KR20160126800A - 3d 프린터를 이용한 엘이디 조명 pcb 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법에 관한 것으로써, 개시된 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법은 엘이디칩 실장부와 회로라인부와 단자부를 갖는 엘이디 조명 PCB를 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법에 있어서, 절연성 수지계열의 프린트 원료를 이용하여 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 중 선택된 입체형상의 베이스층을 형성하는 베이스층 형성단계와, 상기 베이스층의 일면에 전도성 프린트 원료를 이용하여 회로층을 형성하는 회로층 형성단계와, 상기 회로층 위에 절연성 프린트 인쇄 원료를 이용하여 일정 두께의 인쇄층을 형성하는 인쇄층 형성단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우 PCB를 입체형상으로 다양하고 간단하게 제작할 수 있어, PCB의 제작성 향상은 물론 다양한 입체형상을 가지는 PCB를 이용하여 방열 효율성과 내구성 및 디자인의 완성도를 더욱 높여주는 엘이디 조명장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법{LED lighting PCB manufacturing method using the 3D printer}

본 발명은 3D 프린터를 이용하여 다양한 형상을 가질 수 있는 엘이디 조명 PCB를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 제 3차 산업혁명을 유발할 기술로 주목받는 분야는 3D 프린팅 기술이다. 3D 프린팅은 디지털 설계 도면과 3D 프린터만 있으면 누구나 전 세계 어디서든 필요한 제품 생산이 가능하여, 제조 공정의 획기적인 간소화를 통한 제조업 패러다임 변화의 핵심으로 주목받고 있다.

3D 프린팅 자체는 이미 1980 년대 말부터 생산현장에서 시제품 제작에 주로 이용되어 왔지만, 최근 소재 기술의 발달로 플라스틱 뿐만 아니라 유리, 금속으로까지 적용되면서 제작 범위가 다양해졌다. 수억 원대에 달했던 제품 가격이 수천만 원대로 하락하였으며 수백만 원대의 보급형 제품의 출시로 대중화가 눈앞에 있다.

개인의 요구가 다양화됨에 따라 기존의 표준화된 대량생산 공정으로는 생산하기 힘든 개인화된 제품들을 3D 프린터로 직접 제작할 수 있으며, 제조 산업에서는 제품 기획부터 시제품 구현까지의 시행착오가 획기적으로 단축되어 개발의 혁신이 가속화될 것으로 전망된다

3D 프린팅 기술은 사용하는 재료가 액체인지 고체인지 혹은 파우더인지, 또 이 재료를 가지고 어떤 방식으로 형상을 만드느냐에 따라 분류된다. 지금까지 약 20가지의 방식이 상용화된 것으로 알려졌지만 공통점은 '미분'과 '적분'의 원리에 따라 만들어지고 있으며, 3D 프린팅 과정은 크게 3단계로 나뉜다.

먼저 컴퓨터에서 3D 디자인 프로그램 등을 이용해 디자인한 후 이를 정해진 데이터 양식으로 저장하고, 3D 프린터는 이렇게 그려진 입체적인 디자인을 '미분'하듯이 얇은 가로 층으로 나눠 분석하고,이후 디자인 파일에 그려진 형태대로 재료를 바닥부터 꼭대기까지 차곡차곡 쌓아올리게 되면 입체 모형이 완성된다. 즉 하나의 모형을 한없이 잘게 썰어 가는 미분과, 이 잘게 썰어진 조각을 합쳐 원래의 모형으로 환원시키는 적분의 원리를 모두 사용하고 있는 셈이다.

가장 보편적인 3D 프린팅 방식으로는 FDM(수지압출법), SLA(광경화수지조형), DLP(디지털광학기술), SLS(파우더 기반 쾌속조형기술)가 알려져 있다.

FDM(수지압출법) 방식의 경우, 열에 녹는 고체 플라스틱과 같은 재료를 실타래처럼 뽑아 이것을 조금씩 녹여가며 쌓는 방식으로, 재료가 전후좌우 이동이 가능한 분사기에 삽입되면 분사기는 재료를 순간적으로 녹여 모형을 만드는 자리를 오가며 조금씩 재료를 분사해 형체를 만든다.

