KR100674652B1 - 마이크로 시스템의 가상환경 기반 어셈블리 프리 프로세스방법 - Google Patents
마이크로 시스템의 가상환경 기반 어셈블리 프리 프로세스방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 마이크로 쾌속 조형 기술을 이용하여 마이크로 시스템을 제작하기 위한 가상 환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명에서는 가상환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 구현하여 복잡한 마이크로 시스템을 단 한번의 성형으로 제작 가능하도록 함으로써, 마이크로 스케일에서의 조립 과정을 필요로 하지 않게 되며, 동일한 단위 소자들을 이용할지라도, 소자들의 구성이 자유로워 다양한 기능의 마이크로 시스템을 제작할 수 있게 된다. 또한 어셈블리 프리 프로세스에 의해 제작되는 시스템은 전체 시스템이 하나의 몸체로 만들어지기 때문에 소자간에 조립 불량으로 인한 문제가 발생하지 않으며, 컴퓨터 기술을 이용하여 조립되는 시스템의 성형 정보에 대한 그래픽 지원에 의하여 제작하려는 마이크로 시스템의 특징을 한눈에 알아 볼 수 있으며, 또한 가상 조립된 시스템의 정보로부터 제품을 제작하기 위한 스테이지 구동 명령어 생성 등의 모든 과정이 자동화됨으로써, 어셈블리 프리 프로세스 후 제품을 신속하게 제작할 수 있으며, 마우스의 간단한 조작만으로도 모든 어셈블리 프리 프로세스가 가능하여 쉽게 사용할 수 있다. 이러한 기술의 개발을 위하여 본 발명에서는 마이크로 광조형 기술을 기반으로 하였다. 그러나 대부분의 마이크로 쾌속 조형 기술은 적층성형을 기반으로 하는 3차원 가공기술로써 본 발명은 적층기술을 이용한 마이크로 3차원 쾌속 조형 기술 전반에 응용이 가능한 기술이다.
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가상환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스 처리 개념도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 시스템 각 단위 소자의 성형정보 접근을 위한 정보 저장 체계 개념도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 시스템 가상 조립을 위한 각 단위 소자의 회전 및 이동과정 예시도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 공간상에서 마이크로 시스템 각 단위 소자들의 가상 조립 예시도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가장 조립된 마이크로 시스템의 그래픽 표현 예시도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 시스템 각 단위 소자의 색인 정보 예시도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 통합된 성형 정보 생성 과정 예시도.
본 발명은 광조형 기술에 관한 것으로, 특히 마이크로 광조형 기술을 이용하여 마이크로 시스템을 제작하기 위한 가상 환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스 방법에 관한 것이다.
마이크로 광조형 기술(micro-stereolithography technology)은 현재 산업분야에서 널리 쓰이고 있는 광 조형 기술(stereolithography technology)을 응용하여 마이크로 크기의 제품을 제작하는 기술을 말한다.
기존의 MEMS 공정과 같은 마이크로 제작 기술을 이용하여 마이크로 시스템을 만들기 위해서는 각 단위 소자의 제작 후 물리적인 조립 공정을 필요로 한다. 그러나 이러한 조립 공정은 마이크로 그리퍼와 같은 물리적 조립을 위한 또 다른 시스템을 필요로 하며, 조립 불량과 같은 조립에 따른 여러 가지 문제들이 발생하게 된다.
이에 반해 마이크로 광조형 기술은 적층성형을 기반으로 하기 때문에 임의 형상의 마이크로 3차원 구조물 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 특징을 이용하면 마이크로 시스템 전체를 한번의 공정으로 만들어 낼 수도 있다. 그러나 이러한 마이크로 광조형 기술을 이용할지라도 여러 개의 단위 소자로 이루어진 복잡한 형상의 마이크로 시스템을 제작하기란 쉽지 않다.
이는 마이크로 광 조형 기술을 이용하여 마이크로 스케일에서 성형을 하기 위하여 주사되는 광원에 의하여 경화되는 수지의 정밀한 형상 예측이 불가능하기 때문이다. 이러한 문제는 마이크로 광 조형 기술에서 CAD/CAM 기술의 적용을 어렵게 만드는 주요 원인이 된다. 이에 따라 각 마이크로 구조물을 제작하기 위해서는 비록 단위 소자들에 대한 성형정보를 가지고 있을 지라도, 이를 이용하여 시스템을 제작하기 위하여 많은 시간과 노력 그리고 시행착오를 거치게 된다. 그 뿐만 아니라, 시스템이 복잡해질수록 필요로 하는 시간과 노력 및 시행착오는 크게 증가하게 된다.
