WO2022191381A1 - 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3d 프린팅 방법 - Google Patents
우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3d 프린팅 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에서는 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있는 동시에, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에 잉크젯 방식으로 도포되는 경화제 잉크와 주제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물을 인쇄함으로써, 인쇄물의 크기에 구애됨 없이, 대면적의 3D 구조물을 신속하게 인쇄할 수 있는 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있는 동시에, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에 잉크젯 방식으로 도포되는 경화제 잉크와 주제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물을 인쇄함으로써, 인쇄물의 크기에 구애됨 없이, 대면적의 3D 구조물을 신속하게 인쇄할 수 있는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
최근 3D 프린팅 산업은 빠르게 신규산업으로 자리를 잡아가고 있으며, 각 산업부분에서 적극적으로 적용 범위를 넓혀가고 있다. 3D 프린팅이란 적층 제조(AM: Additive Manufacturing)라고도 불리며, 디지털 디자인 데이터를 이용, 소재를 적층(績層)하여 3차원 물체를 제조하는 프로세스를 말한다. 종래의 3차원 물체의 제조기술이 주로 입체형상의 재료를 기계가공 등을 통하여 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing) 형식이었다면, 3D 프린팅에서는 이와 반대로 프린팅 소재를 차근차근 적층해 나가면서 입체물을 생산하는 방식을 취하고 있다.
이와 같은 3D 프린팅 방법으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0125910호에 개시된 스테레오 리소그래피(SLA) 방식 또는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0076951호에 개시된 레이저 소결(SLS) 방식 등이 사용되며, 이외에도 용융증착 모델링(FDM) 방식 또는 멀티제트 모델링(MJM) 방식 등 다양한 방식이 적용되어 사용되고 있다.
그런데, 이와 같은 3D 프린팅 방법을 통해 인쇄물을 생산함에 있어서는, 어떠한 방식을 적용한다 하더라도, 그 프린팅 프로세스의 특성 상, 인쇄되는 3차원 객체, 즉 인쇄물의 형상에서 현수부(overhang portion)가 존재하는 경우, 이를 지지하기 위한 서포터(supporter) 구조가 요구되므로, 이를 위해 종래의 3D 프린팅 공정에서는 인쇄물의 형성 과정에서 발생되는 현수부를 지지하기 위한 서포터를 인쇄물과 함께 인쇄하고 있으며, 인쇄 공정이 완료된 후, 후가공 공정을 통해 인쇄물에 부착된 서포터들을 일일히 제거하는 과정이 필수적으로 요구되어, 전체적으로 작업 공정이 길어지고 복잡해질 뿐만 아니라, 서포터 인쇄를 위한 원재료의 소모 등으로 인해, 제품의 전반적인 생산 원가가 상승하는 주요 요인이 되고 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 제10-2019-0179632호에서는 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 이용하여, 저온 환경에서의 광경화 인쇄 공정을 통해, 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있는 3D 프린팅 방법을 소개하고 있다.
그런데, 상술한 179632호 특허는, 앞서 설명한 바와 같이, 기본적으로 일반적인 SLA 방식의 3D 프린팅에 적용되는, 광경화 방식을 통해 3D 구조물을 인쇄하고 있는데, 이와 같은 광경화 방식의 인쇄 방법은, 상대적으로 높은 인쇄 정밀도와 빠른 인쇄 속도를 제공할 수 있다는 장점이 있기는 하나, 대형의 인쇄물을 인쇄함에 있어서는 많은 제약이 따른다는 문제가 있다.
즉, 179632호 특허에서는 광경화 방식의 인쇄 방법의 특성 상, 레이저빔, DLP(Digital Light Processing) 또는 LCD(Liquid Crystal Display) 등을 이용하여, 레이어 단위로 도포되는 잉크 조성물을 광 조사를 통해 선별적으로 경화시키는 과정을 거쳐 3D 구조물을 인쇄하게 되는데, 이때 이와 같은 광 조사 공정상의 구조적 한계 때문에 대형의 인쇄물을 인쇄함에 있어서는 적합하게 사용되지 못한다는 단점이 있다.
