제품 보안, 식별, 위조 방지를 위한 파이버 레이저 마킹

제품 보안, 식별, 위조 방지를 위한 파이버 레이저 마킹

플라스틱 제품의 직접 부품 마킹에서 레이저 마킹은 인몰드 라벨링과 잉크 기반 인쇄보다 유리합니다. 이터븀 파이버 레이저의 등장으로 레이저는 보안 및 위조 방지 조치를 추가하는 중요한 방법으로서의 입지를 더욱 확고히 했습니다.

머신 비전 코드를 포함한 지워지지 않는 직접 부품 마킹에 대한 산업 제조 현장의 요구가 빠르게 늘고 있습니다. 널리 알려진 코드 유형은 QR, Data Matrix, 바코드의 세 가지입니다. 직접 부품 마킹을 사용하면 고유한 개별 제품을 제조 시점부터 수명이 다할 때까지 추적할 수 있습니다. 머신 비전 코드에 대한 수요는 부품 추적성과 제품 고유 식별(UID)에 대한 요구가 커지면서 나타난 것입니다. 9/11 이후 제조업체들은 추적성을 확보하고 제품 변조와 위조를 막기 위한 전략을 도입하기 시작했습니다. 미국 국방부(DoD)는 군수품에 대한 표준 관행으로 MIL-STD-130을 개발했습니다. DoD를 넘어 자동차, 제약, 전자, 포장, 소비재를 포함한 상업용 산업 제품 제조업체들도 유사한 표준을 적극적으로 도입하고 있습니다.

핵심 요약

• Data Matrix 코드는 동일한 데이터를 담은 바코드의 1/10에서 1/100 크기이며, 표면적이 부족한 곳에서 매우 중요합니다.
• 각 코드의 약 절반은 설계상 중복으로 되어 있어 셀이 손상되어도 판독성에 영향이 없을 확률이 50%입니다.
• MIL-STD-130이 표준을 정립했으며, 자동차, 제약, 전자, 포장 분야에서도 이에 상응하는 표준을 채택했습니다.
• 머신 비전 코드의 약 25%가 해상도 품질 불량으로 오독되며, 이는 주로 잉크젯의 한계입니다.
• 자동차 엔진룸 내부 연료 부품에서 1/6인치 2D 코드는 150밀리초 이내에 마킹됩니다.

자주 묻는 질문

머신 비전 코드에 잉크젯 대신 레이저 마킹을 사용하는 이유는 무엇입니까?

해상도와 영구성 때문입니다. 지워지는 잉크젯은 특히 소형 부품에서 머신 비전에 필요한 미세한 선 가장자리 해상도를 구현할 수 없으며, 전문가들은 머신 비전 코드의 약 25%가 해상도 품질 불량으로 오독된다고 봅니다. 또한 대부분의 잉크는 전처리를 하더라도 저표면에너지 플라스틱에 충분히 접착되지 않습니다.

Data Matrix는 바코드보다 어떤 점이 유리합니까?

크기와 복원력입니다. 동일한 데이터를 인코딩할 때 Data Matrix는 바코드의 1/10에서 1/100 크기입니다. 데이터가 심볼 전체에 분산되어 있어 코드는 검은색과 흰색이 약 절반씩이며, 셀이 손상되어도 판독성에 영향이 없을 확률이 대략 반반이고, 내장된 오류 정정 기능이 심볼 손상으로부터의 복구를 돕습니다.

Data Matrix 코드를 바코드 스캐너로 읽을 수 있습니까?

아니요. 일반적으로 심볼 전체를 훑을 수 있는 스윕 패턴이 없으므로 Data Matrix는 레이저 스캐너가 아니라 카메라 캡처 장치로 스캔해야 합니다.

직접 부품 마킹이 도입된 배경은 무엇입니까?

추적성과 고유 식별에 대한 요구입니다. 9/11 이후 제조업체들은 추적성을 확보하고 변조와 위조를 막기 위한 전략을 도입하기 시작했으며, 미국 국방부는 군수품에 대한 표준 관행으로 MIL-STD-130을 개발했습니다. 상업 분야에서도 유사한 표준을 채택했습니다.

