원 프린터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광경화 적층 방식의 3차원 프린터에 적합한 고해상도의 면광원 장치 및 이를 구비한 3차원 프린터에 관한 것이다.
3차원 프린터는 레이저 소결 적층 방식, 수지 압출 적층 방식, 광경화 적층 방식 등 다양한 방법으로 구현 가능하며, 이 중 광경화 수지를 이용한 광경화 적층 방식이 다른 방식 대비 높은 출력 품질과 빠른 인쇄 속도를 구현하고 있다. 광경화 적층 방식은 다시 SLA(stereo-lithography apparatus) 방식, DLP(digital light processing) 방식, MSLA(mask-stereo lithography apparatus) 방식으로 구분된다.
SLA 방식은 광경화 수지에 레이저를 투사하여 경화시키는 방식이다. 이 방식은 단순 광학계 사용으로 광 손실이 거의 없고, 인쇄 정밀도가 우수하다. 그러나 점 단위로 빛을 투사하므로 출력 속도가 느리다.
DLP 방식은 DMD(digital mirror device)를 이용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 광경화 수지에 투사하고, 투사한 모양대로 경화시키는 방식이다. 이 방식은 인쇄 정밀도가 우수하고, 면 단위로 빛을 투사하므로 출력 속도가 높다. 그러나 조형물의 크기에 따라 인쇄 정밀도에 큰 차이가 있으며, 프로젝션을 위한 복잡한 광학계가 필요하다.
MSLA 방식은 액정표시(LCD, liquid crystal display) 패널을 이용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 광경화 수지에 투사하고, 투사한 모양대로 경화시키는 방식이다. 이 방식 또한 면 단위로 빛을 투사하므로 출력 속도가 높지만, 액정표시 패널 내부에서 광 손실이 매우 크고, 액정표시 패널과 복잡한 광학계가 필요하다. 따라서 단순한 구조로 소형화가 가능하며, 빠른 출력속도와 적은 광 손실을 겸비한 3차원 프린터가 필요한 실정이다.
본 발명은 면 단위로 빛을 투사하는 면광원 장치에 있어서, 광학계 일체형이면서 전체 구조를 단순화하고, 광 손실이 거의 없으며, 고해상도를 구현하여 인쇄 정밀도를 높일 수 있는 면광원 장치를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 전술한 면광원 장치를 구비한 광경화 적층 방식의 3차원 프린터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면광원 장치는 기판, 복수의 마이크로 엘이디(LED), 반사층, 및 복수의 렌즈를 포함한다. 기판은 서로 반대되는 제1면과 제2면을 포함한다. 복수의 마이크로 엘이디는 n형 반도체층과 활성층 및 p형 반도체층으로 구성되고, 제1면에서 기판의 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 정렬되며, 기판을 향할수록 폭이 커지는 형상을 가진다. 반사층은 복수의 마이크로 엘이디 각각의 경사진 측벽에 위치하며, 활성층에서 방출된 빛을 반사하여 빛의 배향이 기판을 향하도록 한다. 복수의 렌즈는 제2면에서 복수의 마이크로 엘이디 각각에 대응하여 위치한다.
복수의 마이크로 엘이디 각각은 꼭지점 부분이 생략된 원뿔의 일부와 꼭지점 부분이 생략된 삼각 이상의 다각뿔의 일부 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다. 복수의 마이크로 엘이디 각각의 크기는 30㎛ 이하일 수 있고, 복수의 마이크로 엘이디의 평균 피치는 20㎛ 이하일 수 있다.
복수의 마이크로 엘이디 각각은 200nm 내지 800nm의 범위에 속하는 발광 파장을 가질 수 있다. 복수의 마이크로 엘이디 각각의 경사진 측벽과 반사층 사이에 절연층이 위치할 수 있다. 반사층은 Al, Au, Ag, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
복수의 렌즈는 마이크로 엘이디에서 방출되는 빛을 평행광으로 변환시키는 볼록 렌즈 또는 렌즈의 조합으로 이루어질 수 있으며, 유리, 산화물, 질화물, 및 사파이어 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
복수의 마이크로 엘이디 각각은, p형 반도체층과 접촉하는 p형 전극과, n형 반도체층과 접촉하는 n형 전극을 포함할 수 있다. 복수의 p형 전극은 제1 회로배선에 연결될 수 있고, 복수의 n형 전극은 제2 회로배선에 연결될 수 있다.