다시 말해서, 레이저빔을 사용하는 경우에는, 포인트 소스(Point Source)가 적용되는 특성 상, 대형의 인쇄물을 인쇄하는데 있어서는, 한 레이어 당 소요되는 인쇄 시간이 지나치게 길어지게 되어, 전체적인 인쇄 속도가 매우 느려지게 된다는 단점이 있고, DLP 또는 LCD를 사용하는 경우, LCD 패널 또는 DLP의 픽셀 사이즈에 의해 인쇄물의 정밀도가 결정되므로, 대면적의 인쇄물을 정밀하게 인쇄하는데 한계가 있다. 또한, 이를 해결하기 위해 다수개의 LCD 패널을 연결하여 사용하는 방식 등이 모색되기도 하나, 그 경우 LCD 패널의 연결부위에서 크랙 등과 같은 인쇄물의 구조적 결함이 발생하는 확률이 높아지게 되어 대면적 인쇄물의 구조건전성을 보장하기 어렵다는 한계가 있다.
또한, 상술한 바와 같이, SLA 방식의 3D 프린팅 기술이 대면적의 인쇄물을 인쇄함에 있어서 한계를 보임에 따라, 최근에는 잉크젯 노즐을 통해 잉크 조성물을 원하는 형상으로 분사하고, 분사된 잉크 조성물을 광경화 또는 열경화 과정을 통해 즉시 고상화하여 인쇄하는 잉크젯 방식의 3D 프린팅 기술이 시도되고 있다.
그러나, 광경화 또는 열경화를 이용한 잉크젯 방식의 3D 프린팅의 경우, 2-D 액츄에이터(actuator)를 이용한 잉크젯 노즐의 구동 방식을 통해 인쇄물의 크기 제한에 대한 문제점을 해결하고 있기는 하나, 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 잉크 조성물의 토출 속도에 한계가 있어, 인쇄 속도가 느리다는 단점이 있을 뿐만 아니라, 노즐을 통해 잉크 조성물을 분사하기 위해서는, 분사되는 잉크 조성물이 수십 cPs 이하의 낮은 점도가 요구되므로, 고분자량을 갖는 올리고머 또는 폴리머 조성물을 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 이와 같은 종래의 잉크젯 방식 3D 프린팅의 경우 역시, 앞서 설명한 종래의 3D 프린팅 방법들과 마찬가지로, 인쇄물의 현수부를 지지하기 위한 서포터의 인쇄 및 제거 공정이 수반된다는 문제점은 여전히 존재한다.
본 발명은 상술한 종래의 3D 프린팅 방법에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있는 동시에, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에 잉크젯 방식으로 도포되는 경화제 잉크와 주제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물을 인쇄함으로써, 인쇄물의 크기에 구애됨 없이, 대면적의 3D 구조물을 신속하게 인쇄할 수 있는 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적에 따라 본 발명에서는, 아민과 이소시아네이트간의 우레아 반응을 이용하여 3D 구조물을 인쇄하는 3D 프린팅 방법에 있어서, 적어도 일단에 아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)를 포함하는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머로 이루어지는 주제 잉크를, 슬롯 코팅 방식을 통해 빌드 플랫폼 상에 일정한 두께의 레이어 단위로 도포하는 단계; 제조하고자 하는 3D 구조물의 형상에 맞추어 각 레이어 별로 미리 설정된 패턴에 따라, 적어도 일단에 이소시아네이트기(-NCO) 또는 아민기(-NH2)를 포함하는 모노머 또는 올리고머로 이루어지는 경화제 잉크를, 상기 레이어 단위로 도포된 주제 잉크 표면에 잉크젯 노즐을 통해 분사하여, 주제 잉크와 경화제 잉크에 각각 포함된 아민과 이소시아네이트간의 우레아 반응에 의한 가교 결합을 통해 3D 구조물 레이어를 경화시키는 단계; 및 상기 우레아 반응에 의한 경화가 완료된 레이어 위에, 주제 잉크를 다시 레이어 단위로 도포하고, 잉크젯 노즐을 통해 경화제 잉크를 분사하여 3D 구조물 레이어를 경화시키는 단계를 반복하여, 우레아 반응에 의한 가교 결합을 통해 경화된 레이어들이 적층된 3D 인쇄물을 인쇄하는 단계;를 포함하여 구성되되, 상기 주제 잉크는, 상온에서는 액상으로 유지되며, 일정 상변이 온도 이하의 저온에서는 동결되어 겔(gel)화되는 저온 상변이 잉크 조성물로 구성되고, 상기 3D 구조물을 인쇄하는 제 단계는 상기 상변이 온도 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버 내에서 수행되도록 구성되어, 상기 우레아 반응을 통해 적층 인쇄되는 3D 인쇄물을, 레이어 단위로 도포되어 빌드 플랫폼 상에서 겔화된 고형으로 동결된 미반응 주제 잉크를 통해 지지하도록 