KR101538326B1 - 자외선 발광 다이오드를 이용한 ３ｄ 프린터용 경화 장치 - Google Patents

자외선 발광 다이오드를 이용한 ３ｄ 프린터용 경화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자외선 발광 다이오드(Ultraviolet Light Emitting Diode: UV-LED)를 이용한 3D 프린터용 경화 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 다양한 3D 프린팅 공정에 부합하도록 배열 및 디자인된 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 다양한 방식의 프린팅 공정에 부합하도록 배열하고 디자인함으로써 경화 공정 단계에의 열 발생을 최대한 억제할 수 있음은 물론 제품의 생산성 향상, 고품질의 3차원 입체 영상 제작, 3D 프린터의 저 소비 전력화/경량화/소형화를 도모할 수 있고, 활용 분야의 확장을 통한 3D 프린터의 대중화에 기여할 수 있다.

Description

자외선 발광 다이오드를 이용한 ３Ｄ 프린터용 경화 장치 {Curing device for ultraviolet light-emitting diodes using a three-dimensional printer}
본 발명은 자외선 발광 다이오드(Ultraviolet Light Emitting Diode: UV-LED)를 이용한 3D 프린터용 경화 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 다양한 3D 프린팅 공정에 부합하도록 배열 및 디자인된 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치에 관한 것이다.
개인 맞춤형 생산 시대를 열고 의료, 바이오 등 신 사업 영역에서 차세대 정밀 가공 기술로 각광받는 3D 프린팅 기술은 프린터 재료 분사 장치 및 경화 장치의 X축, Y축, Z축 제어를 통해 공간에 3차원 입체를 제작하는 기술로 통상 2차원 단면을 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층하는 방식을 따른다.
이러한 연속적 적층 방식을 통한 고품질, 고속의 3차원 입체 제작을 위해서는 고도의 재료 경화 기술이 전제되어야 하는 것으로, 위 재료 경화 기술로는 통상 열(Fused Deposition Modeling: FDM), 레이저(Selective laser sintering: SLS), UV 광(Stereolithography Apparatus: SLA)을 이용한 방식이 통상 사용되고 있다.
한편, 상기 열을 이용한 재료 경화 방식은 재료 경화 과정에 지지대가 필수적으로 요구되며 생산 과정에서의 소요 시간이 크게 발생하고, 상기 레이저를 이용한 재료 경화 방식은 레이저 발생을 위한 넓은 작업 공간이 요구되며 공정 비용에 대한 부담이 크게 발생함에 따라 생산 소요 시간 및 생산 유지비에 대한 부담이 상대적으로 덜하며 고품질의 출력물 획득이 가능한 UV(Ultraviolet)를 이용한 재료 경화 방식이 선호되고 있다.
그러나, 상기 UV를 이용한 재료 경화 방식으로 통상 이용되는 램프(Lamp) 타입의 UV 경화 방법은 일반 열 경화 방식에 비해 인쇄 품질과 생산성 향상이라는 측면에서 획기적이라 할 만큼 이익이 커서 여러 산업 분야에서 사용되고 있지만, 위 램프 타입 UV 경화 방법은 경화 작업 수행을 위해 램프의 내부 온도를 4500°C ~4800°C 로 유지해야 하고 이로 인해 매우 많은 열이 발생함에 따라 그 품질 향상 및 생산성 향상에 한계가 있음은 물론 소비 전력도 크게 발생한다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 3D 프린터의 경화 공정에 있어 실온(약 25°C)에서 열 발생 없이 고속으로 3차원 형상을 제작할 수 있고, 다양한 방식의 3D 프린터용 재료 분사 장치에 프린팅 공정의 목적에 따라 최적의 방식으로 결합되어 위 경화 공정을 효율적으로 수행하는 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 광 경화 폴리머(polymer) 재료를 단일 파장의 광을 단일한 방향으로 방출하는 직선형 자외선 발광 다이오드 또는 단일 파장의 광을 다양한 방향으로 방출하는 분산형 자외선 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나를 이용하여 경화 공정을 수행할 수 있다.
이때, 상기 광 경화 폴리머 재료를 복수개의 직선형 또는 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용하여 경화하되, 상기 복수개의 자외선 발광 다이오드로부터 하나 이상의 파장 광을 방출하여 상기 경화 공정을 수행할 수 있다.
