KR20170097681A - 3d 메카트로닉 오브젝트의 적층적 제조를 위한 방법 - Google Patents

3d 메카트로닉 오브젝트의 적층적 제조를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 오브젝트는 적어도 하나의 센서 및/또는 하나의 액추에이터, 전기 전도성 트랙들을 통하여 센서에 및/또는 액추에이터에 접속된 전자 회로를 컴포넌트들로서 포함하고, 이들 컴포넌트들은 주요 기계적 구조체에 위치되며, 상기 오브젝트는 여러 전자적 및/또는 전기 활성 특성들을 갖는 다수의 폴리머들로 이루어지며, 상기 방법은 하기의 단계들:
- 폴리머들을, 이들의 용융 온도, 화학적 혼화성, 이들의 전기 및/또는 전기 활성 특성들에 따라 결정하는 단계;
- 오브젝트의 미리 정해진 메카트로닉 기능들, 상기 폴리머들의 특성들 및 오브젝트의 사양들에 기초하여 오브젝트의 형상 및 트랙들의 라우팅을 포함하는 오브젝트의 3D 디지털 모델을 결정하는 단계;
- 용융된 상기 폴리머들의 층들을 데포지션하는 것에 의해 생성된 모델에 따라 동일한 모델링 단계들에서, 센서 및/또는 액추에이터, 전자 회로 및 주요 구조체를 3D-프린팅하는 단계로서, 특정 층들은 복수의 폴리머들로 이루어지고, 상기 층들은 베이스 폴리머 (1) 에 전용되고, 여러 폴리머들을 획득하도록 침입형 도핑 (interstitial doping) 에 의해 상기 베이스 폴리머 내에 하전된 입자들을 주입가능한 도핑 메카니즘 (2) 에 커플링되는 적어도 하나의 헤드에 의해 데포지션되는, 상기 센서 및/또는 액추에이터, 전자 회로 및 주요 구조체를 3D-프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 메카트로닉 오브젝트의 적층적 제조를 위한 방법{METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF A 3D MECHATRONIC OBJECT}
본 발명의 분야는 컴포넌트들로서 하기와 같이 포함하는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 것이다:
- (힘, 압력, 플렉스 등) 센서 및/또는 액추에이터 (바이브레이터, 트래버서 등);
- 센서 및/또는 액추에이터에 링크되고 전기전도성 트랙들이 제공되는 전자 회로,
이들 컴포넌트들은 주요 기계적 구조체에 위치된다.
3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 가장 일반적으로 구현되는 솔루션은 하기와 같이 이루어진다:
- 복수의 재료들 (유전체 재료들, 전기 전도성 재료들 등) 로부터 출발하여, 한편으로는 평면 기판 상에 센서 및/또는 액추에이터를 제조하는 것;
- 한편으로는, 센서 및/또는 액추에이터를 수용하기 위한 기계적 구조체를 제조하고, 그 위에 대응하는 전자 회로를 형성하는 것;
- 센서 및/또는 액추에이터를 구조체에 전사하는 것에 의해 이들 2 개의 엘리먼트들을 어셈블리하고 이들을 전자 회로에 접속하는 것.
오늘날, 적층적 제조 (additive manufacturing)(또는 3D 프린팅) 기법들은 재료들을 부가하는 것에 의해 완전한 3D 오브젝트들이 생성되는 것을 허용한다. 기계적 특성들 (예를 들어, 재료 밀도, 재료 유형) 또는 그 밖에 프린팅된 오브젝트들 (예를 들어, 전체적인 또는 국부적인 컬러, 텍스처) 의 외형 (appearance) 을 제어하기 위한 여러 방법들이 현재 존재한다. 그러나, 이들 방법들은 주변 환경들을 지각하거나 또는 상호작용하는 능력없이 오직 패시브 오브젝트들만을 제조한다.
커패시터들, 전계효과 트랜지스터들, 광전지, 유기 발광 다이오드들, 또는 심지어 OLED (organic light-emitting diode) 와 같은 여러 전자 컴포넌트들을 프린팅하기 위한 잉크젯 3D 프린팅 기법이 존재한다. 대형 사이즈의 기판들 또는 가요성 기판들을 요구하는 회로들을 제조하기 위하여, 예를 들어, 플렉시블 액티브-매트릭스 유기 발광 다이오드 (active-matrix organic light-emitting diode; AMOLED) 스크린들을 프린트하기 위하여, 연속하는 또는 회전형 3D 프린팅 기법들이 또한 연구되고 있다 (플렉소그래피, 로트그라비어, 롤-투-롤 등).
