KR20110113739A

KR20110113739A - 스테레오리소그래피 장치에 사용되는 조명 시스템

Info

Publication number: KR20110113739A
Application number: KR1020117018026A
Authority: KR
Inventors: 마크 헤르만 엘세 바에스; 헤르만 헨드리커스 마알더린크; 아드리아누스 요하네스 페트루스 마리아 베르메르; 야코뷔스 후베르튀스 테오도르 자마르; 안토니우스 후베르튀스 조안네스 헤라르뒤스 로멘; 안드리스 리페르스
Original assignee: 네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-10-18
Also published as: CN102300698A; JP2012516539A; CA2750587C; EP2391498B1; US20120106150A1; RU2011135992A; WO2010087708A1; CA2750587A1; EP2218571A1; EP2391498A1; ES2419704T3; US8915620B2; JP5555720B2; CN102300698B; RU2540585C2; BRPI1007004A2

Abstract

조명 시스템(30)에 있어서, 각각 적어도 제1 발광 표면(36) 및 제2 표면(37)을 구비하는 복수의 LED(Light Emitting Diode)(34) -상기 제1 발광 표면(36) 및 제2 표면(37) 중 적어도 하나는 실질적으로 평평함-; 각각의 LED를 개별적으로 제어하기 위해, 각각의 LED와 선택적으로 연결되는 복수의 전기 선로(56); 및 레벨링 표면(levelling surface)(46,52)를 포함하고, 상기 레벨링 표면은 실질적으로 평평하고 각각의 LED의 적어도 하나의 실질적으로 평평한 표면(36,37)과 레벨링 접촉을 하며, LED들의 2차원 어레이(array)는 상기 레벨링 표면에 평행한 면을 형성하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.

Description

스테레오리소그래피 장치에 사용되는 조명 시스템 {Illumination system for use in a stereolithography apparatus}

본 발명은 스테레오리소그래피(stereolithography)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테레오리소그래피 장치에 사용되는 조명 시스템(illumination system)에 관한 것이다.

스테레오리소그래피(stereolithography)('3차원 프린팅(3D-printing)'으로도 알려져 있음)는 높은 정밀도(high accuracy)를 갖는 부품들(parts)을 생산하기 위한 쾌속 조형 기술(rapid prototyping technology)이다. 간단한 구현예에 있어서, 스테레오리소그래피는 한 통의 액체 광경화성 포토폴리머 수지(light-curable photopolymer resin) 및 한 번에 한 층씩 수지를 경화시키는 컴퓨터 제어 UV-레이저(computer controlled UV-laser)를 이용할 수 있다. 제조 공정(construction process)은 본질적으로 순환적(cyclic)이다. 생성되는 부품의 슬라이스(slice)에 대응되는 각각의 층(layer)에 대해, 레이저 빔(laser beam)의 스폿(spot)은 액체 수지의 표면에 대해 각각의 단면 패턴(cross-sectional pattern)을 트레이스(trace)한다. 레이저 광에 노출되면 트레이스된 패턴은 경화되거나 단단해 지며, 이는 아래 층에 부착된다. 일단 레이저가 경화시키고 나면, 제조 중인 부품(이는 예컨대 포토폴리머 수지가 들어 있는 통에 잠겨져 있는 엘리베이터 플랫폼(elevator platform) 위에 놓여져 있음)은 한 층 두께만큼 낮아져서 그 최상위 층(top layer)은 다시 수지의 표면 바로 아래에 위치하게 되고, 이에 따라 다음 층이 생성될 수 있게 된다. 이러한 일련의 단계들은 부품이 완성될 때까지 계속해서 수행된다.

레이저를 사용하는 대신에, LED(Light Emitting Diode) 및 렌즈(lense)의 2차원 어레이(array)를 구비하여 포토폴리머 수지를 선택적으로 조명할 수 있는 조명 시스템이 스테레오리소그래피 장치에 구현될 수도 있다. 조명 시스템은 제품(workpiece)의 위치와 관련하여 이동가능하게 배치되고, LED와 렌즈는 서로 정밀하게 결합될 수 있다. 렌즈는 포토폴리머 수지의 표면에 LED의 발광 표면에 의한 이미지(image)를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 각각의 LED는 자신의 컨쥬게이트 이미지 스폿(conjugate image spot)과 관련되고, 소정 수의 LED를 포함하는 어레이는 동일한 수의 이미지 스폿을 생성할 수 있다. 제조 동안, 조명 시스템은 포토폴리머 수지를 담고 있는 통에 대해 스캐닝하면서 이동될 수 있으며, 개별 LED들은 선택적으로 스위치 온(on)/오프(off)되어 응고될 층의 단면 패턴을 따라서 수지의 표면을 조명(illuminate)한다. 레이저와 비교할 때, LED 광에 기초한 조명 시스템은 상대적으로 비용이 적게 든다. 또한, 이는 더 빠른 생산 속도로 동일한 고 정밀도(high accuracy)를 제공한다.