구성되는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여 3D 구조물을 인쇄함으로써, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있어, 서포터 인쇄에 소모되는 잉크 조성물의 낭비를 없애는 동시에, 인쇄 후의 후처리 공정을 단순화하여 전체적인 생산 공정을 단축하고 제품의 생산 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서는 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에 잉크젯 방식으로 경화제 잉크를 분사하여, 경화제 잉크와 주제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물을 인쇄함으로써, 인쇄물의 크기에 구애됨 없이 다양한 형태의 대면적 3D 구조물을 인쇄할 수 있는 동시에, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크로 다양한 종류의 고분자 올리고머 또는 폴리머 조성물을 적용할 수 있으며, 상대적으로 소량의 경화제 잉크의 잉크젯 분사를 통해 3D 구조물을 인쇄함으로써, 광경화 또는 열경화를 이용한 종래의 잉크젯 방식 3D 프린팅 공정에 비해 월등하게 향상된 인쇄 속도를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법이 수행되는 환경을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서 주제 잉크로 사용되는 잉크 조성물의 온도에 따른 점도 변화를 예로써 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서 주제 잉크와 경화제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물이 인쇄되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 상술한 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법의 바람직한 실시예를 도면과 함께 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법이 수행되는 환경을 개략적으로 보여주는 도면이다.
이미 앞에서 간략하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크의 표면에, 잉크젯 방식을 통해 경화제 잉크를 분사하여, 주제 잉크와 경화제 잉크 사이에서 발생되는 우레아 반응을 통해 경화 구조를 형성함으로써 3D 구조물을 인쇄하는 방식을 취하고 있다.
이를 위해 본 발명에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 슬롯 다이 등으로 이루어지는 빌드 플랫폼(200) 상에, 상기 빌드 플랫폼(200) 상부에 구비되는 슬롯 코팅부(300)를 통해 3D 프린팅을 위한 주제 잉크(500)를 일정한 두께의 레이어 단위로 도포한다.
이때, 본 발명에 적용되는 주제 잉크를 구성하는 잉크 조성물은 상온에서는 빌드 플랫폼(200) 상에 3D 프린팅을 위한 한 겹의 인쇄 레이어를 증착할 수 있도록 액상의 점도를 가지며, 일정 온도 이하의 저온에서는 점도가 급격하게 증가하여 겔(gel)화된 고상으로 상변이가 이루어지는 특성을 갖는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 사용되는 주제 잉크용 잉크 조성물의 온도에 따른 점도 변화를 예로써 보여주는 그래프로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 주제 잉크용 잉크 조성물은 20℃ 정도의 상온에서는 50,000 ~ 5,000,000cPs 범위의 점도를 갖는 액상으로 존재하나, 이후 온도가 내려감에 따라 그 점도가 급격하게 높아지는 특성을 보이고 있음을 알 수 있으며, 10℃ 이하에서는 그 점도가 500,000,000cPs 이상의 겔화된 고형으로 상변이가 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
이와 같은 주제 잉크의 상변이 특성을 효과적으로 활용하기 위해, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은, 주제 잉크의 상변이 온도 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버(100) 내에서 수행되며, 이를 위해 저온 챔버(100) 내부에는 내부 대기를 항상 일정 온도 이하로 유지할 수 있도록 냉풍기 등의 온도조절수단(미도시)이 구비될 수 있다.
