KR102252406B1 - 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법 - Google Patents

Abstract

3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자유 형상을 갖는 멤브레인은 시트 타입의 멤브레인으로서, 미리 지정된 지점에 각각 배치되는 복수의 메인 기둥부; 상기 복수의 메인 기둥부 사이에 배치되는 복수의 서브 기둥부; 및 상기 메인 기둥부 및 상기 서브 기둥부 사이에 드래깅 기법으로 형성되는 복수의 스트랜드를 포함하되, 세워진 형상으로 3D 프린팅 방식에 의해 제작되며, 상기 복수의 스트랜드 사이의 기공에 의해 다공성 구조를 가질 수 있다.

Description

3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법{Freeform membrane using 3D printing and fabricating device and fabricating method thereof}

본 발명은 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법에 관한 것이다.

멤브레인은 다양한 산업에 적용되고 있으며 수많은 제작방법이 존재한다. 그 중 고분자를 이용하여 수 나노크기의 섬유와 공극을 갖는 멤브레인 제작을 위해서 전자스피닝(electrospinning) 방법이 이용되고 있다. 또한, 고분자를 3차원 프린팅하여 매크로 크기의 섬유와 공극을 갖는 멤브레인 제작 방식이 연구되고 있다.

하지만, 두 기술 모두 자유 형상의 멤브레인 제작에는 기술적 한계가 존재한다. 또한, 3차원 프린팅 방식은 고분자의 점성, 프린팅 노즐의 사용의 한계로 인해 수 마이크로 두께의 멤브레인 제작은 불가능하였다.

한국등록특허 제10-1656286호 (등록일 2016년9월5일) - 3d 프린팅 기법을 이용한 x선 그리드 제조방법

본 발명은 3D 프린팅 시 고분자의 점성을 이용하여 토출되는 재료를 끌어 3차원 적층하는 드래깅 기법(Dragging technique)을 이용하여 노즐 직경 미만의 얇은 두께를 갖는 멤브레인을 제작할 수 있도록 하는 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 자유 형상으로 제작이 가능하여 적용처에서 요구하는 조건에 따라 원하는 모양과 형상을 갖는 멤브레인을 제작할 수 있는 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 및 그 제조장치와 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 시트 타입의 멤브레인으로서, 미리 지정된 지점에 각각 배치되는 복수의 메인 기둥부; 상기 복수의 메인 기둥부 사이에 배치되는 복수의 서브 기둥부; 및 상기 메인 기둥부 및 상기 서브 기둥부 사이에 드래깅 기법으로 형성되는 복수의 스트랜드를 포함하되, 세워진 형상으로 3D 프린팅 방식에 의해 제작되며, 상기 복수의 스트랜드 사이의 기공에 의해 다공성 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인이 제공된다.

상기 복수의 메인 기둥부는 탑뷰 관점에서 시작점, 끝점, 변곡점 및 포물선의 꼭짓점 중 하나 이상의 지점에 배치될 수 있다.

상기 복수의 메인 기둥부 및 상기 복수의 서브 기둥부 사이의 거리에 따라 상기 기공의 크기가 조절될 수 있다.

상기 메인 기둥부 및 상기 서브 기둥부 중 하나 이상은 4점 분사 플로팅 기법으로 제작될 수 있다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 자유 형상을 갖는 멤브레인을 제조하는 방법으로서, 멤브레인 제조장치의 제어부에서 자유 형상을 갖는 시트 타입의 멤브레인에 대한 기본 설계 형상에 기초하여 플로팅 방식으로 제작되는 복수의 기둥부와, 드래깅 기법으로 제작되는 상기 기둥부 사이의 스트랜드로 분리 설계하는 단계; 상기 분리 설계된 모델을 드래깅 기법이 적용된 G-code로 제작하는 단계; 및 상기 G-code에 따라 상기 기둥부 및 상기 스트랜드를 제작하는 단계를 포함하는 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법이 제공된다.

