WO2015111800A1 - 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치 - Google Patents

스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치 Download PDF

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WO2015111800A1
WO2015111800A1 PCT/KR2014/003644 KR2014003644W WO2015111800A1 WO 2015111800 A1 WO2015111800 A1 WO 2015111800A1 KR 2014003644 W KR2014003644 W KR 2014003644W WO 2015111800 A1 WO2015111800 A1 WO 2015111800A1
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WO
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light
stereolithography
manufacturing apparatus
photocurable material
unit
Prior art date
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PCT/KR2014/003644
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English (en)
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Inventor
최범규
이정철
김석범
Original Assignee
서강대학교산학협력단
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Publication date
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47G—HOUSEHOLD OR TABLE EQUIPMENT
    • A47G19/00—Table service
    • A47G19/22—Drinking vessels or saucers used for table service
    • A47G19/23—Drinking vessels or saucers used for table service of stackable type
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
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    • A47G23/00—Other table equipment
    • A47G23/02—Glass or bottle holders
    • A47G23/0208—Glass or bottle holders for drinking-glasses, plastic cups, or the like
    • A47G23/0216—Glass or bottle holders for drinking-glasses, plastic cups, or the like for one glass or cup
    • A47G23/0233—Glass or bottle holders for drinking-glasses, plastic cups, or the like for one glass or cup with a lid, e.g. for a beer glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D25/00—Details of other kinds or types of rigid or semi-rigid containers
    • B65D25/20—External fittings

Definitions

  • the present invention relates to a structure manufacturing apparatus using stereolithography.
  • stereolithography is a stacking technique in which a thin layer of photocurable material is successively stacked through curing to create a structure.
  • UV ultraviolet
  • near-ultraviolet near-UV
  • the technical problem of the present invention is to provide a structure manufacturing apparatus using stereolithography that can produce a structure having a smoother surface by fabricating a nanoscale structure or by stacking a nanoscale thickness.
  • Another technical problem of the present invention is to provide a structure manufacturing apparatus using stereolithography that can increase the accuracy of a structure by curing the range to be cured as accurately as possible.
  • the structure manufacturing apparatus using stereolithography the power supply; A first oscillator receiving power from the power supply and oscillating a first light in a near ultraviolet band; A sending unit configured to emit the first light in accordance with a two-dimensional image among images provided by an external device; A prism for totally reflecting light transmitted from the transmitting unit to generate an extinction wave; And a photocurable material reservoir containing a photocurable material that is cured into a two-dimensional structure by the generated evanescent wave.
  • an apparatus for manufacturing a structure using stereolithography includes: a second oscillator configured to receive power from the power supply unit and to oscillate a second light in a near infrared band; And a beam splitter for superimposing the first and second lights into one light and sending the first and second lights to the transmission unit.
  • the first light of the transmitted light may cure the photocurable material, and the second light of the emitted light may fix the photocurable material.
  • a structure manufacturing apparatus using stereolithography includes: a digital shutter provided between the beam splitter and the transmitting unit to split the superimposed light into discontinuous light and to send it to the transmitting unit; And a shutter controller for controlling the digital shutter according to an image provided from the external device.
  • a structure manufacturing apparatus using stereolithography includes: a forming plate provided in the photocurable material reservoir and in which the two-dimensional structure is formed; A Z axis stage for moving the forming plate in the Z axis direction; And a stage controller configured to control the Z-axis stage according to a 3D image among images provided by the external device to stack the 2D structure to form a 3D structure.
  • the transmission unit may include: a galvo mirror reflecting the light toward the prism; A first galvo mirror adjuster which transmits light in an X-axis direction by adjusting the galvo mirror; A second galvo mirror adjuster configured to adjust the galvo mirror to emit light in a Y-axis direction; And a galvo controller configured to control the first and second galvo mirror adjusters according to an image provided from the external device.
  • the transmission unit may be a digital mirror device or a silicon liquid crystal display device.
  • the first and second oscillators may be lasers.
  • the first and second oscillators may be femtolasers.
  • the first and second oscillators may be LED light sources.
  • the structure manufacturing apparatus using stereolithography according to an embodiment of the present invention may have the following effects.
  • the evanescent wave is generated and provides a technical configuration using the same, it is possible to cure a thickness thinner (approximately 1/10000) compared to conventional light, and to manufacture a nanoscale structure or Nanoscale thickness stacking can produce structures with smoother surfaces.
