WO2012053674A1 - 3차원 광경화 잉크젯 프린팅 시스템 - Google Patents

3차원 광경화 잉크젯 프린팅 시스템 Download PDF

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WO2012053674A1
WO2012053674A1 PCT/KR2010/007192 KR2010007192W WO2012053674A1 WO 2012053674 A1 WO2012053674 A1 WO 2012053674A1 KR 2010007192 W KR2010007192 W KR 2010007192W WO 2012053674 A1 WO2012053674 A1 WO 2012053674A1
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bit
mainboard
photocuring
color
inkjet printing
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Application number
PCT/KR2010/007192
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English (en)
French (fr)
Inventor
문동완
임현균
Original Assignee
주식회사 씨드
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J3/00—Typewriters or selective printing or marking mechanisms characterised by the purpose for which they are constructed
    • B41J3/407—Typewriters or selective printing or marking mechanisms characterised by the purpose for which they are constructed for marking on special material
    • B41J3/4073—Printing on three-dimensional objects not being in sheet or web form, e.g. spherical or cubic objects

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional printing system, and more particularly to a three-dimensional photocurable inkjet printing system.
  • Inkjet printing technology is an impact dot-matrix printing technique that sprays ink droplets directly onto a printed object through a micro-sized nozzle at a specific position on a plane to form a two-dimensional image with three-dimensional ink.
  • Continuous inkjets were commonly used by IBM in the 1960s, and heat transfer inkjets based on the drop-and-demand bubblejet principle by Hewlett Packard in 1984.
  • Patent US6126260 was developed and at the same time a bubble jet method was specified by Canon. Later, in the mid-1980s, Epson developed a piezo electric inkjet (Japanese Patent JP4431891).
  • G-Cope's three-dimensional printers simply print a shape close to a sample that mimics the product's appearance and require a long processing time.
  • G-Cope's three-dimensional printer is not suitable for mass production because it uses a laser, and is only used for research or sample production.
  • the etching method using laser and the L.P. proposed by E-ink US Patent Publication No. US20070146310A1
  • Zeroink Pattern formation method by phase change using LCP Liquid Crystal Polymer
  • UV-curable inkjet inks were developed in the 1980s but failed to commercialize due to shrinkage problems after adhesion or curing. Since the development of a three-dimensional printer since the mid-2000s, it has evolved into a gel type photocuring ink developed by Xerox in the late 200s. Development of hardware and software for hybrid computer controlled printing system capable of high speed and high precision processing and color profile for precision to print biopolymers and micro electric and electronic precision parts for artificial organs using photocuring ink In order to solve this problem, X86 and ARM processors are used.
  • displays eg digital cameras, film cameras, broadcast cameras, liquid crystal displays, plasma displays, amorphous organic light emitting displays, electroluminescent displays, cathode ray tube displays, electronic paper, small printers, medium to large printers, It is difficult to express the same color because all kinds of inks (phosphor, phosphor, pigment, dye) used in industrial printers, special purpose printers, etc., color range, efficiency, etc. have different characteristics depending on the manufacturer or product. There is no uniformity of color over time and thermal changes.
  • An object of the present invention is to provide a hardware and software system capable of controlling three-dimensional printing, light curing, automated color profiling to solve the above problems.
  • Inkjet printers A parallel cluster of at least one CICS-based X86-64-bit microprocessor, at least two RISC-based 32-bit microprocessors, at least four 16-bit microprocessors, and at least two ASP / DSP-capable image processors Mainboard system; Color profiling control system; And a photocuring control system.
  • a photocuring inkjet printing system is provided.
  • the mainboard system may include a first mainboard module capable of parallel processing capable of running an independent operating system with an X86 based 64-bit 8 thread microprocessor, and an independent operating system with an X86 based 64 bead 4 thread microprocessor.
  • Second and third mainboard modules capable of parallel processing, a fourth mainboard module capable of parallel processing with RISC-based microprocessors, and a fifth mainboard module capable of parallel processing with RISC-based Xscale microprocessors. can do.
  • the first mainboard module and the second and third mainboard modules are connected to an input / output interface with a USB 3.0 controller, and the fourth and fifth mainboard modules are connected with a high speed Ethernet controller.
  • An axial force interface can be connected.
  • the photocuring control system may include at least four 16-bit or 20-bit MCUs, and may include an infrared lamp and an ultraviolet lamp.
  • the color profiling control system may comprise a CCD image sensor, an ultraviolet sensor and an infrared sensor, and at least two 16-bit MCUs.
  • the color management (profiling) system includes the steps of recognizing a print, a defined color profiling review step, an execution judgment step, an image segmentation step, a hardware parallel processing step, and a defined color profiling database update. And applying the modified definition profiling step.
  • the photocurable inkjet printing system uses the CPU chip installed in the module and the deformation gradient based on the conjugate gradient method algorithm used in the supercomputer using the CPU chip installed in the module and the GPU chip, the ARM chip, and the Xscale chip. It can be equipped with a hardware-built software system, a photocuring system and a color profile (management) system that uses open MPI, MP, CL, GL, etc. to draw 5-10 Tflops.
  • the photocurable inkjet printing system may include a virtual shell driver capable of running an independent operating system using a Unix / Linux kernel version 2.6.X or higher kernel.
  • 3D based high-performance analog-digital hybrid computer control capable of high speed and high precision processing to overcome the drop position error of ink in conventional printers and to print biopolymers and ultra-fine electrical and electronic precision parts for artificial organs. It has two-dimensional, 2.5-dimensional, three-dimensional, 3.5 printer system for printer, photo-curing device control system and three-dimensional light curing system using independent operating system of hardware and software of automated color profile system capable of high speed and high precision processing. High precision systems with 0.0000000001% error in dimensional pattern shaping can be useful throughout the printing industry for flexible materials.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall hardware configuration of a three-dimensional printing system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the first motherboard module of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a block diagram of the second and third motherboard modules of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a block diagram of a fourth motherboard module of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a block diagram of a fifth motherboard module of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a block diagram of a control module for the color profiler and the photocuring device of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a block diagram of a sensing module for the color profiler and the photocuring device of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the overall software configuration of the three-dimensional printing system shown in FIG.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation flow by the three-dimensional printing system illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 10 is a block diagram of a color profiling sensing control module.
  • FIG. 11 is a block diagram of an AC / AC converter.
  • FIG. 12 is a detailed block diagram of the first mainboard module of FIG. 1.
  • FIG. 13 is a detailed block diagram of the display of FIG. 1.
  • LED 14 is a drive block diagram of the LED (LED).
  • 15 is a control block diagram of the printer of FIG. 1.
  • 16 is an image sensing and control block diagram.
  • 17 is a control block diagram of a display.
  • 19 is a built-in microprocessor display block diagram.
  • 20A-20B are LED AC / DC analog digital drive block diagrams.
  • 21 is a detailed block diagram of an X86 based processor.
  • 22 is a block diagram of a storage device.
  • 23 is a detailed block diagram of LED driving for an image sensor.
  • PFC reactive power change
  • 25 is a block diagram of a digital PFC power board for the printer and the overall system.
  • Fig. 26 is a block diagram of a digital clock generator for printer ink jetting.
  • Fig. 27 is a block diagram of an analog clock generator for printer ink jetting.
  • 29 schematically shows a circuit diagram of a photocurable inkjet ink system.
  • Fig. 30 is a connection diagram of an AC type ultraviolet ray, infrared ray, and visible light emitting diode.
  • the present invention is a high-performance analog-digital hybrid computer control based on high-speed, high-precision processing to overcome the injection position error of ink in conventional printers and to print biopolymers and ultra-fine electrical and electronic precision parts for artificial organs. It provides a printer system, a photocuring device control system for a three-dimensional printer, and a hardware and software system of an automated color profile system capable of high speed and high precision processing.
  • the present invention is to overcome the drop position error of the ink in a conventional printer and to print a biopolymer for artificial devices and ultra-fine electrical, electronic precision parts, a central processing unit for driving an independent operating system capable of high-speed, high precision processing ( CPU) is an X86-64-bit processor based on at least one Intel or AMD CICS (Complex Instruction Set Computing), at least two ARM (RISC: Reduced) 32-bit ARM processor based on Instruction Set Computing, at least four 16-bit microprocessors, and at least two Analog Signal Processing (ASP) / DSP (Digital Instrument) capable of Digital Signal Processing (DSP) Tertiary based on analog-digital hybrid computer control consisting of parallel clusters of our image processors Printer system for printer, photocuring device control system using X-ray, ultraviolet (UV) light, visible light, microwave, etc., and open MPI (MPI: Message Passing Interface) for high speed and high precision processing Nvidia (G88, 90, 92, 200, GF100, as a
  • a three-dimensional printing system 100 includes a motherboard system including first, second, third, fourth, and fifth motherboard modules 110a, 110b, 110c, 110d, and 110e of a system. And a color profiler 120, a photocuring device 130, a storage device 140, a commercial inkjet printer 150, and a display device 160. Each configuration is interconnected to allow data communication.
