KR20230014120A - 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치 - Google Patents

이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치 Download PDF

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KR20230014120A
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Abstract

본 발명은 (a) 유리기판부가 스테이지부의 상면에 준비되는 단계, (b) 유리기판부의 상면에 광경화성 수지가 떨어지는 단계, (c) 레이저조사부로부터 조사되는 제1 레이저가 광경화성 수지로 조사되는 단계, (d) 광경화성 수지가 제1 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 1차 성장하는 단계, (e) 레이저조사부로부터 조사되는 제2 레이저가 1차 성장된 광경화성 수지로 조사되는 단계, (f) 1차 성장된 광경화성 수지가 제2 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 2차 성장하는 단계 및 (g) 제1, 2 차 성장된 광경화성 수지인 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 단계를 포함하고, 레이저조사부로부터 조사되는 제1, 2 레이저가 상기 광경화성 수지에 조사됨에 따라 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치를 제공한다.

Description

이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치{A double patterning method and apparatus in two-photon stereolithography}
본 발명은 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 레이저로 광경화성 수지를 조사한 후 제2 레이저로 광경화성 수지의 동일한 위치에 동일한 패턴으로 조사하여 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅 공정은 3차원 형상을 기존 공정에 비해 단순한 공정으로 제작할 수 있고 제작 시간이 짧은 장점이 있으며, 무엇보다 다양한 형태에 자유롭게 적용할 수 있는 장점으로 인하여 다양한 산업분야에서 활용되고 있다.
또한, 3D 프린팅 공정은 최근 4차산업혁명 시대에 다품종 소량생산 제품에 대한 요구가 늘어남에 따라 더욱 각광받고 있다.
일반적으로 3D 프린팅 기술은 적층(layer-by-layer) 방법으로 3차원 형상을 제작하는 기술로서, 3차원 CAD 데이터를 슬라이싱하여 여러 층(layer)으로 나누고 각각의 층을 하나씩 적층시켜 3D 프린팅한다.
상기한 3D 프린팅 기술은 제조 방식에 따라 SLS 방식, SLA 방식, LCD 방식, MSLA 방식, DLP 방식 등으로 분류된다.
SLA 방식의 경우, 광경화성 수지로 레이저를 조사하여 광경화성 수지를 경화시킴에 따라 3차원 구조물을 3D 프린팅한다.
이와 관련하여 레이저는 광경화성 수지의 폴리머를 경화(cross-linking) 하게 된다. 이때, 레이저의 출력(P: 파워)에 따라 경화 정도가 달라지게 된다.
구체적으로 조사되는 레이저의 에너지가 높으면 가교(cross-linking)가 많아져 고분자사슬(polymer-chain) 간의 간격이 작아진다.
한편, 조사되는 레이저의 에너지가 낮으면 가교(cross-linking)가 적어 고분자사슬(polyer-chain) 간의 간격이 넓어진다.
이때, 현상(develop) 과정에서 제작된 3차원 형상이 주위의 용매를 흡수하게 되고, 고분자사슬(Polyer-chain)의 간격에 따라 흡수되는 용매의 양이 달라지게 된다.
낮은 레이저 파워에 의해 제작된 패턴의 고분자사슬(polyer-chain) 간격이 넓어지면, 주위 용매 분자들이 흡수될 수 있는 자유부피(free-volume)가 커져 용매가 잘 흡수되게 된다.
이에 따라 용매의 흡수에 의해 고분자 네트워크(polyer-network)에 변형이 일어나게 되며, 이러한 이유에 의해 형상의 변형이 발생하게 된다.
이에 따라 SLA 방식의 한 종류인 나노 스테레오리소그래피 공정에 의해 제작된 얇은 필름 구조에서도 박리 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 상기한 박리 현상을 해결하기 위해 레이저의 파워를 높일 경우, 고출력 레이저에 의해 광경화성 수지의 용매가 기화되어 표면에 버블이 생기거나, 고출력 레이저에 의해 광경화성 수지가 타는 버닝 현상을 발생하는 문제점이 있었다.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제10-2016-0058770호(2016.05.25.)