작은 2D 코드에는 실제로 어떤 데이터를 담을 수 있습니까?

자동차 엔진룸 내부 연료 부품에서는 150밀리초 이내에 마킹된 1/6인치 코드에 수지 배치, 성형기, 날짜, 교대 및 시간, 조립 누설 시험 결과 등 부품의 전체 추적 정보가 담깁니다.

디지털 방식과 아날로그 방식의 마킹/인쇄 기술 비교

고유 식별 정보를 담은 직접 부품 마킹에는 레이저 마킹, 잉크젯, 도트 핀과 같은 “디지털” 기술이 필요합니다. 인몰드 라벨링과 열전사 라벨링은 레이저 마킹보다 훨씬 비싼 2단계 공정이므로 이 글에서는 다루지 않습니다. 3차원 형상의 플라스틱 제품에서는 레이저가 선호되는 방식인데, 대비가 높고 지워지지 않는 마킹을 얻을 수 있으며 고가의 소모성 잉크/용제나 후경화 공정이 필요 없기 때문입니다. 레이저는 가장 작은 크기의 머신 비전 코드까지 정확하게 마킹할 수 있습니다. 이는 마이크로 마킹이나, 영숫자, 로고, 회로도를 마킹할 부품 또는 구성품의 표면적이 제한된 경우에 중요합니다. 견고한 식스 시그마 운영에서는 실제 마킹의 크기와 복잡도에 관계없이 모든 제품을 사람 또는 머신 비전이 100% 판독할 수 있어야 합니다.

우수한 응용 사례는 혹독한 환경의 자동차 엔진룸 내부 연료 부품 및 조립품(주로 아세탈, 나일론, 폴리에스터 폴리머)에 레이저로 2D Data Matrix 코드를 적용하는 것입니다(사진 1). 1/6인치 크기의 코드는 150밀리초 미만에 마킹됩니다. 코드에 담긴 데이터에는 수지 배치, 성형기, 날짜-교대-시간, 조립 누설 시험까지 부품의 전체 추적 정보가 포함됩니다.

한 자동차 업계 임원은 이렇게 설명했습니다. “우리가 설계하는 엔진룸 내부 아세탈 연료 부품은 대부분 소형입니다. 인라인 누설 시험 이후, 자동 조립 공정 끝부분에서 핵심 정보와 Data Matrix 코드를 지워지지 않게 마이크로 마킹하는 것은 업계에서 큰 가치가 있습니다. 고유 부품 식별은 사내 재공품 재고 관리에도 도움이 됩니다.”

비접촉 레이저 마킹 및 잉크젯 공정과 비교할 때, “아날로그” 방식인 잉크 전사 패드 인쇄와 스크린 인쇄는 대부분의 플라스틱에서 지워지지 않는 마킹이나 개별 단위 수준의 고유 식별을 구현할 수 없습니다.

또한 이 공정에는 잉크, 탐폰(패드), 클리셰(인쇄판), 화학 약품에 드는 고가의 반복 변동비가 발생합니다. 레이저 마킹과 잉크젯을 비교하면 잉크 및 소모품 비용 절감 효과는 비슷합니다. 지워지는 잉크젯은 특히 소형 부품에서 머신 비전에 필수적인 미세한 선 가장자리 해상도를 구현할 수 없습니다. 전문가들은 머신 비전 코드의 25%가 해상도 품질 불량으로 오독된다고 봅니다. 대부분의 잉크는 전처리를 하더라도 많은 저표면에너지 플라스틱에 충분히 접착되지 않는다는 점을 유념해야 합니다. 이러한 조건은 디지털과 아날로그 잉크 인쇄 공정 모두에 해당합니다.

머신 비전 코드란 무엇입니까? 기계 판독(비전) 코드는 광학 스캐너나 카메라로 해석할 수 있는 정보를 담고 있습니다. 대표적인 예가 1차원 “바코드”로, 일반적으로 밝은 배경 위의 어두운 대비로 정보를 표현하여 높고 낮은 반사율을 만들고 이를 1과 0으로 변환합니다. 가장 일반적인 바코드 형식은 인쇄된 평행선(흑백 줄무늬)의 폭과 간격에 데이터를 저장합니다.

