KR20070103230A - Micro-stereolithography apparatus and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형 장치를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a micro-optical molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 광 조형 장치의 커넥터에 포함된 제1 광학렌즈부를 자세히 도시한 도면이다.FIG. 2 is a detailed view of the first optical lens unit included in the connector of the micro-optical molding device shown in FIG. 1.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로 광 조형 장치의 튜브를 도시한 도면이다.3 is a view showing a tube of the micro-optical molding device shown in FIG.
도 4은 도 3에 도시된 튜브에 포함된 제2 광학렌즈부를 자세히 도시한 도면이다.4 is a view illustrating in detail a second optical lens unit included in the tube shown in FIG. 3.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.5 is a flowchart sequentially illustrating a micro-optical molding method according to an embodiment of the present invention.
<도면부호의 간단한 설명><Brief Description of Drawings>
10: 광원 20: 커넥터10: light source 20: connector
21: 제1 광학렌즈부 22 내지 25 : 제1 내지 제 4 렌즈21: first
30: 광파이버 31: 코어30: optical fiber 31: core
32: 클래딩 40: 튜브32: cladding 40: tube
41: 제2 광학렌즈부 42: 제5 렌즈41: second optical lens unit 42: fifth lens
43: 제6 렌즈 50: 튜브 홀더43: sixth lens 50: tube holder
60: 제1 스테이지 70: 제2 스테이지60: first stage 70: second stage
80: 엘리베이터 90: 용기80: elevator 90: container
100: 시스템 서버 110: 광경화 수지100: system server 110: photo-curing resin
120: 경화된 광경화 수지120: cured photocuring resin
본 발명은 마이크로 광 조형 장치에 관한 것으로, 특히 자외선 광원과 광파이버를 구비하여 저비용의 광 조형장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a micro-optical molding apparatus, and more particularly, to a low-cost optical molding apparatus and method including an ultraviolet light source and optical fiber.
현재 고도의 기술 발달로 인해 마이크로 단위의 제품들이 공학, 의학 등의 여러산업분야에 사용되고 있다. 이러한 마이크로 단위의 제품들을 제조하기 위하여 주로 엠이엠에스(Micro Electro Michenical System; MEMS) 또는 엘아이지에이(Lithographie, Galvanoformung, Abformung; LIGA) 기술이 많이 사용되고 있다. 이러한 기술들은 고가의 레이져 광원을 기반으로 하기 때문에 제조장치의 비용이 고가이며, 이러한 기술들은 반도체 공정을 기반으로 하기 때문에 높은 세장비(Aspet-Ratio)를 가지는 구조물이나 복잡한 3차원 형상을 제조하기에는 어려움이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래에 마이크로 광 조형기술은 레이저 를 렌즈 및 거울 등의 일련의 복잡한 광학계를 이용하여 입사되는 레이저 광을 매우 작은 초점 직경으로 변환한 후 이를 광경화 수지에 공급하여 3차원의 마이크로 광 조형물을 제조하는 것이 대부분이다.At present, due to the high technological development, micro-scale products are used in various industries such as engineering and medicine. In order to manufacture such micro-unit products, MMS (Micro Electro Michenical System; MEMS) or LIG (Lithographie, Galvanoformung, Abformung; LIGA) technology is widely used. Since these technologies are based on expensive laser light sources, the cost of manufacturing equipment is expensive. Since these technologies are based on semiconductor processes, it is difficult to fabricate structures having high assortment or complex three-dimensional shapes. have. In order to solve this problem, the conventional micro-optic molding technology converts a laser beam into a very small focal diameter by using a series of complex optical systems such as a lens and a mirror, and then supplies it to a photocurable resin for 3D. It is mostly the manufacture of micro light sculptures.
그러나, 종래의 마이크로 광 조형 장치는 가격이 고가인 레이저를 광원으로 사용하고, 레이저 광을 굴절 및 반사시켜 매우 작으로 초점 직경을 갖도록 초점화시키기 위해 광학계를 많이 사용하므로 장비를 구성하는데 있어서 많은 비용과 노력이 필요하다.However, the conventional micro-optical molding apparatus uses a high cost laser as a light source, and uses a lot of optical systems to refract and reflect the laser light to have a very small focal diameter. It takes effort.
