KR20050010876A - 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법 - Google Patents

원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법 Download PDF

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KR20050010876A KR10-2004-7020047A KR20047020047A KR20050010876A KR 20050010876 A KR20050010876 A KR 20050010876A KR 20047020047 A KR20047020047 A KR 20047020047A KR 20050010876 A KR20050010876 A KR 20050010876A
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에듀아르두더스 엘.엘. 브로에카르트
에벨리엔 엠. 데데이네
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다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 발명은 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법을 제공한다. 이 프로세스는 원하는 외관을 갖는 것과 그 후 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 제조 파라미터를 획득하는 것을 포함한다. 본 발명은 목표 물품의 외관(목표 물품 외관)을 특징화하고 그 후 가상 물품 파라미터들을 상기 목표 물품 외관에 맞추는 단계들을 포함할 수 있다.

Description

원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법{A METHOD FOR DESIGNING A PLASTIC ARTICLE HAVING A DESIRED APPEARANCE}
플라스틱 물품들은 오늘날 세계에서 흔한 것이다. 플라스틱 부품들은 제조업자들에게 다른 사이즈, 형상, 및 외관의 물품들을 비교적 저비용으로 제조하는 데 있어서 융통성(versatility)을 제공한다.
플라스틱 부품들은 사람의 눈이 물체의 컬러와 표면 텍스처(surface texture)의 조합을 어떻게 인지하는지에 좌우되는 외관을 갖는다. 물품의 표면 텍스처는 물품의 외관에 있어서 중요한 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 표면 텍스처 특성들로 인해, 단일 물품을 상이한 각도들에서 관찰하거나 조명할 때 그 외관이 달라질 수 있다.
원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하고 제조하는 것은 힘들고 비용이 많이 드는 시도일 수 있다. 많은 현재의 설계 방법들은 외관에 대한 표면 텍스처의 기여는 고려하지 않고 컬러의 기여만을 고려한다. 전형적으로, 원하는 외관을 갖는 물품을 성취하기에 적당한 제조 파라미터들을 정의하기 위해서는 물품을 제조하고 나서 제조 파라미터들을 수정하고 또 다른 물품을 제조하는 반복 프로세스가 필요하다. 적절한 외관을 갖지 않는 물품들을 제조하는 것은 시간과 돈이 요구된다. 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하고 제조하는 데 필요한 비용과 노력을 최소화함과 동시에 다양한 조명 및 관찰 조건에서 원하는 외관을 갖는 물품을 설계하는 것이 바람직하다.
<발명의 개요>
제1 실시예에서, 본 발명은 플라스틱 물품을 설계하는 방법으로서, (a) 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 하에서의, 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 외관을 포함한 외관의 내부 컬러 및 표면 반사율 성분들을 드러내는 충분한 상세(sufficient detail)를 갖는 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 생성하는 단계 - 상기 가상 물품 파라미터들은 제조 파라미터들을 정의하기에 충분함 - 와; (b) 상기 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 제조 파라미터들을 식별하는 단계를 포함하는 방법이다.
제2 실시예에서, 본 발명은 단계 (a) 전에 목표(target) 외관을 갖는 목표 물품의 외관을 특징화(characterize)하고 상기 가상 물품 파라미터들이 상기 목표 물품과 용인 가능하게(acceptably) 유사한 외관 특징들을 갖는 물품에 대응할 때까지 상기 가상 물품 파라미터들의 세트를 수정하는 적어도 하나의 단계를 더 포함한다.
상기 제1 또는 제2 실시예의 하나의 바람직한 변형예에서, 단계 (a)는 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 생성하는 가상 물품 파라미터들의 최종 세트가 식별될때까지 반복 프로세스로 상기 가상 물품 파라미터들의 세트 중의 적어도 하나의 가상 물품 파라미터를 수정하고 상기 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 가상 물품을 생성하는 단계를 포함하고; 단계 (b)에서의 상기 가상 물품 파라미터들의 세트는 상기 가상 물품 파라미터들의 최종 세트이다.
본 발명의 목적은 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합에서 원하는 외관을 갖는 물품에 대한 제조 파라미터들을 생성하는 데 유용한 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 원하는 외관을 갖는 물품에 대한 제조 파라미터들을 결정하기 위하여 시험 제조의 필요를 최소화하거나 제거한다.
본 발명은 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 제1 실시예의 바람직한 변형예에 대한 흐름도를 도시한다.
도 2는 조명 및 관찰 각도들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예의 바람직한 변형예에 대한 흐름도를 도시한다.
본 발명은 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합(즉, 2 이상의 조명 각도, 관찰 각도, 또는 2 이상의 조명 및 관찰 각도)에서 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품들의 설계 및 제조에 유용한 방법이다. 본 명세서에서, 플라스틱 물품은 플라스틱 표면으로부터 생기는 외관을 갖는 임의의 물품을 포함한다. 예를 들면, 플라스틱 물품은 플라스틱 조성(composition)으로 이루어질 수 있다. 대체 예로서, 플라스틱 물품은 플라스틱 조성 표면을 갖는 금속 구조물을 포함할 수 있다. 이 대체 예 내에서, 본 발명은 플라스틱 조성 표면을 설계하는 데 특히 유용하다.
본 발명은 물리적 물품을 실제로 제조하기 전에 조명 및 관찰 각도들의 다양한 조합들 하에서 물품의 검사를 가능케 하는 가상 물품의 생성을 포함한다. 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 가상 물품을 생성한다. 가상 물품 파라미터들은 특정 타입의 가상 물품(예를 들면, 컴퓨터 모니터 화면 상의 이미지 또는 홀로그래픽 이미지)을 정의하기에 충분하고 물품의 마이크로 표면 텍스처를 고려하기 위한 충분한 상세를 포함한다. 가상 물품 파라미터들은 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 획득하기 위해 조정 가능하다.