경제적인 방법으로 신뢰성 있는 조명 시스템을 제조하는 것은 쉽지 않은 일이다. 이를 위한 최초의 방안은, 제품의 매우 정교한 부분도 제조될 수 있도록, 높은 정밀도로 포토폴리머 수지를 조명할 수 있는 조명 시스템이 정확한 위치에서 정확한 크기(dimensions)의 충분히 밝은 이미지 스폿들을 생성할 수 있어야 한다. 개구수(Numerical Aperture; NA)가 높을 수록 광학 시스템이 LED로부터 보다 많은 광을 수집할 수 있기 때문에, 충분한 밝기를 위해서는 높은 개구수(NA)를 갖는 광학 시스템이 필요하다. 그러나, 개구수(NA)가 높으면 정밀한 LED 위치에 대한 이미지 스폿의 크기 민감도(sensitivity)도 높아지게 된다.

본 발명의 목적은 높은 개구수(NA)를 갖는 광학 시스템에 결합하여 사용될 수 있는 경제적으로 제조가능한 LED 조명 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 위하여, 본 발명에 따른 스테레오리소그래피 장치에 사용하기 적합한 조명 시스템은, 각각 적어도 제1 발광 표면 및 제2 표면을 구비하는 복수의 LED(Light Emitting Diode) -상기 제1 발광 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 실질적으로 평평함-; 각각의 LED를 개별적으로 제어하기 위해, 각각의 LED와 선택적으로 연결되는 복수의 전기 선로(electrical pathway); 및 레벨링 표면(levelling surface)를 포함하고, 상기 레벨링 표면은 실질적으로 평평하고 각각의 LED의 적어도 하나의 실질적으로 평평한 표면과 레벨링 접촉을 하며, LED들의 2차원 어레이(array)는 상기 레벨링 표면에 평행한 면을 형성하는 것을 특징으로 한다.

z-방향(z-direction)에서 원하는 정확성을 얻기 위해, LED는 실질적으로 평평한 레벨링 표면과 레벨링 접촉(levelling contact)한다. '실질적으로 평평하다'는 것은 약 10㎛ 이하, 바람직하게는 5㎛ 이하의 표면 평평도(surface flatness)를 갖는 표면을 의미한다. 그 정도 수준의 표면 평평도는 예컨대 광학적 폴리싱(optical polishing)에 의해 이루어 질 수 있다. 레벨링 표면은 예컨대 운송기(carrier) 또는 지지체(support body)에 의해서, 또는 멀티 렌즈 어레이에 의해서 제공될 수 있다. 참고로, 레벨링 표면은 동일한 평면 상의 다수의 분리된 레벨링 표면들로 구성될 수 있다. 따라서, 레벨링 표면은 반드시 하나의 연속적인 표면으로 구현될 필요는 없다. 이에 대해서는 예컨대 도 2를 참조할 수 있으며, 하기에서 상세 설명될 것이다.

x-y 평면(예컨대, 2차원 LED 어레이 평면)에서 충분한 위치 정확성을 얻기 위해 또는 위치 정확성을 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 조명 시스템은 패키징되지 않은 다이스된(diced) LED(소위, 베어 다이(bare die))를 사용하여 제조된다. 공통 표면 실장(common surface mount) LED들이 IC-패키지(IC-package)에 내장되고, (픽-앤-플레이스(pick-and-place) 로봇에 의해 핸들링될 때) 이는 기준(reference)으로서 역할한다. IC-패키지의 외부 크기가 그 내부에 패키징된 LED에 대한 원하는 위치 허용오차를 초과할 수 있기 때문에, 로봇이 표면 실장 LED를 원하는 정확도로 위치시키는 것은 사실상 불가능하다. 그러나, IC-패키지가 없으면, 픽-앤-플레이스 로봇은 베어 다이(bare die)의 정확한 이동 위치를 설정하고 이를 위치시킬 수 있다. 예컨대 모놀리식 어레이(monolithic array)를 사용하는 경우와 비교할 때, 웨이퍼를 다이싱(dicing)하는 것은 웨이퍼 재료를 효과적으로 사용할 수 있으며, 따라서 경제적인 제조 공정을 구현할 수 있다. 또한, IC-패키지를 사용하지 않는다는 것은 LED 및 지지체(이는 LED와 열적으로 연결되어 있음) 사이의 열 차단 장벽(thermally insulating barrier)을 제거하는 것을 의미한다. 그러므로, LED의 동작 온도는 낮아지게 되고, 이에 따라 LED의 수명이 연장되고 광 출력이 향상될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 레벨링 표면은 실질적으로 단단한 지지체에 의해 제공되며, 상기 지지체는 적어도 제1 층을 포함하고, 상기 제1 층은 레벨링 표면을 제공하며 적어도 150W/mK의 열전도성을 갖는 물질을 포함한다.