따라서, 본 발명의 목적은 자외선 램프와 광파이버를 이용하는 저비용의 마이크로 광 조형 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a low cost micro light shaping apparatus and method using an ultraviolet lamp and an optical fiber.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자외선을 공급하는 광원과, 상기 광원으로부터 공급된 자외선을 안내하는 광파이버와, 상기 광원과 상기 광파이버를 접속하는 커넥터 및 상기 광파이버의 끝단에 형성되어 상기 자외선을 광경화 수지에 공급하기 위한 튜브를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 광 조형 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a light source for supplying ultraviolet light, an optical fiber for guiding the ultraviolet light supplied from the light source, a connector for connecting the light source and the optical fiber and the end of the optical fiber is formed to Provided is a micro-optical molding device comprising a tube for supplying a photocurable resin.
상기 광원은 자외선 램프인 것을 특징으로 한다.The light source is characterized in that the ultraviolet lamp.
상기 커넥터는 상기 광원의 광을 집속하여 상기 광파이버로 공급하는 제1 광 학렌즈부를 더 구비한다.The connector further includes a first optical lens unit for focusing the light of the light source and supplying the light to the optical fiber.
상기 제1 광학렌즈부는 상기 광원의 광을 평행광으로 변환하는 제1 렌즈와, 상기 제1 렌즈를 투과한 평행광을 집속하는 제2 렌즈와, 상기 제2 렌즈를 투과하여 집속된 광을 평행광으로 변환하는 제3 렌즈 및 상기 제3 렌즈를 투과한 광을 집속하여 상기 광파이버에 공급하는 제4 렌즈를 더 포함한 것을 특징으로 한다.The first optical lens unit includes a first lens for converting light of the light source into parallel light, a second lens for focusing parallel light transmitted through the first lens, and light focused through the second lens. And a fourth lens for converting the light into a light and a fourth lens for focusing the light transmitted through the third lens and supplying the light to the optical fiber.
상기 튜브는 상기 광파이버로부터 출사된 자외선을 수 ㎛의 직경으로 집속하는 제2 광학렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The tube may further include a second optical lens unit for focusing ultraviolet rays emitted from the optical fiber to a diameter of several μm.
상기 제2 광학렌즈부는 상기 광파이버로부터 발산된 광을 평행광으로 변환하는 제5 렌즈 및 상기 제5 렌즈를 투과한 광을 수 ㎛의 직경으로 집속하는 제6 렌즈를 더 구비한 것을 특징으로 한다.The second optical lens unit may further include a fifth lens for converting light emitted from the optical fiber into parallel light and a sixth lens for focusing light transmitted through the fifth lens to a diameter of several μm.
상기 튜브를 고정하는 튜브 홀더 및 상기 튜브 홀더를 X축 및 Y축 방향으로 이송하는 제1 스테이지를 더 구비한 것을 특징으로 한다.It further comprises a tube holder for fixing the tube and a first stage for transferring the tube holder in the X-axis and Y-axis direction.
상기 광경화 수지의 단면층 두께를 조절하기 위안 제2 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And further comprising a second stage for adjusting the thickness of the cross-sectional layer of the photocurable resin.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광원을 구동하여 자외선을 발생하는 단계와, 상기 자외선을 광파이버를 통해 광경화 수지에 공급하는 단계 및 상기 자외선을 공급받아 상기 광경화 수지를 경화시켜 마이크로 광조형물을 제조하는 단계를 포함하는 마이크로 광 조형 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to drive the light source to generate ultraviolet light, to supply the ultraviolet light to the photocurable resin through the optical fiber and to receive the ultraviolet light to cure the photocurable resin micro It provides a micro-optical molding method comprising the step of manufacturing the optical sculpture.
상기 광경화 수지에 자외선을 공급하는 단계는, 제1 스테이지 통해 상기 광파이버의 끝단에 형성된 튜브를 X축 및 Y축으로 이동하여 상기 광경화 수지를 경화 시켜 2차원 단면 층을 성형하는 단계를 더 포함한다.The supplying of ultraviolet rays to the photocurable resin further comprises: forming a two-dimensional cross-sectional layer by curing the photocurable resin by moving the tube formed at the end of the optical fiber through the first stage along the X and Y axes. do.
