KR20230133533A - 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈 - Google Patents

Abstract

3D 프린터에 사용하는 렌즈 어레이로서, LCD의 크기에 따라 조립하여 사용할 수 있는 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈이 개시된다. 상기 레진을 응고시키기 위한 광을 조사하는 광원, 상기 광원의 상단에 위치하는 LCD 및 상기 광원과 LCD 사이에 위치하며, 광원에서 조사된 광을 집속하여 LCD로 전달하도록 다수의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 렌즈 어레이는 LCD의 가로 길이와 동일한 길이만큼 한 축으로 길게 형성되는 한 단의 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 한 단의 렌즈 어레이를 다수 형성하여, LCD의 크기에 맞춰 렌즈 어레이를 배열 및 조립하는 것인, 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈을 포함한다.

Description

매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈{Multiple deformation prefabricated lens array module with matrix-type structure}

본 발명은 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 3D 프린터에 사용하는 렌즈 어레이로서, LCD의 크기에 따라 조립하여 사용할 수 있는 렌즈 어레이를 포함하는 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈에 관한 것이다.

최근에는 3차원 모델링 툴로 설계한 3D 도면 데이터를 이용하여, 입체 형상의 성형제품을 제작하는 3D 프린터가 널리 사용되고 있다. 3D 프린터는, 3차원의 3D 도면 데이터에 따라, 액체, 파우더 형태의 폴리머, 금속 등의 재료를 적층 방식으로 쌓아 올려 입체 형상의 성형품을 제조한다. 이에 따라, 실제 시제품 제작 시 손쉽게 형상을 수정할 수 있고, 제작비, 재료비, 인건비를 절감할 수 있는 장점이 있다. 3D 프린터는, 자동차, 항공, 건축, 의료, 가전, 완구 등 다양한 분야에 이용되고 있다.

3D 프린터는, 광경화 수지에 레이저를 주사하여 주사된 부분이 경화되도록 하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식, 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 소결시키는 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 용융 수지를 압출하여 조형하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식, 고출력 레이저 빔으로 금속을 직접 성형하는 DMT(Laser-aid Direct Metal Tooling)방식, 기계접합 조형 방식인 LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식, 광경화성 수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 경화시키는 DLP(Digital Light Processing) 방식 등이 알려져 있다.

이 중 DLP 방식의 3D 프린터는 미국특허 US 8110135호의 "PROCESS AND FREEFORM FABRICATION SYSTEM FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL OBJECT"에 개시된 바 있다. 다만, 상기 DLP 방식의 3D 프린터는 한 번에 한 면을 적층하므로 프린팅 시간은 짧지만, 프린팅 면적에 따라 해상도가 달라지게 되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 LCD 패널을 이용한 방식이 제안된 바 있다. 광원에서 나온 빛이 LCD 패널에 도달하고 마스킹된 부분의 광경화 수지가 경화되는 방식으로 알려져 있다.

도 1의 (a)는 종래의 LCD 패널형 3D 프린터의 사용되는 조명 광학계(광조사 장치의 구조)를 보여주는 도면이고, 도 1의 (b)는 종래의 LCD 패널형 3D 프린터에 사용되는 렌즈 어레이의 단면을 보여주는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 LCD 패널형 3D 프린터에 사용되는 조명 광학계는 광원에서 조사된 광을 집속하여 LCD로 전달하도록 다수의 렌즈(A)로 이루어진 구면의 렌즈 어레이(5), 도면에는 도시되어 있지 않지만, 렌즈 어레이(5) 하단에 위치하며, 레진을 응고시키기 위한 광을 조사하는 광원, 상기 렌즈 어레이(5)와 광원 사이에 존재하는 격리판(7), 및 격리판(7)의 하단에 위치하여, 광원의 열을 방열시키는 히트 싱크(2)를 포함한다.

일반적으로 렌즈 어레이(5)는 LCD 크기에 따라 조명 모듈의 사이즈가 결정된다. 상기 LCD의 크기는 5.5인치에서 최대 11인치까지 여러 제품이 있으며, 각 사이즈에 따라 조명 모듈의 크기 또한 달라진다.