이는 마이크로 광 조형 기술을 이용하여 마이크로 스케일에서 성형을 하기 위하여 주사되는 광원에 의하여 경화되는 수지의 정밀한 형상 예측이 불가능하기 때문이다. 이러한 문제는 마이크로 광 조형 기술에서 CAD/CAM 기술의 적용을 어렵게 만드는 주요 원인이 된다. 이에 따라 각 마이크로 구조물을 제작하기 위해서는 비록 단위 소자들에 대한 성형정보를 가지고 있을 지라도, 이를 이용하여 시스템을 제작하기 위하여 많은 시간과 노력 그리고 시행착오를 거치게 된다. 그 뿐만 아니라, 시스템이 복잡해질수록 필요로 하는 시간과 노력 및 시행착오는 크게 증가하게 된다.
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따라서, 본 발명의 목적은 이러한 CAD/CAM 기술의 일환으로써, 마이크로 광 조형 기술에서 정밀한 소자들에 대한 성형 정보를 바탕으로 복잡한 마이크로 시스템을 단일 공정으로 제작하기 위하여 필요한 성형 정보의 재구성에 대한 기반 기술의 개발에 있으며, 마이크로 광조형 기술을 이용하여 컴퓨터 기반의 가상 환경 상에서 마이크로 시스템을 가상적으로 조립한 후 시스템 전체를 한번의 공정으로 제작할 수 있는 성형 정보를 얻기 위한 가상 환경 기반의 마이크로 시스템 가상조립방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마이크로 광 조형 기술을 이용한 마이크로 시스템의 가상환경 기반 어셈블리 프리 프로세스 방법으로서, (a)3차원 가상 공간상에서 마이크로 시스템 소자들의 가상 조립을 위해 각 소자들의 연결을 위한 상대적 위치와 조립 방향을 계산하여 가상 조립을 수행하는 가상 조립 단계와, (b)마이크로 시스템내 단위소자의 성형정보를 바탕으로 상기 가상 조립된 마이크로 시스템 전체의 성형정보를 재구성하는 성형 정보 추출단계와, (c)재구성된 성형정보를 이용하여 실제로 제작에 필요한 마이크로 광 조형 장치의 스테이지를 구동을 위한 코드를 생성하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 마이크로 시스템 가상 조립 단계는, (a1)컴퓨터 기술을 이용한 마이크로 시스템의 가상 조립을 위하여 마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자의 성형 정보를 전자정보로 저장하기 위한 구축된 정보 저장 체계를 바탕으로한 성형 정보의 저장과정과, (a2)마이크로 시스템내 각 단위 소자들간 연결부 정보를 지정하는 과정과, (a3)마이크로 시스템내 각 단위 소자들의 성형 정보와 연결부 정보를 이용하여 소자들간 상대적 위치와 조립 방향을 산출하는 과정과, (a4)소자들간 상대적 위치와 조립 방향 정보를 이용하여 각 소자를 회전 및 이동시켜 마이크로 시스템의 가상 조립을 수행하는 과정을 포함한다.
또한 본 발명의 가상 조립된 마이크로 시스템 전체의 성형정보를 재구성하는 성형 정보 추출단계는, (b1)가상 조립된 시스템의 각 소자들을 구성하는 층들이 전체 시스템 내에서 가지는 위치 정보를 산출하는 분류과정과, (b2)마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자들의 성형 정보들간에 레이저 빛 파워 정보가 다른 경우 이를 동일하게 맞추어 주기 위한 속도 수정 과정과, (b3)상기 분류과정을 통해 얻어진 정보와 속도 수정 과정을 통해 수정된 각 소자의 성형정보를 바탕으로 가상 조립된 시스템 전체의 성형 정보를 재구성하는 통합된 성형정보를 생성과정을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광조형 기술을 이용한 마이크로 시스템의 가상환경 기반 어셈블리 프리 프로세스 개념을 도시한 것으로, 본 발명은 상기 도 1에서 보여지는 바와 같이 수 μm 직경의 초점된 레이저 빛을 광 경화성 수지(photopolymer) 표면위에 주사하여 단면 형상을 성형하고, 이를 층층이 쌓아올려 원하는 3차원 형상을 제작하는 기술을 이용하여, 제작하려는 마이크로 시스템 전체의 통합된 가공 정보를 얻을 수 있다면, 조립 과정이 필요 없이 복잡한 마이크로 시스템 전체를 단일 공정을 통해 제작할 수 있다.
즉, 이러한 공정을 위하여 각 단위 소자의 성형 정보들이 가상 공간상에 그래픽으로 표현되고, 사용자는 이를 바탕으로 필요로 하는 마이크로 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 컴퓨터 기술을 이용한 가상 공간상에서의 가상 조립 후 본 발명에서 개발된 기술을 통하여 가상 조립된 시스템 전체를 단일 공정을 통하여 제작하기 위하여 필요로 하는 성형 정보들이 재구성된다.