한편, 상기 광 경화 폴리머 재료가 재료 분사 장치를 통해 기판상에 분사되는 경우, 상기 광 경화 폴리머 재료의 기판상 분사 지점 측면에 상기 기판과는 소정의 간격을 두고 설치되어 상기 기판에 수평한 방향으로 광을 방출하며 상기 경화 공정을 수행할 수 있다.
다른 한편, 상기 광 경화 폴리머 재료가 재료 분사 장치를 통해 분사되는 경우, 상기 재료 분사 장치에 일체로 형성되고, 상기 광 경화 폴리머 재료의 분사 즉시 경화 공정 수행할 수 있도록 상기 자외선 발광 다이오드는 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하여 광을 방출할 수 있다.
이때, 상기 자외선 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 산란으로 인한 상기 재료 분사 장치 내로 유입되는 것을 차단하기 위해 소정 두께의 차단용 케이스를 상기 광 경화 폴리머 재료의 분사가 개시되는 지점에 인접하여 구비하되, 상기 차단용 케이스는 상기 광 경화 폴리머 재료가 분사될 수 있는 최소 크기의 홀이 형성될 수 있다.
한편, 상기 광 경화 폴리머 재료를 볼펜 형상의 재료 분사 장치를 통해 상기 재료 분사 장치의 끝에 형성된 소정 크기의 홀을 통해 분사하는 경우, 상기 자외선 발광 다이오드는 상기 홀에 인접하여 상기 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향해 광을 방출할 수 있다.
바람직하게는 상기 재료 분사 장치와 동일한 이동 경로를 따라 움직이며 경화 공정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 재료 분사 장치를 통해 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 시점에만 선택적으로 상기 자외선 발광 다이오드를 통해 광을 방출할 수 있다.
한편, 소정 용기에 담긴 상기 광 경화 폴리머 재료를 상기 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용하여 포토 리소그래피(photo lithography) 방식으로 경화 공정을 수행하는 경우, 상기 용기 내 구비되는 위/아래 방향으로 이동 가능한 플레이트를 상기 제작 대상 3D 형상에 따라 위치 조정하며 경화 공정을 수행할 수 있다.
다른 한편, 소정 용기에 담긴 상기 광 경화 폴리머 재료를 상기 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용하여 포토 리소그래피(photo lithography) 방식으로 경화 공정을 수행하는 경우, 상기 광 경화 폴리머 재료의 상부에 형성된 제작 대상 3D 형상에 따른 포토 마스크(photo mask)를 통해 상기 경화 공정을 수행하되, 상기 용기 내 구비되는 위/아래 방향으로 이동 가능한 플레이트를 상기 제작 대상 3D 형상에 따라 위치 조정하며 경화 공정을 수행할 수 있다.
상기 직선형 자외선 발광 다이오드를 통해 소정 형상의 광을 방출하기 위해 상기 직선형 자외선 발광 다이오드의 광 발생 부위에 소정 형상의 렌즈를 부착할 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드를 아치 형태, 일자 형태, 평면 형태 중 어느 하나의 형태로 복수개 연속하여 결합하되, 상기 자외선 발광 다이오드로부터 광이 조사되는 영역으로 유입되는 기판상에 구비된 광 경화 폴리머 재료에 대해 경화 공정 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 다양한 방식의 프린팅 공정에 부합하도록 배열하고 디자인함으로써 경화 공정 단계에의 열 발생을 최대한 억제할 수 있음은 물론 제품의 생산성 향상, 고품질의 3차원 입체 영상 제작, 3D 프린터의 저 소비 전력화/경량화/소형화를 도모할 수 있고, 활용 분야의 확장을 통한 3D 프린터의 대중화에 기여할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 방식 프린팅 공정에 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 적용을 나타낸 도면이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재료 분사 장치에 장착한 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 광 방출 방향 조절을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 선택적 경화 공정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차단용 케이스가 구비된 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자 빔 방식의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스프레이 방식의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 도면이다.
도 12의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 볼펜 형상의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 14의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 소정 모양의 렌즈 부착을 통한 자외선 발광 다이오드로부터의 방출 광 성형을 나타내는 도면이다.