따라서, 종래의 3D 프린터의 조명 광학계는 LCD 패널의 크기에 맞는 렌즈 어레이 모듈의 제작이 필수이므로, 이에 따른 금형틀을 새로 제작해야 하기 때문에 시간적, 원가적 측면에서 비효율적이며, 제작 재료비가 고가인 문제가 있다.

따라서, LCD 패널의 크기에 상관없이, 사용할 수 있는 렌즈 어레이가 필요로 하다.

본 발명의 목적은, LCD 크기에 맞춰 최소 단위 구조의 렌즈 어레이를 조립하여 사용할 수 있는 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, LCD의 크기가 달라지더라도 렌즈 어레이의 배열을 다양하게 조립하여, 원하는 크기를 갖는 렌즈 어레이를 형성할 수 있는, 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 레진을 응고시키기 위한 광을 조사하는 광원, 상기 광원의 상단에 위치하는 LCD 및 상기 광원과 LCD 사이에 위치하며, 광원에서 조사된 광을 집속하여 LCD로 전달하도록 다수의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 렌즈 어레이는 LCD의 가로 길이와 동일한 길이만큼 한 축으로 길게 형성되는 한 단의 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 한 단의 렌즈 어레이를 다수 형성하여, LCD의 크기에 맞춰 렌즈 어레이를 배열 및 조립하는 것인, 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈은, LCD의 크기에 따라 렌즈 어레이를 따로 제작하지 않고, 매트릭스형 구조의 다중 변형이 가능한 조립식 렌즈 어레이를 형성할 수 있어 금형 재료비를 절감할 수 있다.

도 1의 (a)는 종래의 LCD 패널형 3D 프린터의 사용되는 조명 광학계(광조사 장치의 구조)를 보여주는 도면이고, 도 1의 (b)는 종래의 LCD 패널형 3D 프린터에 사용되는 렌즈 어레이의 단면을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈을 측면에서 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 단의 렌즈 어레이를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 단의 렌즈 어레이를 사용(배열)하여 렌즈 어레이를 형성하는 것을 보여주는 도면.
도 5는 일반적인 렌즈 어레이의 결합 구조를 측면에서 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 한 단의 렌즈 어레이의 조립 구조를 측면에서 보여주는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈을 측면에서 보여주는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈은 레진을 응고시키기 위한 광을 조사하는 광원(1), 상기 광원의 상단에 위치하는 LCD(3) 및 상기 광원과 LCD 사이에 위치하며, 광원에서 조사된 광을 집속하여 LCD로 전달하도록 다수의 렌즈(A)로 이루어진 렌즈 어레이(5)를 포함하고, 상기 광원과 렌즈 어레이 사이에 위치하며, 상단과 하단이 뚫려 있는 격자 무늬의 다수의 칸이 형성된 형태를 가지는 격리판(7)을 더욱 포함할 수 있다.

상기 렌즈 어레이(5)는 LCD(3)의 가로 길이와 동일한 길이만큼 한 축으로 길게 형성되는 한 단의 렌즈 어레이(L)를 포함하며, 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)를 다수 형성하여, LCD의 배열에 맞춰 렌즈 어레이(5)를 배열한 후 조립한다. 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)들을 조립하여 하나의 구조체인 렌즈 어레이(5)를 형성하는 방법은 하기에 후술된다.