가상 물품 파라미터들은 또한 제조 파라미터들을 정의하기에 충분하다. 제조 파라미터들은 대응하는 가상 물품 파라미터들로부터 생성된 가상 물품과 유사한 외관, 바람직하게는 "실질적으로 유사한"(substantially similar) 외관을 갖는 물리적 물품을 제조하기 위한 적당한 정보를 제공한다. 본 명세서에서, 하나의 외관이 다른 외관과 "실질적으로 유사하다"고 하는 것은 그 2개의 외관이 보통 사람(즉, 외관 매칭(appearnce matching)에 특별히 훈련되거나 숙련된 사람이 아닌 사람)의 육안으로 볼 때 동일하게 보이는 경우를 의미한다.
가상 물품 파라미터들이 "제조 파라미터들을 정의하기에 충분하다"고 하는 것은 그 파라미터들이 제조 파라미터들의 형태이거나, 또는 3회 이하의 시험 제조에 의해, 바람직하게는 아무런 시험 제조 없이 제조 파라미터들의 형태로 변환될 수 있는 경우를 의미한다. 본 명세서에서, 시험 제조(trial fabrication)는 원하는 외관과 유사하지 않은 외관을 갖는 물품의 제조를 언급한다. 본 발명의 방법은 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 시간과 비용을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 "원하는 외관"을 갖는 물리적 물품을 제조하기 위한 제조 파라미터들을 생성하는 것이다. 원하는 외관은 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합에서의 컬러 및 광 반사 특성들뿐만 아니라, 형상과 같은 물리적 특징들을 포함한다. 원하는 외관의 식별은 가상 물품을 생성하기 전에, 또는 가상 물품을 생성하는 동안에, 또는 가상 물품을 생성한 후에 일어날 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 바람직한 변형예에 대한 흐름도를 도시한다. 우선, 단계 10에서 가상 물품 파라미터들의 초기 세트를 정의하고, 그 후에 단계 20에서 이들 파라미터들을 이용하여 가상 물품을 생성한다. 가상 물품은 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 하에서의, 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 반사율 특성들을 포함하는, 내부 컬러 및 표면 반사율 특성들로부터 생기는 외관을 드러내는 충분한 상세를 갖는다. 단계 30에서 가상 물품의 외관이 원하는 외관을 갖는지를 평가한다. 만일 가상 물품이 원하는 외관을 갖지 않는다면, 단계 35에서 가상 물품을 생성하기 위해 사용되는 파라미터들 중 적어도 하나를 수정하고 다시 단계 20 및 30을 통하여 계속 진행한다. 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 생성하는 가상 물품 파라미터들의 최종 세트를 획득할 때까지 필요한 만큼 단계 35, 20 및 30을 반복한다. 단계 40에서, 최종 가상 물품 파라미터들을 이용하여 물리적 물품에 대한 제조 파라미터들을 정의한다. 선택적으로(optionally), 단계 50에서 단계 40에서의 파라미터들을 이용하여 물리적 물품을 제조하여 그러한 물리적 물품을 생성한다.
숙련된 기술자라면 이들 단계들 각각을 성취하기 위한 2 이상의 방법이 있을 수 있고, 그것들 모두가 본 발명의 범위에 속한다는 것을 알 것이다. 각각의 단계를 성취하기 위한 이하의 방법들은 단지 예시일 뿐이고 각각의 단계의 범위를 제한하지 않는다. 숙련된 기술자라면 또한 본 발명에 대한 변형들을 도입하기 위해 상기 단계들 중의 임의의 단계 전에 또는 후에 부가적인 단계들이 올 수 있다는 것을 알 것이다.
단계 10에서의 가상 물품 파라미터들은 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 반사율 특성들을 포함하는, 물품의 내부 컬러 및 외부 표면 반사율 특성들을 기술한다. 가상 물품 파라미터들은 또한 예를 들면 물품의 형상, 폴리머 조성, 착색제 조성(colorant composition), 표면 텍스처 및 표면 거칠기와 같은 제조 파라미터들을 정의하거나 또는 그 제조 파라미터들로 변환하기에 충분한 형태로 되어 있다. 가상 물품 파라미터들의 정확한 형태는 가상 물품을 생성하기 위해 사용되는 알고리즘 단계 20에 좌우된다. 적당한 가상 물품 파라미터들의 일례는 물품 형상을 기술하는 컴퓨터 원용 설계(CAD) 파일; 일련의 착색제들 및 원하는 폴리머 조성에 대한 흡수 계수(K), 산란 계수(S), 및 농도(C); 원하는 폴리머 조성에 대한 굴절률(nr); 물품의 매크로 표면 텍스처의 특징화; 및 표면 반사율의 마이크로 표면 텍스처 효과의 표시(indication)이다.
매크로 및 마이크로 표면 텍스처들은 주로 그들의 프로파일 특징들의 크기에서 다르다. 매크로 표면 텍스처는 육안으로 식별할 수 있는 표면 특징들을 포함하고 일반적으로 반복(repetitious) 패턴을 포함한다. 마이크로 표면 텍스처는 육안으로 직접 관찰할 수 없는 표면 특징들을 언급한다. 예를 들면, 가죽 결(leather grain) 패턴은 매크로 표면 텍스처의 한 유형이고 금속 표면을 샌드블라스팅(sandblasting)하여 생기는 표면 피팅(pitting)은 마이크로 표면 텍스처의 한 유형이다. 일반적으로, 물품의 표면의 한 부분에 대한 x,y,z 좌표의 맵(map)인, 표면 형태 프로파일(topography profile)을 이용하여 매크로 표면 텍스처를 특징화한다. 매크로 표면 텍스처는 흔히 반복 패턴이거나, 또는 거의 반복 패턴이다. 표면 형태 프로파일은 바람직하게는 매크로 표면 텍스처에 대한 반복 패턴을 정의하기에 충분하다. 마이크로 표면 텍스처를 정의하기 위한 적당한 파라미터들에 대해서는 아래에서 논의한다.