비용이 상대적으로 저렴하다는 장점과, 재료를 다양하게 투입할 수 있고 만들어진 모형의 내구성도 강한 편이지만 재료 분사기의 굵기 때문에 표면에 층이 확연히 드러나고 제작 속도도 오래 걸리며 정밀도가 아주 높지 않고, 완성된 제작물의 표면이 거칠기 때문에 표면을 다듬는 후처리 과정이 필요하다.

SLA(광경화수지조형) 방식은 빛에 반응하는 액체 형태의 광경화성 플라스틱이 들어있는 수조에 레이저를 쏘아 한 층씩 굳히는 방법으로, 조형판이 수조 안에서 아래로 내려가면서 조금씩 굳어진 재료가 쌓이게 되므로, 표면이 매끄럽고 복잡하거나 섬세한 형상을 만드는 데 적합하지만 재료 가격과 비용이 고가인 문제점이 있다.

DLP(디지털광학기술) 방식은 레이저나 강한 자외선에 반응하는 광경화 플라스틱을 판 위에 얇게 분사해 가며 결과물을 얻는 방식으로, 분사된 액체는 분사기 양 옆에 달려 있는 자외선 램프에 의해 즉시 굳게 되며 이렇게 굳은 층 위에 다시 원료를 분사해 가면서 쌓아올린다. 정밀도는 가장 높아 섬세한 표현까지 가능하지만 시간이 오래 걸리고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 정밀도와 표면마감, 제작속도는 DLP 방식이 유리하지만 재료 강도는 FDM 방식이 유리하다.

이와 같이 3D 프린터는 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘게 잘라 분석한 데이터를 만들고, 아주 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다.

한편, 엘이디 조명에 사용되는 PCB의 경우 에폭시 수지나 페놀 수지 등 절연 재료의 평평한 한 조각이며, 이 위에 엘이디 조명과 관련되는 부품을 부착하고, 서로 접속하여 회로를 형성한다.

그러나 종래의 PCB의 경우 평면의 형태가 주를 이루면서 그러한 PCB를 포함하는 엘이디 모듈의 형상 또한 PCB의 형상에 따라 제한을 받게 되면서 엘이디 조명의 내구조 및 외형의 한계가 생기게 되고, 이러한 한계는 엘이디 조명에 대한 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 어려운 문제점을 가지고 있다.

한국등록특허 10-1088715호(2011.11.25)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 3D 프린터를 이용하여 다양한 형상으로 엘이디 조명 PCB를 제작할 수 있도록 한 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한될 필요는 없으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

바람직한 일 실시 예에 따른 본 발명은 절연성 수지계열의 프린트 원료를 이용하여 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 중 선택된 입체형상의 베이스층을 형성하는 베이스층 형성단계와, 상기 베이스층의 일면에 전도성 프린트 원료를 이용하여 회로층을 형성하는 회로층 형성단계와, 상기 회로층 위에 절연성 프린트 인쇄 원료를 이용하여 일정 두께의 인쇄층을 형성하는 인쇄층 형성단계를 포함한다.

더 바람직하게 상기 회로층에는 엘이디칩 바닥면에 대응하여 접면되는 엘이디칩 실장부를 형성하고, 상기 베이스층에는 상기 엘이디칩 실장부와 상응하는 안착면이 구성되는 단계가 더 포함된다.

더 바람직하게 상기 베이스층과 상기 회로층에는 상기 회로층에 실장되는 리드프레임을 갖는 회로부품이 실장될 수 있도록 관통홀이 형성되는 단계가 더 포함된다.

더 바람직하게 상기 베이스층 저면이나 상기 회로층 상면 또는 상기 인쇄층 상면 중 어느 하나 이상에는 엘이디칩의 열을 방출하기 위한 열전도율이 높은 수지 또는 메탈 계열의 프린트 원료를 이용하여 방열층을 형성하는 단계가 더 포함된다.

더 바람직하게 상기 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 갖도록 구성된다.

