KR102238509B1 - 3d 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅용 잉크 조성물로 제조된 입체 조형물에 있어서, 잉크의 유동성에 의한 입체패턴의 치수변화에 대한 보다 객관적인 평가를 위해, 상기 유동에 의한 패턴의 치수변화를 수치화 및 정량화할 수 있는 평가지표를 제공함으로써, 3D 프린팅을 이용해 보다 정밀한 입체 패턴을 제공할 수 있다.

Description

3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법{METHOD FOR DIMENSIONAL ACCURACY OF 3D PRINTING PATTERN}

본 발명은 3D 프린팅으로 제조된 입체패턴의 치수정밀도를 평가하는 평가방법에 관한 것이며, 상세하게는 잉크젯용 3D 프린팅 잉크 조성물로 제조된 입체패턴의 치수정밀도를 평가하는 방법에 관한 것이다.

3D printer는 3차원으로 특정 물건을 찍어내는 프린터로, 입체적으로 만들어진 설계도를 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 사물을 만들어 낼 수 있는 기기다. 잉크젯 프린터에서 디지털화된 파일이 전송되면 잉크를 종이 표면에 분사하여 2D 이미지를 인쇄하는 원리와 같이, 2D 프린터는 앞뒤(x축)와 좌우(y축)으로만 운동하지만, 3D 프린터는 여기에 상하(z축) 운동을 더하여 입력한 3D 도면을 바탕으로 입체 물품을 만들어낸다.

이러한 3차원 프린터로 하여금 물리적 객체를 3차원으로 형성하도록 하는 3차원 프린팅용 잉크로서, 3D 프린팅용 잉크 조성물과 관련된 연구가 계속되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 3D 프린팅 후 패턴의 치수정밀도를 정량화 및 수치화하는 평가방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 3D 프린팅을 이용하여 보다 정밀한 구조를 갖는 입체패턴을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제를 해결하기 위해,

3D 프린팅 잉크 조성물로 제1 패턴을 형성하는 단계;

상기 제1 패턴을 경화시키는 단계;

상기 경화된 제1 패턴상에 상기 3D 프린팅 잉크 조성물로 높이가 H이고, 패턴간 간격이 d인 제2 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 제2 패턴을 경화시키는 단계를 포함하며, 하기 식 1을 이용하여 계산되는 값을 치수정밀도의 평가지표로서 이용하는 것인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법을 제공한다.

[식 1]

치수정밀도 평가지표(steepness index)=h/H*100

상기 식 1에 있어서,

H는 제2 패턴의 높이이고,

△h는 [제2 패턴의 높이(H) - 제2 패턴간의 사이가 잉크의 유동으로 채워진 부분의 높이(h_f)]를 나타내는 값이다.

일 실시예에 따르면, 상기 패턴간 간격(d)는 10 내지 1000㎛ 이고, 바람직하게는 100 내지 200㎛ 일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제2 패턴의 패턴간 간격은 노즐의 직경인 d인 노즐을 미 토출 시킴으로써 형성되는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 패턴은 200 내지 1000의 DPI 및 25 내지 127㎛의 도트피치로 형성되는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴의 경화는 300 내지 500nm 의 광원으로 5 내지 30초 동안 경화시키는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 과제를 해결하기 위해, 3D 프린팅을 이용해 제조된 입체패턴의 평가지표가 90%이상인 입체패턴을 제공한다.

본 발명은 3D 프린팅용 잉크 조성물로 제조된 입체 조형물에 있어서, 잉크의 유동성에 의한 입체패턴의 치수변화에 대한 보다 객관적인 평가를 위해, 치수변화를 수치화할 수 있는 평가지표를 제공함으로써, 목표로하는 입체패턴의 형상을 보다 정밀하게 구현할 수 있다.

도 1은 잉크의 유동(흐름)에 의해 조형물의 치수 정확도가 저하되는 원리를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 치수정밀도 평가지표의 측정을 위한 샘플의 구조를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 평가방법을 이용하여 각각의 샘플에 대한 치수정밀도의 측정결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

3D 프린터는 3차원으로 특정 물건을 찍어내는 프린터로, 입체적으로 만들어진 설계도를 종이에 인쇄하듯 3차원 공간 안에 실제 조형물을 만들어 낼 수 있는 방법이다.

그러나, 도 1에 도시된 것과 같이 잉크젯방식 3D 프린팅에서 잉크 조성물을 이용하여 입체 조형물을 프린트한 후 경화되기 전에 적층된 잉크가 흘러내릴 경우, 프린팅된 조형물의 변형 및 치수 정확도가 저하될 수 있다.