  • the first motherboard module 110a is the main computing system of the system, and FIG. 2 shows a block diagram of the first motherboard module.
  • the first motherboard module 110a is an X86 based 64-bit 8-threaded processor that can run an independent operating system.
  • the first motherboard module 110a is capable of parallel processing and processes a display, a print, an input, and an output.
  • the second and third motherboard modules 110b and 110c are auxiliary computing systems of the system, and a block diagram of the second and third motherboard modules is shown in FIG. 3.
  • the second and third motherboard modules 110b and 110c may run an independent operating system as an X86 based 64-bit four thread processor.
  • the second and third motherboard modules are capable of parallel processing and handle display, print, input and output.
  • the fourth motherboard module 110d is a main processing system, and a block diagram of the fourth motherboard module is shown in FIG. 4.
  • the fourth motherboard module 110d is a RISC-based ARM processor that is responsible for high-speed computation and may drive an independent operating system.
  • the fourth motherboard module is capable of parallel processing and handles display, print, input, and output.
  • the fifth motherboard module 110e is an auxiliary processing system, in which a block diagram of the fifth motherboard module is shown.
  • the fifth motherboard module 110e is a RISC-based Xscale processor capable of high-speed digital operation control, and it is difficult to operate an independent operating system, but kernel or shell driving is possible.
  • the fifth motherboard module is capable of parallel processing and processes display, print, input, and output.
  • the color profiler 120 is a module capable of color definition and analysis color matching, and the photocuring device 130 controls photocuring.
  • 6 is a block diagram of a control module for a color profiler and a photocuring device, showing a layout of a hardware microcontroller.
  • 7 is a block diagram of a sensing module for a color profiler and a photocuring device, showing an image sensor detection microcontroller arrangement.
  • FIG. 8 shows the overall software configuration of the three-dimensional printing system shown in FIG. 1.
  • the numerical values detected by the various sensors are parallelly operated and connected to the control device (color management, photocuring control, inkjet head), and the user is notified of the ink ejection state and the printer state in real time.
  • the control device color management, photocuring control, inkjet head
  • FIG. 9 shows the operation flow by the three-dimensional printing system shown in FIG. As shown in FIG. 9, the color matching profile information and the photocuring control data are transmitted to the step S002 through the fifth motherboard module in step S001 to execute the computer parallel distributed processing operation program, and then to each motherboard module in step S003. It is distributed and processed.
  • step S004 and the target value of the operation coincides with the parallel operation using the multi-core by the multi-core of the first motherboard module, if the target value does not match through the step S010 of the second and third motherboard module If the processor is parallelized and processed by a multi-processor, and if the target value is larger than the target value in step S013, the feedback is returned to step S004, and the data is stored (S008) and displayed (S007) by the computer cluster language of steps S005 and S006 and S013 If the target value is lower than the target value, the controller moves to the fourth motherboard module (S018) and if the target value is the same in step S013, steps S015 and S016 are performed in sequence, and feedback is sent to step S003 in step S017 to calculate.
  • step S013 If the target value is low in step S013, the process moves to steps S018, S019, S020, S021, and S022, and then moves to step S010.
  • This structure is taken as a ring count method of a recursive feedback structure to form software capable of correcting the calculation by the high speed processing.
  • FIG. 10 is a block diagram of a color profiling sensing control module. As shown in FIG. 10, YUV (RGB) is used in a DAC hardware (digital-analog) codec having a 10-bit depth after detecting an image in a CCD and CMOS image sensor. ) Is converted to HSL or HSV using ARM-SOC and transmitted.
  • DAC hardware digital-analog codec having a 10-bit depth after detecting an image in a CCD and CMOS image sensor.
  • FIG. 11 is a block diagram of an AC / AC converter, which is an AC / AC conversion circuit of hardware for driving infrared and ultraviolet lamps of a photocuring device.
  • FIG. 12 is a detailed block diagram of the first mainboard module of FIG. 1.
  • FIG. 13 is a detailed block diagram of the display of FIG. 1, which is a circuit diagram for controlling a CCD / CMOS image sensor connected to a printer and input and output (liquid crystal display, voice, keyboard).
  • LED 14 is a drive block diagram of an LED, which is a control and active power (power) conversion diagram for driving ultraviolet, infrared, and visible light emitting diodes.
  • FIG. 15 is a control block diagram of the printer of FIG. 1, which illustrates a power distribution and connection (wired, wireless) connection with an output device (liquid crystal display) for driving a printer.
  • 16 is an image sensing and control block diagram illustrating analog-to-digital conversion and error detection for CCD / CMOS image detection and transmission control.
  • 17 is a control block diagram of a display, which is a display control controller circuit diagram for color management (color profiling).
  • Fig. 18 is a scanning control block diagram showing a circuit diagram of a scanner having a printer-attached 48-bit color depth (depth of color) which is one of the input devices.
  • FIG. 19 is a block diagram of a built-in microprocessor display, which shows an image monitored by a CCD / CMOS with a controller of a display attached to a printer.
  • 20A to 20B are LED AC / DC analog digital drive block diagrams showing an active AC / DC conversion circuit through a microcontroller for a DC type light emitting diode.
  • Fig. 21 is a detailed block diagram of an X86 based processor, which is a circuit diagram between the power and communication system of the main and auxiliary computing devices to be embedded in the printer.
  • Fig. 22 is a block diagram of a storage device, showing a device connection circuit for a communication system and power distribution of a storage device to be built in a printer.
  • Figure 23 is a detailed block diagram of the LED drive circuit for the CCD / CMOS image sensor.
  • FIG. 24 is a block diagram of an analog reactive power conversion circuit (PFC) power board for a printer and the overall system, showing a passive reactive power conversion circuit of full power for electromagnetic shielding (EMI) and power failure prevention (ESD) of the printer and the entire system. to be.
  • PFC analog reactive power conversion circuit
  • EMI electromagnetic shielding
  • ESD power failure prevention
  • reactive power conversion does not use all of single-phase 220V and 60Hz power, but only 80% or less of power is used when converting to power factor conversion (three phase to single phase, AC to DC). The rest of the power cannot be used to cause a short circuit or a power outage, and short circuit the electronic circuit board or computer board. It also leads to an increase in power costs. Devices that require 600W of no-load driving power actually require more than 750W of power.
  • FIG. 25 is a block diagram of a digital PFC power board for a printer and an overall system, showing an active reactive power conversion circuit of full power for electromagnetic shielding and power failure prevention of the fritter and the entire system.
  • Fig. 26 is a block diagram of a digital clock generator for printer ink jetting, which is a frequency modulation circuit for ink jetting of the printer. Through frequency conversion, the number and size of ink jet droplets can be adjusted.
  • Fig. 27 is a block diagram of an analog clock generator for printer ink jetting, which is a frequency modulation circuit for ink jetting of the printer. Through frequency conversion, the number and size of the ink droplets can be adjusted.
  • the color analysis and matching system includes a hardware / software color analysis and matching system start step T1 of the printer; Recognizing a to-be-printed object (T2); Color analysis and matching hardware system T13-1; A defined color profiling review step T13-2; Execution determination step T14; Image segmentation step T15; Hardware parallel processing step T16; A defined color profiling database update step (T17); Applying a modified definition profiling step (T18); And a system shutdown step (T19).
  • FIG. 29 is a schematic diagram of a photocurable inkjet ink system, and is a connection diagram of a DC-type ultraviolet, infrared, and visible light emitting diode.
  • Fig. 30 is a connection diagram of an AC type ultraviolet ray, infrared ray, and visible light emitting diode.
  • Hewlett-Packard Designer Jet Z3200, Epson's Stylus Pro 7900, and Canon's IPF 8000 are used to configure three-dimensional photocurable print hardware.
  • a CPU that runs an independent operating system capable of high-speed, high-precision processing for printing bio-polymers and ultra-fine electrical and electronic precision parts for artificial organs and overcoming injection position errors in conventional inkjet printers.
  • Three-dimensional analog-digital hybrid computer control based on a parallel cluster of CISC X86-64-bit processors, at least two ARM's RISC 32-bit ARM processors, and Texas Instruments' image processors capable of at least two ASP / DSPs
  • a motherboard module composed of a separate five-layer is configured.
  • the first motherboard module has one core I7 860 that can handle eight multi-threads based on Nehalem architecture on a motherboard based on Intel's P55 chipset.
  • the Radeon 5850 will be installed with physical memory and AMD's RV800 architecture.