이들 여러 프린팅 기법들의 발전은 유기 전자기기들의 출현으로 가능하게 되어 왔다. 이 부문의 전자기기들은 전도성 및 반도체성 재료들을 사용하며, 이들의 구성은 카본 화학물질; 폴리머들에 기초한다. 이 부문의 전자기기들은, 제 1 전도성 폴리머들이 1977 (Heeger, MacDiarmid, Shirakawa, Nobel Prize in Chemistry 2000) 에 개발되었고 이들 재료들을 이용한 제 1 전자 컴포넌트들이 80년대 중반에, 유기 전계효과 트랜지스터 (Mitsubishi, 1986); 유기 발광 다이오드 (Kodak, 1987) 에서 나타났기 때문에 비교적 최신이다. 오늘날, 유기 전자기기는 pH 또는 효소 센서와 같은 유기 트랜지스터들 (OFETs) 에 기초한 전기 화학적 바이오센서들로부터, 인공 근육들 또는 진동촉각 액추에이터와 같은 전기 활성 폴리머들 (EAPs) 에 기초한 액추에이터들에 이르기까지 수많은 전자 컴포넌트들을 제조하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이들 노력들은 기본 컴포넌트들 (전극, 커넥터 등) 이 개별적으로 제조된 다음 어셈블리되어 전체 전자 컴포넌트를 형성하는 기본 제조 방법들을 이용한다.
현재 특정 전자 컴포넌트들을 제조하기 위해 적층적 제조 (additive manufacturing) 기법들을 사용하는 몇가지 연구가 있다. 그러나, 이들 방법은 평면 기판 상에 컴포넌트들을 제조만하거나 또는 이는 부가적인 어셈블리 동작들을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 이들 결함들을 극복하는 것이다.
본 방법은 하기에 주로 기초한다:
- 재료들의 특별한 선택; 이들은 다양한 기계적, 전기적 및 전기 활성 특성들을 나타내는 폴리머 재료들이다.
- 오브젝트의 메카트로닉 기능들, 폴리머들의 특성들 및 기술적 또는 인적 팩터에 기초한 3D 오브젝트의 모델의 자동 생성.
- 용융된 재료들을 데포지션하는 것에 의한 모델을 사용하는 3D 프린팅 (FDM, 이 약어는 융합 데포지션 모델링 (fused deposition modeling) 을 나타냄), 이는 동일한 모델링 단계들에서 3D 오브젝트, 즉 오브젝트의 여러 컴포넌트들 (센서, 액추에이터, 전자 회로, 패키징 등) 을 제조하기 위하여, 선택된 폴리머들이 생성된 모델에 따라 데포지션되게 허용한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 청구대상은 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법이며, 이 오브젝트는 적어도 하나의 센서 및/또는 하나의 액추에이터, 전기 전도성 트랙들을 통하여 센서에 및/또는 액추에이터에 접속된 전자 회로를 컴포넌트들로서 포함하고, 이들 컴포넌트들은 주요 기계적 구조체에 위치되며; 메카트로닉 오브젝트는 상이한 전자적 및/또는 전기활성 특성들을 갖는 다수의 폴리머들로 이루어진다. 본 방법은 주로 다음 단계들을 포함하는 것을 특징으로 한다:
- 폴리머들을, 이들의 용융 온도, 화학적 혼화성, 이들의 전기 및/또는 전기 활성 특성들에 따라 결정하는 단계;
- 오브젝트의 미리 정해진 메카트로닉 기능들, 상기 폴리머들의 특성들 및 오브젝트의 사양들에 기초하여 오브젝트의 형상 및 트랙들의 라우팅을 포함하는 오브젝트의 3D 디지털 모델을 결정하는 단계;
- 상기 용융된 폴리머들의 층을 데포지션하는 것에 의해 생성된 모델에 따라 동일한 모델링 단계들에서, 센서 및/또는 액추에이터, 전자 회로 및 주요 구조체를 3D-프린팅하는 단계로서, 특정 층들은 복수의 폴리머들로 이루어지고, 층들은 베이스 폴리머에 전용되고 여러 폴리머들을 획득하도록 침입형 도핑 (interstitial doping) 에 의해 베이스 폴리머 내에 하전된 입자들을 주입가능한 도핑 메카니즘에 커플링되는 적어도 하나의 헤드에 의해 데포지션된다.
