레이저로 플라스틱을 마킹하는 방법: 레이저 첨가제를 활용한 플라스틱 레이저 마킹

레이저로 플라스틱을 마킹하는 방법: 레이저 첨가제를 활용한 플라스틱 레이저 마킹

핵심 요약

• 폴리아마이드는 소재 특성, 성형 조건, 레이저 구성이 다양하여 마킹하기 가장 어려운 폴리머에 속합니다.
• 대비를 만드는 표면 메커니즘은 세 가지입니다. 탄화에 의한 흑색, 발포 생성에 의한 백색, 착색 폴리머의 색상 변화입니다.
• 가장 수요가 많은 대비는 검정 위 불투명 흰색, 흰색 위 짙은 검정, 중간 청색 위 불투명 흰색입니다.
• MOPA 펄스 폭은 나일론을 포함한 다수의 폴리머에서 20 ns~50 ns가 최적 구간입니다.
• 군수, 항공우주, 자동차, 제약 제품에는 Grade A 검증이 자주 요구됩니다.

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자주 묻는 질문

레이저로 플라스틱을 어떻게 마킹합니까?

근적외선 레이저(이터븀 파이버, 바나데이트, Nd:YAG)가 에너지를 전달하면 폴리머가 이를 흡수하여 열로 변환하며, 세 가지 표면 변화 중 하나가 일어납니다. 탄화에 의한 흑색 마킹, 발포 생성에 의한 백색 마킹, 또는 착색 폴리머의 열화학 반응에 의한 색상 변화입니다. 대부분의 폴리머는 레이저를 흡수하려면 레이저 강화 첨가제가 필요합니다.

나일론은 왜 레이저 마킹이 그렇게 어렵습니까?

폴리프탈아미드를 포함한 폴리아마이드는 소재 특성, 성형 조건, 레이저 구성이 다양하고, 대부분의 폴리머처럼 본래 레이저 광을 흡수하지 않아 색상 변화가 일어나지 않기 때문입니다. 레이저 강화 화학 첨가제는 대비, 속도, 내구성을 크게 향상시킵니다.

나일론에는 어떤 펄스 폭이 가장 적합합니까?

MOPA 레이저는 1 ns에서 250 ns 이상까지의 펄스 폭을 생성합니다. The Sabreen Group은 나일론을 포함한 다수의 폴리머 적용에서 최적의 색상 대비를 얻는 이상적인 범위가 20 ns~50 ns임을 확인했습니다. 가변 단펄스 MOPA 레이저는 과도한 탄화를 피해야 하는 온도 민감성 폴리머에 특히 효과적입니다.

일반적인 첨가제 함량은 얼마입니까?

최종 부품 기준 중량비 0.01%~3.0%입니다. 과립형은 수지와 직접 블렌딩하고, 분말형은 마스터배치로 전환합니다. 각 부품 전체에 걸친 균질한 분포와 분산이 대비의 일관성을 좌우합니다.

데이터 매트릭스 코드에서 마킹 품질이 중요한 이유는 무엇입니까?

데이터 열이 길어질수록 데이터 셀이 더 조밀해지기 때문입니다. 고해상도의 선 가장자리 품질이 있어야 작은 셀도 직접 부품 마킹에서 판독할 수 있습니다. 군수, 항공우주, 자동차, 제약 분야에서는 Grade A 검증이 자주 요구되며, 고대비 코드는 마킹 속도도 더 빠르고 저가형 핸드헬드 리더로도 판독할 수 있습니다.

플라스틱 레이저 마킹: 플라스틱 고대비 레이저 마킹을 위한 종합 솔루션

나일론(폴리아마이드) 플라스틱 제품은 산업 용도가 폭넓어 고대비 레이저 마킹 수요가 빠르게 늘고 있습니다. 기능성 및 장식용 마킹에는 영숫자 식별 정보, 데이터 매트릭스/QR 비전 코드, 도면, 미세 구조물이 포함됩니다.

폴리프탈아미드(PPA)를 포함한 폴리아마이드는 소재 특성, 성형 조건, 레이저 구성이 다양하여 레이저 마킹하기 가장 까다로운 폴리머에 속합니다. 근적외선 레이저용 스마트 첨가제는 소재 물성에 영향을 주지 않으면서 마킹 대비 문제를 해결하고 마킹 속도를 높입니다(사이클 타임 단축).

