KR20210152891A - 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치 - Google Patents

바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측벽들을 포함하는 벽면들에 의해 프린팅이 수행되는 내부 공간을 정의하는 프린팅 챔버를 포함하는 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, 상기 프린팅 챔버의 내부 공간을 가열하기 위한 히터를 구비하는 온도 조절부; 및 상기 프린팅 챔버의 외측에서 일측 측벽을 따라 연장되고 유입구를 통해 유입되는 공기가 내부를 따라 유동하면서 상기 온도 조절부에 의해 가열되며, 토출구를 통해 상기 프린팅 챔버의 내부 공간으로 토출되도록 형성되는 에어 가이드부, 상기 에어 가이드부를 따라 공기를 순환시키기 위한 순환 팬 및 상기 에어 가이드부를 따라 순환하는 공기를 필터링하는 필터를 구비하는 공기 순환부를 포함할 수 있다.

Description

바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치{CHAMBER ENVIRONMENTAL CONTROL SYSTEM FOR BIO 3D PRINTER}
본 발명은 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바이오 3차원 프린터 챔버의 내부 온도 및 습도 등의 환경을 조절하기 위한 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅(3D printing) 기술의 응용 및 발전 분야인 3D 바이오프린팅(bioprinting)은 3D 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 3D 바이오프린팅은 원하는 목적과 생물학적 환경에 맞추어 다양한 방법이 개발되고 있으며, 이와 더불어 다양한 바이오 잉크 역시 연구되고 있다.
이러한 3D 바이오프린팅은 ECM 또는 바이오 잉크를 원하는 형태로 구성하고, ECM 또는 바이오 잉크에 필요한 세포를 배양하여 실제와 같은 기능을 갖는 생체 기관 또는 조직을 제작한다. 3D 바이오프린팅에서 가장 중요한 이슈 중 하나는 세포가 죽지 않고 지속적으로 기능할 수 있도록, 재료가 되는 세포 및 바이오 재료를 최대한 안정하게 보관하고 사용 가능하도록 하는 것이다.
특허문헌 1(한국 등록특허 제10-2065474호)에는 다수의 노즐을 이용하여 세포와 ECM 또는 바이오잉크를 각각 다른 온도 및 압력으로 출력할 수 있도록 하는 3D 바이오프린터가 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 각각의 바이오 재료가 토출되는 노즐부에 포함되어, 토출되는 바이오 재료의 온도를 조절하는 토출 온도 조절부가 개시되어 있다. 또한, 출력 및 보관 스테이지에 포함되어, 토출 후의 바이오 재료의 온도를 조절하는 온도조절 부재가 개시되어 있다.
또한, 바이오 3차원 프린터 챔버에 헤파 필터와 팬 등과 같은 공기 정화 수단이 설치되어 외부 공기의 유입 시에 케이스 내부의 오염을 방지하는데, 이에 따라 챔버 내부의 공기 순환이 발생한다.
따라서, 특허문헌 1과 같은 종래의 바이오 3차원 프린터에 있어서는, 바이오 재료가 챔버 내부의 공기 순환의 영향을 받을 수밖에 없으므로, 챔버 내부의 온도 및 습도 등의 환경을 적절하게 맞추어 주는 것이 중요하다.
그러나, 특허문헌 1에서와 같이 노즐부 및 출력 및 보관 스테이지의 온도를 조절하는 구성만으로는 챔버 내부의 온도 및 습도 등의 환경을 조절하기는 어려우므로, 바이오 재료의 생존성과 안정성을 높이는 데에는 한계가 있다.
