KR20160113062A - 컬러 3d 프린터 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D 프린터 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SLA 방식의 컬러 3D 프린팅을 수행하는 3D 프린터 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상에 따른 3D 컬러 프린터는, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 수용하고, 그 상면 또는 하면 중 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면이 되는 어느 일면이 투명하게 제공되는 탱크; 상기 탱크의 작업면과 마주보는 평판 형태로 제공되어, 상기 입체물을 지지하는 모델링 플레이트; 평판 형태의 제1 투명 필름 및 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 작업면의 배면에 배치되어 상기 제1 전극을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 자기장을 인가함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 컬러 부여 모듈; 상기 입체물에 대한 모델링 데이터를 저장하는 메모리; 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하여 상기 자기장의 세기를 제어함에 따라 상기 부여되는 컬러를 조절하는 콘트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

컬러 3D 프린터 및 그 제어 방법{COLOR 3D PRINTER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 3D 프린터 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SLA 방식의 컬러 3D 프린팅을 수행하는 3D 프린터 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
3차원 인쇄(이하 '3D 프린팅'이라 함)는 분말이나 액체 형태의 재료를 한 층씩 굳혀가며 레이어를 형성한 뒤 이를 적층하여 입체물을 만들어내는 기술이다. 3D 프린팅은 종래의 가공 기술이 3차원 소재를 밀링하거나 절삭하는 것과 달리 2D 레이어를 쌓아올리는 방식을 이용하기 때문에 기존의 CNC 가공 등으로는 구현이 불가능한 형태까지도 제조가 가능한 장점을 가진다.
3D 프린팅은 기계 절삭 및 성형 등의 기존의 생산 방식을 탈피하여 거의 모든 형태의 제품도 만들어낼 수 있어 장난감이나 장식품 등과 같은 가정 용품은 물론 자동차나 비행기의 기계 장치나 치과 등의 의료 분야에 이르기까지 활용 분야가 광범위하다. 뿐만 아니라, 설비의 교체없이 입체물의 모델링 데이터를 변경하는 것만으로도 일괄된 프로세스에 따라 다양한 입체물을 만들어낼 수 있어 최근의 다품종 소량 생산이나 소비자 맞춤형 제품의 제작에도 적절하여, 향후 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 기대되어 제3의 산업혁명으로 불리우기도 한다.
본 발명의 일 과제는, 컬러 3D 프린팅을 가능케 하는 3D 프린터 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 광결정성 입자의 구조색을 제어하여 풀 컬러 또는 풀 컬러에 준하는 컬러 표현이 가능한 3D 프린터 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 픽셀 단위로 다양한 컬러로 인쇄 가능한 3D 프린터 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 또 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 수용하고, 그 상면 또는 하면 중 어느 일면이 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면이 되도록 투명하게 제공되거나 또는 상기 수용된 인쇄 매체의 상부 표면이 작업면이 되도록 상기 상면이 개방된 형태로 제공되는 탱크; 상기 작업면과 마주보는 평판 형태로 제공되어, 상기 입체물을 지지하는 모델링 플레이트; 평판 형태의 제1 투명 필름 및 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 작업면에 대면하도록 배치되어 상기 제1 전극을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 자기장을 인가함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 컬러 부여 모듈; 상기 입체물에 대한 모델링 데이터를 저장하는 메모리; 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하여 상기 자기장의 세기를 제어함에 따라 상기 부여되는 컬러를 조절하는 콘트롤러;를 포함하는 3D 컬러 프린터가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 이용하여 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면의 단위 영역 별로 대응되도록 2차원 어레이 형태로 배치되는 전극을 가지는 3D 프린터의 제어 방법으로서, 상기 복수의 레이어 별로 경화 대상 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화 대상 영역의 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하는 모델링 데이터를 획득하는 단계; 상기 컬러 데이터의 컬러값에 기초하여 상기 전극 별로 전압을 인가하여 자기장을 발생시키되, 상기 전압값을 조절하여 상기 자기장의 세기를 제어하는 단계; 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 상기 자기장이 인가됨에 따라 상기 자기장의 세기에 따라 상기 인쇄 매체에 상기 구조색이 부여되는 단계; 및 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 구조색이 부여된 영역을 경화시키는 단계;를 포함하는 3D 프린터의 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면. 컬러 3D 프린팅이 가능해진다.
또 본 발명에 의하면, 3D 프린팅 시 광결정성 입자의 구조색을 제어하여 풀 컬러 또는 풀 컬러에 준하는 컬러 표현이 가능해진다.
또 본 발명에 의하면, 컬러 3D 프린팅 시 픽셀 단위로 다양한 컬러로 인쇄할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1을 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체의 기본 조성에 관한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 결정성 입자의 일 예의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 결정성 입자의 다른 예의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체를 이용한 컬러 제어에 관한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체를 이용한 컬러 조합에 관한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체의 추가 조성에 관한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체에서 주 컬러 입자의 구조색을 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
도 9는 본 발명이 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체에서 주 컬러 입자의 물질 자체 컬러를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체에서 보조 컬러 입자를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 일 예에 관한 순서도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅의 모델링 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 다른 예에 관한 순서도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅의 컬러 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제1 형태에 관한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제2 형태에 관한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제2 형태 시 모델링 데이터에 관한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제3 형태에 관한 도면이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제4 형태에 관한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 외부 컬러 처리에 관한 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 블록도이다.
도 24은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예의 사시도이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예의 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예의 컬러 부여 모듈 및 경화 모듈의 단면도이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예의 컬러 부여 모듈의 사시도이다.
도 28 및 도 29는은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예에서 컬러 모듈의 단면도이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제1 구현예의 경화 모듈의 단면도이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제2 구현예의 단면도이다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제2 구현예의 컬러 입자 선택 모듈의 단면도이다.
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제3 구현예의 단면도이다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제3 구현예가 변형된 형태의 단면도이다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터의 제4 구현예의 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린팅에 이용되는 인쇄 매체로서, 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되고, 상기 입자 간격에 따른 반사광에 따라 유채색을 표현하는 주 컬러 입자; 무채색을 물질색으로 가지는 보조 컬러 입자; 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자를 수용하는 액상으로 제공되되, 경화됨에 따라 상기 입체물을 구성하는 경화성 물질;을 포함하되, 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자는, 서로 반대 전하를 가지고, 상기 경화성 물질이 경화되는 영역 내에 전기력 인가 시 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자 중 어느 하나의 입자는 배제되고 다른 하나의 입자만 잔류되어, 상기 잔류하는 입자에 따라 상기 주 컬러 입자의 구조색 또는 상기 보조 컬러 입자의 물질색을 선택적으로 이용하여 상기 유채색 및 상기 무채색을 구현하는 3D 프린팅용 인쇄 매체가 제공될 수 있다.
또, 상기 주 컬러 입자는, 자기장에 의해 상기 입자 간격이 조절되어 상기 자기장의 세기에 따라 구조색이 제어될 수 있다.
또 상기 주 컬러 입자는, 자성체를 포함하는 자성 코어 및 전하를 띄는 커플링 쉘을 포함하고, 상기 자기장이 인가되면 상기 자성체에 의해 집합되는 힘과 상기 커플링 쉘에 의한 반발력에 의해 상기 입자 간격이 결정될 수 있다.
또 상기 자성체는, Fe, Co, Ni, CoCu, CoPt, CoSm, NiFe, NiFeCo, γ-Fe2O3, Fe3O4, CoFe2O4, MnO, MnFe2O4 및 BaFe12O19 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 커플링 쉘은, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 아크릴계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Silane계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Titanate계 커플링제, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Aluminate계 커플링제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 자성 코어는, 비자성 기재를 더 포함하고, 상기 자성체는, 상기 비자성 코어를 코팅한 형태로 제공될 수 있다.
또 상기 비자성 기재는, SiO2, Al2O3, TiO2, Polystyren, Polymethylsilsesquioxane 및 PMMA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 보조 컬러 입자는, 백색의 물질색을 가지는 ZnO, Al2O3 및 TiO2 중 적어도 하나를 포함하거나 또는 흑색의 물질색을 가지는 카본 블랙 파우더, Fe3O4 및 TiO2 -x 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 주 컬러 입자는, 비자성 기재, 상기 비자성 기재를 코팅하는 자성체 및 상기 자성체를 코팅하는 커플링 쉘을 포함하고, 상기 비자성 기재 및 상기 보조 컬러 입자는, 동일한 물질로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린팅에 이용되는 인쇄 매체로서, 광 결정성 구조로 배열되는 경우 상기 광 결정성 구조에 대응하는 반사광에 의한 구조색으로 유채색을 표현하고, 불규칙하게 배열되는 경우 물질색으로 제1 무채색을 표현하는 주 컬러 입자; 물질색으로 상기 제1 무채색과 상이한 제2 무채색을 표현하는 보조 컬러 입자; 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자를 수용하는 액상으로 제공되되, 경화됨에 따라 상기 입체물을 구성하는 경화성 물질;을 포함하되, 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자는, 서로 반대 전하를 가지고, 상기 경화성 물질이 경화되는 영역 내에 전기력 인가 시 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자 중 어느 하나의 입자는 배제되고 다른 하나의 입자만 잔류되어, 상기 잔류하는 입자에 따라 상기 주 컬러 입자 또는 상기 보조 컬러 입자를 선택적으로 이용하여 컬러를 구현하는 3D 프린팅용 인쇄 매체가 제공될 수 있다.
또 상기 경화되는 영역에 상기 주 컬러 입자만 잔류하는 경우, 상기 주 컬러 입자의 구조색 또는 상기 주 컬러 입자의 물질색을 선택적으로 이용하여 상기 유채색 및 상기 제1 무채색을 선택적으로 표현할 수 있다.
또 상기 경화되는 영역에 상기 주 컬러 입자만 잔류하는 경우, 자기장 인가 시에는 상기 자기장의 세기에 따라 균일하게 결정되는 상기 입자 간격에 대응하는 상기 구조색에 따라 상기 유채색을 표현하고, 상기 자기장 비인가 시에는 상기 주 컬러 입자의 물질색인 제1 무채색을 표현할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린팅 방법으로서, 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 주 컬러 입자, 물질색을 가지는 보조 컬러 입자 및 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자를 수용하는 경화성 물질을 포함하는 3D 프린팅용 인쇄 매체를 준비하는 단계; 3D 모델링 데이터를 참조하여 경화하고자 하는 영역의 색상에 따라 상기 영역에 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자 중 어느 하나의 입자만을 선택적으로 잔류시키는 단계; 상기 잔류되는 어느 하나의 입자를 이용하여 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 단계; 및 상기 인쇄 매체에 상기 컬러가 부여된 상태에서 상기 경화성 물질을 경화시켜 상기 레이어를 형성하는 단계;를 포함하는 3D 프린팅 방법이 제공될 수 있다.
또 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자는 서로 반대 전하를 띄고, 상기 어느 하나의 입자만을 선택적으로 잔류시키는 단계는, 상기 영역에 전기력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
또 상기 잔류시키는 단계는, 상기 3D 모델링 데이터를 참조하여 경화하고자 하는 영역의 색상이 무채색인 경우, 상기 영역에 상기 보조 컬러 입자만 잔류시키고 상기 주 컬러 입자를 배제하는 단계 및 상기 3D 모델링 데이터를 참조하여 경화하고자 하는 영역의 색상이 유채색인 경우, 상기 영역에 상기 주 컬러 입자만 잔류시키고 상기 보조 컬러 입자를 배제하는 단계를 포함하고, 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 보조 컬러 입자만 잔류된 경우 상기 인쇄 매체에 상기 보조 컬러 입자의 물질색을 부여하는 단계 및 상기 주 컬러 입자만 잔류된 경우 상기 인쇄 매체에 상기 주 컬러 입자의 구조색을 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
또 상기 구조색을 부여하는 단계는, 상기 인쇄 매체에 자기장을 인가하여 상기 주 컬러 입자의 입자 간격을 조절함으로써 상기 구조색을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린팅 방법으로서, 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되고, 자기장 하에서 상기 입자 간격이 제어됨에 따라 유채색의 표현이 가능한 주 컬러 입자, 무채색을 표현하는 보조 컬러 입자 및 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자를 수용하는 광 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체 - 상기 주 컬러 입자 및 상기 보조 컬러 입자는 서로 반대 극성의 전하를 띔 - 를 준비하는 단계; 상기 입체물에 대한 3D 모델링 데이터 - 상기 3D 모델링 데이터는, 상기 복수의 레이어 각각에 대한 레이어 데이터를 포함하고, 상기 레이어 데이터는, 경화하고자 하는 영역에 대한 쉐이프 데이터 및 상기 경화하고자 하는 영역의 컬러에 대한 컬러 데이터를 포함함 - 를 로딩하는 단계; 상기 복수의 레이어 중 일 레이어에 대한 작업 영역 - 상기 작업 영역은, 상기 인쇄 매체의 일 표면으로부터 내부 방향으로 미리 정해진 두께를 가지는 공간임 - 을 준비하는 단계; 상기 일 레이어에 대한 상기 레이어 데이터 중 상기 컬러 데이터를 참조하여 상기 컬러 데이터가 유채색인 제1 영역에 대하여, 제1 전기장을 인가하여 상기 제1 영역에서 상기 보조 컬러 입자를 배제하고 상기 주 컬러 입자만 잔류시키고 상기 컬러 데이터에 대응하는 세기로 자기장을 인가하여 상기 잔류하는 주 컬러 입자의 입자 간격을 제어함으로써 상기 주 컬러 입자의 구조색을 이용하여 상기 컬러 데이터에 대응하는 유채색을 부여하는 단계; 상기 일 레이어에 대한 상기 레이어 데이터 중 상기 컬러 데이터를 참조하여 상기 컬러 데이터가 무채색인 제2 영역에 대하여, 상기 제1 전기장과 반대인 제2 전기장을 인가하여 상기 제2 영역에서 상기 주 컬러 입자를 배제하고 상기 보조 컬러 입자만 잔류시켜 상기 보조 컬러 입자의 물질색을 이용하여 상기 무채색을 부여하는 단계; 및 상기 일 레이어에 대하여 상기 레이어 데이터 중 상기 쉐이프 데이터를 참조하여 광을 조사함에 따라 상기 인쇄 매체를 경화시켜 상기 일 레이어를 형성하는 단계;를 포함하는 3D 프린팅 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린팅 방법으로서, 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 준비하는 단계; 상기 입체물에 대한 3D 모델링 데이터 - 상기 모델링 데이터는, 상기 복수의 레이어 별 레이어 데이터를 포함하고, 상기 레이어 데이터는, 상기 레이어 내에서 경화하고자하는 좌표들에 대한 쉐이프 데이터 및 상기 좌표들 별 컬러값에 대한 컬러 데이터를 포함함 - 를 준비하는 단계; 상기 복수의 레이어 중 일 레이어에 대한 작업 영역 - 상기 작업 영역은, 상기 인쇄 매체의 일 표면으로부터 내부 방향으로 미리 정해진 두께를 가지는 공간임 - 을 준비하는 단계; 상기 일 레이어 대한 상기 레이어 데이터 중 상기 컬러 데이터의 상기 컬러값에 기초하여 상기 컬러 입자의 구조색을 조정하여 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 단계; 상기 일 레이어 대한 상기 레이어 데이터 중 상기 쉐이프 데이터의 상기 좌표값에 기초하여 상기 경화성 물질을 경화시켜 상기 인쇄 매체에 부여된 컬러를 고정시킴과 동시에 상기 일 레이어를 형성하는 단계;를 포함하는 3D 프린팅 방법이 제공될 수 있다.
또 상기 컬러 입자는, 자성체로 제공되는 자성 코어 및 상기 자성 코어를 코팅하는 형태로 제공되며 표면 전하를 띄는 커플링 쉘을 포함하고, 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 인쇄 매체에 상기 컬러값에 대응하는 세기로 자기장을 인가하여 상기 컬러 입자의 입자 간격을 제어함으로써 상기 컬러 입자가 상기 컬러값에 대응하는 상기 구조색을 가지도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
또 상기 자성체는, Fe, Co, Ni, CoCu, CoPt, CoSm, NiFe, NiFeCo, γ-Fe2O3, Fe3O4, CoFe2O4, MnO, MnFe2O4 및 BaFe12O19 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 커플링 쉘은, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 아크릴계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Silane계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Titanate계 커플링제, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Aluminate계 커플링제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 자성 코어는, 비자성 기재를 더 포함하고, 상기 자성체는, 상기 비자성 코어를 코팅한 형태로 제공될 수 있다.