이 방법은 다음을 허용한다:
- 어셈블리 동작에 의지하지 않고, 어셈블리에 내재하는 결함들 (기밀성 누출, 서비스 수명 및 시일 팽창에 대한 제어) 이 없는 완전한 메카트로닉 오브젝트들의 제조;
- 여러 평면들에 따른 컴포넌트들의 최적의 집적화:
o 공간적: 체적에서의 감소;
o 기계적: 구조체 내에 임베드된 액추에이터/센서, 개선된 열기계적 전달/접촉;
o 전기적: 3D 구조체를 갖는 최적의 전자적 라우팅, 전자 회로;
- 구조 및 기능 면에서 메카트로닉 오브젝트들의 단순 커스터마이즈화;
- 수 분에서 수 시간까지의 매우 짧은 제조 시간;
- 저렴한 재료의 사용 (선택적으로 도핑되는 폴리머들).
용융된 폴리머 층들은 복수의 데포지션 헤드들에 의해 데포지션될 수도 있고, 각각의 헤드는 상이한 폴리머에 전용된다. 적어도 하나의 헤드는 예를 들어, 유전성 폴리머에 전용되고, 적어도 하나의 다른 헤드는 전도성 폴리머에 전용된다.
본 발명은 또한, 프로그램이 컴퓨터 상에서 구동될 때 방법의 단계들을 수행가능하게 하는 코드 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 관련된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적 예로서 주어진 다음에 오는 상세한 설명을 읽을 때 명백하게 될 것이다.
도 1 은 전자 폴리머 (도 1a) 에 그리고 이온성 폴리머 (도 1b) 에 인가된 전기장에 의해 야기되는 치수들에서의 변화들을 개략적으로 예시한다.
도 2 는 도핑 메카니즘에 커플링된 데포지션 헤드를 개략적으로 나타낸다.
도면마다, 동일한 엘리먼트들이 동일한 도면부호들을 부여받는다.
제조되는 3D 메카트로닉 오브젝트는, 상이한 전자적 또는 전기기계적 특성들을 갖는 다수의 폴리머들로 이루어지는 컴포넌트들, 센서 및/또는 액추에이터, 전자 회로 및 주요 기계적 구조체에 의해 구현되는 자신의 메카트로닉 기능들에 의해 정의된다. 주요 기계적 구조체는 자체적으로 아티큘레이션들을 포함할 수도 있고, 이들은 가능성있게 제어될 수도 있다.
이 오브젝트를 제조하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 용융 온도와 같은 폴리머 특성들, 화학적 혼화성 또는 전기 또는 전기기계적 특성들에 따라 이 오브젝트를 제조하는데 이용될 폴리머들을 결정하는 단계;
- 3D 오브젝트의 디지털 모델, 특히 그 형상, 전기 전도성 트랙들의 라우팅, 및 메카트로닉 컴포넌트들의 조성물을 결정하는 단계. 모델을 정의함에 있어서, 오브젝트의 미리 정해진 메카트로닉 기능들, 폴리머들의 특성들, 및 오브젝트의 미리 정해진 사양들이 고려된다:
- 용융된 재료들의 층들을 데포지션하는 것에 의해 동일한 모델링 단계들에서 센서 및/또는 액추에이터, 전자 회로 및 주요 구조체를 3D 프린팅하는 것, 특정 층들은 복수의 폴리머들로 이루어진다.
방법은 폴리머들의 사용에 기초한다. 이들 재료들은 이들이 경질이고, 저온에서 합성될 수 있고, 산업적 스케일에서 사용이 쉽고 라사이클될 수 있고, 저렴하며, 융합 데포지션 모델링과 양립가능하기 때문에 유리하다.
폴리머들은 주로 이들의 유전성 특성들로 알려져 있다. 연구들은 전기를 처리할 수 있는 특정 폴리머들의 능력들을 논의하였다. 지난 수십 년 동안 "스마트 재료들"이라고 지칭되는 폴리머들이 등장하였다. 이들 폴리머들은 광, 산도, 열 또는 자기장 또는 전기장과 같은 물리적 자극의 영향 하에서 여러 거동들, 예를 들어, 기계적 또는 전자 발광적 거동들을 보여준다. 전기장에 대한 반응의 경우, 전기 활성 폴리머들이 일컬어진다. 이들 폴리머들은 예를 들어 변형 (굽힘, 압축, 팽창 등) 을 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환가능하다. 이 특성은 액추에이터들 또는 센서들과 같은 다양한 전기 기계적 트랜스듀서의 제조에 적합하다.
이들 여러 특성들 (전기 절연, 전기 전도성, 전기 기계적 변환) 은 메카트로닉 오브젝트의 다양한 패시브 및 액티브 컴포넌트들을 제조하는데 이용된다.
이 방법에 사용되는 폴리머들의 세 가지 주요 계열은 다음과 같다:
- 유전성 폴리머들;
- 전기 전도성 폴리머들;
- 전기 활성 폴리머들.