여기에서 성형 정보란 구조물을 제작하기 위한 여러 정보들을 의미하는 것이다. 마이크로 광 조형 기술에서는 광원의 이동을 위한 스테이지 이동 경로 및 속도 그리고 광원의 주사 유무 및 광원의 세팅 변수(파워, 광원의 크기 등) 등으로 이루어져 있다. 이러한 성형정보들이 전체 시스템을 제어하는 컴퓨터에 입력되면, 이를 바탕으로 필요로 하는 시스템의 구조물이 자동적으로 제작되게 된다. 이에 대한 자세한 기술적 내용은 다음과 같다.
위 어셈블리 프리 프로세스라 함은 컴퓨터 그래픽 기술을 이용하여 마이크로 시스템의 가상 조립을 수행하고, 가상 조립된 시스템으로부터 마이크로 시스템을 실제로 제작하기 위한 성형정보를 얻어내는 일련의 과정을 의미한다. 이러한 어셈블리 프리 프로세스를 수행하기 위해서는 이미 개발된 단위 소자들의 성형정보를 컴퓨터 상에서 자유롭게 이용할 수 있어야 하는데, 본 발명에서는 어셈블리 프리 프로세스의 구현에 앞서, 성형정보로의 자유로운 접근을 위하여 도 2에서와 같은 정보 저장 체계를 구축하게 된다. 이러한 정보 저장 체계는 쾌속 조형 기술을 바탕으로 임의의 3차원 소자를 제작하는데 필요한 여러 성형 정보를 저장하기 위한 구성을 나타낸 것이다. 여기에서 여러 성형 정보라 함은 마이크로 광 조형 기술에서는 레이저 빔의 이동 경로(도 2- Circle or Line, Start Position, End Position, Center Position, Clockwise or counterclockwise), 빔의 이동속도(도 2- Velocity), 빔의 파워(도 2- Laser Power) 및 적층 성형 시 각 층의 두께 정보(도 2- Layer Thickness)등을 의미하는 것이다. 본 발명에서 표현한 도 2는 마이크로 광 조형 기술을 바탕으로 한 성형정보로써, 다른 쾌속 조형 기술에서도 큰 변화없이 적용 가능하다.
여기에서 성형 정보란 구조물을 제작하기 위한 여러 정보들을 의미하는 것이다. 마이크로 광 조형 기술에서는 광원의 이동을 위한 스테이지 이동 경로 및 속도 그리고 광원의 주사 유무 및 광원의 세팅 변수(파워, 광원의 크기 등) 등으로 이루어져 있다. 이러한 성형정보들이 전체 시스템을 제어하는 컴퓨터에 입력되면, 이를 바탕으로 필요로 하는 시스템의 구조물이 자동적으로 제작되게 된다. 이에 대한 자세한 기술적 내용은 다음과 같다.
위 어셈블리 프리 프로세스라 함은 컴퓨터 그래픽 기술을 이용하여 마이크로 시스템의 가상 조립을 수행하고, 가상 조립된 시스템으로부터 마이크로 시스템을 실제로 제작하기 위한 성형정보를 얻어내는 일련의 과정을 의미한다. 이러한 어셈블리 프리 프로세스를 수행하기 위해서는 이미 개발된 단위 소자들의 성형정보를 컴퓨터 상에서 자유롭게 이용할 수 있어야 하는데, 본 발명에서는 어셈블리 프리 프로세스의 구현에 앞서, 성형정보로의 자유로운 접근을 위하여 도 2에서와 같은 정보 저장 체계를 구축하게 된다. 이러한 정보 저장 체계는 쾌속 조형 기술을 바탕으로 임의의 3차원 소자를 제작하는데 필요한 여러 성형 정보를 저장하기 위한 구성을 나타낸 것이다. 여기에서 여러 성형 정보라 함은 마이크로 광 조형 기술에서는 레이저 빔의 이동 경로(도 2- Circle or Line, Start Position, End Position, Center Position, Clockwise or counterclockwise), 빔의 이동속도(도 2- Velocity), 빔의 파워(도 2- Laser Power) 및 적층 성형 시 각 층의 두께 정보(도 2- Layer Thickness)등을 의미하는 것이다. 본 발명에서 표현한 도 2는 마이크로 광 조형 기술을 바탕으로 한 성형정보로써, 다른 쾌속 조형 기술에서도 큰 변화없이 적용 가능하다.
