KR20210151011A

KR20210151011A - 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210151011A
Application number: KR1020210125642A
Authority: KR
Inventors: 유석환
Original assignee: 주식회사 로킷헬스케어
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2021-12-13
Also published as: KR102308151B1; KR102640107B1

Abstract

본 발명은, 액체 상태의 바이오 재료를 내부에 수용하고 바이오 재료가 토출하는 노즐과 내부를 밀폐하는 시린지 어댑터를 구비한 시린지가 장착되는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치로서, 상기 시린지 내부의 압력을 감지하는 압력 센서; 상기 시린지 어댑터를 통해 상기 시린지 내부와 유체가 이동가능하게 유로로 연결되고, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하거나 진공압을 제공하여 시린지 내부의 공기압을 조절하는 전공 압력 조절부; 및 상기 압력 센서에 의해 센싱된 상기 시린지 내부의 압력 값을 수신하고, 상기 전공 압력 조절부를 제어하며, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하여 상기 노즐을 통해 바이오 재료가 출력되는 출력 모드와, 상기 시린지 내부에 진공을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하는 시린지 제어부를 포함하는 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치를 제공한다.

Description

바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치 및 방법{SYRINGE OUTPUT CONTROL DEVICE AND METHOD FOR BIO 3D PRINTER}

본 발명은 바이오 3차원 프린터에서 장착된 시린지에 공기압을 조절하여 시린지의 출력을 제어하는 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

3차원 프린팅(3D printing) 기술의 응용 및 발전 분야인 바이오 3차원 프린터은 3차원 프린트 기술을 기반으로 하여, 콜라겐과 같은 세포외기질(Extracellular Matrix: 이하 ECM) 또는 이를 모방한 바이오 잉크(bio-ink)를 세포 및 다른 바이오 재료(biomaterials)와 결합하여 원하는 형태를 만드는 기술이다. 현재 바이오 3차원 프린터는 원하는 목적과 생물학적 환경에 맞추어 다양한 방법이 개발되고 있으며, 이와 더불어 다양한 바이오 재료 역시 연구되고 있다.

바이오 3차원 프린터는 ECM 또는 바이오 잉크를 원하는 형태로 구성하고, ECM 또는 바이오 잉크에 필요한 세포를 배양하여 실제와 같은 기능을 갖는 생체 기관 또는 조직을 제작하는데 사용된다.

바이오 3차원 프린터는 바이오 잉크와 같은 바이오 재료를 출력하기 위해 시린지를 사용한다. 시린지는 의료용 주사기와 유사하게 형성되며, 내부에 바이오 재료를 수용한다. 공지의 시린지에는 상단 개구를 통해 의료용 주사기의 피스톤과 유사한 피스톤 기구가 장착되며, 모터 등을 통해 피스톤 기구의 누름량을 제어함으로써 바이오 재료의 출력이 제어된다. 그러나, 이러한 공지의 기계식 시린지는 바이오 재료의 출력을 정밀하게 제어하기 어려운 단점이 있었으며, 피스톤 기구를 누르기 위한 기계적 구성 부분에 의해 구조가 복잡해지며, 바이오 3차원 프린터에 복수의 시린지를 장착하는 데 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 바이오 3차원 프린터에서 사용되는 시린지의 출력을 공기압을 통해 제어할 수 있는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치는, 액체 상태의 바이오 재료를 내부에 수용하고 바이오 재료가 토출하는 노즐과 내부를 밀폐하는 시린지 어댑터를 구비한 시린지가 장착되는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치로서, 상기 시린지 내부의 압력을 감지하는 압력 센서; 상기 시린지 어댑터를 통해 상기 시린지 내부와 유체가 이동가능하게 유로로 연결되고, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하거나 진공압을 제공하여 시린지 내부의 공기압을 제어할 수 있는 전공 압력 조절부; 및 상기 압력 센서에 의해 센싱된 상기 시린지 내부의 압력 값을 수신하고, 상기 전공 압력 조절부를 제어하며, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하여 상기 노즐을 통해 바이오 재료가 출력되는 출력 모드와, 상기 시린지 내부에 진공을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하는 시린지 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는 상기 출력 모드로서, 설정된 토출 지속 시간동안 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 타임 출력 모드와, 설정된 패턴을 출력하도록 토출 정지 명령이 수신될 때까지 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 연속적으로 출력하는 스테디 출력 모드를 선택적으로 수행가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 상기 출력 모드의 수행 시에, 상기 압력센서의 센싱값으로부터 상기 시린지 내부의 압력변화를 검출하고, 상기 시린지 내부의 바이오 재료가 기준 재료 수위인 상태에서의 압력변화를 기준값으로 하여, 보정 압력을 산출하여 상기 시린지에 인가한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 상기 시린지 내의 바이오 재료의 기준 재료 수위에 근거해서, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과 상기 시린지 내부의 압력변화를 기준값으로 저장하고, 상기 출력 모드에서 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 시간에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값을 적분하여 적분량을 획득하고, 상기 기준값에서의 적분량과 비교하여, 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 상기 시린지 내의 바이오 재료의 기준 재료 수위에 근거해서, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과 상기 시린지 내부의 압력 변화를 기준값으로 저장하고, 상기 출력 모드에서 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 설정 시점에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값의 기울기를 산출하고, 상기 기준값에서의 압력값의 기울기와 비교하여, 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 완료 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 바이오 3차원 프린터는 선택적으로 출력이 이루어지는 복수의 시린지가 장착된 출력 모듈을 구비하고, 상기 시린지 제어부는 상기 출력모듈의 구동유닛을 제어하여, 상기 시린지를 출력이 가능한 활성 위치와 대기 상태를 유지하는 비활성 위치 사이에서 위치제어하며, 상기 비활성 위치에 있는 시린지에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는 설정된, 진공 지속시간(VAC) 및 진공 설정 압력(VAC.P)으로 누액 방지 모드를 수행하며, 상기 누액 방지 모드는 설정된 진공 간격으로 반복적으로 수행가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지에는 내부에 수용된 바이오 재료의 토출 조건과 대기모드에서의 진공 조건을 포함하여 시린지 정보가 기재된 NFC 태그가 부착되고, 상기 시린지 제어부는 상기 활성 위치에 이동한 시린지의 상기 NFC 태그로부터 NFC 리더기가 리딩한 정보를 입력받게 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 NFC 태그에는 내부에 수용된 바이오 재료의 사용 인가 여부, 생성 일자를 포함하는 바이오 재료 고유 정보가 기재되고, 상기 시린지 제어부는 상기 NFC 태그로부터 입력된 바이오 재료 고유 정보로부터 시린지의 사용 여부를 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하되, 상기 누액 방지 모드가 수행되어 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후 설정된 시간 후에 상기 압력센서로부터 센싱된 시린지 내부 압력으로부터 상기 시린지 내부의 바이오 재료 잔량을 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하되, 상기 누액 방지 모드가 수행되어 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후 설정된 시간 후에 상기 압력센서로부터 센싱된 시린지 내부의 진공압이 설정 값 이하이고, 보정 압력과 토출 설정 압력의 차이가 설정된 차이 값 이상인 경우 바이오 재료 충진 시기를 알리는 알람을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 공기 압축기; 상기 공기 압축기로부터 제공된 압축 공기를 팽창하여 저장하는 팽창탱크; 상기 팽창탱크로부터 제공된 압축 공기로부터 수분을 제거하는 워터 세퍼레이터; 및 상기 워터 세퍼레이터를 경유한 압축 공기를 필터링하는 적어도 하나의 필터를 포함하는 공기 공급부가 상기 바이오 3차원 프린터에 설치되고, 상기 전공 압력 조절부는 상기 공기 공급부로부터 압축 공기를 제공받는다.

