KR101732122B1

KR101732122B1 - 유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법

Info

Publication number: KR101732122B1
Application number: KR1020150060091A
Authority: KR
Inventors: 이준석
Original assignee: 이준석
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2017-05-02
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: KR20150143293A

Abstract

본 발명은 유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 3D 프린팅을 이용하여 유기물 구조체를 형성하되, 유기물을 포함한 재료의 적층 과정에서 재료가 냉각되어 정확한 형상의 유기물 구조체 형성이 가능한 유기물 구조체 형성 장치 및 그를 통한 유기물 구조체 형성 방법에 관한 것이다.

Description

유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법{ORGANIC MATTER PREPARING APPARATUS AND METHOD FOR ORGANIC MATTER PREPARING}

본 발명은 유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 3D 프린팅을 이용하여 유기물 구조체를 형성하되, 유기물을 포함한 재료의 적층 과정에서 재료가 동결되어 정확한 형상의 유기물 구조체 형성이 가능한 유기물 구조체 형성 장치 및 그를 통한 유기물 구조체 형성 방법에 관한 것이다.

의학의 발전에 따라서 다양한 형태의 수술 및 시술 등이 행해지고 발전되어 왔다. 특히, 사고 또는 각종 적출 수술 등으로 손상된 신체 부위를 대체하거나 또는 각종 역할 등의 수행을 위해 소정의 기구를 인체에 삽입하는 이식 수술은 다양한 분야에서 행해지고 있다. 일 예로, 인체 내 장기를 대체하는 대체 장기에서 치아를 구성하는 인공 치아에 이르기까지 다양한 분야에서 이식 수술이 이루어지고 있다.

이러한 이식 수술에는 인체에 삽입되거나 부착되는 유기체가 다양하게 활용된다. 이러한 유기체는 소정의 공정을 통해 제조되어 수술에 활용되며, 기능 발휘를 위해 적절한 크기, 형상 등을 가질 필요가 있다.

한편, 최근에는 원하는 형태의 구조물을 소정의 장치 및 시스템을 사용하여 잉크젯 프린팅 함으로서 구성하는 3D 프린팅 기술이 개발되어 사용되고 있다. 따라서, 이러한 3D 프린팅 기술을 유기물 구조체의 형성에 접목시키는 것은 기술적으로 큰 성과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 그러나, 유기물의 경우 수분을 포함하며, 불규칙적이고 다양한 형상을 가져서 일반적인 3D 프린팅 기술을 유기물 구조체 형성에 그대로 적용하기에는 무리가 있다.

등록특허 10-2012-0128171

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 3D 프린팅을 이용하여 유기물 구조체를 형성하되, 유기물의 적층 과정에서 유기물이 동결되어 정확한 형상의 유기물 구조체 형성이 가능한 유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치는, 3D 프린팅을 이용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 장치로서, 유기물을 포함하는 재료의 토출을 수행하는 토출 장치; 상기 재료의 적층 및 유기물 구조체의 형성이 이루어지는 베이스; 상기 베이스가 내부에 배치되는 챔버; 상기 챔버 내에 충진되어 상기 베이스 및 상기 베이스 상에 적층된 재료가 잠기도록 하는 냉매; 상기 토출 장치 및 베이스의 이동을 수행하는 구동 장치;를 포함하며, 상기 토출 장치는, 상기 재료가 토출되도록 하는 노즐을 포함하고, 상기 재료는 유기물과 수분을 포함하고, 상기 챔버 내의 냉매는, 상기 적층된 재료를 동결시켜서 상기 재료가 동결 적층되어 소정의 형상을 유지하는 유기물 구조체가 형성되도록 하며, 상기 구동 장치는, 상기 재료의 적층에 의해 형성된 유기물 동결 구조체의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 상기 베이스를 상기 챔버 내에서 이동시켜서 상기 유기물 동결 구조체가 상기 냉매 내에 잠겨지도록 한다.

바람직하게는, 상기 구동 장치는, 상기 토출 장치를 수평 방향으로 이동시키며, 상기 베이스를 수직 방향으로 이동시킨다.

바람직하게는, 상기 베이스는, 상기 재료의 적층에 따라서 이동하여 상기 유기물 구조체의 상단이 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 노즐의 상기 토출구는 상기 냉매의 수면과 근접하되 소정 거리로 상기 냉매의 수면과 이격되게 위치한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치는, 3D 프린팅을 이용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 장치로서, 유기물을 포함하는 재료의 토출을 수행하는 토출 장치; 상기 재료의 적층 및 유기물 구조체의 형성이 이루어지는 베이스; 상기 베이스가 내부에 배치되는 챔버; 상기 챔버 내에 충진되어 상기 베이스 및 상기 베이스 상에 적층된 재료가 잠기도록 하는 냉매; 상기 토출 장치 및 챔버의 이동을 수행하는 구동 장치; 및 상기 챔버 내에 소정의 냉매를 공급하는 냉매 공급 장치;를 포함하며, 상기 토출 장치는, 상기 재료가 토출되도록 하는 노즐을 포함하고, 상기 재료 내에는, 유기물 및 수분이 포함되고, 상기 챔버 내의 냉매는, 상기 베이스 상에 적층된 재료 내의 수분을 얼려 상기 재료가 동결, 적층되어 소정의 형상을 유지하는 유기물 구조체가 형성되도록 하며, 상기 냉매 공급 장치는, 상기 냉매의 수면의 위치가 상기 재료의 적층에 의해서 형성된 유기물 동결 구조체의 상단보다 높은 위치를 갖도록 상기 냉매를 공급하여 상기 유기물 동결 구조체가 상기 냉매 내에 잠겨지도록 한다.

