파이버 레이저로 구현하는 첨단 플라스틱 마킹

파이버 레이저로 구현하는 첨단 플라스틱 마킹

1차 가공 중 폴리머에 블렌딩되는 첨가제로 FDA 승인을 받은 획기적인 첨가제가 플라스틱 레이저 마킹을 최적화합니다. 빠른 속도, 우수한 대비, 비용 절감이 주요 이점입니다. 새로운 화학 첨가제는 "온더플라이(on-the-fly)" 공정과 2차 공정 모두에서 칠흑색, 밝은 색, 맞춤 색상의 대비를 구현할 수 있습니다. 합리적인 가격의 이터븀 파이버 레이저용으로 설계된 인라인 무잉크 레이저 마킹이 이제 기존의 로터리 그라비어 및 패드 인쇄를 대체하고 있습니다.

핵심 요약

• 대부분의 폴리머는 근적외선 흡수 특성이 없으므로, 1060–1080 nm 마킹을 가능하게 하는 것은 바로 첨가제입니다.
• 중금속을 사용하지 않고 FDA 및 EFSA 승인을 받은 첨가제는 투명도, 분광 투과율, 물성을 변화시키지 않으면서 높은 대비를 구현합니다.
• 첨가제는 최적화되지 않은 배합에 비해 마킹 시간을 20% 이상 줄여 주며, 이로써 첨가제 비용이 빠르게 상쇄됩니다.
• 반복률에서는 MOPA가 Q스위치 방식보다 앞서며(최대 500 kHz 대 약 80 kHz), 40 ns 미만의 단펄스는 민감한 폴리머에 적합합니다.
• 온더플라이 속도는 캡류에서 분당 2,000개, 선형 압출 제품에서 500 ft/min 이상에 이릅니다.

자주 묻는 질문

레이저 첨가제는 어느 정도 첨가해야 합니까?

첨가제와 폴리머에 따라 최종 부품 기준 중량의 0.01%~4.0%입니다. 그래뉼 형태는 수지와 바로 블렌딩하고, 분말 형태는 먼저 마스터배치로 만듭니다. 압출, 사출 성형, 열성형에서는 컬러 농축물보다 사전 컴파운딩된 컬러 소재가 더 우수한 균일성을 제공합니다.

레이저 첨가제가 투명도나 물성에 영향을 줍니까?

적절하게 배합된 첨가제는 영향을 주지 않습니다. 폴리머의 투명도, 분광 투과율, 기본 물성이 그대로 유지되므로, 제품 품질을 해치지 않고 투명 및 반투명 폴리머를 마킹할 수 있습니다.

온더플라이 레이저 마킹은 실제로 얼마나 빠르게 수행할 수 있습니까?

폴리올레핀 합성 와인 코르크와 라이너 없는 음료 캡의 언더캡 프로모션에 대한 마킹 속도는 영숫자 텍스트와 그래픽 기준 분당 2,000개에 이릅니다. 텍스트와 머신 비전 코드의 선형 마킹은 500 ft/min 이상을 달성합니다.

Q스위치 파이버 레이저와 MOPA 파이버 레이저는 어떻게 다릅니까?

Q스위치 파이버 레이저는 일반적으로 펄스 폭이 100–120 ns이며, Q스위칭 기술 자체의 한계로 반복률이 약 80 kHz로 제한됩니다. 직접 변조 MOPA 레이저는 나노초 펄스 폭에서 최대 500 kHz로 동작하며, 반복률이 높을수록 일반적으로 마킹이 더 빨라집니다.

이러한 첨가제는 식품 접촉 및 의료기기용으로 승인되어 있습니까?

특정 첨가제는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제)의 A–H 조건에 따라 식품 접촉 및 식품 포장용으로 FDA 승인을 받았으며, EU에도 이에 상응하는 적합성 진술서가 있습니다. 완제품에 대한 추가 적격성 평가를 통해 의료기기 생체적합성을 달성할 수 있습니다. 인증은 폴리머 종류, 첨가량 한계, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 달라집니다.

제품 적용 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)의 승인을 받은 첨가제로 특별히 배합되어 높은 대비의 마킹 품질을 구현합니다(그림 1 참조). 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 심미성을 갖춘 적용이 가능합니다.