한국 등록특허 제10-2065474호(2020.01.14 공고)
본 발명의 목적은 바이오 3차원 프린터 챔버의 내부 온도 및 습도 등의 환경을 조절하여 토출된 바이오 재료의 생존성과 안정성을 높일 수 있는 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 관한 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 측벽들을 포함하는 벽면들에 의해 프린팅이 수행되는 내부 공간을 정의하는 프린팅 챔버를 포함하는 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, 상기 프린팅 챔버의 내부 공간을 가열하기 위한 히터를 구비하는 온도 조절부; 및 상기 프린팅 챔버의 외측에서 일측 측벽을 따라 연장되고 유입구를 통해 유입되는 공기가 내부를 따라 유동하면서 상기 온도 조절부에 의해 가열되며, 토출구를 통해 상기 프린팅 챔버의 내부 공간으로 토출되도록 형성되는 에어 가이드부, 상기 에어 가이드부를 따라 공기를 순환시키기 위한 순환 팬 및 상기 에어 가이드부를 따라 순환하는 공기를 필터링하는 필터를 구비하는 공기 순환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 온도 조절부는 프린팅 챔버 측벽 외부에 제공되며 물이 수용되는 워터 자켓을 구비하며, 상기 워터 자켓은 상기 프린팅 챔버의 일측 측벽과의 사이에서 상기 에어 가이드부를 감싸도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 필터는 필터 하우징 내부에 설치되고, 상기 필터 하우징은 상기 프린팅 챔버 내부에서 상기 유입구에 탈착 가능하게 장착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 에어 가이드부의 상기 토출구 측에 제공되고 물을 수용하는 트레이를 구비하여 상기 프린팅 챔버 내부의 습도를 조절하는 습도 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 에어 가이드부의 상기 토출구는 상기 프린팅 챔버의 상기 측벽과 상기 프린팅 챔버의 바닥면 사이에 형성되고, 상기 트레이는 상기 토출구를 통해 상기 에어 가이드부의 내측으로 적어도 부분적으로 삽입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 습도 조절부는 상기 트레이의 하부에 배치되어 상기 트레이에 수용된 물을 가열하는 가습 보조 히터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가습 보조 히터는 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 공기 순환부는 상기 에어 가이드부와 대향하는 측의 상기 프린팅 챔버의 측벽에 구비되는 보조 순환팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 온도 조절부는 상기 프린팅 챔버 외부에 배치되는 냉기 발생 장치, 상기 냉기 발생 장치로부터 냉기를 제공받도록 상기 프린팅 챔버에 형성되는 냉기 투입구, 및 상기 프린팅 챔버 내부의 냉기를 회수하기 위해 상기 프린팅 챔버에 형성되는 냉기 회수구를 구비하는 냉기 제공부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 프린팅 챔버의 바닥면에는 바닥면 개구가 형성되고, 상기 바닥면 개구의 내주면 사이 공간을 덮어 상기 프린팅 챔버 내부를 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간으로부터 격리하는 벨로우즈를 포함하며, 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간에는, 상기 프린팅 챔버 내부와 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간의 온도차를 저감시키기 위한 팬히터가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 벨로우즈는 백금 도장될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 프린팅 챔버의 내부의 CO2 농도를 측정하기 위한 CO2센서; CO2 가스가 저장되는 CO2 탱크, 상기 프린팅 챔버에 형성되며 상기 CO2 탱크로부터 상기 프린팅 챔버 내부로 CO2 가스가 투입되는 CO2 가스 투입구와, 상기 프린팅 챔버에 형성되며 상기 프린팅 챔버 내부의 CO2 농도를 조절하기 위한 CO2 밸런스 조절구, 및 CO2 가스의 유입 경로상에 배치되는 레귤레이터를 구비하는 CO2 조절부; 및 상기 레귤레이터의 작동을 제어하여 순환 경로를 따른 CO2 가스의 유입량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이오 3차원 프린터 챔버의 내부 온도 및 습도 등의 환경을 조절하여 토출된 바이오 재료의 생존성과 안정성을 높일 수 있다.
또한, 온도와 습도를 조절하기 위한 구성을 대류를 통해 연동하여, 프린팅 챔버 내부로 순환하는 가열된 공기를 이용하여 습도를 효율적으로 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치가 구현된 바이오 3차원 프린터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치를 구성하는 프린팅 챔버의 외부 사시도이다.
도 3은 도 2의 프린팅 챔버의 내부 절개도이다.
도 4는 도 2의 프린팅 챔버의 내부 단면도이다.
도 5는 도 2의 프린팅 챔버의 하부 절개도이다.
도 6은 도 2의 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간을 나타낸 절개도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치가 구현된 바이오 3차원 프린터의 사시도이다. 바이오 3차원 프린터는 외부를 둘러싸는 케이스(10)를 포함하고, 케이스(10) 내부에 프린팅 챔버(100)가 배치된다. 케이스(10)의 전면에는 케이스 도어(12)가 설치된다. 케이스 도어(12)에는 내부의 프린팅 챔버(100)를 외부에서 관찰할 수 있는 외부 투명창(14)이 구비된다.
프린팅 챔버(100)는 케이스(10)의 내부에 수납되며, 프린팅 챔버(100)의 전면에는 케이스 도어(12)에 대응하는 위치에 내부 투명창(112)을 구비한 챔버 도어(110)가 설치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 바이오 3차원 프린터는 케이스 도어(12) 및 챔버 도어(110)를 구비한 이중 도어 방식을 채택함으로써, 프린팅 챔버(100) 내부를 외부로부터 격리하여 밀폐하는 데 유리하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치를 구성하는 프린팅 챔버의 외부 사시도이다. 도 3은 도 2의 프린팅 챔버의 내부 절개도이다. 도 4는 도 2의 프린팅 챔버의 내부 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 프린팅 챔버(100)는 벽면들, 즉 바닥면(101), 상측면(104), 및 측벽(109)에 둘러싸인 내부 공간을 형성한다. 프린팅 챔버(100)의 내부 공간은 외부로 격리되며 밀폐가능하게 형성된다. 프린팅 챔버(100)의 측벽(109) 외부에는, 측벽(109)과 이격되어 케이싱 벽(106)이 형성된다. 케이싱 벽(106)은 적어도 부분적으로 프린팅 챔버(100)의 측벽(109)을 둘러싸도록 형성된다.