상기 기둥부는, 탑뷰 관점에서 시작점, 끝점 및 변곡점에 각각 배치되는 복수의 메인 기둥부와; 상기 복수의 메인 기둥부 사이에 배치되는 복수의 서브 기둥부를 포함할 수 있다.

상기 분리 설계 단계에서, 층별 기공 크기를 설정하고, 층별 기둥부 배치를 설정하여 상기 기둥부 사이의 거리 조절을 통해 기공 형성 크기를 조절할 수 있다.

상기 스트랜드의 제작 시 상기 멤브레인 제조장치의 팬을 동작시켜 강제대류를 발생시킨 상태에서 분사노즐을 통한 토출이 이루어지게 하여 상기 스트랜드의 늘어짐 정도를 조절할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 3D 프린팅 시 고분자의 점성을 이용하여 토출되는 재료를 끌어 3차원 적층하는 드래깅 기법을 이용하여 노즐 직경 미만의 얇은 두께를 갖는 멤브레인을 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한. 자유 형상으로 제작이 가능하여 적용처에서 요구하는 조건에 따라 원하는 모양과 형상을 갖는 멤브레인을 제작할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법의 순서도,
도 2는 2차원 형상의 멤브레인 및 유연성을 나타낸 도면,
도 3은 3차원 형상의 멤브레인을 나타낸 도면,
도 4는 멤브레인 제작 기술의 비교 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 6은 종래 구조체 제조과정을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 드래깅 기법을 적용한 구조체 제조과정을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 드래깅 기법에 의해 제작된 구조체 모습을 나타낸 도면,
도 9는 드래깅 기법 설계 적용 과정의 상세 순서도,
도 10은 드래깅 기법 설계 적용 과정의 예시도,
도 11은 G-code 예시도,
도 12는 드래깅 기법을 적용한 프린팅 과정의 상세 순서도,
도 13은 드래깅 기법을 적용한 프린팅 과정을 수행하기 위한 멤브레인 제조장치의 개념도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서 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 명세서에서, "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.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법의 순서도이고, 도 2는 2차원 형상의 멤브레인 및 유연성을 나타낸 도면이며, 도 3은 3차원 형상의 멤브레인을 나타낸 도면이고, 도 4는 멤브레인 제작 기술의 비교 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 종래 구조체 제조과정을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 드래깅 기법을 적용한 구조체 제조과정을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 드래깅 기법에 의해 제작된 구조체 모습을 나타낸 도면이며, 도 9는 드래깅 기법 설계 적용 과정의 상세 순서도이고, 도 10은 드래깅 기법 설계 적용 과정의 예시도이며, 도 11은 G-code 예시도이고, 도 12는 드래깅 기법을 적용한 프린팅 과정의 상세 순서도이며, 도 13은 드래깅 기법을 적용한 프린팅 과정을 수행하기 위한 멤브레인 제조장치의 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조장치 및 제조방법에 의하면, 3차원 프린팅 시 플로팅 기법과 드래깅 기법을 조합 적용함으로써 평면이 아닌 곡면을 가지면서 노즐 직경에 비해 상당히 작은 크기의 공극(기공)을 가지는 표면을 가지는 시트 타입의 자유 형상을 갖는 멤브레인 제작이 가능하게 한다.

도 2에는 실제 제작된 플랫한 시트 타입의 멤브레인이 도시되어 있다. 해당 멤브레인은 제1 방향으로 메인 프레임을 구성하는 기둥부(기둥부는 메인 기둥부와 서브 기둥부로 구분될 수 있음)가 배치되고, 기둥부 사이에 드래깅 기법으로 토출재료를 끌어 이웃하는 스트랜드와의 사이에 기공을 만들어내는 다수의 스트랜드가 배치된다. 도 2의 하단을 참조하면, 스트랜드 사이의 기공으로 인해 우수한 유연성을 가지게 되며, 손으로 구부릴 수 있고 외력이 사라진 경우에는 다시 원래 모습으로 복원될 수 있다.