이 글은 고대비 컬러와 경제적인 레이저 마킹 공정을 구현하기 위한 나일론, 화학 첨가제, 파이버 레이저에 대한 이해를 제공합니다.

마킹 품질을 설명하는 기본 파라미터는 마킹된 표면과 기재 사이의 색상 대비입니다. 이터븀 파이버, 바나데이트(Nd:YVO4), Nd:YAG를 포함한 NIR 레이저를 사용할 때 색상 변화를 일으키는 표면 메커니즘은 세 가지입니다. 1) 탄화에 의한 흑색 마킹, 2) 발포 생성에 의한 백색 마킹, 3) 착색 폴리머의 레이저 유도 열화학 반응에 의한 색상 변화입니다.1 가장 수요가 많은 대비 색상은 검정 위 불투명 흰색, 흰색 위 짙은 검정, 중간 청색 위 불투명 흰색입니다. 이러한 색상 조합에는 화학 첨가제가 필요한 경우가 많습니다. 첨가제는 색상 대비 정도(레이저 광 흡수)를 높이며, 최적의 레이저 선정과 마킹 파라미터로 그 효과가 더욱 커집니다.

나일론(폴리아마이드)이란 무엇입니까?

폴리아마이드, 즉 나일론은 반복되는 아마이드 결합(–CO-NH–)을 포함하는 주요 엔지니어링 및 고성능 열가소성 플라스틱 계열입니다. 동일한 단위의 축합으로 형성되며, 서로 다른 단위의 경우에는 공중합체가 됩니다.

나일론은 이산과 디아민의 중축합 또는 탄소 수 6, 11, 12개의 락탐 개환 중합으로 만들어집니다.2 나일론 단량체는 지방족, 반방향족 또는 방향족(아라미드)일 수 있으며, 구조는 비정질, 반결정성이고 결정화도는 높거나 낮은 것까지 다양합니다.

지방족 폴리아마이드는 완전 방향족 폴리아마이드보다 훨씬 대규모로 생산되며, 엔지니어링 열가소성 플라스틱 중 가장 중요한 계열의 하나입니다.

대표적인 두 가지 폴리아마이드는 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 6,6)와 폴리카프로락탐(나일론 6)입니다. 그 밖의 지방족 폴리아마이드에는 나일론 12, 69, 6-10, 6-12, 46, 1212가 있습니다. 나일론 11은 피마자 같은 재생 가능한 자원에서 얻는 바이오 기반 엔지니어링 플라스틱입니다.

지방족 아마이드의 축합으로 만든 반방향족, 반결정성 폴리아마이드에는 PA 6T와 PA 6I가 있습니다. 반방향족 폴리아마이드는 더 비싼 완전 방향족 아라미드의 비용 효율적인 대안인 경우가 많습니다. 아라미드라 불리는 방향족 폴리아마이드는 지방족 아마이드보다 강도가 높고, 내용제성, 내화염성, 내열성이 우수하며 치수 안정성도 뛰어납니다. 널리 알려진 방향족 아마이드로는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)인 케블라(Kevlar)가 있습니다.

폴리프탈아미드(PPA)를 포함한 폴리아마이드는 소재 특성, 성형 조건, 레이저 구성이 다양하여 레이저 마킹하기 가장 까다로운 폴리머에 속합니다.

폴리프탈아미드(PPA)는 폴리아마이드(나일론) 계열에 속하는 열가소성 합성 수지의 한 하위 그룹으로, 폴리머 사슬 반복 단위의 카복실산 부분에서 55몰% 이상이 방향족으로 구성된 경우를 말합니다. PPA는 반방향족, 반결정성입니다. PPA는 PA6,6, PA6 같은 지방족 나일론과 훨씬 더 비싼 폴리아라미드 사이의 성능 격차를 메웁니다.

“스마트” 첨가제

마킹 품질을 설명하는 파라미터 중 하나는 마킹된 표면과 배경 사이의 색상 대비입니다. 대비는 색상 변화만으로 얻어지는 것이 아니며, 가변적인 빛의 회절로도 얻을 수 있습니다.

