KR20170068084A - Ｅｈｄ 및 3ｄ 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅 방법을 이용하여 생체용 보형물을 제작함에 있어서 EHD 방법을 적용하여 보형물에 보다 효과적으로 기능성을 부여할 수 있도록 하는, EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법에 관한 것이다.

Description

ＥＨＤ 및 3Ｄ 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법 {Apparatus and method for making functional prostheses using 3D printing and EHD}

본 발명은 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 3D 프린팅 방법을 이용하여 생체용 보형물을 제작함에 있어서 EHD 방법을 적용하여 보형물에 보다 효과적으로 기능성을 부여할 수 있도록 하는, EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법에 관한 것이다.

생체조직공학(tissue engineering)이란 생명과학, 의학, 공학의 기본 개념과 기술을 바탕으로 하여 생체조직의 대용품을 만들어 생체에 이식함으로써 생체 기능의 유지, 향상, 복원을 가능하게 하고자 하는 기술을 통틀어 일컫는 것이다. 생체조직공학의 실제 구현은, 환자의 몸에서 필요한 조직을 채취하고 그 조직편으로부터 세포를 분리한 다음 분리된 세포를 배양을 통하여 필요한 양만큼 증식시키고 다공성을 가지는 생분해성 고분자 지지체에 심어 일정기간 체외 배양함으로써 형성되는 스캐폴드(scaffold, '세포 배양 지지체'라고도 함)를 다시 인체 내에 이식하는 방식으로 이루어진다. 이식 후 세포들은 대부분의 조직이나 장기의 경우 신생 혈관이 형성될 때까지는 체액의 확산에 의해 산소와 영양분을 공급받다가 인체 내의 혈관이 들어와 혈액의 공급이 이루어지면 세포들이 증식 분화하여 새로운 조직 및 장기를 형성하고 생분해성 고분자 지지체는 그동안 분해되어 사라지게 된다.

한편 코, 귀 등과 같이 형태적으로 그 손실이 눈에 잘 띄는 신체 부위인 경우, 타인이 신체 손실을 잘 알아채지 못하도록 하는 것이 가장 중요하며, 원래 형태 또는 평균적인 신체 형태에 가까운 형태로 잘 만들어지도록 하는 데에 많은 노력이 이루어지고 있다. 과거에는 스캐폴드 제작 시 염침출법, 염발포법, 섬유접착법, 상분이법, 용융몰딩법, 동결건조법 등이 사용되었는데, 이러한 방식으로 만들어지는 스캐폴드의 경우 복잡한 형상을 구현하기에 어려움이 있었다. 특히 상술한 바와 같이 손실이 눈에 잘 띄는 신체 부위이자 상당히 복잡한 형상을 가지는 귀의 경우에는, 과거의 스캐폴드 제작장치 및 제작방법으로는 자연스러운 형상을 재현하는 것이 거의 불가능하였다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 스캐폴드 제작 관련 기술분야에 복잡한 형상을 자유로이 만들 수 있는 임의형상 제작기술이 도입되었으며, SLA, SLS, FDM, 3D 플로팅, 3D 프린팅 등의 방식이 사용되고 있다. 특히 이 중에서도 3D 플로팅 및 프린팅 방식이 복잡한 형상을 정교하게 제작하는 데 매우 효과적인 장점이 있다.

일반적으로 3차원 프린팅(3D printing)은 잉크젯 프린팅 기법을 이용하는 기술로 얇은 고분자 분말을 롤러를 이용하여 균일하게 펼친 후 잉크젯 프린터 헤드를 이동시키면서 결합제(Binder)를 뿌려 고분자 분말 입자를 결합시켜 한 층을 제작하고, 한 층이 제작되면 그 위에 얇은 고분자 분말층을 다시 쌓고 결합제를 뿌려주는 과정을 반복하여 3차원 형상의 스캐폴드를 제작하는 기술이다. 3차원 플로팅(3D Plotting)은 생체조직에 적합한 고분자를 용융시켜 공압으로 노즐을 통해 밀어내면서 3차원 형상의 스캐폴드를 제작하는 기술로, 노즐이 장착된 실린더 헤드가 XYZ 방향으로 자유롭게 이동이 가능하도록 형성되고, 용융된 고분자는 노즐을 통과하여 바닥 또는 스캐폴드 표면에 닿게 되는 순간 경화되게 하여, 자유로이 3차원 형상을 제작할 수 있다. 최근에는 두 가지 방식이 혼합되어 사용되거나, 어느 한 쪽의 장비에 다른 쪽의 원리를 적용하는 등의 결합 사용 등이 이루어지기도 하는 바, 특별한 구분이 없이 혼용되어 칭해지기도 한다(여기에서도 이하에서는 3D 프린팅으로 일괄 칭하기로 한다).

