KR20090044631A - 광 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치 및 그 장치를이용하여 구조물을 형성하는 방법 - Google Patents

광 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치 및 그 장치를이용하여 구조물을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 광조형 장치는, 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치로서,
상기 광 경화성 수지에 주사하는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드와, 반사되는 레이저를 검출하는 광 검출기와, 상기 광 경화성 수지에 대한 레이저의 초점을 맺는 초점 렌즈를 포함하는 광 픽업 유니트와,
상기 광 픽업 유니트를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지와,
상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형 될 수 있도록 하는 성형 보조 부재와,
상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지를 포함한다.
광조형, 광 픽업 유니트, 구조물, 광 경화성 수지

Description

광 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치 및 그 장치를 이용하여 구조물을 형성하는 방법{Stereolithography Device Using Laser Pick-UP Unit and Method for Forming Structure Using the Device}
본 발명은 광 픽업 유니트를 이용한 광조형 장치 및 그 장치를 이용하여 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다.
항공 산업에서부터 바이오 산업에 이르는 다양한 산업 분야에서 높은 세장비(aspect ratio)를 가지는 복잡한 3차원 형상의 마이크로 형상을 정밀하게 성형하는 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 미세한 구조물을 제작하는 데 가장 많이 이용되고 있는 기술은 반도체 제작 공정을 기반으로 하는 MEMS나 LIGA(Lithography Galvanoforming Abforming) 공정 등이 있다. 이러한 공정은 가공 정밀도가 우수하며 대량 생산에 효과적인 장점이 있지만 2차원 혹은 제한적인 3차원 구조물을 만들기에 적합한 기술이므로 복잡한 3차원 마이크로 구조물을 제작하는 데에는 한계가 있었다.
이러한 기존 공정의 한계를 극복하기 위해 개발된 광조형법(Stereolithography)는 복잡한 3차원 구조물을 제작하기 위하여 광조형 기술을 이용하는 공정이다. 이 기술은 액체 상태의 광 경화성 수지(photo resin)에 레이저를 조사하여 일정한 두께를 가지는 층을 미세하게 경화시키고, 이와 같은 층을 반복적으로 적층하여 3차원 구조물을 성형하는 기술이다.
종래의 광조형 장치는 아르곤 이온(Ar+), 헬륨 카드뮴(He-Cd) 레이저 등 고가의 레이저를 사용하기 때문에 장치를 구성하거나 유지 보수하는데에 많은 비용이 들어가는 문제점이 있다. 그리고 광원의 빛을 광 경화성 수지의 표면에 주사하기 위해서 복잡한 광학 시스템을 이용해야 하였으므로 전체 시스템의 크기가 증대하고, 이 시스템에 사용되는 광학 부품의 정렬에 많은 노력이 필요한 단점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여, 저렴하고 간단한 광조형 장치 및 그 장치를 이용하여 구조물을 성형하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 광조형 장치는, 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치로서,
상기 광 경화성 수지에 주사하는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드와, 반사되는 레이저를 검출하는 광 검출기와, 상기 광 경화성 수지에 대한 레이저의 초점을 맺는 초점 렌즈를 포함하는 광 픽업 유니트와,
상기 광 픽업 유니트를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지와,
상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형 될 수 있도록 하는 성형 보조 부재와,
상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 광조형 장치는 광 경화성 수지에 대해서 배치가 자유로운 기준 반사 부재를 더 포함한다. 그리고 상기 광 픽업 유니트는, 레이저의 초점이 상기 기준 반사 부재의 표면에 위치하도록 조절하는 레이저 초점 조절부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 상기 광 픽업 유니트는, 상기 광 검출기에 의해 검출되는 레이저를 입력값으로 하여 레이저 파워를 피드백 제어하는 피드백 제어부를 더 포함한다.