  • the 2nd and 3rd motherboard modules are equipped with four GT240 and DDR3 based 4GB of physical memory, designed with ATOM D525, which handles four multithreaded with two parallel Intel ATOM architectures, and Nvidia's F200 architecture. do.
  • Four ARM-based Samsung C6410s are installed in the fourth motherboard module, and three Texas Instruments TMS320C641x, TMS320C672x, and TMS320DM646x are disposed in the same space.
  • the fifth motherboard module is arranged with an xscale chip of PXA255-400 capable of eight 16 to 32 bits of Intel Corporation.
  • the modular motherboard system consisting of five chapters, the first motherboard module and the second and third motherboard modules connect I / O interfaces to NEC's USB 2.0 or 3.0 controllers, and the fourth and fifth motherboards.
  • the module connects the I / O interface to the Fast Ethernet controller.
  • modules of USB 2.0 or 3.0, Firewire 1394, and High Fast Ethernet are installed, and 6 Intel SSD 160GB are installed and connected as data storage devices.
  • the photocuring control system is equipped with at least four 16-bit or 20-bit Texas Instruments microcontroller units (MCUs), including 20 optical P8D237 and 10 P8D236 DC-type UV light emitting diodes from Seoul Optic, or 8 NC4U134 and 4 NC133 from Nichia. 12 AC 20W Infrared Lamps of GE's AC, 6 8W Mercury UV Lamps of Sankyo, Plasma Life's Plasma Life and Corona Surface Treatment System on the back of a commercial printer. It is connected to the USB 2.0 port and the second and third motherboard modules of the digital hybrid control system.
  • MCUs Texas Instruments microcontroller units
  • the color profiling control system deploys CCD image sensors for detecting three colors (red, green, and blue channels), five ultraviolet, infrared, and optical sensors, and at least two 16-bit Texas Instruments MCUs and the MS320DM646x SOC from Texas Instruments. It consists of (System on Chip) and is connected by 4th and 5th motherboard module and Fast Ethernet controller.
  • AUO's 19-inch touchscreen LCD panel for verifying color profiling and computer operating system for analog-digital hybrid computer control system, photocuring control system, and color profiling control system for three-dimensional photocurable printing
  • a 9-inch touch screen LCD panel for driving the photocuring control system is connected to the first motherboard module.
  • Computer operating system such as Unix / Linux, Windows, Mac OSx using Unix / Linux kernel version 2.6.X or higher kernel, which is a non-commercial Hybrid Kernel using Fortran and High Level programming languages of C ++, C #, JAVA, A #, F # It provides a hardware virtual shell driver that can multi-drive.
  • the photocuring system and the color profiling (management) system are basically built-in hardware programming.
  • Consists of 5 layers Modular main board receives the values calculated by the system and converts the red, green, and blue color channels (Hue, Saturation, Lightness) into Hue, Saturation, Value color channels. Detects, computes, and compares the color profile defined in, and sends the CIE Luv value to the connected display device, and sends the calibrated value to the CIE Lab value to the connected printer, thereby converting the user's desired color channel into existing RIP (Raster Image Processor) software. Red, green, and blue color values received from digital cameras calibrated on printed matter inserted into the printer by hardware without the use of high resolution can be displayed on the display and the printer without distortion or distortion.
  • RIP Raster Image Processor
  • the standardized data is transferred to a display, a printer, a plasma, and a corona device to electrically flatten an uneven substrate by the corona device, thereby attempting to flatten.
  • it is transferred to the plasma apparatus by an automated command controlled by the computer and surface treated by the atmospheric pressure ion plasma to have a surface tension suitable for ink suitability by the plasma apparatus.
  • Printed materials transported to the back of the printer are cleaned by UV-C (253 nm, 50 mJ) mercury lamps in the light curing system and simultaneously printed with UV-B (305 nm, 50 mJ) mercury lamps and UV-LEDs (365,375 nm). And 150 mJ).
  • the ink head is controlled to be sprayed precisely (error rate 0.0000000001%) at the position of the first spray-cured ink by the repetitive repetition of the ink head.
  • the injection error of the injected ink is 0.0001% / cubic inch, but in the present invention, the error can be controlled to have an error rate of 1/1000000.
  • the head ejection can be controlled by the hardware so that 21 ejections can be performed by the current software (using RIP software) 7 ejections when the head is repeatedly repeated. .
  • the plasma device At the end of the planarization operation, it is transferred to the plasma device by an automated command controlled by the computer and surfaced by the ambient temperature atmospheric ion plasma (1ATM, 298.15K) to have a surface tension suitable for ink aptitude (1 minute / cubic meter) by the plasma device. Is processed.
  • the poly-amorphous silicon wafer transferred to the rear of the printer is cleaned by UV-C (253nm, 50mJ) mercury lamp of the photocuring system, and the polyimide and photoresist are sprayed on the poly-amorphous wafer in the order of 100 micrometers vertically.
  • a UV-B (305 nm, 50 mJ) mercury lamp and UV-LED (365,375 nm, 150 mJ) are photocured (1 min / cubic meter).
  • the head of the head can be controlled in hardware to perform the repetition of the head 21 times in hardware, thereby manufacturing the photosensitive film of the liquid crystal display.
  • the final product is formed in the form of 2.5D, 3D, 3.5D and processed for a processing time of less than 20 minutes, the process error rate is 0.1%.
  • Photosensitive films of liquid crystal displays were manufactured by conventional methods using existing ultraviolet light curing. Nitrogen atmosphere for 90 minutes surface treatment by CVD (Chemical Vapor Deposition) for surface treatment of poly-amorphous silicon wafer based on micronized film blueprint of 1 cubic meter display photosensitive film Polyimide was deposited on a poly-amorphous silicon wafer treated with vacuum at room temperature under reduced pressure (-1ATM, 298.15K) to PECVD (Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition) at a thickness of 100 micrometer for 180 minutes, and photoresist was used.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • PECVD Pullasma Enhance Chemical Vapor Deposition
  • UV-A (365 nm, 1000 mJ) by applying 100% of photosensitive to 90 micrometers using CVD (Chemical Vapor Deposition) for 90 minutes and re-treating room temperature vacuum decompression (-1ATM, 298.15K) under nitrogen atmosphere for 120 minutes
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • -1ATM room temperature vacuum decompression
  • the developer is exposed for 5 minutes at a wavelength and used for 5 minutes.
  • the developed dielectric is then treated again with an etching solution for 5 minutes to remove the peeling solution
  • the final product is shaped to have 2.5D and processed for 12 hours of processing time with a process error rate of 5%.
  • a 1 cubic meter display photoresist was manufactured by the Flexo printing method currently used as a liquid crystal display photoresist.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • -1ATM room temperature vacuum decompression
  • Print polyimide on a polymorphic wafer at 100 micrometers thickness for 1 minute with printer, then cure for 1 minute at UV-A (365nm, 800mJ) wavelength, then print photoresist (non-photosensitive, non-photosensitive) 100 micrometer thick (Goo Engineering Co., Ltd.
  • the final product has a shape of 2.5D and 3D, and is processed by processing for 2 hours.
  • the process error rate is 2%.
  • the final product process time can be shortened by a difference of 6 to 36 times in process time, and the difference in process error rate of Example 1 and Comparative Example 1 is due to exposure or etching of Comparative Example.
  • the edge portion of the incompletely completed pattern on the polymorphic wafer was about 50 times more different than when it was inspected with a defective rate, and the degree of defective defect was less in Example 1, and 20 times or more compared with Comparative Example 2. It occurred less frequently, which shortened and decreased production process time and process error rate.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)

Abstract

본 발명은 3차원 프린팅 시스템에 관한 것으로서, 특히 3차원 광경화 잉크젯 프린팅 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 잉크젯 프린터; 적어도 하나의 CICS 기반의 X86-64비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 RISC 기반의 32비트 마이크로프로세서와, 적어도 4개의 16비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 ASP/DSP가 가능한 이미지 프로세서의 병렬 클러스터로 구성된 메인보드 시스템; 컬러 프로파일링 시스템; 및 광경화 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템이 제공된다.

Description

3차원 광경화 잉크젯 프린팅 시스템
본 발명은 3차원 프린팅 시스템에 관한 것으로서, 특히 3차원 광경화 잉크젯 프린팅 시스템에 관한 것이다.