도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 아치 형태의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명은 자외선 발광 다이오드(Ultraviolet Light Emitting Diode: UV-LED)를 이용한 3D 프린터용 경화 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 3D 프린팅 공정에 부합하도록 배열 및 디자인된 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 잉크젯(ink-jet), 스크류(screw), 유압(oil pressure), 공압(air pressure), 포토 리소그래피(photolithography), 마이크로 리소그래피(microlithography), 전자 빔(electron beam), 피스톤(piston), 펜(pen), 스프레이(spray) 등 다양한 방식의 재료 분사 장치를 통한 프린팅 공정에 적용될 수 있으며, 위 프린팅 공정의 목적 및 위 재료 분사 장치의 형태, 동작 특성 등을 고려하여 위 자외선 발광 다이오드의 종류(예컨대, 직선형 또는 분산형), 수량, 배열 방법 등을 조정함으로써 실온에서 열 발생 없이 고속으로 경화 공정을 수행할 수 있다.
도 1의 (a) 내지 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광 다이오드를 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드의 평면도이며, 도 1의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드의 측면도이다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드는 기판상에 발광을 위해 외부 전원이 인가되는 (+), (-) 전극 및 위 전극과 전기적으로 연결되는 도전선(conductive line)을 포함하여 구현할 수 있는 것으로, 구체적으로 상기 (+) 전극은 기판상에 형성된 N 타입 전극 층에 P 타입 전극을 적층하고 위 P 타입 전극상에 P 타입 접합부를 형성하여 구현할 수 있으며, 상기 (-) 전극은 상기 N 타입 전극상에 N 타입 접합부를 형성하는 것으로 구현할 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드는 상기 (+), (-) 전극으로 외부 전원이 인가됨에 따라 상기 도전선으로 둘러싸인 부분을 통해 자외선을 발광할 수 있으며, 위 자외선의 발광 형태는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 사용 목적 내지 용도에 부합하도록 직선형 또는 분산형으로 적절히 선택하여 제작할 수 있다.
또한, 상기 자외선 발광 다이오드는 상기 경화 장치의 사용 목적 내지 용도에 부합하도록 가로/세로 100nm ~ 1000nm 의 길이를 갖는 다양한 크기로 제작할 수 있다.
도 1의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형 자외선 발광 다이오드의 측면도이며, 도 1의 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 분산형 자외선 발광 다이오드의 측면도이다.
도 1의 (c) 및 (d)를 참조하면, 직선형 자외선 발광 다이오드는 단일 파장의 자외선을 단일한 방향으로 방출하며, 분산형 자외선 발광 다이오드는 단일 파장의 자외선을 다양한 방향으로 방출할 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치에서 위 자외선 발광 다이오드는 다양한 방식의 재료 분사 장치를 통한 프린팅 공정에 이를 적용함에 있어 위 프린팅 공정의 목적 및 위 재료 분사 장치의 형태, 동작 특성 등을 고려하여 직선형 또는 분산형으로 적절히 선택할 수 있는 것으로 예컨대, 재료 분사 장치를 통해 분사되는 광 경화 폴리머(polymer) 재료의 특정 부분을 고속 경화하고자 하는 경우 직선형 자외선 발광 다이오드의 이용이 바람직하며, 대면적 경화 또는 포토 마스크(photo mask)에 의한 특정 3차원 형상 제작 목적의 경우 분산형 자외선 발광 다이오드의 이용이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 목적에 부합하는 입체 형상의 제작 및 고품질의 입체 형상 제작을 위해 상기 자외선 발광 다이오드의 광 방출 동작을 제어 가능하도록 제작할 수 있는 것으로, 예컨대 상기 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 상기 자외선 발광 다이오드에 형성된 (+), (-) 전극의 외부 전원 인가를 별도의 외부 스위치를 통해 자유롭게 on/off 가능하도록 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 다양한 광 경화 폴리머 재료의 효과적 경화 공정 수행을 위해 서로 다른 파장을 방출하는 복수개의 자외선 발광 다이오드를 연속 배열하여 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(21)의 일부를 확대한 부분에 나타낸 바와 같이 380nm 의 광을 방출하는 직선형(또는 분산형) 자외선 발광 다이오드(23) 및 420nm 의 광을 방출하는 직선형(또는 분산형) 자외선 발광 다이오드(25)를 연속하여 배열함으로써, 다양한 종류의 광 경화 폴리머 재료를 이용한 프린팅 작업 시 경화 공정의 효과적 동시 작업이 가능할 수 있다.