단계 20에서, 단계 10 또는 단계 35로부터의 가상 물품 파라미터들의 세트를 이용하여 가상 물품을 생성한다. 가상 물품은 일반적으로 컴퓨터 화면 상의 이미지이지만, 홀로그래픽 이미지 또는 인쇄된 이미지(예를 들면, 사진)를 포함하는 임의의 타입의 이미지일 수 있다. 다양한 조명 및 관찰 각도들에서의 표면 반사율을 고려하도록 수정된 Maya Complete 소프트웨어(시애틀 Alias/Wavefront사 출시)의 형태는 컴퓨터 화면 상에서 가상 물품을 생성하기 위한 적당한 프로그램의 일례이다. 수정된 Maya Complete 소프트웨어(수정된 Maya 소프트웨어)는 입력 변수들로서, 조명 및 관찰 각도들뿐만 아니라; 물품 형상을 정의하는 CAD 파일; 폴리머 조성 및 착색제들의 특정 선택에 기초하여 물품의 내부 컬러를 정의하는 적, 녹, 청(RGB) 값들; 매크로 표면 텍스처 외관을 정의하는 표면 형태 프로파일에 상관하는 이미지 파일; 표면 반사율 항(term)을 정의하는 파라미터들을 이용한다. 바람직하게는, 처리 온도와 같은 제조 파라미터들이 가상 물품 파라미터들의 식별에 포함된다. 이것은, 예를 들면, 후술하는 바와 같이 표면 반사율 파라미터들을 정의하는 것의 일부로서 행해질 수 있다.
예를 들면, 일련의 착색제들 및 원하는 폴리머 조성에 대한 K, S, 및 C 값들을 특정함으로써 물품에 대한 원하는 내부 컬러 성분을 정의한다. Chromacalc(미국 뉴저지 로렌스빌 Datacolor International사), Propallete(벨기에 안트베르펜 ECS사) 또는 Cygrec(스위스 바젤 CIBA사)와 같은 소프트웨어 프로그램들은 다양한 착색제 및 폴리머 조성 조합들에 대한 내부 컬러 기여를 시각화하는 데 유용하다. 표준 컬러 이론을 이용하여, 폴리머 조성 및 착색제들에 대한 K, S, 및 C 값들을 수정된 Maya 소프트웨어에서 사용하기 위한 RGB 값들로 변환한다.
표면 형태 프로파일(topography profile)에 의해 특징화된 물품의 매크로 표면 텍스처를 시각적으로 나타내는 표면 형태 프로파일에 상관하는 이미지를 생성한다. 표면 형태 프로파일은, 예를 들면, 표면 형태 프로파일들의 라이브러리로부터 오거나 또는 새로운 표면 형태 프로파일을 생성함으로써 생길 수 있다. 예를 들면, 원하는 텍스처를 갖는 표면의 표면 형태 스캔을 수행함으로써 새로운 표면 형태 프로파일을 생성한다. 표면 형태 프로파일을 획득하기 위한 표면 형태 스캐너들은 상업적으로 입수 가능하고 뉴욕 Veeco사 출시의 NT Optical Profiler; 독일 베르기쉬-글라트바흐(Bergisch-Gladbach) FRT사 출시의 MicroProf; 및 독일 슈베닝겐(Schwenningen) Hommelwerke사 출시의 Wavespeed 1012를 포함한다. 바람직하게는, 많은 다른 표면 텍스처들로부터의 프로파일들을 수집함으로써 표면 형태 프로파일들의 라이브러리를 개발한다.
예를 들면, 물품의 표면에 대한 기준 법선(reference normal)에 대하여 물품을 조명하는 광빔의 각도(θi), 물품의 표면에 대한 기준 법선에 대하여 물품으로부터 반사된 광빔에 대한 관찰 각도(θo), 및 물품의 표면에 의해 정의된 평면 상으로의 조명 광빔의 투사와 관찰된 광빔의 투사간의 각도를 180°에서 뺀 각도(φo)에 의해 조명 및 관찰 각도들을 정의한다. 도 2는 조명빔(100), 반사빔(110), 기준(120) 및 물품(130)에 대한 이들 각도들의 예시를 제공한다.
물품의 마이크로 표면 텍스처는 표면 반사율의 점에서 물품의 외관에 영향을 미친다. 표면 반사율은 물품의 표면에 입사하는 광에 대한 물품 표면으로부터 반사된 광의 측정치이다. 표면 반사율은 외부 반사율 특성들을 기술하고 물품의 표면 안으로 관통하여 물품의 조성(즉, 폴리머 및 착색제)과 상호작용하는 광은 고려하지 않는다. 표면 반사율은 θi, θo, φo및 광의 파장 λ의 함수이다. 표면 반사율은 수학식 1에 따라서 표현되거나, 또는 바람직하게는 수학식 2 또는 수학식 3에 따라서 표현될 수 있다.
