KR101390391B1 - 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치 - Google Patents

정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치에 관한 것이며, 본 발명의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치는 인쇄대상이 놓여지는 스테이지; 상기 인쇄대상의 표면정보를 저장하는 형상획득부; 잉크를 공급받아 상기 인쇄대상 표면 측으로 토출시키는 노즐; 상기 노즐에 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 형상획득부로부터 상기 인쇄대상의 표면정보를 제공받으며, 상기 스테이지와 상기 노즐 사이에 발생하는 전기장의 세기를 일정하게 유지하도록 상기 노즐 또는 상기 스테이지의 움직임 및 상기 전원공급부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 3차원 형상의 표면을 대상으로 정밀한 인쇄공정을 수행할 수 있는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치가 제공된다.

Description

정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치{APPARATUS FOR PRINTING ON 3-DIMENSIONAL SURFACE USING ELECTROHYDRODYNAMIC FORCE}
본 발명은 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 형상의 표면에 원하는 형태의 인쇄공정을 수행할 수 있는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치에 관한 것이다.
일반적으로 유체를 액적의 형태로 분사시키는 액적분사장치는 주로 잉크젯 프린터에 적용되어 왔으며, 최근에는 디스플레이 공정, 인쇄회로기판 공정 및 DNA칩 제조공정과 같은 첨단의 고부가 가치 창출 분야에 적용되기 위해 응용 개발되고 있다.
종래에 잉크젯 프린터 분야에서 잉크를 액적의 형태로 분사시키기 위한 잉크분사장치는 압전구동방식과 열구동 방식이 주로 이용되고 있으나, 노즐 막힘 문제및 열적 문제가 존재하여 대면적 프린팅에 적합하지 않고 소재의 변성 가능성이 있다.
이러한 문제에 따라, 최근에는 대향되는 전극에 전원을 인가하여 정전기를 발생시킨 후에, 발생되는 전기장에 의하여 전도성 잉크 액적을 분사하는 정전기력 방식의 액적분사장치가 개발되어 널리 이용되고 있다.
다만, 종래의 잉크젯 프린터 및 정전기력 방식의 액적분사장치에 있어서도 굴곡이 있는 3차원 표면에의 인쇄공정은 여전히 어려움이 있다. 종래의 잉크젯 프린터는 제팅(jetting)할 수 있는 잉크의 점도가 30cP로 제한되어 있어 굴곡이 큰 경우에는 표면에 제팅된 액적이 흐르는 문제가 있어 적용되지 못하고 있다. 또한, 정전기력 액적분사장치의 경우에도 평평한 표면이 아닌 3차원의 형상을 가지는 표면을 대상으로 정밀한 인쇄공정을 수행하는 데는 여전히 어려움이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3차원 형상의 표면을 대상으로 정밀한 인쇄공정을 수행할 수 있는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 인쇄대상이 놓여지는 스테이지; 상기 인쇄대상의 표면정보를 저장하는 형상획득부; 잉크를 공급받아 상기 인쇄대상 표면 측으로 토출시키는 노즐; 상기 노즐에 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 형상획득부로부터 상기 인쇄대상의 표면정보를 제공받으며, 상기 스테이지와 상기 노즐 사이에 발생하는 전기장의 세기를 일정하게 유지하도록 상기 노즐 또는 상기 스테이지의 움직임 및 상기 전원공급부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 제어부는 인쇄경로를 상기 형상획득부로부터 제공되는 상기 인쇄대상의 표면정보와 비교하여 노즐 또는 상기 스테이지의 이송정보를 생성하는 경로획득부; 상기 경로획득부로부터 제공되는 이송정보를 이용하여 상기 노즐 또는 상기 스테이지의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 경로획득부는 상기 인쇄경로가 입력되는 입력모듈; 상기 입력모듈로부터 제공되는 상기 인쇄경로를 상기 형상획득부로부터 제공되는 상기 인쇄대상의 표면정보와 비교하여 정렬하고, 상기 이송정보를 생성하는 정렬모듈;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정렬모듈은 상기 노즐로부터 분사되는 잉크 액적의 분사정보를 생성하며, 상기 제어부는 상기 정렬모듈로부터 제공되는 상기 분사정보를 이용하여 상기 전원공급부를 제어하는 분사모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 경로획득부는 상기 입력모듈에 입력되는 2차원 인쇄 경로정보를 3차원 인쇄 경로정보로 변환하는 변환모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 3차원 형상을 가지는 표면을 대상으로 정밀한 인쇄공정을 수행할 수 있는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치가 제공된다.
