WO2020096430A1 - 마이크로 led를 이용한 3d프린터 - Google Patents

마이크로 led를 이용한 3d프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 LED를 이용한 3D프린터에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 복수의 마이크로 LED소자를 갖는 디스플레이를 광원으로 사용하여, 대용량의 출력물을 신속히 인쇄하며 광원의 높은 해상도를 유지하여 출력물의 정밀한 구현이 가능한 마이크로 LED를 이용한 3D프린터에 관한 것이다.

Description

마이크로 LED를 이용한 3D프린터
본 발명은 빛을 조사하여 경화되는 광경화성물질을 이용한 3D프린터에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 마이크로 LED를 광원으로 사용하는 3D프린터에 관한 것이다.
3D프린터는 (x, y)축으로의 인쇄만 가능하였던 기존의 2D 프린터의 방식에서, z축을 더하여 (x, y, z)축으로의 인쇄가 가능하도록 제공되는 3차원 제품을 인쇄하는 장치를 뜻하며, 3D프린터는 인쇄하는 방식에 따라서 크게 광중합형 및 절삭형으로 구분되고, 광중합형 3D프린터는 조사된 빛에 의해 경화되는 광경화성 수지를 이용하여 레이어를 z축으로 겹겹이 쌓아 올려서 입체 형상을 나타내는 방식이며, 절삭형 3D프린터는 큰 덩어리의 물체를 절삭하여 입력된 3D 입체 형상으로 나타나도록 이루어지는 방식이다. 이때 절삭형 3D프린터는 한정된 크기의 덩어리를 절삭한다는 한계로 인하여 대용량의 출력물을 출력하기에는 적합하지 못하며, 절삭에 따른 출력물의 정밀도가 광중합형 3D프린터에 비해 저하된다는 한계로 인해 상술한 광중합형 3D프린터의 사용이 통용되고 있다.
일반적으로 광중합형 3D프린터는 빔프로젝터를 사용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 액체 상태의 광경화성수지에 투사하여 투사된 모양대로 광경화성수지를 경화시켜 단일 층을 적층시켜가며 출력물을 인쇄하는 DLP(digital light processing) 방식과 광경화성수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시키는 방법으로 적층해 나가는 SLA(stereo lithography)방식이 사용되며, 이때 SLA방식은 해상도의 손실이 적다는 장점은 있으나, 조형속도가 느리고 광원의 수명이 짧아 잦은 교체가 필요하다는 한계가 있으며, DLP방식은 소형 출력물에 대해서는 비교적 빠른 조형속도를 갖는 장점이 있는 반면, 광원으로 사용되는 프로젝터의 비싼 가격과 무게 및 크기의 한계로 인해 대형화가 어렵다는 한계가 있다.
이러한 빔프로젝터의 한계를 극복하고자 최근에는 LCD(Liquid crystal display)를 이용하여 광 이미지를 조사하는 방식이 개발되었으나, 자외선을 받아 광이미지를 출력하는 LCD패널의 손상이 심해 LCD패널을 빈번하게 교체해야 하는 문제점이 발생하였다. 이에 3D프린터를 한국등록특허공보 제10-1800667호(LCD 방식 3D 프린터, 2017.11.17.)에서는 자외선 빛을 받는 LCD패널의 사이에 빛의 조사각도를 줄여주는 메니스커스 렌즈를 구비하여 LCD패널이 자외선에 과다 노출되는 것을 방지하여 수명을 연장시키기 위한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 종래의 빔프로젝터를 대체한 LCD 방식은 추가적인 렌즈 또는 반사경을 구비하여 그 구조가 복잡하고, LCD 패널의 짧은 수명에 따른 한계를 극복하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 마이크로 LED를 광원으로 사용하여 대용량의 출력물을 신속히 인쇄하며 출력물의 높은 해상도를 구현가능한 3D프린터를 제공하고자 한다.