또 상기 비자성 기재는, SiO2, Al2O3, TiO2, Polystyren, Polymethylsilsesquioxane 및 PMMA 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 상기 컬러를 부여하는 단계에서는, 상기 쉐이프 데이터 및 상기 컬러 데이터를 참조하여 상기 일 레이어의 영역 전체에 걸쳐 상기 쉐이프 데이터의 좌표에 대응하는 부분들에 각각 상기 컬러 데이터의 컬러값에 대응하는 컬러가 부여되도록 하고, 상기 일 레이어를 형성하는 단계에서는, 상기 좌표에 대응하는 부분들 각각에 상기 컬러가 부여된 상태에서 상기 부분들을 경화시킬 수 있다.
또 상기 컬러를 부여하는 단계에서는, 상기 일 레이어의 영역 전체에 걸쳐 상기 컬러 데이터에 포함된 특정 컬러값에 대응하는 컬러를 부여하고, 상기 일 레이어를 형성하는 단계에서는, 상기 일 레이어의 전체에 걸쳐 상기 특정 컬러값이 부여된 상태에서 상기 쉐이프 데이터를 참조하여 상기 특정 컬러값을 가지는 좌표들에 대해서만 선택적으로 경화시키고, 상기 컬러 데이터에 포함된 모든 컬러값에 대하여, 상기 특정 컬러값에 대응하는 컬러를 부여하는 단계 및 상기 특정 컬러값을 가지는 좌표들에 대해서만 선택적으로 경화시키는 단계를 반복하여 상기 일 레이어를 형성할 수 있다.
또 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 쉐이프 데이터를 참조하여 상기 일 레이어의 영역 전체 중 상기 컬러 데이터에 포함된 특정 컬러값을 가지는 좌표들을 판단하는 단계 및 상기 판단된 좌표들에 대하여 상기 특정 컬러값을 부여하는 단계를 단계를 포함하고, 상기 일 레이어를 형성하는 단계는, 상기 판단된 좌표들에 대해서만 선택적으로 경화시키는 단계를 포함하고, 상기 컬러 데이터에 포함된 모든 컬러값에 대하여, 상기 판단하는 단계, 상기 특정 컬러값을 부여하는 단계 및 상기 선택적으로 경화시키는 단계를 반복하여 상기 일 레이어를 형성할 수 있다.
또 상기 쉐이프 데이터의 좌표들을, 미리 정해진 개수의 좌표 그룹 - 상기 좌표 그룹은, 서로 이격된 좌표들의 집합임 - 으로 분류하는 단계; 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 일 레이어 중 상기 좌표 그룹 중 특정 좌표 그룹에 속하는 좌표들에 대응하는 부분에 대하여 컬러를 부여하는 단계를 포함하고, 상기 일 레이어를 형성하는 단계는, 상기 컬러가 부여된 부분을 선택적으로 경화시키는 단계를 포함하고, 상기 일 레이어에 속하는 모든 좌표 그룹들에 대하여, 상기 특정 좌표 그룹에 속하는 좌표들에 대응하는 부분에 컬러를 부여하는 단계 및 상기 컬러가 부여된 부분을 선택적으로 경화시키는 단계를 반복하여 상기 일 레이어를 형성할 수 있다.
또 상기 좌표 그룹에 속하는 좌표들은, 서로 대각선 방향의 좌표들로 구성될 수 있다.
또 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 컬러값이 유채색인 경우 상기 광 결정성 입자의 입자 간격에 따른 반사광이 상기 유채색에 대응되도록 상기 입자 간격을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또 상기 컬러 입자는, 무채색의 물질색을 가지고, 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 컬러값이 무채색인 경우 상기 광 결정성 입자가 불규칙한 상기 입자 간격을 가지도록 하여 상기 컬러 입자의 구조색 대신 상기 물질색으로 상기 컬러를 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
또 상기 컬러를 부여하는 단계는, 상기 컬러값이 무채색인 경우 상기 무채색을 부여하고자 하는 영역을 서브 영역으로 분할하는 단계 및 상기 서브 영역 각각에 그 조합에 따라 상기 무채색을 표현하는 유채색을 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 또 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 수용하고, 그 상면 또는 하면 중 어느 일면이 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면이 되도록 투명하게 제공되거나 또는 상기 수용된 인쇄 매체의 상부 표면이 작업면이 되도록 상기 상면이 개방된 형태로 제공되는 탱크; 상기 작업면과 마주보는 평판 형태로 제공되어, 상기 입체물을 지지하는 모델링 플레이트; 평판 형태의 제1 투명 필름 및 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 작업면에 대면하도록 배치되어 상기 제1 전극을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 자기장을 인가함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 컬러 부여 모듈; 상기 입체물에 대한 모델링 데이터를 저장하는 메모리; 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하여 상기 자기장의 세기를 제어함에 따라 상기 부여되는 컬러를 조절하는 콘트롤러;를 포함하는 3D 컬러 프린터가 제공될 수 있다.
또 상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화할 단위 영역에 부여할 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 컬러 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써 상기 경화될 단위 영역 별로 상기 부여되는 컬러를 조절할 수 있다.
또 상기 복수의 제1 전극은, ITO 투명 전극일 수 있다.
또 상기 제1 투명 필름은, 서로 마주보는 제1-1 투명 필름 및 제1-2 투명 필름을 포함하고, 상기 복수의 제1 전극은, 상기 제1-1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배치되는 복수의 제1-1 전극 및 상기 제1-2 투명 필름 상에 배치되어 상기 제1-1 전극과 대향하도록 배치되는 복수의 제1-2 전극을 포함할 수 있다.
또 상기 복수의 제1 전극은, 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배치되는 공통 전극 및 상기 공통 전극과 쌍을 이루도록 상기 투명 필름 상에 배치되는 그라운드 전극을 포함할 수 있다.
또 상기 제1-1 전극 및 상기 제1-2 전극은, 상기 제1 투명 필름의 상기 작업면을 마주하는 면에 배치될 수 있다.
또 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체를 경화시켜 상기 레이어를 형성하는 경화 모듈;을 더 포함할 수 있다.
또 상기 경화 모듈은, 광을 출사하는 광원 및 상기 출사된 광이 상기 작업면 상에 조사되는 위치를 제어하는 광 조사 제어부를 포함하되, 상기 광 조사 제어부는, 평판 형태로 제공되는 한 쌍의 제2 투명 필름, 상기 제2 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제2 전극 및 상기 제2 투명 필름 사이에 개재되는 액정층을 포함하고, 상기 광원과 상기 작업면의 사이에 배치되어 상기 제2 전극에 의해 상기 액정층이 광을 투과시키거나 비투과시키는 것을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 상기 단위 영역 별로 상기 광을 조사함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체를 경화시키고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제2 전극에 인가되는 전압을 제어하는 콘트롤러;를 포함할 수 있다.
또 상기 광 조사 제어부는, 상기 컬러 부여 모듈의 배면에 배치될 수 있다.
또 상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 경화될 단위 영역에만 상기 광이 조사되도록 상기 복수의 제2 전극에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
또 상기 경화 모듈은, 상기 작업면 방향으로 광을 출사하는 광원 및 상기 광원을 상기 작업면에 평행한 방향으로 2차원 이동시키는 광 조사 제어부를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광이 조사되어 상기 인쇄 매체의 경화 및 컬러 고정이 이루어지도록 상기 광원의 온/오프 및 상기 광 조사 제어부에 의한 상기 광의 조사지점을 조절할 수 있다.
또 상기 경화 모듈은, 상기 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 상기 작업면 방향으로 반사시키는 반사경 및 상기 반사경의 반사 각도를 조정하는 각도 조절부를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광이 조사되어 상기 인쇄 매체의 경화 및 컬러 고정이 이루어지도록 상기 광원의 온/오프 및 상기 광 각도 조절부의 반사 각도를 조정하여 상기 광의 조사지점을 조절할 수 있다.
또 상기 컬러 부여 모듈을 기준으로 상기 작업면의 반대 방향에 위치하여 상기 작업면 방향으로 광을 출사하는 광원 및 상기 컬러 부여 모듈의 사이에 위치하는 액정층을 포함하는 경화 모듈;을 더 포함하고, 상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화할 단위 영역에 부여할 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 광원이 오프된 상태에서 상기 컬러 데이터에 기초하여 상기 제1 전극에 인가되는 전압값을 제어함으로써 상기 인쇄 매체에 부여될 컬러를 제어하고, 상기 컬러가 부여된 뒤 상기 광원이 온된 상태에서 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 제1 전극에 인가되는 전압의 온/오프를 제어함으로써 상기 단위 영역 별로 상기 액정층의 광 투과 여부를 제어함으로써 상기 컬러가 부여된 상기 인쇄 매체를 경화시킬 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 이용하여 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면의 단위 영역 별로 대응되도록 2차원 어레이 형태로 배치되는 전극을 가지는 3D 프린터의 제어 방법으로서, 상기 복수의 레이어 별로 경화 대상 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화 대상 영역의 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하는 모델링 데이터를 획득하는 단계; 상기 컬러 데이터의 컬러값에 기초하여 상기 전극 별로 전압을 인가하여 자기장을 발생시키되, 상기 전압값을 조절하여 상기 자기장의 세기를 제어하는 단계; 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 상기 자기장이 인가됨에 따라 상기 자기장의 세기에 따라 상기 인쇄 매체에 상기 구조색이 부여되는 단계; 및 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 구조색이 부여된 영역을 경화시키는 단계;를 포함하는 3D 프린터의 제어 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 수용하고, 그 상면 또는 하면 중 어느 일면이 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면이 되도록 투명하게 제공되거나 또는 상기 수용된 인쇄 매체의 상부 표면이 작업면이 되도록 상기 상면이 개방된 형태로 제공되는 탱크; 상기 작업면과 마주보는 평판 형태로 제공되어, 상기 입체물을 지지하는 모델링 플레이트; 상기 입체물에 대한 모델링 데이터를 저장하는 메모리; 상기 작업면에 마주하도록 배치되어 상기 작업면에 위치한 인쇄 매체에 자기장을 인가하는 전자석; 및 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 전자석에 인가되는 전압을 제어하여 상기 자기장의 세기를 제어함으로써 상기 작업면 상에 위치하는 인쇄 매체에 부여되는 컬러를 조절하는 콘트롤러;를 포함하는 3D 컬러 프린터가 제공될 수 있다.
또 상기 전자석을 상기 작업면에 평행한 2차원 평면 상에서 이동시키는 전자석 이동부;를 더 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 전자석의 위치를 조절하여 상기 컬러가 부여되는 영역을 제어할 수 있다.
또 상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화할 영역에 부여할 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 전자석 이동부를 통해 상기 전자석을 상기 경화할 영역에 위치시키고, 상기 컬러 데이터에 기초하여 상기 전자석에 인가되는 전압값을 제어할 수 있다.
또 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체를 경화시켜 상기 레이어를 형성하는 경화 모듈;을 더 포함할 수 있다.
또 상기 경화 모듈은, 광을 출사하는 광원 및 상기 출사된 광이 상기 작업면 상에 조사되는 위치를 제어하는 광 조사 제어부를 포함하되, 상기 광 조사 제어부는, 평판 형태로 제공되는 한 쌍의 투명 필름, 상기 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 전극 및 상기 투명 필름 사이에 개재되는 액정층을 포함하고, 상기 광원과 상기 작업면의 사이에 배치되어 상기 전극에 의해 상기 액정층이 광을 투과시키거나 비투과시키는 것을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 상기 광을 조사함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체를 경화시키고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 전극에 인가되는 전압을 제어하는 콘트롤러;를 포함할 수 있다.
또 상기 광 조사 제어부는, 상기 전자석과 상기 작업면의 사이에 위치할 수 있다.
또 상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 경화될 단위 영역에만 상기 광이 조사되도록 상기 복수의 전극에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
또 상기 전자석에는, 홀이 형성되고, 상기 경화 모듈은, 상기 전자석의 하부에 부착되어 상기 홀을 통해 상기 작업면 방향으로 광을 출사하는 광원을 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 인쇄 매체에 상기 컬러 부여 시 상기 광원이 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광을 조사하여 상기 인쇄 매체가 경화되도록 제어할 수 있다.
또 상기 경화 모듈은, 상기 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 상기 작업면 방향으로 반사시키는 반사경 및 상기 반사경의 반사 각도를 조정하는 각도 조절부를 포함하고, 상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광이 조사되어 상기 인쇄 매체의 경화 및 컬러 고정이 이루어지도록 상기 광원의 온/오프 및 상기 광 각도 조절부의 반사 각도를 조정하여 상기 광의 조사지점을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 이용하여 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면의 사이에 전자석이 배치되는 3D 프린터의 제어 방법으로서, 상기 복수의 레이어 별로 경화 대상 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화 대상 영역의 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하는 모델링 데이터를 획득하는 단계; 상기 쉐이프 데이터의 좌표값에 기초하여 상기 전자석의 위치를 제어하는 단계; 상기 컬러 데이터의 컬러값에 기초하여 상기 전자석에 전압을 인가하여 자기장을 발생시키되, 상기 전압값을 조절하여 상기 자기장의 세기를 제어하여 상기 인쇄 매체에 상기 컬러값에 대응하는 구조색을 부여하는 단계; 색이 부여되는 단계; 및 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 구조색이 부여된 영역을 경화시키는 단계;를 포함하는 3D 프린터의 제어 방법이 제공될 수 있다.
I. 인쇄 매체
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 개념에 관하여 설명한다.
1. 적용 분야
본 발명에서 인쇄 매체(100)는 3D 프린팅에서 입체물(M)을 구성하는 소재를 의미한다. 3D 프린팅 기술은 이용되는 소재에 따라 크게 다음 세 가지 방식으로 분류될 수 있다.
i) 광경화 방식(photocuring process): 특정 방식의 빛에 의해 경화되는 광경화성 액상 소재(예를 들어, UV 경화 레진 등)을 이용하는 방식으로, 스트라타시스(Stratasys)社의 폴리젯이 이에 해당함.
ii) 소결 방식(sintering process): 특정 온도에서 고형화되는 분말 소재에 레이저를 조사하는 방식으로, SLS(Selective Laser Sintering)와 DMLS(Directive Metal Laser Sintering)이 이에 속함.
iii) 용융적층(FDM: Fused Deposition Modeling) 방식: 열가소성 수지를 특정 온도 이상으로 용융시킨 뒤 냉각시키는 방식으로, 주로 필라멘트 형태의 재료를 가열된 노즐로 토출하여 원하는 형태를 형성하게 되며, PLA(Poly-Lactic Acid)와 ABS(Acrylonitril Butadiene Styrene)을 이용함.
본 발명에서 인쇄 매체(100)는 상술한 3D 프린팅 방식 중 광경화 방식에 이용되는 소재이다. 광경화 방식에 이용되는 장치는 소위 SLA(Stereo Lithography Apparatus)라고 불리우는데, 이로 인해 광경화 방식을 SLA 방식으로 지칭하기도 한다.
본 발명에서 인쇄 매체(100)는 광경화 방식의 3D 프린터(1000)의 탱크(1100) 내에 액체 상태로 준비되며, 표층면이 광을 조사받아 경화됨에 따라 입체물(M)을 구성하는 레이어(L)를 형성하게 된다. 여기서, 인쇄 매체(100)는 광경화성 물질(120’)을 포함하고 있으며, 광 조사에 의해 광경화성 물질(120’)이 경화됨에 따라 레이어(L)를 형성하게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)를 이용한 3D 프린팅은 이러한 레이어(L)의 생성과 생성된 레이어(L)의 적층을 반복적으로 수행하여 입체물(M)을 형성하는 것으로 완료된다.
2. 컬러 3D 프린팅
본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)를 3D 프린팅에 이용하면 자유로운 컬러 표현이 구현되며, 이에 따라 컬러 3D 프린팅이 가능해진다.
일반적으로 종래의 3D 프린팅 기술은 단일 컬러만 표현할 수 있거나 혹은 제한된 형태의 컬러 표현만이 가능했다. 예를 들어, SLA 방식이나 SLS 방식의 경우에는 입체물(M)은 소재가 되는 물질의 원래 컬러에 따른 단일 컬러만을 가질 수 있으며, FDM 방식의 경우에는 서로 색상이 다른 필라멘트를 함께 사용하는 것으로 제한적으로나마 멀티 컬러 입체물(M)의 제조가 가능하지만 이를 위해서는 필라멘트를 색상 별로 구비해야 할 뿐 아니라 필라멘트 색상이 충분히 다양하지 못해 결국 색상 표현에 제한이 있었다.
이처럼 종래의 3D 프린팅에서 컬러 표현에 제약이 있는 것은, 레이어(L) 단위로 경화 내지는 고형화시켜 이를 적층시켜 입체물(M)을 형성하는 3D 프린팅 기술의 특성 상 동시에 여러 소재를 운용하기 어려우며 그 소재가 가지는 물질 자체의 색상, 즉 물질색이 바로 입체물(M)의 색상으로 적용되기 때문이다.
이에 반해 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)는 SLA 방식의 3D 프린팅 과정 중 광 조사에 의해 경화되기 전 또는 경화되는 동안 중 색상을 부여받을 수 있다. 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)는 광 결정성 입자(140’)를 포함하는데, 3D 프린팅 시 광 결정성 입자(140’)의 입자 간격(D)을 제어해 그 구조색을 조정함에 따라 인쇄 매체(100)에 색이 부여되는 것이다.