한편 인공 심장과 같이 신체에 삽입되거나 장기를 대체하여 병이나 사고 등으로 잃어버린 신체 능력을 보완해 주는 장치들에 대한 연구도 꾸준히 이루어지고 있다. 인공 심장의 경우 생명과 직결된 연구이기 때문에 오래 전부터 다양하고 꾸준한 연구가 이루어져 현재에도 어느 정도 효과적으로 실현되고 있는 등의 성과를 거두고 있는데, 이와 같은 맥락에서 신체에 삽입되거나 대체된 이식물을 이용하여 신체 능력의 보조나 또는 신체 상태 측정 등을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 장치들에 대한 연구가 이루어져 왔다.

이러한 연구의 일환으로, 최근 다양한 분야에서 활용되고 있는 압전소자를 이용하는 장치에 대한 기술들이 다양하게 개시되고 있다. 한 예로서, 한국특허공개 제2013-0020057호("생체용 나노제너레이터")에서는 플렉서블 기판 및 BTO 박막을 포함하여 이루어져 생체 내에 삽입되며, 생체 내 기관의 움직임에 따라 전류를 생성하는 생체용 나노제너레이터가 개시된다. 다른 예로서, 한국특허공개 제2014-0116347호("필름형 생체신호 측정장치")에서는, 필름형 압전소자 및 복수의 박막전극 등을 포함하여 이루어져 피부에 부착되며, 인체의 전기신호 및 진동신호를 측정하여 심전도 및 심탄도를 동시에 측정하며, 이로부터 심박수, 스트레스 지수, 심탄도, 혈압, 운동량, 호흡수 등과 같은 다양한 건강지표용 생체정보를 추출할 수 있는, 필름형 생체신호 측정장치가 개시된다. 이외에도 생체에 압전필름을 포함하는 장치를 부착하여 맥박 등을 측정하는 장치 등이 다양하게 개시되고 있다. 이처럼 압력에 의해서 전기가 발생되는 압전소자가 신체에 구비될 경우 신체의 움직임에 의하여 동작하는 원리를 이용하는 방식이 직관적으로 용이하게 유추될 수 있으며, 이에 따라 상술한 바와 같이 맥박이나 심전도 등과 같은 생체신호의 측정에 대한 연구가 보다 활발히 이루어져 왔다.

한편 앞서 설명한 3D 프린팅 등을 이용하여 만들어지는 보형물의 경우, 압전소자를 이용한 생체신호 측정 등의 기술과 결합되기에 그다지 적합하지 않다고 여겨져, 이러한 연구가 많이 이루어지지 못했다. 첫째, 상술한 바와 같이 맥박이나 심전도 등을 측정하기 위한 압전소자가 보형물에 부착될 경우 생체에 직접 부착되는 경우와 비교하여 전기신호, 진동신호 등을 측정하는데 훨씬 불리하다. 둘째, 현재 3D 프린팅으로 상당히 복잡한 형태의 정교한 입체 형상 보형물을 제작하는 것은 가능한 수준까지 기술이 발전되었으나, 여기에 전기신호를 측정하는 등과 같은 기능성을 갖는 소자 회로를 프린팅하는 것은 아직 기술적으로 어렵다. 셋째, 압전필름의 동작이 가능하게 하는 전극용 박막은 금속 소재로 이루어지는데, 이러한 소재는 3D 프린팅으로 만들어지는 보형물의 소재와의 결합이 어려워 제작이 난해하다.