상기 도 1을 참조하면, 가상 환경 기반 어셈블리 프리 프로세스는 상기 도 1에서 보여지는 바와 같이, 컴퓨터 기술 기반의 가상 환경상에서 각 단위소자(micro valve, micro chamber, etc)의 성형 정보를 이용하여 가상 조립된 마이크로 시스템을 제작하기 위한 가상 조립을 수행한다. 즉, 본 발명에서는 마이크로 시스템을 제작하기 위하여 각 단위 소자를 개별적으로 만든 후 조립하는 것이 아니라, 컴퓨터를 이용한 어셈블리 프리 프로세스를 거친 후 마이크로 광조형 기술을 이용하여 제품 전체를 한번에 제작하게 된다. 이에 따라 모듈별로 개발된 단위 유체 소자를 제작하려는 제품의 목적에 따라 자유로운 조합이 가능하도록 실 제작 전에 구성해 볼 수 있다. 이는 동일한 단위 소자들을 조합하여 제품을 만들지라도, 그 구성에 따라 전혀 다른 기능의 제품이 만들어 질 수 있기 때문이며, 또한 한번의 성형으로 마이크로 시스템이 제작되므로, 시스템을 제작하기 위한 조립 과정을 필요로 하지 않게 된다.
위와 같은 가상 환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스는 가상 공간상에서 마이크로 시스템의 가상 조립을 위한 회전과정과 이동 과정으로 이루어진 가상 조립 단계와, 조립된 시스템의 성형 정보를 얻기 위한 분류과정, 속도 수정 과정 그리고 성형 정보 생성 과정으로 이루어진 통합된 성형정보 추출단계로 구성된다.
이하 가상 환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 위한 마이크로 시스템의 가상 조립 단계와, 성형정보 추출단계에 대해 상세히 설명하도록 한다.
가상 조립이라 함은 컴퓨터의 가상 공간상에서 마이크로 시스템을 구성하기 위하여 여러 소자들을 이용하는 조립과정을 시각적으로 보여주기 위한 과정을 의미하는 것으로, 3차원 공간상에서 두 소자의 시각적인 조립을 위해서는 하나의 소자에 대하여 다른 소자들의 상대적 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 정보를 바탕으로 이루어진다. 다시 말해서, 마이크로 시스템을 구성하는 각 소자들이 시스템 내에서 가지는 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 대한 정보를 바탕으로, 3차원 사이버 공간에 적절히 위치시켜 줌으로써 사용자에게 시각적으로 3차원 조립 후의 형상을 보여주는 것이다.
이러한 가상 조립을 수행하기 위해서는 각 소자들이 마이크로 시스템 내에서 가져야 하는 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 정보를 필요로 하게 된다. 이러한 정보들은 사용자가 소자에 미리 입력된 접합부의 선택에 의하여 이루어진다. 각 소자들의 성형 정보에는 미리 저장된 연결부 정보(도2 정보 저장 체계 내에서의 Gate 정보)를 가지고 있다. 사용자는 두 개의 접합부를 선택하게 되고, 컴퓨터에서는 선택된 두 접합부들의 연결부 정보들을 읽어 들이게 된다. 그리고 이를 바탕으로 기존의 사이버 공간상에 미리 위치한 소자에 새로운 소자의 접합은 새로운 소자의 연결부 정보 중 위치정보(도2 Position)를 기존 소자의 위치 정보와 동일하게 맞추어 줌으로 해서 이루어진다. 그리고 연결부 정보가 가지고 있는 방향 벡터 정보(도2 Unit Vector)를 바탕으로 두 소자 간에 적절한 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보) 설정이 이루어진다. 이러한 과정을 나타낸 것이 회전 과정과 이동 과정이다.
도 3 및 도 4는 각각 마이크로 시스템내 구성 소자들의 회전 과정과 이동 과정에 대한 개념도를 도시한 것으로, 상기 도 3 및 도 4에 보여지는 바와 같이, 본 발명에서는 먼저 선택된 소자에 결합되는 두 번째 소자를 회전(rotation) 및 이동(translation)시키는 과정을 통하여 가상 조립을 수행시킨다. 이러한 가상 조립 과정에서는 두 소자들 간의 상대적 위치와 조립 방향을 계산하기 위해 각 소자간 조립이 이루어질 접합 부분들의 위치와 방향에 대한 정보를 가지고 있는 연결부 정보를 이용하여 가상 조립을 수행하게 된다. 도 5는 상기 도 3 및 도 4에 도시된 마이크로 시스템 각 소자들의 이동 및 회전에 따라 마이크로 시스템의 각 단위 소자들이 가상 공간상에서 가상 조립되고 있는 것을 보여주고 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가상 조립된 마이크로 시스템의 그래픽 표현 예시도를 도시한 것으로, 상기 가상 조립 단계에서는 각 소자들의 개별적인 성형 정보들을 한 공간에 동시에 나타내어 줌으로 해서 마치 조립되어 있는 듯한 그래픽을 제공하고 있다.