3. 인쇄 매체의 기본 조성
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 기본 조성에 관하여 설명한다.
도 1을 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 기본 조성에 관한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)는 경화성 물질(120) 및 주 컬러 입자(140)를 포함할 수 있다.
1) 경화성 물질
경화성 물질(120)은 3D 프린팅 시 경화되어 인쇄 매체(100)가 입체물(M)의 레이어(L)를 이루도록 하는 역할을 한다. 이를 위해 경화성 물질(120)은 특정 조건에 의해 액상에서 고상으로 경화되는 성질을 가진다. 예를 들어, 경화성 물질(120)은 자외선이나 가시광 등의 빛이나 온도 변화에 의한 화학적 변화 과정에 따른 경화 과정을 수반하는 물질을 포함할 수 있다.
경화성 물질(120)의 대표적인 예로는, 광경화성 물질(120’)의 일종으로 UV 광에 의해 경화되는 UV 레진이 있다. 일반적으로 SLA 방식의 3D 프린팅에서는 UV 레진을 포함하는 인쇄 물질을 탱크(1100)에 준비한 뒤 경화시키고자 하는 형태로 UV 광을 조사하여 입체물(M)을 구성하는 레이어(L)를 생성하는 과정이 이루어지는데, 이때 UV 레진은 레이어(L)의 형태를 고정시키는 역할을 수행한다.
물론, 본 발명에서 경화성 물질(120)이 광경화성 물질(120’)이나 UV 레진으로 한정되는 것은 아니며 열경화성 물질이나 그 밖의 다른 조건에 따라 액상에서 고상으로 경화되는 특징을 지닌 물질을 포괄하는 것으로 해석되어야 한다.
또 경화성 물질(120)은 주 컬러 입자(140)에 의해 표현되는 컬러, 즉 인쇄 매체(100)에 부여되는 컬러를 고정시키는 역할을 수행하기도 한다.
구체적으로 컬러 고정은 다음과 같이 이루어진다. 주 컬러 입자(140)는 후술되는 바와 같이 외부 변인(예를 들어 자기장 등)에 의해 특정한 배열 구조를 띄게 되는 경우 그 배열 구조에 대응되는 컬러를 표현하게 된다. 이때 경화성 물질(120)이 경화되면 이로 인해 주 컬러 입자(140)의 배열 구조가 외부 변인 없이도 해체되지 않고 유지되어 이에 따라 주 컬러 입자(140)에 의해 인쇄 매체(100)의 컬러가 고정되게 되는 것이다.
2) 주 컬러 입자
주 컬러 입자(140)는 배열 구조에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자(140’)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 광 결정성 입자(140’)는 그 입자 간의 거리, 즉 입자 간격(D)에 따라 그에 대응되는 파장의 빛만을 반사할 수 있다. 이에 따라 인쇄 매체(100)는 반사되는 파장에 해당하는 컬러를 구조색으로 가질 수 있다. 결과적으로 주 컬러 입자(140)는 그 구조색을 이용하여 컬러를 표현함으로써 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여할 수 있다.
가시광선 영역의 컬러를 나타내기 위하여 광 결정성 입자(140’)는 50 내지 2000㎚의 입자 크기를 가지며 입자 크기의 편차는 10% 미만인 것이 적당하며, 더욱 바람직하게는 180~550㎚의 입자 크기를 가지며 입자 크기의 편차가 10% 미만인 것이 좋다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 결정성 입자(140’)의 일 예의 모식도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 결정성 입자(140’)의 다른 예의 모식도이다.
광 결정성 입자(140’)는 자성 코어(142) 및 커플링 쉘(144)로 이루어질 수 있다. 이와 같은 광 결정성 입자(140’)는 자기장을 인가받아 원하는 입자 간격(D)을 갖는 배열 구조로 자기조립화(自己組立化)될 수 있다. 특정한 입자 간격(D)으로 배치되는 광 결정성 입자(140’)는 그 입자 간격(D)에 대응하는 구조색을 띄게 되므로, 결과적으로 인쇄 매체(100)에 컬러가 부여될 수 있다.
구체적으로 광 결정성 입자(140’)의 자기조립화는 다음과 같이 이루어질 수 있다.
자성 코어(142)는 주로 광 결정성 입자(140’)의 코어 형태를 취하며 자성을 갖는다. 따라서, 자성 코어(142)는 자기장이 인가되면 이에 반응하여 자기장에 끌려가게 된다. 커플링 쉘(144)은 주로 자성 코어(142)를 둘러싸는 쉘 형태를 취하며 표면 전하를 가진다.
이에 따라 자기장 하에서 광 결정성 입자(140’)는 자성 코어(142)가 자기장에 끌려가는 것에 의해 집합을 이루게 되며, 이때 커플링 쉘(144)의 표면 전하에 의한 전기적 반발력에 의해 소정의 입자 간격(D)을 유지하게 되면서 자기조립화된다.
여기서, 입자 간격(D)은 자성 코어(142)가 자기장에 이끌리는 힘과 커플링 쉘(144)에 의한 반발력이 균형을 이루는 간격으로 결정되므로 자기장의 세기에 따라 결정될 수 있다. 결론적으로 광 결정성 입자(140’)에 인가되는 자기장의 세기를 조절함으로써 인쇄 매체(100)의 컬러를 제어할 수 있는 것이다.
자성 코어(142)는 주로 수 내지 수백 ㎚의 자성 나노 입자로 구현될 수 있다. 자성 나노 입자는 도 2에 도시된 바와 같이 자성체(142a)가 단독으로 자성 코어(142)를 형성하는 형태 또는 도 3에 도시된 바와 같이 비자성 기재(142b)에 자성체(142a)를 코팅한 형태로 구현될 수 있다.
자성체(142a)로는 자성 물질 또는 자성 합금이 이용될 수 있다. 자성 물질 또는 자성 합금의 예로는 Fe, Co, Ni 등의 금속이거나 이들의 합금(예를 들어, CoCu, CoPt, CoSm, NiFe, NiFeCo 등) 또는 γ-Fe2O3, Fe3O4, CoFe2O4, MnO, MnFe2O4, BaFe12O19 등의 산화물이거나 이들의 혼합물을 들 수 있다.
비자성 기재(142b)로는 SiO2, Al2O3, TiO2 등의 금속산화물이나 Polystyren, Polymethylsilsesquioxane, PMMA 등의 유기물을 이용할 수 있다. 비자성 기재(142b)는 주로 구형 기재 형태로 제공되어 그 표면에 자성체(142a)가 코팅될 수 있다.
자성 나노 코어는 자기장에 따른 반응성을 개선하기 위하여, 즉 광 결정성 입자(140’)의 배열 구조를 제어를 보다 용이하게 하기 위하여 초상자성(superparamagnetic) 특성을 가지도록 제조될 수도 있다.
대체로 강자성 물질은 그 입자 크기가 수 내지 수백 ㎚가 되도록 처리하면 초상자성 물질로 상전이된다. 초상자성 물질은 일반적인 강자성 물질의 경우 자기장에 의해 자성을 띄면 이후 자기장이 제거되어도 여전히 자성이 유지되는 것과 외부 자기장의 영향 아래서만 자성을 유지한 뒤 자기장이 제거되면 자성을 소실하는 특징을 가진다.
따라서, 초상자성 특징을 이용하면 자기장의 세기에 따라 광 결정성 입자(140’)의 입자 간격(D)을 용이하게 제어할 수 있기 때문에 인쇄 매체(100)에 원하는 컬러를 부여하기 보다 용이할 수 있다.
커플링 쉘(144)은 자성 코어(142)의 외곽을 커플링제로 코팅하는 형태를 갖는다. 커플링제로는 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 아크릴계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Silane계 고분자, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Titanate계 커플링제, 양이온성 또는 음이온성 작용기를 포함하는 Aluminate계 커플링제, 등이 사용될 수 있다. 커플링 쉘(144)은 전기적 극성을 띄기 때문에 서로 반발하며 이로 인해 광 결정성 입자(140’) 간에는 척력을 작용시킨다. 예를 들어, 카르복실기를 포함하는 (메타)아크릴 산으로부터 유도된 아크릴계 고분자를 이용하면 광 결정성 입자(140’)의 표면이 음전하를 띄도록 할 수 있고, 아미노기를 포함하는 N-메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트로부터 유도된 아크릴계 고분자를 이용하면 양전하를 띄도록 할 수 있다.
한편, 자성체(142a), 비자성 기재(142b) 및 커플링 쉘(144)의 소재가 상술한 예로 한정되는 것은 아니며, 이와 유사한 기능을 하는 다른 소재를 사용하여도 무방하다.
한편, 본 발명의 기본 조성에 따른 인쇄 매체(100)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
먼저, 광결정 입자(140')의 제조에 있어서, Stober-Fink-Bohn법으로 제조된 250nm의 단분산 구형 이산화규소입자 80g을 탈이온수 2L에 투입후 30분간 초음파 분산하였다. 이어 구형 이산화규소 분산액을 교반할 수 있는 5L 유리 반응기로 옮겨담고, 질소를 1L/min의 속도로 투입하여 산소를 제거하였다.
여기에 Fe(NO3)3 수용액(탈이온수 100g당 10g의 Fe(NO3)3-9H2O를 용해) 5ml를 첨가후 분산액의 온도를 80℃ 만든후 15wt%의 KOH 수용액을 20분동안 투입하여 pH 7.0으로 만들고 30분간 교반 상태를 유지하였다.
이어 15wt%의 KOH 수용액을 이용하여 pH를 유지하면서 FeSO4 수용액(탈이온수 1000g에 300g의 FeSO4-7H2O를 용해) 600g을 0.5ml/min의 속도로 투입하여 Fe3O4로 코팅하였다.
투입 완료 후 30분간 교반 상태를 유지한 이후 탈수와 탈이온수로 세척을 반복하여 잔류염을 제거후 120℃에서 12시간 건조하여 Fe3O4가 코팅된 단분산 구형
이산화규소입자를 제조였다. 이어 무수에탄올 1L에 Fe3O4가 코팅된 단분산 구형 이산화규소입자를 분산시키고 3-Methacryloxypropyl triethoxy silane 10g을 투입하고 교반상태를 30분간 유지한 후 여과후 70℃에서 6시간 건조하여 흑색의 광 결정성 입자(140')을 제조하였다.
3) 컬러 구현
상술한 인쇄 매체(100)의 기본 조성을 이용하면 인쇄 매체(100)에 컬러를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
기본 조성의 인쇄 매체(100)는 도 4(a)에 도시된 것과 같이 경화성 물질(120)에 주 컬러 입자(140)가 분산되어 있는 형태로 준비된다. 아직 자기장이 인가되지 않은 상태이므로 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)은 균일하지 않은 상태이다. 이러한 인쇄 매체(100)에 자기장을 인가하면 자성 코어(142)에 작용하는 자기력과 커플링 쉘(144)의 전기적 반발력에 의해 도 4(b)에 도시된 것처럼 특정 간격의 입자 간격(D)을 가지고 주 컬러 입자(140)가 균일하게 배치될 수 있다.
이와 같이 주 컬러 입자(140)가 배치되면 주 컬러 입자(140)가 광 결정성 입자(140’)의 입자 간격(D)에 따른 구조색을 띄게 되며 이에 따라 인쇄 매체(100)에 컬러가 부여될 수 있다.
인쇄 매체(100)에 색이 부여된 상태에서 인쇄 매체(100)에 광을 조사하거나 열을 가하여 경화성 물질(120)을 경화시키면 도 4(c)에 도시된 바와 같이 주 컬러 입자(140)의 배치가 고정되며, 이에 따라 인쇄 매체(100)에 부여된 컬러가 고정될 수 있다. 이후 도 4(d)에서와 같이 자기장을 제거하더라도 이미 경화성 물질(120)이 충분히 경화되었기 때문에 인쇄 매체(100)는 고정된 컬러를 유지할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 컬러를 구현하는 과정에서 자기장의 세기를 조정하면 인쇄 매체(100)의 컬러를 제어할 수 있다. 이를 이용하면 인쇄 매체(100)에 다양한 컬러를 구현하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)를 이용한 컬러 제어에 관한 도면이다.
기본적으로 인쇄 매체(100)에 부여되는 색상은 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)에 의한 구조색으로 정의되며, 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)은 자성 코어(142)에 의해 입자가 집합되는 힘과 커플링 쉘(144)에 의한 입자 간의 반발력이 균형을 이루는 간격으로 결정된다.
여기서, 커플링 쉘(144)의 표면 전하량은 거의 일정하게 유지되므로 자기장의 세기를 증감시켜 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 증감시킬 수 있다. 구체적으로는 자기장의 세기를 증가시키면 입자 간격(D)이 감소하며 반대로 자기장의 세기를 감소시키면 입자 간격(D)이 증가될 것이다. 인쇄 매체(100)에 부여되는 컬러는 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)에 대응하여 반사되는 가시광의 파장에 따른 구조색으로 결정되므로, 결과적으로 자기장의 세기가 점차 증가시키면서 도 5의 (a), (b), (c) 순으로 광결정성 입자(140’)이 입자 간격(D)이 감소하면서, 적색 계열로부터 자색 계열까지의 컬러가 인쇄 매체(100)에 구현될 수 있다.
한편, 단일 대역의 가시광으로는 적색으로부터 자색까지의 유채색 컬러만을 구현할 수 있으나, 인쇄 매체(100)의 단위 영역 별로 서로 다른 입자 간격(D)을 부여함으로써 거시적 관점에서 컬러를 조합하여 무채색 계열의 색상을 표현하거나 채도 및 명도 등을 컬러 요소까지도 제어하면서 다양한 색상을 인쇄 매체(100)로 구현하는 것이 가능할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)를 이용한 컬러 조합에 관한 도면이다.
컬러 조합에 대한 일 예로 도 6을 살펴보면, 인쇄 매체(100)는 미시적 수준에서 제1 단위 영역(U1), 제2 단위 영역(U2), 그리고 제3 단위 영역(U3)으로 구획되어 있다. 제1 단위 영역(U1)에서는 주 컬러 입자(140)는 적색에 대응되는 입자 간격(D)으로 배치되어 있으며, 제2 단위 영역(U2)에서는 녹색, 제3 단위 영역(U3)에서는 청색에 대응되는 입자 간격(D)으로 배치되어 있다. 이와 같이 배열 구조를 가지는 인쇄 매체(100)는 미시적으로는 도6(a)와 같이 단위 영역 별로 적록청의 컬러를 가지지만, 거시적 관점에서는 도 6(b)와 같이 백색의 컬러를 가지게 될 수 있다.
4. 인쇄 매체의 추가 조성
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 추가 조성에 관하여 설명한다.
기본적으로 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)는 상술한 바와 같이 주 컬러 입자(140)의 광 결정성 배열 구조에 따라 반사되는 가시광 대역을 이용한 구조색을 이용하여 컬러를 구현하므로 무채색 계열의 컬러를 구현하거나 또는 채도, 명도 등을 복합적으로 제어하여 풀 컬러를 구현함에 일정한 제약이 따른다.
물론, 인쇄 매체(100)의 단위 영역 별로 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 개별 제어함으로써 컬러를 조합하는 것이 가능하긴 하지만, 3D 프린팅 기술에 이를 적용하기 위해서는 단위 영역 별로 정확한 컬러 부여와 컬러 고정이 수행되어야 하므로 3D 프린터(1000)의 제조 단가가 상승함은 물론, 입체물(M) 전체의 제작 시간이 증가될 가능성도 다분하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 추가 조성은 기본 조성에 보조 컬러 입자(160)를 추가로 더 포함할 수 있다. 여기서, 보조 컬러 입자(160)란 주 컬러 입자(140)의 단일 구조색만으로는 표현하기 어려운 컬러를 인쇄 매체(100)에 부여해주는 입자를 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 추가 조성에 관한 개념도이다.
1) 보조 컬러 입자
이러한 점을 고려할 때 보조 컬러 입자(160)로는 무채색 계열을 지닌 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 일 예로 보조 컬러 입자(160)로는 백색이나 회색 또는 흑색을 띄는 물질이 선택될 수 있다.
물론 보조 컬러 입자(160)가 반드시 무채색 계열의 물질로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 3D 프린팅될 입체물(M)의 주된 컬러가 정해져 있다면, 주 컬러 입자(140)로 그 주된 컬러를 표현하기 위해서는 컬러 부여 및 컬러 고정 과정이 반복될 필요가 있으며 이에는 시간이 많이 소요될 가능성이 크다. 따라서, 이와 같은 경우라면 입체물(M)의 주된 컬러를 띄는 물질을 보조 컬러 입자(160)로 선택하는 것이 유리할 수 있다.