바람직하게는, 상기 구동 장치는, 상기 토출 장치를 수평 방향으로 이동시키며, 상기 챔버를 수직 방향으로 이동시키는 구성을 갖는다.

바람직하게는, 상기 챔버는, 상기 냉매의 충진에 따라서 이동하여 상기 냉매의 수면 및 상기 베이스에 적층된 상기 유기물 구조체의 상단이 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 노즐의 상기 토출구는 상기 냉매의 수면과 근접한 소정 거리 이격되게 위치한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 유기물 구조체 형성 방법은, 3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법으로서, (a) 베이스가 배치된 챔버 내에 소정의 냉매를 공급하여 상기 베이스가 냉매 내에 잠기고 상기 냉매가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계; (b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; (c) 상기 베이스를 구동장치에 의해 수직방향으로 이동시키는 단계; (d) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 적층되어 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계의 베이스의 수직방향 이동은, 상기 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 이루어진다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계의 베이스의 수직방향 이동 거리는, 상기 (d) 단계에서 적층되는 재료의 두께와 같다.

바람직하게는, 상기 노즐의 토출구는 상기 냉매의 수면 상에 위치하되 상기 냉매의 수면과 근접하며 상기 냉매의 수면과 소정 거리 이격된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 유기물 구조체 형성 방법은, 3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법으로서, (a) 베이스가 배치된 챔버 내에 소정의 냉매를 공급하여 상기 베이스가 상기 냉매 내에 잠기고 상기 냉매가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계; (b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; (c) 상기 챔버를 구동장치에 의해 수직방향으로 이동시키는 단계; (d) 상기 냉매를 추가적으로 공급하여 상기 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 하는 단계; (e) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; 를 포함한다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계에서 챔버의 수직방향 이동 거리는, 상기 (e) 단계에서 적층되는 재료의 두께와 같다.

바람직하게는, 상기 (d) 단계에서 상기 냉매의 추가적인 공급에 의한 상기 냉매의 깊이 변화량은, 상기 (e) 단계에서 적층되는 재료의 두께와 같다.

바람직하게는, 상기 동결 유기물 구조체의 동결 건조 과정이 수행되는 단계;를 더 포함하여, 상기 동결 유기물 구조체의 수분을 제거하여 고형화 시킨다.

본 발명에 따른 유기물 구조체 형성 장치는, 냉매가 챔버 내에 담겨져 재료의 적층 과정에서 동결이 수행되면서 유기물 구조체가 형성되도록 함으로써, 유기물이 적층된 위치와 형태를 유지하도록 하여 유기물 구조체의 형성이 용이하게 이루어질 수 있다.

아울러, 상기 냉매는, 상기 재료가 적층되어 형성된 유기물 동결 구조체의 끝단 이상의 수위를 갖도록 충진되어 유기물 동결 구조체의 변질, 오염 등이 방지되며 순도 높고 완성도가 높은 유기물 구조체가 형성될 수 있다.

또한, 상기 냉매의 수면과 상기 토출 장치의 노즐, 상기 유기물 동결 구조체의 상단은 서로 인접하여 정밀한 형상의 유기물 구조체가 형성될 수 있다.

도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치의 구조 및 동작을 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치의 구조 및 동작을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치(1)의 구조를 도시한 도면이고, 도 2 내지 3 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치(1)의 동작을 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치(1)는, 3D 프린팅을 이용하여 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 장치(1)로서, 토출 장치(100); 베이스(200); 챔버(300); 구동 장치(500);를 포함하며, 상기 챔버(300) 내에는 소정의 냉매(400)가 충진된다.

토출 장치(100)는 유기물을 포함하는 재료의 토출을 수행하도록 구비된다. 이에 따라서, 토출 장치(100)는 상기 재료가 충진되는 소정의 충진부(110) 및 소정의 토출구(122)를 갖는 소정의 노즐(120)을 포함할 수 있다. 상기 노즐(120)은 상기 재료를 소정의 압력으로 토출할 수 있고, 토출압 및 토출구(122)의 크기 등은 한정하지 않는다. 한편, 상기 재료는 유기물을 포함하며, 상기 재료에 포함되는 물질에는, 일 예로 소정의 단백질, 생물학적 요소를 포함하는 ECM 등이 있을 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 재료는 수분을 포함할 수 있다.