상기 레이저 다이오드는 청자색 레이저 다이오드인 것이 바람직하다. 청자색 레이저 다이오드라 함은 소위 블루 레이(Blu Ray)나 HD-DVD에서 사용하는 파장 405 nm 대의 레이저를 의미한다. 그러나 위 파장에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 축, 제2 축, 제3 축은 서로에 대해 수직을 이루는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 광조형 방법은,
컴퓨터 원용 설계 모델로부터 구조물의 단면 형상과 레이저 주사 경로를 생성하는 단계와,
성형하고자 하는 구조물의 단면을 위한 초점 위치에 기준 반사 부재의 표면이 오도록 배치시키고 상기 기준 반사 부재의 표면에 레이저의 초점을 위치시키는 단계와,
제1 축 및 제2 축으로 구성되는 이송계에서 상기 생성된 주사 경로에 따라 광 픽업 유니트를 이동시키면서 레이저를 주사하여 단면 형상을 성형하는 단계와,
상기 이송계에서의 단면 형상 성형이 완료되면 다음 단면 형상의 성형이 가 능하도록 제3 축을 따라서 상기 성형 보조 부재를 이동시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 광 픽업 유니트를 사용함으로써, 고가의 레이저를 사용하지 않고, 더욱이 복잡한 정렬이 필요한 광학 시스템이 필요없는 광조형 장치 및 그러한 광조형 장치를 이용한 광조형 방법이 제공된다. 또한, 광조형 방법을 이용한 구조물 성형시에 레이저의 강도 및 초점 거리를 자유롭게 제어함으로써 더 정교하고 정밀한 구조물을 성형하는 것이 가능해 진다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 광조형 장치의 구성도가 도시되어 있다. 액체 상태의 광 경화성 수지(8)가 용기(7)에 수용되어 있으며, 이 광 경화성 수지(8)에 레이저를 주사하여 구조물을 성형한다. 광조형 장치는, 제1 스테이지(1)와, 제1 스테이지에 지지되어 있는 광 픽업 유니트(2)와, 제2 스테이지(3)와, 제2 스테이지(3)에 지지되어 있는 성형 보조 부재(4)와, 기준 반사 부재(6)를 포함한다.
제1 스테이지(1)는 제1 축과 제2 축을 따라서 이동 가능하다. 도 1의 예에서 제1 축은 x 축이고, 제2 축은 y축이다. 제1 축과 제2 축은 서로에 대해서 직각 을 이루지만, 반드시 직각을 이루어야 하는 것은 아니다. 제1 스테이지(1)가 제1 축 및 제2 축을 따라서 이동함에 따라서 제1 스테이지(1)에 지지되어 있는 광 픽업 유니트(2)도 제1 축 및 제2 축을 따라서 이동하게 된다. 광 픽업 유니트(2)는 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
제2 스테이지(3)는 제3 축을 따라서 이동 가능하다. 도 1의 예에서 제3 축은 제1 축 및 제2 축과 직각을 이루는 z 축이다. 그러나 제1 축, 제2 축 및 제3 축은 서로의 관계가 반드시 이러한 배향(orientation)을 가지는 축일 필요는 없다. 제2 스테이지(3)에는 성형 보조 부재(4)가 지지되어 있는데, 제2 스테이지(3)가 제3 축을 따라서 이동함에 따라 성형 보조 부재(4)도 제3 축을 따라서 이동하게 된다. 성형 보조 부재(4)의 위쪽에는 광 경화성 수지(8)가 배치되는데, 광 픽업 유니트(2)에서 주사된 레이저가 성형 보조 부재(4) 위쪽 영역의 광 경화성 수지(5) 부분을 경화시킨다.
기준 반사 부재(6)는 그 표면이 일반적으로 광 경화성 수지(8)의 표면과 동기화되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그러나 성형의 형태에 따라서는 반드시 표면과 동기화되지 않아도 된다.
도 2에는 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용되는 광 픽업 유니트(2)의 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서는 가장 간단한 형태의 광 픽업 유니트(2)의 구성이 도시되어 있지만, 좀 더 복잡한 광 픽업 유니트의 다른 형태도 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 광 픽업 유니트(2)는 광원의 역할을 하는 레이저 다이오드(21)와, 대물 렌 즈(23)와, 포토 디텍터(25)와, 하프 미러(27; half mirror)를 포함한다. 레이저 다이오드(21)에서 생성되어 주사되는 레이저는 대물렌즈(23; 초점 렌즈)를 거쳐서 광 경화성 수지(8)의 표면에 도달하여 영역(85)을 경화시킨다. 한편, 광 경화성 수지(8)의 표면에서 반사되는 레이저는 대물렌즈(23)를 거쳐서 하프 렌즈(27)를 거쳐 포토 디텍터(25)로 진입하게 된다. 광 픽업 유니트(2)는, 포토 디텍터(25)에서 감지한 레이저의 파워를 입력값으로 하여, 피드백 제어를 수행하도록 하는 피드백 제어부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이러한 피드백 제어부가 제공됨으로 인해, 광조형 공정 도중에도 레이저의 파워를 매우 손쉽게 제어하는 것이 가능해지므로, 종래의 광조형 장치에 비하여 훨씬 정교하고 정밀한 광조형 공정을 수행하는 것이 가능하다.