폴리머 레이저 마킹 반응 메커니즘

근적외선(NIR) 레이저(파장 1060–1080nm)용 레이저 화학 첨가제 배합에서 이룬 진보는 이터븀 파이버 레이저, 바나데이트 레이저, 그리고 그 전 세대인 Nd:YAG 레이저와의 호환성입니다. 대부분의 폴리머는 화학 첨가제 없이는 NIR 흡수 특성이 없습니다¹. 레이저로 마킹할 수 있는 폴리머는 레이저 광을 흡수하여 광에너지를 열에너지로 변환하는 폴리머입니다. 전문가들은 국부적인 색 변화를 위해 레이저 에너지 흡수를 높이는 첨가제, 충전제, 안료, 염료를 사용합니다. 원하는 마킹 대비와 기능에 따라 배합 화학 조성과 레이저 광학/설정 파라미터가 크게 달라집니다.

가장 일반적인 표면 반응 메커니즘은 열화학적 "탄화" 또는 "차링(charring)"으로, 기재에 흡수된 에너지가 흡수 부위 주변 소재의 국부 온도를 폴리머가 열분해될 만큼 높이는 것입니다. 마킹의 어두움 또는 밝기는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다. 레이저 설정을 최적화하면 표면 탄화 잔류물이 최소화됩니다.

레이저 첨가제

근적외선 레이저 첨가제는 대비도를 높여 주며, 레이저 설정 파라미터를 변경하면 이를 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 "어두운 색" 또는 "밝은 색" 마킹 대비를 내는 고유한 특성을 지닙니다. 이산화티타늄(TiO2)과 카본블랙을 소량 함유한 일부 착색제 화합물도 레이저 광을 흡수할 수 있으며, 경우에 따라 마킹 대비를 개선합니다. 같은 폴리머 계열 안에서도 등급마다 결과가 다를 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관이나 물성, 기능에 나쁜 영향을 주어서는 안 됩니다.

잉크 인쇄 공정(패드/스크린 인쇄 및 잉크젯)과 비교하면 레이저 첨가제는 비용을 절감하며, 최적화되지 않은 소재보다 마킹 속도가 20% 이상 빠를 수 있습니다. 레이저 첨가제는 펠릿 그래뉼과 분말 형태로 공급됩니다. 그래뉼 제품은 폴리머 수지와 바로 블렌딩할 수 있고, 분말 형태는 마스터배치로 만듭니다. 대부분 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 첨가제와 폴리머에 따라 (최종 부품 기준) 중량 첨가 농도는 0.01~4.0% 범위입니다.

그래뉼과 분말 형태 모두 사전 컴파운딩된 컬러 소재나 컬러 농축물에 블렌딩할 수 있습니다. 어떤 첨가제를 사용할지는 폴리머 조성, 기재 색상, 원하는 마킹 대비 색상, 최종 용도의 인증 요건에 따라 결정합니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 컬러 농축물보다 사전 컬러 컴파운딩 소재가 더 우수한 균일성을 제공합니다. 수작업 혼합은 피해야 합니다. 금형 유동과 게이트 유형/위치도 중요한 요소입니다. 최적의 마킹 성능을 얻으려면 각 부품 전체에 걸쳐 레이저 첨가제를 균질하게 분포/분산시키는 것이 매우 중요합니다.

일부 첨가제에는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물이 들어 있어 천연(무착색) 기재의 불투명도에 "회색빛" 색조를 줄 수 있습니다. 다른 첨가제에는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물, 독자 배합 화합물이 들어 있을 수 있습니다. 최종 색상 일치 외관은 안료와 염료로 색상을 조정하여 구현합니다. 시판되는 특정 첨가제(레이저 용접에도 사용됨)는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제)의 A-H 조건에 따라 식품 접촉 및 식품 포장용으로 FDA 승인을 받았습니다. 유럽연합에도 유사한 적합성 진술서가 있습니다. 인증 조건은 폴리머 종류, 첨가량 한계, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 다릅니다. "완제품"에 블렌딩된 FDA 승인 첨가제에 대한 추가 적격성 평가를 통해 의료기기 생체적합성을 달성할 수 있습니다².

나노초 이터븀 파이버 레이저 기술

레이저 기술의 발전은 FDA 승인을 받은 최신 세대 레이저 첨가제의 급속한 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 나노초 이터븀 파이버 레이저의 등장은 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 진보 중 하나입니다.

근본적으로 파이버 레이저는 다른 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 안에 분포되어 있습니다. 파이버 전송 레이저와 달리 빔 경로 전체가 빔 전달 광학계까지 광섬유 케이블 안에 있습니다. 이러한 올 파이버 구조 덕분에 이 레이저는 신뢰성과 견고성이 뛰어나며, 이것이 급속한 성장의 이유입니다.