(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2019-0067403호(2019.06.17.)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광경화성 수지로 제1 레이저를 조사하여 최초 3차원 구조물을 3D 프린팅한 후 제2 레이저를 광경화 수지의 동일한 위치에 동일한 패턴으로 조사하여 3차원 구조물을 3D 프린팅함으로써 박리 현상, 버블 불량 및 버닝 현상을 최소화시키는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 (a) 유리기판부가 스테이지부의 상면에 준비되는 단계; (b) 상기 유리기판부의 상면에 광경화성 수지가 떨어지는 단계; (c) 레이저조사부로부터 조사되는 제1 레이저가 상기 광경화성 수지로 조사되는 단계; (d) 상기 광경화성 수지가 상기 제1 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 1차 성장하는 단계; (e) 상기 레이저조사부로부터 조사되는 제2 레이저가 상기 1차 성장된 광경화성 수지로 조사되는 단계; (f) 상기 1차 성장된 광경화성 수지가 상기 제2 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 2차 성장하는 단계; 및 (g) 상기 제1, 2 차 성장된 광경화성 수지인 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 단계;를 포함하고, 상기 레이저조사부로부터 조사되는 상기 제1, 2 레이저가 상기 광경화성 수지에 조사됨에 따라 상기 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계 및 상기 (e) 단계에서, 상기 레이저조사부는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 제1 레이저가 상기 광경화성 수지 중 경화시키고자 하는 레이저 초점부를 조사하는 단계; (c2) 상기 제1 레이저가 상기 조사된 레이저 초점부에 집광되어 국부적으로 경화되는 영역인 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 형성되는 단계; (c3) 제어부가 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계; 및 (c4) 상기 (c1) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하고, 상기 (c3) 단계에서, 상기 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (d) 단계가 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 제1 레이저에 의해 상기 복셀이 경화되는 단계; (d2) 상기 경화된 복셀이 가교되는 단계; 및 (d3) 상기 가교된 복셀이 중첩되어 1차 성장하면서 최초 3차원 구조물이 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복셀은 상기 z축 방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부를 재조사하는 단계; (e2) 상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부에 집광되어 상기 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 재형성되는 단계; (e3) 제어부가 상기 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계; 및 (e4) 상기 (e1) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하고, 상기 (e3) 단계에서, 상기 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (f) 단계가 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계는, (f1) 상기 제2 레이저에 의해 상기 복셀이 재경화되는 단계; (f2) 상기 경화된 복셀이 재가교되는 단계; 및 (f3) 상기 재가교된 복셀이 중첩되어 2차 성장하면서 3차원 구조물이 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광경화성 수지는 에폭시 계열의 고분자 수지인 Su-8인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 스테이지부; 상기 스테이지부의 상면에 위치하는 유리기판부; 상기 스테이지부와 동일직선상에 위치하여 제1 레이저 및 제2 레이저를 발생시키는 레이저조사부; 상기 스테이지부와 상기 레이저조사부 사이에 위치하여 상기 제1, 2 레이저를 상측방향으로 반사시키는 제1 반사부, 상기 제1 반사부의 상부에 위치하여 상기 제1 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 일측방향으로 반사시키는 제2 반사부 및 상기 제2 반사부와 평행하도록 상기 유리기판부의 상부에 위치하고 상기 제2 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 하측방향으로 반사시키는 제3 반사부를 포함하는 반사부; 상기 유리기판부와 상기 제3 반사부 사이에 위치하여 상기 제3 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 상기 유리기판부의 상면에 위치한 광경화성 수지로 집광시키는 렌즈부; 상기 유리기판부를 향하도록 배치되어 상기 광경화성 수지를 실시간으로 촬영하는 영상촬영부; 및 상기 스테이지부의 동작, 상기 레이저조사부의 출력 및 상기 영상촬영부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 레이저조사부로부터 조사되는 상기 제1, 2 레이저가 상기 광경화성 수지에 조사됨에 따라 상기 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저조사부는 상기 제1 레이저를 발생시킨 후 상기 제1 레이저에 의해 상기 광경화성 수지가 경화 및 가교되면 상기 제2 레이저를 발생시키고, 상기 제2 레이저에 의해 상기 경화 및 가교된 광경화성 수지가 다시 경화 및 가교되어 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저조사부는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부는 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저조사부는 상기 제1 레이저를 상기 광경화성 수지로 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저조사부는 상기 제2 레이저를 상기 1차 성장된 광경화성 수지로 조사하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 광경화성 수지로 제1 레이저를 조사하여 최초 3차원 구조물을 3D 프린팅한 후 제2 레이저를 광경화 수지의 동일한 위치에 동일한 패턴으로 조사하여 3차원 구조물을 3D 프린팅함으로써 박리 현상, 버블 불량 및 버닝 현상을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래기술에 따라 3D 프린팅된 3차원 나노 구조물에서 발생된 박리 현상을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 이용한 이광자 스테레오리소그래피 공정을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 통해 광경화성 수지 중 레이저 초점부에서의 에너지 분포 및 복셀의 모양을 나타낸 도면이다.