본 발명에 사용되는 광 픽업 유니트(2)의 레이저 다이오드는 청자색 레이저 다이오드인 것이 바람직하다. 청자색 레이저는 소위 블루 레이 또는 HD-DVD에서 사용하는 레이저로서 그 파장이 405 nm 대의 레이저를 의미한다. 그러나 레이저의 종류는 사용하는 광 경화성 수지의 특성에 따라서 다양한 파장대의 레이저가 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명이 적용되는 범위는 광 픽업 유니트에 의해 구현 가능한 레이저에 제한된다.
본래 광 픽업 유니트에 사용되는 대물렌즈(23)는 기록 매체에 기록되어 있는 고밀도의 데이터를 판독해야 하기 때문에 높은 경구율(NA)값을 가지는데, 본 발명에 의한 광조형 장치에서는 긴 초점 거리를 필요로 하고 초점되는 레이저의 직경이 수 ㎛ 정도이기 때문에, 통상의 광 픽업 유니트에 사용되는 대물렌즈보다 낮은 경 구율을 가지는 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.
도 3에는 본 발명에 의한 광조형 장치를 사용하여 광조형을 수행할 때에 성형되는 영역의 예가 도시되어 있다.
도 3의 상단에는 레이저의 출력을 조정하였을 때에 성형되는 영역이, 도 3의 하단에는 레이저의 초점을 조정하였을 때에 성형되는 영역이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 포토 디텍터(25)에 의해 감지되는 레이저의 파워를 기초로 하여 피드백 제어를 수행하여 레이저의 파워를 조정할 수 있는데, 도 3의 상단에 도시된 특성의 성형 영역을 고려하여 성형하고자 하는 구조물의 단층 구조에 따라서 레이저 파워를 조정하여 원하는 형상으로 정밀하게 성형할 수 있게 된다.
도 3의 하단에 도시된 초점에 따른 성형 영역의 차이는 기준 반사 부재(6)의 위치를 조정함으로써 초점을 조정할 수 있기 때문에 가능해 진다. 즉 기준 반사 부재(6)의 표면을 도 1에 도시된 바와 같이 광 경화성 수지(8)의 표면과 동기화시키면 광 픽업 유니트(2)의 초점이 광 경화성 수지(8)의 표면에 맞추어 지므로 도 3의 하단 좌측과 같이 성형하는 것이 가능하며, 기준 반사 부재(6)의 표면을 광 경화성 수지(8)의 표면보다 높은 위치에 두고 광 픽업 유니트의 초점을 맞추면 도 3의 하단 우측에 도시된 바와 같이 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 기준 반사 부재(6)를 통한 초점 조정을 통해서도 원하는 형상의 단층을 정밀하게 성형하는 것이 가능해지는 효과가 있다. 초점을 기준 반사 부재(6)에 자동으로 맞추는 오토 포커싱은 광 픽업 유니트에 일반적으로 사용되는 포커스 서보 메카니즘(focus servo mechanism; 레이저 초점 조절부, 도시되지 않음)에 의해 가능하다.
다음으로 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 광조형 방법에 대해서 설명하기로 한다. 먼저 단계(S41)에서 컴퓨터 원용 설계(CAD) 모델로부터 성형하고자 하는 구조물의 단면 형상과 레이저 주사 경로를 생성한다. 광조형 장치는 3차원 구조의 구조물을 소정의 축에 따라서 단면으로 분할하고, 각각의 단면을 성형하여 전체 3차원 구조물을 완성하는 공정을 따르므로 구조물의 단면 형상을 CAD 모델로부터 확정하고, 그에 따른 레이저의 주사 경로도 결정한다.
단계(S42)로 이행하여, 기준 반사 부재(6)의 표면(65)에 대해서 레이저의 초점을 위치시킨다. 단계(S43)에서는 레이저를 ON하고 파워를 조절한다. 다음으로 단계(S44)로 이행하여 제1 축 및 제2 축에 대해 광 픽업 유니트를 이동시키면서 레이저를 주사하여 단면 형상을 성형한다. 단면 형상에 따라서 레이저의 출력을 전술한 피드백 제어부를 통해 제어하면서 성형할 수도 있고, 전술한 방법으로 초점을 조절하면서 성형할 수도 있다.