I) 유전성 폴리머
이는 여러 전자 컴포넌트들 및 구조들의 제조시 전기 절연체로서 역할을 하고 오브젝트의 주요 기계적 구조체를 구성하는데 이용되는 열가소성 재료이다. 여러 물리적 특성들을 보여주는 광범위한 열가소성 재료들이 존재한다. 재료들의 선택은 오브젝트 또는 오브젝트의 컴포넌트들 또는 부분들을 부여하려는 특성들에 따르며, 이를 테면:
o 유전성 특성들 (컴포넌트 캐리어, 절연체/커패시터, 컴포넌트 쉘 등): 유전성 강도, 손실 각도, 정전기 등.
o 전체적인 기계적 특성들 (스켈레톤) 및 국부적 기계적 특성들 (입력/접촉 영역들, 힘/플렉스 센서, 기계적 전달 등): 체적 질량 밀도, 강도, 유연성, 탄성, 압력/굴곡/비틀림에 대한 내성 등.
o 열 특성들: 열 용량, 열 전도도 등.
o 생물학적 특성들 : 화학적 불활성/반응성, 독성 등.
o 시각적 특성 : 투명도/ 불투명도, 컬러, 광택/조면도 등.
o 인체 공학적 특성들: 접촉 편안함, 표면 조면도, 질감 등.
다른 중요한 점은 재료의 선택을 안내한다: 유전성 폴리머의 그리고 오브젝트의 제조시에 수반되는 다른 폴리머들 (전도성 폴리머들, 전기 기계적 폴리머들 등) 의 녹는점. 구체적으로, 데포지션되고 있는 재료들과 접촉할, 이미 프린팅되어진 이들 부분들을 용융시키지 않도록 유사한 녹는점들을 가는 재료들을 이용하는 것이 필요하다.
다음 표는 용합된 데포지션 3D 프린팅과 양립가능한 일부 유전성 폴리머들을 제시한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
II) 전기 전도성 폴리머
전도성 재료는 메카트로닉 오브젝트의 여러 컴포넌트들의 제조시에 수반된다:
- 전기 전도성 트랙들 및 컴포넌트들의 커넥터들
- 전자 컴포넌트들: 커패시터 전극들, 저항기, 인덕터 와이어 등.
- 트랜스듀서들
o 기계적 트랜스듀서들 (센서): 접촉, 압력, 플렉스 등의 센서들
o 열 트랜스듀서들 (액추에이터): 가열 소자
- 열 컨덕터들: 열 자극, 냉각 등.
2 가지 주요 유형들의 전도성 폴리머들이 있다:
A) 전자 도너 또는 억셉터 원자들 (화학적 도핑, 전기 화학적 도핑 등) 로 도핑하는 것에 의해 그 전도성이 증가되어야 하는 고유 전도성 폴리머들 (Intrinsically conductive polymers; ICPs). 현재, 양호한 화학적 안정성 및 우수한 기계적 특성들을 나타내는 도핑된 고유 전도성 폴리머들 중에서 다음이 인용될 수 있다: 폴리파라페닐렌, 폴리티오펜, 폴리피롤 또는 폴리아닐린. 그러나, 이들 재료들은 녹는 온도들이 부분적으로 또는 완전하게 이들의 전기적 또는 기계적 특성들을 변경시키기 때문에 융합 데포지션 모델링에 적합하지 않다.
B) 침입형 도핑된 전도성 폴리머들 (Interstitially doped conductive polymers): 이는 복합 폴리머의 전도성을 증가시키기 위해 전도성 필러들로 도핑된 비전도성 폴리머로 이루어지는 복합 폴리머이다. 도핑은 액체 상태에서 비전도성 폴리머에 하전된 입자들을 부가하는 것으로 구성된다. 도핑 동안 또는 도핑 후에 2 개의 재료들 사이에 화학 반응은 없다. 복합 폴리머의 기계적 특성들은 비전도성 폴리머의 기계적 특성에 가깝고, 그 전기적 특성들은 전도성 필러들의 전기적 특성에 가깝다. 비전도성 폴리머 및 전도성 필러들에 대한 융합 데포지션 모델링의 온도들과 양립가능한 재료들의 사용이 필요하다: 이는 저하 온도 >> 녹는점이 필요하다.
복합 폴리머의 결과적인 전도도는 다음에 의존한다:
- 전도성 필러들의 전도도;
- 폴리머 매트릭스에서의 전도성 필러들의 비율;
- 전도성 필러들의 형상;
- 전도성 필러들의 공간적 분포;
- 폴리머/전도성 필러의 구조적 및 전기적 상호작용.
전도성 필러들의 형상 및 분포에 기초하여, "팩킹 팩터"(F) 를 정의하는 것이 가능하며, 이는 복합물 내의 필러들의 비례 체적을 표현한다.