상기 베이스(200)는 상기 토출된 재료가 적층되도록 마련된다. 이에 따라서 상기 베이스(200) 상에는 소정의 유기물 구조체가 형성되게 된다. 상기 베이스(200)는 상기 재료에 의해서 구성되는 유기물 구조체의 형성을 위한 소정의 기저부로서, 완성된 유기물 구조체로부터 이탈되어 제거될 수도 있으나, 이에 한정하지 아니하며, 완성된 유기물 구조체의 베이스를 형성할 수도 있다. 아울러, 베이스(200)의 재질은 유기물 구조체의 형성을 위해 적절한 재질을 가질 수 있고, 그 종류는 한정하지 아니한다.

상기 챔버(300)는 소정의 공간을 가져서, 내부에 상기 베이스(200)가 놓이도록 마련된다. 이에 따라서, 유기물 구조체의 형성은 상기 챔버(300) 내에서 이루어지게 된다. 상기 챔버(300)는, 바람직하게는 외부의 환경에 대해 내부의 공정 및 유기물 구조체의 형성이 영향받지 않도록 외부의 열, 공기 유동 등을 차단하는 구조를 가질 수 있다.

상기 챔버(300) 내에는 냉매(400)가 충진된다. 상기 냉매(400) 내에 상기 베이스(200) 및 상기 베이스(200) 상에 적층된 재료가 잠기며, 따라서 상기 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통해 토출되어 적층된 재료가 동결 되도록 한다. 냉매(400)의 재료는 한정하지 아니하며, 상기 유기물을 포함하는 재료의 동결을 수행할 수 있는 냉매(400)면 어느 것이든 적용될 수 있다. 한편, 일 예에 따르면 상기 재료에는 유기물 및 수분이 포함되며, 상기 챔버(300) 내의 냉매(400)는, 상기 재료 내의 수분을 냉각시켜 동결되도록 하여, 상기 베이스(200) 상에서 소정의 형상을 유지하는 유기물 구조체가 형성되도록 할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 재료의 동결이라 함은 재료 내에 포함된 수분의 동결을 뜻하는 것으로 이해될 수도 있다.

상기 냉매(400)는, 상기 재료가 적층되어 형성된 유기물 동결 구조체의 상단 이상의 수위를 갖도록 충진된다. 즉, 상기 냉매(400)의 수위는 상기 재료의 적층에 의해 형성된 유기물 동결 구조체보다 높다. 따라서, 상기 유기물 동결 구조체가 전체적으로 냉매(400)에 잠겨지도록 충진되어, 상기 유기물 동결 구조체와 외부 환경의 접촉을 차단한다. 이에 의해서, 유기물 동결 구조체의 변질, 오염 등이 방지되며 순도 높고 완성도가 높은 유기물 구조체가 형성될 수 있다. 또한, 적층된 재료 및 유기물 구조체의 전체적인 냉각 및 동결이 효과적으로 달성되어 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체가 용이하게 형성될 수 있다.

한편, 바람직하게는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 냉매(400)의 수면과 상기 노즐(120)의 토출구(122)의 위치는 서로 근접하되 소정 거리 이격될 수 있다. 즉, 상기 노즐(120)은 상기 냉매(400) 내에 잠기지 않게 위치할 수 있다. 따라서 냉매(400)에 의해 노즐(120) 내의 재료가 동결되어 노즐(120)이 막히는 것이 방지될 수 있다.

상기 구동 장치(500)는 모터 등을 포함할 수 있으며, 상기 토출 장치(100), 및 베이스(200)의 이동을 수행할 수 있도록 마련된다. 여기서 토출 장치(100)의 이동은 토출 장치(100) 전체의 위치 이동 외에 상기 노즐(120) 등 일 부분의 위치 이동을 포함하는 개념이다. 한편, 상기 구동 장치(500)의 동작의 제어를 위해 소정의 제어부 및 상기 제어부에 신호를 입력하는 소정의 입력부 등이 더 구비될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.

한편, 상기 구동 장치(500)는, 상기 토출 장치(100)를 수평 방향으로 이동시키고, 상기 베이스(200), 및 챔버(300)를 상기 수평 방향에 대해 수직인 수직 방향으로 이동시키게 구성될 수 있다.

즉, 예컨대 상기 토출 장치(100)가 소정의 평면 상에서 이동하면, 상기 베이스(200)는 상기 토출 장치(100)가 이동하는 평면에 대해 법선을 형성하는 수직 방향으로 이동할 수 있다. 이때, 상기 토출 장치(100)의 이동이 X-Y 평면 상에서 이루어진다고 볼 때, 상기 베이스(200)의 이동은 상기 X-Y 평면에 대해 수직인 Z 축 상에서 이루어진다고 할 수 있다. 물론, 이러한 X, Y, Z 축은 직교 좌표계를 형성하는 3 개의 축이며, 그 명칭은 배향 등에 따라서 달라질 수 있다. 한편, 상기 베이스(200)가 형성하는 평면은 상기 X-Y 축이 형성하는 평면과 평행할 수 있다. 상기 토출 장치(100), 베이스(200), 및 챔버(300)의 이동은 상기 구동 장치(500)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 구동 장치(500)는 하나 또는 그 이상일 수 있으며 하나의 구동 장치(500)가 상기 상기 토출 장치(100), 베이스(200), 및 챔버(300)의 이동을 모두 수행하거나, 또는 각각의 구동 장치(500)가 상기 토출 장치(100), 베이스(200), 및 챔버(300)의 이동을 각각 수행할 수도 있다.