1. 한국특허공개 제2013-0020057호("생체용 나노제너레이터") 2. 한국특허공개 제2014-0116347호("필름형 생체신호 측정장치")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 3D 프린팅 방법으로 제작되는 보형물에 기능성을 부여할 수 있도록, 보형물 제작 중 EHD 방식을 이용하여 압전소자, 전극박막, 전기회로 등이 보형물에 효과적으로 결합될 수 있게 하는, EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 일반적으로 기능성 부여에 대한 가능성이 고려되지 않았던 보형물에 있어서, 기존의 맥박 측정 등과 같은 생체신호 측정과 같은 기능성 이외에 다른 방향으로 관점을 확장하여, 즉 보형물이 가질 수 있는 기능성을 보다 다양한 방향으로 확장할 수 있도록 하는, EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치(100)는, 스테이지(110); 보형물 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 압력에 의하여 상기 스테이지(110)를 향해 보형물 재료액을 배출하는 적어도 하나 이상의 보형물 제작수단(120); 전기소자 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 전압에 의하여 상기 스테이지(110)를 향해 전기소자 재료를 배출하는 적어도 하나 이상의 전기소자 제작수단(130); 상기 보형물 제작수단(120) 및 상기 전기소자 제작수단(130) 또는 상기 스테이지(110)를 각각 3차원적으로 이동시키는 복수 개의 이동수단(150);을 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 상기 기능성 보형물의 제작장치(100)는, 보형물의 표면 상에 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리수단(140);을 더 포함하여 이루어지며, 이 경우 상기 이동수단(150)은 상기 플라즈마 처리수단(140)을 3차원적으로 더 이동시키도록 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법은, 상술한 바와 같은 기능성 보형물의 제작장치(100)를 이용하는 기능성 보형물의 제작방법에 있어서, 상기 보형물 제작수단(120)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 압력에 의하여 상기 스테이지(110) 상에 보형물 재료액을 배출하여, 보형물의 일부인 보형물 레이어를 형성하는 보형물 레이어 형성단계; 상기 전기소자 제작수단(130)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 전압에 의하여 상기 보형물 레이어 상에 전기소자 재료액을 배출하여, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역에 전기소자를 형성하는 전기소자 형성단계; 상기 보형물 레이어 형성단계 또는 상기 전기소자 형성단계가 적어도 한 번 반복 수행되어, 적어도 하나의 전기소자를 내포하는 보형물이 제작되는 기능성 보형물 제작단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

또는 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법은, 상술한 바와 같은 기능성 보형물의 제작장치(100)를 이용하는 기능성 보형물의 제작방법에 있어서, 상기 보형물 제작수단(120)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 압력에 의하여 상기 스테이지(110) 상에 보형물 재료액을 배출하여, 보형물의 일부인 보형물 레이어를 형성하는 보형물 레이어 형성단계; 상기 플라즈마 처리수단(140)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 상기 보형물 레이어 상의 선택적 일부 영역에 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리단계; 상기 전기소자 제작수단(130)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 전압에 의하여 상기 보형물 레이어의 플라즈마 처리된 선택적 일부 영역 상에 전기소자 재료액을 배출하여, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역에 전기소자를 형성하는 전기소자 형성단계; 상기 보형물 레이어 형성단계, 상기 플라즈마 처리단계, 또는 상기 전기소자 형성단계가 적어도 한 번 반복 수행되어, 적어도 하나의 전기소자를 내포하는 보형물이 제작되는 기능성 보형물 제작단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 보형물 제작수단(120)은, 직경이 수 ~ 수백 μm 범위 내의 값을 갖는 스트랜드(strand)를 배출 가능하도록 형성되며, 상기 전기소자 제작수단(130)은, 선폭이 수 nm ~ 수 μm 범위 내의 값을 갖는 패턴선을 배출 가능하도록 형성될 수 있다.

또한 상기 플라즈마 처리단계에서는, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역의 표면 거칠기가 수백 nm ~ 수백 μm 범위 내가 되도록 플라즈마 처리를 수행하도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 보형물 재료액은, 실리콘, 폴리우레탄을 포함하는 생분해되지 않는 의료용 생체재료 중 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.

또한 상기 전기소자 재료액은, 전극박막 제작을 위한 금속재료입자 및 솔벤트의 혼합액, 압전박막 제작을 위한 PVDF 용액, PZT 용액, PMN-PT 용액, BaTiO 용액 중 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 의하면, 3D 프린팅으로 만들어지는 보형물에 기능성을 부여할 수 있도록 함으로써, 기존에 형상을 보완하는 것으로 그쳤던 보형물의 성능을 훨씬 다양하게 확장할 수 있는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 3D 프린팅과 EHD를 결합 적용하여, 3D 프린팅으로 보형물이 제작되는 과정 중 EHD로 전기적인 소자들이 보형물 내에 형성되도록 하여, 보형물 및 전기적인 소자들의 결합이 보다 용이하고 자유롭게 이루어질 수 있게 해 주는 효과가 있다.

