이중 용도 ‘레이저 첨가제’가 이끄는 폴리머 마킹 및 용접

이중 용도 '레이저 첨가제'가 이끄는 폴리머 마킹 및 용접

1차 가공 단계에서 폴리머에 블렌딩하는 이중 용도 레이저 첨가제를 사용하면 투명 및 불투명 폴리머의 마킹과 투과 용접이 모두 가능합니다. FDA/의료용 규정을 충족하는 제품을 포함한 신규 화학 첨가제는 고강도 밀폐 용접 접합부와 지워지지 않는 불투명 마킹 대비를 구현합니다. 레이저 마킹과 레이저 용접 공정은 비접촉 방식으로 제어가 쉽고 친환경적입니다. 경제적인 고속 레이저와 장비에 맞춰 설계된 폴리머 마킹 및 용접은 오늘날 복잡한 응용 분야의 과제에 대응합니다.

핵심 요약

• 하나의 컴파운드로 두 가지 공정을 구현합니다. 이중 용도 첨가제는 동일한 소재에서 마킹과 투과형 레이저 용접을 모두 지원합니다.
• TTLW는 가열, 융합, 용접의 세 단계로 진행되며, 일반적인 용접 시간은 1~8초입니다.
• 두 부품은 서로 반대되는 광학 특성이 필요합니다. 상부는 해당 파장을 투과해야 하고, 하부는 얇은 층에서 이를 흡수해야 합니다.
• 중간 범위 흡수율은 최악의 경우로, 전체 두께를 가열하기 때문에 접합부의 어느 쪽 부품으로도 적합하지 않습니다.
• 레이저 용접은 플래시, 미립자, 열영향부를 최소화하고 부품 표면 손상 없이 밀폐 실링을 구현합니다.

자주 묻는 질문

레이저 용접에서 '투과'란 무슨 뜻입니까?

레이저가 레이저 투과성 상부 부품을 통과하여 레이저 흡수성 하부 부품의 표면에서 흡수됩니다. 부품을 미리 조립하고 클램핑하여 접합면이 밀착되도록 하며, 이 계면에서 용접이 형성됩니다.

투과형 레이저 용접은 어떤 단계로 진행됩니까?

세 단계입니다. 가열 단계에서는 레이저가 계면의 흡수성 폴리머를 가열하고, 이 폴리머가 팽창하면서 용접 압력이 높아집니다. 융합 단계에서는 추가 팽창으로 압력이 더 높아지며 소량의 용접이 이루어집니다. 용접 단계에서는 충분한 용융 소재가 수축(붕괴)하며 실제 용접부가 형성되며, 일반적으로 약 0.13mm 수준입니다.

유리섬유가 충전된 소재도 레이저 용접할 수 있습니까?

유리섬유 함량이 최대 50%인 충전 소재도 용접된 사례가 있지만, 밀폐 실링에는 적용되지 않았습니다. 충전재, 첨가제, 안료는 모두 폴리머가 레이저 빔에 반응하는 방식을 바꾸므로, 소재 적합성은 다른 어떤 접합 공정보다 레이저 용접에서 더 민감합니다.

초음파 용접이나 핫플레이트 용접 대신 레이저 용접을 선택하는 이유는 무엇입니까?

매끄러운 유리판 아래에서 가볍게 클램핑하는 비접촉 방식이므로 부품 표면이 손상되지 않고 진동도 전달되지 않습니다. 용접부는 표면 아래에 형성되어 거의 보이지 않으며, 열영향부가 매우 작아 미리 배치한 취약한 부품도 손상되지 않습니다. 또한 다듬어야 할 플래시가 없고 기밀 밀폐 실링을 구현할 수 있습니다.

서로 다른 플라스틱을 레이저 용접할 수 있습니까?

필요한 광학적, 열적 기준을 충족하면 가능합니다. 폴리머마다 용접에 쓰이는 세 가지 주요 파장의 투과 특성이 다르므로, 두 소재를 각각이 아니라 함께 평가해야 합니다.

제품 응용 분야

나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 폴리염화비닐(PVC), 스티렌계 수지, 열가소성 엘라스토머(TPU)와 열가소성 폴리우레탄(TPE)을 포함한 투명, 반투명, 불투명 유색 폴리머는 중금속을 사용하지 않고 FDA/유럽식품안전청(EFSA) 승인을 받은 첨가제를 사용해 고유하게 배합되며, 레이저 용접 제품(그림 1)을 포함해 고대비 마킹 품질을 구현합니다. 폴리머의 투명도, 분광 투과율, 기본 물성은 영향을 받지 않습니다. 비접촉 디지털 레이저 마킹은 값비싼 접착 라벨과 잉크·화학 인쇄 공정을 대체합니다. 그 결과 비용 효율적이고 친환경적이며 뛰어난 외관 품질을 얻을 수 있습니다.