더 바람직하게 상기 프린트 원료는 자연방치, 복사열, 자외선, 레이저조사 방식을 어느 하나를 이용하여 경화시키는 단계가 더 포함된다.

더욱 바람직하게 상기 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함된다.

더 바람직하게 상기 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 이용하여 구성된다.

더 바람직하게 상기 베이스층과 상기 인쇄층에는 엘이디칩과 인접하면서 상기 회로층이 단선되지 않도록 상기 회로층을 피하여 공기가 소통되기 위한 방열관통부가 구성된다.

본 발명은 절연성 수지계열을 프린트 원료를 이용하여 3D 프린터로써, 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 자유곡면형, 3/4구형과 같이 평면에서 벗어나는 다양한 형상의 PCB를 제작할 수 있어 이러한 PCB를 이용한 엘이디 조명장치의 구조 개선 및 다양화를 통해 방열 효율성과 내구성과 디자인의 미려함을 통해 제작성의 향성과 함께 소비자에 대한 다양한 욕구를 만족시킬 수 있는 엘이디 조명장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 이와 같이 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악한 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법을 단계별로 예시한 흐름도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 기재된 내용을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 기재된 내용의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 기재된 내용의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

우선, 본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법의 단계는 크게 입체형상의 베이스층을 형성하는 단계와, 그러한 베이스층에 회로층을 형성하는 단계와, 그러한 회로층에 인쇄층을 형성되는 단계를 포함하는 구성으로 구분될 수 있으며, 이하 각 구성요소에 대하여 예시된 도면을 통해 살펴보면 다음과 같다.

여기서 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 적용하여 사용할 수 있으며, 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 가질 수 있다.

먼저, 베이스층 형성단계(S100)는,

절연성 수지계열의 프린트 원료를 이용하여 입체형상의 베이스층을 형성하는 단계이다.

여기서, 절연성 수지계열의 프린트 원료는 예를 들면 FR4 가 될 수 있으며, 이러한 절연성 수지계열의 프린트 원료를 이용하여 3D 프린터의 노즐헤드가 3D 캐드나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너를 통해 입력된 데이타에 의해 움직이면서 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들게 된다.

베이스층의 입체형상은 어느 하나로 정해질 필요없이 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡형 등과 같이 다양한 형태로 제작될 수 있다.

베이스층은 단일 재질의 한층으로 구성될 수도 있지만 서로 다른 재질로 이루어진 다층으로 구성될 수도 있다.

베이스층은 프린트 원료 차체 또는 첨가되는 색소에 따라 다색으로 구성될 수 있다.

회로층 형성단계(S200)는,

전술한 베이스층의 일면에 전도성 프린트 원료를 이용하여 회로층을 형성하는 단계이다.

여기서, 전도성 프린트 원료는 전기가 통전되는 원료를 의미하며, 이는 이후 PCB에 실장되는 부품간의 전기적인 연결통로가 된다.

회로층은 전기적인 연결통로인 도체 회로가 전술한 베이스층의 한쪽면만 구성될 수 있으며, 베이스층의 양면에 구성될 수도 있고, 베이스층의 내부에도 구비되는 다층의 형태가 될 수도 있다.

회로층 또한 전도성 프린트 원료를 이용하여 3D 프린터의 노즐헤드가 3D 캐드나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너를 통해 입력된 데이타에 의해 움직이면서 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들게 된다.

인쇄층 형성단계(S300)는,

절술한 회로층에 절연성 프린트 인쇄 원료를 이용하여 일정 두께의 인쇄층을 형성하는 단계이다.

여기서, 절연성 프린트 인쇄 원료는 일 예로 PSR 이 될 수 있다.

인쇄층 또한 절연성 프린트 인쇄 원료를 이용하여 3D 프린터의 노즐헤드가 3D 캐드나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너를 통해 입력된 데이타에 의해 움직이면서 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들게 된다.