한편 기존에는 보형물에 전기적인 소자들을 결합시키는 데 재질적인 문제로 인하여 결합성이 떨어지는 등의 여러 문제가 있었으나, 본 발명에 의하면 이러한 문제를 개선하여 각부가 높은 결합력을 가지는 안정적인 결합이 이루어지게 하는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치의 개략도.
도 2는 EHD 방식의 원리.
도 3은 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법의 흐름도.
도 4는 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법에 따른 개략적 단계도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치 및 제작방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기능성 보형물의 제작 장치(100)는, 스테이지(110), 적어도 하나 이상의 보형물 제작수단(120), 적어도 하나 이상의 전기소자 제작수단(130), 복수 개의 이동수단(150)을 포함하여 이루어진다. 여기에 더불어, 플라즈마 처리수단(140)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 스테이지(110)는, 상기 스테이지(110) 상에 보형물 재료 등이 쌓여서 보형물이 안정적으로 만들어질 수 있도록 지지해 주는 역할을 한다. 이 때 제작하고자 하는 보형물의 형상이나 사용자 편의에 따라 보조적인 지지수단이 더 구비될 수도 있는데, 예를 들자면 제작하고자 하는 보형물이 인공혈관 등인 경우 원통형의 지지부가 더 구비된다거나, 제작하고자 하는 보형물이 인공귀 등과 같이 복잡한 형상을 가지고 있는 경우 보형물 제작 과정 중 제작되고 있는 보형물을 지지하되 보형물 완성 후에는 제거 가능한 서포터가 더 구비되는 등과 같다.

한편, 이하에서 보다 구체적으로 설명될 상기 보형물 제작수단(120), 상기 전기소자 제작수단(130), 상기 플라즈마 처리수단(140) 또는 상기 스테이지(110)에는 이들 각각을 3차원적으로 이동시키는 이동수단(150)이 더 구비될 수 있다. 상기 이동수단(150)에 의하여 상기 보형물 제작수단(120), 상기 전기소자 제작수단(130), 상기 플라즈마 처리수단(140) 또는 상기 스테이지(110)가 3차원적으로 이동함으로써, 원하는 대로의 3차원적인 형상의 보형물을 만들거나, 원하는 위치에 전기소자를 형성하거나, 원하는 위치에 플라즈마 처리를 하는 등의 자유로운 동작을 수행할 수 있다.

상기 보형물 제작수단(120)은, 보형물 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 압력에 의하여 상기 스테이지(110)를 향해 보형물 재료액을 배출하는 역할을 한다. 상기 보형물 제작수단(120)에서 배출되는 보형물 재료액은, 예를 들어 제작하고자 하는 보형물이 인공귀 등인 경우 실리콘일 수 있다. 또는 보형물의 적용처나 다양한 필요에 따라 폴리우레탄 등과 같이 생분해되지 않는 의료용 생체재료가 사용될 수 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 상기 보형물 제작수단(120)에서는 실리콘 액 등과 같은 보형물 재료액이 배출되는데, 이러한 보형물 재료액은 상기 보형물 제작수단(120)에 수용되어 있을 때 및 배출되는 시점에서는 어느 정도의 점성을 지니고 있다. 이에 따라 일반적으로 이러한 보형물, 스캐폴드 등을 제작하는 3D 프린터의 경우 공압이나 유압을 이용하여 보형물 재료액을 밀어내어 노즐 밖으로 배출하도록 이루어진다. 또한 이와 같이 보형물 재료액이 노즐에서 배출된 후에는 자연적 냉각, 별도로 구비되는 냉각 수단 등에 의하여 굳어져서 고형화된다. 이러한 고형화수단은, 상기 보형물 재료액이 자외선 등과 같은 특정 파장의 빛에 의해 고형화되는 특성을 갖는다면 자외선을 조사하는 장치가 될 수도 있으며, 더 고온의 열을 가해야 고형화되는 특성을 갖는다면 가열장치가 될 수도 있는 등, 보형물 재료액의 특성에 따라 적절하게 선택적으로 채용할 수 있다.

이와 같이 보형물 재료액이 배출되면 선형 모양을 갖게 되는데, 일반적으로 이렇게 선형으로 배출된 단위 형상을 스트랜드(strand)라고 한다. 이러한 스트랜드들을 적절히 배열, 적층, 직조함으로써 원하는 대로의 3차원 형상을 만들 수 있는 것이다. 본 발명에서, 상기 보형물 제작수단(120)에서 배출 형성되는 스트랜드는 직경이 수 ~ 수백 μm 범위 내의 값을 갖도록 할 수 있다.