상기와 같이 토출 장치(100), 베이스(200) 및 챔버(300)가 이동함에 따라서, 재료의 토출이 베이스(200) 상의 특정 위치에 이루어질 수 있다. 즉, 베이스(200)가 형성하는 평면과 토출 장치(100)의 이동 방향이 평행하므로, 상기 토출 장치(100)는 상기 베이스(200) 상의 임의의 위치로 이동하여 상기 재료를 토출할 수 있다. 이에 따라서, 원하는 형태의 3 차원 입체 형상을 갖는 유기물 구조체가 베이스(200) 형성될 수 있다.

이하에서는 상기 구동 장치(500)에 의한 상기 베이스(200)의 동작에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

상기 토출 장치(100)에 의해서 재료가 토출되어 상기 베이스(200) 상에 적층되며, 이에 따라서 유기물 동결 구조체가 형성된다. 이때, 재료의 적층에 의해서 재료가 점차 높이 쌓여 상기 유기물 동결 구조체가 높아지면, 상기 베이스(200)가 이동하게 된다. 이때, 베이스(200)의 이동은 상기 유기물 동결 구조체가 냉매(400) 내에 전체적으로 잠겨져 위치하도록 하며 유기물 동결 구조체의 상단이 냉매(400)의 수면과 인접하게 위치하는 것을 유지하도록 하는 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3 의 화살표 A 와 같이, 상기 베이스(200)가 하강하는 형태로 이동하게 된다. 일 예로, 냉매(400)가 소정의 수위를 유지하는 상태에서, 상기 유기물 동결 구조체의 형성에 따라서 상기 베이스(200)가 차츰 하강함으로써, 상기 재료가 쌓여 유기물 동결 구조체의 높이가 높아짐에도 불구하고 상기 유기물 동결 구조체가 전체적으로 냉매(400) 내에 위치하며, 유기물 동결 구조체의 상단은 냉매(400)의 수면과 인접한 위치를 유지할 수 있게 된다.

이때, 상기 베이스(200)의 하강 속도, 하강 범위는 상기 유기물 동결 구조체의 적층 높이 및 속도와 대응하여 이루어질 수 있다. 즉, 재료의 토출에 의해서 유기물 동결 구조체가 추가적으로 높아지는 높이와 상기 베이스(200)의 이동에 의한 상기 베이스(200)의 하강 거리는 서로 대응될 수 있다. 여기서, 대응이라 함은 반드시 일치하는 경우에 한정하지 아니하며 비교적 유사한 범위를 포함한다. 구체적으로는 베이스(200)가 하강하는 속도와 변위는 상기 유기물 구조체가 적층되어 두꺼워지는 속도와 변위에 서로 대응될 수 있다.

이에 따라서 유기물 동결 구조체가 상기 냉매(400) 내에 위치하되 유기물 동결 구조체의 상단이 상기 냉매(400)의 수면(T)에 비해 과도하게 아래에 위치하지 않고 수면(T) 근방에 상기 유기물 동결 구조체의 상단이 위치하며, 상기 위치에 재료가 공급될 수 있다.

만약, 유기물 구조체가 냉매(400) 내에 깊은 위치에 형성될 경우, 재료가 냉매에 의해 방해를 받아 정확한 위치에 적층되지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라서, 재료의 적층이 이루어지는 유기물 동결 구조체의 상단이 냉매(400)의 수면(T) 아래쪽 근방에 위치하고 노즐(120)은 수면(T)의 윗쪽 근방에 위치한다. 따라서, 냉매(400)에 의해 재료가 분산되거나 퍼지는 것과 같은 현상이 방지되며 정확한 위치에 재료의 적층이 이루어질 수 있다. 따라서 정밀한 형상을 갖는 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 구조체 형성 장치(1)는, 적층된 재료가 냉매(400)에 의해서 동결됨으로써, 유기물 구조체 형성이 용이하게 이루어진다. 즉, 액상의 재료를 토출하되, 동결된 고체 형태로 적층됨으로써 적층된 유기물이 위치와 형태를 유지하도록 하여 소정의 형상을 갖는 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체의 형성이 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 상기 설명한 바와 같이, 재료의 적층이 이루어지는 유기물 동결 구조체의 상단이 냉매(400)의 수면(T) 아래쪽 근방에 위치하고 노즐(120)은 수면(T)의 윗쪽 근방에 위치하여, 정확한 위치에 재료의 적층이 이루어질 수 있다. 따라서 정밀한 형상을 갖는 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체가 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법은 상기 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치를 사용하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법은, 3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법으로서, (a) 베이스(200)가 배치된 챔버(300) 내에 냉매(400)를 공급하여 상기 베이스(200)가 냉매(400) 내에 잠기고 냉매(400)가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계; (b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통하여 냉매(400)에 투입하면서 상기 노즐(120)을 수평 이동시켜서 상기 냉매(400)에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스(200) 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; (c) 상기 베이스(200)를 구동 장치(500)에 의해 수직방향으로 이동시키는 단계; (d) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통하여 냉매(400)에 투입하면서 상기 노즐(120)을 수평 이동시켜서 상기 냉매(400)에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;를 포함한다.