도 6의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법에서 레이저조사부의 출력에 따른 용매 흡수 및 형상 변형을 나타낸 개념도이다.
도 7의 (a), (b)는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 통해 제조된 3차원 구조물의 표면 박리 현상을 비교한 도면이다.
도 8의 (a), (b)는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 통해 제조된 3차원 구조물의 표면 버블 불량 및 버닝(burning) 현상을 비교한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
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 포함한다. 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
1. 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치(100)
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치(100)는 3차원 CAD 파일에 포함된 형상정보를 슬라이싱하여 나뉜 각각의 층을 하나씩 적층하여 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 3D프린터이다.
본 발명에서 3D 프린팅하는 방식은 SLA 방식으로 분류될 수 있으며, 이에 따른 본 발명은 나노급 정밀도로 3차원 구조물을 제조할 수 있다.
이를 위한 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 스테이지부(110), 유리기판부(120), 레이저조사부(130), 반사부(140), 렌즈부(150), 제어부(160) 및 영상촬영부(170)를 포함하며, 서로 다른 출력을 가지는 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제1, 2 레이저가 광경화성 수지에 조사됨에 따라 3차원 구조물의 변형을 최소화시킨다.
스테이지부(110)는 평판 형상의 플레이트로서, 유리기판부(120)를 지지한다. 또한, 스테이지부(110)는 제어부(160)의 제어에 의해 x축, y축 및 z축 중 어느 한 축의 방향으로 이동함에 따라 유리기판부(120)를 이동시킨다.
이를 위한 스테이지부(110)는 광경화성 수지가 고정된 0.1nm 분해능을 갖는 xyz 피에조 스테이지(Piezo stage) 및 xyz 피에조 스테이지(Piezo stage)를 이동시키기 위한 모터 스테이지(Motor stage)를 포함할 수 있다.
유리기판부(120)는 투명한 유리로 이루어지고 소정의 두께를 가지며 스테이지부(110)의 상면에 위치한다.
상기한 유리기판부(120)의 상면에는 광경화성 수지가 위치하게 된다. 여기서, 광경화성 수지는 에폭시 계열의 고분자 수지인 Su-8일 수 있다.
레이저조사부(130)는 스테이지부(110)와 동일직선상에 위치하여 서로 다른 출력으로 제1 레이저 및 제2 레이저를 발생시킨다.
구체적으로 레이저조사부(130)는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)일 수 있다.
또한, 레이저조사부(130)는 제어부(160)의 제어에 의해 45mW 및 55mW 중 어느 하나의 출력으로 제1 레이저를 발생시킨다.
한편, 레이저조사부(130)는 제1 레이저가 조사된 후 광경화성 수지가 제1 레이저에 의해 경화 및 가교되면, 제어부(160)의 제어에 의해 15mW 및 30mW 중 어느 하나의 출력으로 제2 레이저를 발생시킨다.
즉, 레이저조사부(130)는 제1 레이저를 발생시킨 후 제1 레이저에 의해 광경화성 수지가 경화 및 가교되면 제2 레이저를 발생시킨다.
이후, 제2 레이저에 의해 경화 및 가교된 광경화성 수지가 다시 경화 및 가교되어 3차원 구조물이 3D 프린팅된다.
