“스마트 첨가제”로 플라스틱 레이저 마킹 향상

“스마트 첨가제”로 플라스틱 레이저 마킹 향상

대비, 선 가장자리 디테일, 속도 개선

폴리머에 배합하는 최신 세대의 레이저 마킹 “스마트 첨가제”는 가능성을 넓히면서 비용도 절감하는 기술적 도약입니다. 이러한 첨단 소재 과학 배합은 그동안 레이저 마킹이 불가능하지는 않더라도 어려웠던 플라스틱에서 전례 없는 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 구현합니다. 열화학적 표면 반응을 위해 설계된 이 배합은 파장 1060~1070nm(근적외선 영역)에서 작동하는 파이버, YAG, 바나데이트 레이저에 이상적입니다.

레이저로 마킹할 수 있는 폴리머는 레이저 빛을 흡수하여 빛 에너지를 열에너지로 변환하는 폴리머입니다. 대부분의 폴리머는 1060~1070nm에서 흡수 특성이 없으므로, 전문가들은 국부적인 색 변화를 위해 레이저 에너지 흡수를 높이는 첨가제, 충전제, 안료, 염료를 사용합니다. 고대비 및 컬러 레이저 마킹을 위한 소재 과학 화학은 예술이자 과학입니다. 흔히 알려진 것과 달리 모든 마킹 문제를 해결하는 단일 레이저 첨가제는 존재하지 않습니다. 원하는 마킹 대비와 기능에 따라 크게 다른 배합 화학, 레이저 종류(파이버, YAG, 바나데이트), 레이저 광학/설정 파라미터가 사용됩니다.

그림 1은 폴리에틸렌의 “어두운 마킹 대비”(왼쪽), 나일론의 “흰색 마킹 대비”(가운데), ABS의 맞춤 색상인 황금빛 노랑(오른쪽)을 보여줍니다. 또한 세 가지 고유한 표면 반응 메커니즘을 보여줍니다. 첫째, 탄화 과정은 흡수된 에너지가 흡수 지점 주변 소재의 국부 온도를 폴리머의 열분해가 일어날 만큼 높일 때 발생합니다. 산소가 있으면 폴리머가 연소될 수 있지만, 기재 내부에서는 산소 공급이 제한되어 폴리머가 탄화하면서 검은색 또는 어두운 마킹 대비가 형성됩니다. 마크의 어두운 정도는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다. 수지 착색제 매트릭스에 블렌딩할 때, 어두운 마킹 대비를 내는 첨가제는 안티몬 도핑 산화주석, 삼산화안티몬 또는 알루미늄 입자의 혼합물을 함유하는 경우가 많습니다. 모두 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 일반적인 중량 배합 농도는 0.01%~3.0%입니다. 최종 배합 중 다수가 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제)의 A-H 조건에 따라 FDA 사용 승인을 받았습니다.

두 번째 표면 반응은 화학적 변화로, 분해 시 증기를 방출하는 첨가제를 사용하여 폴리머를 발포시키는 것입니다. 발포 과정에서 레이저 에너지는 발포제와 가까이 있는 첨가제에 흡수됩니다. 흡수제에서 나온 열이 발포제를 분해시켜 증기를 방출하게 합니다. 발포제의 예로는 수산화알루미늄이나 다양한 탄산염이 있습니다. 탄화를 방지하려면 이 메커니즘에서는 폴리머가 발포 첨가제보다 높은 온도에서 분해되어야 합니다. 레이저 작동 파라미터를 엄격히 제어하면 어두운 기재 위에 품질이 높고 내구성 있는 밝은 마크를 만들 수 있습니다. 레이저 제어가 미흡하면 부서지기 쉽거나 대비가 낮아 쉽게 긁히는(내구성이 떨어지는) 마크가 생길 수 있습니다.

세 번째는 레이저 에너지로 착색제 혼합물 중 한 가지 착색제를 가열/분해하여 색 변화를 일으키는 방식입니다. 예를 들어 카본 블랙과 안정적인 무기 착색제의 혼합물이 있습니다. 가열하면 카본 블랙이 제거되고 무기 착색제가 남습니다. 이러한 혼합 착색제 시스템은 각 착색제의 특정한 안정성에 좌우되므로 모든 색 변화가 가능한 것은 아닙니다.

레이저 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관, 물리적 또는 기능적 특성에 악영향을 주어서는 안 됩니다. 또한 폴리머의 국부 온도를 탄화나 발포가 일어날 만큼 충분히 높일 수 있도록 레이저 에너지를 충분히 흡수해야 마크가 만들어집니다. 이 온도는 같은 폴리머 계열 안에서도 폴리머마다 다릅니다.

핵심 요약

• 만능 첨가제는 없습니다. 흔히 알려진 것과 달리 화학 조성은 폴리머, 색상, 레이저에 맞춰야 합니다.
• 탄화, 발포, 착색제 색 변화의 세 가지 메커니즘으로 어두운 마크, 흰색 마크, 맞춤 색상 마크를 구현합니다.
• 배합량은 낮아서 일반적으로 중량 0.01%~3.0%이며, 다수의 배합이 21 CFR 178.3297에 따라 FDA 승인을 받았습니다.
• 0.01%~2.0%의 낮은 농도의 첨가제만으로 15% 이상의 속도 향상을 얻을 수 있습니다.
• 열분해 온도로 마킹 가능성을 예측할 수 있습니다. 두 HDPE 등급이 이 이유만으로 마킹 결과가 크게 다를 수 있습니다.

자주 묻는 질문

모든 마킹 문제를 해결하는 단일 레이저 첨가제가 있습니까?