다른 한편으로, 면광원 장치는 복수의 마이크로 엘이디 각각에 대응하는 구동 회로와 회로 전극을 가진 반도체 구동장치를 포함할 수 있다. 복수의 마이크로 엘이디 각각은, p형 반도체층과 접촉하는 p형 전극과, n형 반도체층과 접촉하는 n형 전극을 포함할 수 있고, p형 전극과 n형 전극은 각각의 도전 범프를 통해 회로 전극에 연결될 수 있다.
면광원 장치는 제2면에서 복수의 렌즈 사이에 위치하는 블랙 매트릭스를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터는 액상을 수지를 담는 수지 케이스와, 수지 케이스에 수용 가능한 크기로 제작되며 이송부에 의해 높이가 조절되는 조형 스테이지와, 수지 케이스의 아래에 위치하고 수지 케이스를 향해 빛을 방출하는 전술한 구성의 면광원 장치와, 이송부 및 면광원 장치와 전기적으로 연결되어 이송부와 면광원 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.
제어부는 만들고자 하는 3차원 조형물을 복수의 층으로 구분하고, 각 층별 모양에 따라 복수의 마이크로 엘이디의 온/오프를 제어하여 면광원 장치가 각 층별 모양에 대응하는 발광 패턴을 구현하도록 할 수 있다.
제어부는, 면광원 장치가 액상 수지를 경화하는 동안 조형 스테이지를 정지시키고, 수지의 경화가 완료되어 한 개의 경화층이 완성되면 이송부를 작동시켜 조형 스테이지를 한 개 경화층의 두께만큼 상승 이동시킬 수 있다.
본 발명에 의한 면광원 장치는 광학계 일체형이면서 전체 구조가 단순하여 제조가 용이하고, 반사층과 렌즈에 의해 광 출력을 높여 광 손실이 거의 없으며, 마이크로 엘이디의 소형화에 따라 높은 해상도를 구현할 수 있다. 또한, 면광원 장치를 구비한 3차원 프린터는 빠른 속도로 고품질의 3차원 조형물을 용이하게 제작할 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면광원 장치의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면광원 장치의 부분 저면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 마이크로 엘이디 하나의 개략 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시한 면광원 장치의 변형예를 나타낸 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면광원 장치의 부분 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면광원 장치의 부분 저면도이며, 도 4는 도 1에 도시한 마이크로 엘이디 하나의 개략 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예의 면광원 장치(100)는 서로 반대되는 제1면(11)과 제2면(12)을 포함하는 기판(10)과, 기판(10)의 제1면(11)에서 기판(10)의 X축 방향과 Y축 방향을 따라 정렬된 복수의 마이크로 엘이디(LED, light emitting diode, 발광 다이오드)(20)와, 기판(10)의 제2면(12)에서 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각에 대응하여 위치하는 복수의 렌즈(40)를 포함한다.
면광원 장치(100)는 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각의 온/오프를 개별로 제어할 수 있으며, 기판(10)에 복수의 마이크로 엘이디(20)와 복수의 렌즈(40)를 일체로 구비한 광학계 일체형 구조로 이루어진다. 이러한 면광원 장치(100)는 광경화 적층형 3차원 프린터 등의 기술분야에서 수지(resin) 경화를 위한 근접 광원으로 사용될 수 있다.
기판(10)은 일정한 두께의 사각 기판일 수 있으며, 빛을 투과하고 전기 절연성을 가지는 투명 절연기판으로 구성될 수 있다. 복수의 마이크로 엘이디(20)가 기판(10)의 제1면(11)에 위치하고, 광학계를 구성하는 복수의 렌즈(40)가 기판(10)의 제2면(12)에 위치한다. 기판(10)의 제2면(12)은 빛을 방출하는 발광면을 이룬다.