또한, 인쇄대상의 표면 정보를 실시간으로 획득함으로써, 인쇄공정에 소모되는 시간을 줄일 수 있다.
또한, 입력되는 2차원의 인쇄경로정보를 3차원 정보로 변환하여 인쇄공정에 이용함으로써, 더욱 향상된 인쇄품질을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 개략적인 사시도이고,
도 2는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 형상획득부를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 제어부를 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 형상획득부를 이용하여 인쇄대상 표면의 형상을 획득하는 원리를 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치는 제어부의 작동원리를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치(100)는 3차원 형상의 표면을 가지는 인쇄대상에 인쇄작업을 수행하는 장치로서, 스테이지(110)와 전원공급부(120)와 노즐(130)과 이송부(140)와 형상획득부(150)와 제어부(160)를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 형상획득부를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 제어부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 상기 스테이지(110)는 인쇄대상(S)이 놓여지기 위한 부재로서, 3축 방향으로 이동 가능하게 마련된다. 또한, 스테이지(110)는 후술하는 노즐(130)과의 사이에서 전기장이 발생하도록 전기적으로 접지된다.
상기 전원공급부(120)는 후술하는 노즐(130)에 전원을 인가함으로써, 인쇄대상(S)이 배치되는 스테이지(110)와 노즐(130) 사이에 전기장을 발생시키기 위한 부재이다.
상기 노즐(130)은 잉크를 공급받아 상술한 스테이지(110) 측으로 잉크를 분사함으로써 직접적인 인쇄공정을 수행하기 위한 부재로서, 내부에는 잉크 유동로가 형성된다. 또한, 잉크 유동로가 형성되는 노즐의 내벽면에는 상술한 전원공급부로부터 전원을 인가받아 대향하는 스테이지와의 사이에서 전위차를 발생시키기 위한 전극(미도시)이 마련될 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 노즐(130) 내부의 전극에 전압을 인가하고 스테이지(110)를 전기적으로 접지시키는 구조를 통하여 스테이지(110)와 노즐(130)과의 사이에 전기장을 발생시켰으나, 노즐(130)과 스테이지(110) 사이에서 전위차를 발생시킬 수 있는 구조라면 상술한 구조에 제한되지 않는다.
상기 이송부(140)는 후술하는 제어부(160)와 전기적으로 연결되어 제어부(160)에 의하여 제어됨으로써 노즐(130) 또는 스테이지(110)를 3축 방향으로 이송시키기 위한 부재이다.
도 2를 참조하면, 상기 형상획득부(150)는 인쇄대상(S) 표면의 형상 정보를 획득하여 저장하기 위한 것으로서, 후술하는 제어부(160)와 연결되어 저장되된 인쇄대상(S) 표면의 형상정보를 제어부(160)에 제공하며, 센싱부재(151)와 저장모듈(152)을 포함한다.
상기 센싱부재(151)는 노즐(130)과 인접하게 배치되어 인쇄공정과 함께 실시간으로 인쇄대상(S)의 표면의 3차원 형상 정보를 측정 및 감지한다.
상기 저장모듈(152)은 센싱부재(151)로부터 측정, 감지된 인쇄대상(S) 표면의 3차원 형상 정보를 저장하기 위한 모듈이다.
한편, 본 실시예에서 인쇄 작업과 동시에 인쇄대상(S) 표면의 정보를 실시간 측정하여 저장하는 방식으로 작동되는 것이나, 다른 변형례에서 저장모듈(152)에는 인쇄공정 시작 전에 인쇄대상(S) 표면의 형상정보가 미리 입력되어 저장된 상태로 작동할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제어부(160)는 상술한 형상획득부(150)로부터 저장되는 인쇄대상(S) 표면의 3차원 형상정보를 실시간으로 제공받아, 노즐(130) 또는 스테이지(110)의 이동속도, 간격, 노즐로부터 분사되는 잉크의 분사세기 등을 제어하기 위한 것으로서, 경로획득부(161)와 이송제어모듈(165)과 분사모듈(166)을 포함한다.