  • the technical configuration using the light of the near infrared band since the technical configuration using the light of the near infrared band is provided together, the light of the near infrared band generates a radiation pressure to the photocurable material to act as an optical tweezer, photocurable Molecules of the material can be immobilized so that the extent to be cured is as accurate as possible, i.e., the edges of the structure to be cured are more clearly cured to increase the precision of the structure.
  • the present invention provides a still-motion technology for splitting superimposed light into discontinuous light, thereby optimizing the energy applied to cure the photocurable material with the same light. Therefore, more detailed structure can be manufactured.
  • the Z-axis stage is provided while the two-dimensional structure is manufactured, it is possible to manufacture a three-dimensional structure.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a structure manufacturing apparatus using stereolithography according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph comparing the curing thickness for the evanescent wave and conventional light.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a structure manufacturing apparatus using stereolithography according to another embodiment of the present invention.
  • first oscillator 141 second oscillator
  • beam splitter 145 digital shutter
  • Shutter control unit 150 Sending unit
  • galvo mirror 153 first galvo mirror adjuster
  • prism 181 forming plate
  • Figure 1 is a view schematically showing a structure manufacturing apparatus using stereolithography according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a graph comparing the cure thickness for the evanescent wave and conventional light.
  • the power supply unit 110 supplies power to the first oscillator 130 and may be provided in a form suitable for the type of the first oscillator 130.
  • the power supply 110 may be a laser driver.
  • the power supply 110 may be an LED driver. Can be.
  • the first oscillator 130 receives power from the power supply 110 to oscillate the first light in the near-UV band.
  • the first light in the near ultraviolet band serves to substantially cure the photocurable material described later.
  • the first oscillator 130 may be a near ultraviolet laser or a near ultraviolet LED.
  • the first oscillator 130 may be a near-ultraviolet femto laser (Femto laser) among the near-ultraviolet laser, in this case it is possible to obtain an energy of approximately 200nm band higher than the energy of the near-ultraviolet wavelength band.
  • Femto laser near-ultraviolet femto laser
  • the transmission unit 150 emits the first light in accordance with the two-dimensional image of the image provided by the external device 10.
  • a Galvo system may be used as the transmission unit 150.
  • the transmission unit 150 may include a galvo mirror 151, first and second galvo mirror adjusters 153 and 155, and a galvo controller 157. Can be.
  • the galvo mirror 151 is a mirror that reflects light toward the prism
  • the first galvo mirror adjuster 153 serves to transmit the light in the X-axis direction by adjusting the galvo mirror 151
  • the second galvo mirror adjuster 155 controls the galvo mirror to transmit light in the Y-axis direction
  • the galvo controller 157 provides the first and second galvo mirror adjusters 153 and 155 from the external device 10. It plays the role of controlling according to the image being displayed.
  • the galvo controller 157 may adjust the first and second galvo mirror adjusters 153 in accordance with the two-dimensional image provided from the external device 10 (for example, a computer in which image data corresponding to a structure to be manufactured is input).
  • the light reflected by the first and second galvo mirror adjusters 153 and 155 to the galvo mirror 151 is moved in the X-axis and Y-axis directions with respect to the forming plate 181 described later. Is sent out.
  • the two-dimensional structure (S) is formed in the forming plate 181 during this transmission.
  • the light reflector 170 totally reflects the light emitted from the transmitting unit 150 to generate an evanescent light.
  • the light reflector 170 may be implemented with a prism, which will be referred to as a prism hereinafter.
  • the evanescent wave can cure a thickness thinner than the conventional light (approximately 1/10000 compared to the conventional), making a nanoscale structure (S) or nanoscale By stacking the thickness, the structure S having a smoother surface may be manufactured.
  • the photocurable material reservoir 190 receives the photocurable material, which is cured into a two-dimensional structure S by the generated evanescent wave.
  • the apparatus for manufacturing a structure using stereolithography according to an embodiment of the present invention described above may further include a second oscillator 141 and a beam splitter 143 as shown in FIG. 1.
  • a second oscillator 141 and a beam splitter 143 as shown in FIG. 1.
  • the second oscillator 141 and the beam splitter 143 will be described in detail with reference to FIG. 1.
  • the second oscillator 141 receives the power from the power supply 110 to oscillate the second light of the near-IR band.