그러나 상기 도 6에서는 각 소자들의 성형 정보에 대한 실질적 조립은 아직 이루어지지 않은 상태이다. 다시 말해서, 각 소자들이 앞에서 설명한 가상 조립 단계를 거쳐, 사용자에게 시각적으로 3차원 조립 상태를 보여준 것이 도 6인 것이다. 이러한 가상 조립된 마이크로 시스템을 바탕으로 쾌속 조형 기술을 이용하여, 사용자에 의하여 디자인된 전체 마이크로 시스템을 제작하기 위해서는, 성형 정보 추출 단계가 필요하게 되는 것이다. 가상 조립 단계에서 시각적으로 보이는 마이크로 시스템은 도2에서 보는 것과 같은 정보 저장 체계를 바탕으로 개별적으로 각 성형 정보들이 저장되어 있다. 이와 같이 개별적으로 저장되어 있는 여러 개의 성형 정보들을 마이크로 시스템을 제작하기 위한 하나의 성형 정보로 묶는 과정이 실질적인 성형 정보 추출 단계에서 이루어진다. 곧, 마이크로 시스템을 한번에 제작하기 위하여 각 소자들을 제작하기 위한 레이저 빔의 이동경로를 적절히 조합하여 주며, 그 외의 여러 작업들도 이루어지게 된다. 이러한 과장을 설명한 것은 다음과 같다.
성형 정보 추출 단계는 전술한 바와 같이 조립된 시스템의 성형 정보를 얻기 위한 분류과정, 속도 수정 과정 그리고 성형 정보 생성 과정을 통해 이루어진다.
먼저 위 분류과정은 가상 조립된 시스템의 각 소자들을 구성하는 층들이 전체 시스템 내에서 가지는 위치 정보를 얻기 위한 과정으로, 이러한 정보는 도 7에 도시된 바와 같은 색인 정보의 제작에 의하여 이루어진다. 상기 색인 정보는 도 7에서 보여지는 바와 같이 가상 조립된 시스템 내에서 몇 번째 소자인지를 나타내는 소자번호(device number)와 그 소자의 몇 번째 층인지를 나타내는 층번호(layer number)로 이루어져 있다. 그리고 색인 정보 내에 저장된 각 소자 번호와 층 번호들은 가상 조립된 시스템 내에서 각 층을 구성하는 소자와 그 소자의 층 번호를 나타내는 중용한 정보가 된다. 즉 예를 들어, 상기 도 7에서 조립된 시스템의 첫 번째 층은 높이 0.1mm에 1번 소자의 제1층인 (1,1)과 4번 소자의 제1층인 (4,1)로 이루어진 것이고, 두 번째 층은 높이 0.15mm에 2번 소자의 제1층인 (2,1)로 구성되어 있는 것이다. 따라서 상기 도 7에 도시된 색인 정보들은 시스템을 구성하는 각 층의 단면 정보가 어떤 소자들의 어떤 층으로 이루어져 있는지에 대한 정보를 나타내게 되는 것이다.
다음으로 상기 속도 수정 과정(velocity modification process)은 마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자들 간의 레이저 빛 파워 정보가 서로 다른 경우 이를 동일하게 맞추어 주는 과정을 의미하는 것으로, 속도 수정 과정에서는 레이저 파워가 변경되는 경우 같은 에너지가 주사되도록 주사 속도를 조절하여 줌으로써, 각 단위 소자들간 레이저 빛 파워를 동일하게 맞추어 준다.
마지막으로 통합된 성형 정보 생성과정은 분류 과정을 통해 얻어진 정보와 속도 수정 과정을 통하여 수정된 각 소자의 성형 정보를 바탕으로 가상 조립된 시스템 전체의 성형 정보를 재구성하는 과정을 의미하는 것으로, 통합된 성형 정보 생성과정에 의하여 만들어지는 통합된 성형정보 생성과정을 도 8에 도시하였다.
이에 따라 상기와 같이 만들어진 통합된 성형정보를 바탕으로 상기 도 1의 (b)에서 보여 지는 바와 같이, 실제로 제작에서 필요로 하는 곧, 컨트롤 컴퓨터로 입력되는 여러 제어 정보들이 생성되게 된다. 이러한 제어 정보들은 스테이지 제어 컴퓨터에서 이용되는 프로그래밍 언어로써 그 형태를 가지게 된다. 일반적으로 제어 컴퓨터는 텍스트 바탕의 명령어를 입력 받게 된다. 이러한 텍스트 바탕의 명령어에는 마이크로 광 조형 기술에서 빔을 주사하기 위한 이동 경로, 주사 위치, 속도 등의 정보를 가지고 있다. 곧, 필요로 하는 마이크로 시스템을 제작하기 위하여 도 1의 (c)에서와 같이 제어 컴퓨터에 입력되는 텍스트 바탕의 명령어 리스트가 만들어 지도록 본 발명에서 이루어 졌다. 이러한 명령어는 스테이지의 제어를 위한 스테이지 이동 명령어, 셔터 시스템을 제어하기 위한 On/Off 명령어로 구성되어 있다. 이러한 명령어들은 앞에서 이미 설명된 마이크로 시스템의 통합된 성형 정보를 바탕으로 이러한 스테이지 이동 명령과 셔터 On/Off 명령이 구성하게 된다. 그 외에도 광원에 대한 정보는 광원의 세팅 정보로써 주어지게 된다.