복수의 마이크로 엘이디(20) 각각은 n형 반도체층(21)과 활성층(22) 및 p형 반도체층(23)으로 구성되며, 기판(10)을 향할수록 폭이 커지는 형상으로 이루어진다. 구체적으로, 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각은 기판(10)을 향해 벌어진 경사진 측벽을 가진다. 절연층(24)은 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각의 표면과 복수의 마이크로 엘이디(20) 사이에 위치한다.
n형 반도체층(21)은 p형 반도체층(23)보다 기판(10)에 가깝게 위치하며, 일정 두께의 n형 반도체층 물질이 기판(10)의 제1면(11) 전체에 위치할 수 있다. 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각은 꼭지점을 제외한(꼭지점 부분이 없는) 원뿔의 일부와, 꼭지점을 제외한 삼각 이상의 다각뿔의 일부 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
반사층(30)은 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각의 경사진 측벽에서 절연층(24)의 바깥에 위치한다. 즉 마이크로 엘이디(20)의 경사진 측벽과 반사층(30) 사이에 절연층(24)이 위치한다.
반사층(30)은 금속으로 제작되며, 예를 들어 Au, Ag, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 반사층(30)은 전기 전도성을 가지므로, 절연층(24)이 마이크로 엘이디(20)와 반사층(30) 사이에 위치하여 n형 반도체층(21)과 p형 반도체층(23)의 단락을 방지한다.
도 4에서는 반사층(30)으로 둘러싸인 마이크로 엘이디(20)의 형상이 꼭지점을 제외한 원뿔의 일부인 경우를 예로 들어 도시하였으나, 마이크로 엘이디(20)와 반사층(30)의 형상은 도시한 예시로 한정되지 않는다. 도 4에서는 편의상 도 1의 마이크로 엘이디(20)를 위, 아래를 반대로 하여 도시하였다.
복수의 마이크로 엘이디(20) 각각은, p형 반도체층(23)과 접촉하는 p형 전극(25)과, n형 반도체층(21)과 접촉하는 n형 전극(26)을 포함한다. 복수의 p형 전극(25)은 제1 회로배선(27)에 연결될 수 있고, 복수의 n형 전극(26)은 제2 회로배선(28)에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 회로배선(27, 28)은 도시하지 않은 구동 회로와 연결되어 p형 전극(25) 및 n형 전극(26) 각각에 전기 신호를 전달한다.
이때 반사층(30)과 제2 회로배선(28) 사이 및 제1 회로배선(27)과 제2 회로배선(28) 사이에도 절연층(24)이 위치하여 이들 사이의 전기적 단락을 방지한다.
도 4를 기준으로 p형 전극(25)은 p형 반도체층(23)의 윗면 중앙에 위치할 수 있고, p형 전극(26)은 복수의 마이크로 엘이디(20) 사이의 평평한 부분에 위치할 수 있다. p형 전극(25)과 n형 전극(26)의 위치, 제1 회로배선(27)과 제2 회로배선(28)의 위치, p형 전극(25)과 제1 회로배선(27)의 연결 구조, n형 전극(26)과 제2 회로배선(28)의 연결 구조는 도 1과 도 4에 도시한 예시로 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.
도 5는 도 2에 도시한 면광원 장치의 변형예를 나타낸 부분 단면도이다.
도 5를 참고하면, 면광원 장치(200)는 복수의 마이크로 엘이디(20)를 개별적으로 구동할 수 있는 반도체 구동장치(35)를 포함할 수 있다. 반도체 구동장치(35)는 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각에 대응하는 구동 회로와 회로 전극(37)을 가진다.
복수의 마이크로 엘이디(20)는 p형 전극(25)과 n형 전극(26)이 각각의 도전 범프(36)에 의해 해당 회로 전극(37)에 연결됨으로써 해당 구동 회로로부터 전기 신호를 인가받아 개별적으로 구동할 수 있다.