본 발명은 마이크로 LED를 이용한 3D프린터에 관한 것으로, 복수의 마이크로 LED소자를 갖는 디스플레이를 광원으로 사용하여, 대용량의 출력물을 신속히 인쇄하며 광원의 높은 해상도를 유지하여 출력물의 정밀한 구현이 가능한 마이크로 LED를 이용한 3D프린터를 제공할 수 있다.
상기한 구성에 따른 본 발명은, 복수의 마이크로 LED소자를 갖는 디스플레이를 광원으로 사용하여, 빛을 조사하는 디스플레이가 수조의 상측에 위치하는 구조의 Bottom-up방식의 출력이 가능함으로써 대면적 혹은 대용량의 출력물의 인쇄에 유리하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 디스플레이가 수조의 개방된 상측에서 이동함으로써, 기존의 빔프로젝터로부터 조사되는 빛이 투과할 수 있도록 하부가 투명한 재질을 갖도록 복잡한 구조로 이루어진 수조의 구조를 갖지 않아, 대용량의 수조를 용이하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 빔프로젝터 또는 LCD방식에서와 같이 광원에서 방출되는 빛을 투영하는 별도의 구성을 갖지 않아, 장기간 사용 시에도 높은 신뢰성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D프린터를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이를 도시한 저면도.
도 3은 도 2에 따른 AA'단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이의 작동을 도시한 예시도.
도 5 및 도 7은 본 발명의 일실시에에 따른 3D프린터의 작동을 도시한 예시도.
상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 3D프린터는 광경화성 수지가 저장되는 수조와 상기 수조의 상측 또는 하측 중 일측에 구비되고, 상기 수조와 마주보는 방향으로의 일면에 복수의 마이크로LED소자가 배열을 이루며 형성된 PCB기판을 포함하며, 상기 복수의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛의 조합에 따라 조형하고자 하는 패턴의 빛을 조사하는 디스플레이 및 상기 디스플레이와 마주보는 방향에 배치되어, 상기 디스플레이로부터 조사되는 빛의 패턴에 따른 출력물이 조형되는 출력판을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 디스플레이는 상기 수조의 상측에 구비되고, 상기 출력판은 상기 수조의 내부에 구비되어, 상기 디스플레이로부터 하방으로 조사되는 빛의 패턴에 의해 상기 출력판의 상면에 상기 광경화성수지가 경화되어 형성되는 출력물이 조형되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3D프린터는 상기 디스플레이를 상하방향으로 이동시키도록 구동되는 디스플레이구동부 및 상기 디스플레이로부터 조사된 빛의 패턴에 따른 출력물의 단층 경화를 반복하며 상기 출력물을 적층하되, 적층되는 상기 출력물의 단층이 소정두께를 갖도록 상기 디스플레이 및 디스플레이구동부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 디스플레이는 상기 PCB기판의 하면에 배열된 복수의 마이크로LED소자를 내부공간에 수용하도록 상기 PCB기판 하부의 적어도 일부를 감싸며, 상기 내부공간이 밀폐되도록 형성된 방수투명하우징을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 디스플레이는 상기 PCB기판의 상면에 구비되며, 상기 방수투명하우징과 일체로 결합되어, 상기 마이크로 LED소자에서의 발열을 저감시키는 방열판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 3D프린터는 상기 출력판을 상하방향으로 이동시키는 출력판구동부를 더 포함하고, 상기 제어부는 출력물의 인쇄가 완료되면 상기 출력판을 상방으로 이동시켜 상기 수조 밖으로 배출시키도록 상기 