본 발명의 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법은, 액체 상태의 바이오 재료를 내부에 수용하고 바이오 재료가 토출하는 노즐과 내부를 밀폐하는 시린지 어댑터를 구비한 시린지가 시린지 홀더에 장착되며, 상기 시린지 내부의 압력을 감지하는 압력 센서; 및 상기 시린지 어댑터를 통해 상기 시린지 내부와 유체가 이동가능하게 유로로 연결되고, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하거나 진공압을 제공하여 시린지 내부의 공기압을 조절하는 전공 압력 조절부를 구비한, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법으로서, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하여 상기 시린지의 노즐을 통해 바이오 재료를 출력하는 출력 모드 단계; 및 상기 출력 모드 수행 단계 후에 수행되는, 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)을 인가하는 누액 방지 모드 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 출력 모드 단계는, 토출 설정 압력에 따라 토출 채널 압력을 설정하고 토출 채널을 개방하는 단계; 출력 모드를 체크하는 단계; 출력 모드에 따라 설정된 토출 시간 동안 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 타임 출력 모드 또는 설정된 패턴을 출력하도록 토출 설정 압력으로 연속적으로 바이오 재료를 출력하는 스테디 출력 모드를 선택적으로 수행하는 단계; 및 타임 출력 모드에서 설정된 토출 지속 시간이 경과하거나, 스테디 출력 모드에서 토출 정지 명령이 입력되면, 노출 채널을 차단하여 출력 모드를 종료하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 타임 출력 모드 또는 상기 스테디 출력 모드의 수행 시에, 장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 최초로 수행되는 경우에, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과, 상기 압력 인가 시점으로부터 상기 시작 시점 사이의 상기 시린지 내부의 압력변화를 기준값으로 저장하며, 장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 추가로 수행되는 경우에, 상기 압력센서의 센싱값으로부터 상기 시린지 내부의 압력변화를 검출하고, 상기 기준값에서의 압력변화와 비교하여 보정 압력을 산출하여 상기 시린지에 인가한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 타임 출력 모드 수행 시의 보정 압력 산출은, 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 시간에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값을 적분하여 적분량을 획득하고, 상기 기준값에서의 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 압력값 적분량과 비교하여, 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스테디 출력 모드 수행 시의 보정 압력 산출은, 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 설정 시점에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값의 기울기를 산출하고, 상기 기준값에서의 압력값의 기울기와 비교하여, 상기 시작 시점에서 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 바이오 3차원 프린터는 선택적으로 출력이 이루어지는 복수의 시린지가 장착된 출력 모듈을 구비하고, 상기 시린지는 출력이 가능한 활성 위치와 대기 상태를 유지하는 비활성 위치 사이에서 위치제어되며, 상기 활성 위치에 있는 시린지에는 상기 출력 모드 단계와, 상기 누액 방지 모드가 순차적으로 진행되며, 상기 비활성 위치에 있는 시린지에는 설정된, 진공 지속시간(VAC) 및 진공 설정 압력(VAC.P)으로 누액 방지 모드가 수행되되, 비활성 위치에 있는 시린지를 위한 누액 방지 모드는 설정된 진공 간격으로 반복적으로 수행된다.

본 발명에 따르면, 바이오 3차원 프린터에 적용된 시린지에 공기압을 제공하여, 시린지에 수용된 바이오 재료가 토출되도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 바이오 3차원 프린터에 적용된 시린지에 제공되는 공기압을 시린지 내의 바이오 재료의 수위에 맞추어 보정함으로써, 바이오 재료의 토출을 균일하게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 시린지로부터 바이오 재료가 누액되는 것을 방지할 수 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 시린지 출력 제어장치가 구현된 바이오 3차원 프린터의 전방 사시도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 바이오 3차원 프린터의 후방 사시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 홀더 사시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 제2 출력 모듈을 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터에서 시린지에 구비된 NFC 태그와 프린터 챔버 내부에 구비된 NFC 리더기의 배치를 보여주는 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 7 은 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치와 관련하여 시린지 내부에 잔존하는 바이오 재료의 양과 토출 설정 압력과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 는 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력제어장치의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결(결합, 고정)되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결(결합, 고정)되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 간접적으로 연결(결합, 고정)되어 있는 경우도 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 시린지가 사용되는 바이오 3차원 프린터를 도시한 도면들이다.

도 1 및 도 2 를 참조하면, 바이오 3차원 프린터는 하우징 내에서 프린팅 챔버(1)를 포함하고, 프린팅 챔버(1)에는 출력용 플레이트(2), 제1 출력모듈(3) 및/또는 제2 출력모듈(4)를 포함한다.

프린팅 챔버(1)는 내부가 외부로부터 밀폐가능하게 형성되어 챔버 도어(1a)에 의해 개폐가능하게 형성된다.

출력용 플레이트(2)는 프린팅 챔버(1)의 바닥면 상에 이동 가능하게 배치된다. 출력용 플레이트(2)의 상부에는 시료 용기가 배치되며, 바이오 3차원 프린터의 출력모듈에서 토출된 바이오 재료가 시료 용기에 적층된다.

프린팅 챔버(1)의 바닥면에는 개구가 형성되고, 상기 개구에는 벨로우즈(1b)가 구비된다. 벨로우즈(1b)에는 출력용 플레이트(2)를 프린팅 챔버(1)의 하측 공간(6)에 설치된 이동유닛과 연결하기 홀이 구비되고, 홀을 통해 이동유닛에 의해 지지되게 출력용 플레이트(2)가 설치된다. 출력용 플레이트(2)는 하부 부분이 벨로우즈(1b)에 의해 감싸진다. 따라서 출력용 플레이트(2)의 이동에도 불구하고 프린팅 챔버(1) 내부와 프린팅 챔버(1)의 하측 공간(6) 사이의 공기 유동은 차단되고, 이를 통해 프린팅 챔버(1) 내부의 밀폐가 가능하게 형성된다. 도 1 은 출력용 플레이트(2)의 설치 구조를 보여주기 위하여 벨로우즈(1b)의 홀로부터 출력용 플레이트(2)를 분리하여 도시하고 있다.

제1 출력모듈(3)은 스캐폴드, 약제 구조물, 틀 구조물 등의 구조물을 형성하기 위한 고체 상태의 바이오 재료를 토출하기 위해 제공될 수 있다. 예컨대, 제1 출력모듈(3)로는 필라멘트를 출력하는 익스트루더 모듈, 약제 또는 과립 형태의 폴리머 소재를 내부에 담아놓고 고열로 멜팅하여 공압으로 출력하는 멜팅 고압 사출기인 핫멜팅 모듈 등이 채택될 수 있다. 한편 고체 상태의 바이오 재료는 경화 상태에서 고체 상태를 유지하는 재료를 의미하며, 바이오 재료는 바이오 관련 출력물에 사용될 수 있는 다양한 재료를 포함하며 특정한 소재로 한정되지는 않는다. 그러나 제1 출력모듈(3)이 고체 상태의 바이오 재료를 토출하는 것에 제한되지 않는다. 예컨대, 제1 출력모듈(3)이 액체 상태의 바이오 재료를 출력할 수 있다. 이 경우 제1 출력모듈(3)에는 시린지가 구비된 시린지 모듈이 설치될 수 있다.