다른 예를 들어, 자기장 제어를 통해 특정한 유채색을 구조색을 표현하는 것이 곤란한 경우에는 표현이 곤란한 컬러를 가지는 물질을 보조 컬러 입자(160)로 선택할 수도 있다. 즉, 단일 구조색으로 적색을 표현하거나 자색을 표현하려는 경우에 입자 간격(D)이 가장 크거나 작아야 하며, 이에 따라 적색 표현이나 자색 표현 시 자기장이 가장 강하거나 약해야 하는데, 이와 같은 자기장 세기 제어가 용이하지 않은 경우 적색 또는 자색의 물질로 보조 컬러 입자(160)를 준비할 수도 있을 것이다.
나아가 보조 컬러 입자(160)가 반드시 한 종류의 물질로만 선택되어야 하는 것도 아니다. 필요에 따라서는 예를 들어, 백색과 흑색의 두 종류의 물질로 보조 컬러 입자(160)를 준비할 수도 있다.
또 보조 컬러 입자(160)의 선택에 있어서 주 컬러 입자(140)의 물질 종류를 더 고려할 수도 있다. 예를 들어, 주 컬러 입자(140)의 자성 코어(142)가 자성체(142a)와 비자성 기재(142b)로 이루어진 경우, 보조 컬러 입자(160)로 자성체(142a)가 제거된 주 컬러 입자(140), 즉 비자성 기재(142b)를 이용할 수도 있다.
이 경우 주 컬러 입자(140)의 생산 공정 중 비자성 기재(142b)에 자성체(142a)를 코팅하거나 입히는 공정만을 제외시키는 것으로 보조 컬러 입자(160)를 용이하게 생산할 수 있어 공정 상의 이득을 볼 수 있다.
여기서, 보조 컬러 입자(160)로는 ZnO, Al2O3, TiO2, 카본 블랙 파우더, Fe3O4, TiO2 -x, 징크 옥사이드 등의 금속산화물을 이용할 수 있을 것이다. 예를 들어, ZnO, Al2O3, TiO2 등을 보조 컬러 입자(160)로 이용하는 경우에는 백색 표현이, 카본 블랙, Fe3O4, TiO2 -x 등을 이용하는 경우에는 흑색 표현이 가능해진다.
한편, 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160) 중 어느 컬러 입자를 이용하여 인쇄 매체(100)의 컬러를 표현할지 외부 변인을 제어하여 선택하는 것이 가능해야 한다. 다시 말해, 경화 대상 영역(즉, 입체물(M)을 구성하는 레이어(L)의 일부가 되는 부분)에서 주 컬러 입자(140)를 통해 인쇄 매체(100)의 컬러 구현을 하고자 하는 경우에는 해당 영역에서 보조 컬러 입자(160)가 배제시키고 주 컬러 입자(140)만을 잔존시켜야 하고, 반대로 보조 컬러 입자(160)를 통해 인쇄 매체(100)의 컬러 구현을 하려는 경우에는 해당 영역에 주 컬러 입자(140)를 배제시키고 보조 컬러 입자(160)만을 잔존시킬 필요가 있을 수 있다.
이를 위해 일 예로, 보조컬러 입자(160)를 주 컬러 입자(140)와 반대 전하를 띄도록 할 수 있다. 예를 들어, 주 컬러 입자(140)의 커플링제로 카르복실기를 포함하는 (메타)아크릴 산으로부터 유도된 아크릴계 고분자를 이용하면 광 결정성 입자(140’)의 표면이 음전하를 띄게 되므로, 보조 컬러 입자(160)로는 양전하를 띄는 아미노기를 포함하는 N-메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트로부터 유도된 아크릴계 고분자를 선택 할 수 있다.
이와 같이 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)가 서로 다른 전하를 띄면, 경화 대상 영역에 전기장을 인가함으로써 어느 하나의 컬러 입자를 배제시키고 다른 하나의 컬러 입자만을 잔존시키는 것이 가능하다.
2) 주 컬러 입자의 물질색
한편, 컬러 표현 시 주 컬러 입자(140) 자체의 색상을 이용하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이 주 컬러 입자(140)는 광 결정성 입자(140’)로서 특정한 배열 구조에서 구조색을 가지므로 이를 통한 다양한 색상 표현이 가능하다.
그러나, 주 컬러 입자(140)에 자기장 등의 외부 변인이 인가되지 않는 경우에는 주 컬러 입자(140)는 불균일한 랜덤의 입자 간격(D)으로 인쇄 매체(100) 내에 분산되게 되며, 이 경우에는 주 컬러 입자(140)의 물질색이 인쇄 매체(100)의 컬러로 부여될 수 있다.
따라서, 주 컬러 입자(140)로는, 위의 보조 컬러 입자(160)에서 설명한 것과 유사한 이유로, 구조색으로 표현하기 어려운 무채색 계열을 지니는 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 일 예로 주 컬러 입자(140)로는 백색이나 회색 또는 흑색을 띄는 물질이 선택될 수 있다.
물론 주 컬러 입자(140)가 반드시 무채색 계열의 물질로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 3D 프린팅될 입체물(M)의 주된 컬러가 정해져 있다면, 주 컬러 입자(140)의 구조색을 이용하여 그 주된 컬러를 표현하기 위해서는 컬러 부여 및 컬러 고정 과정이 반복될 필요가 있으며 이에는 시간이 많이 소요될 가능성이 크다. 따라서, 이와 같은 경우라면 주 컬러 입자(140)의 물질 자체 컬러가 입체물(M)의 주된 컬러를 띄는 것으로 선택하는 것이 유리할 수 있다.
다른 예를 들어, 자기장 제어를 통해 특정한 유채색을 구조색을 표현하는 것이 곤란한 경우에는 표현이 곤란한 컬러를 그 자체 컬러로 가지는 물질을 주 컬러 입자(140)로 선택할 수도 있다. 예를 들어, 단일 구조색으로 적색을 표현하거나 자색을 표현하려는 경우에 입자 간격(D)이 가장 크거나 작아야 하며, 이에 따라 적색 표현이나 자색 표현 시 자기장이 가장 강하거나 약해야 하는데, 이와 같은 자기장 세기 제어가 용이하지 않은 경우 적색 또는 자색을 물질 자체의 컬러로 가지는 물질을 주 컬러 입자(140)를 준비할 수도 있을 것이다.
한편, 주 컬러 입자(140)가 보조 컬러 입자(160)와 함께 이용되는 경우에는 주 컬러 입자(140)의 물질 자체 컬러가 보조 컬러 입자(160)의 컬러와 상이하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 보조 컬러 입자(160)로는 백색 물질을 선택하고, 주 컬러 입자(140)로는 물질 자체의 색상이 흑색인 물질을 선택할 수 있다. 이와 같이 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)의 물질이 선택되면, 유채색 계열은 주 컬러 입자(140)의 구조색을 이용하여 구현하고, 무채색 계열은 주 컬러 입자(140)나 보조 컬러 입자(160) 또는 이들의 조합을 통해 표현할 수 있게 된다.
구체적인 예를 들면, 주 컬러 입자(140)의 자성 코어(142)로는 Fe3O4를 단독 자성체(142a)로 이용하거나 또는 비자성 기재(142b)인 SiO2에 자성체(142a)인 Fe3O4를 코팅한 물질을 사용하고 커플링 쉘(144)로는 카르복실기를 포함하는 (메타)아크릴 산으로부터 유도된 아크릴계 고분자를 이용하고, 보조 컬러 입자(160)로는 아미노기를 포함하는 N-메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트로부터 유도된 아크릴계 고분자를 코팅한 TiO2 파우더를 이용할 수 있다. 여기서, TiO2의 자체 컬러가 백색이며, Fe3O4의 자체 컬러는 흑색이다. 또한, 보조 컬러 입자(160)는 아미노기를 포함하는 N-메틸아미노에틸 (메타)아크릴레이트로부터 유도된 아크릴계 고분자에 의해 인쇄 매체(100) 내에서 양전하를 가지며, 주 컬러 입자(140)는 카르복실기를 포함하는 (메타)아크릴 산으로부터 유도된 아크릴계 고분자에 의해 인쇄매체(100) 내에서 음전하를 가지게 된다.
이외에도 보조 컬러 입자(160)로는 카르복실기, 에스테르기, 알실기 등을 사용하여 음전하를 부여하거나 또는 암모늄계 고분자, Al계 금속 산화물 또는 착화물 등을 이용하여 양전하를 부여하는 것도 가능하다.
다만, 보조 컬러 입자(160)의 물질 선택은 주 컬러 입자(140)와 반대 전하를 부여하도록 선택되어야 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)에서 주 컬러 입자(140)의 구조색을 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
상술한 구체적인 예에 따른 인쇄 매체(100)의 조성에서 유채색의 표현은 다음과 같이 이루어진다. 먼저 도 8(a)와 같은 추가 조성에 따른 인쇄 매체(100)를 준비한다. 다음으로 도 8(b)와 같이 경화시키고자하는 영역에 (+) 전기장을 걸어 양전하를 띄는 보조 컬러 입자(160)를 배제시키고 주 컬러 입자(140)만 남도록 한다. 이 상태에서 도 8(c)와 같이 자기장을 인가하여 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 제어함으로써 원하는 유채색을 인쇄 매체(100)에 부여할 수 있다. 이후 도 8(d)와 같이 경화 과정을 거치면 인쇄 매체(100)에 부여된 색이 고정될 것이다.
도 9는 본 발명이 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)에서 주 컬러 입자(140)의 물질 자체 컬러를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
무채색 중 흑색의 표현은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 경화시키고자 하는 영역에 (+) 전기장을 걸어 양전하를 띄는 보조 컬러 입자(160)를 배제시키고 주 컬러 입자(140)만 남도록 한다. 이 상태에서 자기장을 인가하지 않으면 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 랜덤으로 배열됨에 따라 주 컬러 입자(140)는 구조색을 가지지 않아 주 컬러 입자(140)의 물질 자체의 컬러인 흑색이 인쇄 매체(100)에 부여되게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)에서 보조 컬러 입자(160)를 이용한 컬러 구현에 관한 도면이다.
또 백색을 표현하고자 하는 경우에는 경화시키고자 하는 영역에 (-) 전기장을 걸어 음전하를 띄는 주 컬러 입자(140)를 배제하고 보조 컬러 입자(160)만 남도록 한다. 이에 따라 인쇄 매체(100)로는 보조 컬러 입자(160)의 백색이 표현되게 된다.
또한, 회색 계열을 표현하고자 하는 경우에는 경화시키고자 하는 영역에 전기장을 인가하지 않거나 흑색 또는 백색을 위해 인가하는 전기장보다 미약한 전기장을 걸어 경화시키고자 하는 영역에 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)가 동시에 잔류하도록 제어함으로써 인쇄 매체(100)가 회색을 표현할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 추가 조성을 이용하면, 유채색과 무채색 계열의 컬러가 모두 표현이 가능하며, 이들의 조합에 의해 인쇄 매체(100)로 표현하고자 하는 컬러의 색조 뿐만 아니라, 채도, 명도 등까지도 조정이 가능하여 결과적으로 풀 컬러 3D 프린팅이 가능해질 수 있다.
한편, 인쇄 매체(100)의 조성에 있어서 보조 컬러 입자(160)가 반드시 포함되어야 하는 것은 아닐 수는 있다. 즉, 주 컬러 입자(140)의 물질 자체의 컬러를 이용하는 방식에 대하여 설명함에 있어서 보조 컬러 입자(160)와 관계지어 설명하였으나, 보조 컬러 입자(160) 없는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 매체(100)의 기본 조성에서도 주 컬러 입자(140)의 물질 자체의 컬러를 이용하는 방식은 적용될 수 있다.
II. 컬러 3D 프린팅 방법
이하에서는 본 발명에 따른 컬러 3D 프린팅 방법에 관하여 설명한다. 여기서, 컬러 3D 프린팅 방법에서는 상술한 인쇄 매체(100)의 기본 조성 및 추가 조성을 이용하여 풀 컬러 또는 이에 준하는 컬러로 3D 입체물(M)을 인쇄하는 방법을 의미한다.
본 명세서에서는 인쇄 매체(100)의 기본 조성과 추가 조성을 이용하는 3D 프린팅 방법이 각각 설명될 것인데 이들은 모두 SLA 방식에 기반한 것임을 밝혀둔다. 이 중 인쇄 매체(100)의 기본 조성을 이용한 컬러 3D 프린팅 방법에 관하여 설명한 후, 추가 조성을 이용한 컬러 3D 프린팅 방법에 관하여 설명하기로 한다.
1. 기본 조성의 인쇄 매체를 이용하는 3D 프린팅 방법
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 일 예에 관한 순서도이다. 도 11을 참조하면, 3D 프린팅 방법의 일 예는, 인쇄 매체(100)를 준비하는 단계(S110), 모델링 데이터를 획득하는 단계(S120), 작업 대상 레이어(L)를 마련하는 단계(S130), 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여하는 단계(S140), 인쇄 매체(100)를 경화시켜 인쇄 매체(100)에 부여된 컬러를 고정시키는 단계(S150) 및 레이어(L)를 적층하는 단계(S160)을 포함할 수 있다. 이하에서는 상술한 각 단계에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
1) 인쇄 매체 준비
먼저 인쇄 매체(100)를 준비한다. 인쇄 매체(100)는 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)로, 주로 3D 프린터(1000)의 탱크(1100)에 수용되어 준비될 것이다.
2) 모델링 데이터
다음으로는 3D 프린팅을 위해서 3D 모델링 데이터를 준비한다.
3D 모델링 데이터는 3D 입체물(M)의 형상에 관한 3D 도면 데이터(예를 들어, CAD 도면 등)이거나 또는 이러한 도면 데이터로부터 얻어진 복수의 레이어 데이터의 집합일 수 있다. 일반적으로 3D 프린팅에서는 레이어(L) 단위로 경화시키는 뒤 이를 적층하여 입체물(M)을 형성하는데, 레이어 데이터는 이들 각각의 레이어(L)에 관한 데이터일 수 있다.
레이어 데이터는 레이어 데이터가 어떤 레이어(L)에 관한 것인지 지시하는 레이어 식별자, 레이어(L)의 형상에 관한 쉐이프 데이터 및 레이어의 컬러를 담은 컬러 데이터를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅의 모델링 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 12을 살펴보면 모델링 데이터의 일 예로, 쉐이프 데이터는 입체물(M)을 구성하는 레이어(L) 중 쉐이프 데이터가 어느 레이어(L)인지를 식별하기 위한 인덱스로 레이어 식별자를 가지며, 레이어(L) 식별자가 지칭하는 레이어(L)의 쉐이프에 관하여, 픽셀 데이터를 가질 수 있다. 또, 레이어(L) 컬러 데이터는 픽셀 데이터 별로 컬러 데이터를 가질 수 있다. 여기서, 컬러 데이터는 기존에 일반적으로 이용되는 컬러 공간, 예를 들어 RGB나 CMYK 등으로 표현될 수도 있으나, 이와 달리 주 컬러 입자(140)를 통해 해당 컬러에 대응되는 구조색을 구현하기 위해 필요한 자기장의 세기 값으로 변화된 형태를 취할 수도 있다.
한편, 3D 모델링 데이터에는 추가적으로 임시 구조체에 관한 임시 구조체 데이터가 포함될 수 있다. 3D 프린팅 시에는 최초 레이어(L)는 주로 모델링 플레이트(1200) 상에서 이루어지며, 그 다음 레이어(L)부터는 이전 레이어(L) 상에서 경화가 이루어져 가며 적층이 이루어지는데, 이전 레이어(L)와 그 다음 레이어(L)가 레이어(L) 단위에서 공간적으로 단절된 경우에는 레이어(L) 간의 적층이 이루어질 수 없어 레이어(L) 적층을 위한 별도의 구조체가 임시로 필요할 수 있다. 임시 구조체 데이터란 이와 같은 임시 구조체에 관한 데이터이다.
또 임시 구조체에는 모델링 플레이트(1200)와 최종 입체물(M) 사이에 임시 구조체로 이루어지는 레이어(L)에 관한 데이터가 포함될 수도 있다. 일반적으로 입체물(M) 완성 시 모델링 플레이트(1200)로부터 입체물(M)을 분리하는 과정이 수반되는데 모델링 플레이트(1200)와 입체물(M) 간에 임시 구조체로 이루어진 레이어(L)를 형성하면 분리 과정이 용이하게 이루어질 수 있다. 결과적으로 임시 구조체 데이터란, 최종 입체물(M)에는 불필요한 부분으로 3D 프린팅 과정 중에만 임시로 형성시키는 부분에 관한 데이터로써, 임시 구조체는 3D 프린팅 종료 후 입체물(M)로부터 분리되어 제거되는 부분을 포괄적으로 지칭하는 것으로 이해해도 좋을 것이다.
3) 작업 대상 레이어 준비
이제 본격적으로 레이어(L)를 형성하는 작업을 수행한다.