출력판구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 디스플레이에 배열된 복수의 마이크로LED소자를 각기 개별 제어하며, 상기 적층되는 출력물의 단층이 갖는 두께가 상기 디스플레이에 배열된 복수의 마이크로LED소자 중 빛을 방출하도록 선택되는 복수의 마이크로LED소자에 의해 가변되도록 상기 디스플레이 및 디스플레이구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 빛을 방출하도록 선택되는 복수의 마이크로LED소자에 따른 상기 출력물의 단층의 두께는 빛을 방출하는 어느 하나의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛과 인접하여 빛을 방출하도록 다른 하나의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛이 서로 중첩되지 않는 최대거리인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D프린터를 도시한 구성도로서, 도 1을 참조하면 본 발명의 일실시에에 따른 마이크로 LED를 이용한 3D프린터(1000)는 광경화성 수지가 저장되는 수조(100)와 상기 수조(100)의 상측 또는 하측 중 어느 하나의 일측에 구비되고, 상기 수조(100)와 마주보는 방향으로의 일면에 복수의 마이크로LED소자(220)가 배열을 이루며 형성된 PCB기판(210)을 포함하며, 상기 복수의 마이크로LED소자(220)로부터 방출된 빛의 조합에 따라 조형하고자 하는 패턴의 빛을 조사하는 디스플레이(200), 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 단면이미지에 의해 경화되는 광경화성 수지가 조형되는 출력판(300), 상기 디스플레이를 축방향으로 이동시키도록 작동하는 디스플레이구동부(500), 상기 출력판(300)을 축방향으로 이동시키도록 작동하는 출력판구동부(600) 및 입력받은 출력물의 형상을 적층되는 단층의 패턴으로 변환하여 상기 디스플레이(200)에서 조형하고자하는 패턴의 빛을 조사하도록 제어하며, 상기 3D프린터(1000)의 작동에 따라 상기 디스플레이구동부(500)와 출력판구동부(600)를 제어하는 제어부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수조(100)는 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 빛에 의해 경화되는 광경화성 수지(R)를 저장하기 위한 구성으로, 본 발명의 3D프린터(1000)의 설계 용량에 따라 다양한 크기 및 형상으로 제작이 가능하며, 상기 출력판(300)은 상기 디스플레이(200)와 대향되는 방향에 배치되어, 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 빛의 패턴에 따른 단층의 출력물이 조형될 수 있다. 여기에서 상기 광경화성 수지는 특정 파장을 갖는 빛을 흡수하여 연쇄적으로 인접하는 단위체끼리 중합반응을 일으키는 물질로서 아크릴이나 에폭시 계열을 포함하는 포토 폴리머, 레진 등의 중합체로 이루어질 수 있으며, 상기 광경화성 수지는 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 상기 디스플레이(200)로부터 조사되는 빛에 의해 경화를 일으키는 어느 물질로도 이루어질 수 있다.
이때, 본 발명의 3D프린터(1000)는 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 다양한 형태 및 구조를 갖도록 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 복수의 마이크로LED 소자(400)로 이루어진 디스플레이(200)를 광원으로 사용함에 따라서, 기존의 빔 프로젝터의 무거운 무게 및 크기의 한계를 극복하여 간단한 구조를 갖는 마이크로LED를 광원으로 이용함으로써, 상기 디스플레이(200)는 상기 수조(100)의 상측에 구비되고, 상기 출력판(300)은 상기 수조(100)의 내부에 구비되어 