잉크젯 인쇄기술은 3차원의 잉크로 2차원적인 화상을 형성하기 위하여 평면 상의 특정 위치에 잉크 방울을 크기가 마이크로 단위의 노즐을 통해 피 인쇄물에 직접 분사하는 충격식 도트-매트릭스 인쇄기술이다. 1960년대에 들어서 아이비엠(IBM)사에 의해 연속 방식의 잉크젯이 통용되다가 1984년에 들어서 휴렛팩커드(Hewlett Packard)사에 의해 드롭-앤-디맨드 방식의 버블젯 원리에 근거한 열 전사 방식의 잉크젯 방식(미국특허 US6126260)이 개발되었고 동시에 캐논(Cannon)사에 의해 버블젯 방식이 구체화되었다. 이후 1980년대 중반에 엡손(Epson)사가 피에조 일렉트릭 방식의 잉크젯(일본특허 JP4431891)을 개발하였다. 1990년대 들어서 고속, 고정밀 처리가 가능하며 산업용 잉크젯에 사용하기 위하여 후지-디매틱스(Fuji-Dimatix)사, 자아(Xaar)사, 교세라(Kyocera)사, 도시바 테크(Toshiba tec)사, 제록스(Xerox)사, 삼성 전기 등에 의해 산업용 잉크젯 헤드가 개발되었다. 2000년대에 들어서 휴렛팩커드사는 인공장기용 생체 고분자를 프린팅하기 위한 프린터를 연구하기 시작하였으며, 엡손사는 전자, 전기 정밀부품 연구용 프린터를 연구하기 시작하였다. 3차원 프린터는 2000년대에 들어서 양사(휴렛팩커드, 엡손)의 연구결과의 산물로서, 2000년대 중반에 들어서 지-코프(Z-corp)사는 X, Y, Z축의 패턴을 갖는 3차원 프린터(캐나다특허 CA2036653C)를 선보이기 시작하였다. 하지만, 지-코프사의 3차원 프린터는 단순히 제품의 외형을 본뜬 샘플에 가까운 형태를 프린팅하며 긴 처리시간을 필요로 한다. 또한 지-코프사의 3차원 프린터는 레이저를 이용한 방식이기 때문에 대량 생산에 적합하지 않으며 연구용이나 샘플 제작으로만 사용되고 있다. 인공장기나 초미세 전기, 전자 정밀부품의 제작을 위하여, 레이저를 이용한 식각 방식과 이-잉크(E-ink)사(미국특허공개 US20070146310A1)와 제로잉크(Zeroink)사에 의해 제안된 엘시피(LCP : Liquid Crystal Polymer)를 이용하는 상변화에 의한 패턴 형성 방식이 이슈화된 바 있으나 근본적인 해결책은 아니다. 현재 3차원 형상의 인공장기나 초미세 전기, 전자 정밀부품을 제조하기 위해 종래의 2차원 프린팅이 가능한 잉크젯 헤드를 이용하는 방식이 연구되고 있다.
3차원 프린터에 들어가는 잉크와 관련하여, 1980년대에 들어서 친환경적인 자외선 경화 잉크젯 잉크가 개발되었으나 부착이나 경화 후 수축 문제로 인해 상용화에 실패하였다. 이후 2000년대 중반부터 3차원 프린터의 개발이 진행되면서 200년대 후반에는 제록스사가 개발한 겔 형태의 광경화 잉크로 진화하고 있다. 이러한 광경화 잉크를 사용하여 인공장기를 위한 생체 고분자와 초미세 전기, 전자 정밀부품을 프린팅하기 위하여 고속, 고정밀 처리가 가능한 하이브리드 컴퓨터 제어 프린팅 시스템과 정밀도를 위한 컬러 프로파일에 대한 하드웨어, 소프트웨어의 개발이 요구되고 있으며, 많은 양의 데이터 처리가 불가피하므로 이를 해결하기 위하여 X86, ARM 프로세서가 사용된다. 자동화된 컬러 프로파일의 경우 디스플레이(예를 들면, 디지털카메라, 필름카메라, 방송용 카메라, 액정디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 아몰퍼스 오르가닉 발광 디스플레이, 전계 발광 디스플레이, 음극선관 디스플레이, 전자종이, 소형 프린터, 중대형 프린터, 산업용 프린터, 특수목적 프린터) 등에 있어서 사용되는 잉크(형광체, 인광체, 안료, 염료)의 종류나 색의 표현 범위, 효율 등이 제조사나 제품에 따라 모두 다른 특성을 가지고 있어서 동일한 색을 모두 표현하기 어려우며 시간과 열적 변화에 따른 색의 통일성도 없다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 3차원 프린팅, 광 경화, 자동화된 컬러 프로파일링의 제어가 가능한 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면,
잉크젯 프린터; 적어도 하나의 CICS 기반의 X86-64비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 RISC 기반의 32비트 마이크로프로세서와, 적어도 4개의 16비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 ASP/DSP가 가능한 이미지 프로세서의 병렬 클러스터로 구성된 메인보드 시스템; 컬러 프로파일링 제어시스템; 및 광경화 제어시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템이 제공된다.
상기 메인보드 시스템은, X86 기반 64비트 8스레드의 마이크로프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있는 병렬처리가 가능한 제1 메인보드 모듈과, X86 기반 64비드 4스레드의 마이크로프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있는 병렬처리가 가능한 제2, 제3 메인보드 모듈과, RISC 기반의 마이크로프로세서로 병렬처리가 가능한 제4 메인보드 모듈과, RISC 기반의 Xscale 마이크로프로세서로 병렬처리가 가능한 제5 메인보드 모듈을 구비할 수 있다. 상기 메인보드 모듈의 병렬 클러스팅을 위하여 상기 제1 메인보드 모듈과 제2, 제3 메인보드 모듈은 USB 3.0 컨트롤러로 입출력 인터페이스 연결되고, 상기 제4, 제5 메인보드 모듈은 고속 이더넷 컨트롤러로 입축력 인터페이스 연결될 수 있다.
상기 광경화 제어시스템은, 16비트 또는 20비트의 MCU를 적어도 4개 구비하며, 적외선 램프 및 자외선 램프를 구비할 수 있다.
상기 컬러 프로파일링 제어시스템은 CCD 이미지 센서, 자외선 센서 및 적외선 센서와, 적어도 2개의 16비트 MCU를 구비할 수 있다.
상기 컬러 매니지먼트(프로파일링) 시스템은, 피인쇄물을 인식하는 단계와, 정의된 컬러 프로파일링 검토단계와, 실행판단 단계와, 이미지 분할 단계와, 하드웨어 병렬 프로세싱 단계와, 정의된 컬러 프로파일링 데이터베이스 업데이트 단계와, 수정된 정의 프로파일링 적용 단계를 수행할 수 있다.
상기 광경화 잉크젯 프린팅 시스템은 모듈화된 메인보드의 부동 소수점 연산 능력을 모듈에 설치된 CPU칩과, GPU칩, ARM칩, Xscale칩을 사용하여 수퍼컴퓨터에 사용되는 컨주게이트 그래디언트법 알고리즘 기반의 변형 알고리즘을 오픈 MPI, MP, CL, GL 등을 사용하여 5~10 Tflops까지 이끌어내는 하드웨어적으로 내장된 소프트웨어 시스템과 광경화 시스템과 컬러 프로파일(매니지먼트) 시스템을 구비할 수 있다.
상기 광경화 잉크젯 프린팅 시스템은 Unix/Linux 커널 버전 2.6.X 이상의 커널을 사용하여 독립적인 운영체제를 구동할 수 있는 가상 쉘 구동기를 구비할 수 있다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 구체적으로는 종래의 프린터에서 잉크의 드롭 위치 오차를 극복하며 인공장기를 위한 생체 고분자와 초미세 전기, 전자 정밀부품을 프린팅하기 위하여 고속, 고정밀 처리가 가능한 고성능 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린터를 위한 프린터 시스템과 광경화 장치 제어 시스템 및 고속, 고정밀 처리가 가능한 자동화된 컬러 프로파일 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어의 독립적인 운영체제를 이용한 3차원 광경화 시스템을 가지며 2차원, 2.5차원, 3차원, 3.5차원의 패턴 형상화에서 0.0000000001%의 오차를 가지는 고정밀 시스템으로 유연한 소재의 프린팅 산업 전반에 유용하게 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 시스템의 전체적인 하드웨어 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 제1 메인보드 모듈의 블록도이다.
도 3은 도 1의 제2, 제3 메인보드 모듈의 블록도이다.
도 4는 도 1의 제4 메인보드 모듈의 블록도이다.
도 5는 도 1의 제5 메인보드 모듈의 블록도이다.
도 6은 도 1의 컬러 프로파일러와 광경화 장치를 위한 제어모듈의 블록도이다.
도 7은 도 1의 컬러 프로파일러와 광경화 장치를 위한 센싱모듈의 블록도이다.
도 8은 도 1에 도시된 3차원 프린팅 시스템의 전체적인 소프트웨어 구성을 도시한 블록도이다.
도 9는 도 1에 도시된 3차원 프린팅 시스템에 의한 연산흐름을 도시한 순서도이다.
도 10은 컬러프로파일일링 센싱제어 모듈의 블록도이다.
도 11은 AC/AC 컨버터의 블록도이다.