일반적으로 레이어(L)의 형성은 인쇄 매체(100)의 상부 표면이나 하부 표면으로부터 진행된다. 최초 레이어(L)는 모델링 플레이트(1200) 상에서 형성될 수 있으며, 그 다음 레이어(L)부터는 기존에 형성된 레이어(L) 상에서 형성될 수 있다. 따라서, 최초에는 인쇄 매체(100)의 상부나 하부 표면으로부터 미리 정해진 두께만큼 이격된 위치에 모델링 플레이트(1200)를 배치시켜 경화 대상 레이어(L)를 준비하며, 이후부터는 인쇄 매체(100)의 표면과 기 경화된 레이어(L)의 상면 또는 하면이 미리 정해진 두께만큼을 가지도록 모델링 플레이트(1200)를 레이어(L)의 단위 두께만큼 승강시켜가며 경화 대상 레이어(L)를 준비한다.
4) 컬러 부여
경화 대상 레이어(L)가 준비되면 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여한다. 컬러 부여는 모델링 데이터를 참조하여 준비된 경화 대상 레이어(L)에 자기장을 인가함으로써 이루어진다.
구체적으로 컬러 데이터를 확인하여 컬러 데이터에서 지시하는 컬러가 구현되도록 자기장의 세기를 조절하게 된다. 자기장의 세기에 따라 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 제어되며 이에 따라 주 컬러 입자(140)가 광 결정 구조에 따른 구조색으로 원하는 컬러가 인쇄 매체(100)에 부여될 수 있다.
5) 경화에 의한 컬러 고정
인쇄 매체(100)에 컬러가 부여되면 인쇄 매체(100)를 경화시킨다. 인쇄 매체(100)가 경화되면 부여된 컬러가 고정될 수 있다.
구체적으로 쉐이프 데이터의 픽셀 데이터를 참조하여 경화시킬 픽셀을 판단하고, 해당 픽셀에 경화를 위한 외부 변인을 인가함으로써 경화가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 경화성 물질(120)로 광경화성 물질(120’)인 UV 레진을 이용하는 경우라면 경화시킬 픽셀에 UV 광을 조사함으로써 인쇄 매체(100)가 경화될 수 있다. 인쇄 매체(100)가 경화되면 주 컬러 입자(140) 간의 간격이 고정되므로 이후 자기장을 제거하더라도 주 컬러 입자(140)의 광 결정 구조에 따른 구조색이 유지될 수 있게 된다.
6) 입체물 형성
경화 단계(컬러 고정 단계)를 거쳐 레이어(L)가 형성되면, 다음 경화 대상 레이어(L)를 준비하고, 해당 레이어(L)에 관한 레이어 데이터를 참조하여 컬러 부여와 경화 및 컬러 고정을 반복하여 레이어(L)를 적층시켜 나간다. 이로써, 이 과정을 최종 레이어(L)까지 반복 수행하면 입체물(M)이 형성되며 컬러 3D 프린팅이 완료된다.
2. 추가 조성의 인쇄 매체를 이용하는 3D 프린팅 방법
상술한 3D 프린팅 방법은 주 컬러 입자(140)의 구조색만을 이용하여 인쇄 매체(100)에 색상을 부여한다. 이에 따르면, 기본적으로는 인쇄 매체(100)에 구조색을 통해 표현이 가능한 컬러인 유채색만을 구현할 수 있으므로 풀 컬러에 준하는 색상 표현이 가능하나 여전히 한계가 있다. 물론, 도 6에 도시된 바와 같이 컬러 조합을 통해 무채색이나 명도, 채도 등의 조절이 가능할 수는 있으나, 인접 픽셀 단위 별로 다른 컬러를 부여하는 것은 구현 상 비용 문제나 시간 문제가 발생할 가능성이 있다. 예를 들어, 픽셀을 서브 픽셀로 다시 분할하여 서브 픽셀 별을 R 픽셀, G 픽셀, B 픽셀로 정의하고, 서브 픽셀의 컬러를 조합하여 픽셀의 컬러를 풀 컬러로 구현하는 것은 서브 픽셀을 정의함에 따라 최소 3배의 인쇄 해상도를 필요로 할 수 있다.
따라서, 픽셀 단위의 컬러 조합 없이 풀 컬러를 구현하기 위해서 상술한 보조 컬러나 주 컬러 입자(140)의 물질 자체 색상을 이용하는 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 다른 예에 관한 순서도이다.
도 13을 참조하면, 3D 프린팅 방법의 다른 일 예는, 인쇄 매체(100)를 준비하는 단계(S110’), 모델링 데이터를 획득하는 단계(S120’), 작업 대상 레이어(L)를 마련하는 단계(S130’), 보조 컬러 입자(160)의 물질색인지 여부를 판단하는 단계(S140’), 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 아닌 경우, 보조 컬러 입자(160)를 배제하는 단계(S150’), 주 컬러 입자(140)의 물질색인지 여부를 판단하는 단계(S152)’, 주 컬러 입자(140)의 물질색인 경우, 주 컬러 입자(140)의 물질색으로 인쇄 매체(100)의 컬러를 부여하는 단계(S154’), 주 컬러 입자(140)의 물질색인 아닌 경우, 주 컬러 입자(140)의 구조색을 통해 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여하는 단계(S156’), 보조 컬러 입자(160)의 물질색인 경우, 주 컬러 입자(140)를 배제하는 단계(S160’), 보조 컬러 입자의 물질색으로 인쇄 매체(100)의 컬러를 부여하는 단계(S165’), 인쇄 매체(100)를 경화시켜 인쇄 매체(100)에 부여된 컬러를 고정시키는 단계(S170’) 및 레이어(L)를 적층하는 단계(S180)을 포함할 수 있다.
이러한 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용하는 3D 풀 컬러 프린팅 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.
먼저 추가 조성에 따른 인쇄 매체(100)를 준비한다. 추가 조성에 따른 인쇄 매체(100)를 이용할 때에는 보조 컬러 입자(160)가 포함되는 것이 기본이나, 주 컬러 입자(140)의 물질 자체 색상을 이용하는 경우에는 보조 컬러 입자(160)를 제외할 수도 있다.
다음으로는, 3D 프린팅을 위해서 3D 모델링 데이터를 준비한다. 이때, 3D 모델링 데이터 중 컬러 데이터에는 주 컬러 입자(140)의 구조색으로 표현되는 컬러인지, 보조 컬러 입자(160)를 통해 표현되는 컬러인지, 아니면 주 컬러 입자(140)의 물질색으로 표현되는 컬러인지에 대한 정보가 추가로 더 포함될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅의 컬러 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 컬러 데이터는 주 컬러 입자(140)의 구조색으로 표현되는 컬러에 대한 자기장의 세기, 주 컬러 입자(140)의 물질색으로 표현되는지 컬러인지 여부, 보조 컬러 입자(160)의 물질색으로 표현되는지 컬러인지 여부, 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)의 물질색을 혼합하여 표현되는 컬러인지 여부 등이 포함될 수 있다.
다음으로는 경화 대상 레이어(L), 즉 작업 대상 레이어(L)를 준비한 뒤, 색 부여 과정을 수행한다.
색 부여 시에는 인쇄 매체(100)의 컬러 표현에 이용될 입자를 판단한다.
만약 부여하고자 하는 컬러가 주 컬러 입자(140)의 구조색 또는 물질색으로 표현되는 컬러인 경우에는 전기장 등을 이용하여 보조 컬러 입자(160)를 경화시키고자 하는 영역에서 제외시키고 주 컬러 입자(140)만을 잔류시킨다.
주 컬러 입자(140)가 잔류된 뒤에는 주 컬러 입자(140)의 구조색 또는 물질색 중 어느 컬러로 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여할지를 판단한다. 컬러 부여가 구조색을 통해 이루어지는 경우에는 그 구조색에 해당하는 자기장을 인가하여 주 컬러 입자(140)가 소정의 입자 간격(D)을 가지는 배열로 배치되도록 한다. 또 컬러 부여가 주 컬러 입자(140)의 물질색을 통해 이루어지는 경우에는 별도의 자기장을 인가하지 않음으로써 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 랜덤이 되도록 함으로써 인쇄 매체(100)에 주 컬러 입자(140)의 물질색이 부여되도록 한다.
반대로 부여하고자 하는 컬러가 보조 컬러 입자(160)의 물질색으로 표현되는 컬러인 경우에는 전기장 등을 이용하여 주 컬러 입자(140)를 경화시키고자 하는 영역에서 제외시키고 보조 컬러 입자(160)만을 잔류시킨다. 이에 따라 인쇄 매체(100)에는 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 부여될 수 있다.
한편, 주 컬러 입자(140)의 물질색과 보조 컬러 입자(160)의 물질색을 혼합한 컬러를 표현하고자 하는 경우에는 전기장을 인가하지 않거나 또는 적절한 강도로 인가하여 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)의 혼합 비율을 조절할 수도 있을 것이다. 여기서, 인쇄 매체(100)에 자기장을 인가하지 않기 때문에 주 컬러 입자(140)의 물질색과 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 혼합된 컬러가 인쇄 매체(100)에 부여되게 된다.
또 한편, 주 컬러 입자(140)의 구조색과 보조 컬러 입자(160)의 물질색을 혼합하는 것도 가능할 수 있다. 이때에는 전기장을 인가하지 않거나 또는 적절한 강도로 인가하여 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)의 혼합 비율을 조절한 뒤, 자기장을 인가하여 주 컬러 입자(140)가 광 결정 배치를 이루도록 한다. 이에 따라 주 컬러 입자(140)는 구조색을 띄고 보조 컬러 입자(160)는 물질색을 가져, 인쇄 매체(100)에는 주 컬러 입자(140)의 구조색과 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 조합된 컬러가 부여될 수 있다.
색 부여 과정에서는 필요에 따라서 주 컬러 입자(140)의 물질색을 사용하지 사용하지 않고, 보조 컬러 입자(160)의 물질색만을 이용하는 것도 가능하며, 반대로 보조 컬러를 추가 조성에서 제외하고 주 컬러 입자(140)의 물질색만 이용하는 것도 가능하다.
예를 들어, 주 컬러 입자(140)의 물질색을 이용하지 않는 경우의 색 부여는 다음과 같이 이루어질 수 있다. 부여하고자 하는 컬러가 주 컬러 입자(140)의 구조색으로 표현되는 컬러인 경우에는 전기장 등을 이용하여 보조 컬러 입자(160)를 경화시키고자 하는 영역에서 제외시키고 주 컬러 입자(140)만을 잔류시키고, 인쇄 매체(100)에 자기장을 인가하여 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 조절함으로써 주 컬러 입자(140)가 그에 대응되는 구조색을 가지도록 함으로써, 인쇄 매체(100)에 특정 구조색을 부여할 수 있다. 또 부여하고자 하는 컬러가 보조 컬러 입자(160)의 물질색으로 표현되는 컬러인 경우에는 전기장 등을 이용하여 주 컬러 입자(140)를 경화시키고자 하는 영역에서 제외시키고 보조 컬러 입자(160)만을 잔류시킴으로써 인쇄 매체(100)에 보조 컬러 입자(160)의 물질색을 부여할 수 있다.
다른 예를 들어, 추가 조성에 보조 컬러 입자(160)를 제외하는 경우의 색 부여는 다음과 같이 이루어질 수 있다. 부여하고자 하는 컬러가 주 컬러 입자(140)의 구조색으로 표현되는 컬러인 경우에는 자기장을 이용하여 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 제어함으로써 주 컬러 입자(140)의 광 결정성에 의한 구조색에 따라 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여한다. 부여하고자 하는 컬러가 주 컬러 입자(140)의 물질색으로 표현되는 컬러인 경우에는 자기장을 인가하지 않음으로써 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 랜덤이 되도록 하고 이에 따라 인쇄 매체(100)에 주 컬러 입자(140)의 물질색이 부여되도록 할 수 있다.
상술한 색 부여가 종료되면, 이를 경화시켜 컬러를 고정시켜가며 레이어(L)를 형성하고, 최종적으로는 색 부여와 레이어(L) 경화, 그리고 적층을 반복해가며 입체물(M)을 완성하게 된다.
3. 색 부여와 색 고정 방식
상술한 예시에서 컬러 부여와 컬러 고정은 다양한 형태로 수행될 수 있는데, 여기서는 몇몇 형태에 관하여 설명한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제1 형태에 관한 도면이다. 도 15에서는 경화될 레이어, 즉 작업 대상 레이어를 수직 방향에서 본 평면도로, 레이어는 임의적으로 7x7의 단위 영역을 가지며, 이 중 중앙의 6x6 영역이 경화 대상 영역이며, 경화 대상 영역 중 테두리는 제1 컬러, 중앙 부분은 제2 컬러, 테두리 부분과 중앙 부분의 사이 영역은 제3 컬러로 인쇄하고자 하는 경우에 대하여 도시하였다. 그러나, 도 15의 경우는 본 발명에서 색 부여와 색 고정 방식의 원리를 설명하기 위한 예시에 불과하므로 경화 대상 영역이나 부여하고자 하는 컬러의 색상, 컬러를 입히고자 하는 영역 등은 다양하게 변경될 수 있음을 미리 언급해 둔다. 또한, 이러한 점은 후술되는 컬러 부여와 컬러 고정에 관한 다른 형태에서도 마찬가지임을 함께 밝혀둔다.
일 형태에 따르면, 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 일 레이어(L)에 색 부여를 수행할 때 해당 레이어(L)의 전체 영역에 모두 색상을 부여할 수 있다. 여기서, 색 부여는 모델링 데이터의 쉐이프 데이터 및 컬러 데이터를 참조하여, 경화될 부분에 그 부분이 가질 컬러가 부여되도록 한다. 구체적으로는 쉐이프 데이터를 참조하여 경화 시킬 영역을 판별하고, 경화 시킬 영역에 대한 컬러 데이터의 컬러값을 참조한 뒤, 경화 시킬 영역 별로 대응되는 컬러값을 구현하는 것이다. 이때 컬러값이 다른 영역에 대해서는 주 컬러 입자(140)가 해당 컬러값에 대응되는 구조색을 가지도록 적절한 자기장을 인가하게 된다.
이 상태에서 도 15(b)에 도시된 바와 같이 경화성 물질(120)을 경화시키면, 하나의 레이어(L)가 도 15(c)에 도시된 바와 같이 컬러를 가진 상태로 형성될 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제2 형태에 관한 도면이다.
다른 형태에 따르면, 도 16(a)에 도시된 바와 같이, 일 레이어(L)에 전체에 걸쳐 제1 컬러를 색 부여한 뒤, 도 16(b)와 같이 해당 레이어(L) 중 모델링 데이터 상 제1 컬러를 가질 부분에 대해서만 경화시킬 수 있다.
이때, 모델링 데이터는 레이어 데이터가 레이어(L) 식별자와 함께 컬러 식별자를 가지고, 컬러 식별자 별로 쉐이프 데이터를 가질 수도 있다. 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제2 형태 시 모델링 데이터에 관한 도면이다.
도 16(c)와 같이 제1 컬러를 가질 부분이 모두 경화되면 다음으로 도 16(d)와 같이 해당 레이어(L) 전체에 걸쳐 제2 컬러를 색 부여한 뒤, 도 16(e)와 같이 해당 레이어(L) 중 모델링 데이터 상 제2 컬러를 가질 부분에 대해서만 경화시킨다. 이때, 기존에 경화된 영역에는 자기장이 인가될 수 있지만, 이미 경화에 의해 컬러가 고정되어 있기 때문에 자기장의 영향을 받지 않을 것이다. 이로써, 도 16(f)와 같이 제2 컬러에 대응되는 영역이 경화될 수 있다. 이후 도 16(g), 16(h)와 같이 모델링 데이터에 포함된 모든 컬러에 대하여 위의 과정을 반복하면 최종적으로 도 16(i)와 같이 해당 레이어(L) 중 경화시킬 부분이 모두 픽셀 별로 원하는 컬러를 가지면서 경화될 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제3 형태에 관한 도면이다.
또 다른 형태에 따르면, 도 18(a)에 도시된 바와 같이 하나의 픽셀 또는 하나의 픽셀의 부근 영역에 대해서 컬러를 부여한 뒤, 이를 바로 경화시킬 수 있다. 이후 도 18(b)에서와 같이 다른 픽셀에 대하여 컬러 부여 및 색 고정을 진행할 수 있다. 도 18(c) 및 18(d)를 참조하면 도 18(a)와 18(b)와 유사하게 다른 픽셀들에 대하여 경로를 따라가면 작업을 진행할 수 있다. 이후 이러한 작업을 해당 레이어(L)에서 경화시킬 부분에 대하여 반복하면 도 18(e)에 도시된 바와 같이 하나의 레이어(L)를 완성할 수 있다.