상기 경로획득부(161)는 노즐(130)로부터 분사되어 인쇄되는 잉크의 인쇄경로를 획득하는 부재로서, 입력모듈(162)과 변환모듈(163)과 정렬모듈(164)을 포함한다.
상기 입력모듈(162)은 노즐(130)로부터 분사되어 인쇄되는 잉크의 인쇄경로 정보를 외부로부터 입력받아 저장하기 위한 모듈이다. 이때, 입력모듈(162)에는 2차원 경로정보 또는 3차원 경로정보 또는 이들이 복합된 경로정보가 복합된 인쇄 경로정보가 저장될 수도 있다.
상기 변환모듈(163)은 입력모듈(162)에 입력된 잉크의 인쇄경로가 2차원 정보인 경우에 인쇄대상(S) 표면의 3차원 형상정보와 비교, 정렬이 가능하도록 3차원 정보로 변환하는 모듈이다. 즉, 변환모듈(163)은 상술한 입력모듈(162)과 연결되어 입력되는 인쇄경로가 2차원 정보인 경우에만 선택적으로 작동하여 이를 3차원 인쇄경로 정보로 변환하는 부재이다.
상기 정렬모듈(164)은 미리 입력되거나 또는 최종변환된 3차원의 인쇄 경로정보를 저장모듈(152)에서 실시간으로 저장되는 3차원의 인쇄대상(S)의 표면정보 상에서 정렬한다.
상기 이송제어모듈(165)은 상기 경로획득부(161)로부터 확보된 3차원 인쇄경로정보를 이용하여 이송부(140)를 제어함으로써, 상측의 노즐(130) 또는 하측의 스테이지(110)를 이송시키는 모듈이다.
상기 분사모듈(166)은 상기 경로획득부(161)로부터 확보된 3차원 인쇄경로정보를 이용하여 노즐(130)과 스테이지(110) 사이에서 발생하는 자기장의 세기, 즉, 노즐로부터 분사되는 잉크 액적의 분사세기를 조절한다.
본 실시예에서 분사모듈(163)은 분사되는 잉크 액적을 제어하기 위하여 전원공급부(120)로부터 노즐(130)에 인가되는 전압 또는 전류를 조절하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
지금부터는 상술한 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치(100)의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 4는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치의 형상획득부를 이용하여 인쇄대상 표면의 형상을 획득하는 원리를 개략적으로 도시한 것이다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 이송부(140)에 의한 노즐(130)의 이송과 동시에, 노즐(130)과 인접하게 배치되는 센싱부재(151)가 스테이지(110) 상에 배치된 인쇄대상(S)의 표면 형상을 3차원으로 측정한다. 이때, 3차원 형상으로 실시간 측정되는 인쇄대상(S)의 표면정보는 저장모듈(152)을 통하여 저장된다.
도 5는 도 1의 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치는 제어부의 작동원리를 개략적으로 도시한 것이다.
형상획득부(150)를 통한 실시간 형상 측정과 동시에, 경로획득부(161)를 통하여 인쇄경로 정보를 확보하는 방법에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 경로획득부(161)의 입력모듈(162)에 3차원 형태의 인쇄경로(P3D)가 미리 저장되는 경우에 대해서 설명한다. 입력모듈(162)에 3차원 형태의 인쇄경로(P3D)가 미리 입력되면, 정렬모듈(164)은 미리 저장된 3차원의 인쇄경로(P3D)를 저장모듈(152)에서 실시간으로 저장되는 3차원의 인쇄대상(S) 표면 형상(IS)과 비교하여 정렬시키고, 각각의 위치에서의 노즐(130) 또는 스테이지(110)가 이송되기 위한 이송경로, 노즐(130)과 스테이지(110) 간의 간격을 포함하는 이송정보(IM)와, 노즐(130)로부터 분사되는 잉크 액적의 크기 및 속도를 포함하는 분사정보(IE)를 산출한다.
다만, 경로획득부(161)의 입력모듈(162)에 2차원 형태의 인쇄경로(P2D)가 저장되는 경우에는, 이러한 2차원의 인쇄경로 정보(P2D)는 정렬모듈(164)으로 바로 넘어가는 것이 아니라, 경로정보의 형태가 변환되도록 변환모듈(163)을 거치게 된다. 즉, 변환모듈(163)은 2차원 형태의 인쇄경로(P2D)를 입력모듈(162)로부터 제공받아 3차원 형태의 인쇄경로(P3D)로 변환한다. 이후에, 정렬모듈(164)은 변환모듈(163)로부터 변환된 3차원 형태의 인쇄경로(P3D)를 전달받아 처리한다.