상기 렌즈 어레이(5)는 다수의 렌즈(A)가 일정하게 배열된 하나의 구조체를 조립시킨 구조로 이루어져 있으며, 광원(1)에서 조사된 광을 집속하여, 이를 LCD(3)에 전달한다. 상기 광원(1)은 UV LED인 것이 바람직하다. 상기 렌즈 어레이(5)의 크기는 LCD(3)의 발광 면적과 같거나 그 면적을 덮을 수 있도록 큰 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 단의 렌즈 어레이를 보여주는 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈은 LCD의 전체적인 크기에 맞춰 다수의 렌즈들로 이루어진 한 단의 렌즈 어레이(L)를 제작할 수 있다. 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)는 렌즈 어레이(5)를 형성하기 위한 최소 단위 구조인 것을 의미할 수 있다. 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)는 LCD의 가로 길이와 동일한 길이만큼 하나의 렌즈로 이루어진 셀(A)이 다수 연결된 것으로, 한 축으로 길게 배열된 형태로 제작된다. 구체적으로, 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)는 LCD의 가로 길이(n)를 만족하는 1Xn(n은 1 이상의 자연수)가 되도록 하나의 렌즈로 이루어진 셀(A)이 복수 개 연결된 구조(형태)를 포함한다. 이때, 1은 한 단의 렌즈 어레이(L)를 이루고 있는 최소 단위 구조인 하나의 렌즈로 이루어진 셀(A)을 기준으로 한다. 상기 셀(A)의 크기는 제한없이 사용할 수 있으며, 일반적으로 렌즈 어레이에 사용되는 렌즈의 크기와 동일하게 사용할 수 있다.

상기 LCD의 세로 길이에 맞춰, 한 단의 렌즈 어레이(L)를 여러 개 제작한다. 상기 형성된 각각의 한 단의 렌즈 어레이(L)를 아래 방향으로 단을 형성하듯이 배열한 후 조립하여, 원하는 크기의 렌즈 어레이(5)를 제작할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 단의 렌즈 어레이를 사용(배열)하여 렌즈 어레이를 형성하는 것을 보여주는 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, LCD의 크기가 5X8인 경우(도 4의 (a) 참고), 한 단의 렌즈 어레이(L)는 하나의 렌즈로 이루어진 셀(A)이 총 8개 포함된 1X8로 형성된다. 상기 한 단의 렌즈 어레이(L)(1X8)를 총 5개 제작하고, 이를 아래 방향으로 단을 형성하듯이 배열한다. LCD의 크기와 동일한 배열이 되었으면 이를 조립하여, 매트릭스형 구조의 렌즈 어레이(5)를 제작할 수 있다.

또 다른 예시로 LCD의 크기가 8X8인 경우(도 4의 (b) 참고), 한 단의 렌즈 어레이(L)는 하나의 렌즈로 이루어진 셀(A)이 총 8개 포함된 1X8로 형성되며, 이를 총 8개 제작하여, LCD의 크기와 동일한 배열이 되도록 조립하여, 렌즈 어레이(5)를 형성할 수 있다. 따라서, LCD의 크기가 달라지더라도, 렌즈 어레이의 배열을 조립하여, 원하는 크기를 만들어 낼 수 있다.

본 발명에 따른 매트릭스형 구조의 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈은, LCD 전체 크기와 동일한 렌즈 어레이의 금형틀이 아닌, 상기와 같은 형태를 가지는 한 단의 렌즈 어레이(L)의 금형틀을 제작하여, LCD 크기와 동일한 렌즈 어레이(5)를 형성할 수 있으므로, 금형틀 제작비를 절감할 수 있다.

다음은 다수의 한 단의 렌즈 어레이(L)를 조립하여 렌즈 어레이를 형성하는 방법(결합 구조)에 대하여 개시한다.

도 5는 일반적인 렌즈 어레이의 결합 구조를 측면에서 보여주는 도면이고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 렌즈 어레이는 다수의 렌즈가 일정하게 배열된 것으로, 렌즈(A)와 렌즈(A') 사이에 공간을 두게 되면 광 손실이 발생한다(도 5의 (a)). 해당 공간을 벌어져 있는 상태로 유지할 경우, 3D 프린트를 시뮬레이션 하였을 때, 렌즈 어레이(5)의 렌즈(A)와 렌즈(A') 사이의 공간은 광원(1)에서 발생하는 광이 닿지 않아, 이 부분은 어둡게 짙어져 격자의 형상이 나타나는 것을 알 수 있다(도 5의 (b)).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 한 단의 렌즈 어레이의 조립 구조를 측면에서 보여주는 도면으로, 구체적으로, 본 발명에 따른 한 단의 렌즈 어레이(L)의 렌즈(A)와 다른 한 단의 렌즈 어레이(이하 L'라고도 함)의 렌즈(A')를 조립하는 방법을 측면에서 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 조립식 렌즈 어레이 모듈은 렌즈(A)와 렌즈(A')가 맞닿는 부분에서 발생할 수 있는 균일도 문제(격자 무늬 형상 발생)를 해결하기 위해, 렌즈(A)와 렌즈(A')의 옆면을 특정한 구조를 가지도록 형성하여, 해당 공간을 렌즈로 덮은 형태로 만들어, 렌즈(A)와 렌즈(A') 사이에 발생할 수 있는 격자 무늬를 줄일 수 있다.