제2 출력모듈(4)은 제1 출력모듈(3)의 일측으로 배치된다, 제2 출력모듈(4)은 유체 상태의 바이오 재료를 토출하기 위해 제공된다. 제2 출력모듈(4)에는 바이오 재료가 담긴 시린지(10)가 장착된다. 도면에 도시된 바이오 3차원 프린터의 실시예는 복수의 시린지(10)가 장착된 예를 도시하고 있다. 복수의 시린지들(10)은 각각 서로 다른 바이오 재료를 수납할 수 있으며, 선택적으로 설정된 순서대로 바이오 재료를 토출할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고, 제2 출력모듈(4)은 하나의 시린지가 장착된 형태로 구성될 수 있다.

각 출력모듈은 이동유닛에 의해 이동가능하게 배치된다. 출력용 플레이트(2) 및 각 출력모듈(3, 4)이 움직이면서 3차원 입체적 형상의 구조물을 형성할 수 있다.

바이오 3차원 프린터는 시린지에 압축공기를 공급하는 압축공기 공급부를 구비한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 압축공기 공급부는 바이오 3차원 프린터의 구성 부품을 이루면서 바이오 3차원 프린터에 결합된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 압축공기 공급부의 전체 또는 일부가 바이오 3차원 프리터와 분리되어 별개로 형성되고, 바이오 3차원 프린터와 연결되는 것을 제외하지 않는다. 유리하게는 압축공기 공급부는 바이오 3차원 프린터와 일체화됨으로써 운반 및 운전의 용이성 등을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터는 압축공기 공급부가 컴팩트한 구성으로 바이오 3차원 프린터에 일체화되는 것을 가능하게 한다.

압축공기 공급부는 프린터 챔버(1)의 하측 공간(6)에 설치된 공기압축기(105)를 포함한다. 프린터 챔버(1)의 하측 공간(6)에는 출력용 플레이트(2)를 이동가능하게 지지하는 이동유닛들이 함께 설치된다. 공기 압축기(105)는 진동 방지 구조로 설치된다. 구체적으로 공기압축기(105)는 베이스 플레이트(8)에 고정되고, 베이스 플레이트(8)는 복수의 스프링 댐퍼(7)에 의해 바닥면에 고정된 브라켓(9)에 지지된다. 따라서 공기 압축기(105)의 운전에 의해 발생하는 진동이 바이오 3차원 프린트의 다른 부분으로 전달되는 것을 방지한다.

압축공기 공급부는 프린터 챔버(1)의 후측으로 설치된 팽창탱크(110), 워터 세퍼레이터(120) 및 필터들(131, 132, 133)을 포함한다. 도면에 도시되어 있지 않지만 이들이 공기관과 같은 유로를 통해 서로 연결됨은 자명하다.

팽창탱크(110)는 길이방향으로 연장된 실린더 형상을 가지며, 수직 방향으로 설치된다. 이를 통해 공간을 최소화하면서 프린터 챔버(1)의 후측으로 설치될 수 있다. 팽창탱크(110)는 공기압축기(105)에서 생성된 압축 공기를 받아 저장한다.

팽창탱크(110)는 워터 세퍼레이터(120)에 연결되어, 팽창탱크(110)로부터 제공되는 공기 중의 수분을 제거할 수 있게 구성된다. 워터 세퍼레이터(120)를 통과한 공기는 필터(131, 132, 133)를 통과한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 필터들은, 제1 내지 제3 필터(131, 132, 133)를 포함하며, 순차적으로 통과하면서 공기가 정화되어 요구되는 공기 질의 압축 공기가 생산될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 제1 필터(131)로는 5 um필터, 제2 필터(132)로는 0.5um, 제 3 필터(133)로는 0.01um의 필터가 사용되어 공기 질이 향상되도록 한다. 상기한 필터 배치로 인해, 압축 공기 중의 오일, 물, 먼지를 효과적으로 제거할 수 있다.

압축공기 공급부는 시린지에 공급될, 수분이 제거되고 필터링된 압축 공기를 생산한다. 제1 내지 제3 공기필터(131, 132, 133)를 통과한 정화된 공기는 유로를 통해 압축공기 분배기(200)로 유입된다.

압축공기 분배기(200)는 압축공기 공급부에서 생산된 압축 공기가 인입되는 에어 인렛(202)과 압축공기가 각 시린지로 공급되는 에어 아웃렛(204)이 구비된다. 에어 아웃렛(204)는 복수의 시린지 각각에 대응하도록 복수개가 구비되어 시린지 어댑터(12) 각각과 공기관과 같은 유로로 연결된다. 에어 아웃렛(204)는 각 시린지와 연결되어 압축 공기의 공급 채널을 형성한다.

압축공기 분배기(200) 내부에는 전공 레귤레이터(230) 및 전자밸브(240)를 포함하는 압력조절부(220)가 설치된다.

도 3 는 시린지를 지지하는 시린지 홀더(20)를 도시하고 있다. 시린지 홀더(20)는 도 1 및 도 2 에 도시된 바이오 3 차원프린터에서 제2 출력모듈에 장착된다.

시린지 홀더(20)는 힌지 타입으로 개폐 가능하게 구성되며, 시린지(10)가 장착된다. 시린지 홀더(20)는 온도센서, 히터 및 냉각부를 구비하여 시린지의 온도를 제어할 수 있게 구성된다. 시린지 홀더(20)의 온도센서, 히터 및 냉각부는 시린지 제어부(250)에 연결되어 제어될 수 있다.

시린지(10)는 내부에 바이오 재료를 수용하고, 일측 개구에 마개인 시린지 어댑터(12)를 구비한다. 시린지 어댑터(12)는 시린지(10) 내부를 밀봉하며, 시린지 내부에 공기압이 작용할 수 있게 한다. 시린지(10) 단부에는 노즐(11)이 구비되어 시린지(10) 내부의 바이오 재료가 시린지 내부에 인가되는 공기압에 의해 노즐(11)로 토출될 수 있다. 시린지 어댑터(12)에는 시린지(10) 내부에 공기를 공급하기 위한 공기관과 같은 유로가 연결된다. 공기관은 압축공기 분배기(200)의 에어 아웃렛(204)에 연결된다. 바이오 재료의 토출 시 압축 공기는 시린지 어댑터(7)를 통하여 시린지(10) 내부로 유입되어 바이오 재료의 토출을 위한 공기압을 형성한다.

도 4 는 도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에 의하면 제2 출력모듈(4)의 사시도이다.

도 4 에서 보이는 바와 같이, 제2 출력모듈(4)은 복수의 시린지 홀더(20)를 구비하고, 시린지 홀더(20) 각각에는 시린지(10)가 장착된다. 제2 출력모듈(4)은 구동 유닛(5)에 의해 회전가능하게 형성된다. 따라서 제2 출력모듈(4) 중의 어느 하나의 시린지는 활성 위치(이점 쇄선으로 표시)에 배치되고, 나머지 시린지(10)는 비활성 위치에 배치되는 것이 가능하다. 활성 위치는 시린지(10)를 통해 바이오 재료의 출력이 이루어질 수 있는 위치이다. 비활성 위치는 시린지(10)가 대기 상태를 유지하는 위치이다. 활성 위치에서도 시린지(10)는 대기 상태와 디스펜싱 위치를 가질 수 있으며, 디스펜싱 위치는 대기 상태의 위치로부터 시린지가 하강하여 실제로 출력이 이루어지는 위치이다. 이를 통해 출력 시에 비활성 위치에 있는 다른 시린지와의 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

시린지 제어부(250)는 출력모듈에서의 각 시린지(10)의 위치 및 출력을 제어한다. 이에 관해서는 후술한다.