Figure pct00003
이 팩터 F 는 복합물의 다수의 특성들 및 파라미터들을 정의한다:
- 전도도 (S/m)
- 퍼콜레이션 임계값 (Percolation threshold)
- 기계적 특성들
- 열 특성들.
다음 표는 결과적인 복합 폴리머의 일부 특징들 및 수 개의 유형들의 전도성 필러들을 제시한다:
Figure pct00004
다른 유형들의 전도성 필터들이 또한 이용될 수도 있다:
- 금속 피버들
- 금속화된 미네랄 입자들
- 고유 전도성 폴리머 입자들.
복합 폴리머의 전기 전도도를 제어하는 것에 더하여, 전도성 필러들의 재료는 복합 폴리머의 특정 기계적 또는 열 특성들에 영향을 미치고 그리고 더 견고하거나 (카본 피버) 또는 보다 우수한 열 컨덕터 (금속 필러들) 을 형성하는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 새로운 기능성들 (하기 전기 활성 폴리머들을 참조할 것), 예를 들어, 압전성 (세라믹) 또는 피에조저항성 (카본 블랙) 을 제공할 수도 있다.
III) 전기 활성 폴리머
이 재료는 특히 기계적 감지 및 작동 능력들을 갖도록 제조되는 오브젝트를 제공하기 위하여 특히 요구되는 전기 활성 컴포넌트들을 제조하는 것을 가능하게 한다. 컴포넌트들의 2 개의 주요 클래스들이 제조될 수도 있다:
1) 센서들 (접촉, 압력 등의 센서들); 및/또는
2) 액추에이터들 (진동촉각 액추에이터, 플렉스 액추에이터, 선형 액추에이터 등).
본 발명에 따른 방법은 전기 활성 폴리머들 (electroactive polymers; EAPs), 특히, 전기 기계적 트랜스듀서들을 이용한다. 이들 경질의 유연한 폴리머들은 크기와 형상을 변경하는 것에 의해 전기 자극에 응답가능하다 (액추에이터 모드). 또한, 기계적 응력의 영향 하에서 이들을 분극화하는 것이 가능하다 (센서 모드).
전기 활성 폴리머들에는, 전자적 계열과 이온적 계열 2 개의 주요 카테고리들이 존재한다.
A) 전자 폴리머들 (전자적 EAP들) 은 외부 전기장에 의해 활성화된다. 일반적으로, 전자 폴리머는 예를 들어 그의 분극화 또는 그의 전압을 측정하기 위하여, 예를 들어 전도성 폴리머에 기초하여 2 개의 전극들 사이에 위치된다. 전기장은 전기적 분극화 (내재적 힘) 및 전극들에 가해지는 쿨롱 힘 (외인성 힘) 에 기인한 힘들을 전자 폴리머에 가한다. 이들 힘들은 도 1a 에서 설명한 바와 같이, 치수들에서의 변화 (횡방향 수축 => 종방향 팽창) 를 야기한다.
전자 폴리머 계열은 여러 고유한 전기적 특성들 및 활성화 프로세스들을 나타내는 하위계열들로 이루어진다:
- 강유전성 폴리머
- 일렉트릿들
- 유전성 엘라스토머
- 전기변형성 그래프트 엘라스토머
- 전기 활성 페이퍼
- 전기 점탄성 엘라스토머
- 액정 엘라스토머 (Liquid crystal elastomer; LCE)
B) 이온성 폴리머들 (이온성 EAP들) 은 전기장에 의해 야기되는 재료를 통하여 이온들 또는 분자들의 확산에 기초한다. 이온들 또는 분자들의 확산은 도 1b 에 예시된 바와 같이, 재료의 치수들에서의 변화들 (전극들의 수축/팽창 => 전체적인 구조체의 플렉싱) 을 발생시킨다. 이 유형의 폴리머를 사용하는 액추에이터는 2 개의 전극들을 포함하며, 전극들 사이에는 고체 (또는 액체) 폴리머 전해질로 분리되는 예를 들어 전도성 폴리머에 기초하여 전압이 인가된다.
이온성 폴리머 계열은 또한 여러 물리적 또는 화학적 원리들을 사용하는 하위계열들로 이루어진다:
- 이온성 겔
- 이온성 복합물 (Ionic composite; IPMC)
- 이온-전도성 폴리머 (conductive polymer; CP)
- 카본 나노튜브들
- 전기유변 유체 (Electrorheological fluid)
전기 활성 폴리머들의 이들 2 개의 주요 카테고리들은 이들의 사양들을 결정하는 여러 전기 기계적 특성들을 나타낸다:
- 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 능력을 표현하는 전기 기계적 커플링 계수;
- 치수들에서의 변화를 생성하는데 필요한 최소 전기장인 활성화 전기장;
- (종방향) 치수들에서의 최대 변화를 표현하는 최대 변형;
- 폴리머가 적용가능한 최대 압력;
- 재료의 강성/탄성을 표현하는 영률;
- 재료의 사이클 당 그리고 단위 체적 당 최대 기계적 에너지를 표현하는 에너지 밀도;
- 응답 시간;
- 서비스 수명.