LED의 광 출력이 온도에 민감하고 과열에 의해 점차적으로 성능이 저하된다는 것은 공지된 사실이다. LED 어레이의 예상 수명을 향상시키기 위해 또한 그 광 출력을 균일하게 유지시키기 위해, LED들이 과도하게 및/또는 불균일하게 가열되지 않도록 보장되어야 한다. 이를 위해, LED들과 열적으로 연결되어 있는 레벨링 표면은 구리나 알루미늄과 같은 높은 열전도성(예컨대, 150W/mK 이상)을 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 지지체는 다중 층(multiple layers)을 포함한다. 예컨대, 지지체는 인바(Invar) 베이스(base)와 그 위에 레벨링 표면을 제공하는 비교적 얇은 층의 구리를 포함할 수 있다. 구리 층(이는 열전도성이 150W/mK 이상임)은 LED의 제2 표면과 접촉되어 LED가 열을 방출할 수 있도록 한다. 그리고, 구리 층은 열을 확산시켜 인바 베이스(이는 열전도성이 낮고 열팽창계수가 좋다(즉, 낮다))로 전달한다. 인바 베이스는, LED에 의한 베이스의 균일 또는 불균일한 가열에 의해 발생되는, LED의 상대적 위치 변화를 제한한다. 일반적으로, 베이스 층(base layer)은 바람직하게는 5×10^-6/K 이하의 선팽창계수(linear thermal expansion coefficient)(즉, 단위 온도 변화에 따른 길이의 증가분)를 가진다.

대안적으로 또는 재료 선택에서 더 나아가, 실질적으로 단단한 지지체는 열을 적절히 전달할 수 있는 구조적 특성을 가질 수도 있다. 예컨대, 지지체는 하나 이상의 냉각 채널(cooling channel)(이를 통해 냉각 유체가 순환됨) 및/또는 냉각 핀(cooling fin)(이를 통해 LED에서 발생된 열이 방산됨)을 포함할 수 있다.

참고로, 본 발명의 전술한 또는 그 외의 특징들 및 장점들은 후술하는 본 발명의 몇몇 실시예 및 도면에 대한 상세한 설명을 통해 충분히 이해될 수 있으며, 상기 실시예 및 도면은 본 발명의 이해를 위한 것이므로 본 발명을 한정하지 않는다.

본 발명에 따르면, 높은 개구수(NA)를 갖는 광학 시스템에 결합하여 사용될 수 있는 경제적으로 제조가능한 LED 조명 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조명 시스템이 사용될 수 있는 스테레오리소그래피 장치의 일 실시예의 단면도를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 조명 시스템의 실시예들을 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 조명 시스템의 추가적인 실시예의 개략적인 측면도 및 사시도를 도시한 것이다.
참고로, 도면에서 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 구성요소(element)들을 나타낸다. 도면에서 구성요소들의 크기, 형태, 상대적 위치, 각 등은 반드시 정확한 비율을 유지하는 것은 아니며, 이러한 구성요소들 중 일부는 도면의 이해를 돕기 위하여 임의로 크기가 확대되거나 위치가 변경될 수 있다. 또한, 도시된 구성요소들의 특정 형태들은 특정 구성요소들의 실제 형태에 관한 어떠한 정보를 전달하기 위하여 의도된 것이 아니며, 단지 도면의 이해를 돕기 위하여 선택된 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 조명 시스템이 사용될 수 있는 스테레오리소그래피 장치(Stereolithography apparatus; SLA)(1)의 일 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 스테레오리소그래피 장치(1)는 유형 객체(tangible object)(2)(예컨대, 제품의 원형(prototype) 또는 모델(model))의 층별 생성(layerwise production)을 위해 사용될 수 있다. 스테레오리소그래피 장치(1)는 운송판(carrier plate)(4), 액체 저장기(liquid reservoir)(10) 및 조명 시스템(illumination system)(30)을 포함한다.

제조 동안, 유형 객체(2)는 운송판(4)에 매달리게 되는데, 운송판에는 유형 객체(2)의 첫번째 형성 층이 부착되고 또한 후속하는 층들이 간접적으로 부착되게 된다. 운송판(4)은 구동 메커니즘(미도시)에 의해 소정의 방향(6)으로 이동가능하며, 새로운 층이 생성될 때마다 한 층 두께만큼 상승한다.

액체 저장기(10)는 액체 상태의 광경화성 수지(photo-curable resin)(14)로 채워져 있다. 액체 저장기(10)의 바닥판(12)은 조명 시스템(30)에 의해 생성된 광을 투과시킨다. 바닥판(12)은 또한 (부분적으로) 응고될 액체 층(liquid layer)(16)의 일 면을 경계짓는 형성 형태(construction shape)로서의 기능도 한다. 일단 한 층이 형성되면, 운송판(4)은 한 층 두께만큼 위로 이동하고, 마지막으로 형성된 층과 바닥판(12) 사이의 공간은 다시 수지(14)로 채워져 액체 층(16)을 형성하게 된다.