실제 가공은 광 경화성 수지의 국소 부위에 광원의 주사를 통하여 국소 부위의 경화를 유도하게 된다. 이러한 국소 부위의 위치, 주사되는 광원의 에너지 조절 등을 통하여 필요로 하는 형상을 만들게 된다. 본 발명을 통하여 만들어진 최종 제어 정보는 메인 컴퓨터로 입력되어 광경화성 수지 위로 광원 주사의 조절을 통한 국소 부위의 경화 유도를 제어하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 가상환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 구현하여 마이크로 시스템을 단 한번의 성형으로 제작 가능하도록 함으로써, 마이크로 스케일에서의 조립 과정을 필요로 하지 않게 되며, 동일한 단위 소자들을 이용할지라도, 소자들의 구성이 자유로워 다양한 기능의 마이크로 시스템을 제작할 수 있게 된다.
이하 가상 환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 위한 마이크로 시스템의 가상 조립 단계와, 성형정보 추출단계에 대해 상세히 설명하도록 한다.
가상 조립이라 함은 컴퓨터의 가상 공간상에서 마이크로 시스템을 구성하기 위하여 여러 소자들을 이용하는 조립과정을 시각적으로 보여주기 위한 과정을 의미하는 것으로, 3차원 공간상에서 두 소자의 시각적인 조립을 위해서는 하나의 소자에 대하여 다른 소자들의 상대적 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 정보를 바탕으로 이루어진다. 다시 말해서, 마이크로 시스템을 구성하는 각 소자들이 시스템 내에서 가지는 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 대한 정보를 바탕으로, 3차원 사이버 공간에 적절히 위치시켜 줌으로써 사용자에게 시각적으로 3차원 조립 후의 형상을 보여주는 것이다.
이러한 가상 조립을 수행하기 위해서는 각 소자들이 마이크로 시스템 내에서 가져야 하는 위치와 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보)에 정보를 필요로 하게 된다. 이러한 정보들은 사용자가 소자에 미리 입력된 접합부의 선택에 의하여 이루어진다. 각 소자들의 성형 정보에는 미리 저장된 연결부 정보(도2 정보 저장 체계 내에서의 Gate 정보)를 가지고 있다. 사용자는 두 개의 접합부를 선택하게 되고, 컴퓨터에서는 선택된 두 접합부들의 연결부 정보들을 읽어 들이게 된다. 그리고 이를 바탕으로 기존의 사이버 공간상에 미리 위치한 소자에 새로운 소자의 접합은 새로운 소자의 연결부 정보 중 위치정보(도2 Position)를 기존 소자의 위치 정보와 동일하게 맞추어 줌으로 해서 이루어진다. 그리고 연결부 정보가 가지고 있는 방향 벡터 정보(도2 Unit Vector)를 바탕으로 두 소자 간에 적절한 자세(3차원 공간상에서의 회전각 정보) 설정이 이루어진다. 이러한 과정을 나타낸 것이 회전 과정과 이동 과정이다.
도 3 및 도 4는 각각 마이크로 시스템내 구성 소자들의 회전 과정과 이동 과정에 대한 개념도를 도시한 것으로, 상기 도 3 및 도 4에 보여지는 바와 같이, 본 발명에서는 먼저 선택된 소자에 결합되는 두 번째 소자를 회전(rotation) 및 이동(translation)시키는 과정을 통하여 가상 조립을 수행시킨다. 이러한 가상 조립 과정에서는 두 소자들 간의 상대적 위치와 조립 방향을 계산하기 위해 각 소자간 조립이 이루어질 접합 부분들의 위치와 방향에 대한 정보를 가지고 있는 연결부 정보를 이용하여 가상 조립을 수행하게 된다. 도 5는 상기 도 3 및 도 4에 도시된 마이크로 시스템 각 소자들의 이동 및 회전에 따라 마이크로 시스템의 각 단위 소자들이 가상 공간상에서 가상 조립되고 있는 것을 보여주고 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 가상 조립된 마이크로 시스템의 그래픽 표현 예시도를 도시한 것으로, 상기 가상 조립 단계에서는 각 소자들의 개별적인 성형 정보들을 한 공간에 동시에 나타내어 줌으로 해서 마치 조립되어 있는 듯한 그래픽을 제공하고 있다.