측벽(109)과 케이싱 벽(106) 사이의 공간에는 후술하는 워터자켓(220)이 형성된다. 또한, 일측으로 위치하는 측벽(109)과 케이스 벽(106) 사이의 공간은 에어 가이드부(320)가 지나는 경로가 된다. 케이스 벽(106)은, 챔버 도어(110)가 설치되는 측의 좌우에 해당하는 서로 대향하는 측벽(109) 및 후측으로 위치하는 측벽(109) 일부를 따라 형성된다.
본 발명의 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치는 프린팅 챔버(100)에 구비되는 온도 조절부, 공기 순환부, 습도 조절부, CO2 조절부를 포함할 수 있다.
온도 조절부는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 조절하기 위한 히터(210)를 구비한다. 프린팅 챔버의 측벽(109)과 케이스 벽(106) 사이의 공간은 물이 수용되는 워터 자켓(220)을 형성하며, 히터(210)는 워터 자켓(220) 내부의 물을 가열하는 방식으로 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 조절할 수 있다.
히터(210)는 플레이트 형상으로 형성되어 프린팅 챔버(100)의 케이싱벽(106) 외측에 설치된다.
프린팅 챔버(100)가 케이싱 벽(106) 및 워터 자켓(220)을 구비하지 않는 경우 히터(210)는 측벽(109)에 부착되어 측벽(109)을 직접 가열하는 방식으로 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 조절한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 히터(210)는 워터 자켓(220) 내부의 물을 가열하여 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 조절할 수 있도록 함으로써, 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 일정하게 형성하는 데 유리할 수 있다.
제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 감지하는 온도 센서(240)로부터 센싱값을 입력받아 히터(210)의 온/오프를 제어할 수 있다.
공기 순환부는 에어 가이드부(320)를 포함한다. 에어 가이드부(320)는, 프린팅 챔버(100)의 일측 측벽을 따라 연장되며 유입구(324)를 통해 유입되는 공기가 내부 경로로 유동하여 토출구(322)를 통해 프린팅 챔버(100)의 내부 공간으로 토출되도록 형성된다. 또한, 공기 순환부는 프린팅 챔버(100)에 제공되는 필터(340)에 의해 필터링되는 공기를 에어 가이드부(320)의 유입구로 순환시키기 위한 순환 팬(310)을 구비한다.
프린팅 챔버(100)의 케이싱벽(106)과 프린팅 챔버(100)의 측벽(109) 사이에는 워터 자켓(220)과 에어 가이드부(320)가 배치된다. 일측 워터 자켓(220)은 에어 가이드부(320) 측의 측벽(109)과의 사이에서 에어 가이드부(320)를 감싸도록 형성될 수 있다. 일측 워터 자켓(220) 및 에어 가이드부(320)는 측벽(109)을 따라 서로 인접하여 연장된다.
일측 워터 자켓(220)과 프린팅 챔버(100)의 측벽(109) 사이에는 에어 가이드부(320)의 공기 순환 경로를 정의하기 위한 가이드벽(105)이 측벽(109)으로부터 연장 형성될 수 있다.
가이드벽(105)은 대응하는 측벽(109)의 폭보다 더 작은 폭으로 형성되며, 상기 측벽(109)과의 사이에서 에어 가이드부(320) 내부의 공기 순환 경로를 형성한다.
상기 공기 순환 경로는 측벽(109)을 일측 변으로 하고, 가이드벽(105)을 나머지 변들로 하는 직사각형 단면을 갖는 형상으로 형성될 수 있다. 워터 자켓(220)은 가이드벽(105)의 경계에 맞닿도록 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다.
히터(210)가 워터 자켓(220)을 통해 에어 가이드부(320) 내부 공기에 열을 전달함으로써, 프린팅 챔버(100) 내부로 열이 보다 균일하게 전달될 수 있다. 또한, 워터 자켓(220)이 에어 가이드부(320)를 감싸도록 형성되어, 에어 가이드부(320) 내부 공기로의 효율적인 열전달이 가능해진다.
이러한 에어 가이드부(320)의 배치는 프린팅 챔버(100)의 온도 조절에 보다 유리하다. 본 발명에 따르면, ±0.5℃ 이내의 온도 균등성 및 온도 변동성을 달성할 수 있다.
프린팅 챔버(100)의 내부 공간은 순환 팬(310) 하부의 필터(340)가 배치되는 제1 공간(P1), 및 제1 공간(P1)의 측면에 형성되는 제2 공간(P2)으로 구분될 수 있다. 제2 공간(P2)는 제1 공간(P1)보다 낮은 높이로 형성될 수 있다.