상기 디스플레이(200)로부터 하방으로 조사되는 빛의 패턴에 의해 상기 출력판(300)의 상면에 상기 광경화성 수지가 경화되어 형성된 출력물이 조형되는 Bottom-up 방식으로 제작되어 출력물의 대용량의 인쇄가 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 3D프린터(1000)는 상기 디스플레이(200)를 상하방향으로 이동시키도록 구동되는 디스플레이구동부(500) 및 상기 디스플레이로(200)부터 조사된 빛의 패턴에 따른 출력물의 단층 경화를 반복하며 상기 출력물(T)을 적층하되, 상기 제어부(400)는 적층되는 상기 출력물(T)의 단층이 소정두께를 갖도록 상기 디스플레이(200) 및 디스플레이구동부(500)를 제어하는 것이 바람직하며, 상기 출력물의 단층의 두께는 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 빛에 의해 경화되는 광경화성수지(R)의 높이에 의해 결정되며, 상기 디스플레이(200)와 상기 출력판(300) 또는 기 출력된 출력물의 단층의 상면까지의 거리에 해당된다. 따라서 디스플레이(200)의 높이를 조절하여 상기 출력물(T)의 단층의 두께가 일정하게 유지되도록 출력물(T)을 적층하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 출력물의 단층의 두께가 얇을수록 완성된 출력물의 정밀함이 증가하게 되나, 출력물의 출력 시 적층하여야 하는 횟수가 증가함에 따라서 출력물의 출력속도가 증가하게 된다. 따라서, 상기 출력물(T)의 단층의 두께는 사용자에 의해 출력하고자 하는 출력물의 정밀도 및 출력속도를 고려하여 입력받는 것이 바람직하며, 사용자가 입력할 수 있는 출력물의 단층의 두께는 광원으로부터 조사되는 빛의 패턴의 해상도에 기인한다. 종래의 빔프로젝터는 빛을 방출하는 광원과 수조사이에 패턴을 투영하는 마스크(mask) 및 빛을 집광시키는 렌즈를 구비하여 해상도를 조절하였으나, 이때 렌즈에 의해 출력판으로 조사되는 패턴의 초점을 맞추기 위하여 빔프로젝터와 수조 사이가 일정거리 이상 이격되어, 광원으로부터 조사되는 패턴의 해상도가 저하된다는 단점이 있다. 그러나, 본 발명의 3D프린터(1000)는 상기 복수의 마이크로LED소자(220)를 광원으로 하여, 마이크로단위의 매우 미세한 출력물의 단층의 두께를 조절할 수 있으며, 별도의 패턴을 투영하기 위한 구성이 필요 없이 상기 복수의 마이크로LED소자(220)로부터 방출된 빛의 조합에 따라 패턴을 형성함으로써, 해상도를 떨어트리지 않고 출력물의 단층의 두께를 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이를 도시한 저면도이며, 도 3은 도 2에 따른 AA'단면도로서, 도 2 및 도 3을 참고하면, 상기 디스플레이(200)는 상기 수조(100)를 향하는 일면에 상기 PCB기판(210)이 구비되고, 상기 PCB기판(210)의 일면에 복수의 마이크로LED소자(220)가 배열되도록 구성된다. 이때 상기 마이크로LED소자(220)는 전력을 인가받아 발광하는 다이오드가 회로기판 상에 형성된 칩이 5 ~ 100 마이크로미터(㎛)크기로 제작되는 LED(Light Emitting Diode)로서, 서로 다른 파장을 갖는 빛을 발광하는 적어도 하나 이상의 서브픽셀(221,222,223)이 회로기판에 개별 배치되어, 상기 서브픽셀(221,222,223)의 발광 패턴에 따라 중첩되는 특정 파장을 갖는 빛을 방출하도록 구성될 수 있다. 이때 상기 서브픽셀은 각각 적색(221), 녹색(222) 및 청색(223)을 갖도록 배치되어 더욱 다양한 빛의 패턴을 형성할 수 있으나, 바람직하게는 상기 마이크로LED소자(220)은 특정 범위의 파장을 발광하는 단일 서브픽셀을 갖도록 형성되어 상기 복수의 마이크로LED소자(220)가 방출하는 빛의 조합에 따라 상기 출력판(300)으로 조사되는 빛의 패턴을 형성할 수 있다. 더욱이, 상기 단일 서브픽셀로 이루어진 마이크로LED소자가 배열됨으로써 더욱 조밀한 배열 간격을 형성할 수 있다.
