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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 쾌속조형장치에 비해 간단하고 저비용의 Scanbeam-SLA에서 가시광선용 광경화 수지개선을 제안했다. 우선 기본수지를 정해 그에 유사한 비교수지로 다양한 실험을 통해 개선했으며 이를 Scanbeam-SLA에서 정밀제작 여부를 확인했다.
- 본 연구에서는 사전 연구의 ScanBeam-SLA에서 가시광선용 광개시제(Photoinitiator)와 단량체(Monomer) 등을 혼합하여 비율에 따른 수지의 경화특성 향상을 목적으로 둔다. 실험결과로 최적의 가공성을 가진 수지를 사용해 복잡한 구조물 제작하고 경화 정밀성을 검증한다.
- 본 연구에서의 기존수지와 비교수지의 수축률을 측정하기 위해 경화두께 실험과 동일 조건하에서 실시했다. 높이 방향의 일정한 수지 도포량을 위해 패턴 이미지와 동일한 크기로 1mm의 가림막을 제작하고 수지를 채워 194.
제안 방법
- ScanBeam-SLA에 사용될 수지 개선을 위해 Fig. 2과 같이 경화 실험이 가능한 경화 실험 기기를 제작했다.
- 기본수지와 비교수지에 따라 경화반응 속도를 확인하기 위하여 경화두께를 측정하였다.
- 기존의 쾌속조형장비를 저가형으로 개발하기 위한 사전 연구로 SLA(Stereo Lithography Apparatus)기반의 고가부품을 저가부품으로 대체하고 큰 작업영역과 간단한 시스템을 갖춘 ScanBeam-SLA을 구현했다.5 ScanBeam-SLA는 정밀한 광 패턴을 생성시킬 수 있는 고가의 DMD를 광 패턴 영역이큰 LCD로 대체했다.
- 본 연구에서의 기존수지와 비교수지의 수축률을 측정하기 위해 경화두께 실험과 동일 조건하에서 실시했다. 높이 방향의 일정한 수지 도포량을 위해 패턴 이미지와 동일한 크기로 1mm의 가림막을 제작하고 수지를 채워 194.4 mJ/cm2의 광 조사 에너지로 경화한 뒤 가로, 세로, 높이를 마이크로 스코프로 측정했다. 식(2)는 수축률을 구하기 위한 식으로 전체 도포된 수지면적(A)에 경화된 면적(a)를 나눈 값으로 산출된다.
- 다관능 단량체를 합성한 기본수지와 희석제 역할의 1관능 단량체를 첨가한 비교군 수지의 경화 강성을 실험하기 위해 인장시험을 실시했다. 인장 시편은 ASTM D638에 따라 Fig 3와 같은 시편 몰드를 제작했다.
- 수지 점성으로 인한 문제를 알아보기 위해 기본수지와 비교수지의 점성 실험과 적층 후 잔류 수지의 제거를 비교했다.
- 본 연구에서는 사전 연구의 ScanBeam-SLA에서 가시광선용 광개시제(Photoinitiator)와 단량체(Monomer) 등을 혼합하여 비율에 따른 수지의 경화특성 향상을 목적으로 둔다. 실험결과로 최적의 가공성을 가진 수지를 사용해 복잡한 구조물 제작하고 경화 정밀성을 검증한다.
- 실험방법은 Fig. 2의 경화 실험 기기로 10mm의 정사각형 단면이미지를 LCD에 패턴 시킨 뒤 LED 와의 간격을 정밀스테이지로 30mm두고 조사에너지에 따라 실시했다. 이때 LCD에 투과되는 광에너지는 약19.
- 패턴 생성부는 3차원 STL 파일의 모델을 슬라이싱 한 단면 이미지로 패터닝 시키기 위해 LCD가 장착되고 LCD를 고정하는 고정부가 수지 저장소를 담당한다. 여기서 LCD 표면과 수지 사이에 FEP(Fluorinated ethylenepropylene)을 부착해 수지이탈과 경화 시 발열과 적층 시 이형문제로의 LCD 파손에 영향을 주지 않도록 했다.