또한, 도 3에는 3차원 자유 형상을 갖는 멤브레인이 도시되어 있다. 1회 이상 구부러진 곡면을 가지며, 다수의 기공이 형성된 면을 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 자유 형상을 갖는 멤브레인은 높은 유연성과 공극률을 가져, 인체 내외에 부착할 때 높은 밀착성을 유지할 수 있다. 그리고 높은 공극률과 작은 크기의 기공은 외부에서 흉터 세포(scar cell), 연조직(soft tissue) 등이 차들어오는 것을 효과적으로 방지할 수도 있다. 따라서, 본 실시예에 따라 제작된 자유 형상을 갖는 멤브레인은 피부, 치과, 임상에서 사용 가능한 생분해성, 생적합성 고분자 멤브레인으로 활용될 수 있다.

도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 3차원 프린팅을 이용한 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

멤브레인 제조장치(1)는 우선 제작하고자 하는 자유 형상의 멤브레인을 설계한다(단계 S110). 자유 형상의 멤브레인은 도 2에 도시된 것과 같이 2차원 형상의 플랫한 시트 타입이거나 혹은 도 3에 도시된 것과 같이 3차원 형상의 1회 이상 구부러진 시트 타입일 수 있다.

멤브레인을 사용하고자 하는 부위에 상응하여 얇고 유연하며 접합면과 밀착성이 우수하도록 접합면과 유사한 곡면을 갖게 설계할 수 있다. 그리고 멤브레인의 적용 부위에 따라 멤브레인의 크기, 길이, 형상 등의 멤브레인 속성이 설계 과정에서 결정될 수 있다.

멤브레인 형상의 설계가 완료되면, 멤브레인 형상에 드래깅 기법 설계를 적용시킨다(단계 S120).

이하 관련 도면을 참조하여 드래깅 기법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인 제조장치는 3D 플로팅(3D plotting) 방식의 3D 프린터일 수 있다.

도 5를 참조하면, 멤브레인 제조장치(1)는 챔버(10), 공기 공급부(20), 분사노즐(30), 스테이지(40)를 포함할 수 있다.

챔버(10)에는 멤브레인에 적합한 고분자 재료가 수용된다. 고분자 재료를 별도의 저장탱크(미도시)로부터 필요한 양만큼 공급받을 수도 있다.

챔버(10)에는 히터(미도시)가 포함되어 있어, 내부에 수용된 고분자 재료의 토출이 용이하도록 용융시킬 수 있다.

공기 공급부(20)는 챔버(10) 내에 공기를 공급하여 고분자 재료가 공압에 의해 분사노즐(30)을 통해 토출되도록 한다.

분사노즐(30)은 챔버(10)의 하부에 설치되며, 챔버(10) 내에 수용된 고분자 재료가 스테이지(40) 상에 토출된다. 이 경우 하방으로 토출되는 고분자 재료는 분사노즐(30)의 내경에 종속되는 크기를 가지게 된다.

분사노즐(30)이 장착된 챔버(10)는 XYZ 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수 있다. 또는 스테이지(40)가 XYZ 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수도 있다. 또는 분사노즐(30)이 장착된 챔버(10)가 XYZ 방향 중 n(n은 2 이하의 자연수) 개의 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성되고, 스테이지(40)는 나머지 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수도 있다.

분사노즐(30)이 장착된 챔버(10)와 스테이지(40) 사이의 3차원 이동성으로 인해 3차원 형상의 멤브레인 제작이 가능하게 된다.

멤브레인은 다수의 수평 층으로 슬라이스된 구조를 가지도록 설계될 수 있다. 본 실시예에 따른 멤브레인 제조장치(1)는 수평 층 단위로 공압에 의해 챔버(10) 내의 고분자 재료를 분사노즐(30)을 통해 토출시키면서 경화시켜 수평 층 단위로 구분된 멤브레인 조각들(멤브레인 슬라이스층)이 차례로 적층되어 완전한 멤브레인을 이루도록 한다.