여기서,
및
수정된 Maya 프로그램은 후술하는 광선 투사법(ray tracing) 절차와 유사한 방식으로 c1(λ), c2(λ), c3(λ) 및 nr값들을 이용하여 가상 물품의 외관에 대한 표면 반사율 성분을 결정한다. 명확성을 위하여, 본 명세서에서 c1, c2, c3는 각각 c1(λ), c2(λ), c3(λ)를 언급한다. 굴절률 항(nr)은 물리적 물품을 제조하기 위해 요망되는 폴리머 조성의 것이다. c1, c2, c3값들은 특정 굴절률(nr)을 갖는 폴리머 조성으로 이루어진 물품의 표면으로부터의 반사율 특성들을 기술한다. 원하는 폴리머 조성을 선택함으로써 nr을 식별한다. 광선 투사법 알고리즘을 이용하여 c1, c2, c3값을 결정한다.
광선 투사법 알고리즘은 우선 물품의 마이크로 표면 텍스처가 광을 어떻게 산란시키는지를 결정하고 그 후 마이크로 표면 텍스처 효과를 물품의 매크로 표면 텍스처의 것과 결합시킨다. 광선 투사법 알고리즘은, 고전적인 프레넬 방정식(Fresnel's equation)을 이용하여, 물품 안으로 관통하여 반사되지 않는 비반사 광에 대해 설명한다.
광선 투사법 알고리즘은 마이크로 표면 텍스처의 선택을 필요로 한다. 마이크로 표면 텍스처를 선택하는 하나의 방법은 원하는 폴리머 조성으로 이루어지고 선택된 마이크로 표면 텍스처를 갖지만 매크로 표면 텍스처가 없는 물리적 샘플의 표면 반사율을 측정하는 것에 의한 것이다. 특정 처리 조건(예를 들면, 성형(molding) 온도) 하에서 물리적 샘플을 제작한다. 물리적 샘플은 순흑색(pure black)인 것이 바람직하다. 즉, 물리적 샘플은 그 표면으로부터 반사되지 않는 모든 광을 흡수한다. 그러한 경우에, 반사율 값은 표면 반사율과 동일하다. 대안적으로, 그 반사율 값으로부터 내부 컬러 성분을 뺀다. 내부 컬러 성분은 그 안의 폴리머 조성 및 특정 착색제들의 함수이고 수학식 4에 따라서 반사율 값과 관련이 있다.
여기서,
R(θi,θo,φo,λ)은 반사율 값이고, k(θi,θo,φo,λ)는 표면 반사율 성분이고, 나머지 항은 내부 컬러 성분이다.
θi, θo, φo, 및 λ는 이전에 정의된 것과 같다.
k1(λ)은 물품의 표면으로부터 반사하는 확산 입사광(diffuse incident light)의 분수(fraction)로서, 당업계에 알려져 있는 용어이다(예를 들면, J.L. Saunderson, J. Optical Soc. of America, Vol. 32, 12, pp. 727-736 참조).
k2는 내부 표면 반사 계수(반사되는 내부로부터 샘플의 표면 상에 확산하여 입사하는 광의 분수)이고 일반적으로 0.4 내지 0.6의 범위에 있는 것으로 간주되고, 0.4가 통상 사용되는 추정치이다.
Ri(λ)는 Kubelka-Munk 방정식(수학식 5)에 기초하여 계산될 수 있는 이상화된(idealized) 반사율 값이다.
여기서,
및 Cpol은 각각 착색제 i 및 폴리머 조성의 농도들이다.
및 Kpol(λ)은 각각 파장 λ에서의 착색제 i 및 폴리머 조성의 흡수 계수들이다.
및 Spol(λ)은 각각 파장 λ에서의 착색제 i 및 폴리머 조성의 산란 계수들이다.
N은 착색제들의 수이다.
수학식 4 내지 수학식 7을 이용하여 각각의 반사율 값에 대한 내부 컬러 성분을 계산한다. 반사율 값으로부터 내부 컬러 성분을 빼면 물리적 샘플의 마이크로 표면 텍스처에 대한 표면 반사율이 얻어진다.
조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 및 2 이상의 가시 파장(visible wavelength)에서의 물리적 샘플의 마이크로 표면 텍스처에 대한 표면 반사율 항들을 결정하여 마이크로 표면 텍스처 표면 반사율 항들의 어레이를 설정한다. 마이크로 표면 텍스처 표면 반사율 항들의 어레이를 설정하는 데 이용되는 조명 각도들 및 관찰 각도들 및 파장들이 더 많을수록, 마이크로 표면 텍스처가 더 정확하게 특징화될 수 있다. 일반적으로, 조명 및 관찰 각도들의 조합 수는 마이크로 표면 텍스처 표면 반사율 항들의 어레이에서 적어도 3개이다. 일반적으로, 400 나노미터(nm), 450 nm, 500 nm, 550 nm, 600 nm, 650 nm, 및 700 nm의 파장 값들을 이용하여 마이크로 표면 텍스처 표면 반사율 항들의 어레이를 설정한다.
표면 반사율에 대한 마이크로 표면 텍스처 기여와 관련된 c1, c2및 c3항들(c1micro, c2micro, 및 c3micro)을 식별하기 위하여 마이크로 표면 텍스처 표면 반사율 항들의 어레이를 수학식 1, 수학식 2 또는 수학식 3에 맞춘다. 바람직하게는, 수학식 1, 수학식 2 또는 수학식 3을 선택한 후에, 표면 반사율을 결정할 때 방법의 전반에 걸쳐서 그 수학식을 사용한다.