한편, 제작하고자 하는 보형물이 단일 재료로만 이루어지는 것이 아니라 다수 개의 재료로 이루어져야 하는 경우라면, 다수 개의 서로 다른 보형물 재료액이 수용된 다수 개의 보형물 제작수단(120)을 이용하여 보형물을 제작할 수 있다. 또는 단일 재료로 이루어지는 보형물이라 해도, 어느 부분은 보다 정교하게 만들어야 하고 어느 부분은 보다 거칠게 만들어도 무방한 경우가 있을 수 있으므로, 거칠게 만들어도 되는 부분에서는 보다 굵은 스트랜드를 배출할 수 있도록 배출구 직경이 큰 노즐을 갖는 보형물 제작수단(120)을 사용하고, 정교하게 만들어져야 하는 부분에서는 반대로 배출구 직경이 작은 노즐을 갖는 보형물 제작수단(120)을 사용하도록 할 수도 있다. 즉 필요에 따라 상기 보형물 제작수단(120)은 단일 개가 구비될 수도 있고, 다수 개가 구비될 수도 있다.

상기 전기소자 제작수단(130)은, 전기소자 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 전압에 의하여 상기 스테이지(110)를 향해 전기소자 재료를 배출하는 역할을 한다. 상기 전기소자 제작수단(130)에서 배출되는 상기 전기소자 재료액은, 예를 들어 제작하고자 하는 전기소자가 압전필름 및 전극박막을 포함하는 전기소자인 경우, 전극박막 제작을 위한 금속재료입자 및 솔벤트의 혼합액, 압전박막 제작을 위한 PVDF 용액이 될 수 있다. 물론 제작하고자 하는 전기소자의 종류에 따라 PZT 용액, PMN-PT 용액, BaTiO 용액 등이 될 수도 있는 등, 필요에 따라 상기 전기소자 재료액은 적절히 선택적으로 채용될 수 있다.

상기 전기소자 제작수단(130) 역시 3차원적으로 이동하면서 전기소자 재료액을 배출하면서 패턴선을 그림으로써(즉 패턴을 인쇄함으로써) 전기소자를 제작하도록 이루어지는데, 이 때 본 발명에서는 EHD 방식을 이용하여 패턴 인쇄가 이루어지도록 한다. 도 2는 EHD 방식의 원리를 도시한 것이다. 도전성을 가지는 재료입자 및 솔벤트의 혼합액이 수용된 상기 전기소자 제작수단(130)이 원하는 위치에 도달하면(도 2(A)), 상기 전기소자 제작수단(130) 및 상기 스테이지(110) 간에 고전압을 걸어준다(도 2(B)). 이 고전압에 의하여 도전성을 가지는 재료입자들이 노즐 배출부로 상대적으로 더 많이 끌려오게 되며, 따라서 재료입자들이 소량의 솔벤트와 함께 노즐로부터 배출된다(도 2(C)). 이 때 상기 전기소자 제작수단(130)이 이동하면서 상기 전기소재 재료액을 배출하면, 솔벤트는 매우 소량이기 때문에 공기 중으로 빠르게 증발되어 사라지고, 결국에는 재료입자들이 해당 위치에 쌓인 채 그 위치가 고정되어 전기소자 패턴선을 형성하게 된다(도 2(D). (이와 같이 도전성 재료입자 및 고전압을 이용하여 전기회로 등과 같은 패턴을 인쇄하는 방식을 EHD 방식이라고 한다.) 본 발명에서, 상기 전기소자 제작수단(130)에서 배출 형성되는 패턴선은 선폭이 수 nm ~ 수 μm 범위 내의 값을 갖도록 할 수 있다.

앞서 상기 보형물 제작수단(120)에서 설명한 바와 유사하게, 제작하고자 하는 전기소자에 따라 상기 전기소자 제작수단(130)의 개수, 각각의 노즐 직경 등은 다양하게 형성될 수 있다. 구체적인 예를 들자면, 상술한 바와 같이 제작하고자 하는 제작하고자 하는 전기소자가 압전필름 및 전극박막을 포함하는 전기소자인 경우, 하나의 전기소자 제작수단(130)에는 전극박막 제작을 위한 금속재료입자 및 솔벤트의 혼합액이 수용되도록 하고, 다른 하나의 전기소자 제작수단(130)에는 압전박막 제작을 위한 PVDF 용액이 수용되도록 할 수 있다. 다른 예를 들자면, 제작하고자 하는 전기소자가 안테나 등과 같이 정밀하고 특정한 형상을 갖는 패턴을 형성해야 하는 경우, 이러한 패턴을 그리는 데 사용될 전기소자 제작수단(130)의 노즐 직경은 작게 형성되도록 할 수 있다. 이처럼 상기 보형물 제작수단(120)과 마찬가지로, 필요에 따라 상기 전기소자 제작수단(130) 역시 단일 개가 구비될 수도 있고, 다수 개가 구비될 수도 있다.