한편, 18(c) 내지 18(d)에 도시된 경로는 임의적인 것으로 경로의 설정은 적절하게 변경될 수 있다.
예를 들어, 도 18(c)에서는 상하 방향으로 경화 대상 픽셀에 대한 작업을 종료하고 다음 우측 방향의 픽셀에 대한 작업을 진행하는 식으로 경로를 구성하였다.
이와 달리 도 18(d)에서는 제1 컬러에 대한 픽셀에 대하여 먼저 작업을 진행한 뒤, 제3 컬러에 대한 픽셀에 대하여 그리고, 제3 컬러에 대하여 작업을 진행하도록 경로를 설정하였다. 즉, 도 18(d)에서는 컬러값이 동일한 영역에 대하여 작업을 수행하고, 이후 다른 컬러값에 대하여 작업을 진행하는 식으로 경로를 설정한 것이다. 이러한 경우에는 경로 중에 동일한 컬러값을 가지는 영역에 대하여 연속적으로 컬러 부여와 컬러 고정 작업을 수행할 수 있어 자기장 세기의 변화를 최소화할 수 있는 장점이 있을 것이다. 이와 같은 경로를 설정하기 위해서는 컬러값과 그 컬러값을 가지는 영역에 대한 판단이 필요하며, 이를 위해서는 도 17에 도시된 모델링 데이터를 참조하는 것으로 충분할 것이다. 즉, 동일한 컬러 식별자에 연계된 좌표들을 이용하여 경로를 구성하면 되는 것이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 색 부여와 색 고정의 제4 형태에 관한 도면이다.
다시 또 다른 형태에 따르면, 도 19(a)에 도시된 바와 같이 해당 레이어(L)의 픽셀 중 경화될 영역에 대해서 서로 대각선으로 위치하는 제1-1 픽셀 그룹과 역시 서로 대각선으로 위치하는 다른 픽셀 그룹인 제1-2 픽셀 그룹을 설정할 수 있다. 여기서, 색 부여와 색 고정은 도 19(b)에 도시된 바와 같이, 제1-1 픽셀 그룹에 대하여 수행되고, 이후에 도 19(c)에 도시된 바와 같이 1-2 픽셀 그룹에 대하여 수행될 수 있다. 이로써, 도 19(d)와 같이 해당 레이어(L)의 모든 픽셀에 대한 작업이 완료되고, 이러한 작업을 레이어(L) 단위로 반복하면 결과적으로 입체물(M)이 완성될 수 있다.
이와 같이 인접 픽셀이 아닌 대각으로 이격된 픽셀에 대하여 색 부여 및 고정을 수행하는 이유는 주 컬러 입자(140)의 색상 제어가 자기장의 세기에 따라 민감하게 구현되는데 인접 픽셀 간에서는 자기장 세기가 교란되어 정확한 색상 부여가 어려울 수 있기 때문이다.
필요에 따라서는 도 20에서와 같이 서로 한 픽셀씩 이격된 제2-1 픽셀 그룹, 제2-2 픽셀 그룹, 제2-3 픽셀 그룹, 제2-4 픽셀 그룹에 대하여 색 고정 및 경화를 4회 진행할 수도 있다. 물론, 자기장의 세기와 구조색 제어의 민감도에 따라 도 21에 도시된 바와 같이 2 픽셀 분만큼 이격시킨 픽셀 그룹을 설정하는 것(A 픽셀 그룹, B 픽셀 그룹, C 픽셀 그룹 등)이나 그 외의 다양한 방식으로 픽셀 그룹을 설정하는 것이 가능할 것이다.
4. 외부 컬러 처리
때때로 입체물(M)의 내부에까지 컬러를 입히는 것이 불필요한 경우도 있을 수 있다. 3D 입체물(M)의 내부는 보여지지 않는 부분이기 때문에 사실 상 컬러를 입히는 것이 무의미할 수 있기 때문이다.
이러한 점을 고려할 때, 입체물(M)의 내부에 대해서는 컬러를 입히지 않고, 외부에 대해서만 컬러를 입히면 컬러 3D 프린팅 시 작업 속도가 향상되거나 그 외의 부가적인 이득을 취할 수 있을 것이다.
입체물(M)의 표면에만 컬러를 입히고자 하는 경우에는, 모델링 데이터에서 표면인지 아닌지 여부를 판단한 뒤 표면이 아닌 내면인 경우에는 컬러 부여 없이 바로 경화를 진행시킬 수도 있다. 외곽으로 드러나는지 여부는 레이어 데이터의 쉐이프 데이터 상 해당 레이어(L)의 최외곽을 이루는 부분인지에 기초하여 판단되거나 또는 픽셀의 컬러 데이터가 널(null)값으로 표현되는 것에 의해 외곽인지가 판단될 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린팅 시 외부 컬러 처리에 관한 도면이다.
입체물(M)의 표면이 스크래치나 손상에 의해 일부 소실되어 내부가 드러나는 것이 예상되므로, 예를 들면, 도 22(a)에 도시된 바와 같은 형태의 레이어를 형성하고자 하는 경우에는 테두리가 되는 부부에만 색상을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 도 22(b)에 도시된 바와 같이 입체물(M)의 표면으로부터 미리 정해진 두께(도 22(b)에서는 1픽셀분)만큼은 색을 부여하고, 그보다 더 내부에 배치되는 부분에 대해서는 색을 부여하지 않을 수 있을 것이다.
색 부여를 하지 않는 내부의 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 기본 조성의 인쇄 매체(100)를 이용하는 경우 주 컬러 입자(140)의 물질색 등이 직접적으로 내부의 컬러로 정해질 것이며, 컬러 데이터 상에서는 널 값으로 표현되는 것도 가능하다. 유사하게 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용하는 경우에는 주 컬러 입자(140)나 보조 컬러 입자(160)의 물질색 또는 그 혼합색이 내부의 컬러로 정해질 것이며, 역시 이 컬러가 널값으로 컬러 데이터 상에 지시될 것이다.
한편, 임시 구조체 역시 일반적으로 널 컬러값을 가지는 것이 작업 진행 상 편의점이 많다.
III. 컬러 3D 프린터
이하에서는 상술한 인쇄 매체(100)를 이용하여 컬러 3D 프린팅을 수행하는 3D 프린터(1000)에 관하여 설명한다.
1. 기본 구성
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 블록도이다.
도 23을 참조하면 컬러 3D 프린터(1000)는 탱크(1100), 모델링 플레이트(1200), 승강 모듈(1250), 컬러 부여 모듈(1300), 경화 모듈(1400), 입/출력 모듈(1500), 통신 모듈(1600), 메모리(1700) 및 콘트롤러(1800)로 구성될 수 있다.
1) 탱크
탱크(1100)는 인쇄 매체(100)를 수용한다.
3D 프린팅 시 레이어(L)는 인쇄 매체(100)의 표면으로부터 성장되는데, 일반적으로 입체물(M)은 수직 방향으로 평면의 레이어(L)를 적층시키는 형태를 취하므로 탱크(1100)의 상면 또는 하면 중 적어도 작업면이 되는 일면은 평면으로 제공된다. 따라서, 탱크(1100)는 주로 사각 기둥이나 원 기둥 형태가 일반적일 수 있다.
인쇄 매체(100)의 경화성 물질(120)이 광 경화성인 경우라면, 광이 탱크(1100)를 통과하여 인쇄 매체(100)에 도달할 수 있도록 작업면은 투명 소재로 마련될 수 있다. 인쇄 매체(100)의 상면 표면으로부터 레이어(L)를 형성시키는 경우라면 탱크(1100)의 상면은 개방되어 있는 것도 가능하다. 이 경우, 프린터에는 인쇄 매체(100)가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위하여 탱크(1100)를 다시 덮는 커버나 케이싱이 추가로 더 포함될 수도 있다. 이와 달리 탱크(1100)의 내부에 경화 모듈(1400)을 배치하여 탱크(1100)가 인쇄 매체(100)와 함께 경화 모듈(1400)을 수용하는 형태도 가능하다.
상방식 작업면을 사용하는 경우에는 광을 인쇄 매체(100)의 직접에 직접 조사할 수 있는 장점이 있으나, 인쇄 매체(100)가 액상이기 때문에 그 표면의 출렁임이나 표면 높이에 따라 후술할 모델링 플레이트(1200)의 높이를 섬세하게 제어해야 하는 단점이 있다. 반대로 하방식 작업면을 사용하는 경우에는 개방형 탱크(1100)를 사용할 수 없어 탱크(1100)의 하면이 경화성 물질(120)을 경화시키기 위한 광 등을 잘 투과시켜야 하는 소재로 선택해야 하는 점을 고려해야 한다.
또 탱크(1100)의 작업면이 아닌 다른 면(예를 들어, 측면 등)도 작업자가 3D 인쇄의 진행 정도를 파악하기 용이하도록 투명 또는 반투명하게 제공될 수 있을 것이다.
한편, 인쇄 매체(100)에 색을 부여 과정이나 인쇄 매체(100)에 부여된 색을 고정시키는 경화 과정에서 색 부여의 정도나 경화의 정도는 인쇄 매체(100)의 온도 등에 민감할 수 있으므로, 탱크(1100)에는 온도를 감지하기 위한 온도 감지 센서나 온도를 조절하기 위한 온도 조절기 등이 탑재될 수 있다.
2) 모델링 플레이트 및 승강 모듈
모델링 플레이트(1200)는 최초의 레이어(L)(입체물(M)을 구성하는 레이어(L)이거나 또는 임시 구조물이 되는 레이어(L))를 지지한다. 일반적으로 모델링 플레이트(1200)는 작업면과 평행한 판 상으로 제공될 수 있다. 승강 모듈(1250)은 이러한 모델링 플레이트(1200)를 적층 방향(주로는 수직 방향)으로 승강시키는 역할을 한다. 승강 모듈(1250)은 피스톤이나 모터 등으로 구현될 수 있다. 모델링 플레이트(1200)는 최초 레이어(L)를 형성하기 위하여 인쇄 매체(100)의 작업 표면으로부터 레이어(L)의 단위 두께만큼 이격된 위치에 배치된 뒤, 레이어(L)가 형성될 때마다 단위 두께만큼 승강하면서 작업 표면으로부터 멀어지게 된다.
3) 컬러 부여 모듈
컬러 부여 모듈(1300)은 기본적으로 주 컬러 입자(140)에 광 결정성 배열을 형성시켜 주 컬러 입자(140)의 구조색을 이용하여 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여하는 역할을 하는 주 컬러 부여 모듈(1320)을 포함할 수 있다.
주 컬러 부여 모듈(1320)로는 주로 자기장을 발생시키는 전극 등의 자기장 인가 모듈(1320’)이 이용될 수 있다. 여기서, 자기장 인가 모듈(1320’)은 작업 대상 레이어(L)에 자기장을 인가하고, 그 자기장의 세기를 조절하여 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)을 조절함으로써 주 컬러 입자(140)에 광 결정성 구조를 형성시키고, 결과적으로 인쇄 매체(100)에 구조색을 부여하는 모듈이다.
한편, 컬러 부여 모듈(1300)은 추가적으로 보조 컬러 부여 모듈(1340)을 더 포함할 수 있다. 보조 컬러 부여 모듈(1340)은 보조 컬러 입자(160)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용하여 3D 프린팅 작업을 할 때 보조 컬러 입자(160)와 보조 컬러 입자(160) 중 어느 하나를 작업 레이어(L)에 선택적으로 배제시키고 다른 하나를 잔류시키는 기능을 한다.
보조 컬러 부여 모듈(1340)로는 주로 전기장을 발생시키는 전극 등의 전기장 인가 모듈(1340’)이 이용될 수 있다. 여기서, 전기장 인가 모듈(1340’)은 작업 대상 레이어(L)에 전기장을 인가하여, 그 극성에 따라 적업 대상 레이어(L)로부터 주 컬러 입자(140) 또는 보조 컬러 입자(160)를 밀어내고, 다른 하나를 당기는 역할을 한다.
상술한 컬러 부여 모듈(1300)은 인쇄 매체(100) 또는 탱크(1100)의 작업면 측에 위치하는 것이 바람직하며, 주 컬러 부여 모듈(1320)이나 보조 컬러 부여 모듈(1340)은 각각 별개의 물리적 구성으로 구현되거나 또는 하나의 물리적 구성으로 구현되는 것이 가능하다.
4) 경화 모듈
경화 모듈(1400)은 경화성 물질(120)에 경화 변인을 인가하여 인쇄 매체(100)를 경화시키고, 이러한 경화 과정에서 인쇄 매채에 부여된 색상을 고정시키는 역할을 수행한다. 경화성 물질(120)로 광경화성 물질(120’)이 이용하는 경우에는 경화 모듈(1400)은 광을 조사하는 광원(1420)일 수 있다. 예를 들어, 경화성 물질(120)로 UV 레진을 이용하는 경우 경화 모듈(1400)에는 UV 광원이 포함될 수 있다. 또는 레이저 건 등이 경화 모듈(1400)로 사용될 수도 있다.
5) 입/출력 모듈
입/출력 모듈(1500)은 사용자 입력을 받거나 또는 사용자에게 정보를 출력하는 각종 인터페이스나 연결 포트 등을 포함한다.
입력 모듈은 사용자로부터 사용자 입력을 수신할 수 있다. 사용자 입력은 키 입력, 터치 입력, 음성 음력을 비롯한 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 사용자 입력을 받을 수 있는 입력 모듈의 예로는 전통적인 형태의 키패드나 키보드, 마우스는 물론, 사용자의 터치를 감지하는 터치 센서, 음성 신호를 입력받는 마이크, 영상 인식을 통해 제스처 등을 인식하는 카메라, 사용자 접근을 감지하는 조도 센서나 적외선 센서 등으로 구성되는 근접 센서, 가속도 센서나 자이로 센서 등을 통해 사용자 동작을 인식하는 모션 센서 및 그 외의 다양한 형태의 사용자 입력을 감지하거나 입력받는 다양한 형태의 입력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다. 여기서, 터치 센서는 디스플레이 패널에 부착되는 터치 패널이나 터치 필름을 통해 터치를 감지하는 압전식 또는 정전식 터치 센서, 광학적인 방식에 의해 터치를 감지하는 광학식 터치 센서 등으로 구현될 수 있다.
이외에도 입력 모듈은 자체적으로 사용자 입력을 감지하는 장치 대신 3D 프린터(1000)에 사용자 입력을 입력받는 외부의 입력 장치를 연결시키는 입력 인터페이스(USB 포트, PS/2 포트 등)의 형태로 구현될 수도 있다.
출력 모듈은 각종 정보를 출력해 사용자에게 이를 제공할 수 있다. 이러한 출력 모듈은 영상을 출력하는 디스플레이, 소리를 출력하는 스피커, 진동을 발생시키는 햅틱 장치 및 그 외의 다양한 형태의 출력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다. 이외에도 출력 모듈은 3D 프린터(1000)에 상술한 개별 출력 수단을 연결시키는 포트 타입의 출력 인터페이스의 형태로 구현될 수도 있다.
여기서 일 예로, 디스플레이는 텍스트, 정지 영상, 동영상을 디스플레이 할 수 있다. 디스플레이는 액정 디스플레이(LCD: Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED: light emitting diode) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode) 디스플레이, 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display), 투명 디스플레이(transparent display), 곡면 디스플레이(Curved Display), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 홀로그래픽 디스플레이(holographic display), 프로젝터 및 그 외의 영상 출력 기능을 수행할 수 있는 다양한 형태의 장치를 모두 포함하는 광의의 영상 표시 장치를 의미하는 개념이다. 이러한 디스플레이는 입력 모듈의 터치 센서와 일체로 구성된 터치 디스플레이의 형태일 수도 있다.
6) 통신 모듈
통신 모듈(1600)은 외부 기기와 통신을 수행할 수 있다. 이에 따라 3D 프린터(1000)는 외부 기기와 각종 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 통신, 즉 데이터의 송수신은 유선 또는 무선으로 이루어질 수 있다. 이를 위해 통신 모듈(1600)은 LAN(Local Area Network)를 통해 인터넷 등에 접속하는 유선 통신 모듈, 이동 통신 기지국을 거쳐 이동 통신 네트워크에 접속하여 데이터를 송수신하는 이동 통신 모듈, 와이파이(Wi-Fi) 같은 WLAN(Wireless Local Area Network) 계열의 통신 방식이나 블루투스(Bluetooth), 직비(Zigbee)와 같은 WPAN(Wireless Personal Area Network) 계열의 통신 방식을 이용하는 근거리 통신 모듈, GPS(Global Positioning System)과 같은 GNSS(Global Navigation Satellite System)을 이용하는 위성 통신 모듈 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
7) 메모리
메모리(1700)는 각종 정보를 저장할 수 있다. 메모리(1700)는 데이터를 임시적으로 또는 반영구적으로 저장할 수 있다. 메모리(1700)의 예로는 하드 디스크(HDD: Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 플래쉬 메모리(flash memory), 롬(ROM: Read-Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory) 등이 있을 수 있다. 이러한 메모리(1700)는 3D 프린터(1000)에 내장되는 형태나 3D 프린터(1000)에 탈부착 가능한 형태로 제공될 수 있다.