이하에서는 전술한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 다양한 방식의 재료 분사 장치를 통한 프린팅 공정에 적용한 예를 설명한다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 잉크젯 방식 프린팅 공정에 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 적용을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 장착된 3D 프린터용 경화 장치(31)를 잉크젯 방식 재료 분사 장치의 광 경화 폴리머 재료 분사 지점 측면에 기판과는 접촉하지 않도록 소정의 간격을 두고 설치하고, 위 잉크젯 방식 재료 분사 장치의 이동 경로를 따라 동일하게 이동하며 위 기판상에 수평한 방향으로 소정 파장의 자외선을 방출하여 경화 공정을 수행할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드가 장착된 3D 프린터용 경화 장치(33)를 잉크젯 방식 재료 분사 장치의 인접한 측면에 나란히 설치하고, 위 잉크젯 방식 재료 분사 장치의 이동 경로를 따라 동일하게 이동하며 위 기판상에 수직한 방향으로 소정 파장의 자외선을 방출하여 경화 공정을 수행할 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(31)의 자외선 발광 다이오드 부분을 확대하여 위에서 바로 본 형상에서 알 수 있듯 3D 프린팅 공정의 목적에 따라 단일 파장을 발생하는 직선형 자외선 발광 다이오드 또는 분산형 자외선 발광 다이오드 중 어느 하나를 적절히 선택하여 경화 작업을 수행할 수 있다.
다음으로, 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치를 통한 프린팅 공정에 상기 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 적용 예를 통합하여 설명한다.
도 4의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 스크류 방식의 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(41-a)를 스크류 방식의 재료 분사 장치(43-a)를 통한 프린팅 공정에 적용할 경우 위 재료 분사 장치(43-a)를 통한 광 경화 폴리머 재료 분사 즉시 경화 공정을 고속으로 수행하고, 간편한 방식으로 위 재료 분사 장치(43-a)와 동일한 방향으로의 이동을 구현하기 위해 바람직하게는 위 재료 분사 장치(43-a)의 노즐에 형성된 돌출부(45-a) 하단에 장착하고 위 자외선 발광 다이오드가 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하도록 구비할 수 있다.
도 4의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 공압 방식의 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 4의 (b)에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(41-b)를 공압 방식의 재료 분사 장치(43-b)를 통한 프린팅 공정에 적용할 경우 위 재료 분사 장치(43-b)를 통한 광 경화 폴리머 재료 분사 즉시 경화 공정을 고속으로 수행하고, 간편한 방식으로 위 재료 분사 장치(43-b)와 동일한 방향으로의 이동을 구현하기 위해 바람직하게는 위 재료 분사 장치(43-b)의 노즐에 형성된 돌출부(45-b) 하단에 장착하고 위 자외선 발광 다이오드가 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하도록 구비할 수 있다.
도 4의 (c)는 본 발명의 실시예에 따른 유압 방식의 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 4의 (c)에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(41-c)를 유압 방식의 재료 분사 장치(43-c)를 통한 프린팅 공정에 적용할 경우 위 재료 분사 장치(43-c)를 통한 광 경화 폴리머 재료 분사 즉시 경화 공정을 고속으로 수행하고, 간편한 방식으로 위 재료 분사 장치(43-c)와 동일한 방향으로의 이동을 구현하기 위해 바람직하게는 위 재료 분사 장치(43-c)의 노즐에 형성된 돌출부(45-c) 하단에 장착하고 위 자외선 발광 다이오드가 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하도록 구비할 수 있다.
도 4의 (d)는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 방식의 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 4의 (d)에서 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직선형/분산형 자외선 발광다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(41-d)를 피스톤 방식의 재료 분사 장치(43-d)를 통한 프린팅 공정에 적용할 경우 위 재료 분사 장치(43-d)를 통한 광 경화 폴리머 재료 분사 즉시 경화 공정을 고속으로 수행하고, 간편한 방식으로 위 재료 분사 장치(43-d)와 동일한 방향으로의 이동을 구현하기 위해 바람직하게는 위 재료 분사 장치(43-d)의 노즐에 형성된 돌출부(45-d) 하단에 장착하고 위 자외선 발광 다이오드가 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하도록 구비할 수 있다.