도 5는 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터에서 NFC 태그 및 NFC 리더기를 통한 시린지의 정보 전달 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 5 를 참조하면, 각각의 시린지(10)에는 시린지(10) 내에 담긴 바이오 재료의 정보가 기재된 NFC 태그(14)가 부착될 수 있다. 프린터 챔버 내부에는 활성 위치에 있는 시린지에 부착된 NFC 태그(14)의 정보를 리딩할 수 있는 NFC 리더기(41)가 구비된다. NFC 리더기(41)는 프린터 챔버 내부에 위치한 센터 모듈(50)의 측면으로 구비될 수 있다.

NFC 태그(14)에는, 시린지(10)의 사용 인가 여부, 생성 일자, 시린지의 토출 높이, 토출 조건, 진공 조건, 토출 온도 세팅값/PID 컨트롤값, 유효 사용 시간 등의 정보가 기재될 수 있다. 사용 인가 여부 정보는 바이오 잉크가 사용 인가된 제품에 관한 정보이다. 생성 일자는 바이오 잉크가 생성된 일자에 관한 정보이다. 시린지 토출 높이는 바이오 잉크가 시린지 노즐로부터 출력될 때의 기준 높이에 관한 정보이다. 토출 온도 세팅값/PID 컨트롤 값은 바이오 잉크의 토출 온도 및 컨트롤에 관한 정보이다. 유효 사용 시간은 바이오 잉크가 사용 시작 시점으로부터 유효하게 사용할 수 있는 시간에 관한 정보이다.

NFC 리더기(41)는 활성 위치에 있는 시린지 즉, 활성 시린지로부터 NFC 태그(14)에 기재된 정보를 리딩하고, 리딩된 정보는 시린지 제어부(250)에 입력된다.

도 6은 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치의 구성도이다. 도 6은 3개의 시린지 만을 예시적으로 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않고 추가의 시린지가 더 연결될 수 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터는 5개의 시린지가 장착된다.

시린지 출력 제어 장치는, 압력 센서(210), 압력조절부(220), 시린지 제어부(250)를 포함한다.

압력 센서(210)는 각 시린지(10)의 내부 압력을 센싱하기 위해 제공된다. 압력 센서(210)는 각 시린지에 대응되는 전자밸브(240)와 시린지 어댑터(12) 사이의 공기 유로 상에 배치될 수 있다. 시린지(10) 내부와 전자밸브(240) 사이의 유로는 항상 개방 상태로 연결되므로, 유로 내부의 압력 측정을 통해 시린지(10)의 내부 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서(210)는 시린지(10) 내부의 압력을 항상 측정할 수 있는 다양한 위치에 설치될 수 있다.

전공 압력 조절부(220)는 전공 레귤레이터(230) 및 전자밸브(240)를 포함한다. 전공 압력 조절부(220)는 압축공기 분배기(200) 내부에 설치된다. 그리고 전자밸브(240) 각각이 압력 분배기(200)의 에어 아웃렛(204)에 대응된다. 따라서 전자밸브(240)는 각 시린지(10)에 대응된다. 전자밸브(230)는 시린지(10)로의 공기 유출입을 단속하고 진공을 제어하기 위해 사용된다.

전공 레귤레이터(230)는 에어 압력이나 공기량을 전기신호에 기초하여 제어한다. 본 발명에서 에어 압력과 공기량은 서로 대응된다. 시린지(10) 내부는 바이오 재료가 담긴 밀폐된 공간을 형성하므로 공기량을 증가시키면 에어 압력이 증가하며, 공기를 배기하면 진공압이 형성된다. 도 6 에는 하나의 전공 레귤레이터(230)가 복수의 전자밸브(240)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다. 복수의 전공 레귤레이터(230)가 구비될 수 있다. 전공 레귤레이터(230)는 전자밸브(240)에 연결되어 제어된 공기압을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면 전공 레귤레이터(230)는 유입되는 압축공기를 이용하여 압력 강화를 발생시키고, 이를 통해 진공압을 형성할 수 있게 형성된다. 이를 통해 전공 레귤레이터(230)는 각 시린지(10)에 제공되는 압축공기를 제공하거나 진공압을 인가하게 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 전공 압력 조절부(220)는 압축공기를 제공하고 및 진공압을 인가하기 위해 다양한 구성을 추가적으로 구비할 수 있다.

시린지 제어부(250)는 압력센서(210)를 통해 센싱된 시린지 내부의 압력값을 입력 받으며, 전공 압력 조절부(220)를 통해 시린지 내부의 압력을 제어하고, 이를 통해 출력을 제어할 수 있다.

또한, 시린지 제어부(250)는 각 시린지 홀더(20)의 동작을 제어할 수 있다 온도센서의 센싱값과 NFC 리더기(41)를 통해 입력된 시린지의 토출 온도/PID 값 정보를 이용하여 시린지 홀더(20)에 구비된 히터 및 냉각부를 제어한다. 또한, 시린지 홀더(20)가 장착된 출력모듈의 구동유닛을 제어하여 시린지 홀더(20)의 위치 및 이동을 제어할 수 있다.

시린지 제어부(250)는 바이오 프린터의 메인 제어부(미도시) 및/또는 유/무선으로 연결된 인터페이스를 통해 각 시린지(10)에 관한 설정 정보를 입력받는다. 또한 시린지 제어부(250)는 메인 제어부일 수 있다. 본 명세서에서 시린지 제어부(250)는 시린지의 출력하는 제어하는 제어부를 지칭하며 다양한 형식으로 구현될 수 있다.

또한 시린지 제어부(250)는 NFC 리더기(41)로부터 활성 위치에 있는 시린지(10)의 NFC 태그(14) 정보를 입력받는다.

상술한 바와 같이 시린지(10)의 NFC 태그(14)에는, 시린지(10)의 사용 인가 여부, 생성 일자, 시린지의 토출 높이, 토출 조건, 진공 조건, 토출 온도 세팅값/PID 컨트롤값, 유효 사용 시간 등의 정보가 기재되며, 시린지 제어부(250)는 NFC 리더기(41)를 통해 활성 위치에 있는 시린지(10)의 태그(14) 정보를 입력받는다.

시린지 제어부(250)는 NFC 태그(14)로부터 입력된 정보 중 외부로부터 설정된 입력 정보에 포함되지 않고 NFC 태그(14)에만 기재된 바이오 재료 고유 정보로부터 시린지의 사용 가능 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, NFC 태그(14)에 기재된 사용 인가 여부 정보로부터 활성 위치에 있는 시린지에 담긴 바이오 재료가 사용 인가가 되지 않은 것이라면 해당 정보를 사용자 인터페이스에 송신하고 출력을 수행하지 않을 수 있다.

또한, 시린지 제어부(250)는 NFC 태그(14)로부터 리딩된 정보 중에서 인터페이스를 통해 외부로부터 입력된 정보와 공통되는 항목 정보를 비교하여 시린지의 장착이 올바른지 여부를 확인할 수 있다.