다음 표는 각각의 카테고리의 주요 이점들 및 결함들을 요약한다.
Figure pct00005
다음 표는 각각의 카테고리 마다 그리고 일부 전기 활성 폴리머 하위계열들에 대하여, 융합 데포지션 모델링과 양립가능한 재료의 일 예를 제공한다.
Figure pct00006
Figure pct00007
전극들을 제조하는데 이용되는 재료의 선택이 또한 중요하다. 전기 기계적 폴리머의 치수들에서의 변화를 수반하는데 필요한 전기장 및 탄성의 최적의 적용을 위해 전기 전도도 사이의 최상의 절충안을 얻기 위하여, 전도성 필러들로 도핑된 엘라스토머 폴리머들이 사용된다 (전도성 폴리머들에 대한 섹션 참조).
예를 들어, HDPE 폴리머를 사용하여 형성된 2 개의 전도성 전극들 사이에 위치된 AFC 또는 MFC 폴리머들을 이용하여터치 액추에이터 (바이브레이터) 를 제조하는 것이 가능하다.
제조 프로세스에서 이용될 폴리머들이 선택되었다면, 다음 단계는 소프트웨어를 이용한 3D 객체의 모델의 자동 생성이다.
모델은 다음에 기초하여 생성된다:
- 미리 정해진, 제조될 오브젝트의 메카트로닉 기능들;
- 폴리머들의 선택; 및
- 사용자 인터페이스를 이용하여 사용자에 의해 입력되는 베이스 사양들;이는 유형: 팔찌, 진동 촉각, 손목 사이즈 등의 기본 정보를 입력한다.
그 후, 소프트웨어는 주요 기계적 구조체 및 사이즈들을 제안하고 전자 회로 및 다른 컴포넌트들을 위치시킨다.
컴포넌트들의 사이징은 사용되는 폴리머들의 기계적, 전기적, 및 전기 활성적 특성들, 휴먼 팩터들 (정신적 팩터들, 지각 임계값들 등) 및 사용자에 의해 규정되는 기능성들에 연결된다.
오브젝트의 제조에 있어서 다수의 전자 컴포넌트들의 동시 사용은 전자적 트랙들의 최적의 라우팅을 필요로 한다. 전기적 특성들 외에도, 소프트웨어는 또한 오브젝트의 기계적 및 구조적 특성들 (플렉스 포인트, 강성 등) 을 고려한다.
설계 소프트웨어는 다음의 프로세스들을 진행시킨다:
- 인체 공학적 팩터들을 고려하면서 액추에이터들/ 센서들을 위치시킨다; 오브젝트의 외부 구조 (팔찌, 잡을 오브젝트 등), 사용자의 모폴로지 (크기, 형상 등), 자극 영역들, 민감도 (터치), 상대 및 절대 지각 임계값 등을 고려한다.
- 정신적 및 전기 기계적 팩터들을 고려하면서 액추에이터들/센서들을 사이징함;
- 기계적, 전기 기계적, 및 인체공학적 팩터들을 고려하면서 주요 기계적 구조체를 사이징하고 형상화한다; 열적 및 기계적 전달, 변형들/진동들의 강도, 구조적 통합성 등을 고려한다.
- 전기적 및 전자적 팩터들을 고려하면서 전자적 라우팅한다; 트랙/전극의 전도도, 트랙간 효과들, 전자적 트랙들의 라우팅 등을 고려한다.
예를 들어, 팔찌에 대한 진동 촉각 기능성을 부가하기 위하여, 소프트웨어는 손목에 대한 상대값 뿐만 아니라 최소 촉각 지각 임계값을 고려한다. 이 임계값에 따르면, 이는 진동하는 컴포넌트가 적용해야 하는 지각의 강도를 결정한다. 그 후, 소프트웨어는 예를 들어, AFC 또는 MFC 인 (도 1a 및 도 1b 에 도시된 전극들 사이에 위치된) 중앙 폴리머를 사이징하고, 그리고 필요한 압력을 생성하기 위하여 자극 전극들을 사이징한다. 그 후, 어셈블리는 사용자의 팔과 접촉하기 위하여 자동적으로 팔찌의 내부 표면에 위치된다. 스마트 오브젝트에 터치 압력 센서를 부가하기 위해, 소프트웨어는 압전 전도성 폴리머 (HDPE 또는 PMMA) 를 사용하여 오브젝트의 표면에 2D 패턴을 생성하기 위해 인가되는 힘들의 범위와 접촉 위치를 고려한다. 패턴의 변형은 인가된 힘이 측정되게 허용하는 컨덕터의 저항률에서의 변화를 유발한다.