  • the second light in the near infrared band serves to fix the photocurable material, which will be described later.
  • light in the near infrared band generates radiation pressure on the photocurable material and acts as an optical tweezer, thereby fixing molecules of the photocurable material, thereby maximizing the range to be cured.
  • the second oscillator 141 may be a near infrared laser or a near infrared LED. In particular, when the femto laser is used as the first and second oscillators 130 and 141, two photons may be generated to capture more precise focus, thereby making the structure S more detailed.
  • the beam splitter 143 superimposes the first and second light into one light and sends the first and second light to the transmission unit 150.
  • the beam splitter 143 allows two lights to be moved together in one path.
  • the digital shutter 145 digital shutter
  • shutter control unit 147 shutter controller
  • the digital shutter 145 and the shutter controller 147 will be described in detail with reference to FIG. 1.
  • the digital shutter 145 is provided between the beam splitter 143 and the transmitter unit 150 to serve to split the superimposed light into discontinuous light and send it to the transmitter unit 150.
  • a still-motion technology that splits the superimposed light into discontinuous light allows for the optimization of the energy applied to cure the photocurable material with the same light, resulting in a more detailed structure (S). I can make it.
  • hardening the structure several times with the digital shutter 145 for the same time may yield finer structure than hardening the structure in one exposure. For example, 10 exposures per second yields finer structures than one exposure for 10 seconds.
  • the shutter controller 147 controls the digital shutter 145 according to an image provided from the external device 10 (eg, a computer into which image data corresponding to a structure to be manufactured is input).
  • the external device 10 eg, a computer into which image data corresponding to a structure to be manufactured is input.
  • the structure manufacturing apparatus using stereolithography according to an embodiment of the present invention described above as shown in Figure 1 to produce a two-dimensional structure (S) as a three-dimensional structure, the forming plate 181,
  • the apparatus may further include a Z-axis stage 183 and a stage controller 185.
  • the forming plate 181 is provided in the photocurable material reservoir 190 and is where the two-dimensional structure S is formed, and the Z-axis stage 183 moves the forming plate 181 in the Z-axis direction.
  • the stage controller 185 is a stack of two-dimensional structure (S) to make a three-dimensional structure of the image provided by the external device 10 (for example, a computer input image data corresponding to the structure to be manufactured)
  • the Z-axis stage 183 is controlled according to the 3D image.
  • the Z axis means a direction in which the two-dimensional structure S is stacked and corresponds to the up and down direction in FIG. 1.
  • FIG. 1 an operation process of a structure manufacturing apparatus using stereolithography according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the first and second oscillators 130 and 141 When the power of the power supply unit 110 is supplied to the first and second oscillators 130 and 141, the first and second oscillators 130 and 141 respectively use the first light in the near ultraviolet band and the first in the near infrared band. 2 light is emitted.
  • the first and second lights thus oscillated are superimposed into one light by the beam splitter 143.
  • the superimposed light is split into discontinuous light using the digital shutter 145.
  • the split light is emitted toward the prism 170 through the transmitting unit 150 in accordance with the two-dimensional image of the image provided by the external device 10.
  • the transmitted light enters the prism 170 and is totally reflected at the surface of the prism, and is emitted in an evanescent form to the photocurable material reservoir 190 containing the photocurable material, thereby forming the two-dimensional photocurable material on the forming plate 181. Curing same as image. At this time, light in the near infrared band generates radiation pressure on the photocurable material to act as an optical tweezer, thereby fixing molecules of the photocurable material.
  • the forming plate 181 is moved in the Z-axis direction to cure the photocurable material to match the three-dimensional image among the images provided by the external device 10. Laminate on the two-dimensional structure (S). That is, repeating a method of stacking two-dimensional images and stacking another two-dimensional image suitable for the height by moving them in the Z-axis direction again results in a three-dimensional structure.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a structure manufacturing apparatus using stereolithography according to another embodiment of the present invention.
  • the transmission unit 2150 may be a well-known digital mirror device (DMD) or a liquid crystal on silicon (LCOS).
  • DMD digital mirror device
  • LCOS liquid crystal on silicon
  • the transmission unit 2150 may include a digital mirror 2151 and a digital mirror controller 2152 for controlling it.
  • the light is reflected in the shape of the image transmitted from the external device 10, and the reflected light enters the prism 170 in the same way and becomes an extinction wave, thereby being photocurable.