도 12는 도 1의 제1 메인보드 모듈의 세부 블록도이다.
도 13은 도 1의 디스플레이의 세부 블록도이다.
도 14는 엘이디(LED)의 구동 블록도이다.
도 15는 도 1의 프린터의 제어 블록도이다.
도 16은 이미지 센싱 및 제어 블록도이다.
도 17은 디스플레이의 제어 블록도이다.
도 18은 스캐닝 제어 블록도이다.
도 19는 내장형 마이크로프로세서 디스플레이 블록도이다.
도 20a 내지 도 20b는 LED AC/DC 아날로그 디지털 구동 블록도이다.
도 21은 X86기반 프로세서의 세부 블록도이다.
도 22는 저장장치의 블록도이다.
도 23은 이미지 센서를 위한 LED 구동 세부 블록도이다.
도 24는 프린터 및 전체 시스템을 위한 아날로그 무효전력변화(PFC) 파워보드의 블록도이다.
도 25는 프린터 및 전체 시스템을 위한 디지털 PFC 파워보드의 블록도이다.
도 26은 프린터 잉크 분사를 위한 디지털 클럭 제너레이터의 블록도이다.
도 27은 프린터 잉크 분사를 위한 아날로그 클럭 제너레이터의 블록도이다.
도 28은 컬러 프로파일링 소프트웨어의 흐름을 도시한 순서도이다.
도 29는 광경화 잉크젯 잉크 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 30은 AC형의 자외선, 적외선, 가시광선 발광 다이오드의 결선도이다.
본 발명은 종래의 프린터에서 잉크의 분사 위치 오차를 극복하며 인공장기를 위한 생체 고분자와 초미세 전기, 전자 정밀부품을 프린팅하기 위하여, 고속, 고정밀 처리가 가능한 고성능 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린터를 위한 프린터 시스템과 광경화 장치 제어 시스템 및 고속, 고정밀 처리가 가능한 자동화된 컬러 프로파일 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 제공한다.
본 발명은 종래의 프린터에서 잉크의 드롭 위치 오차를 극복하며 인공장치를 위한 생체 고분자와 초미세 전기, 전자 정밀부품을 프린팅하기 위하여, 고속, 고정밀 처리가 가능한 독립적인 운영체제를 구동하는 중앙처리장치(CPU)로서 적어도 하나 이상의 인텔 또는 에이엠디(AMD)사의 씨아이에스씨(CICS : Complex Instruction Set Computing)기반 X86-64비트 기반의 프로세서, 적어도 2개 이상의 에이알엠(ARM)사의 알아이에스씨(RISC : Reduced Instruction Set Computing) 기반의 32비트 ARM 프로세서, 적어도 4개 이상의 16비트 마이크로프로세서, 적어도 2개 이상의 에이에스피(ASP : Analog Signal Processing)/디에스피(DSP : Digital Signal Processing)가 가능한 텍사스 인스트루먼트(Texas Instrument)사의 이미지 프로세서의 병렬 클러스터로 구성된 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린터를 위한 프린터 시스템과, 엑스선(X-ray), 자외선(UV), 가시광선, 마이크로웨이브 등의 광을 이용한 광경화 장치 제어 시스템 및 고속, 고정밀 처리가 가능한 오픈 엠피아이(MPI : Message Passing Interface), 엠피(MP : Multi Processing), 씨엘(CL : Computing Language), 지엘(Graphic Library)가 가능한 지피유(GPU : Graphic Processing Unit)로서 엔비디아(Nvidia)사(G88, 90, 92, 200, GF100, 104, 106의 아키텍쳐), AMD(RV800, 900의 아키텍쳐)사의 그래픽 칩셋을 이용한 색표현 국제표준인 CIECAM02보다 정교한 알고리즘을 갖는 자동화된 컬러 프로파일 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어의 독립적인 운영체제를 갖는 3차원 광경화 프린팅을 사용한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 시스템의 전체적인 하드웨어 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 3차원 프린팅 시스템(100)은 시스템의 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 메인보드 모듈(110a, 110b, 110c, 110d, 110e)을 구비하는 메인보드 시스템과, 컬러 프로파일러(120)와, 광경화 장치(130)와, 저장장치(140)와, 상용의 잉크젯 프린터(150)와, 디스플레이 장치(160)을 구비한다. 각 구성은 상호 연결되어 데이터 통신이 가능하다.
제1 메인보드 모듈(110a)은 시스템의 주 연산 시스템으로서, 도 2에는 제1 메인보드 모듈의 블록도가 도시되어 있다. 제1 메인보드 모듈(110a)은 X86 기반 64비트 8스레드의 프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있다. 제1 메인보드 모듈(110a)은 병렬처리가 가능하며 디스플레이, 프린트, 입력, 출력을 처리한다.
제2, 제3 메인보드 모듈(110b, 110c)는 시스템의 보조 연산 시스템으로서, 도 3에는 제2, 제3 메인보드 모듈의 블록도가 도시되어 있다. 제2, 제3 메인보드 모듈(110b, 110c)은 X86 기반 64비트 4스레드의 프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있다. 제2, 제3 메인보드 모듈은 병렬처리가 가능하며 디스플레이, 프린트, 입력, 출력을 처리한다.
제4 메인보드 모듈(110d)은 주 프로세싱 시스템으로서, 도 4에는 제4 메인보드 모듈의 블록도가 도시되어 있다. 제4 메인보드 모듈(110d)은 RISC 기반 ARM 프로세서로 고속의 연산 처리를 담당하며 독립 운영체제를 구동할 수 있다. 제4 메인보드 모듈은 병렬처리가 가능하며 디스플레이, 프린트, 입력, 출력을 처리한다.
제5 메인보드 모듈(110e)은 보조 프로세싱 시스템으로서, 도 5에는 제5 메인보드 모듈의 블록도가 도시되어 있다. 제5 메인보드 모듈(110e)은 RISC 기반 엑스스케일(Xscale) 프로세서로 고속의 디지털 연산 제어가 가능하며 독립적인 운영체제는 구동하기 어려우나 커널(kernel)이나 쉘(shell) 구동은 가능하다. 제5 메인보드 모듈은 병렬처리가 가능하며 디스플레이, 프린트, 입력, 출력을 처리한다.
컬러 프로파일러(120)는 컬러 정의 및 분석 컬러매칭이 가능한 모듈이며, 광경화 장치(130)는 광경화를 제어한다. 도 6은 컬러 프로파일러와 광경화 장치를 위한 제어모듈의 블록도로서, 하드웨어 마이크로 컨트롤러의 배치도이다. 도 7은 컬러 프로파일러와 광경화 장치를 위한 센싱모듈의 블록도로서, 이미지 센서 검출 마이크로 컨트롤러 배치도이다.
도 8에는 도 1에 도시된 3차원 프린팅 시스템의 전체적인 소프트웨어 구성이 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각종 센서에 의해 검출된 수치를 병렬 연산하여 제어장치(컬러매니지먼트, 광경화 제어, 잉크젯 헤드)에 연결 제어하며 사용자에게 실시간으로 잉크의 분사 상태와 프린터 상태를 알려준다.
도 9에는 도 1에 도시된 3차원 프린팅 시스템에 의한 연산흐름이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, S001 단계에서 제5 메인보드 모듈을 통해 컬러매칭 프로파일 정보 및 광경화 제어 데이터를 S002 단계로 전송하여 컴퓨터 병렬분산 처리 연산 프로그램을 실행하는 S003 단계에서 각 메인보드 모듈에 분배되어 연산 처리한다. S004 단계에서 처리된 연산과 연산의 목적치가 일치하면 제1 메인보드 모듈의 멀티 코어에 의해 멀티 코어를 이용한 병렬 연산이 처리되며 목적치가 일치하지 않으면 S010 단계를 거쳐 제2, 제3 메인보드 모듈의 멀티 프로세서, 멀티 코어에 의해 병렬화되어 처리하여 S013 단계에서 목적치 값보다 크면 피드백하여 S004 단계로 이동 확인하여 S005 단계와 S006 단계의 컴퓨터 클러스터 언어에 의해 데이터 저장(S008)과 디스플레이(S007)하며 S013 단계에서 목적치보다 낮으면 제4 메인보드 모듈로 이동하여 연산을 기다리며(S018) S013 단계에서 목적치와 동일하면 S015 단계와 S016 단계를 차례로 수행하고 S017 단계에서 S003 단계로 피드백 전송되어 연산한다. S013 단계에서 목적치가 낮으면 S018, S019, S020, S021, S022 단계로 차례로 이동 처리하며 S010 단계로 이동 연산된다. 이러한 구조를 재귀적 피드백 구조의 링 카운트 방식을 취하여 고속처리에 의한 연산을 보정할 수 있는 소프트웨어를 형성한다.