다시 도 1 내지 도 5를 참고하면, 전술한 구조의 마이크로 엘이디(20)와 반사층(30)은 적층 및 식각 공정으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 기판(10) 위에 n형 반도체층(21)과 활성층(22) 및 p형 반도체층(23)을 순서대로 적층하고, p형 반도체층(23) 위에 복수의 포토레지스트(도시하지 않음)를 패터닝하고, 열처리에 의해 포토레지스트를 리플로우(reflow)시키고, 식각액으로 포토레지스트 하부층을 식각하면 경사진 측벽을 가지는 복수의 마이크로 엘이디(20) 구조를 형성할 수 있다.
이어서, p형 전극(25)과 n형 전극(26)을 형성하고, p형 전극(25)과 n형 전극(26)을 제외한 나머지 부분에 절연층(24)을 형성하고, 절연층(24) 가운데 마이크로 엘이디(20)의 경사진 측벽에 대응하는 부분에 반사층(30)을 적층할 수 있다. 마지막으로 p형 전극(25)과 n형 전극(26) 각각에 제1 및 제2 회로배선(27, 28)을 연결하거나, 도전 범프(36)를 통해 반도체 구동장치(35)를 연결할 수 있다.
n형 반도체층(21)과 p형 반도체층(23)에 전류가 공급되면 활성층(22)에서 빛이 방출된다. 활성층(22)에서 방출되는 빛의 일부는 기판(10)을 향해 바로 나아가지만, 나머지는 기판(10) 이외의 방향을 향한다. 반사층(30)은 활성층(22)에서 방출된 빛 중 기판(10) 이외의 방향으로 진행하는 빛을 반사하여 기판(10)을 향해 모으며, 그 결과 마이크로 엘이디(20)의 광 추출 효율을 높인다.
전술한 구조에서 복수의 마이크로 엘이디(20) 각각의 크기는 대략 30㎛×30㎛일 수 있으며, 그 이하도 가능하다. 또한, p형 전극(25), n형 전극(26), 렌즈(40), 및 블랙 매트릭스(45)를 포함한 하나의 마이크로 엘이디(20) 픽셀의 크기는 대략 50㎛×50㎛일 수 있으며, 그 이하도 가능하다.
복수의 마이크로 엘이디(20)는 단순한 배선 구조로 인해 서로 근접 배치되어 높은 해상도를 구현할 수 있다. 예를 들어, 복수의 마이크로 엘이디(20)의 평균 피치는 20㎛ 이하일 수 있으며, 1cm2 내에 대략 400개 내지 그 이상의 마이크로 엘이디(20)가 배치될 수 있다.
복수의 마이크로 엘이디(20) 각각의 발광 파장은 대략 200nm 내지 800nm의 범위에 속할 수 있다. 이는 심자외선 영역에서부터 가시광선 영역의 범위인데, 면광원 장치(100)가 수지 경화에 사용되는 경우, 수지는 마이크로 엘이디(20)의 발광 파장에 따라 심자외선 경화형 수지, 자외선 경화형 수지, 및 가시광선 경화형 수지 중 어느 하나로 구비될 수 있다.
심자외선은 일반 자외선보다 더 높은 에너지를 가지고 있으므로, 복수의 마이크로 엘이디(20)가 심자외선 영역의 빛을 방출하는 경우, 보다 다양한 경화 메커니즘을 가능하게 하여 수지의 다양성을 높이는데 효과적이다.
복수의 렌즈(40)는 기판(10)의 제2면(12)에서 복수의 마이크로 엘이디(20)에 일대일로 대응 배치된다. 렌즈(40)는 볼록 렌즈 또는 렌즈의 조합일 수 있으며, 마이크로 엘이디(20)에서 여러 방향으로 방출되는 빛을 평행광으로 변환시킨다. 복수의 렌즈(40)는 유리, 산화물, 질화물, 및 사파이어 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
마이크로 엘이디(20)에서 방출되는 빛에는 활성층(22)에서 기판(10)을 향해 직진하는 빛과, 반사층(30)에 부딪혀 기판(10)을 향해 반사된 빛 등 여러 방향의 빛이 혼재한다. 렌즈(40)는 마이크로 엘이디(20)에서 방출된 여러 방향의 빛을 굴절시켜 기판(10)의 두께 방향(Z축 방향)과 나란한 평행광으로 전환시킴으로써 반사층(30)과 함께 광 추출 효율을 높인다.