상기 플라즈마 처리수단(140)은 보형물의 표면 상에 플라즈마 처리를 수행하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 보형물을 제작하는 과정에서 전기소자가 형성되도록 하는데, 이 때 예를 들어 보형물이 실리콘이고 이 보형물에 직접 밀접되는 전기소자 부품이 금속박막인 경우, 실리콘과 금속박막의 결합성이 좋지 않아 제작 안정성이 저하될 우려가 있다. 이 때, 상기 플라즈마 처리수단(140)을 이용하여 전기소자가 형성되기를 원하는 위치에 플라즈마 처리를 할 경우, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 해당 위치 실리콘 표면이 다른 위치보다 상대적으로 거칠어지게 된다. 여기에 금속입자들이 EHD 방식으로 놓여짐으로써 금속박막을 형성하게 하면, 거친 표면의 요철 사이사이로 금속입자들이 배치됨으로써, 실리콘 및 금속박막의 결합력이 비약적으로 향상된다.

물론 보형물이 실리콘이 아니고 금속과의 결합성이 원래 좋은 재료인 경우, 상기 플라즈마 처리수단(140)은 생략될 수도 있다. 그러나 일반적으로 의료용 보형물의 경우 그 재료로서 실리콘이 채택되는 경우가 많으므로, 상기 플라즈마 처리수단(140)이 구비되는 것이 더욱 바람직하다. 보형물 재료나 전기소자 재료에 따라 달라질 수는 있겠으나, 상술한 바와 같이 보형물 재료로서 실리콘이 채택되는 경우가 많고, 전기소자의 경우 거의 필수적으로 금속재료가 사용된다는 점을 고려할 때, 상기 플라즈마 처리수단(140)는, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역의 표면 거칠기가 수백 nm ~ 수백 μm 범위 내가 되도록 플라즈마 처리를 수행하도록 이루어지는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법의 흐름도로서, 상술한 바와 같은 장치를 이용한 본 발명의 제작방법을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 기능성 보형물의 제작방법은, 보형물 레이어 형성단계, 전기소자 형성단계, 기능성 보형물 제작단계를 포함하여 이루어진다. 더불어, 본 발명의 기능성 보형물의 제작방법은, 보형물 - 전기소자 간의 결합력을 높이기 위한 플라즈마 처리단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 4는 본 발명에 의한 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법에 따른 개략적 단계도로서, 이하에서 도 4를 참조하여 본 발명의 기능성 보형물의 제작방법을 보다 구체적으로 설명한다.

상기 보형물 레이어 형성단계에서는, 상기 보형물 제작수단(120)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 압력에 의하여 상기 스테이지(110) 상에 보형물 재료액을 배출하여, 보형물의 일부인 보형물 레이어를 형성하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 보형물 제작수단(120)에서는 보형물 재료액으로 이루어지는 스트랜드가 배출되며, 스트랜드들이 배열, 적층, 직조됨으로써 3차원 형상을 형성하여 보형물이 만들어지게 되는 것이다.

이 단계만 수행되게 하여도 기존과 같은 기능성이 없는 보형물을 만들어낼 수 있다. 그러나 본 발명에서는 보형물에 기능성을 부여하기 위하여 전기소자가 내포되게 하며, 따라서 보형물이 완전히 형성되지 않은 상태에서 이하 설명될 전기소자 형성단계를 수행한다. 도 4(A)는 한 번의 상기 보형물 레이어 형성단계가 끝난 상태를 도시하고 있는데, 제작 완료 시의 보형물 형상이 흐린 선으로 표시되어 있다. 즉 도 4(A) 시점에서는 보형물이 아직 완전히 제작된 상태가 아니며, 보형물 일부만 제작되어 있는 상태인 것이다.

상기 전기소자 형성단계에서는, 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 전압에 의하여 상기 보형물 레이어 상에 전기소자 재료액을 배출하여, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역에 전기소자를 형성하게 된다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이 보형물 - 전기소자 간의 결합력을 높이기 위하여, 상기 전기소자 형성단계 이전에 상기 플라즈마 처리단계, 즉 상기 플라즈마 처리수단(140)이 상기 이동수단(150)에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 상기 보형물 레이어 상의 선택적 일부 영역에 플라즈마 처리를 수행하는 단계가 더 이루어질 수 있다.