즉, 상기 설명한 바와 같이, 베이스(200) 상에 소정의 재료를 토출하고, 토출된 재료가 상기 챔버(300)내의 냉매(400)를 통해 동결되어 상기 베이스(200) 상에 적층되며, 상기 구동 장치(500)를 통해 상기 토출 장치(100) 및 상기 베이스(200)의 이동이 이루어질 수 있다.

(b) 단계에서는 베이스(200) 상에 재료를 적층시키되, (b) 단계에서 적층된 재료가 소정의 제1 목표 형상을 이루도록 한다. 제1 목표 형상이란 (b) 단계 내에서 상기 베이스(200)상에 적층시켜서 형성하고자 목표하는 재료의 목표 형상을 의미한다. 이를 위해서, 상기 구동 장치(500)는 상기 토출 장치(100)를 수평방향으로 이동시킨다.

이어서, (c) 단계와 같이 베이스(200)를 이동시키고, (d) 단계와 같이 재료를 재차 적층시킨다. (d) 단계에서 재료의 적층은 상기 (b) 단계에서 적층된 재료 상에 이루어짐은 자명하다. 아울러, (d) 단계에서 적층된 재료는 소정의 제2 목표 형상을 이루도록 한다. 제2 목표 형상이란 (d) 단계 내에서 적층시켜서 형성하고자 목표하는 재료의 목표 형상을 의미한다.

따라서, 수직방향으로 동일한 높이에서 제1 목표 형상을 갖고 적층이 이루어지도록 한 후, 상기 베이스(200)를 수직방향으로 이동시키고, 이어서 상기 적층된 재료 상에 제2 목표 형상을 갖고 새로이 재료가 적층되도록 한다. 이에 따라서, 재료가 순차적으로 층층이 적층되며, 이러한 과정을 반복함으로써 최종적으로 목적하는 소정의 형상을 갖는 3차원 형상의 유기물 구조체가 형성되도록 할 수 있다.

한편, 상기 구동 장치(500)를 통해 상기 토출 장치(100) 및 상기 베이스(200)를 이동시키는 단계는 상기 설명한 바와 같다. 즉, 먼저 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통하여 냉매(400)에 투입하여 동결시킴과 동시에 베이스(200)에 대한 적층이 이루어지도록 하면서 수평이동을 한다. 따라서 베이스(200) 상에 적층된 재료가 소정의 목적 형상을 갖도록 한다. 목적하는 형상으로 적층이 완료되면 상기 베이스(200)를 구동장치(500)에 의해 수직방향으로 이동시킨다. 이때, (c) 단계에서 이루어지는 베이스(200)의 수직방향 이동 거리는 (c) 단계 이후 수행되는 상기 (d) 단계에서 적층시키고자 하는 재료의 두께와 같을 수 있다. 이어서 추가적으로 상기 재료를 냉매(400)에 투입하여 동결시킴과 동시에 상기 단계에서 동결된 재료 위에 새로운 동결된 재료를 적층시키되, 상기 베이스(200)의 수직방향 이동은, 상기 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매(400)의 수면이 높은 위치에 있도록 이루어진다.

즉, 상기 유기물 구조체가 높아지는 높이만큼 상기 베이스(200)가 하강함으로써, 상기 유기물 동결 구조체의 상단보다 상기 냉매(400)의 수면(T)의 위치가 높은 위치를 유지하며, 재료의 적층이 이루어지는 유기물 구조체의 상단 부분이 냉매(400)의 수면(T)과 인접하게 위치할 수 있다.

아울러, 별도의 단계를 거쳐 상기 유기물에 포함된 수분이 건조될 수 있다. 이러한 과정을 거쳐 형성된 유기체 구조물은 내부의 수분이 이탈하여 상기 수분이 이탈된 자리에 공극이 형성되어 소정의 스펀지와 같은 구조를 가질 수 있게 된다. 이러한 구조를 가짐에 따라서 인체 조직의 침투가 용이하게 된다. 즉, 예컨대 세포, 혈관 등이 이러한 유기물 구조체로 형성된 이식물 내에 침투하기 용이하며 인체 조직 내에 이식하는 것이 더욱 용이하게 이루어지고 인체에 미치는 영향이 감소할 수 있다. 상기 수분의 건조 및 이탈은 상기 냉매(400)에 의한 동결 과정과 동시에 수행되거나 또는 별도로 수행될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 즉, 냉매(400)에 의한 동결 및 적층이 수행된 후 감압 등의 소정의 처리를 통해 상기 수분의 건조가 이루어질 수도 있으며, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치 및 유기물 구조체 형성 방법에서는 냉매(400)의 수위가 일정하게 유지되고, 재료의 적층에 따라서 베이스(200)가 이동함으로써, 유기물 구조체의 상단이 냉매(400)의 수면 근방에 위치하도록 하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉, 이하에서 설명하는 제2 실시 형태에 의하면 재료의 적층에 따라서 냉매(400)가 충진됨으로써 유기물 구조체가 냉매(400) 내에 잠겨져 위치할 수도 있다. 이러한 실시 형태는 아래의 제2 실시 형태에 관한 설명을 참조한다.