특히 마이크로 엘이디(20)가 심자외선 영역의 빛을 방출하는 경우, 활성층(22)에서 옆으로 퍼지는 빛이 강해지는데, 반사층(30)이 옆으로 퍼지는 빛을 모아 기판(10)을 향해 반사시키고, 렌즈(40)가 이 빛을 다시 Z축 방향의 평행광으로 전환시킴으로써 광 출력을 높인다.
한편, 기판(10)의 제2면(12)에는 복수의 렌즈(40) 사이로 블랙 매트릭스(45)가 위치할 수 있다. 블랙 매트릭스(45)는 복수의 마이크로 엘이디(20)의 경계에 대응하여 위치하는 격자 모양의 흑색층으로 이루어진다. 블랙 매트릭스(45)는 특정 마이크로 엘이디(20)에서 방출된 빛 가운데 이웃한 마이크로 엘이디(20) 영역으로 확산되는 빛을 흡수하여 이웃한 마이크로 엘이디(20)간 빛의 간섭을 차단한다.
전술한 구성의 면광원 장치(100)는 광학계 일체형이면서 전체 구조가 단순하여 제조가 용이하고, 반사층(30)과 렌즈(40)에 의해 광 출력을 높여 광 손실이 거의 없으며, 마이크로 엘이디(20)의 소형화에 따라 높은 해상도를 구현할 수 있다.
다음으로, 전술한 면광원 장치(100)를 이용한 3차원 프린터에 대해 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터의 구성도이다.
도 1과 도 6을 참고하면, 본 실시예의 3차원 프린터(200)는 액상의 수지(51)를 담는 수지 케이스(50)와, 수지 케이스(50)에 수용 가능한 크기로 제작되며 이송부(60)에 의해 높이가 조절되는 조형 스테이지(70)와, 수지 케이스(50)의 아래에 위치하는 면광원 장치(100)와, 이송부(60)와 면광원 장치(100)의 작동을 제어하는 제어부(80)를 포함한다.
수지 케이스(50)는 적어도 바닥이 투명한 재질로 형성되며, 액상의 수지(51)를 수용한다. 수지(51)는 면광원 장치(100)의 발광 파장에 따라 결정된다. 예를 들어, 면광원 장치(100)의 발광 파장이 심자외선인 경우 수지(51)는 심자외선 경화형 수지로 이루어지고, 면광원 장치(100)의 발광 파장이 가시광선인 경우 수지(51)는 가시광선 경화형 수지로 이루어진다.
조형 스테이지(70)는 수지 케이스(50)보다 작은 크기의 사각 기판일 수 있으며, 경화된 수지를 지지하는 기능을 한다. 이송부(60)는 모터(61)와, 모터(61)와 조형 스테이지(70)를 연결하여 모터(61)의 동력을 조형 스테이지(70)로 전달하는 동력전달 기구(62)를 포함한다.
모터(61)는 스텝 모터일 수 있고, 스텝 모터의 1회 작동 시 조형 스테이지(70)는 한 개 경화층의 두께만큼 위로 상승할 수 있다. 모터(61)와 동력전달 기구(62)는 조형 스테이지(70)의 높이를 조절할 수 있는 기계적 구성이면 모두 적용 가능하다.
면광원 장치(100)는 복수의 렌즈(40)(편의상 도 6에서는 생략)가 배열된 기판(10)의 제2면(12)이 수지 케이스(50)의 바닥과 마주하도록 수지 케이스(50) 아래에 근접 배치된다. 면광원 장치(100)의 기판(10)은 수지 케이스(50)의 바닥과 같은 크기이거나 이보다 약간 작은 크기로 제작될 수 있다.