Z축 방향으로 수직으로 이동하는 제2 스테이지를 통해 상기 2차원 단면 층으로 경화된 광경화 수지상에 미경화된 광경화 수지를 공급하고, 제1 스테이지를 통해 새로운 2차원 광경화 수지 단면층을 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The uncured photocurable resin is supplied onto the cured photocurable resin into the two-dimensional cross-sectional layer through a second stage vertically moving in the Z-axis direction, and a new two-dimensional photocurable resin cross-sectional layer is formed through the first stage. Characterized in that it further comprises the step.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Other objects and advantages of the present invention in addition to the above object will be apparent from the description of the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 광 조형 장치를 계략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing a micro-optical molding apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형 장치는 자외선을 공급하는 광원(10)과, 광원(10)으로부터 공급된 자외선을 안내하는 광파이버(30)와, 광원(10)과 광파이버(30)를 접속하는 커넥터(20) 및 광파이버(30)의 끝단에 형성되어 자외선을 광경화 수지(110)에 공급하기 위한 튜브(40)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a micro-optical molding apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
구체적으로, 광원(10)은 광경화 수지(110)에 광을 공급하여 광경화 수지(110)를 경화시킨다. 이러한 광원(10)으로는 저가이면서, 높은 광효율을 나타내며 광경화 수지(110)의 특성에 알맞는 자외선 램프(10)를 사용하는 것이 바람직하다. 이외에 자외선 레이저 등을 사용할 수 있다. 여기서, 광원(10)은 시스템 서버(100)에 의해 턴온 또는 턴오프된다. 한편, 광원(10)이 턴온되어 안정적으로 광에 너지 또는 자외선량을 공급하는 데는 소정의 시간이 소요된다. 이 때, 광원(10)의 턴온/턴오프로 인하여 소요되는 시간으로 인하여 공정시간이 길어지는 것을 방지하기 위하여 광원(10)과 커넥터(20) 사이에 셔터(도시하지 않음)를 더 구비한다. 셔터는 시스템 서버(100)와 연결되어 시스템 서버에서 자외선 공급중지 명령이 전달될 때, 오프되어 광원(10)에서 공급되는 자외선을 차단한다. 따라서, 광원(10)의 턴온 및 턴 오프시 구동시간을 절감하여 공정시간을 단축시킬 수 있다.Specifically, the
광원(10)에서 방출된 자외선은 광파이버(30)를 통해 안내되어 광경화 수지(110)에 공급된다. 광파이버(30)는 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다. 광파이버(30)는 중앙의 코어(31)와 코어(31)를 주변에서 감싸는 클래딩(32)으로 이루어진 이중원기둥 형태를 갖는다. 그리고 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 보호막을 구비한다. 광파이버(30)의 지름은 백 내지 수백 ㎛정도로 매우 작고, 코어(31)의 굴절률이 클래딩(32)의 굴절률보다 크게 형성되어, 코어(31)와 클래딩(32)의 경계에서 전반사되어 손실없이 광을 투과시킨다. 광파이버(30)는 소형·경량으로서 굴곡에도 물리적 특성이 강하며, 외부환경의 변화에도 영향을 거의 받지 않는다. Ultraviolet rays emitted from the
이러한 광파이버(30)를 광원(10)과 접속시키기 위해 커넥터(20)를 더 구비한다. 커넥터(20)는 광원(10)으로 사용되는 자외선 램프(10)가 큰 발산각을 갖기 때문에 광파이버(30)로 자외선을 집광시키는 제1 광학렌즈부(21)를 더 포함한다. The
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 광학렌즈부(21)를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating the first
도 2를 참조하면, 제1 광학렌즈부(21)는 광원(10)에서 발산된 광을 평행광으 로 변환하는 제1 렌즈(22)와, 평행광을 집속하는 제2 렌즈(23)와, 집속된 광을 다시 평행광으로 변환하는 제3 렌즈(24) 및 제3 렌즈(24)로부터 공급된 광의 지름을 작게 만드는 제4 렌즈(25)를 포함한다.2, the first
제1 렌즈(22)는 광원(10)을 자외선 램프(10)를 사용할 경우 자외선 램프(10)에서 공급되는 자외선은 발산각이 매우 크다. 따라서, 제1 렌즈(22)는 볼록렌즈를 사용한다. 제1 렌즈(22)를 통과한 자외선은 평행한 광으로 변환된다. 제2 렌즈(23)는 제1 렌즈(22)로부터 공급된 평행한 광을 집광하기 위하여 볼록렌즈를 사용한다. 제2 렌즈(23) 통과한 자외선은 볼록렌즈의 두께에 대응하여 하나의 초점에 집광된다. 그리고 제2 렌즈(23)를 통해 집광된 광은 제3 렌즈(24)에 공급되어 평행광으로 변환된다. 평행광으로 변환된 자외선은 제4 렌즈(25)를 통과하여 광파이버(30)에 공급된다. 제4 렌즈(25)는 제3 렌즈로부터 공급된 자외선을 광파이버(30)의 코어에 집광시키기 위해 수십 ㎛의 직경을 갖는 자외선으로 변환하여 광파이버(30)에 공급한다. 여기서, 제1 광학렌즈부(21)와 광파이버(30)는 동일 광축상에 위치하며, 제4 렌즈(25)의 초점 평면이 광파이버(30)의 끝단에 위치한다.When the
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형 장치의 튜브를 상세히 도시한 도면이다.3 is a view showing in detail the tube of the micro-optical molding apparatus according to an embodiment of the present invention shown in FIG.