도 4(B)는 바로 이러한 전기소자 형성단계에 의하여 일부만 제작 완료된 보형물 상에 전기소자가 형성되어 있는 상태를 도시한 것이다. 도 4(B)의 예시에서는 전기소자가 2개 형성되어 있으므로, 도 4(B)의 상태에 도달하기 위해서는 [보형물 레이어 형성단계 - (어느 한 위치의) 전기소자 형성단계 - (나머지 다른 위치의) 전기소자 형성단계]가 순차적으로 수행되면 된다. 또는, 예를 들어 보형물이 실리콘이고 전기소자가 금속박막을 포함하는 것이어서 결합력 향상이 필요하다면, 전기소자 형성단계 이전에 플라즈마 처리단계가 수행되면 된다. 즉 [보형물 레이어 형성단계 - (어느 한 위치의) 플라즈마 처리단계 - (어느 한 위치의) 전기소자 형성단계 - (나머지 다른 위치의) 플라즈마 처리단계 - (나머지 다른 위치의) 전기소자 형성단계]가 순차적으로 수행되거나, 또는 [보형물 레이어 형성단계 - (어느 한 위치의) 플라즈마 처리단계 - (나머지 다른 위치의) 플라즈마 처리단계 - (어느 한 위치의) 전기소자 형성단계 - (나머지 다른 위치의) 전기소자 형성단계]가 순차적으로 수행되면 된다.

이처럼 상기 보형물 레이어 형성단계, 상기 플라즈마 처리단계, 또는 상기 전기소자 형성단계가 적어도 한 번 반복 수행되어, 적어도 하나의 전기소자를 내포하는 보형물이 제작되는 단계를 통털어, 기능성 보형물 제작단계로 칭한다. 그 반복 수행의 순서는, 상술한 바와 같이 한 층에 전기소자가 몇 개 배치되어야 하는가, 보형물 재료의 결합력 향상이 필요한가 등에 따라 적절하게 변경 설계될 수 있다. 플라즈마 처리단계를 생략하는 것으로 가정할 때, 도 4(C)의 상태에 도달하기 위해서는 [보형물 레이어 형성단계 - 전기소자 형성단계 - 전기소자 형성단계 - 보형물 레이어 형성단계 - 전기소자 형성단계]가 순차적으로 수행되면 되며, 마지막으로 도 4(D)의 상태 즉 제작 완료 상태에 도달하기 위해서는, [보형물 레이어 형성단계 - 전기소자 형성단계 - 전기소자 형성단계 - 보형물 레이어 형성단계 - 전기소자 형성단계 - 보형물 레이어 형성단계]가 순차적으로 수행되면 된다.

이와 같이 본 발명의 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물 제작장치 및 제작방법을 사용하면, 3D 프린팅으로 만들어지는 보형물에 기능성을 부여할 수 있게 되어, 기존에 형상을 보완하는 것으로 그쳤던 보형물의 성능을 훨씬 다양하게 확장할 수 있다. 구체적인 예로써, 귀와 청력 일부가 손실된 사람에게 귀 보형물을 이식하는 경우에 있어서, 기존에는 보형물에 별다른 기능성을 부여할 수 없었기 때문에 보형물로는 귀 형상을 보완하고, 청력 보완을 위해서는 별도의 보청기를 구비하여야 하였다. 그러나 본 발명의 방법을 이용하면, 귀 보형물에 음향을 감지하거나증폭시키는 등의 기능을 수행할 수 있는 압전필름을 포함한 전기소자가 구비되게 할 수 있다. 따라서 이러한 기능성 귀 보형물을 이식하는 것만으로도 귀 형상이 보완됨과 동시에 청력도 보완되어 별도로 보청기를 더 사용하지 않아도 되게 할 수 있는 것이다. 상술한 예시 이외에도, 본 발명의 방법을 이용하여 보형물에 전기적인 소자들을 결합시키는 것이 용이해지므로, 다양한 보형물에 대하여 다양한 기능성을 부여할 수 있어, 궁극적으로 보형물의 기능성을 훨씬 확장할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 3D 프린팅과 EHD를 결합 적용하여, 3D 프린팅으로 보형물이 제작되는 과정 중 EHD로 전기적인 소자들이 보형물 내에 형성되도록 하여, 보형물 및 전기적인 소자들의 결합이 보다 용이하고 자유롭게 이루어질 수 있게 할 수 있다. 즉 보형물 및 전기적인 소자들의 결합에 있어서, 제작 완료된 보형물에 역시 제작 완료된 전기적인 소자들을 결합해야 하는 경우 전기적인 소자들을 보형물 외부에 부착해야 한다거나, 또는 보형물을 부분적으로 파내거나 절단하는 등의 부가 작업이 필요한데, 본 발명의 경우 보형물 제작 중 전기적인 소자들이 형성되는 것이므로 이러한 부가 작업이 전혀 필요하지 않아, 제작 용이성 및 자유도가 향상되는 것이다.