제1 공간(P1)은 에어 가이드부(320) 측의 프린팅 챔버(100)의 측벽(109)을 일 측벽으로 하는 공간이며, 제2 공간(P2)은 에어 가이드부(320)와 대향하는 측의 프린팅 챔버(100)의 측벽(109)을 일 측벽으로 하는 공간으로 형성된다.
제1 공간(P1)에는 스캐폴드, 약제 구조물, 틀 구조물 등 구조물을 형성하기 위한 고체 상태의 바이오 재료를 출력하기 위한 제1 출력모듈(1)이 제공될 수 있다. 예컨대, 제1 출력모듈(1)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.
제2 공간(P2)에는 바이오 재료가 담긴 시린지(21)가 장착된 출력유닛(20)을 포함하고, 유체 상태의 바이오 재료를 출력하기 위한 제2 출력모듈(2)이 제공될 수 있다. 제2 출력모듈(2)에는 약 5개의 출력유닛(20)이 포함될 수 있으며, 예를 들어 1개의 출력유닛은 출력 상태로 설정되며, 그 외의 4개의 출력유닛은 대기 상태로 설정될 수 있다.
제1 공간(P1)과 제2 공간(P2) 경계의 연장선상에, 제2 공간(P2)의 상측면(104)에서 제1 공간(P1)의 상측면(104)으로 연장되는 수직연장면(107)이 형성될 수 있다. 제1 공간(P1)의 상측면(104)은 수직연장면(107)의 상단부로부터 수평으로 제1 공간(P1)의 측벽(109)을 향해 연장된다.
제1 공간(P1)의 상측면(104) 상부에는 가이드 커버(321)의 일측이 상측면(104)으로부터 연장되고 타측이 가이드벽(105)으로부터 연장되며, 순환 팬(310)이 수납되는 내부 공간이 형성될 수 있다. 순환 팬(310)은 프린팅 챔버(100)의 외부에 부착된 모터(311)에 의해 회전하며 프린팅 챔버(100) 내부에 공기 흐름을 발생시킬 수 있다.
제1 공간(P1)의 상측면(104) 하부에는 순환 팬(310)으로 도달하기 전의 공기를 필터링하는 필터(340)가 배치된다. 필터(340)는 필터 하우징(342) 내부에 설치되고, 필터 하우징(342)는 유입구(324)에 탈착 가능하게 장착된다. 이를 통해 필터(340)를 용이하게 교체할 수 있다. 필터(340)는 예를 들어 헤파 필터 또는 울파 필터일 수 있다. 필터(340)는 프린팅 챔버(100)의 내부로부터 순환 팬(310)에 의해 유입되는 공기에 포함된 오염물질을 제거할 수 있으며, 예를 들어 0.3 마이크로미터 입자 포집률 99.975%(H14등급)으로 필터링하여 챔버 내 파티클을 청정하게 유지할 수 있다.
제1 공간(P1)의 상측면(104)은 수직연장면(107)과 대향하는 프린팅 챔버(100)의 측벽(109)을 향해 단부가 측벽(109)과 이격되도록 연장된다. 이에 따라, 측벽(109)과의 사이에서 에어 가이드부(320)의 가이드 커버(321) 내측 공간이 에어 가이드부(320)의 가이드벽(105) 내측 공간과 연결되며 에어 가이드부(320)의 공기 순환 공간을 형성한다.
순환 팬(310)을 거쳐 순환되는 공기는 에어 가이드부(320)를 통해 제1 공간(P1)의 상측면(104)의 상부 공간에서 측벽(109) 하부로 연장되는 경로로 순환한다. 이때, 상술한 바와 같이, 에어 가이드부(320)를 지나는 공기는 워터 자켓(220)의 내측을 지나면서 적정 온도로 가열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 에어 가이드부(320)는 내부로 순환하는 공기를 프린터 챔버(100)의 내부 공간으로 토출하기 위한 토출구(322)를 가진다. 습도 조절부는 에어 가이드부(320)의 토출구(322) 측에 제공되고 물을 수용하는 트레이(410)를 구비하여 프린팅 챔버(100) 내부의 습도를 조절할 수 있다.
에어 가이드부(320)의 토출구(322)는 에어 가이드부(320) 측, 즉 제1 공간(P1)의 측벽(109)과 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101) 사이에 형성될 수 있다. 제1 공간(P1)의 측벽(109)은 일측이 제1 공간(P1)의 상측면(104)으로부터 연장되며, 타측의 일부가 제1 공간(P1)의 바닥면(101)으로 연장될 수 있다. 바닥면으로 연장되지 않는 제1 공간(P1)의 측벽(109)의 다른 일부는 바닥면(101)과의 사이에서 토출구(322)를 형성할 수 있다.