도 3을 참조하면, 광파이버(30)의 일단은 튜브(40)가 형성되고, 튜브(40)는 튜브 홀더(50)에 고정된다. 그리고 튜브 홀더(50)는 제1 스테이지(60)에 장착되어 튜브(40)를 X축 및 Y축으로 이동시킨다.Referring to FIG. 3, one end of the
구체적으로, 광파이버(30)의 끝단에는 튜브(40)가 형성된다. 그리고 튜브 홀더(50)는 튜브(40)의 외곽을 단단히 고정하며 제1 스테이지(60)와 연결된다. Specifically, the
제1 스테이지(60)는 튜브(40)를 통해 출력된 자외선을 광경화 수지(110)에 직접 조사하여 마이크로 조형물의 단층을 형성하기 위하여 튜브 홀더(50)를 X축 및 Y축으로 이동시킨다. 제1 스테이지(60)가 X축 및 Y축으로 이동함으로써 광경화 수지(110)를 경화시켜 2차원의 얇은 막 형태로 성형한다. 여기서, 제1 스테이지(60)의 속도에 따라 광경화 수지(110)에 공급되는 자외선의 양이 변하므로 이동속도를 제어하여 설계된 광 조형물의 2차원 형상을 성형한다. 예를 들어, 폭이 좁은 형상을 제조할 경우는 제1 스테이지(60)의 속도를 높여 단위 면적을 기준으로 광경화 수지(110)에 공급되는 자외선 양을 줄이고, 이와 반대로 폭이 큰 형상을 제조할 경우 제1 스테이지(60)의 속도를 줄여 광경화 수지(110)에 공급되는 자외선 양을 늘린다.The
한편, 튜브(40)는 자외선이 출력되어 광경화 수지(110)로 극소의 직경을 갖는 광을 공급하도록 제2 광학렌즈부(41)가 더 구비된다. On the other hand, the
도 4는 도 3에 도시된 튜브에 형성된 제2 광학렌즈부를 도시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a second optical lens unit formed in the tube illustrated in FIG. 3.
도 4를 참조하면, 제2 광학렌즈부(41)는 광파이버(30)의 끝단에서 출력되는 광을 평행하게 공급하는 제5 렌즈(42)와, 제5 렌즈(42)에서 공급된 광을 수 내지 수집 ㎛의 직경을 갖는 초점된 광으로 변환하는 제6 렌즈(43)를 포함한다. Referring to FIG. 4, the second
구체적으로, 제5 렌즈(42)는 볼록렌즈로 형성되며 광파이버(30)의 끝단에서 발산된 자외선을 평행하게 공급하는 기능을 한다. 그리고 제6 렌즈(43)는 제5 렌즈(42)에서 평행하게 공급된 자외선을 수 ㎛의 직경으로 초점된 자외선 빔으로 변 환하여 광경화 수지(110)에 공급한다. 이를 위하여 제6 렌즈(43)는 볼록렌즈로 형성된다. 여기서, 제 5 및 제6 렌즈(42, 43)는 볼록렌즈 이외에 오목렌즈를 사용할 수도 있다.Specifically, the
제2 스테이지(70)는 광경화 수지(110)가 개재된 용기(90)의 내부에 광경화 수지(110)의 단면층으로 승강 또는 하강시키는 엘리베이터(80)를 제어한다. 제2 스테이지(70)는 제1 스테이지(60)의 이동에 의해 경화된 광경화 수지(120)를 엘리베이터(80)를 통해 하강시켜 새로운 광경화 수지(110)를 경화된 광경화 수지(120)위로 위치시킨다. 이를 통해 3차원의 마이크로 광 조형물을 제조할 수 있다.The
제1 및 제2 스테이지(60, 70)는 시스템 서버(100)로부터 데이터를 공급받아 각각 동작된다.The first and
시스템 서버(100)는 3차원의 마이크로 조형물의 설계 데이터를 입력받아 광원(10)과 제1 및 제2 스테이지(60, 70)에 데이터 정보를 공급하여 광원(10)의 턴온 및 턴오프와 제1 및 제2 스테이지(60, 70)의 이동위치 및 이동속도를 제어한다. The
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형물 제조방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.5 is a flowchart sequentially illustrating a method of manufacturing a micro light sculpture according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 광 조형물 제조방법은 광원을 구동하여 자외선을 발생하는 단계(S1)와, 광원에서 공급된 자외선을 광파이버를 통해 광경화 수지에 공급하는 단계(S2) 및 자외선을 공급받아 광경화 수지를 경화시켜 마이크로 광조형물을 제조하는 단계(S3)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the method for manufacturing a micro-optic sculpture according to the present invention includes the steps of generating ultraviolet rays by driving a light source (S1), supplying ultraviolet rays supplied from the light source to the photocurable resin through an optical fiber (S2) and And receiving the ultraviolet rays to cure the photocurable resin to prepare a micro-optic sculpture (S3).