스테레오리소그래피 장치(1)는 또한 액체 층(16)의 기 설정된 영역에 선택적으로 조명할 수 있는 조명 시스템(30)을 포함한다. 조명 결과, 유형 객체(2)의 고체 층(solid layer)(18)이 얻어지고, 상기 고체 층(18)은 인가된 조명 패턴에 상응하는 기 설정된 형태를 갖는다. 조명 시스템(30)은 2개의 멀티 렌즈 어레이(multi-lens array)(40,42)를 구비하는 이미징 시스템(imaging system) 및 LED 어레이(LED array)(32)를 포함한다. 다른 실시예에서, 이미징 시스템은 원하는 구현 형태에 따라서 다른 개수(예컨대, 단지 1개)의 멀티 렌즈 어레이 및/또는 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.

높은 개구수(Numerical Aperture; NA)(예컨대, 0.3~0.8 범위 또는 0.8 이상의 개구수)에서는, LED의 위치가 미세하가 변하더라도 컨쥬게이트 이미지 스폿(conjugate image spot)의 크기에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 이미지 스폿은 100㎛의 직경을 가질 수 있는데, 이에 의해 50㎛의 유효 스폿 이격 거리(effective spot separation distances)가 영향을 받을 수 있다. 만약 LED가 (광학 시스템의 광축에 평행한 방향으로) 그 이상적인 위치에서 10㎛ 떨어져 위치하면, 그 편차(deviation)는 이미지 스폿 직경을 약 30㎛ 증가시킨다. 명백하게도, 이는 중요하며 사실 허용될 수 없는 수차(aberration)이다. 광학 시스템의 광축에 수직인 방향에서는, LED의 그 이상적 위치로부터의 편차가 크게 증가되지 않으며, 단지 이미지를 지나가게 된다. 50㎛ 이하의 유효 스폿 이격 거리를 목표로 할 경우, 10㎛ 편차는 시스템 해상도(resolution)를 심각하게 손상시킨다.

그러므로, 높은 개구수를 갖는 광학 시스템을 사용하기 위해서는 LED에 대한 상대적 위치 허용오차를 만족해야 한다. 도시된 바와 같이, LED에 대한 현재 바람직한 위치 허용오차는 x, y, z 각각의 방향에 대해 10㎛ 이하이다. 여기서, x-y 평면은 2차원 LED 어레이의 평면이며, z 방향은 이에 수직인 방향이다. 이와 같이 정교한 위치설정(positioning)은 (다층) 인쇄회로기판(printed circuit board)에 장착되는 공통 표면 실장 LED(common surface mount LED)를 사용할 수 없을 것처럼 보인다. LED의 치수 허용오차는 전술한 10㎛(이는 원하는 정확도로 위치시키는 픽-앤-플레이스 로봇을 무력화시킴)를 쉽게 초과할 수 있으며, 다층 인쇄회로기판(이는 각각의 개별 LED에 전기 선로를 제공함)은 특히 LED 어레이에 의해 요구되는 상대적으로 큰 표면 영역에 대해 평평해지기 어렵다. 이와 대조적으로, LED의 모놀리식 어레이(monolithic array)(예컨대, 복수의 LED를 포함하는 완성된 웨이퍼 (섹션))는 개별 LED의 위치적 정확성이 우수한 대안이 될 수 있다. 이는 웨이퍼 제조 공정 자체가 정확성(exactitude)을 보증하기 때문이다. 그러나, 어레이에 있어 인접하는 LED들 사이의 원하는 이격 거리가 증가할 경우, 보다 정밀한 웨이퍼 재료가 사용되어야 한다. 약 1mm 이상의 전형적인 이격 거리에서, 모놀리식 어레이를 사용하는 비용은 허용될 수 없을 정도로 높아지게 된다.

비록 LED의 위치적 정확성이 그 자체로 근본적인 문제이지만, 추가적인 설계 요구사항이 또한 존재한다. 이러한 요구사항은 각각의 LED의 개별적 제어가능성(이는 각각의 LED에 대한 개별적 전기 선로를 필요로 함) 및 고온에 원하지 않게 민감함으로써 발생하는 LED의 신속한 및/또는 불균일한 성능저하(degradation)를 방지하기 위한 우수한 열 제어 시스템(thermal management system)을 포함한다.