파이버 레이저는 Nd:YAG 레이저에 비해 우수한 빔 품질(M2)과 휘도를 제공합니다. 빔 품질이 우수한 레이저는 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 에너지 밀도가 높아집니다. 펄스 에너지가 최대 1mJ이고 전력 밀도가 높은 고정 및 가변 펄스 마스터 오실레이터 파워 앰프(MOPA) 파이버 레이저는 그동안 마킹이 어려웠던 많은 폴리머를 마킹할 수 있습니다(그림 2 참조)³.

바나데이트 레이저 역시 M2 값이 작고 고정형 파이버 및 YAG 레이저보다 펄스 폭이 짧습니다. 펄스 지속 시간은 소재 내부로 전달되는 열과 탄화의 정도에 영향을 줍니다. 일반적으로 40ns 미만의 단펄스는 민감한 폴리머 소재를 가공할 때 에너지 투입을 더 정밀하게 제어할 수 있게 합니다. 이러한 펄스는 소재의 임계값을 넘길 만큼의 피크 출력을 여전히 갖추면서도 펄스 에너지는 낮아 국부적인 열 손상을 줄입니다.

고성능 파이버 레이저의 선도적인 개발 및 제조업체인 IPG Photonics는 고정 펄스 YLP 시리즈("Q스위치"라고도 함)와 가변 단펄스 YLPN(MOPA) 레이저를 모두 제공합니다. 일반적으로 펄스 폭이 100–120ns인 Q스위치 파이버 레이저는 일부 마킹 용도에 사용되지만, Q스위칭 기술의 본질적인 제약 때문에 반복률이 약 80kHz로 제한됩니다. 직접 변조 MOPA(DM-MOPA) 파이버 레이저는 나노초 펄스 폭에서 최대 500kHz의 반복률로 동작할 수 있습니다. 높은 반복률은 (다른 레이저/도파 파라미터와 함께) 일반적으로 더 빠른 마킹 속도로 이어집니다.

범용 레이저 솔루션은 없으므로 용도별 개발은 매우 구체적으로 이루어집니다. 단펄스 MOPA 레이저는 민감한 FDA 승인 화학 첨가제의 성능을 최대한 발휘시킬 수 있습니다. 레이저 열 입력과 열 입력 속도를 국부적인 공간 및 시간 측면에서 제어하면 최대 성능을 낼 수 있습니다. 어떤 레이저 유형을 통합할지는 최적화된 폴리머 소재와 상호작용하는 레이저의 출력 특성에 따라 결정됩니다. 그림 3은 고정 및 가변(MOPA) 펄스 길이 이터븀 파이버 레이저의 시간 펄스 형태를 나타냅니다 [3].

마킹용 고정 펄스 길이 파이버 레이저를 설정할 때는 두 가지 입력값을 설정해야 합니다.

• 펄스 반복률(흔히 펄스 주파수라고 함) 및
• 펌프 출력(백분율) – 100%는 펌프 다이오드에 대한 최대 전기 입력을 의미합니다.

마킹용 가변 단펄스 MOPA 파이버 레이저를 설정할 때는 세 가지 입력값을 설정합니다.

• 펄스 지속 시간(흔히 펄스 길이라고 함)
• 펄스 반복률(펄스 주파수) 및
• 앞서 설명한 펌프 출력(백분율)

두 그래프 모두, 파라미터 입력값의 특정 조합이 레이저 빔의 출력 특성, 즉 펄스 에너지, 피크 출력(펄스 에너지의 순간 최고값, 줄/펄스 지속 시간), 평균 출력(와트 단위 평균 출력 = 줄 단위 펄스 에너지 × 헤르츠 단위 펄스 반복률)을 결정합니다.

'온더플라이' 레이저 마킹

"온더플라이" 레이저 마킹은 전선/케이블, 튜브, 파이프와 같은 성형 및 압출 제품에 수행하는 가장 고도로 전문화된 용도 중 하나입니다. 폴리올레핀 합성 와인 코르크와 라이너 없는 음료 캡의 언더캡 프로모션에 대한 마킹 속도는 영숫자 텍스트와 그래픽 기준 분당 2000개에 이릅니다(그림 4 참조). 텍스트와 머신 비전 코드의 선형 마킹 속도는 500 ft/min 이상을 달성할 수 있으며, 이 영역에서 무잉크 레이저 마킹이 이제 로터리 그라비어 및 패드 인쇄를 대체하고 있습니다.