마킹 품질 및 충실도, 즉 미세 선 해상도나 선명도도 똑같이 중요합니다. 나일론을 포함한 많은 폴리머는 본래 레이저 광을 흡수하지 않아 색상 변화가 일어나지 않습니다. 레이저 강화 화학 첨가제는 마킹 대비, 속도, 내구성을 크게 향상시킵니다(이미지 1 참조). 카본 블랙, TiO2, 난연제와 같은 화합물은 레이저 광 흡수 정도가 각기 다르므로 기재 색상도 하나의 요인입니다.

레이저 첨가제는 펠릿 과립형과 분말형으로 공급됩니다. 과립형 제품은 폴리머 수지와 직접 블렌딩하고, 분말형은 마스터배치로 전환합니다. 최종 부품 기준 중량비 첨가 농도는 통상 0.01~3.0% 범위입니다. 최적의 색상 대비를 얻으려면 각 부품 전체에 걸쳐 레이저 첨가제가 균질하게 분포하고 분산되어야 합니다.

최종 컬러 매치 외관을 얻기 위해 안료와 염료로 색상을 조정합니다. 일부 특정 첨가제는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제) 조건 A-H에 따라 식품 접촉 및 식품 포장용으로 FDA 승인을 받았습니다.1

이터븀 파이버 레이저

NIR 이터븀 파이버 레이저는 2010년경 산업용 마킹 시장에 진입하여 기존 YAG 레이저를 대체했습니다. 파이버 레이저는 빔 품질(M2)과 고휘도가 우수하며 작은 스폿 크기(20 마이크론 미만)로 집속할 수 있어 에너지 밀도가 높습니다. 파이버 레이저는 활용도가 매우 높고 비용 효율적이며, 유지보수가 거의 필요 없는 플러그 앤 플레이 방식입니다.

고정 펄스(Q-스위치)와 가변 펄스(MOPA) 나노초 파이버 레이저는 IPG Photonics, SPI Lasers를 비롯한 여러 레이저 업체에서 판매합니다. 통상 펄스 폭 100~150 ns의 Q-스위치 파이버 레이저는 일부 폴리머 마킹 용도에 사용되지만, Q-스위칭 기술 고유의 제약 때문에 반복률이 약 80 kHz로 제한됩니다.

직접 변조 MOPA(DM-MOPA) 파이버 레이저는 나노초 펄스 폭에서 최대 500 kHz의 반복률로 동작합니다. 펄스 폭[ns]은 펄스의 시작과 끝 사이의 시간을 나타내는 척도로, 일반적으로 펄스 형상의 반치전폭(FWHM)을 기준으로 합니다.

반복률이 높으면 (다른 레이저/파형 파라미터와 함께) 일반적으로 마킹 속도가 빨라집니다. 파형과 표면 탄화 정도에는 상당한 차이가 있습니다.3(이미지 1 참조)

레이저 열 입력과 그 입력 속도를 국소적으로 공간 및 시간 제어하면 최대 성능을 얻을 수 있습니다. 온도 민감성 폴리머에는 가변 단펄스(MOPA) 파이버 레이저가 과도한 탄화 없이 고대비를 얻는 데 특히 효과적입니다.

의료 용도의 투명 플라스틱에서는 서브서피스 마킹이 가능합니다. 일반적으로 MOPA 레이저는 1 ns~250 ns(및 그 이상)의 펄스 폭(펄스 지속 시간)을 생성합니다. The Sabreen Group은 나일론을 포함한 다수의 폴리머 적용에서 최적의 색상 대비를 얻는 이상적인 범위가 20 ns~50 ns임을 확인했습니다.

외관용 및 기능성 마킹 대비에서, 직접 부품 마킹(DPM) 데이터 매트릭스와 바코드에 고해상도, 선 가장자리 품질, 작은 데이터 셀이 요구될 때 레이저 첨가제가 결정적인 차이를 만듭니다. 데이터 열이 길어질수록 데이터 셀은 더 조밀해집니다.

군수, 항공우주, 자동차, 제약 제품에는 Grade “A” 검증이 자주 요구됩니다. 고대비 코드 판독성은 마킹 속도가 빨라지고 공장 전체에서 저가형 핸드헬드 리더를 사용할 수 있다는 추가 이점도 있습니다.

결론

참고 문헌

• 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 제조 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착, 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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