도 4의 (a) 내지 (d)를 통해 설명한 상기 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치에 장착한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 사용하는 광 경화 폴리머 재료의 파장 특성에 따라 자외선 발광 다이오드로부터 발생하는 광의 파장을 결정할 수 있는 것으로, 여러 다른 파장 특성을 갖는 광 경화 폴리머 재료를 사용하는 프린팅 공정의 경우 서로 다른 파장의 광을 발생하는 자외선 발광 다이오드의 수량 및 배열을 적절히 조정하여 디자인함을 통해 경화 공정을 효과적으로 수행할 수 있다. 물론 프린팅 공정의 목적에 따라 상기 자외선 발광 다이오드의 종류 예컨대 직선형/분산형을 적절히 선택할 수 있다.
또한, 상기 재료 분사 장치에 복수개의 상기 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 장착함으로써 프린팅 공정의 목적 내지 상황에 부합하도록 여러 각도에서 다양한 파장의 광 조사를 수행할 수 있도록 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재료 분사 장치에 장착한 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치(53)등에 장착되는 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(51)를 확대 표시한 부분을 통해 확인할 수 있듯 위 재료 분사 장치(53)에 복수개의 경화 장치(51)를 구비하고, 위 경화 장치(51)의 동작 제어를 통해 선택적으로 광을 방출함으로써 다양한 각도/거리에서 다양한 파장의 광을 조사하여 효과적인 경화 작업을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 광 경화 폴리머 재료의 분사 전, 위 3D 프린터용 경화 장치의 작동에 따른 광 산란 작용에 의해 위 광 경화 폴리머 재료의 노즐 내 경화 현상 발생을 방지함은 물론 효과적 경화 작업 수행을 위해 위 3D 프린터용 경화 장치의 광 방출 방향을 적절히 조절할 수 있도록 제작할 수 있다. 또한, 위 광 경화 폴리머 재료의 분사가 이루어지는 동안만 광을 방출하도록 제작하여 상기 광 산란 작용을 최소화하도록 제작할 수 있으며, 상기 광 산란 작용으로부터 노즐 내 광 경화 폴리머 재료의 보호를 위해 별도의 차단용 케이스를 설치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 광 방출 방향 조절을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치(63) 등에 장착되어 위 재료 분사 장치(63)로부터 기판상에 분사되는 광 경화 폴리머 재료의 경화 공정을 수행하는 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(61)는 위 광 경화 폴리머 재료의 분사 전, 위 경화 장치(61)의 작동으로 인한 광 방출에 따른 광 산란 작용으로 노즐 내 경화 현상 발생을 방지함은 물론 효과적 경화 작업 수행을 위해 위 경화 장치(61)의 광 방출 방향을 적절히 조절할 수 있도록 제작할 수 있다.
예컨대, 경화 공정이 수행되는 부분을 확대하여 표시한 부분을 통해 확인할 수 있듯 위 경화 장치(61)에서 자외선 발광 다이오드(65)가 형성된 마디 부분을 외부에서의 조절을 통해 이동할 수 있도록 제작함으로써 효과적으로 위 자외선 발광 다이오드(65)로부터 방출되는 광의 방향을 조절할 수 있다. 이때, 상기 자외선 발광 다이오드(65)가 형성된 마디 부분의 외부 조절은 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 또는 레이저 센서를 구비하여 상기 자외선 발광 다이오드(65)의 위치를 컴퓨터를 통해 공간 좌표화하고, 이에 기초하여 이동 좌표를 지정하는 방식으로 위 자외선 발광 다이오드(65)의 이동을 제어할 수 있다. 이 경우 상기 자외선 발광 다이오드(65)는 광 방출 방향을 적절히 제어하기 위해 직선형으로 제작하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 선택적 경화 공정을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치(73) 등에 장착되는 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(71)는 광 산란 작용에 따른 광 경화 폴리머 재료의 분사 전 노즐 내 경화를 최소화하고 경화 공정에 따르는 불필요한 전력 소모를 방지하기 위해 재료 분사 장치(73)로부터 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 동안만 광을 방출하도록 제작할 수 있다.