이하에서는 도 5, 6 을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치(1)를 설명한다. 상기 토출 장치(100), 베이스(200), 챔버(300), 구동 장치(500)의 구성에 관한 설명은 전체적으로 상술한 형태와 중복되므로 생략하며, 여기서는 주요한 차이점인 냉매 공급 장치(600)에 의한 냉매(400)의 공급, 및 상기 구동 장치(500)에 의한 상기 베이스(200) 및 챔버(300)의 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 냉매 공급 장치(600)에 대해 설명한다. 냉매 공급 장치(600)는 상기 챔버(300) 내에 냉매를 공급하는 장치로서, 소정의 배관 등을 통해 챔버(300)에 연결될 수 있다. 또한, 소정의 펌프 등을 통해 챔버(300) 내에 냉매를 공급할 수 있다.

상기 토출 장치(100)에 의해 재료가 토출되고, 재료가 점차 높이 쌓여 상기 유기물 동결 구조체의 높이가 높아지면, 상기 냉매(400) 공급 장치에 의해서 챔버(300) 내에 냉매(400)가 추가적으로 공급되게 된다. 즉, 상기 재료가 적층되어 유기물 구조체의 높이가 점차 높아짐에 따라서, 상기 냉매(400)가 추가적으로 상기 챔버(300) 내에 공급되어, 상기 유기물 구조체의 상단이 외부로 노출되는 일 없이 유기물 구조체가 전체적으로 냉매(400) 내에 위치하게 되어 유기물 구조체와 외부 환경 사이의 접촉을 차단하게 된다.

이때, 상기 냉매 공급 장치(600)에 의한 냉매(400)의 공급량과, 상기 유기물 동결 구조체의 높이의 변화량은 서로 대응될 수 있다. 즉, 냉매(400)가 깊이가 깊어지는 속도와 변위는 유기물 동결 구조체의 높이가 높아지는 속도와 변위에 서로 대응될 수 있다. 여기서, 대응이라 함은 반드시 일치하는 경우에 한정하지 아니하며 소정의 오차 범위 내에서 유사한 것을 포함한다. 예컨대, 유기물 동결 구조체의 높이가 일정량만큼 높아지면 해당하는 높이만큼 냉매(400)의 깊이가 깊어질 수 있다.

이에 따라서 유기물 동결 구조체가 상기 냉매(400) 내에 전체적으로 위치하되 유기물 동결 구조체의 상단이 상기 냉매(400)의 수면(T)에 비해 과도하게 깊은 곳에 위치하지 않고 냉매(400)의 수면(T) 근방에 위치할 수 있다.

이어서 구동 장치(500)에 의한 상기 베이스(200) 및 챔버(300)의 동작에 대해서 설명한다.

상기 베이스(200) 및 챔버(300)는, 상기 냉매(400)의 충진에 따라서 이동하여 상기 냉매(400)의 수면(T)과 노즐(120)이 일정한 위치를 유지하도록 할 수 있다. 즉, 도 5, 6 의 화살표 B 와 같이 베이스(200) 및 챔버(300)가 동시에 이동할 수 있다. 여기서, 베이스(200)는 챔버(300)에 위치 고정되며, 챔버(300)의 이동에 따라서 베이스(200)가 함께 이동할 수 있다. 즉, 구동 장치(500)가 챔버(300)를 이동시킴에 따라서, 챔버(300)에 고정된 베이스(200)가 함께 이동할 수 있다.

즉, 상기 냉매(400)가 추가적으로 공급될 경우, 추가적인 공급에 따라서, 챔버(300) 내의 냉매(400)의 깊이 자체는 증가되나, 증가된 냉매(400)의 깊이만큼 상기 챔버(300) 및 베이스(200)가 하강함으로써, 상기 냉매(400)의 수면(T)과 노즐(120)의 높이는 일정한 위치를 유지할 수 있다. 일 예로, 상기 유기물 구조체가 높아지는 높이만큼 상기 챔버(300) 및 베이스(200)가 하강하며, 동시에 냉매(400)가 충진되어 상기 유기물 동결 구조체의 상단보다 상기 냉매(400)의 수면(T)의 위치가 높은 위치를 유지하되 수면(T)과 노즐(120)의 위치는 일정한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

상기와 같이 베이스(200) 및 챔버(300)가 하강하여 냉매(400)의 깊이가 깊어짐에도 냉매(400)의 수면(T)의 위치는 일정한 높이를 유지함으로써, 상기 노즐(120)과 냉매(400)의 수면(T) 사이의 거리가 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 본 실시 형태와 같이 냉매(400)의 수면(T)의 위치가 일정하게 유지되고 노즐(120) 또한 일정한 높이를 유지하여 노즐(120)이 상하 방향으로 이동할 필요가 없게 되고, 냉매가 충진됨에도 불구하고 노즐(120)이 냉매(400)의 외부에 위치할 수 있다.