이때, 기존의 LCD를 이용한 광원은 360~420㎚ 범위의 단파장을 갖는 빛을 조사할 시에 Liquid Crystal 소소재의 수명이 현저히 단축되는 문제점이 있어, 일정범위 이하의 단파장을 사용하지 못한다는 한계가 있으나, 본 발명의 상기 마이크로LED소자(220)를 이용한 디스플레이(200)는 360~420㎚ 범위의 단파장을 갖는 빛을 장기간 방출하여도 높은 수명을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 또한 단파장을 이용할 시 광경화성 수지가 경화되도록 빛의 조사를 유지하는 노광시간을 단축할 수 있어 출력물의 인쇄 속도를 현저하게 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 디스플레이(200)는 상기 수조(100)의 내부로 인입되도록 작동되며, 이때 수조(100)의 내부에 저장된 광경화성 수지(R)가 상기 디스플레이(200)의 PCB기판(210)에 접촉되어 상기 PCB기판(210)이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 디스플레이(200)는 상기 PCB기판(210)의 하면에 배열된 복수의 마이크로LED소자(220)를 내부공간(231)에 수용하도록 상기 PCB기판(210) 하부의 적어도 일부를 감싸며, 상기 내부공간(231)이 밀폐되도록 형성된 방수투명하우징(230)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 방수투명하우징(230)은 상기 PCB기판(210)을 포함하는 디스플레이(200)의 전면을 감싸도록 형성되는 것이 바람직하나, 상기 PCB기판(210)의 상면에 구비되어, 상기 마이크로LED소자(220)에서의 발열을 저감시키는 방열판(240)과 일체로 결합되어, 상기 PCB기판(210)을 수용하는 내부공간(231)을 밀폐 시킬 수 있다. 또한, 상기 디스플레이(200)는 별도의 실링부재를 추가적으로 구비하여 광경화성 수지가 내부로 상기 내부공간(231)으로 유입되지 않도록 견고히 밀폐시킬 수 있으며, 상기 방수투명하우징(230)은 상기 마이크로LED소자(220)로부터 조사되는 빛이 투과할 수 있도록 투명한 재질로 이루어져야 하고, 외측단이 상측으로 절곡되어 단면이 ㄷ자 형태를 갖는 캡의 형상으로 형성되어 상기 디스플레이(200)의 마이크로LED소자(220)의 상면에 결합된 방열판(240)의 하면 또는 측면의 일부에 접착 또는 다양한 체결수단을 이용하여 결합될 수 있다.
또한, 상기 방열판(240)은 상기 복수의 마이크로LED소자(220)로부터 방출되는 열을 냉각하기 위하여 상기 마이크로LED소자(220)의 상면에 형성되고, 상기 방열판(240)은 상기 복수의 마이크로LED소자(220)가 형성된 PCB기판(210)의 타면에 접착 또는 일체로 결합되어 형성될 수 있으며, 이때 상기 방열판(240)은 방열효과를 증대시키기 위하여 열전도성이 높은 재질로 이루어지며, 외표면이 다양한 형상의 음각부를 형성하는 히트싱크(heat sink)로 형성될 수 있으며, 별도의 냉각팬 또는 냉각유로 등이 결합되어 상기 디스플레이(200)의 과열을 방지하도록 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 디스플레이(200)의 작동을 도시한 예시도로서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 디스플레이(200)의 하면에 구비된 복수의 마이크로LED소자(220) 각기에서 빛을 각각 방출하며, 상기 복수의 마이크로LED소자(220)에서 방출되는 빛의 조합에 의해 상기 출력판(300)에 조사되는 빛의 패턴을 형성한다. 더하여, 출력물의 경화 시에는 상기 디스플레이(200)와 출력판(300) 사이의 거리(H)가 일정하게 유지되어야 하며, 이때 유지되는 상기 디스플레이(200)와 출력판(300) 사이에 구비되는 광경화성수지가 상기 디스플레이(200)에서 조사된 빛에 의해 경화됨으로써 출력물의 단층을 형성한다. 