이 경우 플로팅 기법에 따르면 고분자 재료는 분사노즐(30)을 통해 하방으로 토출된다. 따라서, 분사노즐(30)을 통해 토출되는 섬유는 분사노즐(30)의 내경에 상응하는 크기를 가지게 된다. 예컨대, 분사노즐(30)의 내경이 150㎛ 라면 토출된 섬유 역시 150㎛ 정도의 크기를 가지게 된다.

본 실시예에서는 이러한 한계를 극복하고자 분사노즐(30)을 통한 고분자 재료의 토출 과정에서 토출 변수를 제어하는 드래깅 기법을 통해 분사노즐(30)의 내경보다 작은 크기를 가지는 섬유가 토출될 수 있도록 하고자 한다.

도 6에는 구조체를 제작하기 위한 일반적인 플로팅 기법이 도시되어 있다. 일정 간격 이격된 두 개의 기둥부(51a, 51b)를 가지는 구조체를 제작할 경우를 가정한다.

제1 기둥부(51a)에 대해 분사노즐(30)을 통한 플로팅으로 슬라이스층이 제작되도록 토출이 완료되면 분사노즐(30)을 상방으로 이동시킨다. 그리고 분사노즐(30)을 수평 이동시켜 제2 기둥부(51b)의 상방에 놓이게 한 후, 분사노즐(30)을 하강시켜 제2 기둥부(51b)의 상방에 놓이게 한 후, 분사노즐(30)을 하강시켜 제2 기둥부(51b)에서 상응하는 슬라이스층을 제작하기 위한 플로팅이 이루어지도록 한다. 이 경우 플로팅되는 제1 기둥부(51a)의 슬라이스층과 제2 기둥부(51b)의 슬라이스층은 분사노즐(30)의 내경에 상응하는 크기(예. 직경)를 가지게 된다.

도 7 및 도 8에는 구조체(본 실시예에서는 멤브레인)를 제작하기 위한 본 실시예에 따른 드래깅 기법 및 드래깅 기법에 의해 제작된 구조체 모습이 도시되어 있다.

도 6과 마찬가지로 일정 간격 이격된 두 개의 기둥부(51a, 51b)를 가지는 구조체에 대해 제1 기둥부(51a)에 대해 분사노즐(30)을 통한 플로팅이 이루어진 후 분사노즐(30)의 상승, 수평이동, 하강 과정이 생략되고, 분사노즐(30)을 직접 제2 기둥부(51b)로 수평 이동시킨다.

즉, 드래깅 기법에서는 고분자 재료의 토출 방향에 교차하는 방향(즉, 수평 방향)으로 분사노즐(30)을 이동시켜 분사노즐(30)에서 토출 중이거나 토출이 완료되고 남은 재료가 수평 방향으로 길게 늘어져 직경이 줄어드는 수평 바 구조의 스트랜드(60)를 만들 수 있다.

이 때 분사노즐(30)을 통한 용융된 고분자 재료의 토출 변수를 제어하여 제1 기둥부(51a)에서의 플로팅과 제2 기둥부(51b)에서의 플로팅 사이에서 재료의 점성에 의해 수평으로 길게 늘어지는 형상의 스트랜드(60)가 만들어지게 할 수 있다.

도면에서 기둥 구조물은 구조체를 이루는 메인 프레임이 되고, 기둥부(51a, 51b) 사이에 만들어지는 스트랜드(60)는 서브 프레임이 된다. 이 경우 메인 프레임은 플로팅 기법으로 제작되며, 서브 프레임은 플로팅 사이에서 드래깅 기법으로 제작될 수 있다.