이에 따른 효과는 상기 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치와 상통한다. 즉, 적층된 재료가 냉매(400)에 의해서 동결됨으로써, 유기물 구조체 형성이 용이하게 이루어지며, 재료의 적층이 이루어지는 유기물 동결 구조체의 상단이 냉매(400)의 수면(T) 아래쪽 근방에 위치하고 노즐(120)은 수면(T)의 윗쪽 근방에 위치하여, 정확한 위치에 재료의 적층이 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법에 대해 설명한다. 이하의 유기물 구조체 형성 방법은 상기 설명한 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치를 사용하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법은, 3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법으로서, (a) 베이스(200)가 배치된 챔버(300) 내에 소정의 냉매(400)를 공급하여 상기 베이스(200)가 냉매(400) 내에 잠기고 냉매(400)가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계; (b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통하여 냉매(400)에 투입하면서 상기 노즐(120)을 수평 이동시켜서 상기 냉매(400)에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스(200) 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; (c) 상기 챔버(300)를 구동 장치(500)에 의해 수직방향으로 이동시키는 단계; (d) 상기 냉매(400)를 상기 챔버(300) 내에 추가적으로 공급하여 상기 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매(400)의 수면이 높은 위치에 있도록 하는 단계; (e) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치(100)의 노즐(120)을 통하여 냉매(400)에 투입하면서 상기 노즐(120)을 수평 이동시켜서 상기 냉매(400)에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법에 의하면, 유기물 구조체의 형성에 따라서 냉매(400)가 추가적으로 공급되며, 챔버(300)가 이동할 수 있다. 이때, 베이스(200)는 챔버(300)와 함께 이동할 수 있다. 이에 관한 설명은 상기 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 장치에 관한 설명과 상통한다. 또한, 동결 건조 과정을 포함할 수 있음은 상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기물 구조체 형성 방법에 관한 설명과 같다. 아울러, 여기서 제1 목표 형상이란 (b) 단계 내에서 상기 베이스(200)상에 적층시켜서 형성하고자 목표하는 재료의 목표 형상을 의미하며, 제2 목표 형상이란 (e) 단계 내에서 적층시켜서 형성하고자 목표하는 재료의 목표 형상을 의미한다.

상기 (c) 단계에서 챔버(300)의 수직 방향 이동 거리는 (e) 단계에서 적층시키고자 하는 재료의 두께와 같을 수 있다. 아울러, 상기 (d) 단계에서 추가적으로 공급되어 깊어지는 상기 냉매(400)의 깊이 변화량 또한 상기 (e) 단계에서 적층시키고자 하는 재료의 두께와 같을 수 있다

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

1: 유기물 구조체 형성 장치
100: 토출 장치
110: 충진부
120: 노즐
200: 베이스
300: 챔버
400: 냉매
500: 구동 장치
600: 냉매 공급 장치