사용자가 인터페이스 등을 통해 입력한 출력 조건 또는 진공 조건 정보와 NFC 태그에 기재된 출력조건 및 진공조건과 불일치하는 경우 시린지 제어부(250)는 에러 정보를 사용자 인터페이스를 송신하고 대기한다. 바이오 3차원 프린터의 복수의 시린지 홀더를 구비한 경우에, 사용자가 시린지의 장착 순서를 혼동하더라도 시린지 제어부(250)가 이를 확인하므로, 잘못된 출력을 방지할 수 있다.

한편, 시린지 제어부(250)는 인터페이스를 통해 입력된 정보에 우선 순위를 두고 출력이 제어되도록 설정될 수 있다. 이 경우 NFC 태그를 통해 리딩된 정보는 보조 정보로서 활용될 수 있다.

시린지 제어부(250)는 복수의 시린지가 장착된 출력모듈의 구동유닛(5)을 제어하여, 시린지를 출력이 가능한 활성 위치와 대기 상태를 유지하는 비활성 위치 사이에서 위치제어하며, 활성 위치에서 시린지의 출력을 제어한다. 시린지의 출력 모드는 타임 출력 모드와 스테디 출력 모드로 제어될 수 있다.

타임 출력 모드는 바이오 재료가 정해진 설정 시간 동안만 출력되는 모드이다. 예컨대, 셀 분리 카트리지(cell sorting cartridge)의 마이크로 웰(well)에 세포 용액를 주입하는 경우에 사용될 수 있다.

스테디 출력 모드는 바이오 재료가 설정된 패턴을 형성하도록 설정된 패턴에 맞추어 지속적으로 출력하는 모드이다.

시린지 제어부(250)는 시린지(10)의 누액을 방지하기 위해 시린지에 진공을 인가할 수 있다. 시린지(10)는 유체 상태의 바이오 재료를 담고 있기 때문에 누액이 발생할 수 있다. 본 발명은 시린지로부터 유체 상태의 바이오 재료가 원하지 않은 시점에서 흘러내리는 누액을 방지하기 위하여 누액 방지 모드를 실행할 수 있다.

시린지 제어부(250)는 각 시린지에 대하여 바이오 재료의 특성에 맞게, 토출 조건과 진공 조건을 입력받는다. 토출 조건은 토출 지속시간(SHOT)과, 토출 설정 압력(SET.P)을 포함하며, 진공 조건은, 진공 지속시간(VAC), 진공 간격(INT), 진공 설정 압력(VAC.P)를 포함한다.

토출 지속시간(SHOT)은 시린지가 타임모드로 출력할 때 토출이 지속되는 시간이다. 그리고 토출 설정 압력(SET.P)은 시린지에서 바이오 재료가 출력될 때의 설정 압력이다. 시린지(10) 내부의 바이오 재료는 토출 설정 압력으로 노즐을 통해 출력되도록 제어된다.

진공 지속시간(VAC)은 진공압이 인가되는 지속시간이다. 진공 간격(INS)은 진공이 인가되는 시간의 간격이다. 진공 설정 압력(VAC.P)은 진공이 인가될 때의 설정압력이다.

진공은 누액 방지 모드에서 인가되며, 누액 방지 모드는 시린지로부터 바이오 재료가 출력되는 출력모드의 수행 후 그리고 시린지가 비활성 위치에서 대기모드에 있을 때 실행된다.

시린지 제어부(250)는 각 출력모드에서 시린지 내부에 잔존하는 바이오 재료의 양에 따른 압력 보정을 수행할 수 있다. 이를 위해 보정 압력을 산출할 수 있다.

상술한 바와 같이, 시린지(10) 내부에 설정된 토출 설정 압력이 작용하는 상태로 바이오 재료가 토출되게 제어된다. 그러나, 도 7 에서 보이는 바와 같이, 시린지(10) 내부에 잔존하는 바이오 재료의 양에 따라 토출 설정 압력에 도달하는 시간 및 토출이 시작되는 시작 시점이 변경된다. 도 7 은 시린지 내부의 바이오 재료의 수위(또는 양)와 시린지 내부의 압력 관계를 설명하기 위한 도면이다.

시린지 내부에 100% 재료 수위로 바이오 재료가 담겨 있다고 가정하면 예컨대 전자밸브가 개방되는 압력 인가 시점에서 토출 설정 압력에 해당하는 공기압이 인가되기 시작하면 소정의 지연 시간 후의 시작 시점에 시린지 내부가 토출 설정 압력에 도달하고, 시린지 내부의 바이오 재료가 토출된다.

그러나 시린지 내부에 50% 재료 수위로 바이오 재료가 잔존하고 있다고 가정하면, 예컨대, 전자 밸브가 개방되는 압력 인가 시점에서 토출 설정 압력에 해당하는 공기압이 인가되기 시작하더라도, 공기압은 바이오 재료가 배출되면서 형성된 50%의 재료 수위에 해당하는 공간을 채우면서 바이오 재료에 작용하기 때문에, 토출 설정 압력에 도달하는데 소요되는 시간이 증가된다. 즉, 시린지(10) 내부에서 바이오 재료가 차지하는 수위 즉, 바이오 재료의 양이 감소될수록, 공기가 차지하는 시린지(10) 내부의 공간이 커지므로 토출 설정 압력에 도달하는데 소요되는 시간이 증가된다

본 발명의 실시예에 의하면 시린지 제어부(250)는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 타임 출력 모드와 스테디 출력 모드 각각에 상이한 방식으로 압력 보정을 수행한다.

타임 출력 모드에서 압력 보정 방법에 대해 설명한다.

바이오 재료의 수위가 100% 인 기준 재료 수위의 경우에서는, 시린지 제어부(250)가 해당 시린지(10)내의 바이오 재료의 출력을 개시하면, 밸브가 개방되어 압력이 제공되기 시작한 압력 인가 시점으로부터 소정의 지연시간(예컨대, 5 ~ 10msec) 후의 시작 시점에서 압력 센서에 의해 측정되는 시린지 내부의 압력이 토출 설정 압력에 도달하면서 바이오 재료의 출력이 시작된다.

재료 수위가 100% 일때 시린지 내부의 압력이 토출 설정 압력에 도달하는 시점을 시작 시점으로 지칭한다. 기준 재료 수위 및 재료 수위가 100% 인 경우는 해당 시린지가 시린지 홀더에 장착되어 출력이 최초로 수행될 때의 재료 수위를 의미한다. 시린지 제어부(250)는 해당 시린지에서 처음으로 출력이 이루어질 때의 시작 시점 및 압력 변화를 기준값으로 저장한다.

이후, 해당 시린지가 다시 사용되어, 타임 출력 모드로 바이오 재료의 출력이 추가로 이루어지면, 시린지 제어부(250)는 압력 인가 시점과 시작 시점 사이의 시간에서 압력센서에 의해 센싱되는 압력값을 적분하여 적분량을 획득한다. 그리고 기준값에서의 압력 인가 시점과 시작 시점 사이의 압력값 적분량과 비교하여 줄어든 적분량만큼을 보정 압력으로 산출하여 인가함으로써 토출 설정 압력에 도달하도록 보정한다. 이러한 압력 보정은, 타임 출력 모드에서 바이오 재료를 토출할 때마다 수행된다.

타임 출력 모드에서는 정해진 토출 지속시간(SHOT)만큼 토출이 수행된다. 토출된 완료되면, 누액 방지 모드가 수행되어 진공이 인가된다. 누액 방지 모드에서 아래에서 보다 상세하게 설명한다.

스테디 출력 모드에서 압력 보정 방법에 대해 설명한다.