그러나 상기 도 6에서는 각 소자들의 성형 정보에 대한 실질적 조립은 아직 이루어지지 않은 상태이다. 다시 말해서, 각 소자들이 앞에서 설명한 가상 조립 단계를 거쳐, 사용자에게 시각적으로 3차원 조립 상태를 보여준 것이 도 6인 것이다. 이러한 가상 조립된 마이크로 시스템을 바탕으로 쾌속 조형 기술을 이용하여, 사용자에 의하여 디자인된 전체 마이크로 시스템을 제작하기 위해서는, 성형 정보 추출 단계가 필요하게 되는 것이다. 가상 조립 단계에서 시각적으로 보이는 마이크로 시스템은 도2에서 보는 것과 같은 정보 저장 체계를 바탕으로 개별적으로 각 성형 정보들이 저장되어 있다. 이와 같이 개별적으로 저장되어 있는 여러 개의 성형 정보들을 마이크로 시스템을 제작하기 위한 하나의 성형 정보로 묶는 과정이 실질적인 성형 정보 추출 단계에서 이루어진다. 곧, 마이크로 시스템을 한번에 제작하기 위하여 각 소자들을 제작하기 위한 레이저 빔의 이동경로를 적절히 조합하여 주며, 그 외의 여러 작업들도 이루어지게 된다. 이러한 과장을 설명한 것은 다음과 같다.
성형 정보 추출 단계는 전술한 바와 같이 조립된 시스템의 성형 정보를 얻기 위한 분류과정, 속도 수정 과정 그리고 성형 정보 생성 과정을 통해 이루어진다.
먼저 위 분류과정은 가상 조립된 시스템의 각 소자들을 구성하는 층들이 전체 시스템 내에서 가지는 위치 정보를 얻기 위한 과정으로, 이러한 정보는 도 7에 도시된 바와 같은 색인 정보의 제작에 의하여 이루어진다. 상기 색인 정보는 도 7에서 보여지는 바와 같이 가상 조립된 시스템 내에서 몇 번째 소자인지를 나타내는 소자번호(device number)와 그 소자의 몇 번째 층인지를 나타내는 층번호(layer number)로 이루어져 있다. 그리고 색인 정보 내에 저장된 각 소자 번호와 층 번호들은 가상 조립된 시스템 내에서 각 층을 구성하는 소자와 그 소자의 층 번호를 나타내는 중용한 정보가 된다. 즉 예를 들어, 상기 도 7에서 조립된 시스템의 첫 번째 층은 높이 0.1mm에 1번 소자의 제1층인 (1,1)과 4번 소자의 제1층인 (4,1)로 이루어진 것이고, 두 번째 층은 높이 0.15mm에 2번 소자의 제1층인 (2,1)로 구성되어 있는 것이다. 따라서 상기 도 7에 도시된 색인 정보들은 시스템을 구성하는 각 층의 단면 정보가 어떤 소자들의 어떤 층으로 이루어져 있는지에 대한 정보를 나타내게 되는 것이다.
다음으로 상기 속도 수정 과정(velocity modification process)은 마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자들 간의 레이저 빛 파워 정보가 서로 다른 경우 이를 동일하게 맞추어 주는 과정을 의미하는 것으로, 속도 수정 과정에서는 레이저 파워가 변경되는 경우 같은 에너지가 주사되도록 주사 속도를 조절하여 줌으로써, 각 단위 소자들간 레이저 빛 파워를 동일하게 맞추어 준다.
마지막으로 통합된 성형 정보 생성과정은 분류 과정을 통해 얻어진 정보와 속도 수정 과정을 통하여 수정된 각 소자의 성형 정보를 바탕으로 가상 조립된 시스템 전체의 성형 정보를 재구성하는 과정을 의미하는 것으로, 통합된 성형 정보 생성과정에 의하여 만들어지는 통합된 성형정보 생성과정을 도 8에 도시하였다.
이에 따라 상기와 같이 만들어진 통합된 성형정보를 바탕으로 상기 도 1의 (b)에서 보여 지는 바와 같이, 실제로 제작에서 필요로 하는 곧, 컨트롤 컴퓨터로 입력되는 여러 제어 정보들이 생성되게 된다. 이러한 제어 정보들은 스테이지 제어 컴퓨터에서 이용되는 프로그래밍 언어로써 그 형태를 가지게 된다. 일반적으로 제어 컴퓨터는 텍스트 바탕의 명령어를 입력 받게 된다. 이러한 텍스트 바탕의 명령어에는 마이크로 광 조형 기술에서 빔을 주사하기 위한 이동 경로, 주사 위치, 속도 등의 정보를 가지고 있다. 곧, 필요로 하는 마이크로 시스템을 제작하기 위하여 도 1의 (c)에서와 같이 제어 컴퓨터에 입력되는 텍스트 바탕의 명령어 리스트가 만들어 지도록 본 발명에서 이루어 졌다. 이러한 명령어는 스테이지의 제어를 위한 스테이지 이동 명령어, 셔터 시스템을 제어하기 위한 On/Off 명령어로 구성되어 있다. 이러한 명령어들은 앞에서 이미 설명된 마이크로 시스템의 통합된 성형 정보를 바탕으로 이러한 스테이지 이동 명령과 셔터 On/Off 명령이 구성하게 된다. 그 외에도 광원에 대한 정보는 광원의 세팅 정보로써 주어지게 된다.