즉, 상기 디스플레이(200)와 출력판(300) 사이의 거리에 따라 출력물의 인쇄 시에 적층되는 단층의 두께를 형성하게 되고, 이후 상기 디스플레이(200)는 적층된 출력물의 최상층과 상기 단층의 두께만큼 일정한 거리를 유지하여 상기 출력판(300)으로부터 점차적으로 증가되도록 이격되며 다음 층의 패턴을 갖는 빛을 조사하도록 작동된다. 즉, 상기 출력물의 단층의 두께는 상기 디스플레이(200)로부터 상기 출력판(300) 또는 기 출력된 출력물의 최상측면 사이의 거리(H)에 해당하며, 상기 제어부(400)는 적층되는 출력물의 단층의 두께가 다음층의 두께와 동일하게 유지되도록 상기 디스플레이구동부(500)의 상하방향의 작동을 제어하며, 더욱 자세하게는 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 빛의 패턴에 따른 출력물의 단층 경화를 반복하며 상기 출력물을 적층하되, 적층되는 상기 출력물의 단층이 소정두께(H)를 갖도록 상기 디스플레이구동부(500)를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 디스플레이(200)는 PCB기판(210)상에 복수의 마이크로LED소자(220)가 배열되어 이루어짐에 따라, 인접하는 상기 복수의 마이크로LED소자(220) 간의 간격(d)에 따라 상기 마이크로LED소자(220)에서 조사되는 빛이 인접하는 마이크로LED소자(220)로부터 조사된 빛과 간섭하지 않는 최대거리(H)만큼 상기 디스플레이(200) 및 출력판(300)이 이격되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제어부(400)는 상기 디스플레이(200)에 배열된 복수의 마이크로LED소자(220)를 각기 개별 제어하며, 상기 적층되는 출력물의 단층이 갖는 두께는 상기 디스플레이에 배열된 복수의 마이크로LED소자 중 빛을 방출하도록 선택되는 복수의 마이크로LED소자에 의해 가변될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 3D프린터(1000)는 수 ~ 수십 마이크로 단위의 크기를 갖는 마이크로LED소자(220)를 배열함으로써, 복수의 마이크로LED소자(220) 간의 간격(d)를 미시단위까지 낮춤으로써, 단층의 조형을 위한 빛의 패턴의 해상도를 저하시키지 않으면서 수 ~ 수십 마이크로미터 단위의 단층의 두께를 형성할 수 있다는 장점이 있다.
이에 관하여 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 마이크로LED소자(220)는 상기 제어부(400)에 의해 각기 개별 제어 될 수 있으며, 상기 복수의 마이크로LED소자(220) 중 인접하여 빛을 방출하도록 선택된 복수의 마이크로LED소자(220)의 조합에 따라 상기 출력물의 단층의 두께(H)를 조절할 수 있고, 빛을 방출하는 복수의 마이크로LED소자(220a)간의 사이에 빛을 방출하지 않는 마이크로LED소자(220b)의 개수에 따라 빛을 방출하는 복수의 마이크로LED소자(220a)간의 간격(d)을 조절하며, 빛의 패턴을 출력하는 복수의 마이크로LED소자(220a)간의 간격(d)이 멀어짐에 따라 하나의 마이크로LED소자(220a)에서 출력된 빛과 인접하여 빛을 방출하는 다른 하나의 마이크로LED소자(220a)로부터 출력된 빛이 서로 중첩되지 않는 최대거리(H)가 멀어져, 상기 디스플레이(200)와 출력판(300) 사이 또는 상기 디스플레이(200)와 경화된 출력물의 최상층 사이의 거리에 따른 출력물의 단층의 두께(H)를 증가 시킬 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시에에 따른 3D프린터(1000)의 작동을 도시한 예시도로서 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 3D프린터(1000)의 작동을 상세히 설명하기로 한다.