토출구(322)를 통하여 제1 공간(P1)의 내부 공간은 프린팅 챔버(100)의 내부 공간과 연결되며, 에어 가이드부(320)를 흐르는 공기는 토출구(322)를 통하여 프린팅 챔버(100) 내측 공간으로 순환될 수 있다. 상세하게는, 제1 공간(P1) 상부의 순환 팬(310)으로 흡입되어 에어 가이드부(320)를 통해 순환하는 공기는 제1 공간(P1) 하부의 토출구(322)를 통해 프린팅 챔버(100) 내부로 유입되어 순환된다.
트레이(410)는 에어 가이드부(320)의 토출구(322) 측에 제공되어 공기 순환부의 공기 순환을 이용하여 프린팅 챔버 내부의 습도를 조절할 수 있도록 구성된다. 트레이(410)는 제1 공간((P1)의 바닥면에 배치되고, 상부가 개구된 함체 형상으로 형성될 수 있다.
트레이(410)는 토출구(322)를 통하여 에어 가이드부(320) 내부에 부분적으로 삽입되도록 배치된다. 즉, 트레이(410)의 일부는 에어 가이드부(320) 내부에, 다른 일부는 프린팅 챔버(100) 내부에 배치된다. 즉, 트레이(410)는 토출구(322)를 형성하는 제1 공간(P1)의 측벽(109) 아래에 놓일 수 있다. 이에 따라, 토출구(322)를 통과하면서 순환하면서 프린팅 챔버(100) 내측 공간으로 도입되는 순환 공기에 의해 트레이(410)에 수용된 수분의 증발 및 확산이 효율적으로 유도될 수 있다.
본 발명에서는 프린팅 챔버 내부로 순환하는 가열된 공기를 이용하여 습도를 효율적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 온도와 습도를 조절하기 위한 구성을 공기의 대류를 통해 상호 연동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 습도 조절부는 트레이(410)의 하부에 배치되어 트레이(410)에 수용된 물을 가열하는 가습 보조 히터(420)를 포함할 수 있다. 가습 보조 히터(420)는 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101) 아래 공간에 배치될 수 있다. 이를 통해, 가습 보조 히터(420)로의 전원선 및 제어선 등과 같은 케이블이 프린팅 챔버(100) 외부에서 연결될 수 있다.
프린팅 챔버(100)에는 내부의 습도를 감지할 수 있는 습도 센서(430)를 포함한다. 가습 보조 히터(420)는 습도 센서(430)의 센싱 신호를 제공받는 제어부(900)에 의해 제어된다. 가습 보조 히터(420)는 트레이(410)에 수용된 물을 가열하며 증발을 가속화시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 챔버 내부의 초기 상대 습도를 단 시간 내에 80%RH 이상으로 도달시킬 수 있으며, 93%RH 이내에서 습도를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기 순환부는 에어 가이드부(320)와 대향하는 측의 측벽(109), 즉, 제2 공간(P2)의 측벽(109)에 구비되는 보조 순환팬(330)을 더 포함할 수 있다. 보조 순환팬(330)은 제2 공간(P2)의 프린팅 챔버(100)의 측벽(109) 하단에 부착될 수 있다. 보조 순환팬(330)은 제1 공간(P1) 측을 향하여 배향되며, 공기를 분출하여 제2 공간(P2)에 먼저 대류를 발생시킨다. 보조 순환팬(330)은 1500 ~ 2500rpm으로 동작시켜, 풍량 0.15 ~ 0.2 m3/min, 풍압 1.3 ~ 2mm-H2O의 대류를 제2 공간(P2)에 발생시킬 수 있다.
보조 순환팬(330)은 에어 가이드부(320)의 토출구로 배기되어 제1 공간(P1)을 지나 제2 공간(P2)으로 순환하는 공기를 다시 제1 공간(P1) 측으로 원형 순환시킨다. 이에 따라, 프린팅 챔버(100) 내부에서 발생할 수 있는 결로 현상을 최소화함과 동시에, 제2 공간(P2)을 지나는 공기의 내부 순환을 촉진시킬 수 있다.
CO2 조절부는 CO2 가스가 저장되는 CO2 탱크(510), 프린팅 챔버(100)에 형성되며 CO2 탱크(510)로부터 프린팅 챔버(100) 내부로 CO2 가스가 투입되는 CO2 가스 투입구(521)와, 프린팅 챔버(100) 내부의 공기를 프린팅 챔버(100) 외부로 배기하는 CO2 밸런스 조절구(522), 및 CO2 가스의 유입 경로상에 배치되는 레귤레이터(531)를 구비한다. 또한, CO2 조절부는 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 농도를 센싱하기 위한 CO2 센서(540)를 구비한다. CO2 센서(540)는 IR 타입 센서일 수 있으며 주기적으로 챔버 내부의 CO2 농도를 센싱한다. CO2 탱크(510)는 프린팅 챔버(100) 외부에 배치되며 CO2 가스 투입구(521)에 연결된 관을 통해 프린팅 챔버(100) 내부에 CO2 가스를 공급한다.