마이크로 표면 텍스처를 선택하는 대안적인 방법은 참조표로부터 특정 마이크로 표면 텍스처에 대한 c1micro, c2micro, 및 c3micro값들을 선택하는 것에 의한 것이다. 적당한 참조표는 각각의 물리적 샘플에 대한 처리 조건들과 함께 다수의 물리적 샘플들로부터의 c1micro, c2micro, 및 c3micro값들을 포함한다. 상기 절차를 따라서 다수의 특정 마이크로 표면 텍스처들에 대한 c1micro, c2micro, 및 c3micro값들을 결정함으로써 적당한 참조표를 준비한다. 바람직하게는, 새로운 마이크로 표면 텍스처가 먼저 특징화될 때마다 새로운 마이크로 표면 텍스처의 c1micro, c2micro, 및 c3micro값들및 처리 조건들을 참조표에 부가한다.
광선 투사법 알고리즘은 특정 입사 각도들에 대한 반사율 각도들의 계산을 가능케 하는 방식으로 매크로 표면 텍스처를 특정하는 것을 더 필요로 한다. 매크로 표면 텍스처를 정의하는 하나의 바람직한 형태는 표면 형태 프로파일에 의한 것이다.
특정 마이크로 표면 텍스처, 매크로 표면 텍스처 및 폴리머 조성을 갖는 샘플을 특정 입사 각도에서 조명하는 평행 광선들의 어레이를 이용하여 상기 샘플에 대한 표면 반사율 값들의 어레이를 계산한다. 평행 광선들의 어레이는 전형적으로 50 마이크로미터(㎛)만큼 공간적으로 분리된 열들에서의 200×200 광선들로 이루어지고, 각각의 광선은 50 ㎛만큼 공간적으로 분리된 하나의 열에 있다. 샘플에 도달함과 동시에, 각각의 광선은 샘플의 상이한 지점(spot)을 맞히고, 각각의 지점은 매크로 표면 텍스처에 기인하는 상이한 높이 및 경사를 가질 수 있다. c1micro, c2micro, 및 c3micro값들과 조합하여 국소적 표면 형태(local topography)를 고려하여 각각의 광선이 샘플로부터 어떻게 반사되는지를 결정한다. 고전적인 프레넬 방정식들을 이용하여 반사광의 총량을 제한한다. 각각의 관찰 각도에서 각각의 광선으로부터 반사된 광의 양을 합산함으로써 각각의 관찰 각도에서의 반사광의 양을 결정한다. 결과는 특정 입사 각도 및 다수의 관찰 각도들에서의 샘플에 대한 계산된 표면 반사율 값들의 어레이이다. 바람직하게는, 2 이상의 입사 각도 및 파장에 대해 상기 절차를 반복하여 표면 반사율 값들의 보다 큰 어레이를 결정한다. 일반적으로, 400 nm, 450 nm, 500 nm, 550 nm, 600 nm, 650 nm, 및 700 nm의 파장 값들에 대해 상기 절차를 반복한다. 표면 반사율 값들의 어레이를 수학식 1, 수학식 2 또는 수학식 3에 맞추어 수정된 Maya 프로그램에서 사용하기 위한 c1, c2, 및 c3값들을 결정한다. 상이한 파장들에서 획득된 c1, c2, 및 c3값들에 다항식을 맞추어 가시 스펙트럼의 모든 파장들에 대한 일반화된 수학식을 획득한다.
수정된 Maya 프로그램을 사용하여 가상 물품을 생성하고 단계 30에서 그 물품의 외관을 평가한다. 바람직하게는, 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합에 대한 가상 물품을 생성하여 그 물품이 상이한 조건들 하에서 어떻게 보이는지를 결정한다.
만일 가상 물품이 원하는 외관을 갖지 않는다면, 단계 35로 진행하여 적어도 하나의 가상 물품 파라미터를 수정하고 가상 물품을 재생성한다. 전형적으로, 착색제 농도들을 수정하면, 이것은 내부 컬러 특성들에 영향을 미치는 RGB 값들을 재정의하고, 매크로 및 마이크로 표면 텍스처를 수정하면, 이것은 표면 반사율 특성을 수정한다. 폴리머 조성의 수정도 가능한데, 이것은 (폴리머 K, S 및 C 값들에 기인하는) 내부 컬러 특성들 및 폴리머 조성의 굴절률의 함수인 표면 반사율 특성들 양쪽 모두에 영향을 미친다. 숙련된 기술자라면 각각의 파라미터가 물품의 외관에 어떻게 영향을 미치는지를 식별하는 능력을 개발함으로써, 단계 35를 통하여 필요한 반복의 수를 최소화시킬 것이다.
일단 단계 30에서의 평가가 가상 물품이 원하는 외관을 갖는 것으로 식별하면, 그 가상 물품을 정의하기 위해 사용되는 가상 물품 파라미터들이 최종 가상 물품 파라미터들이다. 단계 40은 최종 가상 물품 파라미터들을 정의하기 위해 사용되는 제조 파라미터들을 식별하는 것을 포함한다. 단계 40으로부터의 제조 파라미터들은 물리적 물품을, 바람직하게는 원하는 외관과 유사한, 보다 바람직하게는 실질적으로 유사한 외관을 갖는 물리적 물품을 제조하기에 적합하다. 제조 파라미터들은 일반적으로 폴리머 조성, 착색제들 및 착색제 조성들, 매크로 및 마이크로 표면 텍스처들, 물품 형상, 및 처리 조건들이다. 이들 파라미터들은 가상 물품 파라미터들을 결정하기 위해 사용되었기 때문에 직접 알려진다. 예를 들면, 처리 조건들을 위해 c1micro, c2micro, 및 c3micro값들을 결정하기 위해 사용된 물리적 샘플의 처리 조건들을 사용한다.