여기서, 레이저조사부(130)가 제1 레이저만 발생시킬 경우, 종래기술과 같이 3D 프린팅된 3차원 구조물에서 표면 박리 현상, 표면 버블 불량 및 버닝 현상이 발생된다.
이에 따라 본 발명에서는 레이저조사부(130)가 45mW 및 55mW 중 어느 하나의 출력으로 제1 레이저를 발생시키면 제1 레이저에 의해 3차원 구조물이 1차적으로 3D 프린팅된다.
이후, 레이저조사부(130)가 15mW 및 30mW 중 어느 하나의 출력으로 제2 레이저를 발생시키면 제2 레이저에 의해 3차원 구조물이 2차적으로 3D 프린팅됨에 따라 단일 조사할 경우보다 표면 박리 현상, 표면 버블 불량 및 버닝 현상을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 레이저조사부(130)가 15mW 및 30mW 중 어느 하나의 출력으로 제1 레이저를 발생시키고, 45mW 및 55mW 중 어느 하나의 출력으로 제2 레이저를 발생시키는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그외의 출력으로도 레이저를 발생시킬 수 있다.
반사부(140)는 제1 반사부(141), 제2 반사부(142) 및 제3 반사부(143)를 포함한다.
제1 반사부(141)는 스테이지부(110)와 레이저조사부(130) 사이에 위치하여 제1, 2 레이저를 상측방향으로 반사시킨다.
구체적으로 제1 반사부(141)는 스테이지부(110) 및 레이저조사부(130)와 동일직선상에 위치한다.
또한, 제1 반사부(141)는 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제1, 2 레이저가 상측방향(x축에서 상측방향)으로 반사될 수 있도록 지면과 45°를 이루도록 배치된다.
제2 반사부(142)는 제1 반사부(141)의 상부에 위치하여 제1 반사부(141)에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 일측방향으로 반사시킨다.
구체적으로 제2 반사부(142)는 제1 반사부(141)와 동일직선상에 위치한다.
또한, 제2 반사부(142)는 제1, 2 레이저를 일측방향(y축에서 좌측방향)으로 반사될 수 있도록 지면과 45°를 이루도록 배치된다.
제3 반사부(143)는 제2 반사부(142)와 평행하도록 유리기판부(120)의 상부에 위치하고 제2 반사부(142)에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 하측방향으로 반사시킨다.
구체적으로 제3 반사부(143)는 제2 반사부(142)와 x축으로 평행하도록 배치되고 제1, 2 레이저가 하측방향(z축에서 하측방향)으로 반사될 수 있도록 지면과 45°를 이루도록 배치된다.
렌즈부(150)는 유리기판부(110)와 제3 반사부(143) 사이에 위치하여 제3 반사부(143)에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 유리기판부(110)의 상면에 위치한 광경화성 수지로 집광시킨다.
구체적으로 렌즈부(150)는 유리기판부(110) 및 제3 반사부(143)와 동일직선상에 위치한다.
또한, 렌즈부(150)는 개구수 1.4인 오일 대물렌즈(oil-immersion objective lens, X 100)일 수 있으며, 이러한 렌즈부(150)는 제1, 2 레이저를 광경화성 수지에 집광하여 광경화성 수지를 경화시킨다.
제어부(160)는 스테이지부(110)의 동작, 레이저조사부(130)의 출력 및 영상촬영부(170)의 동작을 제어한다.
우선, 제어부(160)는 스테이지부(110)로 제어신호를 전송하여 스테이지부(110)를 제어함으로써 스테이지부(110)를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시킨다.
또한, 제어부(160)는 레이저조사부(130)의 출력을 제어하여 레이저조사부(130)가 45mW 및 55mW 중 어느 하나의 출력으로 제1 레이저를 발생시키거나 15mW 및 30mW 중 어느 하나의 출력으로 제2 레이저를 발생시키도록 한다.
아울러, 제어부(160)는 영상촬영부(170)의 온오프를 제어할 수 있다.
영상촬영부(170)는 유리기판부(120)를 향하도록 배치되어 광경화성 수지를 실시간으로 촬영한다.