여기서, 메인 프레임이 되는 기둥부(51a, 51b)의 경우 사각형 단면을 가지는 사각 기둥일 수 있고, 이 때 사각형 단면의 각 꼭지점에 해당되는 부분마다 순차적으로 머무르면서 재료 분사가 이루어지게 하는 4점 분사를 통해 메인 프레임이 보다 견고한 골격을 이루게 할 수 있다.

드래깅 기법에서 제어 가능한 토출 변수로는 토출 압력(Q), 이동속도(V), 기둥부 사이의 거리(d), 분사노즐(30)의 이동 경로(pathway), 공기압력, 재료의 점성 등이 있을 수 있다.

토출 압력(Q)은 스트랜드(60)의 크기 및 길이에 관계된다. 토출 압력(Q)이 클 경우에는 드래깅 기법에 의할 때 상대적으로 길이가 긴 스트랜드(60)의 제작이 가능하게 된다. 또한, 토출 압력(Q)이 작을 경우에는 스트랜드(60)의 크기(직경)를 작게 제작할 수 있다.

이동속도(V)는 스트랜드(60)의 크기에 비례한다. 이동속도(V)가 빠를 경우에는 이동경로 상의 각 지점에서 토출 방향으로 하강되는 재료가 적어 스트랜드(60)의 크기가 작게 된다. 이동속도(V)가 느릴 경우에는 이동경로 상의 각 지점에서 토출 방향으로 하강되는 재료가 많아 스트랜드(60)의 크기가 크게 된다.

기둥부 사이의 거리(d)는 스트랜드(60)의 최소 길이가 된다. 드래깅 기법에 의해 만들어지는 스트랜드(60)가 기둥부 사이의 거리(d)보다 큰 길이를 가져야 최종 제작된 구조체에서 미세 기공을 만들어주는 역할이 가능할 수 있다.

분사노즐(30)의 이동 경로(pathway)는 스트랜드(60)의 배치와 관계된다. 분사노즐(30)의 이동 경로를 따라 스트랜드(60)의 두께가 점점 작아지면서 수평하게 만들어질 수 있다. 이러한 드래깅 기법으로 만들어지는 스트랜드(60)는 메인 프레임에 해당하는 기둥부(51a, 51b)과 비교할 때 상당히 작은 크기(예. 직경)를 가질 수 있어, 구조체에서 기둥부 사이에 형성되는 매크로 기공에 속하는 다수의 마이크로 기공을 구획하는 수단이 될 수 있다.

단계 S120에서는 전술한 드래깅 기법에 적용될 수 있도록 기본 설계가 완료된 멤브레인 형상에 대해 드래깅 기법 설계를 적용시킨다.

도 9를 참조하면, 드래깅 기법 설계 과정에 대한 상세 순서도가 도시되어 있다.

도 10의 (a)를 참조하면, 앞서 단계 S110에서 설계 완료된 기본 멤브레인 형상(200a)이 도시되어 있다.

기본 멤브레인 형상(200a)을 기초로 하여, 도 10의 (b)와 같이 다수의 기둥부가 배치된 구조를 가지는 드래깅 적용 멤브레인(200b)으로 설계를 수정한다.

이를 위해 우선 기공 크기를 설정한다(단계 S121). 기공 크기는 멤브레인이 사용되는 부위에서 흉터 세포, 연조직 등이 차오르는 것을 방지할 수 있게 한다.

기공 크기가 설정되면, 기둥부 배치를 설정한다(단계 S122). 본 실시예에서는 멤브레인을 제조함에 있어서 기공을 형성시킬 때 드래깅 기법을 적용하게 된다. 따라서, 드래깅 기법에서 기공을 형성시키게 되는 수평 스트랜드가 놓여진 양측 기둥부 사이의 거리가 중요한 설계 요소로 작용하게 된다.