실제 가공은 광 경화성 수지의 국소 부위에 광원의 주사를 통하여 국소 부위의 경화를 유도하게 된다. 이러한 국소 부위의 위치, 주사되는 광원의 에너지 조절 등을 통하여 필요로 하는 형상을 만들게 된다. 본 발명을 통하여 만들어진 최종 제어 정보는 메인 컴퓨터로 입력되어 광경화성 수지 위로 광원 주사의 조절을 통한 국소 부위의 경화 유도를 제어하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 가상환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 구현하여 마이크로 시스템을 단 한번의 성형으로 제작 가능하도록 함으로써, 마이크로 스케일에서의 조립 과정을 필요로 하지 않게 되며, 동일한 단위 소자들을 이용할지라도, 소자들의 구성이 자유로워 다양한 기능의 마이크로 시스템을 제작할 수 있게 된다.
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한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 가상환경 기반의 어셈블리 프리 프로세스를 구현하여 마이크로 시스템을 단 한번의 성형으로 제작 가능하도록 함으로써, 마이크로 스케일에서의 조립 과정을 필요로 하지 않게 되며, 동일한 단위 소자들을 이용할지라도, 소자들의 구성이 자유로워 다양한 기능의 마이크로 시스템을 제작할 수 있게 되는 이점이 있다.
또한 어셈블리 프리 프로세스에 의해 제작되는 시스템은 전체 시스템이 하나의 몸체로 만들어지기 때문에 소자간에 조립 불량으로 인한 문제가 발생하지 않으며, 조립되는 시스템의 성형 정보에 대한 그래픽 지원에 의하여 제작하려는 마이크로 시스템의 특징을 한눈에 알아 볼 수 있는 이점이 있다.
또한 가상 조립된 시스템의 정보로부터 제품을 제작하기 위한 스테이지 구동 명령어 생성 등의 모든 과정이 자동화됨으로써, 어셈블리 프리 프로세스 후 제품을 신속하게 제작할 수 있으며, 마우스의 간단한 조작만으로도 모든 어셈블리 프리 프로세스가 가능하여 쉽게 사용할 수 있는 이점이 있다.
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- 마이크로 쾌속 조형 기술을 이용한 마이크로 시스템의 가상환경 기반 어셈블리 프리 프로세스 방법으로서,(a)컴퓨터 기술을 이용한 마이크로 시스템의 가상 조립을 위하여 마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자의 성형 정보를 전자정보로 저장하기 위하여 구축된 정보 저장 체계를 바탕으로 한 성형 정보의 저장단계와,(b)상기 마이크로 시스템 내 각 단위 소자들간 연결부 정보를 지정하는 단계와,(c)상기 마이크로 시스템 내 각 단위 소자들의 성형 정보와 연결부 정보를 이용하여 소자들간 상대적 위치와 조립 방향을 산출하는 단계와,(d)상기 소자들간 상대적 위치와 조립 방향 정보를 이용하여 각 소자를 회전 및 이동시켜 마이크로 시스템의 가상 조립을 수행하는 단계와,(e)상기 마이크로 시스템 내 단위소자의 성형정보를 바탕으로 상기 가상 조립된 마이크로 시스템 전체의 성형정보를 재구성하는 성형 정보 추출단계와,(f)상기 재구성된 성형정보를 이용하여 실제로 제작에 필요한 마이크로 광 조형 장치의 스테이지 구동을 위한 코드를 생성하는 단계를 포함하고,상기 (e)단계는,(e1)가상 조립된 시스템의 각 소자들을 구성하는 층들이 전체 시스템 내에서 가지는 위치 정보를 산출하는 분류과정과,(e2)상기 마이크로 시스템을 구성하는 각 단위 소자들의 성형 정보들간에 레이저 빛 파워 정보가 다른 경우 이를 동일하게 맞추어 주기 위한 속도 수정 과정과,(e3)상기 분류과정을 통해 얻어진 정보와 속도 수정 과정을 통해 수정된 각 소자의 성형정보를 바탕으로 가상 조립된 시스템 전체의 성형 정보를 재구성하는 통합된 성형정보 생성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템의 가상 조립 방법.
- 제3항에 있어서상기 (e2)단계의 속도 수정 과정은, 레이저 파워가 변경되는 경우 같은 에너지가 주사되도록 주사 속도를 조절하여 레이저 파워를 동일하게 맞추는 과정인 것을 특징으로 하는 마이크로 시스템의 가상 조립 방법.
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