또한, 레이어 단위로 주제 잉크가 도포되어, 순차적으로 적층되는 빌드 플랫폼(200)에는 냉각 루프(800) 등과 같은 냉각 수단이 연결되어 빌드 플랫폼(200)의 표면 온도가 항상 일정 온도 이하로 유지되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 슬롯 코팅부(300)는 잉크 공급 라인(미도시) 등을 통해 상온 상태의 액상 주제 잉크를 공급받아 빌드 플랫폼(200) 상의 인쇄 영역에 레이어 단위로 도포하며, 도포된 주제 잉크는 상변이 온도 이하로 유지되는 빌드 플랫폼의 표면 온도 및 저온 챔버(100) 내부의 대기 환경에 따라, 도포되는 즉시 겔화된 고형으로 동결되어 인쇄물 블록을 형성하게 됨으로써, 후술되는 우레아 반응에 의해 경화되어 제작되는 3D 인쇄물(700)을 지지하는 역할을 수행하게 된다.
여기서, 상술한 빌드 플랫폼(200)의 표면 온도나 저온 챔버(100) 내의 대기 온도는, 실시예에 적용되는 주제 잉크의 상변이 온도에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 바람직하게는 0℃ ~ 10℃ 내의 범위로 유지하는 것이 효과적이다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에 사용되는 주제 잉크는 상술한 상변이 특성을 보유한 잉크 조성물로서, 그 분자 구조에 적어도 하나 이상의 이소시아네이트기(-NCO) 또는 아민기(-NH2)를 포함하고 있는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머로서, 이와 대응하여 적어도 하나 이상의 아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)를 포함하며, 잉크젯 분사가 가능하도록 500cPs 이하의 점도를 갖는 모노머 또는 올리고머로 구성되는 경화제 잉크와 우레아 반응을 통해 경화되어 3D 구조물을 형성하게 되는데, 이와 관련하여서는 후술되는 도 3을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이, 빌드 플랫폼(200) 상에 주제 잉크(500)를 일정한 두께의 레이어 단위로 도포한 이후에는, 역시 상기 빌드 플랫폼(200) 상부에 구비되는 잉크젯 프린터(400)을 통해, 제조하고자 하는 3D 구조물의 형상에 따라 각 레이어 별로 설정된 패턴을 따라 경화제 잉크(600)를 분사하여, 도포된 주제 잉크(500)를 선별적으로 경화시킴으로써 인쇄물 레이어를 형성하게 된다.
이후 상술한 과정을 거쳐 하나의 레이어에 대한 3D 프린팅이 완료되면, 인쇄가 완료된 레이어 위에 다시 주제 잉크(500)를 일정한 두께의 레이어 단위로 도포하고, 도포된 주제 잉크에 다시 경화제 잉크를 분사하는 과정을 반복적으로 진행하여 3D 인쇄물을 제작하게 되는데, 이와 같이 주제 잉크의 도포 및 경화제잉크의 분사를 통해 레이어 단위로 순차적으로 적층되면서 진행되는 3D 인쇄물의 제조 과정에서, 경화제 잉크가 분사되지 않고, 단순히 도포된 상태 그대로 빌드 플랫폼 상에서 겔화되어 동결된 주제 잉크는, 앞서 설명한 바와 같이, 이미 유동성이 전혀 없는 고체에 가까운 상태이므로, 그 자체로 우레아 반응에 의해 경화되어 제작되는 3D 인쇄물(700)을 지지하는 서포터의 역할을 수행하며 인쇄물 블록을 형성하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에서는, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 특성을 갖는 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여 3D 구조물을 인쇄함으로써, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있어, 서포터 인쇄에 소모되는 잉크 조성물의 낭비를 없애는 동시에, 인쇄 후의 후처리 공정을 단순화하여 전체적인 생산 공정을 단축하고 제품의 생산 단가를 낮출 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서 주제 잉크와 경화제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물이 인쇄되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도면에서 보여지고 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 빌드 플랫폼(200) 상에 레이어 단위로 주제 잉크(500)를 도포하고, 이렇게 도포된 주제 잉크(500) 위에, 인쇄하고자 하는 3D 구조물의 형상에 따라 각 레이어 별로 설정된 패턴을 따라 경화제 잉크(600)를 분사하여, 분사된 경화제 잉크와 주제 잉크 간의 우레아 반응에 의한 우레아 결합을 통해, 견고하게 경화된 3D 인쇄물(700)을 인쇄하게 된다.