Claims

3D 프린팅을 이용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 장치에 있어서,
수분과 유기물을 포함하는 재료의 토출을 수행하는 토출 장치;
상기 재료가 적층되어 유기물 구조체의 형성이 이루어지는 베이스;
상기 베이스가 내부에 배치되는 챔버;
상기 챔버 내에 충진되어 상기 베이스 및 상기 베이스 상에 적층된 재료가 잠기도록 하는 냉매;
상기 토출 장치 및 베이스의 이동을 수행하는 구동 장치;를 포함하며,
상기 토출 장치는,
상기 재료가 토출되도록 하는 노즐을 포함하고,
상기 챔버 내의 냉매는,
상기 베이스 상에 적층된 재료를 동결시켜 소정의 형상을 유지하는 유기물 동결 구조체가 형성되도록 하며,
상기 구동 장치는, 상기 토출 장치를 상기 베이스와 평행한 수평면 상에서 이동시키고, 상기 베이스를 상기 수평면에 수직한 수직축 상에서 이동시키며,
상기 구동 장치는, 상기 재료의 적층에 의해 상기 베이스 상에 형성된 유기물 동결 구조체의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 상기 베이스를 상기 챔버 내에서 이동시켜서 상기 유기물 동결 구조체가 상기 냉매 내에 잠겨지도록 하되, 상기 재료의 적층 높이와 상기 베이스의 하강 거리가 대응되도록 하여 상기 유기물 구조체의 상단이 상기 냉매의 수면에 인접하게 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 구성되고,
상기 노즐의 토출구는 상기 냉매의 수면 위쪽에 위치하되 상기 냉매의 수면에 대해서 인접하고 상기 냉매의 수면에 대해서 소정의 이격거리를 유지하며 위치하여,
상기 재료의 분산이 방지되고 상기 재료가 정확한 위치에 적층되는 유기물 구조체 형성 장치.
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3D 프린팅을 이용하여 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 장치에 있어서,
수분과 유기물을 포함하는 재료의 토출을 수행하는 토출 장치;
상기 재료가 적층되어 유기물 구조체의 형성이 이루어지는 베이스;
상기 베이스가 내부에 배치되는 챔버;
상기 챔버 내에 충진되어 상기 베이스 및 상기 베이스 상에 적층된 재료가 잠기도록 하는 냉매;
상기 토출 장치, 베이스 및 챔버의 이동을 수행하는 구동 장치; 및
상기 챔버 내에 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급 장치;를 포함하며,
상기 토출 장치는,
상기 재료가 토출되도록 하는 노즐을 포함하고,
상기 챔버 내의 냉매는,
상기 베이스 상에 적층된 재료를 동결시켜 상기 재료가 동결, 적층되어 소정의 형상을 유지하는 유기물 동결 구조체가 형성되도록 하며,
상기 냉매 공급 장치는,
상기 냉매의 수면의 위치가 상기 재료의 적층에 의해서 형성된 유기물 동결 구조체의 상단보다 높은 위치를 갖도록 상기 냉매를 공급하여 상기 유기물 동결 구조체가 상기 냉매 내에 잠겨지도록 하되,
상기 재료의 적층 높이 변화량과 상기 냉매의 수위 변화량이 대응되도록 하여 상기 유기물 구조체의 상단이 상기 냉매의 수면에 인접하게 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 구성되고,
상기 구동 장치는,
상기 토출 장치를 상기 베이스와 평행한 수평면 상에서 이동시키고,
상기 베이스 및 챔버를 상기 수평면에 수직한 수직축 상에서 이동시키되,
상기 냉매의 수위 변화량과 상기 챔버 및 베이스의 수직 방향 이동 거리가 대응되도록 하여 상기 노즐의 토출구가 상기 냉매의 수면 위쪽에 위치하되 상기 냉매의 수면에 대해서 인접하고 소정 거리를 유지하며 이격되게 구성되어,
상기 재료의 분산이 방지되고 상기 재료가 정확한 위치에 적층되는 유기물 구조체 형성 장치.
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3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법에 있어서,
(a) 베이스가 배치된 챔버 내에 소정의 냉매를 공급하여 상기 베이스가 냉매 내에 잠기고 상기 냉매가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계;
(b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 상기 베이스에 평행한 수평면 상에서 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;
(c) 상기 베이스를 구동장치에 의해 상기 수평면에 수직한 수직방향으로 이동시키는 단계;
(d) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 상기 베이스에 평행한 수평면 상에서 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 적층되어 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;를 포함하며,
상기 노즐의 토출구는 상기 냉매의 수면 위쪽에 위치하되 상기 냉매의 수면에 대해서 인접하고 소정 거리를 유지하며 이격되고,
상기 (c) 단계의 베이스의 수직방향 이동은,
상기 베이스 상에 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 이루어지되, 상기 재료의 적층 높이와 상기 베이스의 이동 거리가 대응되도록 하여 상기 유기물 구조체의 상단이 상기 냉매의 수면에 인접하게 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 하여 상기 재료의 분산이 방지되며 상기 재료가 정확한 위치에 적층되는 유기물 구조체 형성 방법.
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3D 프린팅 장치를 사용하여 3차원 입체적 형상의 유기물 구조체를 형성하는 유기물 구조체 형성 방법에 있어서,
(a) 베이스가 배치된 챔버 내에 소정의 냉매를 공급하여 상기 베이스가 상기 냉매 내에 잠기고 상기 냉매가 소정의 수위를 가지도록 하는 단계;
(b) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 상기 베이스에 평행한 수평면 상에서 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 베이스 상에 제1 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계;
(c) 상기 챔버 및 베이스를 구동장치에 의해 상기 수평면에 수직한 수직방향으로 이동시키는 단계;
(d) 상기 냉매를 추가적으로 공급하여 상기 베이스 상에 적층된 재료의 상단보다 상기 냉매의 수면이 높은 위치에 있도록 하는 단계;
(e) 수분과 유기물을 포함하는 재료를 토출 장치의 노즐을 통하여 상기 냉매에 투입하면서 상기 노즐을 상기 수평면 상에서 수평 이동시켜서 상기 냉매에 투입되어 동결된 재료가 상기 (b) 단계에서 동결된 재료 위에 제2 목표 형상을 가지며 적층되도록 하는 단계; 를 포함하며,
상기 (d) 단계에서 상기 냉매의 추가적인 공급은,
상기 재료의 적층 높이 변화량과 상기 냉매의 수위 변화량이 대응되도록 하여 상기 유기물 구조체의 상단이 상기 냉매의 수면에 인접하게 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 하며,
상기 (c) 단계에서 챔버의 수직방향 이동은,
상기 냉매의 수위 변화량과 상기 챔버 및 베이스의 수직 방향 이동 거리가 대응되도록 이루어져서 상기 노즐의 토출구가 상기 냉매의 수면의 위쪽에 위치하되 상기 냉매의 수면에 대해서 인접하며 일정한 높이에 위치하는 것을 유지하도록 하여 상기 재료의 분산이 방지되며 상기 재료가 정확한 위치에 적층되는 유기물 구조체 형성 방법.
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청구항 8 또는 12 에 있어서,
상기 재료를 적층하여 유기물 동결 구조체를 형성한 후,
(f) 상기 유기물 동결 구조체의 동결 건조 과정이 수행되는 단계;를 더 포함하여, 상기 유기물 동결 구조체의 수분을 제거하여 고형화 시키는 유기물 구조체 형성 방법.