LED 어레이(32)는 복수의 LED(34)를 포함한다. LED(34)는 2차원 평면에 배치되며, 바람직하게는 격자 형태(grid-like fashion)로 배치되어 각각의 LED가 각각의 그리드포인트(gridpoint)를 정의하도록 등거리(equidistant) 및 수직으로 배향되는 행렬(rows and columns)을 구성한다. 각각의 LED(34)는 액체 저장기(10)의 바닥판(12)을 향하는 발광 표면(36)을 구비하며, 이는 LED 어레이(32)의 2차원 평면에 실질적으로 평행하다. LED 어레이(32)의 개별 LED(34)를 제어하기 위해(예컨대 원하는 강도(intensity)로 스위치 온/오프하기 위해) 컨트롤러(38)가 제공될 수 있으며, 이에 따라 LED의 광에 의해 형성되는 시변(time-varying) 2차원 패턴을 형성될 수 있고 이는 액체 층(16)으로 투영(project)될 수 있다.

실질적으로 평면을 형성하는 멀티 렌즈 어레이(multi-lens array)(40,42)가 LED(34)의 발광 표면(36)과 선택적으로 경화될 액체 층(16) 사이에 구비된다. 각각의 멀티 렌즈 어레이(40,42)는 복수의 렌즈(44)를, 바람직하게는 각각의 LED에 대해 각각 하나씩의 렌즈를 포함한다. 렌즈(44)들은, 바람직하게는, LED 어레이(32)에서의 LED(34)들의 배치에 상응하여 배치된다. 멀티 렌즈 어레이(40,42)는 평볼록 형태(plano-convex type)로 구성될 수 있으며, 이에 따라 모든 렌즈(44)들의 평평한 면을 정의하는 하나의 평평한 면(plano side)(46)과 각각의 렌즈(42)에 대해 하나씩 형성되는 부분적으로 타원형인 볼록한 섹션(section)(48)들을 가진다. 멀티 렌즈 어레이(40,42)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 반대 방향으로 배치될 수 있다. 멀티 렌즈 어레이(40,42)는 함께 이미징 시스템을 구성하며, 이미징 시스템은 각각의 LED(34)가 액체 층(16)의 기 설정된 영역에 분리된 컨쥬게이트 스폿(conjugate spot)을 형성하는 방식으로 액체 층(16)에 LED 광의 패턴 이미지를 형성한다. 멀티 렌즈 어레이(40,42)는 유리, 용해 상태의 실리카(fused silica), 플라스틱 등과 같은 다양한 재료로 형성될 수 있다.

조명 시스템(30)은 액체 저장기(10)의 바닥판(12) 아래에 이동가능하게 배치되어, 액체 저장기(10)의 바닥판(12)에 평행한 방향(8)으로 움직일 수 있다. 조명 시스템(30)의 이동은 LED(34)의 광을 제어하는 전술한 컨트롤러(38)에 의해 제어될 수 있다. 사용 시, 조명 시스템(30)은 LED 어레이(32)의 행렬 방향에 대해 소정의 각을 이루는 방향으로 선형적으로 이동될 수 있으며, 이에 따라 시스템의 유효 해상도(effective resolution)를 향상시킬 수 있다. 상기 기술은 본 출원인의 유럽 특허출원 EP 07150447.6에 상세히 설명되어 있으며, 이는 본 발명에 참조되어 결합된다.

지금까지 조명 시스템(30)의 동작 방식에 대해 설명하였는데, 이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템(30)의 단면도이다. 도 1에 도시된 LED(34) 및 멀티 렌즈 어레이(40,42) 외에, 도 2에서는 지지체(support body)(50) 및 전기 선로(electrical pathways)(56)를 추가적으로 도시하고 있다.

LED(34)(이는 도 2의 실시예에서 베어 다이(bare die) 형태임)는 그 제2 표면(37)을 통해 지지체(50)와 기계적 및 열적으로 접촉해 있다. 지지체(50)(이는 평판 또는 다른 적절한 형태로 될 수 있음)는 부분적으로 알루미늄이나 구리와 같은 높은 열전도성(예컨대, 150W/mK 이상)을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 열전도성이 좋으면, 지지체가 열 배출구(heat sink)로서의 역할을 하여 LED(34)에서 발생된 과열을 다른 곳으로 전도할 수 있으며, 이에 따라 LED의 예상 수명을 증가시키고 광 출력이 감쇠되는 것을 방지할 수 있다. 이는 또한, LED 어레이(32)의 불균일한 광 발산을 일으킬 수 있는, LED(34)의 불균일한 가열을 방지할 수 있다. 제조 동안, 지지체의 상부 표면은 폴리싱(polishing)(예컨대, 광학적으로 폴리싱)되어 매끄럽고 실질적으로 평평한 레벨링 표면(levlling surface)(52)을 유지한다. 폴리싱된 레벨링 표면(52)의 표면 평평도(surface flatness)는 10㎛ 이하, 바람직하게는 5㎛ 이하이다. 폴리싱 처리 이후, 슬롯(slot)들이 지지체(50)의 상부 측면에 기계적으로 형성될 수 있다. 도 2의 실시예에서, 슬롯들은 전기 선로(56)들을 수용하는 반면, 슬롯들 사이의 립(rib)(54)들은 LED(34)들을 지지한다. 이러한 방식으로 제조되기 때문에, 립(54)들은 모두 동일한 평면상에서 실질적으로 평평한 상부 표면(52)들을 갖게 된다. 그러므로, 립(54)들은 본 명세서에서 의미하는 '레벨링 표면'으로서 역할한다. LED(34)의 실질적으로 평평한 제2 표면(37)은 얇은 접착제 층에 의해 레벨링 표면(52)에 부착될 수 있다. 접착제는 바람직하게는 열전도성을 가진다. 원할 경우, 레벨링 표면(52)과 LED(34)의 제2 표면(37) 사이에 정확한 거리를 유지하기 위하여, 접착제는 스페이서(spacer)들(예컨대, 유리 또는 폴리스티렌 구형체(spheres))을 포함할 수 있다. 정확한 이격 거리는 LED(34)들의 위치적 정확성을 제공할 뿐만 아니라 LED(34)와 레벨링 표면(52) 사이의 접합 층(bond layer) 두께를 정밀하게 형성할 수 있다. 접합 층의 두께는 층의 열 저항(thermal resistance)에 대략적으로 비례하기 때문에, LED 어레이(32)에서 모든 LED(34)들에 대한 접합 층 두께의 일정함(constancy)은 그 불균일한 가열(heating) 및 감쇠(degradation)를 상쇄(counteract)시킬 수 있는 특징이다.