이어서 단계(S45)에서 모든 층을 다 성형했는지를 판단한다. 아직 성형할 단면이 남아 있으면 단계(S46)로 이행하고, 성형을 완료하였으면 광조형 공정을 종료한다. 단계(S46)에서는, 제3 축 즉 z축에 대해서 제2 스테이지(3)를 이동시켜 성형 보조 부재(4)를 이동시킨다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같은 상태에서 광 픽업 유니트(2)가 제1 축 및 제2 축 즉 x축 및 y축으로 형성되는 이송계를 따라서 제1 스테이지(1)의 이동에 따라 미리 결정된 경로를 따라서 레이저를 주사하여 단면(5)의 형상을 성형하는 것을 마치면, 제2 스테이지(3)를 z축을 따라서 아래로 이동시킨다. 그렇게 하면 성형 보조 부재(4)도 아래쪽으로 이 동하며, 이미 경화되어 성형된 단면(5)의 상부쪽에 광경화성 수지의 액체 부분이 오게 되며, 다시 광 픽업 유니트(2)가 제1 스테이지(1)의 이동에 따라서 이동하면서 이 부분에 레이저를 조사하여 다음번 단면을 성형하게 된다. 이러한 과정을 반복함으로써, 성형하고자 하는 3차원 형상의 구조물을 성형할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 광조형 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 광조형 장치에 사용되는 광 픽업 유니트의 개념도.
도 3은 본 발명에 의한 광조형 장치의 다양한 성형례를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 광조형 방법의 순서도.

Claims (8)

  1. 용기에 수용되어 있는 광 경화성 수지에 레이저를 주사하여 구조물을 성형하는 광조형 장치에 있어서,
    상기 광 경화성 수지에 주사하는 레이저를 생성하는 레이저 다이오드와, 반사되는 레이저를 검출하는 광 검출기와, 상기 광 경화성 수지에 대한 레이저의 초점을 맺는 초점 렌즈를 포함하는 광 픽업 유니트와,
    상기 광 픽업 유니트를 제1 축 및 제2 축으로 이동 가능하게 지지하는 제1 스테이지와,
    상기 광 경화성 수지 내에 배치되어 그 상부에 위치하는 광 경화성 수지가 상기 레이저의 주사에 의해 성형될 수 있도록 하는 성형 보조 부재와,
    상기 성형 보조 부재를 제3 축으로 이동 가능하게 지지하는 제2 스테이지를 포함하는,
    광조형 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    광 경화성 수지에 대해서 배치가 자유로운 기준 반사 부재를 더 포함하며,
    상기 광 픽업 유니트는, 레이저의 초점이 상기 기준 반사 부재의 표면에 위치하도록 조절하는 레이저 초점 조절부를 더 포함하는,
    광조형 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광 픽업 유니트는, 상기 광 검출기에 의해 검출되는 레이저를 입력값으로 하여 레이저 파워를 피드백 제어하는 피드백 제어부를 더 포함하는,
    광조형 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 청자색 레이저 다이오드인,
    광조형 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 축, 제2 축, 제3 축은 서로에 대해 수직을 이루는,
    광조형 장치.
  6. 청구항 2에 기재되어 있는 광조형 장치를 이용하여 구조물을 성형하는 광조 형 방법에 있어서,
    컴퓨터 원용 설계 모델로부터 구조물의 단면 형상과 레이저 주사 경로를 생성하는 단계와,
    성형하고자 하는 구조물의 단면을 위한 초점 위치에 기준 반사 부재의 표면이 오도록 배치시키고 상기 기준 반사 부재의 표면에 레이저의 초점을 위치시키는 단계와,
    제1 축 및 제2 축으로 구성되는 이송계에서 상기 생성된 주사 경로에 따라 광 픽업 유니트를 이동시키면서 레이저를 주사하여 단면 형상을 성형하는 단계와,
    상기 이송계에서의 단면 형상 성형이 완료되면 다음 단면 형상의 성형이 가능하도록 제3 축을 따라서 상기 성형 보조 부재를 이동시키는 단계를 포함하는,
    광조형 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 축, 제2 축 및 제3 축은 서로에 대해서 수직으로 배향되어 있는,
    광조형 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    레이저의 촛점을 위치시키는 단계 다음에, 레이저의 파워를 조절하는 단계를 더 포함하는,
    광조형 방법.
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