이렇게 얻어진 3D 오브젝트의 모델은 특정 프린터로 보내져 최종 3D 오브젝트를 얻기 위해 이를 슬라이스들로 절단하고 층별로 폴리머들을 데포지션한다. 본 발명에 따르면, 특정 층들은 도 2 에서 보여질 수 있는 바와 같이, 다수의 폴리머들 (도핑된 영역 및 비도핑된 영역) 로 이루어지고, 개구 (aperture) 될 수도 있다 (표면이 완전하게 커버되지 않는다).
3D 프린팅은 융합 데포지션 모델링 (fused deposition modeling; FDM) 을 이용한다. 이 모델링 프로세스는 160-270 ℃ 의 온도에서 가열된 데포지션 헤드 (또는 노즐 또는 압출기) 를 통하여 폴리머 필라멘트를 공급하는 것에 의해 용융시키는 것으로 구성되는 것으로 상기된다. 그 직경이 10 분의 1 밀리미터 정도로 이루어지는 용융된 폴리머의 미소 스레드가 출력된다. 이 스레드는 라인들로 데포지션되고 미리 데포지션되었던 것을 재용융시키는 것에 의해 본딩된다.
전기 기계적 오브젝트들을 제조하기 위해 2 개의 융합 데포지션 전략들이 이용될 수도 있다.
제 1 데포지션 전략은 통상의 융합 데포지션 모델링 3D 프린터를 이용하는 것으로 구성되며, 이 프린터는 하나의 헤드만을 이용하지 않고 다수의 데포지션 헤드들 (또한, 압출 노즐들로 지칭됨) 을 가지며, 각각의 헤드는 상이한 폴리머의 데포지션에 전용된다. 최소한 2 개의 데포지션 헤드들이 전도성 재료와 절연성 재료를 데포지션하는데 요구된다. 이 구성은 기계적 구조와 패시브 컴포넌트들 (전도성 트랙, 내 압력성/접촉 센서 등) 을 제조하는 것을 가능하게 한다. 다른 데포지션 헤드의 부가는 액티브 트랜스듀서들, 이를 테면, 진동 촉각 액추에이터 또는 플렉스 액추에이터들의 제조를 위하여 전기 활성 폴리머를 데포지션하는 것을 가능하게 한다. 각각의 데포지션 헤드의 동작 온도는 데포지션된 폴리머의 녹는점에 의존한다. 따라서, 유사한 녹는점들을 갖는 폴리머들의 세트 (절연성, 전도성 및 전기 활성 폴리머들) 을 선택하는 것이 필수적이다.
제 2 데포지션 전략은 베이스 매트릭스 (즉, 유전성 베이스 폴리머) 를 이용하여 매트릭스를 데포지션 시 하전 입자들로 풍부하게 하는 것으로 구성된다. 주입된 입자들의 특성에 의존하여, 폴리머는 여러 전도성 또는 전기 기계적 특성들을 획득한다. 이 접근 방식은 도핑 프로세스의 보다 우수한 제어, 그리고 이에 따라 데포지션되는 재료의 전기적 (전도도/전기 저항율), 기계적 (강성/탄성), 열적 (전도도), 및 전기 기계적 (전기 기계적 커플링 계수 등) 특성들의 제어를 허용한다. 이 접근 방식의 이점은 동일한 베이스 폴리머를 이용하여 상이한 폴리머들 사이의 상이한 녹는점들과 화학적 혼화성의 문제를 회피하는 것을 가능하게 하는 전체 오브젝트를 제조한다는 것이다. 구체적으로, 베이스 폴리머의 기계적 특성들이 도펀트의 특성들에 대하여 지배적으로 유지된다.
이 목적으로 데포지션 헤드가 장착된 융합 데포지션 모델링 3D 프린터가 이용된다. 단일의 데포지션 헤드 (1) 는 도 2 에 도시된 바와 같이, 도핑 메카니즘 (2) 또는 입자들로 농축하기 위한 메카니즘에 커플링되는 것이면 충분하며, 이는 동일한 하나의 층에 대해 여러 폴리머들을 획득하기 위한 침입형 도핑이다. 이 메카니즘은 메인 데포지션 헤드의 가열 메카니즘 앞에 또는 뒤에 위치되는 입자 주입 헤드 (예를 들어, 압력을 이용함) 이다.