제어부(900)는 레귤레이터(531)의 작동을 제어하여 CO2 센서(540)로부터 입력받은 센싱값에 따라 CO2 가스의 유입량을 조절할 수 있다. 제어부(900)는 레귤레이터(531)를 통해 CO2 가스의 유입량을 조절함으로써 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 농도가 일정한 값을 유지하도록 할 수 있다.
CO2 가스 투입구(521) 및 CO2 밸런스 조절구(522)는 순환 팬(310)이 배치되는 제1 공간(P1) 측의 프린팅 챔버(100)의 상측면(104)에 관통 형성될 수 있다. CO2 가스는 CO2 탱크(510)로부터 CO2 가스 투입구(521)로 투입되며, CO2 밸런스 조절구(522)를 통하여 챔버(100) 내부 공기가 외부로 배기됨으로써, 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 농도가 조절될 수 있다. CO2 가스 투입구(521)를 통해 CO2 가스가 투입되면서 프린팅 챔버(100) 내부 압력은 외부에 비하여 높은 압력이 형성되는데, 밸브(532)를 통하여 CO2 밸런스 조절구(522)의 개폐를 조절함으로써 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 가스가 포함된 공기를 외부로 자연스럽게 배기할 수 있다.
레귤레이터(531)는 CO2 탱크(510)와 CO2 가스 투입구(521) 사이에 연장되는 경로 상에 제공될 수 있으며, 프린팅 챔버(100) 내부로 유입되는 CO2 가스의 압력을 조절할 수 있다.
또한, 제어부(900)는 CO2 가스의 순환 경로상에 배치되는 레귤레이터(531) 및 밸브(532)의 작동을 제어하여 CO2 가스의 유입 및 배기량을 조절할 수 있다. 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 농도가 설정값보다 높으면 밸브(532)를 개방하여 프린팅 챔버(100) 내부의 공기를 자연스럽게 외부로 배기하는 동시에, 상술한 바와 같이 레귤레이터(531)를 통해 프린팅 챔버(100) 내부로 유입되는 CO2 가스의 압력을 조절하면서 프린팅 챔버(100) 내부의 CO2 가스 농도를 조절할 수 있다. 본 발명에 따르면, 3 내지 5%의 CO2 농도가 유지되며, ±0.1% 이내의 CO2 농도 정확도를 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 온도 조절부는 냉기 제공부를 더 포함할 수 있다. 냉기 제공부는 프린팅 챔버 외부에 배치되는 냉기 발생 장치(231), 냉매 발생 장치(231)로부터 냉기를 제공받는 냉기 투입구(232), 및 프린팅 챔버(100) 내부의 냉기를 회수하기 위한 냉기 회수구(233)를 구비한다. 냉기 투입구(232) 및 냉기 회수구(233)는 각각 프린팅 챔버(100)의 내외부를 관통하는 구멍으로 형성될 수 있다.
냉기 투입구(232)는 제2 공간(P2)의 하부에 배치된다. 냉기 투입구(232)는 보조 순환팬(330)의 후방에서 프린팅 챔버(100)의 케이싱벽(106)의 대응 위치에 관통 형성될 수 있다. 냉기 회수구(233)는 제1 공간(P1)의 상부에 배치된다. 냉기 회수구(233)는 순환 팬(310)의 전방에서 프린팅 챔버(100)의 제1 공간(P1)의 상측면(104)에 관통 형성될 수 있다.
냉기 발생 장치(231)로부터 냉기 투입구(232)로 투입되는 냉기는 제2 공간(P2)을 거쳐 제1 공간(P1)을 향하여 순환한 후, 냉기 회수구(233)를 통해 프린팅 챔버(100) 외부로 방출된다. 상기 냉기의 방출은 펌프(미도시) 등을 통해 이루어질 수도 있다.
제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 감지하는 온도 센서(240)로부터 센싱값을 입력받아 냉기 투입구(232)로의 냉기 투입 정도 및 냉기 회수구(233)로부터의 냉기 배기 정도를 제어할 수 있다. 제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부 온도를 상온 이하로 유지할 수 있으며, 예를 들어 0℃ 내지 4℃에 도달시킬 수 있다.
제2 공간(P2)에 배치되는 제2 출력모듈(2)은 바이오 재료 특성에 따라 상온 이하의 온도에서 출력하여야 하는 경우가 있다. 그 이유는, 바이오 재료의 특성에 따라 상온에서 층이 안정적으로 생성되지 않을 수 있기 때문이다. 냉기 발생 장치(231)로부터 공급되는 냉기는 프린팅 챔버(100) 내부로 투입되어 프린팅 챔버(100) 내부 온도를 바이오 재료의 특성에 맞게 조절함으로써, 출력된 바이오 재료의 층이 정교하게 생성될 수 있도록 한다.