최신 바코드 방식은 ASCII 문자 집합을 담을 수 있지만, 일부 제조 분야에서는 훨씬 더 고도화된 머신 비전 코드가 필요합니다. 더 좁은 공간에 더 많은 정보를 인코딩하려는 지속적인 요구로 2차원 “Data Matrix” 코드가 개발되었습니다. Data Matrix 코드는 바코드에 쓰이는 레이저로는 판독할 수 없는데, 일반적으로 심볼 전체를 훑을 수 있는 스윕 패턴이 없기 때문입니다. Data Matrix 코드는 반드시 카메라 캡처 장치로 스캔해야 합니다. 2D Data Matrix는 바코드의 한계를 해결하기 위해 특별히 설계된 혁신적인 기계 판독 코드입니다. 그림 1은 2D 코드(Data Matrix와 QR)와 바코드의 차이를 보여줍니다.

2D Data Matrix 코드는 소형 부품 마킹에 이상적이며 혹독한 산업 환경에서도 견디도록 설계되었습니다. Data Matrix 코드의 크기는 동일한 데이터를 인코딩할 때 바코드의 1/10에서 1/100입니다. 부품에서 아주 작은 공간만 있으면 제품 추적성을 위한 상당한 제조 데이터를 담을 수 있습니다. 모든 코드는 검은색과 흰색이 약 절반씩이어서 셀이 손상되어도 판독성에 영향이 없을 확률이 50%입니다. Data Matrix의 높은 중복성(데이터가 심볼 전체에 분산됨)과 인쇄 결함에 대한 내성 덕분에 신뢰성이 매우 높습니다. 알고리즘에 내장된 오류 정정 체계는 심볼 손상으로부터 복구하는 능력을 최적화합니다. 표 1을 참조하십시오.

레이저 첨가제

근적외선 레이저 첨가제는 대비 정도를 높이며, 레이저 설정 파라미터를 바꾸면 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 “어두운 색” 또는 “밝은 색” 마킹 대비를 내는 고유한 특성을 지닙니다. 소량의 이산화티타늄(TiO2)과 카본 블랙을 함유한 일부 착색제 화합물도 레이저 빛을 흡수하여 경우에 따라 마킹 대비를 개선할 수 있습니다. 같은 폴리머 계열 안에서도 폴리머 등급마다 결과가 다를 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관이나 물리적, 기능적 특성에 악영향을 주어서는 안 됩니다.

잉크 인쇄 공정(패드/스크린 인쇄 및 잉크젯)과 비교하면 레이저 첨가제는 비용을 절감하며, 최적화되지 않은 소재 대비 20% 이상 빠른 마킹 속도를 보일 수 있습니다. 레이저 첨가제는 펠릿 과립과 분말 형태로 공급됩니다. 과립 제품은 폴리머 수지와 직접 블렌딩할 수 있고, 분말 형태는 마스터배치로 전환합니다. 대부분 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 첨가제와 폴리머에 따라 (최종 부품 기준) 중량 배합 농도는 0.01~4.0%입니다.

일부 첨가제는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물을 함유하여 천연(무착색) 기재의 불투명도에 “회색빛” 색조를 줄 수 있습니다. 다른 첨가제에는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물, 독자 배합 화합물이 들어 있을 수 있습니다. 안료와 염료로 색상을 조정하여 최종 색상 매칭 외관을 구현합니다. 시판되는 특정 첨가제(레이저 용접에도 사용됨)는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제)의 A-H 조건에 따라 식품 접촉 및 식품 포장 용도로 FDA 승인을 받았습니다. 유럽연합에도 유사한 적합성 선언이 있습니다. 인증 조건은 폴리머 종류, 배합량 임계값, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 다릅니다. “최종 부품”에 블렌딩된 FDA 승인 첨가제를 추가로 검증하면 의료기기의 생체적합성을 확보할 수 있습니다.