레이저 마킹 표면 반응 메커니즘

근적외선(NIR) 레이저(파장 1,060-1,080nm)용 레이저 화학 첨가제 배합의 발전으로 이터븀 파이버, 바나데이트, Nd:YAG 레이저와의 호환성이 확보되었습니다. 대부분의 폴리머는 화학 첨가제 없이는 NIR 흡수 특성이 없습니다. 레이저로 마킹할 수 있는 폴리머는 레이저 광을 흡수하여 빛 에너지를 열에너지로 변환하는 폴리머입니다. 국부적인 색상 변화를 위해 레이저 에너지의 흡수를 높이는 데 첨가제, 충전재, 안료, 염료가 사용됩니다. 원하는 마킹 대비와 기능에 따라 배합 화학 조성과 레이저 광학/셋업 파라미터가 크게 다르게 구성됩니다.

그림 1에 두 가지 일반적인 표면 반응 메커니즘이 나와 있습니다. 첫째, 열화학적 '탄화' 또는 '차링'이 일어날 수 있습니다. 기재에 흡수된 에너지가 흡수 부위 주변 소재의 국부 온도를 폴리머의 열분해를 일으킬 만큼 높이는 현상입니다. 마킹의 농도(어둡기 또는 밝기)는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다. 레이저 셋업을 최적화하면 표면 탄화 잔여물을 최소화할 수 있습니다.

두 번째 표면 반응인 '발포'는 분해 중에 증기를 방출하는 첨가제를 이용해 일으키는 화학적 변화로, 폴리머가 발포됩니다. 발포 과정에서 레이저 에너지는 발포제와 가까이 있는 첨가제에 흡수됩니다. 흡수제에서 발생한 열이 발포제를 분해시켜 증기를 방출합니다. 레이저 작동 파라미터를 정밀하게 제어하면 어두운 기재에 고품질의 내구성 있는 밝은 색상의 '흰색' 마킹을 형성할 수 있습니다.

세 번째 반응(그림에는 없음)은 레이저 에너지로 혼합 착색제 중 한 가지 착색제를 가열/분해하여 색상을 변화시키는 방식입니다. 카본 블랙과 안정적인 무기 착색제의 혼합물이 그 예입니다. 가열하면 카본 블랙이 제거되고 무기 착색제가 남습니다. 이러한 혼합 착색제 시스템은 특정 착색제의 안정성에 좌우되므로 모든 색상 변화가 가능한 것은 아닙니다. 카본 블랙 배합은 레이저 용접에 필수적입니다.

마킹 및 용접용 레이저 첨가제 화학

근적외선 레이저 첨가제는 대비 수준을 높이며, 레이저 셋업 파라미터를 변경하면 대비를 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 '어두운 색' 또는 '밝은 색' 마킹 대비를 만들어 내는 고유한 특성을 지닙니다. 이산화티타늄(TiO2)과 카본 블랙을 소량 함유한 일부 착색제 컴파운드도 레이저 광을 흡수하여 마킹 대비를 개선할 수 있습니다. 같은 폴리머 계열 내에서도 각 폴리머 그레이드마다 결과가 다를 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관, 물성, 기능 특성에 악영향을 주어서는 안 됩니다.

잉크 인쇄 공정(패드/스크린 인쇄 및 잉크젯)과 비교하면 레이저 첨가제는 비용을 절감하고, 최적화되지 않은 소재 대비 20% 이상 빠른 마킹 속도를 구현할 수 있습니다. 레이저 첨가제는 펠릿 과립형과 분말형으로 공급됩니다. 과립형 제품은 폴리머 수지와 바로 블렌딩할 수 있으며, 분말형은 마스터배치로 전환합니다. 대부분 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 첨가제와 폴리머에 따라 (최종 부품 기준) 중량 투입 농도는 0.01~4.0%입니다.

과립형과 분말형 모두 사전 컴파운딩된 컬러 소재 또는 컬러 컨센트레이트에 블렌딩할 수 있습니다. 어떤 첨가제를 적용할지는 폴리머 조성, 기재 색상, 원하는 마킹 대비 색상, 최종 용도 인증 요건에 따라 결정합니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 사전 컬러 컴파운딩 소재가 컬러 컨센트레이트보다 균일도가 더 우수합니다. 수작업 혼합은 피해야 합니다. 금형 내 유동과 게이트 유형/위치도 중요한 요인입니다. 최적의 마킹 성능을 얻으려면 각 부품 전체에 걸쳐 레이저 첨가제가 균질하게 분포/분산되는 것이 매우 중요합니다.