또한, 본 실시예에서는 멤브레인이 자유 형상을 가지고 있다. 이 경우 원하는 곡면을 가지도록 하기 위해서는 위에서 내려다 보았을 때(도 10의 (c) 참조), 곡선의 시작점, 끝점, 그리고 곡선의 오목한 모양이 변하는 변곡점, 포물선의 꼭짓점에 대해서는 기본적으로 메인 기둥부(210a~210e, 이하에서는 '210'으로 통칭하기도 함)를 배치시킬 수 있다. 그리고 메인 기둥부(210) 사이에는 거리, 곡률 등에 따라 지정된 위치에 하나 이상의 서브 기둥부(220)를 추가적으로 배치시킬 수 있다.

메인 기둥부(210) 및 서브 기둥부(220)가 배치된 상태에서 각 기둥부 사이에는 수평 스트랜드가 제작될 수 있다. 기둥부 사이의 거리에 따라 기공 형성 크기가 조절될 수 있다(단계 S123).

예컨대, 기둥부 사이의 거리를 크게 하면 수평 스트랜드의 길이가 길어지게 되어 수평 스트랜드의 양단 사이의 직경 감소 기울기가 완만해지게 됨으로써 상하에 배치되는 타 수평 스트랜드와의 사이에 형성되는 기공의 크기가 작아질 수 있다. 반대로 기둥부 사이의 거리를 작게 하면 수평 스트랜드의 길이가 짧아지게 되어 수평 스트랜드의 양단 사이의 직경 감소 기울기가 커지게 됨으로써 상하에 배치되는 타 수평 스트랜드와의 사이에 형성되는 기공의 크기가 커질 수 있다.

이러한 특징을 활용하여 각 층마다 기둥부 사이의 거리를 조절하여 기둥 배치를 완료함으로써 드래깅 기법을 적용한 설계를 완료할 수 있다(단계 S124).

드래깅 기법 설계가 완료된 경우 드래깅 기법이 적용된 G-code를 제작한다(단계 S130). G-code는 3차원 프린팅을 위한 분사노즐(30)의 동작(이동, 분사 등)을 제어하는 명령 코드이다.

본 실시예에서 단계 S110에서의 기본 설계 형상, 단계 S120에서의 드래깅 기법 설계안, 단계 S130에서의 G-code는 제어부(미도시)에서 설계 및 제작될 수 있다.

도 11을 참조하면, 드래깅 기법이 적용된 G-code의 예시가 도시되어 있다. 해당 G-code를 보면, 기둥부 제작 속도 부분, 기둥부 제작 부분, 기둥부 사이 노즐 이동 변수 부분으로 구분되어 있다. 기둥부 제작 속도 부분과 기둥부 제작 부분에 의해 앞서 단계 S120에서 설계된 기둥부들에 대한 제작이 순차적으로 이루어진다. 그리고 각 기둥부들 사이에서는 기둥부 사이 노즐 이동 변수 부분에 의해 분사노즐(30)이 수평 이동하면서 드래깅 기법이 적용되어 직경이 감소하는 수평 스트랜드가 만들어지게 된다.

G-code 제작이 완료되면, 드래깅 기법을 적용한 3차원 프린팅을 수행한다(단계 S140). 3차원 프린팅 과정에 대해 도 12에 상세 순서도가 도시되어 있고, 도 13에는 드래깅 기법을 적용한 3차원 프린팅을 위한 제조장치의 개념도가 도시되어 있다.

도 13을 참조하면, 멤브레인 제조장치(1)는 공기 공급부(20)를 통해 용융된 고분자 재료의 토출을 위한 공기(22)를 공급한다. 챔버(10)의 하부에 배치된 분사노즐(30)을 통해 고분자 재료가 토출될 때 외부에서 강제대류를 통해 빠르게 식혀주기 위한 팬(70)이 팬 홀더(74)를 통해 챔버(10)의 측방에 설치된다. 팬(70)에는 팬 동작 스위치(72)가 측면에 마련되어 있어 수동 동작될 수 있다. 또는 제어부(미도시)에서 출력하는 제어 신호에 의해 팬(70)의 온/오프가 자동 제어될 수도 있다.