아니요. 흔히 알려진 것과 달리 만능 첨가제는 존재하지 않습니다. 원하는 대비와 기능에 따라 크게 다른 배합 화학, 레이저 종류(파이버, YAG, 바나데이트), 광학 및 설정 파라미터가 필요합니다.

첨가제는 어두운 플라스틱에 어떻게 흰색 마크를 만듭니까?

발포를 통해서입니다. 첨가제가 분해되면서 증기를 방출하고, 레이저 에너지는 발포제 가까이에 있는 흡수제에 흡수됩니다. 수산화알루미늄과 다양한 탄산염이 대표적인 발포제입니다. 폴리머는 발포 첨가제보다 높은 온도에서 분해되어야 하며, 그렇지 않으면 대신 탄화가 일어납니다.

같은 폴리머의 두 등급이 다르게 마킹되는 이유는 무엇입니까?

열분해 온도가 다르기 때문입니다. 두 HDPE 시료의 열중량 분석에서는 분해 시작 온도에 뚜렷한 차이가 나타나며, 열분해 온도가 높은 폴리머는 같은 마크 외관을 얻기 위해 더 많은 레이저 에너지, 더 느린 마킹 속도, 또는 더 많은 흡수 첨가제가 필요합니다.

최적화된 첨가제를 사용하면 마킹이 얼마나 빨라집니까?

최적화되지 않은 배합 대비 15% 이상의 통계적으로 유의미한 향상이 약 0.01%~2.0%의 낮은 농도에서 달성됩니다. 라이너리스 음료 마개의 캡 안쪽 프로모션 온더플라이 마킹은 분당 최대 1,500개 마개의 속도로 진행됩니다.

밝은 마크가 쉽게 긁혀 벗겨지는 원인은 무엇입니까?

발포 과정에서의 레이저 제어 미흡입니다. 파라미터를 엄격히 제어하지 않으면 이 메커니즘이 구현할 수 있는 품질 높고 내구성 있는 밝은 마크 대신, 부서지기 쉽거나 대비가 낮고 내구성이 떨어지는 마크가 생깁니다.

더 빠른 마킹 속도 달성

부품을 마킹하는 데 필요한 시간은 폴리머 기재, 그려지는 벡터 선의 수, 그리고 레이저 빔/갈바노미터 스캔 헤드가 모든 선을 그리는 속도에 따라 결정됩니다. 레이저 소프트웨어와 벡터 채움 방식(단방향, 양방향, 서펜타인)도 마킹 시간에 영향을 줄 수 있습니다. 새로운 독립 연구에 따르면 일반적으로 0.01%~2.0%의 매우 낮은 농도로 레이저 첨가제 배합을 적용하면 통계적으로 유의미하게 빠른 마킹 속도를 달성할 수 있습니다.

그림 2는 두 종류의 고밀도 폴리에틸렌에 대한 열중량 분석(TGA) 그래프를 보여줍니다. 두 폴리머는 서로 다른 열분해 온도를 나타내며, 이 열분해가 바로 레이저 마크를 만드는 과정입니다. 열분해 온도가 높은 폴리머는 동일한 마크 외관을 얻기 위해 더 많은 레이저 에너지, 더 낮은 마킹 속도, 또는 더 많은 흡수 첨가제가 필요합니다. 스마트 첨가제는 비용을 절감하며, 최적화되지 않은 소재 배합 대비 15% 이상 빠른 마킹 속도를 보여줍니다. 흥미로운 응용 중 하나는 라이너리스 음료 마개의 캡 안쪽 프로모션을 위한 “온더플라이” 레이저 마킹입니다. 턴키 시스템은 분당 최대 1,500개 마개의 속도로 고유한 그래픽과 영숫자 텍스트를 마킹할 수 있습니다. 예시는 그림 3에 나와 있습니다.

레이저 기술

레이저 기술의 발전은 스마트 레이저 첨가제의 급속한 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 나노초 파이버 레이저 기술은 떠오르는 분야이며 마킹, 용접, 절단용 레이저에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 파이버 레이저는 다른 고체 마킹 레이저와 근본적으로 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.

파이버 레이저는 뛰어난 빔 품질과 휘도를 제공합니다. 빔 품질의 척도는 M2이며, M2 값이 작을수록 빔 품질이 우수하고 M2 = 1이 이상적인 가우시안 레이저 빔입니다. 빔 품질이 우수한 레이저는 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 얻습니다. 펄스 에너지가 최대 1 mJ이고 출력 밀도가 높은 MOPA 파이버 레이저는 나일론, 우레탄, 아세탈 등 예전에는 마킹이 어려웠던 여러 폴리머를 마킹할 수 있습니다.

모든 빔 스티어링 파이버, YAG, 바나데이트 레이저가 동일하지는 않습니다. 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. 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.

결론

폴리머에 배합하는 최신 세대의 레이저 마킹 “스마트 첨가제”는 전례 없는 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 구현합니다. 이러한 이점은 첨가제의 추가 소재 비용을 빠르게 상쇄합니다. 플라스틱 레이저 마킹을 위한 최적의 소재 과학 화학 배합을 구현하려면 폴리머, 폴리머 계열 내 물성 등급, 착색제, 안료 및 염료의 용해도, 입자 크기, 임계 농도 한계, 색상 매칭, 규제 인증(GRAS, FDA 직접/간접 식품 접촉)에 관한 전문 지식이 필요합니다. 소재 과학 솔루션은 비용 효율적이고 사용이 쉬워야 하며, 폴리머의 물리적, 화학적 특성에 해로운 영향을 주어서는 안 됩니다.

참고 문헌

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group Inc.), “Enlightened Laser Marking,” Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution,” Photonics Spectra, November 2001.

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.

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