스테디 출력 모드의 압력 보정 방법에서 설명한 바와 같이, 시린지 제어부(250)는, 시린지 제어부(250)는 해당 시린지가 시린지 홀더에 장착된 후 최초로 출력이 이루어질 때, 즉, 해당 시린지가 100% 재료 수위에서의 시작 시점 및 압력 변화를 기준값으로 저장한다.

이후, 해당 시린지가 다시 사용되어 스테디 출력 모드로 바이오 재료의 출력이 추가로 이루어지면, 시린지 제어부(250)는 압력 인가 시점과 시작 시점 사이에서 선택된 설정 시점에서 압력센서에 의해 측정되는 압력값의 기울기를 산출하고, 기준값에서 상기 설정 시점에서의 압력값의 기울기와 비교하여 시작 시점에서 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출하고, 보정압력을 인가함으로써, 시작 시점에 신속하게 토출 설정 압력에 도달하도록 보정한다.

이후 시린지 제어부(250)는 시린지 내부의 압력을 토출 설정 압력에 맞추어 조정하면서 출력을 지속한다. 이러한 압력 보정은 스테디 출력 모드에서 바이오 재료를 토출할 때 마다 수행된다. 스테디 출력 모드에서 정해진 패턴 그리기가 완료되면, 누액 방지 모드가 수행되어 진공이 인가된다.

타임 출력 모드는 토출 설정 압력으로 정해진 토출 지속시간(SHOT) 동안 바이오 재료가 출력되도록 함으로써 정량 토출을 달성한다.

스테디 출력 모드는 일정한 시작 시점에서 바이오 재료가 출력되도록 함으로써 패턴 그리기의 초기에 바이오 재료가 출력되지 않는 것을 방지한다. 즉, 정시 토출을 달성한다.

본 발명의 실시예에 의하면 시린지 제어부(250)는 누액 방지 모드를 수행한다

누액 방지 모드의 수행을 위해 시린지 제어부(250)는 각 시린지에 대하여 상술한 진공 지속시간(VAC), 진공 간격(INT), 진공 설정 압력(VAC.P) 정보를 입력받는다.

누액 방지 모드가 시작되면, 시린지 제어부(250)는 진공 설정 압력(VAC.P)을 진공 지속시간(VAC)으로 인가한다. 진공 설정 압력 및 진공 지속시간은 시린지 노즐 내에서 바이오 재료가 매니스커스 커브를 형성하도록 설정될 수 있다. 진공은 진공 간격(INT)으로 반복적으로 인가된다. 진공 간격은 시린지 노즐내에서 바이오 재료가 매니스커스 커브가 파괴되는 시간을 기준으로 설정될 수 있다. 상술한 바와 같이 진공 지속시간(VAC), 진공 간격(INT), 진공 설정 압력(VAC.P)는 시린지에 수용되는 바이오 재료의 맞추어 설정된다.

본 발명의 실시예에 의하면 시린지 제어부(250)는 활성 위치에서 시린지의 출력 모드가 수행된 후와 비활성 위치에서 대기 상태에 있는 시린지에 대하여 누액 방지 모드를 수행한다

시린지의 출력 모드가 수행되고 나면, 시린지 제어부(250)는 해당 시린지에 대하여 진공 지속시간(VAC)의 시작여부를 판단하고, 진공 지속시간(VAC)의 시작이 필요한 경우 즉, 진공 인가가 필요한 경우 전자밸브를 통해 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)으로 진공을 인가한다. 진공 지속 시간이 완료되면, 전자밸브가 닫히고, 진공 간격(INT) 후에 다시 진공이 인가된다. 시린지의 활성 위치에서 출력이 이루지지 않고 대기 상태를 지속하는 경우 누액 방지 모드가 지속적으로 수행된다.

한편, 시린지 제어부는 시린지가 비활성 위치 위치한 경우 누액 방지 모드를 수행한다. 시린지 제어부(250)는 비활성 위치에서 있는 해당 시린지에 대하여 진공 지속시간(VAC)의 시작여부를 판단하고, 진공 지속시간(VAC)의 시작이 필요한 경우 즉, 진공 인가가 필요한 경우 전자밸브를 통해 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)으로 진공을 인가한다. 진공 지속 시간이 완료되면, 전자밸브가 닫히고, 진공 간격(INT) 후에 다시 진공이 인가된다. 시린지의 활성 위치로 이동하여 토출 명령이 입력되기 전 까지 누액 방지 모드가 지속적으로 수행된다.

진공 지속시간(VAC)의 시작여부를 판단은, 시린지 내의 바이오 재료의 잔량이 없는 경우, 시린지에 바이오 재료 특성을 고려할 때 누액 방지 모드가 불필요하여 진공 지속시간(VAC) 등의 진공 조건이 설정되어 있지 않은 경우를 고려하여 판단한다. 이러한 상태를 진공 지속 시간이 0인 상태로 지칭한다.

본 발명에 실시예에 의하면, 시린지 제어부(250)는 시린지 내의 바이오 재료의 잔량을 감지할 수 있다.

누액 방지 모드가 수행되어 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후 설정된 시간(예컨대, 5 sec) 안에 시린지 내부의 압력이 대기압에 도달하면, 시린지에는 바이오 재료의 잔량이 없는 것으로 인식한다.

한편, 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후에 설정된 시간 후의 압력이 진공 설정 압력(VAC.P)이 유지되는 경우 바이오 재료의 잔량이 100%로 인식할 수 있다.

한편, 압력 보정에서 보정 압력값을 토출 설정압력과 대비할 때, 압력의 차이가 설정된 차이값 이상이고, 누액 방지 모드로서 진공을 인가한 후 설정된 시간 후에 압력센서에 의해 센싱된 시린지 내부의 진공압이 설정값 이하에서 유지되면, 알림을 발생하여 바이오 재료를 충진시기를 알려준다. 알림은 사용자가 인지할 수 있는 다양한 형태로 표시할 수 있다.

도 8 은 본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명에 따른 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어 방법에 의하면, 먼저, 채널별 토출 조건을 세팅하는 채널별 토출조건 세팅 단계가 수행된다(S10). 사용자는 바이오 3차원 프린터의 각 시린지 홀더에 시린지를 장착한 후, 메인 제어부 또는 다양한 인터페이스를 통해 채널 별 토출 조건을 포함하여 바이오 3차원 프린터에 의한 동작을 다양한 정보를 입력한다. 이후 사용자는 바이오 3차원 프린터를 동작 온 시키고, 프로그랭된 순서에 따라 바이오 3차원 프린터의 동작이 수행된다.

바이오 3차워 프린터의 동작이 온 되면, 시린지 제어부(250)는 메인 제어부로부터 시린지의 토출 명령을 대기한다(S20).

이때 시린지 제어부(250)는 활성 위치에 있는 시린지의 NFC 태그(14)로부터 입력된 정보와 메인 제어부로부터 입력된 정보를 비교하고 세팅 조건을 검증할 수 있다. 즉, 사용자가 인터페이스 등을 통해 입력한 출력 조건 또는 진공 조건 정보와 NFC 태그에 기재된 출력조건 및 진공조건과 불일치하는 경우 시린지 제어부(250)는 에러 정보를 사용자 인터페이스, 메인 제어부 등에 송신할 수 있다. 또한, 시린지가 출력될 없는 조건, 예컨대, 사용인가가 되지 않는 시린지인 경우에도 세팅 조건 검증을 통해 검증하고 이를 통보할 수 있다.