구체적으로, 광원을 구동하여 자외선을 공급한다. 여기서, 광원은 자외선 램프를 사용하는 것이 바랍직하다. Specifically, the ultraviolet light is supplied by driving the light source. Here, it is preferable that the light source uses an ultraviolet lamp.
다음으로, 광원에서 공급된 자외선은 커넥터를 통해 집광된 후 광파이버를 경유하여 광경화 수지에 공급된다. 커넥터는 제1 내지 제 4 렌즈를 구비하고, 제1 내지 제4 렌즈를 차례로 통과하여 광원에서 큰 발산각으로 공급된 자외선을 수백 ㎛의 직경의 자외선으로 변환하여 광파이버에 공급한다. Next, ultraviolet rays supplied from the light source are collected through the connector and then supplied to the photocuring resin via the optical fiber. The connector includes first to fourth lenses, and sequentially passes through the first to fourth lenses, and converts ultraviolet rays supplied at a large divergence angle from the light source into ultraviolet rays having a diameter of several hundred μm and supplies them to the optical fiber.
다음으로, 광파이버를 따라 전반사되어 타측단으로 공급된 자외선은 광경화 수지에 공급된어 광경화 수지를 경화시킨다. 여기서, 제1 스테이지를 X축 및 Y축으로 이동하여 2차원의 광경화 수지 단층을 제조한다. 그리고 제2 스테이지를 하강하여 미경화된 광경화 수지를 공급하고 다시 2차원의 광경화 수지 단층을 제조한다. 이러한 과정을 반복하여 3차원의 마이크로 광 조형물을 제조한다.Next, the ultraviolet rays totally reflected along the optical fiber and supplied to the other side end are supplied to the photocurable resin to cure the photocurable resin. Here, the first stage is moved on the X axis and the Y axis to produce a two-dimensional photocurable resin monolayer. Then, the second stage is lowered to supply an uncured photocurable resin, and a two-dimensional photocurable resin monolayer is prepared again. This process is repeated to produce a three-dimensional micro light sculpture.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광 조형 장치 및 방법은 자외선에 경화되는 광경화 수지를 적층하여 3차원의 마이크로 광 조형물을 제조할 수 있으며, 특히 광원으로 저비용의 자외선 램프를 사용하여 마이크로 광 조형 장치의 비용을 줄이고, 광파이버를 사용하여 종래의 복잡한 광학계를 단순화할 수 있다. As described above, the micro-optic molding apparatus and method according to the embodiment of the present invention can produce a three-dimensional micro-optical sculpture by laminating a photocurable resin cured in ultraviolet light, in particular, using a low-cost UV lamp as a light source By reducing the cost of the micro-optical molding device, it is possible to simplify the conventional complex optical system using the optical fiber.
종래의 복잡한 광학계 대신 광파이버를 사용하므로써, 마이크로 광 조형물 제조장치의 제조시간이 절감된다.By using the optical fiber instead of the conventional complicated optical system, the manufacturing time of the micro-optical sculpture manufacturing apparatus is reduced.
이상에서 상술한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정하지 않고 청구범위에 의해 그 권리가 정해져야 할 것이다.The present invention described above will be capable of various substitutions, modifications and changes by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and the rights thereof should be determined by the claims.
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