우레아 반응이란, 하기의 [화학식 1]에서 보여주는 바와 같이, 아민과 이소시아네이트가 우레아 결합(urea linkage)을 통해 상호 결합되어 폴리우레아를 형성하는 화학반응을 말하며, 이와 같은 우레아 반응은 반응 개시를 위한 특별한 촉매나 별도의 반응 개시(initiation) 에너지 없이도, 매우 빠른 속도로 활발하게 진행되는 반응이다.
이와 같이, 주제 잉크와 경화제 잉크 사이에서 발생되는 우레아 반응을 통해 경화 구조를 형성하기 위해, 본 발명에서는 주제 잉크용 잉크 조성물을 선택함에 있어서, 그 분자 구조에 적어도 하나 이상의 이소시아네이트기(-NCO) 또는 아민기(-NH2)를 포함하고 있는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머를 사용하고 있으며, 이와 병행하여 사용되는 경화제 잉크로는, 주제 잉크와는 반대로, 아민기(-NH2) 또는이소시아네이트기(-NCO)를 포함하는 모노머 또는 올리고머를 사용한다.
즉 본 발명에서는, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 빌드 플랫폼(200) 상에 먼저 주제 잉크(500)를 레이어 단위로 도포하고, 이렇게 도포된 주제 잉크(500) 상에, 인쇄하고자 하는 3D 구조물의 형상에 따라, 각 레이어 별로 설정된 패턴을 따라 경화제 잉크(600)를 분사하게 되며, 이때, 주제 잉크(500)에는 이소시아네이트기(-NCO) 또는 아민기(-NH2) 중 하나의 반응기가 포함되어 있고, 그 위에 분사되는 경화제 잉크(600)에는, 상기 주제 잉크와 반대로, 아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)가 포함되어, 각 레이어 별로 설정된 패턴을 따라 경화제 잉크(600)가 분사된 영역에서는, 분사된 경화제 잉크와 주제 잉크 간에 우레아 반응이 진행되어 가교 결합이 이루어짐으로써, 우레아 결합을 통해 견고하게 경화된 폴리우레아 구조의 3D 인쇄물(700)이 형성되게 된다.
이때, 이와 같이 경화제 잉크와 주제 잉크 간에 발생하는 우레아 반응은, 반응열이 수반되는 발열 반응으로서, 도면에 도시된 바와 같이, 도포된 주제 잉크 표면에서의 우레아 반응를 통해 발생되는 열이, 그 하부에 존재하는 미반응 고화 상태의 주제 잉크를 녹여 액상으로 변화시켜, 분사된 경화제 잉크가 하부로 확산(diffuse)됨으로써, 분사된 경화제 잉크가 모두 반응할 때까지 지속적으로 반응이 이루어지게 된다.
여기서, 본 발명에 적용되는 경화제 잉크는, 이미 앞서 설명한 바와 같이, 잉크젯 분사가 용이하게 이루어질 수 있도록 500cPs 이하의 점도를 갖는 모노머 또는 올리고머로 구성되는데, 이때, 앞에서 지적한 바와 같이, 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 잉크 조성물의 토출 속도에 따른 제한을 효과적으로 극복하기 위해서는, 분사되는 경화제 잉크의 양을 가능한 범위에서 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명에서는 주제 잉크 상에 도포되는 경화제 잉크의 양을, 경화제 잉크가 분사되는 영역에 레이어 단위로 도포된 주제 잉크 체적의 1/20 내지 1/5의 범위로 줄여줌으로써, 전체적인 3D 프린팅 공정의 인쇄 속도를 효과적으로 향상시키고 있다.