예컨대, 재료 분사 장치(73)가 광 경화 폴리머 재료를 대상 분사 지점에 분사하는 동안 상기 경화 장치(71)의 자외선 발광 다이오드를 통해 광이 방출되고, 위 재료 분사 장치(73)가 광 경화 폴리머 재료의 분사를 완료하고 다음 대상 분사 지점으로의 이동 간에는 위 경화 장치(71)의 자외선 발광 다이오드를 통해 광이 방출되지 않도록 제어하며, 위 재료 분사 장치(73)의 다음 대상 분사 지점 이동을 완료하여 광 경화 폴리머 재료 분사시 위 경화 장치(71)는 다시 광을 방출할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 차단용 케이스가 구비된 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(81)는 광 산란 작용에 따른 광 경화 폴리머 재료의 분사 전 노즐 내 경화를 최소화하기 위해 위 광의 산란을 차단하는 별도의 차단용 케이스(85)를 위 광 경화 폴리머 재료의 분사가 개시되는 지점에 인접하여 구비할 수 있으며, 특히 위 차단용 케이스(85)는 스크류, 공압, 유압, 피스톤 방식의 재료 분사 장치(83) 등에 장착되는 복수개의 위 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(81)를 통한 경화 작업 시 다양한 각도에서 발생하는 광 산란 작용에 따른 노즐 내 광 유입을 차단하는데 효과적일 수 있다.
구체적으로, 상기 차단용 케이스(85)는 상기 재료 분사 장치(83)로부터 위 광 경화 폴리머 재료가 분사될 수 있도록 홀을 마련하되, 위 홀을 광 경화 폴리머 재료의 분사가 개시되는 지점에 인접하여 소정 두께로 형성함으로써 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 방향을 제외한 나머지 방향에서의 광 유입을 차단할 수 있도록 제작할 수 있는 것으로 예컨대, 위 광 경화 폴리머 재료의 분사가 개시되는 지점에 위 광 경화 폴리머 재료가 분사될 수 있는 최소 크기의 홀이 마련된 소정 두께의 아치형 케이스 형태로 구현할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전자 빔 방식의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 파우더(powder) 형태의 광 경화 폴리머 재료를 기판상에 분사하는 전자 빔 방식의 재료 분사 장치(93)의 상단에 구비되어 컴퓨터 제어 장치를 통해 광 발생이 제어되는 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치(91)는 위 경화 장치(91)를 확대한 부분을 통해 확인할 수 있듯 프린팅 공정의 목적에 따라 위 자외선 발광 다이오드의 발광 형태를 직선형 또는 분산형 중 어느 하나로 적절히 선택하여 구비할 수 있으며, 상기 컴퓨터 제어 장치를 통해 위 재료 분사 장치(93)로부터 파우더 형태의 재료가 분사되는 동안 위 경화 장치(91)의 자외선 발광 다이오드를 통해 광이 방출되도록 제어하는 과정으로 상기 기판상에 소정 3D 형상을 제작할 수 있다.
도 10의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 스프레이 방식의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 10의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 스프레이 방식의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 측면도이고, 도 10의 (b)는 위 경화 장치의 사시도이다.
도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 미스트(mist) 형태의 광 경화 폴리머 재료를 기판상에 분사하는 스프레이 방식의 재료 분사 장치(103)와 동일한 장비 고정대상에 인접하여 구비되는 자외선 발광 다이오드를 이용한 경화 장치(101)는 위 경화 장치(101)를 확대한 부분을 통해 확인할 수 있듯 프린팅 공정의 목적에 따라 위 자외선 발광 다이오드의 발광 형태를 직선형 또는 분산형 중 어느 하나로 적절히 선택할 수 있으며, 위 재료 분사 장치(103)의 X축, Y축, Z축으로의 이동 발생시 위 재료 분사 장치(103)의 이동 경로를 따라 동일하게 움직이며 경화 공정을 수행할 할 수 있다.
이때, 효과적 경화 공정 수행을 위하여 상기 경화 장치(101)는 상기 재료 분사 장치(103)로부터 광 경화 폴리머 재료의 분사가 이루어지는 시점 동안 자외선 발광 다이오드를 통해 광을 방출하도록 제어하되, 바람직하게 위 재료 분사 장치(103)의 재료 분사 개시 시점이 위 자외선 발광 다이오드로부터의 광 방출 개시 시점보다 먼저 이루어질 수 있다.
도 11의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 11의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 통한 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 측면도이고, 도 11의 (b)는 위 경화 공정을 나타내는 사시도이다.
도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(111)를 X축 또는 Y축으로 이동하는 과정 및 위 자외선 발광 다이오드로부터의 광 방출 여부 제어를 통해 소정 용기에 담겨진 광 경화 폴리머 재료의 특정 부위에 선택적으로 광을 조사할 수 있다. 이때, 입체감 부여를 통한 3D 형상의 제작을 위해 상기 광 경화 폴리머 재료 내에 Z축 이동 플레이트를 구비하고, 위 Z축 이동 플레이트를 제작하려는 3D 형상에 따라 Z축 방향으로 적절히 이동하는 과정 및 위 자외선 발광 다이오드로부터의 광 방출 여부를 제어하는 과정을 통해 위 Z축 이동 플레이트 상에 소정의 3D 형상을 제작할 수 있다.