도 6은 도 2의 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간을 나타낸 절개도이다.
도 6을 참조하면, 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101)에는 바닥면 개구(120)가 형성되고, 바닥면 개구(120) 상에 베드(130)가 배치된다. 베드(130)는 바닥면 개구(102)에 의해 허용되는 이동 영역 내에서 움직인다. 베드(130)의 상면은, 출력물이 출력되는 출력용 플레이트(131)가 정해진 위치에 고정될 수 있도록 형성된다.
베드(130)는 프린팅 챔버(100) 하부에 설치된 수평 이동 유닛(132)에 연결된다. 수평 이동 유닛(132)은, 베드(130)와 연결되어 베드(130)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시킬 수 있도록 구성된다. 베드(130)의 하부 부분은 수평 이동 유닛(132)에 고정된다. 본 명세서에서 베드(130)는 프린팅 챔버 내부에 배치되어 출력용 플레이트(131)가 결합되는 부분과, 수평 이동 유닛(132)과 연결되는 하부 부분을 모두 포함한다.
실시예에 따르면 베드(130)의 하부 부분과 바닥면 개구(120) 내주면 사이에 벨로우즈(810)가 설치된다. 벨로우즈(810)는 실리콘 등의 연성 재질로 이루어질 수 있다. 벨로우즈(810)의 중심 홀 상에 베드(130)가 배치되고, 하부 부분이 중심 홀을 통해 벨로우즈(810)의 하부로 연장되어 수평 이동 유닛(132)에 연결된다. 중심 홀의 주면이 베드(130)의 하부 부분과 밀폐가능하게 고정된다. 이로 인해, 벨로우즈(810)는 베드(130)와 바닥면 개구(120) 내주면 사이의 공간을 덮으며, 프린팅 챔버(100) 내부를 프린팅 챔버(100)의 아래 공간으로부터 격리한다.
벨로우즈(810)는 신축성으로 인해 변형되므로 베드(130)가 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동하는 것을 허용하는 동시에, 벨로우즈(810)의 상부 및 하부 사이에서 이물질의 이동이 차단된다. 이에 따라, 수평 이동 유닛(132)의 동작시 발생하는 파티클 또는 외부 오염 물질이 바닥면 개구(120)를 통해 유입되는 것을 방지할 수 있다.
실시예에 따르면, 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101) 아래 공간에는, 상기 프린팅 챔버(100) 내부와 상기 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101) 아래 공간의 온도차를 저감시키기 위한 팬히터(700)가 구비될 수 있다. 팬히터(700)는 예를 들어 열기를 공급하는 PTC 팬히터일 수 있으며, 프린팅 챔버(100) 바닥면(101) 아래 공간에 형성되는 일 측벽에 부착될 수 있으나, 팬히터(700)의 종류 또는 위치는 임의로 정해질 수 있다.
벨로우즈(810)는 백금 도장될 수 있다. 벨로우즈(810)는 실리콘과 같은 유연성 소재로 형성되는 데, 점착성으로 인해 이물질이 부착될 우려가 있다. 백금 도장은 벨로우즈(810)은 점착성을 해소시켜, 벨로우즈(810)에 이물질 및 세균이 부착하는 것을 방지하며, 벨로우즈의 표면 장력을 높여주어 챔버 내부 압력 변화에 따라 벨로우즈가 쉽게 손상되는 것을 방지할 수 있다. 백금의 항균 및 살균 성능은 프린팅 챔버 내부의 멸균 환경을 형성하는 데 유리하게 작용한다.
제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도를 감지하는 온도 센서(240)로부터 센싱값을 입력받아 팬히터(700)의 온/오프를 제어할 수 있다. 고온다습한 프린팅 챔버(100) 내부와 그렇지 않은 프린팅 챔버(100) 외부가 얇은 벨로우즈(810) 하나로 구분되어 있다. 따라서 프린팅 챔버(100) 내부와 하부의 온도차가 커지는 경우, 프린팅 챔버(100) 내부와 외부의 온도 차이에 의한 결로 현상이 발생되어 챔버 내부에 결로수가 형성된다. 제어부(900)는 프린팅 챔버(100) 내부의 온도가 설정값 이상인 경우, 팬 히터(700)를 동작하여 프린팅 챔버(100) 하부 공간의 온도를 상승시킴으로써, 온도 차가 해소되도록 한다. 예를 들어, 팬히터(700)는 프린팅 챔버(100)의 바닥면(101) 아래 공간의 온도가 37℃로 되도록 제어될 수 있다. 이를 통해, 벨로우즈(810)에 결로 현상이 생기는 것을 방지하고, 챔버(100) 내부에 배양중인 세포가 오염되어 실험 결과에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
한편, 프린팅 챔버(100)의 제2 공간(P2)에는 상측면 개구(140)가 형성될 수 있다. 상측면 개구(140)는 예를 들어 원형 단면을 갖는다. 상측면 개구(140)에는 제2 출력모듈(2)의 제2방향 이동을 위한 이동 유닛(820)이 장착될 수 있다. 이동 유닛(820)은 신축성이 있는 로터리 밀폐용 패킹(821)을 구비하며, 로터리 밀폐용 패킹은 프린팅 챔버(100)의 상측면 개구(140)에 끼워지며 상측면 개구(140)를 폐쇄할 수 있다.