즉, 본 발명에 적용되는 주제 잉크와 경화제 잉크의 상대량은 결국, 두 잉크 조성물에 포함되는 아민기와 이소시아네이트기의 몰(mole) 비에 의해 결정되며, 본 발명에서는 앞서 설명한 저온 상변이 특성을 가지며, 분자량 1,000 이상의 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머를 주제 잉크로 사용하는 반면에, 경화제 잉크로는 이보다 훨씬 작은 분자량과 낮은 점도를 갖는 모노머 또는 올리고머를 사용함으로써, 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 경화제 잉크의 양을 최소화하여, 전체적인 인쇄 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 특성을 갖는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머를 주제 잉크로 사용하여, 슬롯 코팅부를 통해 빌드 플랫폼 상에 레이어 단위로 도포하고, 이렇게 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에, 상대적으로 소량의 경화제 잉크를, 잉크젯 노즐을 통해 각 레이어 별로 설정된 패턴을 따라 분사하여, 주제 잉크와 경화제 잉크 사이의 우레아 반응을 통해 주제 잉크를 경화시키도록 구성함으로써, 2-D 액츄에이터(actuator)를 이용한 잉크젯 노즐의 구동 방식을 통해 인쇄물의 크기에 구애됨 없이 다양한 형태의 대면적 3D 구조물을 보다 자유롭게 인쇄할 수 있는 잉크젯 방식 프린팅의 장점을 그대로 유지하면서, 3D 구조물의 제작을 위해 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 경화제 잉크의 토출량을 최소화하여, 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 잉크 조성물의 토출 속도에 따른 인쇄 속도 제한을 효과적으로 극복하여 상대적으로 빠른 인쇄 속도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 광경화 또는 열경화를 이용한 종래의 잉크젯 방식 3D 프린팅 공정과 달리, 슬롯 코팅부를 통해 빌드 플랫폼 상에 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크를 사용함으로써, 고분자량을 갖는 다양한 종류의 올리고머 또는 폴리머 조성물을 프린팅 재료로 사용할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 특성을 갖는 잉크 조성물을 주제 잉크로 사용하여 3D 구조물을 인쇄함으로써, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 주제 잉크 표면에 분사되어 주제 잉크와 우레아 반응을 통해 가교 결합되어 경화되는 경화제 잉크 중, 미처 주제 잉크와 반응하지 못하고 표면에 잔존하는 미량의 경화제 잉크가, 순차적으로 도포되는 후속 레이어의 주제 잉크 하면과 반응하여 경화되는 과정을 통해, 레이어 단위로 연속 적층되며 형성되는 3D 인쇄물의 층간 결합력이 보다 공고하게 이루어질 수 있도록 지원함으로써, 종래의 SLA 또는 SLS 방식의 3D 프린팅 공정으로 제작된 3D 인쇄물이 평면적으로는 매우 우수한 연결강도를 갖는 반면, 인쇄 레이어 간의 연결강도가 상대적으로 취약하게 나타나는 문제를 효과적으로 보강할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 적용되는, 아민 반응기 또는 이소시아네이트 반응기를 가지는 주제 잉크용 잉크 조성물은 다양한 방법을 통해 합성될 수 있다.
예로써, 양 말단에 아민기(-NH2)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m+1 몰과 양 말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m 몰을 우레아 반응을 통해 결합시키면, 양 말단에 아민 반응기를 갖는 주제 잉크용 잉크 조성물을 합성할 수 있으며, 이때 합성에 사용되는 모노머 또는 프리폴리머의 성분 및 합성비를 조절하여 본 발명에 적합한 분자량 및 상변이 특성을 갖는 고분자 올리고머 또는 폴리머를 합성할 수 있다.
또한, 유사한 방식으로, 이번에는 양 말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m+1 몰과 양 말단에 아민기(-NH2)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m 몰을 우레아 반응을 통해 결합시키면, 양 말단에 이소시아네이트 반응기를 갖는 주제 잉크용 잉크 조성물을 합성할 수 있게 되며, 이외에도 양 말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m+1 몰과 양 말단에 하이드록시기(-OH)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머 m 몰을 우레탄 반응을 통해 결합시켜, 양 말단에 이소시아네이트 반응기를 갖는 주제 잉크용 잉크 조성물을 합성할 수도 있다.
또한, 주제 잉크에는 상술한 바와 같이, 적어도 일단에 아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 잉크 조성물과 함께, 출력물의 강도(Modulus)를 높여주기 위한 무기물 필러, 색상을 구현하기 위한 착색제 및 기타 다양한 기능성 첨가제가 포함될 수 있다.