도 12의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 12의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 통한 포토 리소그래피 방식의 경화 공정을 나타내는 측면도이고, 도 12의 (b)는 위 경화 공정을 나타내는 사시도이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(121)를 소정 용기에 담겨진 광 경화 폴리머 재료의 상단에 구비하고, 위 경화 장치(121) 및 위 광 경화 폴리머 재료 사이에 제작하려는 3D 형상에 따른 포토 마스크를 설치한다. 이때, 입체감을 표현하기 위해 상기 광 경화 폴리머 재료 내에 Z축 이동 플레이트를 구비하고, 위 Z축 이동 플레이트를 제작하려는 3D 형상의 두께에 따라 Z축 방향으로 적절히 이동하는 과정 및 위 자외선 발광 다이오드로부터의 광 방출 여부를 제어하는 과정을 통해 위 Z축 이동 플레이트 상에 소정 3D 형상을 제작할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 볼펜 형상의 재료 분사 장치에 적용한 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 볼펜 형상의 재료 분사 장치(133)는 소정 버튼 또는 패드의 터치 또는 누름 등의 동작에 따라 작동하여 위 동작이 지속되는 동안 광 경화 폴리머 재료를 위 볼펜 형상 재료 분사 장치(133)의 끝에 형성된 소정 크기의 홀을 통해 분사할 수 있다.
이때, 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(131)를 상기 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 볼펜 형상 재료 분사 장치(133)의 끝에 인접하여 장착하되, 위 자외선 발광 다이오드의 광 방출 방향이 위 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하도록 제작할 수 있으며, 바람직하게는 볼펜의 사용상 특성을 고려하여 상기 볼펜 형상 재료 분사 장치(133)의 끝 부위 둘레를 따라 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(131)를 구비할 수 있다.
상기 경화 장치(131)는 도면에 나타내지는 않았으나 상기 볼펜 형상의 재료 분사 장치(133)에 장착된 소정의 스위치를 통해 수동으로 광 방출 동작 여부를 제어할 수 있도록 제작할 수 있음은 물론 바람직하게는 위 볼펜 형상의 재료 분사 장치(133)를 통해 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 시점에만 선택적으로 자동 광 방출 동작하도록 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 위 자외선 발광 다이오드를 통해 광이 방출되는 부위에 소정의 모양이 새겨진 렌즈를 부착하여 특정 모양의 광을 방출할 수 있다.
도 14의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 소정 모양의 렌즈 부착을 통한 자외선 발광 다이오드로부터의 방출 광 성형을 나타내는 도면이다.
도 14의 (a) 및 (b)를 참조하면, 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(141)의 위 직선형 자외선 발광 다이오드 광 방출 부위에 소정 모양이 새겨진 렌즈(143)를 부착함으로써 위 렌즈(143)에 새겨진 모양에 따라 발생 광을 성형하여 방출할 수 있으며, 이를 이용하여 소정 모양의 3D 형상의 제작을 간편한 방식으로 수행할 수 있음은 물론 특정 부분에 보다 정밀한 광 조사 수행이 가능할 수 있어 경화 공정의 기능을 크게 개선시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 위 자외선 발광 다이오드를 아치 형태로 제작하여 간편한 방식으로 다각도의 경화 작업을 동시 수행할 수 있도록 제작할 수 있다.
도 15의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 아치 형태의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치를 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 15의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 아치 형태의 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치의 측면도이고, 도 15의 (b)는 위 경화 장치를 통한 경화 공정을 나타내는 사시도이다.