일부 첨가제에는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물이 들어 있어, 착색하지 않은 기재의 불투명도에 '회색빛' 색조가 나타날 수 있습니다. 그 밖의 첨가제에는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물, 독자 화합물이 포함될 수 있습니다. 최종 색상 매칭 외관은 안료와 염료로 색상을 조정하여 구현합니다. 시판 제품 상태에서 (레이저 용접에도 사용되는) 특정 첨가제는 21 CFR 178.3297 – 폴리머용 착색제의 A~H 조건에 따라 식품 접촉 및 식품 포장용으로 FDA 승인을 받았습니다. 유럽연합에도 유사한 적합성 선언이 있습니다. 인증 조건은 폴리머 종류, 투입량 한계치, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 다릅니다. '최종 부품'에 블렌딩한 FDA 승인 첨가제를 추가로 적격성 평가하면 의료기기의 생체적합성을 확보할 수 있습니다.

레이저 첨가제 투입/색상 매칭 화학 단계에서 완제품에 함유된 레이저 첨가제가 계산된 양보다 적은 경우가 드물지 않습니다. 이 문제는 거의 항상 압출 또는 성형 중 불균일한 분포와 관련이 있습니다. 배압과 스크류 회전 속도를 높이는 등 성형기를 간단히 조정하면 대부분의 문제가 해결됩니다. 최적의 마킹 성능을 얻으려면 각 부품 전체에 걸쳐 레이저 첨가제가 균질하게 분포/분산되는 것이 매우 중요합니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 사전 컬러 컴파운딩 소재가 컬러 컨센트레이트보다 균일도가 더 우수합니다. 수작업 혼합은 피해야 합니다. 금형 내 유동과 게이트 유형/위치도 중요한 요인입니다.

투과형 레이저 용접의 원리

'투과'라는 용어는 그림 2와 같이 레이저가 레이저 투과성 상부 부품을 통과하여 레이저 흡수성 하부 부품의 표면에 도달한다는 데서 유래했습니다. 플라스틱의 투과형 레이저 용접(TTLW)에는 세 단계가 있습니다. TTLW에서는 부품을 미리 조립하고 함께 클램핑하여 접합면이 밀착되도록 합니다. 이 글에서는 고출력 다이오드 레이저(파장 800-1,000nm)와 고체 레이저(이터븀 파이버 및 Nd:YAG 레이저, 파장 1,060-1,080nm)를 사용합니다.

가열 단계에서는 레이저 에너지가 계면의 레이저 흡수성 폴리머를 가열하여 부품이 팽창하고 용접 압력이 높아집니다. 빔의 초점에서 레이저 출력이 최대가 되므로 그 지점에서 부품이 용융되기 시작하여 용융 영역이 형성됩니다. 이것이 두 번째 단계인 융합 단계의 시작입니다. 부품이 추가로 팽창하면서 압력도 그에 따라 높아집니다. 이 시점에서 소량의 용접이 이루어진 상태입니다.

용접 단계는 마지막 단계입니다. 실제 용접부를 형성할 만큼 충분한 용융 소재가 생성됩니다. 핫플레이트 용접이나 융착 용접과 유사하게 용융된 소재가 수축(붕괴)합니다. 대부분의 응용 분야에서 이는 약 0.13mm(0.005인치) 수준입니다. 일반적인 용접 시간은 대부분의 응용 분야에서 1~8초 정도이지만, 큰 부품은 더 오래 걸릴 수 있습니다. TTLW 레이저 용접 공정은 윤곽, 마스크, 동시, 준동시 용접의 네 가지가 주를 이룹니다.

용접할 두 부품은 주어진 용접 파장에서 서로 다른 광학 흡수 특성을 가져야 합니다. 상부의 레이저 투과성 부품은 해당 파장을 최대한 많이 투과해야 하고, 하부의 레이저 흡수성 부품은 얇은 층에서 최대한 많이 흡수해야 합니다. 이렇게 하면 계면에서 많은 에너지가 흡수되므로 에너지 효율이 가장 높은 조합이 되며, 그렇지 않으면 하부 부품이 용접 가능할 만큼 연화되기 전에 상부 부품이 열화될 수 있습니다. 반사율이 과도해도 용접에 필요한 에너지량이 늘어납니다.

