PPS 레이저 마킹: 파이버 레이저 공정 가이드

파이버 레이저를 이용한 PPS(폴리페닐렌 설파이드) 레이저 마킹

개요

PPS(폴리페닐렌 설파이드)는 레이저로 가열해도 고온을 견디기 때문에 마킹과 각인이 매우 어렵습니다. 최근 착색제 기술, 레이저 전용 카본 블랙, 파이버 레이저가 발전하면서 유리섬유 강화 흑색 PPS에 고대비의 밝은 색상, 내스크래치성 마킹을 구현할 수 있게 되었으며 Yellow Card 인증도 획득했습니다. 이러한 획기적인 발전으로 자동차, 항공우주/NASA MIL 전자, 펌프 및 밸브, 가전 등 다양한 분야에서 데이터 매트릭스, 바코드, QR 코드, 고유 부품 식별 코드의 마킹과 마이크로 마킹이 가능해졌습니다. 견고하고 내스크래치성이 있는 마킹을 얻으려면 이터븀 파이버 레이저의 셋업과 광학계를 정밀하게 구성해야 합니다.

핵심 요약

• PPS는 열에 강하기 때문에 마킹이 어렵습니다. 고온 안정성이 높다는 것은 대비를 형성하는 표면 반응을 일으키기 어렵다는 뜻입니다.
• MOPA 이터븀 파이버 레이저가 올바른 선택이며, 펄스 지속 시간은 20~40 ns, 펄스 주파수는 100 kHz 이상이어야 합니다.
• 표면 온도 제어가 내스크래치성을 좌우합니다. 상승 시간과 하강 시간을 잘못 설정하면 마킹이 문질러져 지워집니다.
• 수지가 풍부한 표면이 필수입니다. 유리섬유 함량 30~40%인 PPS에서 유리섬유가 표면으로 드러나면 마킹 품질이 떨어집니다.
• 완전한 결정화를 위해서는 275~300°F 이상에서 성형해야 하며, 그렇지 않으면 사용 중에 부품 치수가 변합니다.

최적의 레이저 마킹. 유리섬유 강화 흑색 PPS에 내스크래치성이 있는 고대비의 밝은 색상 마킹을 구현하려면 MOPA 이터븀 파이버 레이저가 가장 적합합니다. 펄스 폭과 집속 출력 밀도를 정밀하게 제어할 수 있기 때문입니다. 이러한 정밀도 덕분에 1060-1070nm의 근적외선 파장에서 표면 화학 발포 공정을 더 잘 제어할 수 있습니다. 최적의 펄스 지속 시간은 20~40 나노초이며, 펄스 주파수는 100 킬로헤르츠를 넘습니다. 표면 온도(상승 시간과 하강 시간)를 제어하려면 정밀한 레이저 셋업이 필요하며, 그렇지 않으면 마킹이 쉽게 긁혀 지워질 수 있습니다.

PPS를 포함한 유리섬유 강화 폴리머에서 고품질 레이저 마킹을 구현하려면 견고한 사출 성형과 함께 레이저 최적화 착색제 및 사전 컴파운딩된 소재의 분산·분포가 뒷받침되어야 합니다. 유리섬유를 첨가하면 성형 공정에 악영향을 줄 수 있고, 이는 다시 레이저 마킹 품질에 영향을 미칩니다. 견고한 마킹을 얻으려면 부품 표면이 수지가 풍부해야 합니다. 유리섬유가 많은 표면에서는 마킹 결과가 좋지 않습니다.

폴리페닐렌 설파이드(PPS)

폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 고온용 반결정성 엔지니어링 열가소성 플라스틱입니다. 업계에서 PPS는 금속처럼 거동하는 바로 그 플라스틱으로 알려져 있습니다. PEEK, LCP 등 다른 고온 고성능 플라스틱과 마찬가지로 PPS의 물성은 결정화 거동에 좌우됩니다. PPS는 분자 구조가 다른 두 가지 형태, 즉 분지형(branched)과 선형(linear)으로 판매됩니다. 대표적인 브랜드로는 Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina, DIC PPS가 있습니다. 분지형은 강성이 더 높은 편입니다. 선형은 일반적으로 기계적 강도와 굴곡 강도가 더 우수하고 용융 안정성도 더 높습니다. 또한 선형 PPS는 이온성 불순물이 적습니다. 표준 PPS에 유리섬유(30퍼센트 및 40퍼센트)와 유리섬유/미네랄 혼합물을 첨가하면 특수하고 까다로운 용도에 대응할 수 있습니다. 전자 부품 제조사는 절연 및 커넥터 제품에 유리섬유 40퍼센트 강화 PPS를 흔히 선택합니다.

완전한 결정 상태에 도달하려면 최소 화씨 275~300도의 금형 온도가 필요합니다. PPS를 화씨 275도 미만에서 성형하면 성형품은 비결정성 또는 반결정성 상태가 되며, 더 높은 사용 온도에 노출되기 전까지 그 상태를 유지합니다. 사용 온도가 성형 온도를 초과하면 부품의 결정화도가 높아져 치수와 물성이 변하게 됩니다.