숙련된 기술자라면 마이크로 표면 텍스처 및 매크로 표면 텍스처 파라미터들을 물품 형상 파라미터와 조합하여 사용하여 원하는 외관을 갖는 성형 플라스틱 물품들에 대한 적당한 주형(mold)을 제조할 수 있다. 주형의 제조는 비용이 많이 드는 시도이다. 이것은 본 발명이 설계 및 제조 프로세스에서 시간과 돈을 절약하는 하나의 영역이다. 본 방법은 원하는 외관을 갖는 물품을 제조하기에 적당한 것으로 이미 알려져 있는 제조 파라미터들을 주형의 직접 제조에 사용하고, 심지어 마이크로 표면 텍스처를 정의하는 정도까지 사용한다. 그 결과, 본 방법은 주형 제조 전에 원하는 외관을 갖는 물품에 대한 마이크로 표면 텍스처의 식별 또는 가상 물품의 생성을 이용하지 않는 설계 방법들과 비교하여 시험 제조를 위한 주형의 필요를 저감시킨다.
원한다면, 본 방법은 단계 40으로부터의 제조 파라미터들을 사용하여 원하는 외관과 유사한, 바람직하게는 실질적으로 유사한 외관을 갖는 물리적 물품을 원하는 폴리머 조성으로부터 제조하는 단계 50을 더 포함할 수 있다. 단계 40으로부터의 제조 파라미터들은 원하는 외관과 유사한, 또는 실질적으로 유사한 외관을 갖는 물품을 성취하기 위하여 시험 제조들을 통하여 약간의 수정을 필요로 할 수 있다. 그러나, 제조 파라미터들은 매크로 및 마이크로 표면 텍스처로부터의 외관에 대한 기여를 이미 정의하였기 때문에, 본 방법에 의하면 다른 공지된 방법들(특히 외관에 대한 컬러 기여만을 고려하는 것들)에서보다 더 적은 수의 시험 제조가 필요하다. 일반적으로, 원하는 외관과 유사한, 바람직하게는 실질적으로 유사한 외관을 갖는 물리적 샘플을 성취하기 위하여 단계 40으로부터의 제조 파라미터들을 재정의하는 것으로 귀결되는 시험 제조가 5회 미만, 바람직하게는 3회 미만, 보다 바람직하게는 2회 미만으로 필요하고, 가장 바람직하게는 전혀 필요하지 않다.
본 발명의 제2 실시예는 목표 물품의 외관(원하는 목표 외관)과 유사한, 바람직하게는 실질적으로 유사한 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품을 설계하는 방법이다. 도 3은 부가적인 단계들과 조합하여 제1 실시예의 단계들을 포함하는, 제2 실시예의 하나의 변형예를 도시한다.
단계 1은 목표 물품으로부터의 목표 외관의 특징화이다. 목표 물품은 플라스틱이거나 또는 가죽, 금속, 유리, 또는 나무와 같은 플라스틱 이외의 재료일 수 있다. 광 파장들의 범위 및 2 이상의 조명 각도, 관찰 각도, 또는 2 이상의 조명각도 및 2 이상의 관찰 각도에 걸쳐서 목표 물품의 내부 컬러 특성들 및 표면 반사율 특성들을 포착하는 그러한 방법으로 목표 물품을 특징화한다. 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합에서 반사율 값들의 어레이를 측정하는 것은 그러한 특징화를 행하기 위한 편리한 방법이다. 반사율 값은 특정 파장, 조명 각도, 및 관찰 각도에서의 입사광에 대한 반사광의 측정치를 제공한다.
반사율 값들의 어레이로써 물품을 특징화하기 위하여 가시 스펙트럼(400-700 nm)의 다수의 가시 파장들을 포함하는 광을 이용하여, 바람직하게는 모든 가시 파장들을 포함하는 백색광을 이용하여 물품을 조명한다. 분광계를 이용하여, 특정 조명 및 관찰 각도에서 반사광의 다수의 가시 파장들에 대한 반사율 값들을 측정한다. 바람직하게는, 가시 스펙트럼에 걸쳐서 매 10 nm마다 반사율 값을 수집함으로써, 특정 조명 및 관찰 각도들에서 31개의 반사율 값을 생성하여 반사율 값들의 스펙트럼 어레이(spectral array)를 설정한다. 물품의 외관을 최적으로 특징화하기 위하여 조명 각도들 및 관찰 각도들의 가능한 한 많은 조합에 대한 반사율 값들의 어레이를 수집하는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 다른 조명 각도, 관찰 각도, 또는 양쪽 모두에 대한 반사율 값들의 스펙트럼 어레이를 수집하여, 목표 물품의 외관을 특징화하는 반사율 값들 R(θo,θi,φo,λ)의 어레이를 설정한다.
반사율 값들을 측정하는 것에 대한 대안으로서, 고객이 반사율 값들을 제공할 수도 있고 또는 바람직한 반사율 값들의 데이터베이스로부터 반사율 값들이 검색될 수도 있다.
단계 1에 대하여 언제라도 단계 10 및 단계 15를 달성한다. 단계 10은 제1 실시예에서와 동일하다. 단계 15에서, 가상 물품 파라미터들을 단계 1에서 목표 물품을 특징화하기 위해 사용되는 것에 필적하는 형태로 변환한다. 예를 들면, 단계 1에서 반사율 값들의 어레이가 생성되면 단계 15에서 단계 10으로부터의 가상 물품 파라미터들을 반사율 값들의 어레이로 변환한다. 수학식 4를 이용하여 이 변환을 달성한다. 수학식 1, 2 또는 3 및 제1 실시예에서 설명된 광선 투사법 프로세스를 이용하여 수학식 4에 대한 k(θi,θo,φo,λ) 항들을 계산한다. 특정 착색제들 및 원하는 폴리머 조성에 대한 수학식 4 내지 수학식 7 및 나머지 항들에 대해 특정된 값들을 이용하여 내부 컬러 성분을 계산한다.