구체적으로, 렌즈 어레이의 렌즈 상, 하면이 비스듬한 구조를 가지도록 형성된다(도 6의 (a)). 다른 예시로는 렌즈 어레이의 렌즈 상, 하면이 각각 볼록하게 돌출되는 면과 오목하게 들어가는 면을 가지도록 형성된다(도 6의 (b)). 이와 같이, 렌즈 어레이의 상, 하면에 형성된 특정한 구조에 따라, 다수의 한 단의 렌즈 어레이를 조립할 수 있다. 상기 렌즈의 옆면이 비스듬한 구조를 가지는 경우(도 6의 (a)), 비스듬한 부분이 서로 맞닿는 구조로 조립될 수 있으며, 상기 렌즈의 옆면이 볼록하게 돌출되는 면과 오목하게 들어가는 면을 가지는 경우(도 6의 (b)), 볼록한 면과 들어가는 면이 서로 맞닿아(맞물려) 끼우듯이 조립할 수 있다.

이와 같이, 렌즈의 옆면을 특정한 구조를 가지도록 형성하여, 해당 공간을 렌즈로 덮은 형태로 만들면, 이를 조립할 때 렌즈(A)와 렌즈(A') 사이의 빈틈을 줄일 수 있어, 격자 무늬의 발생을 줄일 수 있다.

도 6의 (c)는 본 발명에 따른 조립식 렌즈 어레이 모듈을 사용한 3D 프린트를 시뮬레이션하였을 때, 렌즈 어레이(5)를 위에서 바라보았을 때의 도면이며, 렌즈 어레이(5)의 렌즈(A)와 렌즈(A') 사이의 공간이 거의 없어, 광원(1)에서 발생하는 광이 닿지 않는 부분에서 발생되는 격자 무늬가 줄어진 것을 확인할 수 있으며, 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 격리판(7)의 간격을 확인하며 정밀한 조립에 용이하다.

상기 렌즈 어레이(5)에 사용되는 렌즈는 광원(1)에서 발생되는 광을 LCD(3)에 균일하게 전달하여, 광경화성 레진의 경화도를 균일하게 만들 수 있다. 상기 렌즈 어레이(5)에 사용되는 렌즈는 제한없이 통상적으로 사용되는 렌즈를 사용할 수 있으나, 프레넬 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 프레넬 렌즈를 사용하게 되면, 평면형의 구조로, 렌즈 어레이 모듈을 조립 시, 구면 렌즈보다 가장 자리의 중첩되는 부분을 보다 용이하게 조립할 수 있다. 또한, 렌즈의 구면 수차 및 왜곡 수차를 최소화시키고, 광원에서 발생되는 광의 직진성을 향상시켜 3D 프린터의 효율을 높일 수 있다.

상기 렌즈 어레이(5)는 일반적으로 열가소성 수지로 폴리(메틸메타아크릴레이트(Poly(Methyl Methacrylate), PMMA)를 많이 사용하지만, 본 발명에 따른 조립식 렌즈 어레이는 열 온도 변화에 더욱 강한 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 LCD(3)는 광원의 상단, 구체적으로는 렌즈 어레이(5)의 상단에 위치한다. 상기 LCD(3)는 만들고자 하는 형태의 3D 설계 데이터를 컴퓨터로 각 단층 이미지로 분리한 후, LCD(3)로 전송하여 단층 이미지를 구현(출력)한다. 상기 LCD(3)에 광원(1)을 조사하면, 마스킹된 부분은 반사되고, 단층 이미지가 출력된 영역은 통과하게 되며, LCD 상단에 존재하는 광경화성 레진에 광원(1)이 조사된다. 상기 광경화성 레진은 LCD의 출력된 단층 이미지의 형태로 경화되며, 이를 반복하여 원하는 형태의 3D 출력물을 얻을 수 있다.