여러 유형들의 입자들을 주입하기 위해 개별적인 도핑 메카니즘들에 커플링된 다수의 도핑 헤드들을 이용하는 것이 가능하다.
이러한 식으로 제조될 수 있는 메카트로닉 오브젝트들 중에, 다음의 것: 강성의 또는 유연성있는 기계적 구조체들 (팔찌), 회로 기판들, 센서들, 이를 테면, 스트레인 게이지, 피부전기적 유도 센서, 열 프로브, 라우드스피커, 바이브레이터, 선형 액추에이터 와 같은 액추에이터들, 또는 저항기, 커패시터, 또는 인덕터와 같은 컴포넌트들이 유도될 수도 있다.
이 제조 방법은 하드웨어 및/또는 소프트웨어 엘리먼트들을 이용하여 특히 구현될 수도 있다. 이는 제조 방법의 단계들이 수행되는 것을 허용하는 코드 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 이용가능할 수도 있다. 이 프로그램은 컴퓨터에 의해 판독될 수 있는 매체 상에 기록된다. 이 매체는 전자적, 자기적, 광학적, 전자기적일 수도 있거나, 또는 적외선 유형의 중계 매체일 수도 있다. 이러한 매체의 예들은 반도체 메모리들 (랜덤 액세스 메모리 (RAM), 판독 전용 메모리 (ROM)), 테이프들, 플로피 디스크들 또는 자기 또는 광학 디스크들 (콤팩트 디스크 - 판독 전용 메모리 (CD-ROM), 콤팩트 디스크 - 판독/기록 (CD-R/W), 및 DVD) 이다.
본 발명이 특정 실시형태들과 연계하여 설명되어 있지만, 이 설명은 이에 제한하기 위한 방식이 아니며, 설명된 수단의 기술적 등가물들 전부 뿐만 아니라 본 발명의 범위 내에 드는 이들 등가물들의 모든 조합을 포함하고 있음이 명확하다.

Claims (6)

  1. 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법으로서,
    상기 오브젝트는 적어도 하나의 센서 및/또는 하나의 액추에이터, 전기 전도성 트랙들을 통하여 센서에 및/또는 액추에이터에 접속된 전자 회로를 컴포넌트들로서 포함하고, 이들 컴포넌트들은 주요 기계적 구조체에 위치되며, 상기 오브젝트는 상이한 전자적 및/또는 전기 활성 특성들을 갖는 다수의 폴리머들로 이루어지며,
    상기 방법은 하기의 단계들:
    - 상기 폴리머들을, 폴리머들의 녹는 온도, 폴리머들의 화학적 혼화성 (compatibility), 폴리머들의 전기 및/또는 전기 활성 특성들에 따라 결정하는 단계;
    - 상기 오브젝트의 미리 정해진 메카트로닉 기능들, 상기 폴리머들의 특성들 및 오브젝트의 사양들에 기초하여 상기 오브젝트의 형상 및 트랙들의 라우팅을 포함하는 상기 오브젝트의 3D 디지털 모델을 결정하는 단계;
    - 용융된 상기 폴리머들의 층들을 데포지션하는 것에 의해 생성된 모델에 따라 동일한 모델링 단계들에서, 상기 센서 및/또는 상기 액추에이터, 상기 전자 회로 및 상기 주요 기계적 구조체를 3D-프린팅하는 단계로서, 특정 층들은 복수의 폴리머들로 이루어지고, 상기 층들은 베이스 폴리머 (1) 에 전용되고, 여러 폴리머들을 획득하도록 침입형 도핑 (interstitial doping) 에 의해 상기 베이스 폴리머 내에 하전된 입자들을 주입가능한 도핑 메카니즘 (2) 에 커플링되는 적어도 하나의 헤드에 의해 데포지션되는, 상기 3D-프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    용융된 폴리머 층들은 복수의 데포지션 헤드들에 의해 데포지션되고, 각각의 헤드는 상이한 폴리머에 전용되는 것을 특징으로 하는 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 헤드는 유전성 폴리머에 전용되고, 적어도 하나의 다른 헤드는 전도성 폴리머에 전용되는 것을 특징으로 하는 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주요 기계적 구조체는 아티큘레이션들 (articulations) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아티큘레이션들은 제어되는 것을 특징으로 하는 미리 정해진 메카트로닉 기능들을 갖는 3D 메카트로닉 오브젝트를 제조하는 방법.
  6. 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    컴퓨터 프로그램은 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 방법의 단계들이 수행되게 허용하는 코드 명령들을 포함하고, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 상에서 실행되는, 컴퓨터 프로그램 제품.
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