단계 1 및 단계 15에서의 반사율 값들의 어레이는 서로 비교를 용이하게 하기 위하여 동일한 조명 각도(들), 관찰 각도(들), 및 파장들에서의 값들을 갖는다.
단계 1 및 단계 15를 완료한 후에, 단계 5에서 가상 물품의 외관 특징들을 목표 외관의 외관 특징들과 비교하여 그것들이 얼마나 잘 일치(match)하는지를 평가한다. 예를 들면, 반사율 값들의 2개의 어레이를 직접 비교하는 것이 적절하다. 또한, 반사율 값들을 L,a,b 값들로 변환하고 목표 물품에 대한 L,a,b 값들의 어레이를 가상 파라미터들(virtual parameters)에 대한 L,a,b 값들의 어레이와 비교하는 것도 적절하다. 반사율 값들의 어레이들을 맞추는 것이 L,a,b 값들을 맞추는 것보다 더 정확한 맞춤을 가능케 한다. 그러나, 반사율 값들을 L,a,b 값들로 변환할 경우 중요한 외관 정보를 잃지 않고서 서로 비교될(또는 맞추어질) 필요가 있는항들의 수가 저감됨으로써, 맞춤을 행하기가 더욱 용이해진다. 오스트리아 비엔나 우편 사서함 169, 1986년 CIE 발행 NR 15.2에서는 반사율 값들을 L,a,b 값들로 변환하는 방법을 기술하고 있다.
단계 7에서, 가상 물품 파라미터들이 목표 외관의 외관 특징들과 용인 가능하게 유사한 외관 특징들을 갖는지 여부를 평가한다. 만일 아니라면, 적어도 하나의 가상 물품 파라미터의 수정을 필요로 하는 단계 9로 진행한 후에 단계 15로 되돌아간다. 어떤 타입의 맞춤 알고리즘(fitting algorithm)을 사용하는지에 기초하여 단계 7에서 어느 정도로 유사한 맞춤(how close of a fit)이 용인 가능한지를 정의한다. 한 예로서, L,a,b 값 어레이들에서의 각각의 값에 대한 값 ΔE를 최소화함으로써 L,a,b 값들을 맞춘다.
여기서, ΔL = Lvp- Ltarget이고; Δa = avp- atarget이고; Lvp, avp, 및 bvp는 가상 파라미터 어레이에 대한 L,a,b 값들이고; Ltarget, atarget, 및 btarget는 목표 물품 어레이에 대한 L,a,b 값들이다.
단계 7에서 목표 물품 외관 특징들과 가상 물품 파라미터들의 외관 특징들 사이에 용인 가능한 일치에 도달하면, 단계 20으로 진행하여 가상 물품을 생성한다. 단계 20, 30, 40, 및 50은 제1 실시예에서의 것들과 유사하다. 단계 20으로부터 단계 30으로 진행하여 가상 물품의 외관을 평가한다. 만일 외관이 원하는 외관이라면 단계 40으로 진행하고, 선택적으로, 단계 50으로 진행한다.
만일 단계 30에서 외관이 원하는 외관이 아니라면, 단계 35 또는 단계 9로 진행한다. 단계 35 및 9는 그들이 어떤 단계에 선행하는지만 제외하고는 동일하다. 단계 35 및 9는 제1 실시예에서의 단계 35와 유사하다. 단계 9는 적어도 하나의 가상 물품 파라미터의 수정을 가능케 하고 단계 15로 되돌아감으로써 가상 물품 외관을 원하는 목표 외관의 외관 특징들에 맞춤을 다시 시작한다. 그러므로, 단계 9로 진행할 경우 가상 외관 특징들을 목표 물품 외관 특징들에 맞춤을 다시 시작한다. 단계 30으로부터 단계 9로 진행하는 것은 단계 20으로부터의 가상 물품의 외관이 목표 물품의 외관과 극심하게 상이하여 목표 외관과 유사한, 또는 실질적으로 유사한 외관이 여전히 요망되는 경우에 특히 바람직하다. 경험을 함에 따라서, 사용자는 어떤 것이 극심하게 상이한 외관을 구성하는지를 인지할 수 있을 것이다.
그러나, 가상 물품의 외관이 원하는 목표 외관과 거의 유사하면, 단계 30으로부터 단계 35로 진행한다. 게다가, 사용자가 의도적으로 원하는 목표 외관과 상이한 원하는 외관을 갖는 물품을 설계하기를 원한다면, 단계 30으로부터 단계 35로 진행한다. 단계 35에서, 적어도 하나의 가상 물품 파라미터를 변경한다. 단계 35로부터 단계 20으로 진행하여 수정된 가상 물품 파라미터들로부터 가상 이미지를 생성한다. 단계 20에서 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 생성할 때까지 단계 20, 30, 및 단계 9 또는 35를 계속 진행한다. 원하는 외관을 갖는 가상 물품이 생성되면, 단계 40으로 진행하고, 선택적으로, 단계 50으로 진행한다.
선택적으로, 제2 실시예에서는 목표 물품과 이미 유사한 초기 가상 물품 파라미터들을 식별하는 단계들을 포함시킨다. 예를 들면, 초기 가상 물품 파라미터들에서 텍스처 프로파일로서 목표 물품의 표면 형태 프로파일을 획득하고 이용함으로써 단계 5에서 가상 물품 외관 특징들을 목표 물품 특징들에 맞춤을 용이하게 할 수 있다. 공지된 표면 형태 프로파일 스캐닝 방법들에 의해 목표 물품의 표면 형태 프로파일을 획득한다.