전기 선로(56)들은 다층(multi-layered) 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB) 형태로 제공될 수 있다. 다층 인쇄회로기판은 고밀도의 전기 선로(56)들을 형성할 수 있는데, 이는 상대적으로 컴팩트(compact)한 LED(34) 패키징(packing)을 위해 실질적으로 요구되는 사항이다. 예컨대 1~2mm² 레벨링 표면(52)마다 하나의 LED(34)를 구비함으로써, 조명 시스템(30)은 전체적으로 수천개의 개별적으로 제어가능한 LED들을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 전기 선로(56)들은 (적어도 부분적으로) 립(54)들 사이의 슬롯들 내에 위치하게 된다. 이러한 구성은 전기 선로(56)들이 LED(34)들로부터 멀티 렌즈 어레이(40) 쪽으로 발산되는 광에 대해 장애가 되는 것을 방지한다. 전기 선로(56)에 대한 LED(34)의 전기적 연결은 전선 결합(wire bond)(58)에 의해 이루어질 수 있으며, 이는 베어 다이(bare die) LED의 전기 접촉 패드(electrical contact pad)를 전기 선로(56)에 선택적으로 연결한다.

도 3은 본 발명에 따른 조명 시스템(30)의 제2 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서는, 높은 열전도성을 갖는 세라믹 지지체(50)가 사용된다. 열 방전을 더욱 향상시키기 위하여, 지지체(50)는 하나 이상의 냉각 채널(cooling channel)(60)을 추가적으로 구비하며, 상기 냉각 채널(60)을 통해 냉각 유체(cooling fluid)가 순환된다. 도 2의 실시예와는 대조적으로, 도 3의 세라믹 지지체(50)는 하나의 연속적인 레벨링 표며(52)을 가진다. 이 레벨링 표면(52)은 원하는 정도의 표면 평평도를 얻기 위해 폴리싱(polishing)된다. 이 경우, 제조 과정에서, 전기 선로(56)를 수용하기 위한 슬롯은 지지체(50)에 형성되지 않는다. 그 대신, 전기 선로(56)는 예컨대 스크린 프린팅(screen printing)에 의해 레벨링 표면(52)에 인가되는 후막 층(thick film layers)에 의해서 제공된다. 도 3에 도시된 층들의 스택(stacks)은 전도 층(conductive layer)과 비전도 층(non-conductive layer)이 교차적으로 형성된 것이다. 베어 다이 LED의 전기 접촉 패드를 각각의 전도 층에 선택적으로 연결시키기 위해 전선 접합(wire bonds)이 사용될 수 있다. 도 2의 실시예와 마찬가지로, LED(34)는 열전도성 접착체(이는 스페이서를 포함하거나 포함하지 않을 수 있음)에 의해 레벨링 표면(52)에 부착된다.

도 2 및 도 3의 실시예에서, 지지체(50)는 LED(34)를 지지하고 냉각시킨다. 전력 공급은 전기 선로(56)를 통해 이루어진다. 이러한 상황(situation)은, 표면 실장 LED(surface mount LED)가 단순히 인쇄회로기판 상에 위치하고 인쇄회로기판이 모든 3가지 기능을 수행하는, 보다 전통적인 셋업(setup)과는 구별된다. 이러한 셋업은, 특히 다층 인쇄회로기판이 허용될 수 없는 큰 z-허용오차(z-tolerance)를 가지기 때문에, LED의 정확한 위치설정(positioning)이 어렵다.