활성 위치에 있는 시린지에 대해 토출 명령이 수신되면, 출력 모드가 수행된다(S100)

출력 모드 단계(S100)가 수행되면, 먼저 토출 채널 압력 설정 및 토출 채널 개방 단계(S110)가 수행된다.

시린지 제어부(250)는 압축공기 공급부 및 전공 압력 조절부(220)를 제어하여 토출 채널의 압력을 설정한다. 토출 채널은 출력이 이루어질 시린지로의 압축 공기 공급 유로를 의미한다.

레귤레이터(230)를 제어하여 활성 위치에 있는 시린지에 인가될 압력을 설정하는데, 토출 채널 압력은 기 설정된 토출 설정 압력에 대응된다. 제어부(250)는 레귤레이터(230)를 제어하여 토출 설정 압력을 제공될 압력으로 설정하고, 압력이 인가될 준비를 한다. 이후 전자밸브(240)를 개방하여 토출 채널을 개방한다.

이때, 시린지 제어부(250)는 출력 모드를 체크하는 단계를 수행한다(S120). 출력 모드는, 설정된 토출 지속 시간동안 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 타임 출력 모드와, 설정된 패턴에 따라 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 스테디 출력 모드 중에서 선택될 수 있다.

타임 출력 모드가 선택되면 타임 출력 모드를 수행한다(S130). 타임 출력 모드가 시작되면 토출 지속 시간이 경과 여부가 체크되면서 바이오 재료의 토출이 이루어지고, 설정된 토출 지속 시간이 경과되면(S135), 토출 채널이 차단되면서 출력이 종료된다(S150).

스테디 출력 모드가 선택되면 스테디 출력 모드를 수행한다(S140). 스테디 출력 모드가 시작되면, 설정된 패턴을 형성하기 위해 출력이 이루어지며, 토출 정지 명령이 입력된다, 이후 토출 채널이 차단되면서 출력이 종료된다(S150).

타임 출력 모드(S130) 및 스테디 출력 모드(S140)의 수행시에는 시린지 내의 바이오 재료의 잔량에 상응하여 보정 압력이 산출되어 보정 압력이 인가될 수 있다.

타임 출력 모드 또는 상기 스테디 출력 모드의 수행 시에, 장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 최초로 수행되는 경우에, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과, 상기 압력 인가 시점으로부터 상기 시작 시점 사이의 상기 시린지 내부의 압력변화가 기준값으로 저장된다.

이후, 장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 추가로 수행되는 경우 즉, 최초 출력 이후의 출력 시에는, 바이오 재료가 100%와 대비하여 감소된 상태이므로 바이오 재료의 잔량에 상응하는 보정 압력인 산출된다. 즉, 압력센서의 센싱값으로부터 시린지 내부의 압력변화를 검출하고, 상기 기준값에서의 압력변화와 비교하여 보정 압력을 산출한다.

구체적으로 타임 출력 모드(S130)는, 압력 인가 시점과 시작 시점 사이의 시간에서 압력센서(21)에 의해 센싱되는 시린지 내부의 압력값을 적분하여 적분량을 획득하는 단계를 포함한다. 압력 인가 시점은, 전자 밸브(240)가 개방되어 토출 채널이 개방되면서 압력이 인가되기 시작하는 시점이다. 시작 시점은 바이오 재료의 잔량이 100%인 상태 즉, 해당 시린지에서의 최초 출력 시에 토출 설정 압력을 인가했을 때 시린지 내부의 압력이 토출 설정 압력에 도달하여 토출이 시작하는 시점이다.

이후 기준값에서의 적분량과 대비하여 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다. 그리고 산출된 보정 압력을 인가한다.

시린지 제어부는 시린지가 장착된 후 최초로 출력이 이루어질 때의 시작 시점 및 압력 변화를 검출하여 기준값으로 저장한다.

스테디 출력 모드(S140)는, 압력 인가 시점과 시작 시점 사이의 설정 시점에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값의 기울기를 산출하는 단계를 포함한다.

이후, 기준값에서의 상기 설정 시점에서의 압력값의 기울기와 비교하여 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출한다. 그리고 산출된 보정압력을 인가한다.

이후 시린지 내부의 압력을 토출 설정 압력에 맞추어 조정하면서 출력을 지속한다.

토출 지속 시간이 경과되거나(S135), 토출 정지 명령이 입력되면(S145), 토출 채널이 차단되고, 출력모드가 종료된다(150).

이후, 누액 방지 모드가 수행된다(S200). 누액 방지 모드(S200)가 시작되면, 압력조절부(220)의 레귤레이터(230)에는 진공 설정 압력이 설정되어, 진공 설정 압력이 인가될 준비를 한다(S210).

이후 진공 지속 시간의 설정 여부가 체크된다(S220). 토출 시린지에 대하여 진공 지속 시간이 설정되지 않은 경우에는 진공이 인가되지 않으며, 토출 시린지에 진공 지속 시간이 설정되어 있는 경우에 진공 지속 시간의 시작된다.

진공 지속 시간이 설정되어 있는 경우에는 토출 채널이 개방되어 설정된 진공 설정 압력이 인가된다(S230).

설정된 진공 지속 시간이 경과되면(S240), 토출 채널이 차단된다(S250).

도 8 에 도시된 순서도는 활성 위치에 있는 시린지에서 출력 모드 수행과 누액 방지 모드가 순차적으로 연속적으로 진행되는 과정을 설명하고 있다. 따라서 설정된 진공 지속 시간 동안 진공 설정 압력이 인가되고 토출 채널이 차단된 후, 토출 명령에 수신되면 다시 출력모드로 진행한다. 한편, 출력 모드의 수행 없이 설정된 진공 간격이 경과하는 경우 다시 누액 방지 모드가 수행된다.

또한, 비활성 위치에 있는 시린지에 대해서는 누액 방지 모드가 반복적으로 수행된다. 즉, 설정된 진공 지속 시간 동안 진공 설정 압력이 인가되는 누액 방지 모드가 설정된 진공 간격으로 반복적으로 수행된다.

이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없다.