본 출원은 본 발명 내의 각 단계를 수행하는 특정 방법들을 예시하고 있지만, 숙련된 기술자라면 임의의 주어진 단계를 수행하기 위한 다수의 방법들이 있을 수 있다는 것을 인지할 것이다. 본 발명은 본 명세서에서 개시된 각 단계를 수행하는 특정 방법들에 한정되지 않는다.
본 발명은 설계 방법 동안에 다수의 물리적 물품들을 제조할 필요를 최소화하면서 원하는 외관을 갖는 플라스틱 물품들을 설계하는 방법으로서 유용하다.

Claims (18)

  1. 플라스틱 물품을 설계하는 방법으로서,
    (a) 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 하에서의, 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 외관을 포함한 외관의 내부 컬러 및 표면 반사율 성분들을 드러내는 충분한 상세(sufficient detail)를 갖는 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 생성하는 단계 - 상기 가상 물품 파라미터들은 제조 파라미터들을 정의하기에 충분함 - 와;
    (b) 상기 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 제조 파라미터들을 식별하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (a)는 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 생성하는 가상 물품 파라미터들의 최종 세트가 식별될 때까지 반복 프로세스로 상기 가상 물품 파라미터들의 세트 중의 적어도 하나의 가상 물품 파라미터를 수정하고 상기 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 가상 물품을 생성하는 단계를 포함하고; 단계 (b)에서의 상기 가상 물품 파라미터들의 세트는 상기 가상 물품 파라미터들의 최종 세트인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가상 물품은 컴퓨터 모니터 화면 상의 이미지인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 단계 (b)에서 식별된 제조 파라미터들은 상기 원하는 외관과 유사한 외관을 갖는 물리적 물품을 제조하기에 충분한 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 (b)는 특정 폴리머 조성 및 특정 착색제들에 대한 흡수 계수, 산란 계수 및 농도 값들을 이용하여 상기 가상 물품에 대한 내부 컬러 성분을 계산하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 (a)는 c1, c2및 c3값들 및 수학식 1, 2, 및 3으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 수학식을 이용하여 상기 표면 반사율 성분을 계산하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, c1, c2, 및 c3값들을 결정하기 위해 광선 투사법 알고리즘(ray-tracing algorithm)이 이용되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 단계 (b)로부터의 제조 파라미터들을 이용하여 물리적 물품을 제조하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 물리적 물품을 제조하는 단계는 플라스틱 물품을성형(molding)하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 원하는 외관과 실질적으로 유사한 외관을 갖는 물리적 물품을 생성하기 위해 3회 이하의 시험 제조가 필요한 방법.
  11. 제1항에 있어서, 목표(target) 외관을 갖는 목표 물품의 외관을 특징화(characterize)하고, 상기 가상 물품 파라미터들이 상기 목표 물품과 용인 가능하게(acceptably) 유사한 외관 특징들을 갖는 물품에 대응할 때까지 상기 가상 물품 파라미터들의 세트를 수정하는 적어도 하나의 단계를 단계 (a) 전에 더 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 목표 물품의 외관 특징들과 상기 가상 물품 파라미터들의 세트의 외관 특징들 사이의 유사성은 상기 목표 물품에 대한 반사율 값들의 어레이를 상기 가상 물품 파라미터들의 반사율 값들의 어레이와 비교함으로써 평가되는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 목표 물품의 외관 특징들과 상기 가상 물품 파라미터들의 세트의 외관 특징들 사이의 유사성은 상기 목표 물품에 대한 L,a,b 값들의 어레이를 상기 가상 물품 파라미터들의 L,a,b 값들의 어레이와 비교함으로써 평가되는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 가상 물품 파라미터들의 세트를 결정하는 데 사용하기 위한 매크로 표면 텍스처를 정의하는 데 있어서 상기 목표 물품의 표면 형태(topography) 프로파일이 사용되는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 단계 (a)에서의 상기 원하는 외관은 상기 목표 외관과 동일한 방법.
  16. 제11항에 있어서, 단계 (a)에서의 상기 원하는 외관은 상기 목표 외관과 상이한 방법.
  17. 플라스틱 물품을 설계하는 방법으로서,
    (a) 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 외관을 포함한, 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 하에서의 가상 물품의 외관 및 제조 파라미터들을 정의하기 위한 충분한 정보를 포함하는 가상 물품 파라미터들의 초기 세트를 정의하는 단계와;
    (b) 조명 및 관찰 각도들의 2 이상의 조합 하에서의, 마이크로 표면 텍스처에 기인하는 반사율 특성들을 포함하는, 내부 컬러 및 표면 반사율 특성들로부터 생기는 외관을 드러내는 충분한 상세를 갖는 가상 물품을 상기 가상 물품 파라미터들의 세트로부터 생성하는 단계와;
    (c) 만일 상기 가상 물품이 원하는 외관을 갖지 않는 경우에는, 적어도 하나의 가상 물품 파라미터를 수정하여 가상 물품 파라미터들의 새로운 세트를 정의하고 그 후 원하는 외관을 갖는 가상 물품을 생성하는 가상 물품 파라미터들의 최종 세트를 성취할 때까지 반복 사이클로 상기 가상 물품 파라미터들의 새로운 세트로부터 새로운 가상 물품을 생성하는 단계와;
    (d) 상기 가상 물품 파라미터들의 최종 세트로부터 제조 파라미터들을 식별하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, (e) 단계 (d)로부터의 제조 파라미터들을 이용하여 물리적 물품을 제조하는 단계를 더 포함하는 방법.
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