마킹 속도는 폴리머 종류, 기재 색상, 레이저 첨가제 유형과 첨가량, 케이블 크기(무게), 레이저 종류와 출력, 소프트웨어, 영숫자 문자 수, 텍스트 높이, 텍스트 문자열 길이, 문자 간격, 바코드/데이터 매트릭스, 로고/그래픽, 싱글 스트로크 또는 트루타입 채움 글꼴, 채움 방향, 연속 또는 반복 텍스트 등 많은 변수의 함수입니다. 적절하게 배합된 첨가 착색제를 사용하면 마킹 표면의 "전력 밀도"가 제한 요인이 되지 않습니다. 대신 빔 스티어링 갈바노미터가 최대 속도로 동작하게 됩니다.

온더플라이 양산 마킹 능력에 영향을 주는 요인이 복잡하므로 모든 용도를 정밀하게 검토해야 합니다. 일반화할 수 있는 규칙은 거의 없습니다. 다만 참고를 위해 50W 파이버 레이저, 254mm 플랫 필드 렌즈, 영숫자 100자, 높이 2mm, 반복 텍스트 문자열 길이 14.68in., 마킹 시간 0.232초인 나일론 폴리머 사례를 살펴보십시오. 계산된 속도는 약 315 lin. ft/min입니다.

레이저 장비 시스템

레이저 제조업체가 시스템에 탑재하는 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소는 마킹 대비, 품질, 속도에 큰 차이를 만듭니다. 핵심 속성은 마킹 표면의 전력 밀도(W/cm2)이며, 이는 레이저의 원시 출력 파워와는 다릅니다. 레이저 빔의 출력 모드는 마킹 성능에 매우 중요합니다. 이러한 출력 모드는 빔 발산과 레이저 빔 직경에 걸친 출력 분포 등의 요인과 관련이 있습니다.

전력 밀도는 집속된 레이저 스폿 크기의 함수입니다. 주어진 초점 거리 렌즈와 레이저 파장에서 집속된 레이저 스폿 크기는 레이저 빔 발산의 함수이며, 빔 발산은 레이저 구성, 모드 선택 조리개 크기, 업콜리메이터(빔 익스팬더) 배율로 제어됩니다. 펄스 반복률과 피크 전력 밀도는 마킹을 형성하고 최적의 대비와 속도를 얻는 데 핵심 파라미터입니다. 출력 대 펄스 반복률의 산술 곡선은 반비례 관계입니다. 낮은 주파수의 높은 피크 출력은 표면 온도를 급격히 높여 소재를 기화시키면서 기재로 전도되는 열은 최소화합니다. 펄스 반복률이 높아지면 낮은 피크 출력은 기화를 최소로 일으키지만 더 많은 열을 전도합니다. 마킹 대비와 품질에 영향을 주는 추가 요인으로는 물론 빔 속도와 벡터 라인 간격도 있습니다.

결론

폴리머에 적용한 획기적인 FDA 승인 레이저 첨가제는 우수한 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 구현합니다. 레이저 강화 첨가제가 들어간 제품은 20% 이상 빠른 마킹 속도를 냅니다. 이점이 첨가제 소재의 추가 비용을 빠르게 상쇄합니다. 합리적인 가격의 나노초 이터븀 파이버 레이저 기술의 발전이 결정적인 역할을 했습니다. 인라인 온더플라이 레이저 마킹이 이제 로터리 그라비어 및 패드 인쇄를 대체하고 있습니다. 플라스틱 레이저 마킹을 위한 최적화된 소재 과학 화학 조성에는 용해도, 입자 크기, 임계 농도 한계, 색상 일치, 규제 인증(GRAS, FDA 직접/간접 식품 접촉)과 관련한 폴리머, 착색제, 안료, 염료에 대한 전문 지식이 필요합니다. 모든 파이버 레이저가 같은 것은 아닙니다.

감사의 말 및 참고 문헌

저자는 The Sabreen Group이 기술 내용을 기고한 BASF Corporation의 Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, Hoechst Technical Polymers의 Bruce Mulholland와 The Sabreen Group의 “Enlightened laser marking,” Lasers & Optronics (Jul. 1997), 그리고 Baasel Lasertechnik GmbH의 Daniel S. Burgess와 The Sabreen Group의 “Laser marking: A clean economical packaging solution,” Photonics Spectra (Nov. 2001)에 감사드립니다.

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 공정(표면 전처리, 접착 결합, 잉크젯 인쇄, 레이저 마킹, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 컨설팅 기업 The Sabreen Group, Inc.의 창립자이자 사장입니다. 그는 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com을 방문하시면 문의하실 수 있습니다.

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