도 10은 컬러 프로파일링 센싱제어 모듈의 블록도로서, 도 10에 도시된 바와 같이, CCD, CMOS 이미지 센서에서 이미지를 검출한 후 10비트 심도를 가진 DAC하드웨어(디지털-아날로그) 코덱에서 YUV(RGB)를 ARM-SOC를 사용하여 HSL이나 HSV로 색상 값 변환후 전송한다.
도 11은 AC/AC 컨버터의 블록도로서, 광경화 장치의 적외선 및 자외선 램프의 구동을 위한 하드웨어의 AC/AC 변환 회로이다.
도 12는 도 1의 제1 메인보드 모듈의 세부 블록도이다.
도 13은 도 1의 디스플레이의 세부 블록도로서, 프린터에 연결된 CCD/CMOS 이미지 센서 및 입력, 출력(액정 디스플레이, 음성, 키보드) 제어를 위한 회로도이다.
도 14는 엘이디(LED)의 구동 블록도로서, 자외선, 적외선, 가시광선 발광 다이오드를 구동하기 위한 제어 및 능동 파워(전력) 변환도이다.
도 15는 도 1의 프린터의 제어 블록도로서, 프린터 구동을 위한 전력분배 및 출력장치(액정디스플레이)와의 연결(유선, 무선)도이다.
도 16은 이미지 센싱 및 제어 블록도로서, CCD/CMOS 이미지 검출 및 전송 제어를 위한 아날로그-디지털 변환 및 에러 검출도이다.
도 17은 디스플레이의 제어 블록도로서, 컬러매니지먼트(컬러 프로파일링)를 위한 디스플레이 제어 컨트롤러 회로도이다.
도 18은 스캐닝 제어 블록도로서, 입력장치의 하나인 프린터 부착 48비트 색상 심도(색의 깊이)를 갖는 스캐너의 회로도이다.
도 19는 내장형 마이크로프로세서 디스플레이 블록도로서, CCD/CMOS에서 모니터링된 영상을 프린터에 부착된 디스플레이의 컨트롤러로 영상을 보여주는 회로도이다.
도 20a 내지 도 20b는 LED AC/DC 아날로그 디지털 구동 블록도로서, DC형의 발광 다이오드를 위한 마이크로 컨트롤러를 통한 능동 AC/DC 변환 회로를 보여준다.
도 21은 X86기반 프로세서의 세부 블록도로서, 프린터에 내장될 주, 보조 연산 장치의 전력 및 통신 시스템 사이의 회로도이다.
도 22는 저장장치의 블록도로서, 프린터에 내장될 저장장치의 통신 시스템 및 전력분배에 대한 장치 연결 회로도이다.
도 23은 CCD/CMOS 이미지 센서를 위한 LED 구동 회로에 대한 세부 블록도이다.
도 24는 프린터 및 전체 시스템을 위한 아날로그 무효전력변환회로(PFC) 파워보드의 블록도로서, 프린터 및 전체 시스템의 전자파차단(EMI), 정전방지(ESD)를 위한 전체 전력의 수동 무효전력변환 회로도이다. 무효전력변환이란 일반적으로 단상 220V, 60Hz의 전력이 다 사용되는 것이 아니라 역률 변환(3상에서 단상, AC에서 DC)으로 변환시 일반적인 사용은 80% 이하 전력만이 사용된다. 나머지 전력은 사용할 수 없어 누전이나 정전 등을 일으키는 원인으로 작용하며 전자회로보드나 컴퓨터 보드를 단락시키는 원인으로 작용한다. 또한 전력 비용의 상승을 가져다 준다. 600W의 무부하 구동 전력이 필요한 장치라면 실제로는 750W 이상의 전력이 필요하다. 이러한 부분에서 유럽, 미국, 일본은 무효전력변환회로 장착시 세제 혜택 등을 권장하는데 반해 한국 전력 및 관련 회사들은 외면하고 있다. 무효전력변환(능동소자 효율 99.9% 이상, 수동 소자 효율 99% 이상)을 통해 전력 소모를 최소화할 수 있으며 전자파 차단이나 정전 방지가 가능하여 보다 쾌적한 전력을 사용할 수 있다.
도 25는 프린터 및 전체 시스템을 위한 디지털 PFC 파워보드의 블록도로서, 프리터 및 전체 시스템의 전자파차단, 정전방지를 위한 전체 전력의 능동 무효전력변환 회로도이다.
도 26은 프린터 잉크 분사를 위한 디지털 클럭 제너레이터의 블록도로서, 프린터의 잉크 분사를 위한 주파수 변조회로이다. 주파수 변환을 통하여 잉크 분사 방울의 개수와 크기를 조절할 수 있다.
도 27은 프린터 잉크 분사를 위한 아날로그 클럭 제너레이터의 블록도로서, 프린터의 잉크 분사를 위한 주파수 변조 회로이다. 주파수 변환을 통하여 잉크 방울의 개수와 크기를 조절할 수 있다.
도 28은 컬러 매니지먼트(프로파일링) 시스템이 소프트웨어의 흐름을 도시한 순서도이다. 도 28을 참조하면, 컬러 분석 및 매칭 시스템은 프린터의 하드웨어/소프트웨어 컬러분석 및 매칭 시스템 시작단계(T1); 피인쇄물을 인식하는 단계(T2); 컬러 분석 및 매칭 하드웨어 시스템(T13-1); 정의된 컬러 프로파일링 검토단계(T13-2); 실행 판단 단계(T14); 이미지 분할 단계(T15); 하드웨어 병렬 프로세싱 단계(T16); 정의된 컬러 프로파일링 데이터베이스 업데이트 단계(T17); 수정된 정의 프로파일링 적용 단계(T18); 및 시스템 종료단계(T19)를 포함한다.
도 29는 광경화 잉크젯 잉크 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 것으로서, DC형의 자외선, 적외선, 가시광선 발광 다이오드의 결선도이다.
도 30은 AC형의 자외선, 적외선, 가시광선 발광 다이오드의 결선도이다.
이하에서는 3차원 광경화 프린트를 위한 하드웨어 구현 및 설계에 대하여 설명한다. 3차원 광경화 프린트 하드웨어를 구성하기 위하여 휴렛팩커드사의 디자이너 젯(Designer jet) Z3200, 엡손사의 스타일러스 프로(Stylus Pro) 7900, 캐논사의 IPF 8000을 적어도 2대 이상 이용하여 구성한다. 종래의 잉크젯 프린터에서 분사 위치 오차를 극복하며 인공장기를 위한 생체 고분자와 초미세 전기, 전자 정밀부품을 프린팅하기 위하여 고속, 고정밀 처리가 가능한 독립적인 운영체제를 구동하는 CPU로서 적어도 하나의 인텔 또는 AMD사의 CISC X86-64비트 기반의 프로세서, 적어도 2개의 ARM사의 RISC 32비트 기반의 ARM 프로세서, 적어도 2개의 ASP/DSP가 가능한 텍사스 인스트루먼트사의 이미지 프로세서의 병렬 클러스터로 구성된 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린터를 위한 프린터 시스템을 구성하기 위하여 상기의 상용 프린터 외에 별도의 5층으로 구성된 메인보드 모듈을 구성한다.
5층으로 구성된 메인보드 모듈에서 제1 메인보드 모듈에는 인텔사의 P55 칩셋 기반의 메인보드에 네할렘 아키텍쳐 기반의 8개의 다중 스레드를 처리할 수 있는 하나의 코어 I7 860을 DDR3 기반의 2GB의 4개의 물리적 메모리와 AMD사의 RV800 아키텍쳐로 구성된 Radeon 5850이 설치된다. 제2, 제3 메인보드 모듈에는 2개의 병렬로 구성된 인텔사의 ATOM 아키텍쳐로 4개의 다중 스레드를 처리하는 ATOM D525와 Nvidia사의 F200아키텍쳐로 설계된 4개의 GT240과 DDR3 기반의 1GB의 4개의 물리적 메모리가 설치된다. 제4 메인보드 모듈에는 4개의 ARM 기반 삼성 C6410을 설치되며 동일한 공간에 3개의 텍사스 인스트루먼트사의 TMS320C641x, TMS320C672x, TMS320DM646x가 배치된다. 제5 메인보드 모듈에는 인텔사의 8개의 16 내지 32비트가 가능한 PXA255-400의 xscale칩을 배치된다. 5장으로 구성된 모듈화된 메인보드 시스템을 병렬 클러스터링하기 위해 제1 메인보드 모듈과 제2, 제3 메인보드 모듈은 NEC사의 USB 2.0 또는 3.0 컨트롤러로 입출력 인터페이스를 연결하고, 제4, 제5 메인보드 모듈은 고속 이더넷 컨트롤러로 입출력 인터페이스를 연결한다.