우선 도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 3D프린터(1000)의 출력의 시작 후 단층을 출력하도록 작동하는 것을 도시하고 있으며, 상기 3D프린터(1000)의 출력이 시작되면 상기 수조(100)에 광경화성물질(R)이 채워지고 상기 디스플레이(200)가 하방의 출력판(300)으로 이동하여 상기 디스플레이(200)와 출력판(300)이 입력받은 단층의 두께(H)를 유지하며 상기 디스플레이(200)로부터 조사된 빛의 패턴에 따른 출력물을 조형한다. 이때 설정된 출력물의 단층의 높이에 따라 설정된 노광시간 이후 상기 디스플레이(200)가 상방으로 이동하여 수조(100) 밖으로 이동함으로써 경화된 출력물(T1)과 분리될 수 있다. 이때, 상기 디스플레이(200)가 상방으로 이동하는 작동은 상기 출력판(300)에 경화된 단층과 상기 디스플레이(200)가 접하는 면이 이형(異形)되도록 하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 상기 디스플레이(200)와 경화된 출력물을 분리시키기 위한 다양한 동작으로 변형실시 가능할 것이다.
다음으로 도 6에서 도시된 바와 같이, 상방으로 이동했던 상기 디스플레이(200)가 재 하강하여 상기 출력판(300)에 형성된 단층의 출력물(T1)의 상면과 상기 단층의 두께(H)만큼 일정거리 이격되어 다음 층에 해당되는 출력물(T2)의 패턴을 조사한다. 이때 설정된 출력물의 단층의 높이에 따른 노광시간 이후 상기 디스플레이(200)가 상방으로 이동하여 수조(100) 밖으로 이동함으로써 경화된 출력물(T2)과 분리되며, 상술한 일련의 과정을 반복하여 전체적인 출력물의 출력을 수행한다.
이후 전체적인 출력물의 출력이 완료되면, 도 8의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 출력판(300)이 상방으로 이동하여 상기 수조(100) 밖으로 배출시킴으로써 출력이 완료된 상기 출력물(T)을 상기 출력판(300)에서 분리할 수 있다.
이때, 본 발명의 3D프린터(1000)는 상기 디스플레이(200)가 상기 출력판(300)으로 이동하여 출력물을 조형하는 구동을 일예로 들어 상술하였으나, 본 발명의 3D프린터(1000)를 이용한 구동방식에 관한 다른 일예로, 상기 디스플레이(200)가 상기 수조(100)의 상측에 일정거리 이격되도록 구비되고, 상기 수조(100)의 내부에 구비된 출력판(300)이 상하방향으로 이동함으로써, 수조(100) 내부에 채워진 광경화성수지(R)의 최상면으로부터 상기 출력판(300)의 상면에 조형되는 출력물의 최상층의 상면까지의 거리가 일정하게 유지되도록 상기 출력판(300)이 하방으로 이동하며 출력물을 적층 할 수 있을 것이다. 이때, 상술한 작동을 수행하는 3D프린터는 광경화성수지(R)가 공기층을 접하는 면에서는 중합반응이 이뤄지지 않음으로, 상기 출력판(300)을 공기층으로 이탈시켜 출력물의 단층간을 분리하는 작업을 수행하지 않아도 되어, 출력판(300)의 이동에 다른 출력물의 축이 뒤틀리는 탈조현상을 방지할 수 있으나, 상기 수조(100) 내부에 채워지는 광경화성수지(R)의 높이를 일정하게 제어하기 위한 수단이 요구된다. 즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 3D프린터(1000)의 구동방식은 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 다양한 방식으로 변형 실시 가능할 것이다.