  • the photocurable material of the material reservoir 190 is cured.
  • the apparatus for manufacturing a structure using stereolithography may have the following effects.
  • nanoscale thick laminations can be used to fabricate structures with smoother surfaces.
  • the light of the near infrared band since the technical configuration using the light of the near infrared band is provided together, the light of the near infrared band generates radiation pressure on the photocurable material to act as an optical tweezer, Molecules of the chemicals can be immobilized, so that the extent to be cured is as accurate as possible, i.e., the edges of the structure to be cured are more clearly cured to increase the precision of the structure.
  • the present invention provides a still-motion technology configuration that splits the superimposed light into discontinuous light, it is possible to optimize the energy applied to the photocurable material with the same light, You can build more detailed structures.
  • the three-dimensional structure can be manufactured.

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Abstract

본 발명은 나노스케일의 구조물을 제작하거나 나노스케일 두께의 적층을 통해 좀 더 매끄러운 표면을 갖는 구조물을 제작할 수 있는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 제공하는 것이 그 기술적 과제이다. 이를 위해, 본 발명의 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 근자외선 대역의 제1 빛을 발진시키는 제1 발진기; 상기 제1 빛을 외부 장치에서 제공하는 이미지 중 2차원 이미지에 맞게 송사하는 송사 유닛; 상기 송사 유닛에서 송사되는 빛을 전반사시켜 소멸파를 생성시키는 프리즘; 및 상기 생성된 소멸파에 의해 2차원 구조물로 경화되는 광경화성 물질을 수용한 광 경화성 물질 저장기를 포함한다.

Description

스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치
본 발명은 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 스테레오리소그래피(stereolithography)는 구조물을 만들기 위해 광경화성 물질의 얇은 층을 경화를 통해 연속적으로 겹겹이 쌓아가는 적층 기술이다.
특히, 경화를 위해, 기존의 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는 자외선(UV) 및 근자외선(near-UV)을 사용하고 있다.
하지만, 자외선 및 근자외선을 사용할 경우 파장 대역이 대략 300nm 내지 400nm이기 때문에 이 파장대역보다 작은 구조물 또는 이 보다 작은 적층 두께의 구조물을 제작하는 것이 불가능한 문제가 있다.
또한, 자외선 및 근자외선 파장을 이용할 경우 경화를 시키고자 하는 부분을 잡아주는 기능이 없어서 경화시키고자 하는 범위보다 더 넓게 경화되는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 나노스케일의 구조물을 제작하거나 나노스케일 두께의 적층을 통해 좀 더 매끄러운 표면을 갖는 구조물을 제작할 수 있는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 경화시키고자 하는 범위를 최대한 정확하게 경화시켜 구조물의 정밀도를 높일 수 있는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 근자외선 대역의 제1 빛을 발진시키는 제1 발진기; 상기 제1 빛을 외부 장치에서 제공하는 이미지 중 2차원 이미지에 맞게 송사하는 송사 유닛; 상기 송사 유닛에서 송사되는 빛을 전반사시켜 소멸파를 생성시키는 프리즘; 및 상기 생성된 소멸파에 의해 2차원 구조물로 경화되는 광경화성 물질을 수용한 광 경화성 물질 저장기를 포함한다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 근적외선 대역의 제2 빛을 발진시키는 제2 발진기; 및 상기 제1 및 제2 빛을 하나의 빛으로 중첩시켜 상기 송사 유닛으로 보내는 빔 스플리터를 더 포함할 수 있다.
상기 송사되는 빛 중 상기 제1 빛은 상기 광경화성 물질을 경화시킬 수 있고, 상기 송사되는 빛 중 상기 제2 빛은 상기 광경화성 물질을 고정시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 상기 빔 스플리터와 상기 송사 유닛 사이에 구비되어 상기 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 상기 송사 유닛으로 보내는 디지털 셔터; 및 상기 외부 장치에서 제공되는 이미지에 맞게 상기 디지털 셔터를 제어하는 셔터 제어부를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 상기 광 경화성 물질 저장기에 구비되며 상기 2차원 구조물이 형성되는 형성판; 상기 형성판을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 스테이지; 및 상기 2차원 구조물을 적층하여 3차원 구조물로 만들기 위해 상기 외부 장치에서 제공하는 이미지 중 3차원 이미지에 맞게 상기 Z축 스테이지를 제어하는 스테이지 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 송사 유닛은, 상기 빛을 상기 프리즘을 향해 반사시키는 갈보 미러; 상기 갈보 미러를 조절하여 빛을 X축 방향으로 송사하는 제1 갈보 미러 조절기; 상기 갈보 미러를 조절하여 빛을 Y축 방향으로 송사하는 제2 갈보 미러 조절기; 및 상기 제1 및 제2 갈보 미러 조절기를 상기 외부 장치에서 제공되는 이미지에 맞게 제어하는 갈보 제어부를 포함할 수 있다.