이를 위한 영상촬영부(170)는 고배율 렌즈가 부착된 CCD 카메라일 수 있다.
2. 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법
이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 이용한 이광자 스테레오리소그래피 공정을 나타낸 개념도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법은 (a) 유리기판부(120)가 스테이지부(110)의 상면에 준비되는 단계(S100), (b) 유리기판부(120)의 상면에 광경화성 수지가 떨어지는 단계(S200), (c) 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제1 레이저가 광경화성 수지로 조사되는 단계(S300), (d) 광경화성 수지가 제1 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 1차 성장하는 단계(S400), (e) 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제2 레이저가 1차 성장된 광경화성 수지로 조사되는 단계(S500), (f) 1차 성장된 광경화성 수지가 제2 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 2차 성장하는 단계(S600) 및 (g) 제1, 2 차 성장된 광경화성 수지인 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 단계(S700)를 포함하고, 서로 다른 출력을 가지는 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제1, 2 레이저가 광경화성 수지에 조사됨에 따라 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광경화성 수지는 에폭시 계열의 고분자 수지인 Su-8일 수 있다.
최초, 도 2에 도시된 바와 같은 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치(100)가 준비되고, 상기 (a) 단계(도 4에 도시된 유리기판(Glass substrate))에서와 같이 유리기판부(120)가 스테이지부(110)의 상면에 준비된다.
다음, 도 3을 참조하면, 상기 (b) 단계에서는 유리기판부(120)의 상면에 광경화성 수지가 떨어진다(도 4에 도시된 수지 드로핑(resin dropping)).
다음, 상기 (c) 단계에서는 제1 레이저가 광경화성 수지를 스캐닝한다(도 3의 레이저 스캐닝(laser scanning)).
이때, 상기 (c) 단계 및 상기 (e) 단계에서, 레이저조사부(130)는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)일 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계에서, 레이저조사부(130)는 45mW 및 55mW 중 어느 하나의 출력으로 제1 레이저를 발생시킨다. 이때, 제1 레이저는 제2 레이저보다 상대적으로 고출력으로 출력된 레이저이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치를 통해 광경화성 수지 중 레이저 초점부에서의 에너지 분포 및 복셀의 모양을 나타낸 도면이다.
다음, 상기 (c) 단계는, (c1) 제1 레이저가 광경화성 수지 중 경화시키고자 하는 레이저 초점부를 조사하는 단계, (c2) 제1 레이저가 조사된 레이저 초점부에서 국부적으로 경화되는 영역인 복셀(Voxel: Volume of Pixel)에 집광되는 단계, (c3) 제어부(160)가 기설정된 공정이 미완료된 경우, 스테이지부(110)를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계 및 (c4) 상기 (c1) 단계로 복귀하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (c1) 단계 이전에, 레이저조사부(130)가 제1 레이저를 발생시키는 단계, 제1 반사부(141)가 레이저조사부(130)로부터 조사되는 제1 레이저를 제2 반사부(142)로 반사시키는 단계, 제2 반사부(142)가 제1 반사부(141)에 의해 반사된 제1 레이저를 제3 반사부(143)로 반사시키는 단계 및 제3 반사부(143)가 제2 반사부(142)에 의해 반사된 제1 레이저를 렌즈부(150)로 반사시키는 단계를 포함한다.
여기서, 레이저 초점부는 광경화성 수지 중 경화시키고자 하는 일부 영역을 의미하는 것으로서, 도 5의 좌측에 도시된 바와 같은 에너지분포를 가진다.
도 5에 도시된 레이저의 에너지분포도에 대한 수식은 다음과 같다.
Figure pat00001
도 5의 좌측에 도시된 에너지분포도 및 [수학식 1]과 같이 레이저 에너지 분포가 길쭉한 형태를 나타냄에 따라 복셀(Voxel)의 모양도 제작되는 z축 방향으로 길게 형성된다.
다음, 상기 (c2) 단계에서는 렌즈부(150)가 제3 반사부(143)에 의해 반사된 제1 레이저를 레이저 초점부에 집광시켜 국부적으로 경화되는 영역인 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 형성되며, 이와 관련된 수식은 다음과 같다.