더하여, 최근에 들어 3D프린터 산업 전반에 걸쳐 더욱 정밀한 출력물을 얻기위하여, 더욱 미세한 단층의 두께를 형성하기 위한 기술의 개발이 이루어져 왔으며, 상술한 구성에 따른 본 발명의 마이크로 LED를 이용한 3D프린터는 본 발명은 마이크로LED소자를 구비하여 기존의 프로젝터의 한계를 극복함으로써, 출력물의 높은 정밀도 및 빠른 출력속도를 구현할 수 있으며, 추가적인 렌즈, 반사경 및 이미지마스크와 같이 방출된 빛이 투과하는 별도의 구성이 불필요함에 따라 수 ~ 수십 마이크로 미터 수준의 높은 해상도를 구현할 수 있는 장점이 있으며, 광원을 이루는 상기 디스플레이의 간단한 구조로 인해 대용량의 출력물을 출력하기에 더욱 적합한 3D프린터의 제작이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
**부호의 설명**
1000 : 3D프린터
100 : 수조
200 : 디스플레이 210 : PCB기판
220 : 마이크로LED소자 230 : 방수투명하우징
240 : 방열판
300 : 출력판 400 : 제어부
500 : 디스플레이구동부 600 : 출력판구동부
R : 광경화성수지 T : 출력물

Claims (8)

  1. 광경화성 수지가 저장되는 수조;
    상기 수조의 상측 또는 하측 중 일측에 구비되고, 상기 수조와 마주보는 방향으로의 일면에 복수의 마이크로LED소자가 배열을 이루며 형성된 PCB기판을 포함하며, 상기 복수의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛의 조합에 따라 조형하고자 하는 패턴의 빛을 조사하는 디스플레이; 및
    상기 디스플레이와 마주보는 방향에 배치되어, 상기 디스플레이로부터 조사되는 빛의 패턴에 따른 출력물이 조형되는 출력판;
    을 포함하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 수조의 상측에 구비되고,
    상기 출력판은 상기 수조의 내부에 구비되어,
    상기 디스플레이로부터 하방으로 조사되는 빛의 패턴에 의해 상기 출력판의 상면에 상기 광경화성수지가 경화되어 형성되는 출력물이 조형되는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3D프린터는,
    상기 디스플레이를 상하방향으로 이동시키도록 구동되는 디스플레이구동부; 및
    상기 디스플레이로부터 조사된 빛의 패턴에 따른 출력물의 단층 경화를 반복하며 상기 출력물을 적층하되, 적층되는 상기 출력물의 단층이 소정두께를 갖도록 상기 디스플레이 및 디스플레이구동부를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 PCB기판의 하면에 배열된 복수의 마이크로LED소자를 내부공간에 수용하도록 상기 PCB기판 하부의 적어도 일부를 감싸며, 상기 내부공간이 밀폐되도록 형성된 방수투명하우징을 더 포함하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디스플레이는 상기 PCB기판의 상면에 구비되며, 상기 방수투명하우징과 일체로 결합되어, 상기 마이크로 LED소자에서의 발열을 저감시키는 방열판을 더 포함하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 3D프린터는 상기 출력판을 상하방향으로 이동시키는 출력판구동부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 출력물의 인쇄가 완료되면 상기 출력판을 상방으로 이동시켜 상기 수조 밖으로 배출시키도록 상기 출력판구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로 LED를 이용한 3D프린터.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 디스플레이에 배열된 복수의 마이크로LED소자를 각기 개별 제어하며,
    상기 적층되는 출력물의 단층이 갖는 두께가 상기 디스플레이에 배열된 복수의 마이크로LED소자 중 빛을 방출하도록 선택되는 복수의 마이크로LED소자에 의해 가변되도록 상기 디스플레이 및 디스플레이구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로LED를 이용한 3D프린터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빛을 방출하도록 선택되는 복수의 마이크로LED소자에 따른 상기 출력물의 단층의 두께는 빛을 방출하는 어느 하나의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛과 인접하여 빛을 방출하도록 다른 하나의 마이크로LED소자로부터 방출된 빛이 서로 중첩되지 않는 최대거리인 것을 특징으로 하는 마이크로LED를 이용한 3D프린터.
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