벨로우즈(810) 및 로터리 밀폐용 패킹(821)은 프린팅 챔버(100)의 내부 공간을 밀폐하면서, 외부 환경의 영향으로부터 챔버 내부의 환경이 영향을 받지 않도록 한다.
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 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 케이스 100: 프린팅 챔버
210: 히터 220: 워터 자켓
310: 순환 팬 320: 에어 가이드부
330: 보조 순환팬 322: 토출구
340: 필터 410: 트레이
420: 가습 보조 히터 510: CO2 탱크
531: 레귤레이터 700: 팬히터
900: 제어부 P1: 제1 공간
P2: 제2 공간

Claims (12)

  1. 측벽들을 포함하는 벽면들에 의해 프린팅이 수행되는 내부 공간을 정의하는 프린팅 챔버를 포함하는 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치에 있어서,
    상기 프린팅 챔버의 내부 공간을 가열하기 위한 히터를 구비하는 온도 조절부; 및
    상기 프린팅 챔버의 외측에서 일측 측벽을 따라 연장되고 유입구를 통해 유입되는 공기가 내부를 따라 유동하면서 상기 온도 조절부에 의해 가열되며, 토출구를 통해 상기 프린팅 챔버의 내부 공간으로 토출되도록 형성되는 에어 가이드부, 상기 에어 가이드부를 따라 공기를 순환시키기 위한 순환 팬 및 상기 에어 가이드부를 따라 순환하는 공기를 필터링하는 필터를 구비하는 공기 순환부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 프린팅 챔버 측벽 외부에 제공되며 물이 수용되는 워터 자켓을 구비하며,
    상기 워터 자켓은 상기 프린팅 챔버의 일측 측벽과의 사이에서 상기 에어 가이드부를 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필터는 필터 하우징 내부에 설치되고, 상기 필터 하우징은 상기 프린팅 챔버 내부에서 상기 유입구에 탈착 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에어 가이드부의 상기 토출구 측에 제공되고 물을 수용하는 트레이를 구비하여 상기 프린팅 챔버 내부의 습도를 조절하는 습도 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에어 가이드부의 상기 토출구는 상기 프린팅 챔버의 상기 측벽과 상기 프린팅 챔버의 바닥면 사이에 형성되고, 상기 트레이는 상기 토출구를 통해 상기 에어 가이드부의 내측으로 적어도 부분적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 습도 조절부는 상기 트레이의 하부에 배치되어 상기 트레이에 수용된 물을 가열하는 가습 보조 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가습 보조 히터는 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 순환부는 상기 에어 가이드부와 대향하는 측의 상기 프린팅 챔버의 측벽에 구비되는 보조 순환팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 프린팅 챔버 외부에 배치되는 냉기 발생 장치, 상기 냉기 발생 장치로부터 냉기를 제공받도록 상기 프린팅 챔버에 형성되는 냉기 투입구, 및 상기 프린팅 챔버 내부의 냉기를 회수하기 위해 상기 프린팅 챔버에 형성되는 냉기 회수구를 구비하는 냉기 제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프린팅 챔버의 바닥면에는 바닥면 개구가 형성되고, 상기 바닥면 개구의 내주면 사이 공간을 덮어 상기 프린팅 챔버 내부를 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간으로부터 격리하는 벨로우즈를 포함하며,
    상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간에는, 상기 프린팅 챔버 내부와 상기 프린팅 챔버의 바닥면 아래 공간의 온도차를 저감시키기 위한 팬히터가 구비되는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 벨로우즈는 백금 도장된 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 프린팅 챔버의 내부의 CO2 농도를 측정하기 위한 CO2센서;
    CO2 가스가 저장되는 CO2 탱크, 상기 프린팅 챔버에 형성되며 상기 CO2 탱크로부터 상기 프린팅 챔버 내부로 CO2 가스가 투입되는 CO2 가스 투입구와, 상기 프린팅 챔버에 형성되며 상기 프린팅 챔버 내부의 CO2 농도를 조절하기 위한 CO2 밸런스 조절구, 및 CO2 가스의 유입 경로상에 배치되는 레귤레이터를 구비하는 CO2 조절부; 및
    상기 레귤레이터의 작동을 제어하여 순환 경로를 따른 CO2 가스의 유입량을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 3차원 프린터용 챔버 환경 제어 장치.
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