Claims

액체 상태의 바이오 재료를 내부에 수용하고 바이오 재료가 토출하는 노즐과 내부를 밀폐하는 시린지 어댑터를 구비한 시린지가 장착되는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치로서,
상기 시린지 내부의 압력을 감지하는 압력 센서;
상기 시린지 어댑터를 통해 상기 시린지 내부와 유체가 이동가능하게 유로로 연결되고, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하거나 진공압을 제공하여 시린지 내부의 공기압을 제어할 수 있는 전공 압력 조절부; 및
상기 압력 센서에 의해 센싱된 상기 시린지 내부의 압력 값을 수신하고, 상기 전공 압력 조절부를 제어하며, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하여 상기 시린지의 상기 노즐을 통해 바이오 재료가 출력되는 출력 모드와, 상기 시린지 내부에 진공을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하는 시린지 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 시린지 제어부는 상기 출력 모드로서, 설정된 토출 지속 시간동안 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 타임 출력 모드와, 설정된 패턴을 출력하도록 토출 정지 명령이 수신될 때까지 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 연속적으로 출력하는 스테디 출력 모드를 선택적으로 수행가능한 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 시린지 제어부는, 상기 출력 모드의 수행 시에, 상기 압력센서의 센싱값으로부터 상기 시린지 내부의 압력변화를 검출하고, 상기 시린지 내부의 바이오 재료가 기준 재료 수위인 상태에서의 압력변화를 기준값으로 하여, 보정 압력을 산출하여 상기 시린지에 인가하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 시린지 제어부는,
상기 시린지 내의 바이오 재료의 기준 재료 수위에 근거해서, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과 상기 시린지 내부의 압력변화를 기준값으로 저장하고,
상기 출력 모드에서 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 시간에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값을 적분하여 적분량을 획득하고, 상기 기준값에서의 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 압력값 적분량과 비교하여, 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 시린지 제어부는,
상기 시린지 내의 바이오 재료의 기준 재료 수위에 근거해서, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과 상기 시린지 내부의 압력 변화를 기준값으로 저장하고,
상기 출력 모드에서 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 설정 시점에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값의 기울기를 산출하고, 상기 기준값에서의 압력값의 기울기와 비교하여, 상기 시작 시점에서 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 완료 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제6항에 있어서,
상기 바이오 3차원 프린터는 선택적으로 출력이 이루어지는 복수의 시린지가 장착된 출력 모듈을 구비하고,
상기 시린지 제어부는 상기 출력모듈의 구동유닛을 제어하여, 상기 시린지를 출력이 가능한 활성 위치와 대기 상태를 유지하는 비활성 위치 사이에서 위치제어하며,
상기 비활성 위치에 있는 시린지에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 시린지 제어부는, 설정된 진공 지속시간(VAC) 및 진공 설정 압력(VAC.P)으로 누액 방지 모드를 수행하며, 상기 누액 방지 모드는 설정된 진공 간격으로 반복적으로 수행가능한 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제7항에 있어서,
상기 시린지에는 내부에 수용된 바이오 재료의 토출 조건과 대기모드에서의 진공 조건을 포함하여 시린지 정보가 기재된 NFC 태그가 부착되고,
상기 시린지 제어부는 상기 활성 위치에 이동한 시린지의 상기 NFC 태그로부터 NFC 리더기가 리딩한 정보를 입력받는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제9항에 있어서,
상기 NFC 태그에는 내부에 수용된 바이오 재료의 사용 인가 여부, 생성 일자를 포함하는 바이오 재료 고유 정보가 기재되고,
상기 시린지 제어부는 상기 NFC 태그로부터 입력된 바이오 재료 고유 정보로부터 시린지의 사용 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하되,
상기 누액 방지 모드가 수행되어 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후 설정된 시간 후에 상기 압력센서로부터 센싱된 시린지 내부 압력으로부터 상기 시린지 내부의 바이오 재료 잔량을 판단하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제3항에 있어서,
상기 시린지 제어부는, 출력 모드의 수행 후에 상기 시린지 내부에 진공압을 인가하는 누액 방지 모드를 수행하되,
상기 누액 방지 모드가 수행되어 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)이 인가된 후 설정된 시간 후에 상기 압력센서로부터 센싱된 시린지 내부의 진공압이 설정 값 이하이고, 보정 압력과 토출 설정 압력의 차이가 설정된 차이 값 이상인 경우 바이오 재료 충진 시기를 알리는 알람을 제공하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제1항에 있어서,
공기 압축기; 상기 공기 압축기로부터 제공된 압축 공기를 팽창하여 저장하는 팽창탱크; 상기 팽창탱크로부터 제공된 압축 공기로부터 수분을 제거하는 워터 세퍼레이터; 및 상기 워터 세퍼레이터를 경유한 압축 공기를 필터링하는 적어도 하나의 필터를 포함하는 공기 공급부가 상기 바이오 3차원 프린터에 설치되고,
상기 전공 압력 조절부는 상기 공기 공급부로부터 압축 공기를 제공받는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 필터는 순차적으로 배치된 5um 의 제1 필터, 0.5um 의 제2 필터, 0.01um의 제3 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어장치.
액체 상태의 바이오 재료를 내부에 수용하고 바이오 재료가 토출하는 노즐과 내부를 밀폐하는 시린지 어댑터를 구비한 시린지가 시린지 홀더에 장착되며, 상기 시린지 내부의 압력을 감지하는 압력 센서; 및 상기 시린지 어댑터를 통해 상기 시린지 내부와 유체가 이동가능하게 유로로 연결되고, 상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하거나 진공압을 제공하여 시린지 내부의 공기압을 제어하는 전공 압력 조절부를 구비한, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법으로서,
상기 시린지 내부에 압축 공기를 제공하여 상기 시린지의 노즐을 통해 바이오 재료를 출력하는 출력 모드 단계; 및
상기 출력 모드 수행 단계 후에 수행되는, 설정된 진공 지속시간(VAC) 동안 진공 설정 압력(VAC.P)을 인가하는 누액 방지 모드 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.
제15항에 있어서,
상기 출력 모드 단계는,
토출 설정 압력에 따라 토출 채널 압력을 설정하고 토출 채널을 개방하는 단계;
출력 모드를 체크하는 단계;
출력 모드에 따라 설정된 토출 시간 동안 토출 설정 압력으로 바이오 재료를 출력하는 타임 출력 모드 또는 설정된 패턴을 출력하도록 토출 설정 압력으로 연속적으로 바이오 재료를 출력하는 스테디 출력 모드를 선택적으로 수행하는 단계; 및
타임 출력 모드에서 설정된 토출 지속 시간이 경과하거나, 스테디 출력 모드에서 토출 정지 명령이 입력되면, 노출 채널을 차단하여 출력 모드를 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 타임 출력 모드 또는 상기 스테디 출력 모드의 수행 시에,
장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 최초로 수행되는 경우에, 압력 인가 시점으로부터 토출 설정 압력에 도달하는 시간인 시작 시점과, 상기 압력 인가 시점으로부터 상기 시작 시점 사이의 상기 시린지 내부의 압력변화를 기준값으로 저장하며,
장착된 시린지에 대하여 출력 모드가 추가로 수행되는 경우에, 상기 압력센서의 센싱값으로부터 상기 시린지 내부의 압력변화를 검출하고, 상기 기준값에서의 압력변화와 비교하여 보정 압력을 산출하여 상기 시린지에 인가하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.
제17항에 있어서,
상기 타임 출력 모드 수행 시의 보정 압력 산출은,
상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 시간에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값을 적분하여 적분량을 획득하고, 상기 기준값에서의 상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 압력값 적분량과 비교하여, 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.
제17항에 있어서,
상기 스테디 출력 모드 수행 시의 보정 압력 산출은,
상기 압력 인가 시점과 상기 시작 시점 사이의 설정 시점에서 상기 압력센서에 의해 센싱되는 압력값의 기울기를 산출하고, 상기 기준값에서의 압력값의 기울기와 비교하여, 상기 시작 시점에서 상기 토출 설정 압력에 도달할 수 있는 보정 압력을 산출하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.
제15항에 있어서,
상기 바이오 3차원 프린터는 선택적으로 출력이 이루어지는 복수의 시린지가 장착된 출력 모듈을 구비하고, 상기 시린지는 출력이 가능한 활성 위치와 대기 상태를 유지하는 비활성 위치 사이에서 위치제어되며,
상기 활성 위치에 있는 시린지에는 상기 출력 모드 단계와, 상기 누액 방지 모드가 순차적으로 진행되며,
상기 비활성 위치에 있는 시린지에는 설정된, 진공 지속시간(VAC) 및 진공 설정 압력(VAC.P)으로 누액 방지 모드가 수행되되, 비활성 위치에 있는 시린지를 위한 누액 방지 모드는 설정된 진공 간격으로 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터의 시린지 출력 제어방법.