- 본 연구에서는 기존의 쾌속조형장치에 비해 간단하고 저비용의 Scanbeam-SLA에서 가시광선용 광경화 수지개선을 제안했다. 우선 기본수지를 정해 그에 유사한 비교수지로 다양한 실험을 통해 개선했으며 이를 Scanbeam-SLA에서 정밀제작 여부를 확인했다. 이러한 결과로 다음과 같이 결론을 내릴 수 있다.
- 또한 TMPTA와 DPHA의 기능성 경화특성을 지니고 있어 상대적으로 낮은 점성의 TMPTA만 사용하기엔 무리가 따른다. 이러한 이유로 기본수지의 점성을 임의로 400첸 이하로 정하고 TMPTA 와 DPHA를 1:1~9:1(wt.%)까지 배합해 점성을 확인했다. 그 결과 배합비가 7:3(wt.
- 몰드 내 수지의 경화를 위해 가시광선 LED로부터 30cm 거리에서 완전경화 후 IPA로 세척했다. 이후 50Kg의 최대 부하와 전용 측정 프로그램을 가진 만능시험기 (BMSTP-50P)에서 인장실험을 실시했다.
- 일정 배합비로 기본 수지의 혼합 후 광 개시제인 Chivacure534SS를 기본 수지의 2(wt.%)로 혼합하고 암실에서 자석 교반기(Magnetic Stirrer)로 3시간 동안 혼합하였다.5 이러한 기본수지를 T7D3로 명하고 이와 경화특성을 비교하기 위한 비교수지로 Table 1의기능성 희석제를 Table 2와 같이 혼합해 합성했다.
- 점성실험 결과 Table 3과 같이 비교수지가 기본 수지에 비해 약 200cps로 100첸 이상 줄어듦을 확인했다. 잔류 수지 제거의 문제를 확인하기 위해 경화 실험 기기에서 임의의 형상으로 적층 시켜 잔류수지를 IPA(Isopropyl alcohol)로 제거했다.
대상 데이터
- ScanBeam-SLA에서 450nm의 가시광선 LED를 사용함으로써 그에 적합한 광개시제와 단량체를 Table 1과 같이 선정했다.
- 광개시제는 가시광선 LED의 450nm 파장에 광경화가 가능한 Chivacure534SS(Chitec Co., Taiwan)를 사용했다.8
- DMD에서 LCD의 대체는 광 패턴 영역이 커짐에 따라 큰 작업공간의 확보가 용이하며 간단한 시스템으로 구현 가능한 장점을 가진다. 광원은 기존의 자외선 영역대의 램프를 대신해 높은 수명의 가시광선 LED를 사용했다.5가시광선의 LED는 인체에 무해하고 높은 광 에너지를 가지며 LCD에서 높은 광 투과율과 열화에 강한 장점을 지닌다.
- 단량체는 총 6개로 경화특성에 따라 TMPTA(Trimethglolpropane Triacrylate), DPHA(Dipentaerythritol hexaacrylate), IBOA(Isodecyl Acrylate), LA(Lauryl Acrylate), IDA(Isodecyl Acrylate), 2-Phenoxy Ethyl Acrylate(PHEA)를 미원스페셜티케미컬에 공급받아 사용했다. TMPTA는 3관능 단량체로 높은 경화속도와 표면경도가 양호하며 DPHA는 6관능단량체로 경화 시 적은 수축율을 지닌다.
- 우선 기본수지를 선정하기 위해 낮은 수축율과 경화반응이 높은 TMPTA와 DPHA를 선정했다. 하지만 ScanBeam-SLA 에서 3차원 구조물의 적층 시 수지 점성이 낮을수록 적층속도 및 정밀도에 유리 하다.
- 하지만둘 다 높은 점성으로 수지 리코팅이 용이하지 않다. 이를 위해 단량체이면서 비 휘발성 희석제로 사용되는 1관능 단량체인 IBOA, LA, IDA, PHEA 를 선정했다.