유리섬유를 만드는 데 사용되는 원료는 실리카, 석회석, 소다회입니다. 실리카는 유리를 형성하는 주원료이고, 소다회와 석회석은 용융 온도를 낮추는 데 사용됩니다. 글라스 이머전스(glass emergence)는 유리섬유 강화 사출 성형품에서 흔히 발생하는 심각한 표면 결함입니다. 유리섬유가 노출되면 표면에 유리섬유가 많아집니다. 용융 플라스틱이 충전되고 성형되는 과정에서 과잉 유리섬유가 표면에 형성됩니다. 응축과 성형이 끝나면 표면에 흰 자국이 나타납니다. 고품질 마킹을 얻으려면 성형품 표면이 수지가 풍부해야 하며, 그래야 레이저 에너지가 폴리머 매트릭스와 상호작용합니다. 반대로 유리섬유가 많은 표면은 마킹이 잘 되지 않으며, 섬유 함량이 높을수록 문제는 더 심해집니다. 유리섬유 자체는 근적외선(NIR) 레이저광을 잘 흡수하지 못합니다.

산업용 파이버 레이저

나노초 이터븀 파이버 레이저(MOPA 방식과 고정 펄스 방식)는 우수한 빔 품질(M2)과 높은 휘도(radiance) 덕분에 플라스틱 마킹, 각인, 에칭에 이상적입니다. 20마이크론 미만의 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다. MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저의 큰 장점 중 하나는 펄스 폭을 미세하게 조정할 수 있다는 점입니다. 플라스틱 마킹에서는 레이저 조사 강도(W/cm2)와 플루언스(J/cm2)가 중요한 파라미터입니다. 조사 강도는 본질적으로 레이저 빔의 세기이며, 집속 스폿 크기에 따라 달라집니다. 플루언스는 소재 표면에 전달되는 에너지의 양을 결정합니다. 플루언스가 너무 낮으면 소재에 아무런 변화가 일어나지 않을 수 있습니다. 너무 높으면 원하는 마킹 효과를 넘어 소재가 과도하게 손상될 수 있습니다.

레이저 펄스 반복률과 피크 출력 밀도는 마킹 형성, 그리고 최적의 대비와 속도를 확보하는 데 결정적입니다. 출력과 펄스 반복률의 산술 곡선은 서로 반비례합니다. 낮은 주파수에서 높은 피크 출력을 가하면 표면 온도가 급격히 상승해 소재가 기화되며, 기재로 전도되는 열은 최소화됩니다. 펄스 반복률이 높아지면 피크 출력이 낮아져 기화는 거의 일어나지 않는 대신 열 전도가 늘어납니다.

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자주 묻는 질문

PPS는 왜 레이저 마킹이 그토록 어렵습니까?

PPS는 레이저가 가하는 열을 견디는 고온용 반결정성 열가소성 플라스틱이므로, 일반 플라스틱에서 대비를 만들어 내는 탄화 및 발포 반응을 일으키기가 훨씬 어렵습니다. PPS 부품에 흔히 적용되는 유리섬유 강화는 이 문제를 더욱 심화시킵니다.

유리섬유 강화 흑색 PPS에 내스크래치성 마킹을 구현하려면 어떤 레이저 설정이 필요합니까?

펄스 지속 시간 20~40 나노초, 펄스 주파수 100 kHz 이상의 MOPA 이터븀 파이버 레이저가 필요합니다. 표면 온도의 상승 시간과 하강 시간을 제어하는 것은 정밀한 셋업이며, 이 제어가 없으면 마킹이 쉽게 긁혀 지워집니다.

유리섬유 함량이 PPS의 마킹 품질에 영향을 줍니까?

상당한 영향을 줍니다. 유리섬유는 근적외선을 흡수하지 않기 때문에 유리섬유가 많은 표면은 마킹이 잘 되지 않으며, 섬유 함량이 높아질수록 문제가 심해집니다. 전자 커넥터에는 유리섬유 40% 강화 PPS가 흔히 사용되므로, 수지가 풍부한 표면을 형성하는 것이 성형 단계의 우선 과제가 됩니다.

PPS에는 어느 정도의 금형 온도가 필요합니까?

완전한 결정 상태에 도달하려면 최소 275~300°F가 필요합니다. 그보다 낮은 온도에서 성형하면 부품은 비결정성 또는 반결정성 상태로 남아 있다가, 사용 온도가 성형 온도를 초과하면 뒤늦게 결정화되어 치수와 물성이 변합니다.

선형 PPS와 분지형 PPS의 차이는 무엇입니까?

분지형 PPS는 강성이 더 높은 편입니다. 선형 PPS는 일반적으로 기계적 강도와 굴곡 강도가 더 우수하고, 용융 안정성이 높으며 이온성 불순물이 적습니다.

Scott R. Sabreen은 The Sabreen Group, Inc.의 창립자이자 사장입니다. 이 회사는 표면 전처리, 접착·장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 엔지니어링 기업입니다. 그는 30년 넘게 신기술을 개발하고 제조 현장의 문제를 해결해 왔습니다. 문의는 972.820.6777 또는 www.sabreen.com, https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/ 를 통해 하실 수 있습니다.

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