제어부(80)는 만들고자 하는 3차원 조형물의 형상 정보로부터 각 층별 면광원 장치(100)의 작동 정보(마이크로 엘이디별 온/오프 정보)와 조형 스테이지(70)의 높이 정보를 생성하고, 이를 각각 면광원 장치(100)와 이송부(60)로 출력하여 면광원 장치(100)와 조형 스테이지(70)의 작동을 제어한다.
구체적으로, 제어부(80)는 만들고자 하는 3차원 조형물을 복수의 층으로 구분하고, 각 층별 모양에 따라 복수의 마이크로 엘이디(20)의 온/오프를 제어하여 면광원 장치(100)가 각 층별 모양에 대응하는 발광 패턴을 구현하도록 한다. 이때 제어부(80)는 복수의 마이크로 엘이디(20)에 X축 방향에 따른 주소와 Y축 방향에 따른 주소를 설정하고, 설정된 X-Y 주소 정보를 이용하여 복수의 마이크로 엘이디(20)의 온/오프를 제어할 수 있다.
조형 스테이지(70)는 초기 상태에서 한 개 경화층 두께만큼의 간격을 두고 수지 케이스(50)의 바닥과 거리를 두고 위치할 수 있으며, 면광원 장치(100)는 제어부(80)로부터 입력받은 작동 정보에 따라 복수의 마이크로 엘이디(20) 중 특정 마이크로 엘이디(20)를 턴-온시킬 수 있다.
그러면 조형 스테이지(70)와 수지 케이스(50)의 바닥 사이에 위치하는 액상의 수지(51) 중 턴-온된 마이크로 엘이디(20)로부터 빛을 받은 부분이 서서히 경화되어 첫 번째 경화층이 완성된다. 이 경화층은 만들고자 하는 조형물의 가장 아래층에 해당한다.
이어서 제어부(80)는 조형 스테이지(70)를 한 개 경화층의 두께만큼 위로 이동시킨다. 이로써 액상의 수지(51)가 조형 스테이지(70)와 수지 케이스(50)의 바닥 사이를 다시 채우고, 면광원 장치(100)는 제어부(80)로부터 입력받은 작동 정보에 따라 복수의 마이크로 엘이디(20) 중 특정 마이크로 엘이디(20)를 턴-온시킨다.
그러면 액상의 수지(51) 중 턴-온된 마이크로 엘이디(20)로부터 빛을 받은 부분이 서서히 경화되어 두 번째 경화층이 완성된다. 이와 같이 3차원 프린터(200)는 면광원 장치(100)의 작동에 의한 1회의 수지 경화와 조형 스테이지(70)의 상승을 반복하면서 조형 스테이지(70)에 3차원 형상의 조형물을 제작한다.
전술한 구성의 3차원 프린터(200)는 광 출력이 높고 고해상도를 구현하는 면광원 장치(100)를 근접 광원으로 구비함에 따라, 빠른 속도로 고품질의 3차원 조형물을 용이하게 제작할 수 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.