상기 정렬모듈(164)로부터 최종적으로 산출되는 노즐(130) 또는 스테이지(110)의 위치 및 간격을 포함하는 이송정보(IM)는 이송제어모듈(162)에 실시간으로 전달되고, 이송제어모듈(162)은 노즐(130) 또는 스테이지(110)의 속도, 간격을 실시간으로 제어한다.
또한, 정렬모듈(164)으로부터 산출되는 잉크 액적의 분사정보(IE)는 분사모듈(163)에 전달되고, 분사모듈(163)은 전원인가부를 제어함으로써 노즐 내의 전극에 공급되는 전압 또는 전류를 제어한다.
일반적으로, 정전기력을 이용하는 액적분사장치는 노즐(130)과 스테이지(110) 사이의 전기장 분포를 이용하여 노즐에 형성되는 액면에 작용되는 정전기력과 표면장력의 균형관계로부터 액적 또는 연속 제팅을 형성하여 패터닝을 수행하는 원리이다.
본 실시예에서는 상술한 바와 같이, 정전기력으로 액면을 당기는 원리를 이용하여 액적을 분사하기 때문에 50000 cP까지의 고점도 잉크의 경우에도 패터닝을 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 마이크로 및 나노스케일의 패터닝을 할 수 있는 장점을 지니고 있어 굴곡이 있는 3차원 표면에도 패터닝을 형성할 수 있다.
특히, 일정한 정전기력을 형성할 수 전기장의 분포에 있어서 노즐(130)과 스테이지(110)사이의 이격거리 정보가 매우 중요한 요소이며, 본 실시예에 의하면 상술한 작동원리를 이용하여 스테이지(110)와 노즐(130) 사이의 거리를 일정하게 유지하면서 제팅을 할 수 있으므로 3차원 표면에 정밀한 패터닝이 가능하다.
즉, 본 실시예에 의하면, 3차원 형상의 표면을 가지는 인쇄대상에 원하는 형태의 패턴을 정밀하게 인쇄하여 고품질의 인쇄물을 제작할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 일실시예에 따른 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
110 : 스테이지 120 : 전원공급부
130 : 노즐 140 : 이송부
150 : 영상획득부 160 : 제어부

Claims (5)

  1. 인쇄대상이 놓여지는 스테이지;
    상기 인쇄대상의 표면정보를 저장하는 형상획득부;
    잉크를 공급받아 상기 인쇄대상 표면 측으로 토출시키는 노즐;
    상기 노즐에 전원을 공급하는 전원공급부;
    상기 형상획득부로부터 상기 인쇄대상의 표면정보를 제공받으며, 상기 스테이지와 상기 노즐 사이에 발생하는 전기장의 세기를 일정하게 유지하도록 상기 노즐 또는 상기 스테이지의 움직임 및 상기 전원공급부 중 적어도 어느 하나를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 인쇄경로를 상기 형상획득부로부터 제공되는 상기 인쇄대상의 표면정보와 비교하여 노즐 또는 상기 스테이지의 이송정보를 생성하는 경로획득부; 상기 경로획득부로부터 제공되는 이송정보를 이용하여 상기 노즐 또는 상기 스테이지의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경로획득부는 상기 인쇄경로가 입력되는 입력모듈; 상기 입력모듈로부터 제공되는 상기 인쇄경로를 상기 형상획득부로부터 제공되는 상기 인쇄대상의 표면정보와 비교하여 정렬하고, 상기 이송정보를 생성하는 정렬모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정렬모듈은 상기 노즐로부터 분사되는 잉크 액적의 분사정보를 생성하며,
    상기 제어부는 상기 정렬모듈로부터 제공되는 상기 분사정보를 이용하여 상기 전원공급부를 제어하는 분사모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
  5. 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경로획득부는 상기 입력모듈에 입력되는 2차원 인쇄 경로정보를 3차원 인쇄 경로정보로 변환하는 변환모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기력을 이용하는 3차원 형상 표면 인쇄장치.
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