다른 예로, 상기 송사 유닛은 디지털 미러 장치 또는 실리콘 액정 표시 장치일 수 있다.
상기 제1 및 제2 발진기는 레이저일 수 있다. 특히, 상기 제1 및 제2 발진기는 펨토레이저일 수 있다.
다른 예로, 상기 제1 및 제2 발진기는 LED 광원일 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 소멸파를 생성하고 이를 이용하는 기술구성을 제공하므로, 기존의 빛보다 좀 더 얇은(대략 기존대비 1/10000) 두께를 경화시킬 수 있어, 나노스케일의 구조물을 제작하거나 나노스케일 두께의 적층을 통해 좀 더 매끄러운 표면을 갖는 구조물을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 근적외선 대역의 빛을 함께 이용하는 기술구성을 제공하므로, 근적외선 대역의 빛이 광경화성 물질에 복사압력을 발생시켜 옵티컬트위저(optical tweezer)로 작용하게 되면서, 광경화성 물질의 분자들을 고정시킬 수 있어, 경화시키고자 하는 범위를 최대한 정확하게, 즉 경화시키려고 하는 구조물의 테두리를 좀 더 명확하게 경화시켜 구조물의 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 보내는 스틸모션(Still-motion) 기술구성을 제공하므로, 동일한 빛으로 광경화성 물질이 경화되기 위해 가해지는 에너지를 최적화시킬 수 있어, 더 세밀한 구조물을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 2차원 구조물이 제작되는 동안 Z축 스테이지가 가동되는 기술구성을 제공하므로, 3차원 구조물을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 소멸파와 기존 빛에 대한 경화 두께를 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
<부호의 설명>
10: 외부 장치 100: 전원 공급부
130: 제1 발진기 141: 제2 발진기
143: 빔 스플리터 145: 디지털 셔터
147: 셔터 제어부 150: 송사 유닛
151: 갈보 미러 153: 제1 갈보 미러 조절기
155: 제2 갈보 미러 조절기 157: 갈보 제어부
170: 프리즘 181: 형성판
183:Z축 스테이지 185: 스테이지 제어부
190: 광 경화성 물질 저장기
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 소멸파와 기존 빛에 대한 경화 두께를 비교한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전원 공급부(110)와, 제1 발진기(130)와, 송사 유닛(projecting unit)(150)과, 프리즘(170)과, 그리고 광 경화성 물질 저장기(190)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 제1 발진기(130)에 전원을 공급하는 것으로, 제1 발진기(130)의 종류에 따라 이에 맞는 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 발진기(130)가 레이저일 경우 전원 공급부(110)는 레이저 드라이버가 될 수 있고, 제1 발진기(130)가 발광다이오드(LED)일 경우 전원 공급부(110)는 LED 드라이버가 될 수 있다.
제1 발진기(130)는 전원 공급부(110)로부터 전원을 공급받아 근자외선(Near-UV) 대역의 제1 빛을 발진시킨다. 근자외선 대역의 제1 빛은 후술할 광경화성 물질을 실질적으로 경화시키는 역할을 한다. 나아가, 제1 발진기(130)는 근자외선 레이저 또는 근자외선 LED일 수 있다. 특히, 제1 발진기(130)는 근자외선 레이저 중에서도 근자외선 펨토레이저(Femto laser)일 수 있으며, 이 경우에는 근자외선 파장 대역대의 에너지보다 더 높은 대략 200nm 대역의 에너지를 얻을 수 있다.