Figure pat00002
(레이저의 파워(P), 레이저 속도(1/t))
이때, 복셀의 모양은 상기 [수학식 2]에서 반영된 레이저의 파워(P) 및 레이저 속도(1/t)에 의해 결정되며, 그외의 공정 변수는 공정 중 일정한 값을 가지는 상수 값이다.
다음, 상기 (c3) 단계에서, 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (d) 단계가 수행된다.
여기서, 기설정된 공정은 3D CAD 파일에 포함된 형상정보에 따라 최초 3차원 구조물을 3D 프린팅하기까지의 공정을 의미한다.
이를 위한 제어부(160)는 3차원 구조물이 완전히 3D 프린팅될 때까지 형상정보에 따라 스테이지부(110)의 이동경로, 이동거리, 이동방향 등을 제어한다.
도 6의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법에서 레이저조사부의 출력에 따른 용매 흡수 및 형상 변형을 나타낸 개념도이다.
다음, 상기 (d) 단계는, (d1) 제1 레이저에 의해 복셀이 경화되는 단계, (d2) 경화된 복셀이 가교되는 단계 및 (d3) 가교된 복셀이 중첩되어 1차 성장하면서 최초 3차원 구조물이 형성(도 4에 도시된 3차원 구조물(3D structure by TPP))되는 단계를 포함한다.
이와 관련하여 레이저는 광경화성 수지의 폴리머를 경화(cross-linking) 하게 된다. 이때, 레이저의 출력(P: 파워)에 따라 경화 정도가 달라지게 된다.
구체적으로 조사되는 레이저의 에너지가 높으면 가교(cross-linking)가 많아져 고분자사슬(polymer-chain) 간의 간격이 작아진다.
한편, 조사되는 레이저의 에너지가 낮으면 가교(cross-linking)가 적어 고분자사슬(polyer-chain) 간의 간격이 넓어진다.
이때, 도 4에 도시된 성장(develop) 과정에서 제작된 3차원 구조물(1, 2 차 구조물)이 주위의 용매를 흡수하게 되고, 고분자사슬(Polyer-chain)의 간격에 따라 흡수되는 용매의 양이 달라지게 된다.
낮은 레이저 파워에 의해 제작된 패턴의 고분자사슬(polyer-chain) 간격이 넓어지면, 주위 용매 분자들이 흡수될 수 있는 자유부피(free-volume)가 커져 용매가 잘 흡수되게 된다. 용매의 흡수에 의해 고분자 네트워크(polyer-network)에 변형이 일어나게 되며, 이러한 이유에 의해 형상의 변형이 발생하게 된다.
이에 따라 본 발명은 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계 이후, 레이저조사부(130)에서 45mW 또는 55mW의 출력으로 조사되는 제1 레이저에 의해 1차 성장된 최초 3차원 구조물에 45mW 또는 55mW의 출력으로 조사되는 제2 레이저를 공급하여 최종적인 3차원 구조물의 형상의 변형을 최소화시킨다.
이를 위한 방법은 아래의 상기 (e) 단계 및 상기 (f) 단계의 세부단계를 통하여 구현된다.
상기 (e) 단계에서, 레이저조사부(130)는 15mW 및 30mw 중 어느 하나의 출력으로 제2 레이저를 발생시킨다.
상기 (e) 단계는 도 4에 도시된 레이저 스캐닝(Laser scanning) 공정이 다시 수행된다.
구체적으로 상기 (e) 단계는, (e1) 제2 레이저가 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부를 재조사하는 단계, (e2) 제2 레이저가 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부에 집광되어 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 재형성되는 단계, (e3) 제어부(160)가 기설정된 공정이 미완료된 경우, 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계 및 (e4) 상기 (e1) 단계로 복귀하는 단계를 포함한다.
상기 (e1) 내지 (e4) 단계는 상기 (c1) 내지 (c4) 단계와 동일하게 수행된다. 다만, 상기 (e1) 내지 (e4) 단계는 상기 (c) 내지 (d) 단계에 의해 1차적으로 제조된 최초 3차원 구조물의 동일한 위치에 동일한 패턴으로 제2 레이저를 다시 조사함으로써 3D 프린팅된 3차원 구조물의 변형(표면 박리 현상, 표면 버블 불량, 버닝 현상)을 최소화시킨다.