도 4는 지지체(50)의 상부 표면 위에 구비된 다층 인쇄회로기판 위에 LED(34)가 위치하는 실시예를 도시한다. 그러나, LED(34)의 정확한 z-정렬(z-alignment)은 인쇄회로기판에 의해 이루어지는 것이 아니라, 레벨링 표면으로서 역할하는 멀티 렌즈 어레이(40)의 평평한 면(plano side)(46)에 LED(34)가 부착됨으로써 이루어질 수 있다. 이러한 구현을 위해, LED(34)는 바람직하게는 소위 (베어 다이) 플립 칩(flip-chip)이 사용된다. LED(34)의 발광 표면(36)은 전기 접촉 패드와는 상관이 없기 때문에 실질적으로 평평하다. 일 실시예에서, 적절한 z-정렬을 위해, 플립 칩 LED(34)의 발광 표면(36)은 광 투과성 접착제를 사용하여 멀티 렌즈 어레이(40)의 실질적으로 평평한 면(46)에 부착될 수 있다. 제조 과정에서, LED(34)는 먼저 멀티 렌즈 어레이(40)의 평평한 면(46)에 부착되고, (접착제를 바르고 LED(34)들의 상대적 위치를 설정한 이후에) 초음파 접합(ultrasound soldering) 또는 이방성 전도성 접착제(anisotropic conductive adhesive) 등을 사용하여 인쇄회로기판의 전기 선로(56)에 연결된다. 대안적인 실시예에서, LED는 멀티 렌즈 어레이에 접착되지 않을 수도 있다. 예컨대, LED(34)가 먼저 인쇄회로기판의 전기 선로(56)에 연결되고, LED(34)의 제2 표면(37)과 인쇄회로기판의 상부 표면 사이에 유연성 접착제(flexible adhesive)가 제공될 수 있다. 그 후, 멀티 렌즈 어레이(40)가 동일 평면을 유지하여 그 평평한 면(46)이 LED(34)의 발광 표면(36)을 천천히 누름으로써 z-방향에서 LED(34)를 정렬할 수 있다. 모든 LED(34)가 적절히 정렬되면, 유연성 접착제는 응고되어 LED들의 상대적 배향을 영구적으로 고정시킨다. 제1 실시예의 장점은 LED(34)가 높은 위치 정확도로 멀티 렌즈 어레이(40)에 고정되는 것이다. 따라서, LED(34)들의 이격 정렬은 요구되지 않으며 멀티 렌즈 어레이(40)가 필요하고, 멀티 렌즈 어레이와 지지체 및/또는 인쇄회로기판 사이의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)의 차이는 멀티 렌즈 어레이에 대한 LED들의 오정렬(misalignment)을 더 이상 야기하지 않는다.

도 5a 및 도 5b는, 슬롯(55)이 인쇄회로기판(56)을 수용하고 슬롯(55) 사이의 립(54)이 LED(34)를 지지하는, 본 발명의 추가적인 실시예의 개략적인 측면도 및 사시도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 다수의 LED(34)가 표면(52)에 배치되고, 이들은 슬롯(55) 내의 인쇄회로기판(56)에 배치된 전기 회로에 의해 그룹별로 제어된다. 이는 LED가 LED 상호 거리를 규정하는 좁은 립 위에 각각 위치되는 것이 아니기 때문에 열적으로 유리하며, 그렇지 않을 경우에는 냉각 채널(60)로의 열 전도가 제한될 수 있다.

인쇄회로기판 상의 전기 선로 구조체(56)들은 수직 구조로 스택(stack)될 수 있으며, 다시 말해 레벨링 표면(52)에 수직인 평면으로 인쇄회로기판이 연장될 수 있다. 이는 다음의 LED들 사이에 최소로 유지될 수 있는 갭 거리(gap distance)를 최적화시킨다.

이러한 방식으로, 인쇄회로기판의 평평한 영역으로 확장되는 슬롯(55)을 이용함으로써, 단지 1층 또는 2층의 인쇄회로기판 구조가 LED와 IC(57) 사이의 모든 전기 선로를 제공할 수 있다.

또한, 구동 회로(57)를 슬롯(55) 내부에 배치함으로써, LED와 구동 IC(57) 사이의 거리를 줄일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 도시된 인쇄회로기판(56) 구조는 레벨링 표면(56)의 평면으로 연장될 수 있으며, 레벨링 표면(56) 위에 직접 배치되는 LED(34)를 수용하기 위한 개구부(opening)(59)를 구비할 수 있다.