모듈화된 메인보드와 프린터를 연결하기 위하여 USB 2.0 또는 3.0, Firewire 1394, High Fast Ethernet의 모듈을 설치하며 데이터 저장장치로 인텔 SSD 160GB 6개를 설치, 연결하여 3차원 광경화 프린팅을 위한 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 시스템을 구성한다
광경화 제어시스템은 16비트 또는 20비트의 텍사스 인스트루먼트사의 MCU(Micro Controller Unit)을 적어도 4개 배치하여 서울옵틱사의 DC 타입의 자외선 발광 다이오드 P8D237 20개와 P8D236 10개, 또는 Nichia사의 NC4U134 8개와 NC4U133 4개를 사용하며, GE사의 AC타입의 20W 적외선 램프 12개, Sankyo사의 8W 수은 자외선 램프 6개, 상용 프린터 후면에 상용의 (주)플라즈마라이프사의 플라즈마, 코로나 표면 처리 장치를 구성하며 메인 시스템인 아날로그-디지털 하이브리드 제어 시스템의 제2, 제3 메인보드 모듈과 USB 2.0 포트로 구성 연결된다.
컬러 프로파일링 제어시스템은 3개의 색상(Red, Green, Blue channel) 검출을 위한 CCD 이미지 센서와 자외선, 적외선, 광센서 5개와 16비트의 텍사스 인스트루먼트사의 MCU를 적어도 2개 배치하고 텍사스 인스트루먼트사의 MS320DM646x SOC(System on Chip)를 구성하며 제4, 제5 메인보드 모듈과 고속 이더넷 컨트롤러로 구성 연결된다.
구성된 3차원 광경화 프린팅을 위한 아날로그-디지털 하이브리드 컴퓨터 제어 시스템, 광경화 제어시스템, 컬러 프로파일링 제어시스템을 확인 과정을 위해 컴퓨터 운영체제, 컬러 프로파일링을 확인하기 위한 AUO사의 19인치 터치스크린 LCD 패널과 광경화 제어시스템의 구동을 위한 9인치 터치 스크린 LCD 패널을 제1 메인보드 모듈과 연결한다.
5층으로 구성된 메인보드 모듈을 하드웨어적으로 제어하기 위하여 HDL(Hardware Description Language)인 Low-Level Language의 Assembler 및 RTL(Register Transistor Level) 수준의 Verilog, VHDL, System C언어로 컴파일이 가능한 상용 하드웨어 시스템 설계 소프트웨어인 Bluespec사의 Bluespec을 이용 Low Level 프로그래밍하여 이식하며 프린터를 하드웨어적으로 제어하기 위하여 PDL(Printer Description Language)인 상용의 Adobe사의 Poster Script나 비상용의 Ghost Script를 사용 고속의 고정 및 부동 소수점 연산을 위해 Fortran과 C++, C#, JAVA, A#, F#의 High Level 프로그래밍 언어를 사용하여 비상용의 Hybrid Kernel인 Unix/Linux 커널 버전 2.6.X 이상의 커널을 사용하여 Unix/Linux, Windows, Mac OSx 등의 컴퓨터 운영체제를 멀티 구동할 수 있는 하드웨어 가상 쉘 구동기를 구성 제공한다.
이제, 3차원 광경화 프린트를 위한 소프트웨어 구현 및 설계에 대하여 설명한다. 3차원 광경화 프린트의 소프트웨어를 구성하기 위하여 하드웨어 가상 쉘 구동기에 사용자에 의해 설치된 운영체제가 구동할 수 있는 운영체제 상의 구동기를 제공하기 위하여 High Level 프로그래밍 언어인 C++을 사용 제1, 제2, 제3 메인보드 모듈에서 오픈 MPI, MP, CL 등을 사용한다. 상용인 마이크로소프트사의 프로그램 개발 툴인 비주얼 스튜디오 2010, 애플사의 개발 툴인 X코드, 비상용의 리눅스 상의 개발 툴인 GCC를 통해 5층으로 모듈화된 메인보드의 부동 소수점 연산 능력을 모듈에 설치된 CPU칩과 GPU칩을 모두 사용하여 수퍼컴퓨터에서 사용되는 컨주게이트 그래디언트법 알고리즘(Conjugate Gradient Method Algotithm) 기반의 변형 알고리즘을 오픈 MPI, MP, CL, GL 등을 이용 사용 5~10 Tflops까지 이끌어낼 수 있도록 한다.
광경화 시스템과 컬러 프로파일링(매니지먼트) 시스템은 기본적으로 내장 하드웨어 프로그래밍을 한다. 5층으로 구성됨 모듈화 메인보드에서 상기 시스템에서 연산된 수치를 전송받아 적, 녹, 청 색상 채널(Hue, Saturation, Lightness)을 Hue, Saturation, Value 색상 채널로 전환하여 국제조명학회 및 국제표준 값 6500k에서 정의된 색상 프로파일을 검출, 연산 비교하여 연결된 디스플레이 장치로는 CIE Luv 값으로 전송하며 연결된 프린터에는 CIE Lab값으로 교정된 수치를 전송하여 사용자가 원하는 색상 채널을 기존의 RIP(Raster Image Processor) 소프트웨어를 사용하지 않고 하드웨어적으로 프린터에 삽입된 피 인쇄물에 보정된 디지털 카메라에서 받은 적, 녹, 청 색상 값을 디스플레이와 프린터에서 왜곡이나 변형없이 고정밀 출력이 가능하게 된다.
기존의 전자고집적회로이 패턴 형성을 위해 마이크로 필름을 사용하는 감광 및 식각 공정보다 빠르며 정확하고 선예도가 뛰어난 형성이 가능하며 위치제어에 의해 비선형의 표현이 더욱 자유로워진다.
구현 예 1.
3차원 광 경화 프린트 하드웨어를 구성 하기 위하여 Hewlett-Packard사의 Designer jet Z3200, Epson사의 Stylus Pro 7900, Canon사의 IPF 8000를 사용 하여 보정 되지 않은 디지털 카메라에 찍힌 사진이나 영상 또는 전용의 소프트웨어(Autodesk사의 AutoCad 2010이나 Cadence사의 OrCad v16.3, 고밀도 집적회로 전용 Bluespec사의 Bluespec에 의해 도면화)를 사용한 데이터를 CCD이미지 센서를 통해 피 인쇄물의 표면 형상(평탄도), 표면 특성을 DSP에서 C++구성된 Open CV 라이브러리 통해 국제 표준 값으로 정의한 수치 정형화된 데이터 파일(Red, Green, Blue-> Hue, Saturation, Light or Hue, Saturation, Value)을 5층으로 구성된 모듈 1, 2, 3번 메인 보드에서 Open MPI, MP, CL을 통해 부동 소수점을 고속, 고정밀 연산하여 0.0000000001%의 잉크 분사 위치 오차율을 가지는 잉크 정밀도를 갖도록 한다. 정형화된 데이터를 디스플레이, 프린터, 플라즈마, 코로나 장치에 전송하여 코로나 장치에 의해 평탄하지 않는 피 인쇄물을 전기적으로 대전하여 평탄화를 시도한다. 평탄화 작업이 끝나면 컴퓨터에 제어된 자동화된 명령에 의해 플라즈마 장치로 이송되며 플라즈마 장치에 의해 잉크 적성에 알맞은 표면 장력을 갖도록 대기압 이온 플라즈마에 의해 표면 처리된다. 프린터 후면으로 이송된 피 인쇄물은 광 경화 시스템의 UV-C (253nm, 50mJ)의 수은 램프에 의해 세정 작용을 하며 프린팅과 동시에 UV-B (305nm, 50mJ)의 수은 램프와 UV-LED(365,375nm, 150mJ)에 의해 광 경화된다. 경화 시에 잉크 헤드의 순행 반복에 의해 먼저 분사 경화된 잉크의 위치에 정확히(오차율 0.0000000001%)분사되도록 제어 한다. 일반적으로 분사된 잉크의 분사 오차는 0.0001%/입방인치가 되나 본 발명에서는 그 오차를 1/1000000의 오차율을 갖도록 제어 하는 것이 가능하다. 분사된 잉크의 3차원 형상을 갖게 하기 위하여 헤드의 분사를 헤드의 순행 반복 시 현재의 소프트웨어적(RIP 소프트웨어 사용)7번의 분사에서 하드웨어적으로 21번의 분사가 가능 하도록 하드웨어적으로 제어가 가능 하게 만든다.
실시예 1.