도 15의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 직선형 또는 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치(151)는 위 자외선 발광 다이오드를 연속 결합하여 아치 형태로 제작하되, 위 아치의 내측 방향으로 광이 방출될 수 있도록 아치의 벽면을 따라 위 자외선 발광 다이오드를 연속 결합하여 제작함으로써 위 아치 형태의 자외선 발광 다이오드 내측을 통과하는 플레이트 상의 광 경화 폴리머 재료를 다각도에서 동시 경화 작업할 수 있고 이를 통해 3D 형상 제작의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
다른 한편, 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 이용한 3D 프린터용 경화 장치는 위 자외선 발광 다이오드를 일반적으로 사용되는 프린터기의 경화 장치와 동일/유사한 형태로 제작하여 기존 프린팅 방식으로 3D 프린팅 작업을 수행할 수 있도록 제작할 수 있는 것으로, 예컨대 상기 자외선 발광 다이오드를 연속 결합하여 일자 형태 또는 평면 형태로 제작하되, 위 일자 형태 또는 평면 형태의 내측 내지 일측 방향으로 광이 방출될 수 있도록 제작함으로써 상기 프린터기의 동작을 통해 유입되는 기판상의 광 경화 폴리머 재료를 광범위한 영역에 걸쳐 동시 경화 작업할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 광 경화 폴리머(polymer) 재료를 단일 파장의 광을 단일한 방향으로 방출하는 직선형 자외선 발광 다이오드 또는 단일 파장의 광을 다양한 방향으로 방출하는 분산형 자외선 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 복수개의 자외선 발광 다이오드를 이용하여 경화 공정을 수행하는 3D 프린터용 경화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 자외선 발광 다이오드로부터 하나 이상의 파장 광을 방출하여 상기 경화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 경화 폴리머 재료가 재료 분사 장치를 통해 기판상에 분사되는 경우,
    상기 광 경화 폴리머 재료의 기판상 분사 지점 측면에 상기 기판과는 소정의 간격을 두고 설치되어 상기 기판상에 수평한 방향으로 광을 방출하며 상기 경화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광 경화 폴리머 재료가 재료 분사 장치를 통해 분사되는 경우,
    상기 재료 분사 장치에 일체로 형성되고, 상기광 경화 폴리머 재료의 분사 즉시 경화 공정 수행할 수 있도록 상기 자외선 발광 다이오드는 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향하여 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자외선 발광 다이오드로부터 방출되는 광의 산란으로 인한 상기 재료 분사 장치 내로 유입되는 것을 차단하기 위해 소정 두께의 차단용 케이스를 상기 광 경화 폴리머 재료의 분사가 개시되는 지점에 인접하여 구비하되,
    상기 차단용 케이스는 상기 광 경화 폴리머 재료가 분사될 수 있는 최소 크기의 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광 경화 폴리머 재료를 볼펜 형상의 재료 분사 장치를 통해 상기 재료 분사 장치의 끝에 형성된 소정 크기의 홀을 통해 분사하는 경우,
    상기 자외선 발광 다이오드는 상기 홀에 인접하여 상기 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 지점을 향해 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  7. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료 분사 장치와 동일한 이동 경로를 따라 움직이며 경화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  8. 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료 분사 장치를 통해 광 경화 폴리머 재료가 분사되는 시점에만 선택적으로 상기 자외선 발광 다이오드를 통해 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    소정 용기에 담긴 상기 광 경화 폴리머 재료를 상기 직선형 자외선 발광 다이오드를 이용하여 포토 리소그래피(photo lithography) 방식으로 경화 공정을 수행하는 경우,
    상기 용기 내 구비되는 위/아래 방향으로 이동 가능한 플레이트를 제작 대상 3D 형상에 따라 위치 조정하며 경화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    소정 용기에 담긴 상기 광 경화 폴리머 재료를 상기 분산형 자외선 발광 다이오드를 이용하여 포토 리소그래피(photo lithography) 방식으로 경화 공정을 수행하는 경우,
    상기 광 경화 폴리머 재료의 상부에 형성된 제작 대상 3D 형상에 따른 포토 마스크(photo mask)를 통해 상기 경화 공정을 수행하되,
    상기 용기 내 구비되는 위/아래 방향으로 이동 가능한 플레이트를 상기 제작 대상 3D 형상에 따라 위치 조정하며 경화 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 직선형 자외선 발광 다이오드를 통해 소정 형상의 광을 방출하기 위해 상기 직선형 자외선 발광 다이오드의 광 발생 부위에 소정 형상의 렌즈를 부착한 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 자외선 발광 다이오드를 아치 형태, 일자 형태, 평면 형태 중 어느 하나의 형태로 복수개 연속하여 결합하되,
    상기 자외선 발광 다이오드로부터 광이 조사되는 영역으로 유입되는 기판상에 구비된 광 경화 폴리머 재료에 대해 경화 공정 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 경화 장치.
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