한편 기존에는 보형물에 전기적인 소자들을 결합시키는 데 재질적인 문제로 인하여 결합성이 떨어지는 등의 여러 문제가 있었으나, 본 발명에서는 이러한 결합력 저하에 대비하여 플라즈마 처리단계를 수행함으로써, 예를 들어 실리콘 소재의 보형물과 금속 소재의 전극 박막, 압전필름 등과 같이 결합성이 낮은 소재들인 경우에도 높은 결합력으로 안정적인 결합을 실현할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 기능성 보형물 제작장치
110: 스테이지
120: 보형물 제작수단
130: 전기소자 제작수단
140: 플라즈마 처리수단
150: 이동수단

Claims (8)

1. 스테이지;
   보형물 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 압력에 의하여 상기 스테이지를 향해 보형물 재료액을 배출하는 적어도 하나 이상의 보형물 제작수단;
   전기소자 재료액을 수용하며, 끝단부에 노즐이 구비되고, 전압에 의하여 상기 스테이지를 향해 전기소자 재료를 배출하는 적어도 하나 이상의 전기소자 제작수단;
   상기 보형물 제작수단 및 상기 전기소자 제작수단 또는 상기 스테이지를 각각 3차원적으로 이동시키는 복수 개의 이동수단;
   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 기능성 보형물의 제작장치는
   보형물의 표면 상에 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리수단;
   을 더 포함하여 이루어지며,
   상기 이동수단은 상기 플라즈마 처리수단을 3차원적으로 더 이동시키는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작장치.
   
3. 제 1항에 의한 기능성 보형물의 제작장치를 이용하는 기능성 보형물의 제작방법에 있어서,
   상기 보형물 제작수단이 상기 이동수단에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 압력에 의하여 상기 스테이지 상에 보형물 재료액을 배출하여, 보형물의 일부인 보형물 레이어를 형성하는 보형물 레이어 형성단계;
   상기 전기소자 제작수단이 상기 이동수단에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 전압에 의하여 상기 보형물 레이어 상에 전기소자 재료액을 배출하여, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역에 전기소자를 형성하는 전기소자 형성단계;
   상기 보형물 레이어 형성단계 또는 상기 전기소자 형성단계가 적어도 한 번 반복 수행되어, 적어도 하나의 전기소자를 내포하는 보형물이 제작되는 기능성 보형물 제작단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.
   
4. 제 2항에 의한 기능성 보형물의 제작장치를 이용하는 기능성 보형물의 제작방법에 있어서,
   상기 보형물 제작수단이 상기 이동수단에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 압력에 의하여 상기 스테이지 상에 보형물 재료액을 배출하여, 보형물의 일부인 보형물 레이어를 형성하는 보형물 레이어 형성단계;
   상기 플라즈마 처리수단이 상기 이동수단에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 상기 보형물 레이어 상의 선택적 일부 영역에 플라즈마 처리를 수행하는 플라즈마 처리단계;
   상기 전기소자 제작수단이 상기 이동수단에 의하여 3차원적으로 이동되면서, 전압에 의하여 상기 보형물 레이어의 플라즈마 처리된 선택적 일부 영역 상에 전기소자 재료액을 배출하여, 상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역에 전기소자를 형성하는 전기소자 형성단계;
   상기 보형물 레이어 형성단계, 상기 플라즈마 처리단계, 또는 상기 전기소자 형성단계가 적어도 한 번 반복 수행되어, 적어도 하나의 전기소자를 내포하는 보형물이 제작되는 기능성 보형물 제작단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.
   
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 보형물 제작수단은, 직경이 수 ~ 수백 μm 범위 내의 값을 갖는 스트랜드(strand)를 배출 가능하도록 형성되며,
   상기 전기소자 제작수단은, 선폭이 수 nm ~ 수 μm 범위 내의 값을 갖는 패턴선을 배출 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.
   
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 플라즈마 처리단계에서는
   상기 보형물 레이어의 선택적 일부 영역의 표면 거칠기가 수백 nm ~ 수백 μm 범위 내가 되도록 플라즈마 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.
   
7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 보형물 재료액은
   실리콘, 폴리우레탄을 포함하는 생분해되지 않는 의료용 생체재료 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.
   
8. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 전기소자 재료액은
   전극박막 제작을 위한 금속재료입자 및 솔벤트의 혼합액, 압전박막 제작을 위한 PVDF 용액, PZT 용액, PMN-PT 용액, BaTiO 용액 중 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 EHD 및 3D 프린팅을 이용한 기능성 보형물의 제작방법.

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