송사 유닛(150)은 외부 장치(10)에서 제공하는 이미지 중 2차원 이미지에 맞게 제1 빛을 송사한다. 이러한 송사 유닛(150)으로는 갈보 시스템(Galvo system)이 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 송사 유닛(150)은 갈보 미러(151)(Galvo mirror), 제1 및 제2 갈보 미러 조절기(153)(155), 갈보 제어부(157)를 포함할 수 있다. 갈보 미러(151)는 빛을 프리즘을 향해 반사시키는 거울이고, 제1 갈보 미러 조절기(153)는 갈보 미러(151)를 조절하여 빛을 X축 방향으로 송사하는 역할을 하고, 제2 갈보 미러 조절기(155)는 갈보 미러를 조절하여 빛을 Y축 방향으로 송사하는 역할을 하며, 그리고 갈보 제어부(157)는 제1 및 제2 갈보 미러 조절기(153)(155)를 외부 장치(10)에서 제공되는 이미지에 맞게 제어하는 역할을 한다. 예를 들어, 외부 장치(10)(일 예로, 제작될 구조물에 해당하는 이미지 데이터가 입력된 컴퓨터)에서 제공되는 2차원 이미지에 맞게 갈보 제어부(157)가 제1 및 제2 갈보 미러 조절기(153)(155)를 조절하면 제1 및 제2 갈보 미러 조절기(153)(155)에 의해 갈보 미러(151)에 반사되는 빛이 후술한 형성판(181)에 대해 X축 및 Y축 방향으로 이동되면서 송사된다. 특히, 이렇게 송사되는 동안 형성판(181)에는 2차원 구조물(S)이 형성된다.
광 반사기(light reflector)(170)는 송사 유닛(150)에서 송사되는 빛을 전반사시켜 소멸파(evanescent light)를 생성시킨다. 예를 들어, 광 반사기(170)는 프리즘(prism)으로 구현될 수 있으며, 이하에서 광 반사기를 프리즘으로 칭하기로 한다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 소멸파는 기존의 빛보다 좀 더 얇은(대략 기존대비 1/10000) 두께를 경화시킬 수 있어, 나노스케일(nano scale)의 구조물(S)을 제작하거나 나노스케일 두께의 적층을 통해 좀 더 매끄러운 표면을 갖는 구조물(S)을 제작할 수 있다.
광 경화성 물질 저장기(190)는 광경화성 물질을 수용하며, 이 광경화성 물질은 생성된 소멸파에 의해 2차원 구조물(S)로 경화된다.
이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 발진기(141)와 빔 스플리터(143)(beam splitter)를 더 포함할 수 있다. 이하, 도 1을 참조하여, 제2 발진기(141) 및 빔 스플리터(143)에 대해 상세히 설명한다.
제2 발진기(141)는 전원 공급부(110)로부터 전원을 공급받아 근적외선(Near-IR) 대역의 제2 빛을 발진시킨다. 근적외선 대역의 제2 빛은 후술할 광경화성 물질을 고정시키는 역할을 한다. 구체적으로, 근적외선 대역의 빛이 광경화성 물질에 복사압력(radiation pressure)을 발생시켜 옵티컬트위저(optical tweezer)로 작용하게 되면서, 광경화성 물질의 분자들을 고정시킬 수 있어, 경화시키고자 하는 범위를 최대한 정확하게, 즉 경화시키려고 하는 구조물(S)의 테두리를 좀 더 명확하게 경화시켜 구조물(S)의 정밀도를 높일 수 있다. 한편, 제2 발진기(141)는 근적외선 레이저 또는 근적외선 LED일 수 있다. 특히, 제1 및 제2 발진기(130)(141)로 펨토레이저를 사용하게 되면, 2 포톤(photon)이 생겨서 더 정밀한 초점을 잡을 수 있어 더 세밀하게 구조물(S)을 제작할 수 있다.
빔 스플리터(143)는 제1 및 제2 빛을 하나의 빛으로 중첩시켜 송사 유닛(150)으로 보내는 역할을 한다. 따라서, 빔 스플리터(143)에 의해 두 개의 빛이 하나의 경로로 함께 이동될 수 있게 된다.
이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 디지털 셔터(145)(digital shutter)와 셔터 제어부(147)(shutter controller)를 더 포함할 수 있다. 이하, 도 1을 참조하여, 디지털 셔터(145) 및 셔터 제어부(147)에 대해 상세히 설명한다.
디지털 셔터(145)는 빔 스플리터(143)와 송사 유닛(150) 사이에 구비되어 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 송사 유닛(150)으로 보내는 역할을 한다. 따라서, 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 보내는 스틸모션(Still-motion) 기술이 가능하므로, 동일한 빛으로 광경화성 물질이 경화되기 위해 가해지는 에너지를 최적화시킬 수 있어, 더 세밀한 구조물(S)을 제작할 수 있다.