개구부는, LED에 대한 인쇄회로기판의 위치상 허용오차를 높이기 위해, LED들의 크기 보다 실질적으로 크게 형성된다. 인쇄회로기판(56)은 플렉스형(flex type) 인쇄회로기판이 사용되며, 적어도 IC(57)가 있는 부분이 슬롯(55) 내부에 위치하고 LED를 위한 홀(hole)이 있는 부분이 지지체(50)의 표면에 위치하도록 접힌다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징들을 변경하지 않고서 다른 구체적인 다양한 형태로 실시할 수 있는 것이므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 스테레오리소그래피 장치(Stereolithography apparatus; SLA)
2 유형 객체(Tangible object)
4 운송판(Carrier plate)
6 운송판 이동 방향(Direction of movement of carrier plate)
8 조명 시스템 이동 방향(Direction of movement of illumination system)
10 액체 저장기(Liquid reservoir)
12 액체 저장기 바닥판(Bottom plate of liquid reservoir)
14 광경화성 수지(Photo-curable resin)
16 액체 층(Liquid layer)
18 유형 객체2의 고체 층(Solid layer of tangible object 2)
30 조명 시스템(Illumination system)
32 LED 어레이(LED array)
34 LED
36 LED의 발광 표면(Light-emitting surface of LED)
38 컨트롤러(Controller)
40 멀티 렌즈 어레이(Multi-lens array)
42 멀티 렌즈 어레이(Multi-lens array)
44 렌즈(Lens)
46 렌즈의 평평한 면(Plano side of lens)
48 렌즈의 볼록한 면(Convex side of lens)
50 지지체(Support body)
52 지지체 표면(Support body surface)
54 립(Rib)
56 전기 선로(Electrical pathways)
58 전선 접합(Wire bond)
60 냉각 채널1(Cooling channels 1)

Claims

조명 시스템(30)에 있어서,
각각 적어도 제1 발광 표면(36) 및 제2 표면(37)을 구비하는 복수의 LED(Light Emitting Diode)(34) -상기 제1 발광 표면(36) 및 제2 표면(37) 중 적어도 하나는 실질적으로 평평함-;
각각의 LED를 개별적으로 제어하기 위해, 각각의 LED와 선택적으로 연결되는 복수의 전기 선로(56); 및
레벨링 표면(levelling surface)(46,52)를 포함하고,
상기 레벨링 표면은 실질적으로 평평하고 각각의 LED의 적어도 하나의 실질적으로 평평한 표면(36,37)과 레벨링 접촉을 하며, LED들의 2차원 어레이(array)는 상기 레벨링 표면에 평행한 면을 형성하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항에 있어서,
상기 레벨링 표면(46,52)은 적어도 10㎛, 바람직하게는 적어도 5㎛의 표면 평평도를 갖는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 LED(34)는 베어 다이(bare die)인 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각각의 LED의 적어도 하나의 실질적으로 평평한 표면은 접착제에 의해 상기 레벨링 표면(46,52)과 연결되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제4항에 있어서,
상기 접착제는 유리 또는 폴리스티렌(polystyrene) 구형체(sphere)를 포함하는 스페이서(spacer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레벨링 표면(52)은 실질적으로 단단한 지지체(50)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제6항에 있어서,
상기 지지체(50)는 적어도 제1 층을 포함하고, 상기 제1 층은 레벨링 표면(52)을 제공하며 적어도 150W/mK의 열전도성을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제7항에 있어서,
상기 지지체(50)는 제2 층을 포함하고, 상기 제2 층은 5×10^-6/K 이하의 선팽창계수를 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 LED(34) 및 전기 선로(56)는 상기 레벨링 표면 위에 제공되고, 상기 전기 선로는 LED 사이에 적어도 부분적으로 연장되며 스크린 프린팅(screen printing) 등과 같은 후막 기술(thick film technology)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지체(50)의 표면은 중간 립(rib)(54)에 의해 형성되는 슬롯(slot)을 구비하며, 상기 전기 선로는 상기 슬롯에 적어도 부분적으로 내장되며, 상기 LED(34)는 상기 레벨링 표면(52)을 제공하는 중간 립(54) 위에 구비되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제10항에 있어서,
상기 전기 선로(56)는 인쇄회로기판(printed circuit board) 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 LED(34)는 실질적으로 평평한 발광 표면(36) 및 전기적으로 접속하는 제2 표면(37)을 갖는 플립 칩(flip-chip) 형태이며, 멀티 렌즈 어레이(40)의 평평한 면(46)은 상기 레벨링 표면(46)을 제공하고, 상기 LED의 발광 표면(36)은 상기 멀티 렌즈 어레이의 평평한 면과 레벨링 접촉을 하는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제12항에 있어서,
상기 LED(34)의 제2 표면(37)과 연결되는 상기 전기 선로(56)는 적어도 부분적으로 인쇄회로기판(50) 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 멀티 렌즈 어레이(40)의 렌즈(44)는 각각의 LED의 발광 표면(36)이 멀티 렌즈 어레이(40)의 하나의 렌즈(44)와 주로 관련되도록 상기 LED(34)의 배치에 상응하여 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 조명 시스템(30)을 포함하는 스테레오리소그래피 장치(1).