3차원 광 경화 프린트 하드웨어를 구성 하기 위하여 Hewlett-Packard사의 Designer jet Z3200, Epson사의 Stylus Pro 7900, Canon사의 IPF 8000사용 하여 Autodesk사의 AutoCad나 Cadence사의 OrCad, 고밀도 집적회로 전용 Bluespec사의 Bluespec에 의해 도면화된 1입방미터의 액정 디스플레이 감광막의 데이터를 5분 이내의 시간 동안 CCD이미지 센서를 통해 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼의 표면 형상(평탄도), 표면 특성을 DSP에서 C++구성된 Open CV 라이브러리 통해 국제 표준 값으로 정의한 수치 정형화 된 데이터 파일(Red, Green, Blue-> Hue, Saturation, Light or Hue, Saturation, Value)로 전환하여 5층으로 구성된 모듈 1, 2, 3번 메인 보드에서 Open MPI, MP, CL을 통해 부동 소수점을 고속, 고 정밀 연산하여 0.0000000001%의 잉크 분사 위치 오류를 가지는 잉크 정밀도를 갖도록 한다. 5분이내에 정형화된 데이터를 디스플레이, 프린터, 플라즈마, 코로나 장치에 전송하여 코로나 장치에 의해 평탄하지 않는 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼를 전기적으로 대전하여 평탄화를 1분/입방미터 간 시도한다. 평탄화 작업이 끝나면 컴퓨터에 제어된 자동화된 명령에 의해 플라즈마 장치로 이송되며 플라즈마 장치에 의해 (1분/입방미터) 잉크 적성에 알맞은 표면 장력을 갖도록 상온 대기압 이온 플라즈마(1ATM, 298.15K)에 의해 표면 처리된다. 프린터 후면으로 이송된 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼를 광 경화 시스템의 UV-C (253nm, 50mJ)의 수은 램프에 의해 표면 세정 작용을 하며 폴리 아몰퍼스 웨이퍼 위에 폴리이미드와 포토레지스트를 순차 수직적으로 100마이크로 두께로 분사 프린팅(1분/입방미터)과 동시에 UV-B (305nm, 50mJ)의 수은 램프와 UV-LED(365,375nm, 150mJ)에 의해 (1분/입방미터) 광 경화 된다. 경화 시에 잉크 헤드의 순행 반복에 의해 먼저 분사 경화된 잉크의 위치에 정확히(오차율 0.0000000001%) 분사되도록 제어한다. 분사된 잉크의 3차원 형상을 갖게 하기 위하여 헤드의 분사를 헤드의 순행 반복을 하드웨어적으로 21번 수행 하도록 하드웨어적으로 제어가 가능 하게 하여 액정 디스플레이의 감광막을 제조한다. 최종의 산물의 형상은 2.5D, 3D, 3.5D를 갖는 형태로 수행시간 20분 이내의 공정 시간 동안 처리하여 만들어지며 공정 에러율은 0.1%를 가진다.
비교예 1.
기존의 자외선 광 경화를 이용하여 전통적인 방법으로 액정 디스플레이의 감광막을 제조하였다. 1입방미터 크기의 디스플레이 감광막의 마이크로화된 필름 청사진을 바탕으로 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼의 표면처리를 위해 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 가하여 90분간 표면 처리를 하고 120분간 표면의 화학 물질의 제거하는 질소 분위기하 상온 진공 감압(-1ATM, 298.15K) 처리를 하여 처리된 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼에 폴리이미드를 PECVD(Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition)를 180분간 100마이크로 미터 두께로 증착을 하며 포토레지스터(비감광성 사용, 감광성 비사용)를 100마이크로 미터 두께로 CVD(Chemical Vapor Deposition)사용 90분간 도포하여 질소 분위기하 상온 진공 감압(-1ATM, 298.15K) 처리를 120분간 다시 처리를 하여 UV-A(365nm, 1000mJ) 파장에서 5분간 노광하여 현상액을 5분간 사용 현상하며 현상된 유전체를 에칭액을 사용 5분간 다시 처리를 처리하여 박리액(염소계 용제:디크로로에탄, 유기 용제:에탄올)을 사용 3분간 레지스트를 박리하여 최종 진공 장치에서 120분간 처리하여 디스플레이의 감광막을 제조한다. 최종의 산물의 형상은 2.5D를 갖는 형태로 12시간 내의 공정 시간 동안 처리하여 만들어지며 공정 에러율은 5%를 가진다.
비교예 2.
현재 액정 디스플레이 감광막으로 사용 되는 Flexo 프린팅 방법으로 1입방미터 크기의 디스플레이 감광막을 제조 하였다. 폴리 아몰퍼스 실리콘 웨이퍼의 표면처리를 위해 CVD(Chemical Vapor Deposition)을 가하여 15분간 표면 처리를 하고 45분간 표면의 화학 물질의 제거하는 질소 분위기하 상온 진공 감압(-1ATM, 298.15K) 처리를 하여 처리된 폴리 아몰퍼스 웨이퍼에 폴리이미드를 프린터로 1분간 100마이크로 미터 두께로 프린팅 후 UV-A(365nm, 800mJ) 파장에서 1분간 경화 후 포토레지스터(비감광성 사용, 감광성 비사용)를 100마이크로 미터 두께로 프린팅(㈜거우엔지니어링 GW-1000 프린터)하여 UV-A(365nm, 800mJ)파장에서 1분간 경화 후 3분간 레지스트를 박리하여 최종 진공 장치에서 10분간 처리하여 디스플레이의 감광막을 제조한다. 최종의 산물의 형상은 2.5D, 3D를 갖는 형태로 2시간 내의 공정 시간 동안 처리하여 만들어지며 공정 에러율은 2%를 가진다.
실시예 1와 비교예 1, 2를 비교하면 공정 시간이 6 ~ 36 배의 차이로 최종 제품 공정 시간을 단축할 수 있으며 실시예 1과 비교예 1의 공정 에러율의 차이는 비교예의 노광이나 에칭에 의해 폴리 아몰퍼스 웨이퍼 상에서 불완전하게 완성되는 패턴의 에지 부분이 불량률로 검사하였을 경우의 약 50배 이상 차이가 났으며 실시 예 1에서 정도 불량율이 더 적게 발생하였으며 비교예 2와 비교 하였을 때는 20배 이상 더 적게 발생 하여 생산 공정 시간 및 공정 에러율을 단축, 감소하는 결과를 보였다.
이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나는 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 잉크젯 프린터;
    적어도 하나의 CICS 기반의 X86-64비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 RISC 기반의 32비트 마이크로프로세서와, 적어도 4개의 16비트 마이크로프로세서와, 적어도 2개의 ASP/DSP가 가능한 이미지 프로세서의 병렬 클러스터로 구성된 메인보드 시스템;
    컬러 프로파일링 제어시스템; 및
    광경화 제어시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인보드 시스템은, X86 기반 64비트 8스레드의 마이크로프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있는 병렬처리가 가능한 제1 메인보드 모듈과, X86 기반 64비드 4스레드의 마이크로프로세서로 독립 운영체제를 구동할 수 있는 병렬처리가 가능한 제2, 제3 메인보드 모듈과, RISC 기반의 마이크로프로세서로 병렬처리가 가능한 제4 메인보드 모듈과, RISC 기반의 Xscale 마이크로프로세서로 병렬처리가 가능한 제5 메인보드 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메인보드 모듈의 병렬 클러스팅을 위하여 상기 제1 메인보드 모듈과 제2, 제3 메인보드 모듈은 USB 2.0 또는 3.0 컨트롤러로 입출력 인터페이스 연결되고, 상기 제4, 제5 메인보드 모듈은 고속 이더넷 컨트롤러로 입력, 출력 인터페이스 연결되는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광경화 제어시스템은, 16비트 또는 20비트의 MCU를 적어도 4개 구비하며, 적외선 램프 및 자외선 램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬러 프로파일(매니지먼트) 제어시스템은 CCD 이미지 센서, 자외선 센서 및 적외선 센서와, 적어도 2개의 16비트 MCU를 구비하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 컬러 프로파일(매니지먼트) 제어시스템은, 피인쇄물을 인식하는 단계와, 정의된 컬러 프로파일링 검토단계와, 실행판단 단계와, 이미지 분할 단계와, 하드웨어 병렬 프로세싱 단계와, 정의된 컬러 프로파일링 데이터베이스 업데이트 단계와, 수정된 정의 프로파일링 적용 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    모듈화된 메인보드의 부동 소수점 연산 능력을 모듈에 설치된 CPU칩과, GPU칩, ARM칩, Xscale칩을 사용하여 수퍼컴퓨터에 사용되는 컨주게이트 그래디언트법 알고리즘 기반의 변형 알고리즘을 오픈 MPI, MP, CL, GL 등을 사용하여 5~10 Tflops까지 이끌어내는 하드웨어적으로 내장된 소프트웨어 시스템과 광경화 시스템과 컬러 프로파일(매니지먼트) 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    Unix/Linux 커널 버전 2.6.X 이상의 커널을 사용하여 독립적인 운영체제를 구동할 수 있는 가상 쉘 구동기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광경화 잉크젯 프린팅 시스템.
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