- 다관능 단량체를 합성한 기본수지와 희석제 역할의 1관능 단량체를 첨가한 비교군 수지의 경화 강성을 실험하기 위해 인장시험을 실시했다. 인장 시편은 ASTM D638에 따라 Fig 3와 같은 시편 몰드를 제작했다.
이론/모형
- Table 2에 나열한 수지에 대한 Ec를 구하기 위해 Beer-Lambert 수식을 사용했다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 사전 연구된 전사 방식의 ScanBeam-SLA를 기반으로 진행된다.
성능/효과
- 6(b)와 같이 T7D3의 수지로 제작했을 시 형상 내부에 미세한 뫼비우스(Möbius) 띠 형태가 높은 점성과 수축으로 인해 제작되지 않았다. 반면에 (c)의 T7D3P10의 경우 뫼비우스 띠 형태의 미세 구조물이 정밀하게 제작됨을 확인했다. 이러한 실험 결과로 기본수지보다 T7D3P10가 Scanbeam-SLA에서 향상된 수지로 볼 수 있다.
- 그 결과 기본수지와 비교수지들의 강성과는 큰 영향을 없음을 확인했다. 이러한 결과로 희석역할의 기능성 단량체와 기본수지의 적절한 혼합비로 강성과 수지점성을 조율할 수 있음을 나타낸다.
- 그 결과 두 수지의 경화력은 매우 좋은 반면에 기본 수지의 경우 높은 점성의 잔류 수지 점착으로 비교수지에 비해 세척이 용이하지 않음을 확인했다.
- 두번째, 기능성 희석 단량체를 혼합비에 따라 최종물성에 영향을 미치므로 적절한 선택이 요구된다. 여러 혼합비를 분석한 결과 기본수지인 T7D3의 경우 점성과 인장응력, 탄성계수, 수축률이 각각 351.
- Scanbeam-SLA에서 가시광선용 수지의 향상을 위해 기본수지와 비교수지의 비교실험을 다양하게 실시했다. 비교수지 중 T7D3P10는 기본수지에 비해 점성은 1/2배, 인장강도는 약 2배 수준으로 향상됨을 확인했다. Ec 의 경우 기본수지보다 미세하게 높으나 타 비교수지보다 낮아 기본수지보다 개선된 수지라 볼 수 있다.
- 두번째, 기능성 희석 단량체를 혼합비에 따라 최종물성에 영향을 미치므로 적절한 선택이 요구된다. 여러 혼합비를 분석한 결과 기본수지인 T7D3의 경우 점성과 인장응력, 탄성계수, 수축률이 각각 351.1cps, 17.43MPa, 7.05MPa, 1.245%인 반면 T7D3P10의 경우 174cps, 23.4MPa, 8.63MPa, 0.516%으로써 기본수지에 비해 낮은 점성과 수축률, 높은 물성을 가짐을 확인했다.
- 그 결과 기본수지와 비교수지들의 강성과는 큰 영향을 없음을 확인했다. 이러한 결과로 희석역할의 기능성 단량체와 기본수지의 적절한 혼합비로 강성과 수지점성을 조율할 수 있음을 나타낸다.
- 반면에 (c)의 T7D3P10의 경우 뫼비우스 띠 형태의 미세 구조물이 정밀하게 제작됨을 확인했다. 이러한 실험 결과로 기본수지보다 T7D3P10가 Scanbeam-SLA에서 향상된 수지로 볼 수 있다.
- 첫번째, 다 관능성 단량체를 사용하면 반응성과 기타 물성은 좋으나, 높은 점성으로 적층 시 구조물 제작의 오류가 발생된다. 이를 해결하기 위해 기능성 희석 단량체를 혼합해 해결했다.
후속연구
- 향후 연구과제는 기본수지의 물성을 바탕으로 투명한 색의 수지와 기능성이 추가된 수지 등의 다양한 종류의 수지를 개발 하여 구조물에 적용시켜 다방면으로 활용이 되도록 연구가 이루어져야 한다.
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