즉, 3D 프린터는 절연성 수지계열의 프린트 원료가 수용된 노즐헤드와, 전도성 프린트 원료가 수용된 노즐헤드와, 절연성 프린트 인쇄 원료가 수용된 노즐헤드를 포함하고 있으며, 이러한 각 노즐헤드들이 설정된 프로그램에 의해 이동되면서 제1단계 내지 제3단계에 따른 베이스층과 회로층과 인쇄층을 적층시켜 입체형태의 PCB를 만들어주게 된다.

한편, 엘이디칩은 회로층에 접면되어 설치되며, 이를 위하여 회로층에는 엘이디칩의 평면인 바닥면과 상응하여 완전하게 밀착 접면될 수 있도록 평면의 엘이디칩 실장부가 더 구비될 수 있으며, 회로층에 평면의 엘이디칩 실장부가 형성되는 경우 회로층의 아래쪽에서 접면되는 베이스층에도 엘이디칩 실장부에 상응하는 부위는 엘이디칩 실장부의 상응하는 평면으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 리드프레임을 가지는 회로부품의 실장을 위하여 베이스층과 회로층에는 서로 연통되는 관통홀이 형성될 수 있다.

아울러, 베이스층의 저면이나 엘이디칩 실장부를 포함하는 회로층의 상면 및 인쇄층의 상면에는 열전도율이 높은 수지 또는 메탈 계열의 프린트 원료를 이용하여 방열층을 하나 이상 더 형성할 수도 있다.

또한, 전술한 프린트 원료의 경우 경화의 방법에 있어서는 자연적으로 방치하여 경화시키거나, 복사열을 사용하여 경화시키거나, 자외선을 이용하여 경화시키거나, 레이저를 조사하여 경화시키는 방식 등이 이용될 수 있으며, 이러한 경우 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함될 수 있다.

아울러, PCB의 방열을 위한 실시 예로서 엘이디칩과 인접하여 베이스층과 인쇄층을 서로 관통하는 방열관통부가 더 형성될 수 있으며, 이때 방열관통부는 베이스층과 인쇄층을 관통하는 과정에서 회로층이 단락되지 않도록 구성됨이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관한 설명을 하였으나, 기재된 내용의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 기재된 내용의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

S100 : 베이스층 형성단계 S200 : 회로층 형성단계
S300 : 인쇄층 형성단계

Claims (9)

1. 엘이디 조명 PCB를 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법에 있어서,
   절연성 수지계열의 프린트 원료를 이용하여 2D곡면, 3D곡면, 구형, 비구형, 반구형, 3/4구형, 자유곡면형 중 선택된 입체형상의 베이스층을 형성하는 베이스층 형성단계;
   상기 베이스층의 일면에 전도성 프린트 원료를 이용하여 회로층을 형성하는 회로층 형성단계; 및
   상기 회로층 위에 절연성 프린트 인쇄 원료를 이용하여 일정 두께의 인쇄층을 형성하는 인쇄층 형성단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회로층에는 엘이디칩 바닥면에 대응하여 접면되는 엘이디칩 실장부를 형성하고, 상기 베이스층에는 상기 엘이디칩 실장부와 상응하는 안착면이 구성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스층과 상기 회로층에는 상기 회로층에 실장되는 리드프레임을 갖는 회로부품이 실장될 수 있도록 관통홀이 형성되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스층 저면이나 상기 회로층 상면 또는 상기 인쇄층 상면 중 어느 하나 이상에는 엘이디칩의 열을 방출하기 위한 열전도율이 높은 수지 또는 메탈 계열의 프린트 원료를 이용하여 방열층을 형성하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 3D 프린터의 노즐헤드는 3축 내지 5축 방향으로 프린트 원료를 공급하기 위한 관절링크를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
   상기 프린트 원료는 자연방치, 복사열, 자외선, 레이저조사 방식을 어느 하나를 이용하여 경화시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 프린트 원료에는 열 경화성 또는 자외선 경화성 성분이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서
   상기 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3dprinting), LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식 중 어느 하나를 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스층과 상기 인쇄층에는 엘이디칩과 인접하면서 상기 회로층이 단선되지 않도록 상기 회로층을 피하여 공기가 소통되기 위한 방열관통부가 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 엘이디 조명 PCB 제조방법.
   

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