도 12를 참조하면, 3차원 프린팅을 수행하는 멤브레인 제조장치(1)를 제어하기 위한 드래깅 기법을 적용한 G-code가 입력된다(단계 S141).

그리고 팬(70)을 동작시켜 분사노즐(30)에 대해 강제대류가 일어나게 하여(단계 S142) 분사노즐(30)을 식혀주는 환경에서 G-code에 따라 프린팅을 수행한다(단계 S143).

이 경우 기둥부 제작 부분, 기둥부 사이 노즐 이동 변수 부분 등 G-code의 각 부분에 따라 팬(70)의 동작 여부(On/Off) 혹은 동작 속도가 제어될 수 있다. 이는 드래깅 기법 적용 시 분사노즐(30)이 동일한 이동속도를 가지는 경우에도 강제 대류를 통해 토출된 재료를 식혀주는 정도에 따라 토출된 재료의 직경 변화가 유도될 수 있기 때문이다.

이를 통해 기둥부와 기둥부 사이를 빠르게 지나가는 프린팅 과정에서 점성을 가진 토출 재료가 늘어지며 수평 스트랜드가 형성되고, 분사노즐(30)의 직경보다 작은 두께를 가지는 스트랜드의 제작이 가능하게 된다.

드래깅 기법을 이용한 프린팅 공정에서의 변수에는 팬(70)을 통한 강제대류, 기둥부 사이의 이동속도, 재료의 토출압력, 분사노즐(30)의 내경(사이즈), 분사노즐(30)의 분사속도(Feed rate) 등이 포함될 수 있다.

그리고 드래깅 기법의 설계 변수로는 기둥부의 위치, 기둥부 사이의 거리, 분사노즐(30)의 크기에 따른 Z축 적층 높이 등이 포함될 수 있다.

이러한 드래깅 기법의 설계 변수와 프린팅 공정 변수를 함께 적용함으로써 노즐 내경보다 작은(예컨대, 1/10 정도) 스트랜드를 갖는 구조체(멤브레인)의 제작이 가능해진다.

도 4의 (a)를 참조하면, 종래 3D 프린팅 방식으로 제작된 멤브레인은 토출되는 고분자의 점성으로 인해 제작 크기의 한계가 존재하였다. 그리고 자유 형상을 갖는 멤브레인을 제작하고자 할 때 이종재료를 이용한 서포터 제작이 필수적이었으며, 제작 후 서포터를 제거하는 공정이 수행되어야 했다.

하지만, 본 실시예에 따른 드래깅 기법이 적용된 3D 프린팅 방식에 의하면(도 4의 (b) 참조), 재료의 점성을 이용하여 토출되는 고분자를 끌어 얇은 섬유를 한층 한층 적층하여 제작하게 됨으로써, 종래 기술의 프린팅에 비해 얇은 두께를 가지는 멤브레인 제작이 가능하게 된다. 또한, 이종재료를 이용한 서포터 제작이 불필요하며, 서포트 층의 제작 없이 자유 형상의 작은 공극을 갖는 멤브레인 제작이 가능해 진다.

또한, 종래 2차원 시트 형상으로 멤브레인 제작 이후 원하는 형상의 서포트 상에 배치시킨 후 가열, 압착을 통해 멤브레인을 원하는 3차원 형상으로 제작하는 방법이 있으나, 이는 후처리 공정이 요구되며 멤브레인이 녹지 않도록 하는 정밀 온도 제어가 요구되었다. 이에 비해, 본 발명에서는 3D 프린팅 과정에서 바로 자유 형상이 제작되어 후처리 공정이 불필요한 장점이 있다.

본 실시예에서 멤브레인은 3차원 자유형상으로 만들어지도록 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이 세워진 형상으로 제작될 수 있다.