따라서, 잉크젯방식 3D 프린팅에서 입체 조형물의 정밀한 구현이 가능하기 위해서는 프린팅 후 잉크의 유동(흐름)이 적은 잉크 조성물에 대한 연구의 필요성이 요구된다.

본 발명은 이러한 종래의 문제를 해결하기 위해, 3D 프린팅 잉크 조성물로 제1 패턴을 형성하는 단계;

상기 제1 패턴을 경화시키는 단계;

상기 경화된 제1 패턴상에 상기 3D 프린팅 잉크 조성물로 높이가 H이고, 패턴간 간격이 d인 제2 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 제2 패턴을 경화시키는 단계를 포함하며, 하기 식 1을 이용하여 계산되는 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법을 제공한다.

[식 1]

치수정밀도 평가지표(steepness index)=h/H*100

상기 식 1에 있어서,

H는 제2 패턴의 높이이고,

△h는 [제2 패턴의 높이(H) - 제2 패턴간의 사이가 잉크의 유동으로 채워진 부분의 높이(h_f)]를 나타내는 값이다.

일 실시예에 따르면, 상기 평가지표를 위해 제조되는 3D 프린팅 패턴에 있어서,

상기 제1 패턴은 200 내지 1000 DPI 및 dot pitch 25 내지 127㎛로 형성할 수 있다,

또한, 상기 제2 패턴은, 제1 패턴 위에 제2 패턴을 프린팅하되 패턴간 간격(d)이 10 내지 1000㎛ 이고, 바람직하게는 100 내지 200㎛ 일 수 있으며, 예를 들면, 127㎛ 내지 191㎛ 일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴의 경화공정은 300 내지 500nm 의 광원으로 5 내지 30초 동안 경화시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴은 상기 영역대의 파장범위를 갖는 광원을 10 내지 10,000J/cm²의 광량으로, 바람직하게는 100 내지 1,000J/cm²의 광량으로 조사하여 경화될 수 있다.

상기 제1 패턴 및 제2 패턴과 같이 잉크 조성물이 입체적으로 도포가 되어 입체 형상을 형성함과 동시에 광(UV)을 조사하여 3D 프린팅이 이루어질 수 있으며, 상기 광의 조사를 통해 경화가 이루어지면서 입체 형상이 형성될 수 있다.

잉크 조성물을 이용하여 잉크젯 3D 프린팅을 통해 입체 조형물을 제조하는 방법에 있어서, 조형물의 정밀한 구현을 위해서는 프린팅 공정 이후 잉크의 유동(흐름)이 적어야 한다. 이에 본 발명은 잉크젯 코팅시 인위적으로 수개의 노즐을 미 토출시키는 방법으로 라인(line) 형태의 빈 공간을 형성된 패턴을 형성한 후 잉크의 유동에 의해 빈 공간이 사라지는 정도를 상기 식 1의 평가지표를 통해 수치화하여 정량화시킬 수 있으며, 이를 이용하여 3D 프린팅을 이용해 제조된 입체 패턴의 치수정밀도를 평가할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명은 도 2에 나타낸 것과 같은 구조의 샘플을 제작하여, 빈 공간으로 유입된 잉크 조성물에 의해 변화된 높이변화를 측정하는 방법으로 3D프린트용 잉크 조성물의 치수정밀도를 평가함으로써, 잉크 조성물의 유동성을 정량화 할 수 있다.

본 발명은, 실제 3D 프린팅 공정과 유사한 조건에서의 평가 및 기판의 종류에 상관 없는 지표(index)값을 얻기 위해 3D 프린팅 잉크로 먼저 상기 제1 패턴(도 2의 전면패턴)을 형성한 후 그 위에 제2 패턴을 형성하여 잉크의 유동을 파악하였다.

예를 들면, 도 2에서와 같이 잉크 조성물을 이용하여 제1 패턴을 형성한 후 10초간 경화시킨 후, 상기 경화된 제1 패턴상에 높이가 H이고, 패턴간 간격이 d인 제2 패턴을 형성하고, 상기 제2 패턴을 10초간 경화시킨 후 제2 패턴에 형성된 라인형상의 빈 공간이 잉크의 유동으로 인해 변화된 높이를 측정함으로써 잉크의 유동성을 파악할 수 있으며, 이를 상기 식 1을 이용하여 계산함으로써, 잉크 조성물에 의해 제조되는 조형물의 치수정밀도를 평가하는 지표로 사용할 수 있다.