메모리(1700)에는 3D 프린터(1000)를 구동하기 위한 운용 프로그램(OS: Operating System), 3D 모델링 데이터, 레이어 데이터, 3D 입체물(M)을 도면을 3D 모델링 데이터나 레이어 데이터로 변환해주는 테이블과 어플리케이션 프로그램 등을 비롯한 3D 프린터(1000)를 구동하는데 필요하거나 이용되는 각종 데이터가 저장될 수 있다.
8) 콘트롤러
콘트롤러(1800)는 3D 프린터(1000)의 전반적인 동작을 제어한다. 이를 위해 콘트롤러(1800)는 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고 3D 프린터(1000)의 구성요소들의 동작을 제어할 수 있다.
콘트롤러(1800)는 하드웨어 소프트웨어 또는 이들의 조합에 따라 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 콘트롤러(1800)는 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 콘트롤러(1800)를 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
한편, 이하의 설명에서 특별한 언급이 없는 경우에는 3D 프린터(1000)의 동작은 콘트롤러(1800)의 제어에 의해 수행되는 것으로 해석될 수 있다.
2. 3D 프린터의 구동
이하에서는 상술한 3D 프린터(1000)를 이용한 컬러 3D 프린팅의 구현에 관하여 설명한다.
먼저 메모리(1700)에는 3D 모델링 데이터가 저장될 수 있다. 3D 모델링 데이터는 통신 모듈(1600)을 통해 웹이나 PC 등으로부터 메모리(1700)에 로딩될 수 있다. 이 과정에서 3D 모델링 데이터는 PC에서 CAD 도면 등의 3D 데이터 도면이 3D 프린팅 어플리케이션을 통해 레이어 데이터로 변환된 것일 수 있다. 또는 메모리(1700)에 CAD 도면이 직접 메모리(1700)에 로딩된 뒤 콘트롤러(1800)가 이를 레이어 데이터로 변환할 수도 있다.
탱크(1100)에는 인쇄 매체(100)가 수용된다. 이때, 콘트롤러(1800)는 온도 감지 센서 등을 통해 탱크(1100)의 온도나 그 밖의 3D 프린팅에 필요한 환경 요인 등을 체크하여 온도 조절기 등과 같은 구성 요소를 통해 이를 적절하게 보정할 수 있다.
다음으로 콘트롤러(1800)는 승강 모듈(1250)을 제어하여 작업 대상 레이어(L)가 준비되도록 모델링 플레이트(1200)를 적절한 위치로 배치한다. 작업 대상 레이어(L)가 최초 레이어(L)인 경우에는 인쇄 매체(100)나 탱크(1100)의 작업면으로부터 레이어(L)의 단위 두께만큼 이격된 위치에 모델링 플레이트(1200)를 배치시키고, 이후로는 하나의 레이어(L)에 대한 작업이 완료될 때마다 입체물(M)이 완성될 때까지 레이어(L)의 단위 두께만큼 모델링 플레이트(1200)를 작업면으로부터 더 이격시키는 방식을 취한다.
인쇄 매체(100)의 표면(작업면)과 모델링 플레이트(1200) 사이, 또는 인쇄 매체(100)의 표면(작업면)과 기 경화된 이전 작업 대상 레이어(L) 사이에 작업 대상 레이어(L)가 마련되면, 컬러 부여 모듈(1300)이 인쇄 매체(100)의 작업 대상 레이어(L) 영역에 자기장 등을 인가하여 컬러를 부여한다. 만약, 별도의 컬러가 설정되지 않거나 컬러 값이 널값인 경우에는 컬러 부여 모듈(1300)은 별도의 동작을 하지 않을 수도 있다.
구체적으로는 콘트롤러(1800)가 작업 대상 레이어(L)에 대한 컬러 데이터를 참조하여 컬러 부여 모듈(1300)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 자기장 인가 모듈(1320’)인 경우 콘트롤러(1800)는 컬러 데이터의 값에 따라 자기장 인가 모듈(1320’)이 적절한 세기의 자기장을 인가하도록 제어할 수 있다. 이때 콘트롤러(1800)는 작업 대상 레이어(L)에서 픽셀 데이터를 참조하여 경화 대상 픽셀을 참조하여 해당 픽셀 별로 다른 자기장 세기를 인가하는 것도 가능하다. 물론, 이와 달리 하나의 컬러를 전체 작업 대상 레이어(L)에 부여하거나 또는 특정 컬러에 대하여 색 부여를 진행하여 경화까지 진행한 후 다른 컬러에 대한 색 부여를 진행하는 것도 가능하다. 색 부여와 색 고정에 관한 다양한 형태는 상술한 바 있으므로 여기서는 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
인쇄 매체(100)에 색이 부여되거나 또는 색 부여를 할 필요가 없으면, 경화 모듈(1400)이 작업 대상 레이어(L)를 경화시킨다. 콘트롤러(1800)는 레이어 데이터의 쉐이프 데이터(픽셀 데이터)를 참조하여 경화시킬 픽셀을 판단하고, 경화 모듈(1400)을 동작시켜 해당 픽셀을 경화시킨다. 색 부여에서와 마찬가지로 다양한 형태로 경화가 진행될 수 있으며, 이에 관한 자세한 설명은 역시 색 부여와 색 고정에 관한 설명에서 이미 설명한 바 있으므로 여기서는 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
하나의 작업 대상 레이어(L)에 대한 경화 작업이 완료되면, 다음 작업 대상 레이어(L)를 준비하고 색 부여와 색 고정(경화)를 진행하기를 반복하여 점차적으로 레이어(L)를 형성하고, 최종적으로는 이를 적층시켜 입체물(M)을 완성함으로써 3D 프린팅이 종료될 수 있다.
이때, 레이어(L) 별의 작업은 모델링 데이터에서 레이어(L) 식별자를 차례대로 로딩하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 입체물(M)이 10개의 레이어(L)로 이루어져있다고 가정하면, 제1 레이어(L)에 대하여 먼저 쉐이프 데이터와 컬러 데이터를 로딩하고, 제1 레이어(L)에 대한 작업 대상 레이어(L)를 준비하고, 컬러 데이터를 참조하여 색을 부여한 뒤, 쉐이프 데이터를 참조하여 경화 작업을 수행한다. 다음으로 제2 레이어(L), 제3 레이어(L)를 거쳐 제10 레이어(L)까지 레이어(L) 준비, 색 부여, 경화를 반복하는 것이다.
3D 프린팅이 완료되면 출력부 등을 통해 사용자에게 3D 프린팅이 종료되었음을 알릴 수 있을 것이다.
한편, 콘트롤러(1800)는 레이어 데이터 등으로부터 전체 작업 예정 시간을 산출하여 출력 모듈을 통해 프린팅 시작 전 또는 프린팅 동안 이를 표시할 수도 있다.
또 사용자는 입력 모듈을 통해 노 컬러 모드, 솔리드 컬러 모드, 표면 컬러 모드 등을 선택할 수도 있을 것이다. 노 컬러 모드는 컬러 표현 없이 3D 프린팅을 하는 모드로 컬러 데이터를 고려하지 않고 단색 3D 프린팅을 진행하는 모드이며, 솔리드 컬러 모드는 레이어 데이터에 있는 모든 컬러 데이터를 고려하여 내부까지 색상을 입혀가면 인쇄하는 모드이고, 표면 컬러 모드는 입체물(M)의 표면으로부터 내부까지 미리 세팅되어 있거나 또는 사용자의 입력에 따라 설정되는 소정의 두께인 부분까지만 컬러 데이터에 따른 컬러를 구현하는 모드일 수 있다.
이하에서는 상술한 3D 프린터(1000)의 다양한 구현예에 관하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명되는 구현예들은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터(1000)의 구현에 관한 예시로써, 본 발명의 사상이 이로 인하여 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
IV. 컬러 3D 프린터의 제1 구현예
도 24은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예의 사시도이고, 도 25는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예의 단면도이다.
도 24 및 도 25에 도시된 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예는 픽셀 단위로 컬러 부여와 컬러 고정, 즉 경화가 이루어질 수 있는 형태이다.
도 24 및 도 25를 참조하면, 탱크(1100)에는 인쇄 매체(100)가 담기며, 그 하면이 작업면으로 기능함에 따라 탱크(1100)의 하면이 투명하게 제공된다. 탱크(1100)의 하부에는 컬러 부여 모듈(1300)이 배치된다. 또 컬러 부여 모듈(1300)의 하부에는 경화 모듈(1400)이 배치된다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예의 컬러 부여 모듈(1300) 및 경화 모듈(1400)의 단면도이다.
도 26를 참조하면, 컬러 부여 모듈(1300)은 픽셀 단위로 작업면에 자기장을 인가할 수 있다. 여기서, 컬러 부여 모듈(1300)에서 인가되는 자기장의 세기는 콘트롤러(1800)에 의해 제어될 수 있다. 또 경화 모듈(1400)은 광원(1420)과 광 조사 제어부(1440)를 포함한다. 광원(1420)은 광을 출사하며, 광 조사 제어부(1440)는 광원(1420)에서 출사되는 광이 픽셀 단위로 작업면으로 가이드한다.
1. 2차원 전극 어레이를 이용하는 컬러 부여 모듈(1300)
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예의 컬러 부여 모듈(1300)의 사시도이다.
컬러 부여 모듈(1300)은 구체적으로 평판 형태의 투명 필름(1302)에 전극(1304)을 2차원 어레이로 배치한 형태를 가진다. 여기서, 투명 필름(1302)으로는 글래스나 PMMA 등을 비롯한 다양한 투명 소재가 이용될 수 있다. 또 전극(1304)으로는 ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극을 비롯한 다양한 소재가 이용될 수 있다. 또 전극(1304)에 연결되는 배선(1306)은 메탈 소재를 사용할 수 있다.
도 27에 도시된 형태에서 각각의 전극(1304)은 배선(1306)을 통해 전압을 인가받아 자기장을 발생시킬 수 있다. 이러한 자기장은 작업면의 인쇄 매체(100)에 인가되며, 이에 따라 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 제어되어 인쇄 매체(100)에 컬러가 부여될 수 있다. 이때 콘트롤러(1800)는 전극(1304)에 인가되는 전압을 제어함으로써 자기장의 세기를 조절할 수 있다. 자기장의 세기를 조절함으로써 주 컬러 입자(140)의 입자 간격(D)이 조절될 수 있으며, 결과적으로는 작업면 상의 인쇄 매체(100)에 부여되는 컬러가 조절될 수 있다.
결과적으로 컬러 부여 모듈(1300)은 2차원 어레이로 배치되는 전극(1304) 별로 자기장을 제어하여 인쇄 매체(100)에 픽셀 별로 컬러를 부여할 수 있는 것이다.
도 28 및 도 29는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예에서 컬러 모듈의 단면도이다.
도 28을 참조하면, 컬러 부여 모듈(1300)은 단일 투명 필름(1302)에 공통 전극(1304a)과 그라운드 전극(1304b)이 배치되는 형태를 취할 수 있다. 이때, 공통 전극(1304a)과 그라운드 전극(1304b)은 투명 필름(1302)의 작업면을 마주보는 면에 배치되는 것이 인쇄 매체(100)에 보다 자기장을 원활히 인가할 수 있다. 물론, 투명 필름(1302)의 작업면을 마주보는 면의 반대면에 배치되는 것도 가능하기는 하다.
또 도 29를 참조하면, 컬러 부여 모듈(1300)은 한 쌍의 필름(1302a, 1320b)에 공통 전극(1304a)과 그라운드 전극(1304b)이 각각 배치되는 형태를 취하는 것도 가능하다. 다만, 도 30과 같은 형태에서는 자기장이 공통 전극(1304a)과 그라운드 전극(1304b)의 사이로 집중되어 인쇄 매체(100) 측으로 전달되는 양이 감소될 수 있기는 하다.
2. 2차원 전극 어레이를 이용하는 경화 모듈
도 30은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예의 경화 모듈(1400)의 단면도이다.
도 30을 살펴보면, 경화 모듈(1400)에서 광 조사 제어부(1440)는 한 쌍의 투명 필름(1442)과 투명 필름(1442)에 설치되는 전극(1444), 그리고 한 쌍의 투명 필름 사이에 배치되는 유기 액정층(1446)을 포함할 수 있다. 이는 컬러 필터가 제거된 TFT LCD와 유사한 형태이다.
여기서, 전극(1444)은 투명 필름(1442)에 2차원 어레이로 배열되며, 전극(1444)의 온 오프에 따라 유기 액정층(1446)에 의한 광 투과 여부가 제어될 수 있다. 이에 따라 광원(1420)에서 조사되는 광이 각각의 전극에 의해 픽셀 단위로 작업면으로 투과될 수 있다.
결과적으로 경화 모듈(1400)은 2차원 어레이로 배치되는 전극(1444) 별로 인쇄 매체(100)의 작업면에 픽셀 별로 광 투과를 제어하여 픽셀 단위로 인쇄 매체(100)를 경화시킬 수 있다.
한편, 광 조사 제어부(1440)에서 전극(1444)은 공통 전극(1444a)과 그라운드 전극(1444b)을 포함하는데, 공통 전극(1444a)과 그라운드 전극(1444b)은 도 28 및 29와 유사하게 한 쌍의 필름에 각각 배치되는 형태 또는 하나의 필름에 동시에 배치되는 형태가 모두 가능할 수 있다.
3. 픽셀 단위의 컬러 3D 프린팅 동작
상술한 제1 구현예에 따른 컬러 부여 모듈(1300)과 경화 모듈(1400)을 이용하면, 픽셀 단위로 컬러 3D 프린팅이 수행될 수 있다. 이하에서는 제1 구현예에 따른 3D 프린터(1000)의 동작에 관하여 설명한다.
탱크(1100)에 인쇄 매체(100)가 수용되어 있는 상태에서 입력 모듈을 통해 소정의 입체물(M)에 대한 인쇄 명령을 입력받으면, 콘트롤러(1800)가 이에 따라 3D 프린팅 동작을 개시한다.
3D 프린팅이 개시되면, 콘트롤러(1800)는 입체물(M)에 대한 3D 모델링 데이터를 획득하고, 승강 모듈(1250)을 제어하여 모델링 플레이트(1200)의 높이를 조절하여 인쇄 매체(100)의 작업면에 작업 대상 레이어(L)가 될 영역을 마련한다. 또 콘트롤러(1800)는 모델링 데이터로부터 작업 대상 레이어(L)에 관한 레이어 데이터를 추출한다.
다음으로 콘트롤러(1800)는 컬러 데이터를 참조하여 픽셀 별로 컬러가 부여되도록 전극에 인가되는 전압을 제어한다. 여기서, 콘트롤러(1800) 해당 레이어(L)에 적용될 컬러 중 한 가지 컬러에 대하여 색상을 부여하고, 해당 컬러에 대응되는 픽셀에 대하여 경화 작업을 진행한 뒤 다른 컬러에 대하여 이를 반복하는 식으로 해당 레이어(L)에 대한 작업을 완료할 수 있다. 또는 콘트롤러(1800)는 해당 레이어(L)에 적용될 모든 컬러에 대하여 동시에 색상을 부여하고 경화 작업을 한번만 진행하여 해당 레이어(L)에 대한 작업을 완료하는 것도 가능하다.
물론, 그 중간 방식으로 동시에 미리 정해진 개수의 몇몇 색상에 대하여 컬러를 부여한 뒤 해당 색상에 대응하는 픽셀만 경화시키고, 다시 미리 정해진 개수의 다른 몇몇 색상에 대하여 컬러를 부여하는 식을 반복하여 해당 레이어(L)에 대한 작업을 완료할 수 있다.
상술한 바와 같이 컬러 부여 및 경화가 완료되면 모델링 플레이트(1200)를 레이어(L) 두께만큼 승강시켜가며 반복 작업하여 레이어(L)를 적층시켜 입체물(M)이 생성될 수 있다.
한편, 컬러 3D 프린터(1000)의 제1 구현예에서 컬러 부여 모듈(1300) 및 경화 모듈(1400)은 2차원 전극 어레이를 이용하여 픽셀 단위로 컬러 부여 또는 컬러 고정(경화)를 진행하는 것으로 설명하였는데, 컬러 부여 모듈(1300)과 경화 모듈(1400)의 픽셀 해상도가 반드시 동일해야 하는 것은 아니다.
예를 들어, 컬러 부여 모듈(1300)의 픽셀 수보다 경화 모듈(1400)의 픽셀 수가 적거나 또는 많을 수 있다. 따라서, 단위 면적에 대하여 컬러 부여가 가능한 해상도보다 경화 모듈(1400)이 경화시키는 해상도가 더 높거나 낮은 것도 가능하다.