다시 말해, 한 번의 노광으로 구조물을 경화시키는 것보다 같은 시간 동안 디지털 셔터(145)로 여러 번 경화시키는 것이 더 세밀한 구조물을 얻을 수 있다. 예를 들어, 10초 동안 한 번 노광시키는 것보다 1초씩 10번 노광시키는 것이 더 세밀한 구조물을 얻는다.
셔터 제어부(147)는 외부 장치(10)(예, 제작될 구조물에 해당하는 이미지 데이터가 입력된 컴퓨터)에서 제공되는 이미지에 맞게 디지털 셔터(145)를 제어하는 역할을 한다.
이와 더불어, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 2차원 구조물(S)을 3차원 구조물로 제작하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 형성판(181), Z축 스테이지(183) 및 스테이지 제어부(185)를 더 포함할 수 있다.
형성판(181)은 광 경화성 물질 저장기(190)에 구비되며 2차원 구조물(S)이 형성되는 곳이고, Z축 스테이지(183)는 형성판(181)을 Z축 방향으로 이동시키는 역할을 하며, 그리고 스테이지 제어부(185)는 2차원 구조물(S)을 적층하여 3차원 구조물로 만들기 위해 외부 장치(10)(예, 제작될 구조물에 해당하는 이미지 데이터가 입력된 컴퓨터)에서 제공하는 이미지 중 3차원 이미지에 맞게 Z축 스테이지(183)를 제어한다. 여기서, Z축은 2차원 구조물(S)이 적층되는 방향을 의미하며 도 1에서 상하 방향에 해당한다.
이하, 도 1을 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치의 동작 과정을 설명한다.
전원 공급부(110)의 전원을 제1 및 제2 발진기(130)(141)에 공급하면, 제1 및 제2 발진기(130)(141)에서는 각각 근자외선 대역의 제1 빛과 근적외선 대역의 제2 빛이 발진된다.
이렇게 발진된 제1 및 제2 빛은 빔 스플리터(143)에 의해 하나의 빛으로 중첩된다. 중첩된 빛은 디지털 셔터(145)를 이용해서 불연속적인 빛으로 쪼개어 진다. 그리고 나서, 쪼개진 빛은 외부 장치(10)에서 제공하는 이미지 중 2차원 이미지에 맞게 송사 유닛(150)을 통해 프리즘(170)을 향해 송사된다.
송사된 빛은 프리즘(170)으로 들어가서 프리즘 표면에서 전반사되고, 광경화성물질을 수용한 광 경화성 물질 저장기(190)로 소멸파 형식으로 방사되면서, 형성판(181)에 광경화성 물질을 2차원 이미지와 동일하게 경화시킨다. 이 때, 근적외선 대역의 빛이 광경화성 물질에 복사압력(radiation pressure)을 발생시켜 옵티컬트위저(optical tweezer)로 작용하게 되면서, 광경화성 물질의 분자들을 고정시키게 된다. 또한, 광경화성 물질이 경화되면서 2차원 구조물(S)이 만들어지면 형성판(181)을 Z축 방향으로 이동시켜 외부 장치(10)에서 제공하는 이미지 중 3차원 이미지에 맞게 광경화성 물질을 경화하여 2차원 구조물(S) 위에 적층시킨다. 즉, 2차원 이미지를 적층하고 다시 Z축 방향으로 이동시켜 그 높이에 맞는 다른 2차원 이미지를 적층하는 방식을 반복하게 되면 3차원 구조물이 형성되게 된다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 송사 유닛(2150)을 제외하고는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제작 장치와 동일하므로 이하에서는 송사 유닛(2150) 위주로 설명한다. 또한, 본 발명의 일 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하기로 한다.
송사 유닛(2150)은, 잘 알려져 있는 디지털 미러 장치(DMD; digital mirror device) 또는 실리콘 액정 표시 장치(LCOS; liquid crystal on silicon)일 수 있다. 예를 들어, 송사 유닛(2150)이 디지털 미러 장치일 경우, 송사 유닛(2150)은 디지털 미러(2151)와 이를 제어하는 디지털 미러 제어부(2152)를 포함할 수 있다.