상기 LCD 상부에는 일반적으로 3D 프린터에 사용될 수 있는, 광경화성 레진을 저장하는 저장용기 및 상기 광경화성 레진이 광경화되어 형성되는 3D 출력물이 하방으로 슬라이스 적층되는 빌드 플레이트를 포함하며, 3D 프린터의 동작 수행을 위한 프린터 구동부를 더욱 포함할 수 있다. 상기 수조 및 플랫폼은 일반적인 LCD 방식의 3D 프린터에서 사용되는 저장용기 및 빌드 플레이트를 적용할 수 있다. LCD 방식의 3D 프린터에서 사용되는 수조(VAT)와 공통되며, 종래기술의 수조(VAT)를 활용할 수도 있다.

본원발명에 따른 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈은 종래의 방법과 동일한 방법으로 광 조사가 이루어진다. 예를 들어, 광원(1)에서 발생한 광은 격리판(7)을 지나, 렌즈 어레이(5)에 배열되어 있는 렌즈(A)를 통과하게 된다. 상기 렌즈 어레이(5)를 통과한 광은 LCD(3)에 입사하게 된다. 상기 LCD(3)는 전송된 각 층의 출력된 부분의 출력 영역을 제외한 나머지 부분이 마스킹된 상태에 광원이 조사된다. 상기 광이 조사된 부분이 경화되며, 이를 반복하여 진행함으로써, 3D 출력물을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 다중 변형 조립식 렌즈 어레이 모듈은, LCD와 동일한 크기의 렌즈 어레이를 따로 제작하지 않고, 최소 단위 구조인 한 단의 렌즈 어레이(L)를 여러 개 형성하여, 이를 LCD 크기와 동일하게 배열 및 조립함으로서, LCD 크기에 맞춘 조립식 렌즈 어레이 모듈을 형성할 수 있다.

따라서, LCD 크기와 동일한 전체적인 크기의 렌즈 어레이의 금형판을 제작하지 않고, 최소 단위 구조의 렌즈 어레이의 금형판을 제작하여, LCD 크기의 렌즈 어레이를 형성할 수 있으므로, 금형 재료비를 절감할 수 있어, 시간적, 원가적 측면에서 효율적이다.

Claims (7)

1. 레진을 응고시키기 위한 광을 조사하는 광원;
   상기 광원의 상단에 위치하는 LCD; 및
   상기 광원과 LCD 사이에 위치하며, 광원에서 조사된 광을 집속하여 LCD로 전달하도록 다수의 렌즈로 이루어진 렌즈 어레이를 포함하고,
   상기 렌즈 어레이는 LCD의 가로 길이와 동일한 길이만큼 한 축으로 길게 형성되는 한 단의 렌즈 어레이를 포함하며,
   상기 한 단의 렌즈 어레이를 다수 형성하여, LCD의 크기에 맞춰 렌즈 어레이를 배열 및 조립하는 것인, 매트릭스형 구조의 조립식 렌즈 어레이 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이에 사용되는 렌즈는 프레넬 렌즈인 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 한 단의 렌즈 어레이는 렌즈의 상, 하면이 비스듬한 구조를 가지도록 형성되는 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.
4. 제1항에 있어서, 상기 한 단의 렌즈 어레이는 렌즈의 상, 하면이 각각 볼록하게 돌출되는 면과 오목하게 들어가는 면을 가지도록 형성되는 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이의 재질은 폴리카보네이트(PC)인 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.
6. 제1항에 있어서, 상기 한 단의 렌즈 어레이는 1Xn(n은 LCD의 가로 길이이며, 1 이상의 자연수)인 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.
7. 제1항에 있어서, 상기 광원과 렌즈 어레이 사이에 위치하며, 상단과 하단이 뚫려 있는 격자 무늬의 다수의 칸이 형성된 형태를 가지는 격리판을 더욱 포함하는 것인, 조립식 렌즈 어레이 모듈.