경화제 잉크로는 아민 반응기 또는 이소시아네이트 반응기를 갖는 다양한 상용의 모노머가 사용될 수 있으며,
아민 반응기를 가지는 모노머의 예로는, 디프로필렌 트리아민(Dipropylene triamine), 디에틸렌 트리아민(Diethylene triamine), N,N-비스-3-아미노프로필 에틸렌디아민(N,N-Bis-(3-Aminopropyl)ethylenediamine), 메틸-디아미노시클로헥산( Methyl-diaminocyclohexane), 이소포론 디아민(Isophorone diamine), 4,4-메틸렌비스(시클로헥실아민)(4,4-methylenebis(cyclohexylamine)), 3,3-디메틸-4,4-디아미노시킬로헥실메탄(3,3-Dimethyl-4,4-diaminocycloheylmethane), 4,7,10,트리옥사트리디칸-1,13-디아민(4,7,10,trioxatridecane-1,13-diamine), 4,9-디옥사도디칸-1,12-디아민(4,9-dioxadodecane-1,12-diamine) 및 폴리에테르아민(polyetheramine) 등을 들 수 있고,
이소시아네이트 반응기를 가지는 모노머의 예로는, 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HMDI, Hexamethylene diisocynate), 디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI, Diphenyl methane diisocynate), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI, Toluene diisocynate), 페닐렌 디이소시아네이트(PDI, p-Phenylene diisocynate), 이소포론 디이소시아네이트(IPDI, Isophorone diisocynate) 등이 있으며, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 트리머(Hexamethylene diisocynate trimer) 또는 티어(4-이소시아네이토페니)메탄(tir(4-isocyanatopheny)methane) 등이 이에 혼합되어 사용될 수 있다.
또한, 상술한 경화제 잉크에도 산화방지제, 레벨링제 및 표면개질제 등과 같은 다양한 기능성 첨가제가 함유될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 바람직한 실시 양태의 일부 사례를 보여주는 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 보호범위는 후술되는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 한정된다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 변경함이 없이 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 당연하므로 이러한 변형이나 개량은 그 범위가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 사항의 범위에 있는 한, 본 발명의 보호범위에 속한다 할 것이다.
〈부호의 설명〉
100 : 저온 챔버 200 : 빌드 플랫폼
300 : 슬롯 코팅부 400 : 잉크젯 프린터
500 : 주제 잉크 600 : 경화제 잉크
700 : 3D 인쇄물 800 : 냉각 루프
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 방식의 3D 프린팅 방법에서는, 슬롯 코팅부를 통해 빌드 플랫폼 상에 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크와, 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크 표면에 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 경화제 잉크 간의 우레아 반응을 통해 3D 구조물을 인쇄하는 방식을 제시함으로써, 1,000 Mw(g/mole) 이상의 고분자량을 갖는 다양한 종류의 올리고머 또는 폴리머 조성물을 프린팅 재료로 사용할 수 있는 동시에, 잉크젯 분사가 용이한, 500cPs 이하의 낮은 점도를 갖는 소량의 경화제 잉크의 분사를 통해 3D 구조물을 인쇄할 수 있도록 지원하여, 2-D 액츄에이터(actuator)를 이용한 잉크젯 노즐의 구동 방식을 통해 인쇄물의 크기에 구애됨 없이 다양한 형태의 대면적 3D 구조물을 보다 자유롭게 인쇄할 수 있으며, 3D 구조물의 제작을 위해 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 경화제 잉크의 토출량을 최소화하여, 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 잉크 조성물의 토출 속도에 따른 인쇄 속도 제한을 효과적으로 극복하여 상대적으로 빠른 인쇄 속도를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상온에서는 액상으로 존재하되 일정 온도 이하에서는 동결되어 겔(gel)화되는 상변이 특성을 갖는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머를 주제 잉크로 사용하여 3D 구조물을 인쇄함으로써, 3D 프린팅 과정에서 인쇄되는 3D 구조물의 현수부를 지지하기 위한 별도의 서포터 구조를 생략할 수 있으며, 인쇄물의 제작이 완료된 이후에는, 인쇄물 및 인쇄물과 함께 적층된 잉크 조성물 블록을 상온 환경으로 이동시켜, 상온에서 방치하거나 또는 약하게 가열하여, 우레아 반응에 의해 경화된 3D 인쇄물 이외의, 미반응 상태의 겔화된 고형의 주제 잉크를 다시 액상으로 상변이시켜 회수함으로써, 간단한 여과 공정을 거쳐 다시 정화하여 3D 프린팅용 주제 잉크로 재사용 할 수 있게 된다.