V. 컬러 3D 프린터의 제2 구현예
도 31은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제2 구현예의 단면도이다.
제2 구현예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)에는 제1 구현예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)에 컬러 입자 선택 모듈(1320’)이 부가된다. 여기서, 컬러 입자 선택 모듈(1320’)은 인쇄 매체(100)에 전기장을 인가하여 작업 대상 레이어(L)에서 주 컬러 입자(140) 또는 보조 컬러 입자(160) 중 어느 하나를 배제시키고 다른 하나를 잔류시키는 역할을 수행한다.
도 32는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제2 구현예의 컬러 입자 선택 모듈(1320’)의 단면도이다.
도 32을 참조하면, 컬러 입자 선택 모듈(1320’)은 컬러 부여 모듈(1300)의 상측 또는 하측에 설치될 수 있다. 컬러 입자 선택 모듈(1320’)은 기본적으로 제1 구현예에서의 컬러 부여 모듈(1300)과 유사한 형태를 가질 수 있다. 즉, 컬러 입자 선택 모듈(1320’)은 평판 필름(1322’)에 전극(1324’)이 2차원 어레이 형식으로 배치되는 형태로 제공될 수 있다.
이에 따라 컬러 입자 선택 모듈(1320’)의 각각의 전극(1324’)은 단위 픽셀에 전기장을 인가할 수 있다. 구체적으로 콘트롤러(1800)는 전극(1324’)에 전압을 인가하여 전극(1324’)이 전기장을 발생하도록 할 수 있다. 전기장이 단위 픽셀에 인가되면 본 발명의 실시예에 따른 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용하는 경우 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160) 중 어느 하나는 배제되고 다른 하나는 잔류하게 되며 이에 따라 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 인쇄 매체(100)에 부여되는 것이 가능해진다.
3D 프린팅이 개시되면, 콘트롤러(1800)는 입체물(M)에 대한 3D 모델링 데이터를 획득하고, 승강 모듈(1250)을 제어하여 모델링 플레이트(1200)의 높이를 조절하여 인쇄 매체(100)의 작업면에 작업 대상 레이어(L)가 될 영역을 마련한다. 또 콘트롤러(1800)는 모델링 데이터로부터 작업 대상 레이어(L)에 관한 레이어 데이터를 추출한다.
다음으로 콘트롤러(1800)는 컬러 데이터를 참조하여 컬러값이 주 컬러 입자(140)에 의해 구현될 컬러인지 보조 컬러 입자(160)에 의해 구현될 컬러인지를 확인한다.
만약 주 컬러 입자(140)에 의해 구현될 컬러인 경우에는, 콘트롤러(1800)는 보조 컬러 입자(160)가 해당 픽셀에서 제외되는 전기장을 인가하도록 컬러 입자 선택 모듈(1320’)을 제어한다. 이후 콘트롤러(1800)는 컬러값이 주 컬러 입자(140)의 물질색인 경우에는 자기장을 인가하지 않고, 구조색인 경우에는 컬러 부여 모듈(1300)에 적절한 전압을 인가하여 인쇄 매체(100)에 컬러를 부여한다.
반대로 보조 컬러 입자(160)에 의해 구현될 컬러인 경우에는, 콘트롤러(1800)는 보조 컬러 입자(160)가 해당 픽셀에서 제외되는 전기장을 인가하도록 컬러 입자 선택 모듈(1320’)을 제어한다. 이에 따라 해당 픽셀에는 보조 컬러 입자(160)의 물질색이 인쇄 매체(100)에 부여될 수 있다.
이후에는 제1 구현예에 따른 3D 프린팅에서와 유사한 방식으로 입체물(M)을 완성해 나아간다.
VI. 컬러 3D 프린터의 제3 구현예
도 33은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제3 구현예의 단면도이다.
제3 구현예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)에는 제1 구현예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)에서 경화 모듈(1400)의 형태가 변경된 것이다.
도 33을 참조하면, 경화 모듈(1400)은 컬러 부여 모듈(1300)의 하부에 배치된다. 다만, 제1 구현예와 다르게 경화 모듈(1400)은 컬러 필터가 제외된 TFT LCD와 백라이트의 조합으로 구성되는 것이 아니라 광원(1420), 반사경(1460) 및 각도 제어 수단(1465)으로 구성될 수 있다.
구체적으로 광원(1420)은 UV 광 등을 조사할 수 있다. 또 반사경(1460)은 광원(1420)에서 출사되는 광을 작업 대상 레이어(L) 방면으로 반사시킨다. 또 각도 제어 수단(1465)은 반사경(1460)의 각도를 제어하여 반사경(1460)에 의해 반사되는 광의 경로를 조절하여 광이 조사될 영역을 제어할 수 있다.
이러한 3D 구현예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)를 이용하는 3D 프린팅은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
모델링 플레이트(1200)를 승강시켜 작업 대상 레이어(L)가 될 영역을 마련하고 그 영역에 자기장을 인가하는 등을 통해 구조색이나 물질색에 따른 컬러를 픽셀 단위로 부여한다. 이는 제1 구현예에서와 유사하다.
이후 경화 단계에서는 콘트롤러(1800)는 모델링 데이터의 해당 레이어 데이터 중 쉐이프 데이터를 참조하여 경화시킬 픽셀을 확인하고, 이에 따라 광원(1420)으로부터 출사되는 광이 경화시킬 픽셀로 반사되도록 반사경의 각도를 제어하여 인쇄 매체(100)를 경화시킬 수 있다. 광원(1420) 수단으로는 UV 광원을 이용하는 것도 가능하지만, 달리 레이저 광원을 이용하는 것도 가능하다. 단일 광원(1420)과 반사경(1460)을 이용하는 구조를 취하고 있으므로 단위 픽셀에 대해서는 경화를 신속하게 진행할 필요가 있으므로 보다 경화 시간이 적은 레이저 광원을 이용하는 것이 바람직할 여지가 있다.
도 34는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제3 구현예가 변형된 형태의 단면도이다.
한편, 제3 구현예에서 경화 모듈(1400)은 도 37과 같이 즉, 경화 모듈(1400)은 광원(1420) 및 2차원 광원 이동 수단(1470)을 포함하는 형태로 변형되는 것도 가능하다. 이때에는 콘트롤러(1800)는 2차원 광원 이동 수단(1470)을 x축과 y축으로 이동시켜 경화될 픽셀에 광이 조사되도록 할 수 있을 것이다.
VII. 컬러 3D 프린터의 제4 구현예
제4 구현예의 컬러 3D 프린터(1000)에서는 컬러 부여 모듈(1300)과 경화 모듈(1400)이 제3 구현예의 변형 형태에서와 같이 이동식으로 마련될 수 있다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 컬러 3D 프린터(1000)의 제4 구현예의 단면도이다.
도 35를 참조하면, 경화 모듈(1400)은 제3 구현예의 변형예에서와 같이 광원(1420)과 2차원 광원 이동 수단(1470)으로 마련된다. 여기서, 컬러 부여 모듈(1300)은 전자석의 형태로 제공되며, 이는 경화 모듈(1400)의 2차원 광원 이동 수단(1470)에 함께 설치된다.
여기서, 전자석에는 홀이 형성될 수 있으며, 광원(1420)은 전자석의 홀을 통해 작업면 방향으로 광을 조사할 수 있다.
한편, 본 구현예에서 전자석만 이동 수단(1470)에 부착되어 작업면을 2차원 이동할 수 있는 형태로 제공되고, 광원(1420)은 도 33에 도시된 형태로 반사경과 함께 설치되어 각도 조절부에 의해 조절되는 각도를 통해 작업면으로 광을 조사하는 형태로 변경되는 것도 가능하다.
이러한 제4 구현예에 따른 3D 프린터(1000)를 이용한 컬러 프린팅은 다음과 같이 수행될 수 있다.
상술한 다른 컬러 3D 프린팅과 유사하게 작업 대상 레이어(L) 영역이 마련된다.
콘트롤러(1800)는 모델링 데이터로부터 컬러값을 참조하여 전자석에 인가할 자기장의 세기를 결정하고, 모델링 데이터로부터 픽셀 좌표를 획득하여 이에 따라 자기장을 인가할 위치를 결정한다. 이에 특정 픽셀 좌표에 자기장이 인가되어 인쇄 매체(100)에 색이 부여될 수 있다.
이와 거의 동시에 콘트롤러(1800)는 해당 픽셀 좌표에 광을 조사하여 색을 고정시킨 뒤 인쇄 매체(100)를 경화시킨다.
이러한 작업을 픽셀 별로 반복하면 하나의 레이어(L)에 대한 컬러 부여 및 경화가 완료되며, 이러한 작업을 입체물(M)이 생성될 때까지 레이어(L) 별로 수행하여 입체물(M)을 3D 프린팅할 수 있다.
한편, 주 컬러 입자(140)와 보조 컬러 입자(160)가 혼합된 추가 조성의 인쇄 매체(100)를 이용할 때는, 본 제3 구현예 또는 제4 구현예에 따른 3D 프린터(1000)에 입자 선택 모듈(1320')이 추가될 수 있다. 입자 선택 모듈(1320')은 제3 구현예에서는 제2 구현예에서 설명한 바와 같이 컬러 부여 모듈(1300)의 하부 또는 상부에 개재될 수 있다. 또는 입자 선택 모듈(1320')은 제4 구현예에서는 전자석의 상부에 마련되는 것이 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
M: 입체물
L: 레이어
D: 입자 간격
100: 인쇄 매체
120: 경화성 물질
140: 주 컬러 입자
140’: 광 결정성 입자
142: 자성 코어
144: 커플링 쉘
142a: 자성체
142b: 비자성 기재
160: 보조 컬러 입자
1000: 3D 프린터
1100: 탱크
1200: 모델링 플레이트
1250: 승강 모듈
1300: 컬러 부여 모듈
1302: 투명 필름
1304: 전극
1320: 주 컬러 부여 모듈
1340: 보조 컬러 부여 모듈
1340’: 컬러 입자 선택 모듈
1400: 경화 모듈
1420: 광원
1440: 광 조사 제어부
1460: 반사경
1465: 각도 제어 수단
1500: 입/출력 모듈
1600: 통신 모듈
1700: 메모리
1800: 콘트롤러

Claims (14)

  1. 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서,
    자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 수용하고, 그 상면 또는 하면 중 어느 일면이 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면이 되도록 투명하게 제공되거나 또는 상기 수용된 인쇄 매체의 상부 표면이 작업면이 되도록 상기 상면이 개방된 형태로 제공되는 탱크;
    상기 작업면과 마주보는 평판 형태로 제공되어, 상기 입체물을 지지하는 모델링 플레이트;
    평판 형태의 제1 투명 필름 및 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제1 전극을 포함하고, 상기 작업면에 대면하도록 배치되어 상기 제1 전극을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 자기장을 인가함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체에 컬러를 부여하는 컬러 부여 모듈;
    상기 입체물에 대한 모델링 데이터를 저장하는 메모리;
    상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어하여 상기 자기장의 세기를 제어함에 따라 상기 부여되는 컬러를 조절하는 콘트롤러;를 포함하는
    3D 컬러 프린터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화할 단위 영역에 부여할 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 컬러 데이터에 기초하여 상기 복수의 제1 전극에 인가되는 전압을 제어함으로써 상기 경화될 단위 영역 별로 상기 부여되는 컬러를 조절하는
    3D 컬러 프린터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은, ITO 투명 전극인
    3D 컬러 프린터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 투명 필름은, 서로 마주보는 제1-1 투명 필름 및 제1-2 투명 필름을 포함하고,
    상기 복수의 제1 전극은, 상기 제1-1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배치되는 복수의 제1-1 전극 및 상기 제1-2 투명 필름 상에 배치되어 상기 제1-1 전극과 대향하도록 배치되는 복수의 제1-2 전극을 포함하는
    3D 컬러 프린터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은, 상기 제1 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배치되는 공통 전극 및 상기 공통 전극과 쌍을 이루도록 상기 투명 필름 상에 배치되는 그라운드 전극을 포함하는
    3D 컬러 프린터.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1-1 전극 및 상기 제1-2 전극은, 상기 제1 투명 필름의 상기 작업면을 마주하는 면에 배치되는
    3D 컬러 프린터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체를 경화시켜 상기 레이어를 형성하는 경화 모듈;을 더 포함하는
    3D 컬러 프린터.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 경화 모듈은, 광을 출사하는 광원 및 상기 출사된 광이 상기 작업면 상에 조사되는 위치를 제어하는 광 조사 제어부를 포함하되,
    상기 광 조사 제어부는, 평판 형태로 제공되는 한 쌍의 제2 투명 필름, 상기 제2 투명 필름 상에 2차원 픽셀 어레이로 배열되는 복수의 제2 전극 및 상기 제2 투명 필름 사이에 개재되는 액정층을 포함하고, 상기 광원과 상기 작업면 사이에 배치되어 상기 제2 전극에 의해 상기 액정층이 광을 투과시키거나 비투과시키는 것을 이용하여 상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 상기 단위 영역 별로 상기 광을 조사함에 따라 상기 단위 영역 별로 상기 인쇄 매체를 경화시키고,
    상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 복수의 제2 전극에 인가되는 전압을 제어하는 콘트롤러;를 포함하는
    3D 컬러 프린터.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 광 조사 제어부는, 상기 컬러 부여 모듈의 배면에 배치되는
    3D 컬러 프린터.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 경화될 단위 영역에만 상기 광이 조사되도록 상기 복수의 제2 전극에 인가되는 전압을 제어하는
    3D 컬러 프린터.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 경화 모듈은, 상기 작업면 방향으로 광을 출사하는 광원 및 상기 광원을 상기 작업면에 평행한 방향으로 2차원 이동시키는 광 조사 제어부를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광이 조사되어 상기 인쇄 매체의 경화 및 컬러 고정이 이루어지도록 상기 광원의 온/오프 및 상기 광 조사 제어부에 의한 상기 광의 조사지점을 조절하는
    3D 컬러 프린터.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 경화 모듈은, 상기 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 상기 작업면 방향으로 반사시키는 반사경 및 상기 반사경의 반사 각도롤 조정하는 각도 조절부를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 모델링 데이터에 기초하여 상기 컬러가 부여된 영역에 상기 광이 조사되어 상기 인쇄 매체의 경화 및 컬러 고정이 이루어지도록 상기 광원의 온/오프 및 상기 광 각도 조절부의 반사 각도를 조정하여 상기 광의 조사지점을 조절하는
    3D 컬러 프린터.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러 부여 모듈을 기준으로 상기 작업면의 반대 방향에 위치하여 상기 작업면 방향으로 광을 출사하는 광원 및 상기 컬러 부여 모듈의 배면에 위치하는 액정층을 포함하는 경화 모듈;을 더 포함하고,
    상기 모델링 데이터는, 상기 레이어에서 경화할 단위 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화할 단위 영역에 부여할 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 광원이 오프된 상태에서 상기 컬러 데이터에 기초하여 상기 제1 전극에 인가되는 전압값을 제어함으로써 상기 인쇄 매체에 부여될 컬러를 제어하고, 상기 컬러가 부여된 뒤 상기 광원이 온된 상태에서 상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 제1 전극에 인가되는 전압의 온/오프를 제어함으로써상기 단위 영역 별로 상기 액정층의 광 투과 여부를 제어함으로써 상기 컬러가 부여된 상기 인쇄 매체를 경화시키는
    3D 컬러 프린터.
  14. 자기장에 의해 조절되는 입자 간격에 따라 그 구조색이 정의되는 광 결정성 입자로 제공되는 컬러 입자 및 상기 컬러 입자를 수용하고 액상으로 제공되는 경화성 물질을 포함하는 인쇄 매체를 이용하여 복수의 레이어를 적층하여 입체물을 형성하는 3D 프린터로서, 상기 레이어를 형성하기 위한 작업면의 단위 영역 별로 대응되도록 2차원 어레이 형태로 배치되는 전극을 가지는 3D 프린터의 제어 방법으로서,
    상기 복수의 레이어 별로 경화 대상 영역을 지시하는 쉐이프 데이터 및 상기 경화 대상 영역의 컬러를 지시하는 컬러 데이터를 포함하는 모델링 데이터를 획득하는 단계;
    상기 컬러 데이터의 컬러값에 기초하여 상기 전극 별로 전압을 인가하여 자기장을 발생시키되, 상기 전압값을 조절하여 상기 자기장의 세기를 제어하는 단계;
    상기 작업면에 위치하는 상기 인쇄 매체의 단위 영역 별로 상기 자기장이 인가됨에 따라 상기 자기장의 세기에 따라 상기 인쇄 매체에 상기 구조색이 부여되는 단계; 및
    상기 쉐이프 데이터에 기초하여 상기 구조색이 부여된 영역을 경화시키는 단계;를 포함하는
    3D 프린터의 제어 방법.


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