100: 면광원 장치 200: 3차원 프린터
10: 기판 20: 마이크로 엘이디
21: n형 반도체층 22: 활성층
23: p형 반도체층 24: 절연층
25: p형 전극 26: n형 전극
27: 제1 회로배선 28: 제2 회로배선
30: 반사층 35: 반도체 구동장치
36: 도전 범프 37: 회로 전극
40: 렌즈 45: 블랙 매트릭스
50: 수지 케이스 51: 수지
60: 이송부 61: 모터
62: 동력전달 기구 70: 조형 스테이지
80: 제어부

Claims (13)

  1. 서로 반대되는 제1면과 제2면을 포함하는 기판;
    n형 반도체층과 활성층 및 p형 반도체층으로 구성되고, 상기 제1면에서 상기 기판의 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 정렬되며, 상기 기판을 향할수록 폭이 커지는 형상을 가지는 복수의 마이크로 엘이디(LED);
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각의 경사진 측벽에 위치하며, 상기 활성층에서 방출된 빛을 반사하여 빛의 배향이 기판을 향하도록 하는 반사층; 및
    상기 제2면에서 상기 복수의 마이크로 엘이디 각각에 대응하여 위치하는 복수의 렌즈를 포함하는 면광원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각은 꼭지점 부분이 생략된 원뿔의 일부와 꼭지점 부분이 생략된 삼각 이상의 다각뿔의 일부 중 어느 하나의 형상으로 이루어지는 면광원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각의 크기는 30㎛ 이하이고, 상기 복수의 마이크로 엘이디의 평균 피치는 20㎛ 이하인 면광원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각은 200nm 내지 800nm의 범위에 속하는 발광 파장을 가지는 면광원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각의 경사진 측벽과 상기 반사층 사이에 절연층이 위치하는 면광원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 Al, Au, Ag, Ni, Cu, Rh, Pd, Zn, Ru, La, Ti, 및 Pt로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 면광원 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈는 상기 마이크로 엘이디에서 방출되는 빛을 평행광으로 변환시키는 볼록 렌즈 또는 렌즈의 조합으로 이루어지며, 유리, 산화물, 질화물, 및 사파이어 중 어느 하나를 포함하는 면광원 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각은, 상기 p형 반도체층과 접촉하는 p형 전극과, 상기 n형 반도체층과 접촉하는 n형 전극을 포함하며,
    복수의 p형 전극은 제1 회로배선에 연결되고, 복수의 n형 전극은 제2 회로배선에 연결되는 면광원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각에 대응하는 구동 회로와 회로 전극을 가진 반도체 구동장치를 포함하며,
    상기 복수의 마이크로 엘이디 각각은, 상기 p형 반도체층과 접촉하는 p형 전극과, 상기 n형 반도체층과 접촉하는 n형 전극을 포함하고,
    상기 p형 전극과 상기 n형 전극은 각각의 도전 범프를 통해 상기 회로 전극에 연결되는 면광원 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2면에서 상기 복수의 렌즈 사이에 위치하는 블랙 매트릭스를 포함하는 면광원 장치.
  11. 액상을 수지를 담는 수지 케이스;
    상기 수지 케이스에 수용 가능한 크기로 제작되며, 이송부에 의해 높이가 조절되는 조형 스테이지;
    상기 수지 케이스의 아래에 위치하고, 상기 수지 케이스를 향해 빛을 방출하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 면광원 장치; 및
    상기 이송부 및 상기 면광원 장치와 전기적으로 연결되어 상기 이송부와 상기 면광원 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 프린터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 만들고자 하는 3차원 조형물을 복수의 층으로 구분하고, 각 층별 모양에 따라 복수의 마이크로 엘이디의 온/오프를 제어하여 상기 면광원 장치가 각 층별 모양에 대응하는 발광 패턴을 구현하도록 하는 3차원 프린터.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 면광원 장치가 상기 액상 수지를 경화하는 동안 상기 조형 스테이지를 정지시키고, 수지의 경화가 완료되어 한 개의 경화층이 완성되면 상기 이송부를 작동시켜 상기 조형 스테이지를 한 개 경화층의 두께만큼 상승 이동시키는 3차원 프린터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015171820A (ja) * 2009-03-06 2015-10-01 ネーデルランデ オルガニサチエ ヴォール トエゲパスト−ナツールウェテンスハペリエク オンデルゾエク ティーエヌオーＮｅｄｅｒｌａｎｄｓｅ Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｅ Ｖｏｏｒ Ｔｏｅｇｅｐａｓｔ−Ｎａｔｕｕｒｗｅｔｅｎｓｃｈａｐｐｅｌｉｊｋ Ｏｎｄｅｒｚｏｅｋ Ｔｎｏ ステレオリソグラフィ装置用の照射システム
JP2016213417A (ja) * 2015-05-13 2016-12-15 ローム株式会社 半導体発光装置
KR20180005827A (ko) * 2016-07-07 2018-01-17 엘지이노텍 주식회사 광통신용 발광 장치

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