본 발명은 잉크젯용 3D프린팅을 이용한 입체 패턴에 있어서, 상기 입체패턴의 치수정밀도를 평가지표를 이용하여 수치화함으로써, 보다 정확하고 정밀한 입체패턴을 구현할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 잉크 조성물로부터 3D 프린팅을 통해 제조된 입체패턴에 있어서, 상기 식 1로부터 계산된 평가지표의 값이 90%이상인 경우 보다 정밀한 입체패턴을 구현할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

<실시예: 치수정밀도 평가>

도 2에 나타낸 것과 같이 측정 샘플을 제조하여 잉크 조성물의 치수정밀도를 평가하였다.

구체적으로, 전면 패턴(400DPI; dot pitch 63.5um)을 형성 후(10s) 395 nm UV-LED 로 경화시켜 제1 패턴을 형성하였다. 상기 제1 패턴 상에 2개의 노즐 빠짐을 통해 패턴 간 거리(d)를 191um로 만들어 프린팅 후(10s) 경화시킴으로써 제2 패턴을 형성하였다. 상기 제2 패턴의 높이와 잉크 유동으로 채워진 부분의 높이 비를 계산하여 하기 표 1 및 도 3, 4에 나타내었다.

		# 1	# 2	# 3	# 4
잉크정보	점도(cP @ 25℃)	20.5	68	52.8	68
공정 조건	잉크젯 헤드 정보	Dimatix사 Sapphire QS-256/80 AAA
	head heating(℃)	40	60	60	60
치수정밀도	Steepness index(%) (패턴 거리(d): 191um)	24.9	28.2	100	100

상기 표 1 및 도 3, 4의 결과로부터 잉크 조성물이 프린팅 이후 잉크 유동이 매우 적게 나타나는 경우, 치수정밀도를 나타내는 Steepness index가 100%로 나타남을 알 수 있으며, 반면, 프린팅 이후 잉크의 유동성이 높은 잉크 조성물의 경우 제2 패턴에 형성된 빈 공간으로 잉크가 이동하여, 치수의 변화가 발생하며, 이로인해 Steepness index가 매우 낮게 측정됨을 알 수 있다.

또한, 표 1에 나타낸 바와 같이 패턴의 유동성은 잉크 조성물의 자체 점도와는 상관관계를 보이지 않음을 알 수 있는데, 이는 잉크의 유동성이 단순히 점도만에 의해 결정되는 요소가 아님을 증명하며, 따라서, 잉크 조성물의 점도만으로는 잉크의 유동성에 의한 패턴의 치수변화를 측정하는 것이 매우 곤란한 것임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 평가지표를 이용한 치수정밀도의 평가방법은 제조된 잉크 조성물의 유동성 평가를 위한 객관적인 지표를 제공함으로써, 3D 프린팅을 이용해 보다 정밀한 입체 패턴을 제공할 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 3D 프린팅 잉크 조성물로 제1 패턴을 형성하는 단계;
   상기 제1 패턴을 경화시키는 단계;
   상기 경화된 제1 패턴상에 상기 3D 프린팅 잉크 조성물로 높이가 H이고, 패턴간 간격이 d인 제2 패턴을 형성하는 단계; 및
   상기 제2 패턴을 경화시키는 단계를 포함하며, 하기 식 1을 이용하여 계산되는 값을 치수정밀도의 평가지표로서 이용하는 것인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법:
   [식 1]
   치수정밀도 평가지표(steepness index)=h/H*100
   상기 식 1에 있어서,
   H는 제2 패턴의 높이이고,
   △h는 [제2 패턴의 높이(H) - 제2 패턴간의 사이가 잉크의 유동으로 채워진 부분의 높이(h_f)]를 나타내는 값이다.
2. 제1항에 있어서,
   상기 패턴간 간격(d)는 10 내지 1000㎛ 인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 패턴의 패턴간 간격은 노즐의 직경인 d인 노즐을 미 토출 시킴으로써 형성되는 것인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 패턴은 200 내지 1000의 DPI 및 25 내지 127㎛의 도트피치로 형성되는 것인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 패턴 및 제2 패턴의 경화는 300 내지 500nm의 광원으로 5 내지 30초 동안 경화시키는 것인 3D 프린팅 패턴의 치수정밀도 평가방법.
6. 잉크젯 3D 프린팅을 이용하여 제조된 입체패턴의 제1항에 따른 평가지표가 90%이상인 입체패턴.

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