이터븀 파이버 레이저 기술

레이저 기술의 발전은 최신 세대 FDA 승인 레이저 첨가제의 급속한 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 나노초 이터븀 파이버 레이저의 등장은 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 근본적으로 파이버 레이저는 다른 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저에서는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 안에 분산되어 있습니다. 광섬유 전송 레이저와 달리 빔의 전체 경로가 빔 전달 광학계에 이르기까지 광섬유 케이블 안에 있습니다. 이러한 전 광섬유 구조가 이 레이저의 신뢰성과 내구성의 주된 이유이며, 이것이 빠른 성장의 배경입니다.

파이버 레이저는 Nd:YAG 레이저보다 뛰어난 빔 품질(M2)과 휘도를 제공합니다. 빔 품질이 우수한 레이저는 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 얻습니다. 펄스 에너지가 최대 1mJ이고 출력 밀도가 높은 고정 및 가변 펄스 MOPA(master oscillator power amplifier) 파이버 레이저는 예전에는 마킹이 어려웠던 여러 폴리머를 마킹할 수 있습니다. 바나데이트 레이저도 M2 값이 작고 고정 파이버 레이저나 YAG 레이저보다 펄스 폭이 짧습니다. 펄스 지속 시간은 소재 내부로 전달되는 열과 탄화의 정도에 영향을 줍니다. 일반적으로 40ns 미만의 짧은 펄스는 민감한 폴리머 소재를 가공할 때 에너지 입력을 더 세밀하게 제어할 수 있게 합니다. 이러한 펄스는 소재 임계값을 넘는 피크 출력은 유지하면서 펄스 에너지는 낮아 국부적인 열 손상을 줄여 줍니다.

응용 개발은 매우 개별적이며 모든 경우에 통하는 레이저 솔루션은 없습니다. 단펄스 MOPA 레이저는 민감한 FDA 승인 화학 첨가제의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 레이저 열 입력과 열 입력 속도에 대한 국부적인 공간 및 시간 제어가 최대 성능을 가능하게 합니다. 어떤 레이저 종류를 적용할지는 레이저의 출력 특성이 최적화된 폴리머 소재와 어떻게 상호작용하는지에 따라 결정됩니다.

레이저 장비 시스템

레이저 제조업체가 시스템에 적용하는 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소에 따라 마킹 대비, 품질, 속도가 크게 달라집니다. 핵심 특성은 마킹 표면에서의 출력 밀도(W/cm²)이며, 이는 레이저의 원시 출력과는 다릅니다. 레이저 빔의 출력 모드는 마킹 성능에 매우 중요합니다. 이러한 출력 모드는 빔 발산과 빔 직경 전반의 출력 분포 등의 요소와 관련됩니다.

출력 밀도는 집속된 레이저 스폿 크기의 함수입니다. 특정 초점 거리 렌즈와 레이저 파장에서 집속 스폿 크기는 빔 발산의 함수이며, 빔 발산은 레이저 구성, 모드 선택 조리개 크기, 업콜리메이터(빔 익스팬더) 배율로 제어됩니다. 펄스 반복률과 피크 출력 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비와 속도를 얻는 데 중요한 파라미터입니다. 출력 대 펄스 반복률의 산술 곡선은 반비례 관계입니다. 낮은 주파수에서 높은 피크 출력은 표면 온도를 급격히 높여 소재를 기화시키면서 기재로 전달되는 열은 최소화합니다. 펄스 반복률이 높아지면 더 낮은 피크 출력이 기화는 최소화하지만 더 많은 열을 전달합니다. 마킹 대비와 품질에 영향을 주는 추가 요인으로는 당연히 빔 속도와 벡터 선 간격이 있습니다.

결론

최신 머신 비전 시스템은 단독 검사 장치에 그치지 않습니다. 통계적 품질 관리 지표 프로그램을 포함한 식스 시그마 제조 운영에 통합됩니다. 첨단 시스템에는 인공지능이 탑재되어 레이저와 머신 비전 코드의 활용 범위를 더욱 넓혀 줍니다. 레이저 마킹이 결합된 이 강력한 조합은 공정 피드백과 오류 방지를 제공하여 결함이 거의 없는 제품을 만드는 데 성공의 핵심으로 평가받습니다.

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 창립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조상의 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

---