한편, 상기 (e3) 단계에서, 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (f) 단계가 수행된다.
다음, 상기 (f) 단계는 도 4에 도시된 성장(Developing) 공정이 다시 수행된다.
다음, 상기 (f) 단계는, (f1) 제2 레이저에 의해 복셀이 재경화되는 단계, (f2) 경화된 복셀이 재가교되는 단계 및 (f3) 재가교된 복셀이 중첩되어 2차 성장하면서 3차원 구조물이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
이후, 상기 (g) 단계에서는 제1, 2 차 성장된 광경화성 수지인 3차원 구조물이 3D 프린팅된다.
도 7의 (a), (b)는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 통해 제조된 3차원 구조물의 표면 박리 현상을 비교한 도면이다. 도 8의 (a), (b)는 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법을 통해 제조된 3차원 구조물의 표면 버블 불량 및 버닝(burning) 현상을 비교한 도면이다.
한 변의 길이가 70μm이고 두께가 5μm인 오각형 구조의 필름을 45mW의 레이저 파워로 단일 조사 시 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 박리 현상이 발견된다.
한편, 박리현상을 개선하기 위해 레이저 파워를 55mW로 높여 같은 형태의 구조를 제작할 경우, 고출력 레이저에 의해 광경화성 수지의 용매가 기화되어 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 표면에 버블이 생기고, 고출력 레이저에 의해 광경화성 수지가 타는 현상이 나타난다.
즉, 종래기술과 같이 광경화성 수지에 레이저를 1회만 조사하는 단일 조사하여 3D 프린팅된 구조물은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 표면 박리 현상이 두드러지게 나타나고, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 표면 버블 불량 및 버닝 현상도 두드러지게 나타난다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법에 의해 3D 프린팅된 3차원 구조물은 종래기술과 비교하였을 때, 도 7의 (b) 및 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 표면 박리 현상, 표면 버블 불량 및 버닝 현상이 나타나지 않는다.
상기한 바에 따른 본 발명은 고출력 레이저 조사로 인한 수지의 손상과 구조의 박리 현상을 최소화하기 위한 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝에 관한 것으로서, 단일조사 후, 동일한 위치에 단일조사 시 조사해준 레이저의 출력(45mW, 55mW)보다 약한 출력인 15, 30mW로 각각 같은 패턴을 재조사하여, 구조 내 가교(cross-linking)를 증가시키고 고분자사슬(polymer-chain) 간의 간격을 줄임으로써 박리 및 수축 등의 불량을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 출력을 분할하여 다중패터닝함으로써 고출력의 레이저 조사로 인한 구조 내 버블 현상과 타는 현상을 개선하고 구조 내 가교(cross-linking)는 증가시키면서도 고출력으로 인한 광경화성 수지의 손상을 줄일 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치
110: 스테이지부
120: 유리기판부
130: 레이저조사부
140: 반사부
141: 제1 반사부
142: 제2 반사부
143: 제3 반사부
150: 렌즈부
160: 제어부
170: 영상촬영부

Claims (13)

  1. (a) 유리기판부가 스테이지부의 상면에 준비되는 단계;
    (b) 상기 유리기판부의 상면에 광경화성 수지가 떨어지는 단계;
    (c) 레이저조사부로부터 조사되는 제1 레이저가 상기 광경화성 수지로 조사되는 단계;
    (d) 상기 광경화성 수지가 상기 제1 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 1차 성장하는 단계;
    (e) 상기 레이저조사부로부터 조사되는 제2 레이저가 상기 1차 성장된 광경화성 수지로 조사되는 단계;
    (f) 상기 1차 성장된 광경화성 수지가 상기 제2 레이저에 의해 경화 및 가교되면서 2차 성장하는 단계; 및
    (g) 상기 제1, 2 차 성장된 광경화성 수지인 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 단계;를 포함하고,
    상기 레이저조사부로부터 조사되는 상기 제1, 2 레이저가 상기 광경화성 수지에 조사됨에 따라 상기 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 및 상기 (e) 단계에서,
    상기 레이저조사부는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)인 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 제1 레이저가 상기 광경화성 수지 중 경화시키고자 하는 레이저 초점부를 조사하는 단계;