소재 적합성은 다른 어떤 접합 공정보다 레이저 용접에서 더 민감합니다. 레이저 용접은 이론상 레이저 빔을 투과하는 모든 열가소성 플라스틱을 용접할 수 있습니다. 그러나 레이저 용접에 쓰이는 세 가지 주요 파장의 레이저 광을 투과시키는 능력은 폴리머마다 다릅니다. 또한 특정 폴리머가 레이저 빔에 반응하는 방식은 충전재, 첨가제, 안료의 존재에 따라 달라집니다.

흡수율이 높은 소재는 계면에서 대부분의 에너지를 흡수하여 레이저 용접에 이상적인 얇은 가열 표면층을 형성하므로 TTLW 용접의 하부 부품에 이상적입니다. 흡수율이 중간 범위인 소재는 소재 두께 전체에 걸쳐 레이저 에너지를 흡수하여 소재 전체 두께가 가열되므로 문제가 될 수 있습니다. 이러한 소재는 통과시키는 에너지가 매우 적어 TTLW 레이저 용접의 상부 소재로는 적합하지 않습니다. 또한 상단 가장자리에서도 에너지를 많이 흡수하지 못하므로 하부 소재로도 좋은 선택이 아닙니다. 유리섬유 함량이 최대 50%인 충전 소재도 용접된 사례가 있지만, 밀폐 실링에는 적용되지 않았습니다.

TTLW의 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 비접촉 용접. 레이저 용접은 용접할 부품을 100lbs 이하의 가벼운 클램핑력으로 매끄러운 유리판으로 고정하며 용접 도구가 접촉하지 않습니다. 따라서 용접 부품의 표면이 손상될 일이 없고, 섬세한 부품을 손상시킬 수 있는 용접 압력도 필요하지 않습니다.
• 표면 아래 용접. 용접은 두 부품의 계면에서 이루어집니다. 투명 부품에서는 용접부가 거의 보이지 않고 불투명 부품에서는 전혀 보이지 않습니다. 용접부는 표면 바로 아래 또는 부품 깊숙한 곳에 형성될 수 있습니다.
• 정밀 용접. 레이저 용접부의 크기와 위치를 매우 정밀하게 제어할 수 있으며, 용접할 부품에 진동이 전달되지 않습니다. 레이저와 용접 대상물 사이에 상대 운동이 필요한 방식에서는 레이저가 움직입니다. 따라서 레이저 용접은 용접 공정 중 가장 정밀합니다.
• 최소한의 열영향부. 용접 스폿이 매우 작고 열영향부가 잘 제한됩니다. 그 결과 다른 부품에 영향을 주지 않고 매우 가까운 위치에서도 용접할 수 있어, 민감하고 취약한 부품이 미리 장착된 서브어셈블리도 용접할 수 있습니다. 또한 열에 의한 변형과 열화가 극히 제한되고 잔류 응력이 줄어듭니다.
• 서로 다른 플라스틱 용접 가능. 필요한 기준을 충족하는 서로 다른 플라스틱끼리 용접할 수 있습니다.
• 플래시 없음. 레이저 용접에서는 용접부가 완전히 밀폐되어 다듬어야 할 플래시가 생기지 않습니다. 떨어져 나온 미립자도 없습니다.
• 밀폐 실링. 레이저 용접은 밀폐되고 기밀한 용접부를 형성할 수 있습니다.
• 에너지 효율. 다른 용접 공정에 비해 레이저 용접은 에너지 효율이 매우 높습니다. 이는 작업 현장에서 제거해야 할 과도한 열이 발생하지 않는다는 뜻이기도 합니다.

결론

폴리머에 적용한 이중 용도 레이저 첨가제는 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 크게 향상시킵니다. 이러한 첨가제는 동종 및 이종 열가소성 플라스틱의 레이저 용접을 최적화합니다. 경제적인 파이버 레이저 기술의 발전이 핵심적인 역할을 했습니다. 이러한 이점은 추가 첨가제 비용을 빠르게 상쇄합니다. 레이저 마킹 및 용접을 위한 최적화된 소재 과학 화학에는 용해도, 입자 크기, 한계 농도, 색상 매칭, 규제 인증(GRAS, FDA 직접/간접 식품 접촉)과 관련한 폴리머, 착색제, 안료, 염료 전문 지식이 필요합니다. 폴리머의 레이저 마킹과 TTLW는 오늘날 응용 분야의 과제에 대응합니다.

참고 문헌

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, The Sabreen Group Inc. 전문 컨설턴트. Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009 중 용접 발췌문

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

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