생분해성, 생적합성 고분자를 이용하여 수십 마이크로 크기의 두께를 갖는 멤브레인이 제작될 수 있어, 현재 임상에서 적용되고 있는 3D 프린팅된 고분자 멤브레인과 비교하여 상당히 우수한 유연성과 공극률을 가질 수 있다. 멤브레인의 높은 유연성은 멤브레인을 인체 내외에 부착할 때 높은 밀착성을 유지할 수 있게 한다. 또한, 높은 공극률과 작은 크기의 기공은 외부에서의 흉터 세포, 연조직 등이 차들어 오는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 멤브레인은 자유 형상을 갖는 유수분리 구조체로 활용될 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 멤브레인 제조장치 10: 챔버
20: 공기 공급부 30: 분사노즐
40: 스테이지 50: 구조체
51a, 51b: 기둥부 60: 스트랜드
70: 팬 74: 팬 홀더
200: 멤브레인 형상 210a~210e: 메인 기둥부
220: 서브 기둥부

Claims (8)

1. 시트 타입의 멤브레인으로서,
   미리 지정된 지점에 각각 배치되는 복수의 메인 기둥부;
   상기 복수의 메인 기둥부 사이에 배치되는 복수의 서브 기둥부; 및
   상기 메인 기둥부 및 상기 서브 기둥부 사이에 드래깅 기법으로 형성되는 복수의 스트랜드를 포함하되,
   세워진 형상으로 3D 프린팅 방식에 의해 제작되며, 상기 복수의 스트랜드 사이의 기공에 의해 다공성 구조를 가지며,
   상기 복수의 메인 기둥부 및 상기 복수의 서브 기둥부 사이의 거리에 따라 상기 기공의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 메인 기둥부는 탑뷰 관점에서 시작점, 끝점, 변곡점 및 포물선의 꼭짓점 중 하나 이상의 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 메인 기둥부 및 상기 서브 기둥부 중 하나 이상은 4점 분사 플로팅 기법으로 제작되는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인.
   
5. 자유 형상을 갖는 멤브레인을 제조하는 방법으로서,
   멤브레인 제조장치의 제어부에서 자유 형상을 갖는 시트 타입의 멤브레인에 대한 기본 설계 형상에 기초하여 플로팅 방식으로 제작되는 복수의 기둥부와, 드래깅 기법으로 제작되는 상기 기둥부 사이의 스트랜드로 분리 설계하는 단계;
   상기 분리 설계된 모델을 드래깅 기법이 적용된 G-code로 제작하는 단계; 및
   상기 G-code에 따라 상기 기둥부 및 상기 스트랜드를 제작하는 단계를 포함하되,
   상기 분리 설계 단계에서, 층별 기공 크기를 설정하고, 층별 기둥부 배치를 설정하여 상기 기둥부 사이의 거리 조절을 통해 기공 형성 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 기둥부는, 탑뷰 관점에서 시작점, 끝점 및 변곡점에 각각 배치되는 복수의 메인 기둥부와; 상기 복수의 메인 기둥부 사이에 배치되는 복수의 서브 기둥부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법.
   
7. 삭제
8. 자유 형상을 갖는 멤브레인을 제조하는 방법으로서,
   멤브레인 제조장치의 제어부에서 자유 형상을 갖는 시트 타입의 멤브레인에 대한 기본 설계 형상에 기초하여 플로팅 방식으로 제작되는 복수의 기둥부와, 드래깅 기법으로 제작되는 상기 기둥부 사이의 스트랜드로 분리 설계하는 단계;
   상기 분리 설계된 모델을 드래깅 기법이 적용된 G-code로 제작하는 단계; 및
   상기 G-code에 따라 상기 기둥부 및 상기 스트랜드를 제작하는 단계를 포함하되,
   상기 스트랜드의 제작 시 상기 멤브레인 제조장치의 팬을 동작시켜 강제대류를 발생시킨 상태에서 분사노즐을 통한 토출이 이루어지게 하여 상기 스트랜드의 늘어짐 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 자유 형상을 갖는 멤브레인 제조방법.

Images