    (c2) 상기 제1 레이저가 상기 조사된 레이저 초점부에 집광되어 국부적으로 경화되는 영역인 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 형성되는 단계;
    (c3) 제어부가 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계; 및
    (c4) 상기 (c1) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c3) 단계에서, 상기 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (d) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 제1 레이저에 의해 상기 복셀이 경화되는 단계;
    (d2) 상기 경화된 복셀이 가교되는 단계; 및
    (d3) 상기 가교된 복셀이 중첩되어 1차 성장하면서 최초 3차원 구조물이 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 복셀은 상기 z축 방향으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부를 재조사하는 단계;
    (e2) 상기 제2 레이저가 상기 제1 레이저에 의해 조사된 레이저 초점부에 집광되어 상기 복셀(Voxel: Volume of Pixel)이 재형성되는 단계;
    (e3) 제어부가 상기 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 단계; 및
    (e4) 상기 (e1) 단계로 복귀하는 단계;를 포함하고,
    상기 (e3) 단계에서, 상기 기설정된 공정이 완료된 경우, 상기 (f) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 (f) 단계는,
    (f1) 상기 제2 레이저에 의해 상기 복셀이 재경화되는 단계;
    (f2) 상기 경화된 복셀이 재가교되는 단계; 및
    (f3) 상기 재가교된 복셀이 중첩되어 2차 성장하면서 3차원 구조물이 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 방법.
  8. 스테이지부;
    상기 스테이지부의 상면에 위치하는 유리기판부;
    상기 스테이지부와 동일직선상에 위치하여 제1 레이저 및 제2 레이저를 발생시키는 레이저조사부;
    상기 스테이지부와 상기 레이저조사부 사이에 위치하여 상기 제1, 2 레이저를 상측방향으로 반사시키는 제1 반사부, 상기 제1 반사부의 상부에 위치하여 상기 제1 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 일측방향으로 반사시키는 제2 반사부 및 상기 제2 반사부와 평행하도록 상기 유리기판부의 상부에 위치하고 상기 제2 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 하측방향으로 반사시키는 제3 반사부를 포함하는 반사부;
    상기 유리기판부와 상기 제3 반사부 사이에 위치하여 상기 제3 반사부에 의해 반사된 제1, 2 레이저를 상기 유리기판부의 상면에 위치한 광경화성 수지로 집광시키는 렌즈부;
    상기 유리기판부를 향하도록 배치되어 상기 광경화성 수지를 실시간으로 촬영하는 영상촬영부; 및
    상기 스테이지부의 동작, 상기 레이저조사부의 출력 및 상기 영상촬영부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 레이저조사부로부터 조사되는 상기 제1, 2 레이저가 상기 광경화성 수지에 조사됨에 따라 상기 3차원 구조물의 변형을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 상기 제1 레이저를 발생시킨 후 상기 제1 레이저에 의해 상기 광경화성 수지가 경화 및 가교되면 상기 제2 레이저를 발생시키고,
    상기 제2 레이저에 의해 상기 경화 및 가교된 광경화성 수지가 다시 경화 및 가교되어 3차원 구조물이 3D 프린팅되는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 100fs 이하의 초단펄스 지속시간을 갖는 티타늄 : 사파이어 레이저(Ti : Sapphire laser)인 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는 기설정된 공정이 미완료된 경우, 상기 스테이지부를 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 상기 제1 레이저를 상기 광경화성 수지로 조사하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 레이저조사부는 상기 제2 레이저를 상기 1차 성장된 광경화성 수지로 조사하는 것을 특징으로 하는 이광자 스테레오리소그래피의 이중패터닝 장치.
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EP3208075A1 (en) * 2016-02-17 2017-08-23 Hochschule für angewandte Wissenschaften Aschaffenburg Optical method and apparatus for fabricating a structured object

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