디지털 미러 장치 혹은 실리콘 액정 표시 장치로 상술한 빛을 쏘게 되면 빛은 외부 장치(10)로부터 전송된 이미지 모양으로 반사되게 되고, 반사된 빛은 같은 방식으로 프리즘(170)으로 들어가 소멸파로 되면서 광 경화성 물질 저장기(190)의 광경화성 물질을 경화시킨다.
이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 소멸파를 생성하고 이를 이용하는 기술구성을 제공하므로, 기존의 빛보다 좀 더 얇은(대략 기존대비 1/10000) 두께를 경화시킬 수 있어, 나노스케일의 구조물을 제작하거나 나노스케일 두께의 적층을 통해 좀 더 매끄러운 표면을 갖는 구조물을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 근적외선 대역의 빛을 함께 이용하는 기술구성을 제공하므로, 근적외선 대역의 빛이 광경화성 물질에 복사압력을 발생시켜 옵티컬트위저(optical tweezer)로 작용하게 되면서, 광경화성 물질의 분자들을 고정시킬 수 있어, 경화시키고자 하는 범위를 최대한 정확하게, 즉 경화시키려고 하는 구조물의 테두리를 좀 더 명확하게 경화시켜 구조물의 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 보내는 스틸모션(Still-motion) 기술구성을 제공하므로, 동일한 빛으로 광경화성 물질에 가해지는 에너지를 최적화 시킬 수 있어, 더 세밀한 구조물을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 2차원 구조물이 제작되는 동안 Z축 스테이지(183)가 가동되는 기술구성을 제공하므로, 3차원 구조물을 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명은 각종 구조물의 제조를 위한 구조물 제조 장치에 적용될 수 있으므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (10)

  1. 전원 공급부;
    상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 근자외선 대역의 제1 빛을 발진시키는 제1 발진기;
    상기 제1 빛을 외부 장치에서 제공하는 이미지 중 2차원 이미지에 맞게 송사하는 송사 유닛;
    상기 송사 유닛에서 송사되는 빛을 전반사시켜 소멸파를 생성시키는 광 반사기; 및
    상기 생성된 소멸파에 의해 2차원 구조물로 경화되는 광경화성 물질을 수용한 광 경화성 물질 저장기
    를 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 근적외선 대역의 제2 빛을 발진시키는 제2 발진기; 및
    상기 제1 및 제2 빛을 하나의 빛으로 중첩시켜 상기 송사 유닛으로 보내는 빔 스플리터를 더 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 송사되는 빛 중 상기 제1 빛은 상기 광경화성 물질을 경화시키고,
    상기 송사되는 빛 중 상기 제2 빛은 상기 광경화성 물질을 고정시키는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 빔 스플리터와 상기 송사 유닛 사이에 구비되어 상기 중첩된 빛을 불연속적인 빛으로 쪼개어 상기 송사 유닛으로 보내는 디지털 셔터; 및
    상기 외부 장치에서 제공되는 이미지에 맞게 상기 디지털 셔터를 제어하는 셔터 제어부를 더 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 광 경화성 물질 저장기에 구비되며 상기 2차원 구조물이 형성되는 형성판;
    상기 형성판을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 스테이지; 및
    상기 2차원 구조물을 적층하여 3차원 구조물로 만들기 위해 상기 외부 장치에서 제공하는 이미지 중 3차원 이미지에 맞게 상기 Z축 스테이지를 제어하는 스테이지 제어부를 더 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 송사 유닛은
    상기 빛을 상기 프리즘을 향해 반사시키는 갈보 미러;
    상기 갈보 미러를 조절하여 빛을 X축 방향으로 송사하는 제1 갈보 미러 조절기;
    상기 갈보 미러를 조절하여 빛을 Y축 방향으로 송사하는 제2 갈보 미러 조절기; 및
    상기 제1 및 제2 갈보 미러 조절기를 상기 외부 장치에서 제공되는 이미지에 맞게 제어하는 갈보 제어부를 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  7. 제2항에서,
    상기 송사 유닛은 디지털 미러 장치 또는 실리콘 액정 표시 장치인 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  8. 제2항에서,
    상기 제1 및 제2 발진기는 레이저인 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 및 제2 발진기는 펨토레이저인 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
  10. 제2항에서,
    상기 제1 및 제2 발진기는 LED 광원인 스테레오리소그래피를 이용한 구조물 제조 장치.
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