또한, 수득된 인쇄물은 세척 용액을 통한 세척 과정을 통해 인쇄물 표면에 잔존하는 미경화 잉크 조성물을 완전히 제거한 후, 건조함으로써 생산을 완료하게 되는데, 이때 이와 같은 인쇄 후처리의 전 공정은 상온 환경에서 상온의 세척액 등을 통해 수행됨으로써, 후처리 공정을 위한 별도의 추가 설비 구성을 최소화하는 동시에 작업 수행의 편의성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
Claims (10)
- 아민과 이소시아네이트간의 우레아 반응을 이용하여 3D 구조물을 인쇄하는 3D 프린팅 방법에 있어서,적어도 일단에 아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)를 포함하는 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머로 이루어지는 주제 잉크를, 슬롯 코팅 방식을 통해 빌드 플랫폼 상에 일정한 두께의 레이어 단위로 도포하는 단계;제조하고자 하는 3D 구조물의 형상에 맞추어 각 레이어 별로 미리 설정된 패턴에 따라, 적어도 일단에 이소시아네이트기(-NCO) 또는 아민기(-NH2)를 포함하는 모노머 또는 올리고머로 이루어지는 경화제 잉크를, 상기 레이어 단위로 도포된 주제 잉크 표면에 잉크젯 노즐을 통해 분사하여, 주제 잉크와 경화제 잉크에 각각 포함된 아민과 이소시아네이트간의 우레아 반응에 의한 가교 결합을 통해 3D 구조물 레이어를 경화시키는 단계; 및상기 우레아 반응에 의한 경화가 완료된 레이어 위에, 주제 잉크를 다시 레이어 단위로 도포하고, 잉크젯 노즐을 통해 경화제 잉크를 분사하여 3D 구조물 레이어를 경화시키는 단계를 반복하여, 우레아 반응에 의한 가교 결합을 통해 경화된 레이어들이 적층된 3D 인쇄물을 인쇄하는 단계;를 포함하여 구성되되,상기 주제 잉크는, 상온에서는 액상으로 유지되며, 일정 상변이 온도 이하의 저온에서는 동결되어 겔(gel)화되는 저온 상변이 잉크 조성물로 구성되고,상기 3D 구조물을 인쇄하는 제 단계는 상기 상변이 온도 이하의 저온 환경이 유지되는 저온 챔버 내에서 수행되도록 구성되어,상기 우레아 반응을 통해 적층 인쇄되는 3D 인쇄물을, 레이어 단위로 도포되어 빌드 플랫폼 상에서 겔화된 고형으로 동결된 미반응 주제 잉크를 통해 지지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 저온 챔버 내의 대기 환경은,0℃ ~ 10℃ 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 빌드 플랫폼에는 빌드 플랫폼의 표면 온도 유지를 위한 냉각 수단이 구비되어,빌드 플랫폼의 표면 온도가 0℃ ~ 10℃ 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 슬롯 코팅 방식을 통해 레이어 단위로 도포되는 주제 잉크는,상온의 액상 상태로 도포되어, 빌드 플랫폼 상에서 겔화된 고형으로 동결되는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 경화제 잉크는,500cPs 이하의 점도를 갖는 모노머 또는 올리고머로 이루어지는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 레이어 단위로 도포된 주제 잉크 표면에 잉크젯 노즐을 통해 분사되는 경화제 잉크의 체적은,상기 분사 영역에 도포된 주제 잉크의 체적의 1/20 내지 1/5인 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 주제 잉크로는,양 말단에 아민기(-NH2)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머와 양 말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머를 합성하거나, 또는 양 말단에 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머와 양 말단에 하이드록시기(-OH)를 갖는 모노머 또는 프리폴리머를 합성하여 얻어지는,양 말단에 아민 반응기 또는 이소시아네이트 반응기를 갖는 분자량 1,000Mw(g/mole) 이상의 고분자 올리고머 또는 고분자 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 경화제 잉크로는,아민기(-NH2) 또는 이소시아네이트기(-NCO)를 갖는 상용의 모노머를 사용하는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 주제 잉크에는,무기물 필러, 착색제 및 적어도 하나 이상의 기능성 첨가제가 포함되는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 경화제 잉크에는,산화방지제, 레벨링제 또는 표면개질제를 포함하는 적어도 하나 이상의 기능성 첨가제가 포함되는 것을 특징으로 하는 우레아 반응을 이용한 잉크젯 방식 3D 프린팅 방법.
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