플라스틱 레이저 마킹을 향상시키는 혁신 첨가제: 뛰어난 대비, 선 가장자리 디테일, 속도

플라스틱 레이저 마킹을 향상시키는 혁신 첨가제: 뛰어난 대비, 선 가장자리 디테일, 속도

폴리머에 배합하는 최신 세대의 레이저 마킹 첨가제는 기술적으로 크게 진보한 것으로, 가능성을 넓히면서 비용도 절감한다는 점이 입증되었습니다. 진보된 소재 과학 배합은 그동안 레이저 마킹이 불가능하지는 않더라도 어려웠던 플라스틱에서 뛰어난 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 구현합니다. 합리적인 가격의 파이버, 바나데이트, YAG 레이저용으로 설계된 이 배합은 근적외선 영역 1060-1070nm에서 작동합니다. 이 글에서는 “열화학적 표면 탄화”를 위해 설계된 어두운 색 및 밝은 색 레이저 마킹 대비 응용을 다룹니다. 이는 가장 일반적인 폴리머 표면 반응이며 “발포” 및 “색상” 변화 메커니즘과는 뚜렷이 다른 화학적 경로입니다.

PVC, 폴리카보네이트, 폴리올레핀을 포함한 투명 및 반투명 폴리머도 이제 중금속을 사용하지 않는 FDA 승인 첨가제로 고유하게 배합됩니다. 폴리머의 투명도와 분광 투과 특성은 그대로 유지됩니다. 이 혁신으로 압출 튜브/파이프 제품의 “온더플라이” 및 2차 공정에서 표면 탄화 잔류물을 최소화하면서 칠흑 같은 레이저 마킹 대비를 얻을 수 있습니다. 이제 인라인 무잉크 레이저 마킹이 로터리 그라비어 인쇄와 패드 인쇄를 대체하고 있습니다. (사진 A 참조.)

핵심 요약

• 1060-1070nm 근적외선 대역용으로 설계되어 합리적인 가격의 파이버, 바나데이트, YAG 레이저를 아우릅니다.
• 열화학적 표면 탄화는 가장 일반적인 폴리머 표면 반응이며 이 배합의 핵심입니다.
• 모든 마킹 문제를 해결하는 단일 첨가제는 없습니다. 목표 대비에 따라 화학 조성과 레이저 설정이 달라집니다.
• 배합량은 최종 부품 기준 중량 0.01%에서 4.0%이며, 색상은 안료와 염료로 조정합니다.
• 최적화되지 않은 소재 대비 최대 25% 빠른 마킹이 0.01%~2.0%의 낮은 농도에서 가능합니다.

자주 묻는 질문

최적으로 배합된 첨가제는 마킹을 얼마나 빠르게 만들 수 있습니까?

독립 연구에서 통계적으로 유의미한 향상이 나타났으며, 최적화되지 않은 소재보다 25% 이상 빠른 경우가 많고 약 0.01%~2.0%의 매우 낮은 농도에서 달성됩니다. 마킹 시간은 곧 사이클 타임 비용이므로 첨가제의 추가 비용을 빠르게 상쇄합니다.

마크를 새기는 데 걸리는 시간은 무엇이 결정합니까?

폴리머 기재, 그려지는 벡터 선의 수, 그리고 빔과 갈바노미터 스캔 헤드가 그 선을 그리는 속도입니다. 레이저 소프트웨어와 벡터 채움 방식(단방향, 양방향, 서펜타인)도 마킹 시간에 영향을 줍니다.

첨가제를 넣은 뒤 천연 기재가 회색으로 보이는 이유는 무엇입니까?

일부 첨가제는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물을 함유하여 무착색 천연 기재의 불투명도에 회색빛 색조를 줍니다. 안료와 염료로 색상을 조정하면 부품을 목표 색상에 맞출 수 있습니다.

첨가제는 펠릿과 분말 중 어떤 형태로 공급됩니까?

둘 다 가능합니다. 과립 제품은 폴리머 수지와 직접 블렌딩하고, 분말 형태는 마스터배치로 전환합니다. 어느 쪽이든 사전 컴파운딩 소재나 컬러 컨센트레이트로 공급할 수 있습니다.

레이저 마킹 배합에는 실제로 어떤 전문 지식이 필요합니까?

폴리머와 각 계열 내 물성 등급에 대한 지식은 물론, 용해도, 입자 크기, 임계 농도 한계, 색상 매칭, GRAS와 FDA 직접/간접 식품 접촉을 포함한 규제 인증에 관련된 착색제, 안료, 염료에 대한 지식이 필요합니다.

폴리머 레이저 마킹 반응 메커니즘

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 화학과 레이저 광학/설정 파라미터가 사용됩니다.

가장 일반적인 표면 반응 메커니즘은 열화학적 “탄화” 또는 “차링”이라고 하며(사진 B 참조), 기재에 흡수된 에너지가 흡수 지점 주변 소재의 국부 온도를 폴리머의 열분해가 일어날 만큼 높이는 반응입니다. 산소가 있으면 폴리머가 연소될 수 있지만, 기재 내부에서는 산소 공급이 제한되어 폴리머가 탄화하면서 검은색 또는 어두운 마킹 대비가 형성됩니다. 마크의 어둡고 밝은 정도는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다.

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. (사진 B 참조.) 같은 폴리머 계열 안에서도 폴리머 착색제 등급마다 결과가 다를 수 있습니다. 소량의 TiO2, 카본 블랙, 혼합 금속 산화물을 함유한 착색제 화합물도 레이저 빛을 흡수하여 경우에 따라 마킹 대비를 개선합니다.

1차 가공, 레이저 첨가제, 색상 매칭

시판되는 레이저 첨가제는 과립과 분말 형태로 공급됩니다. 과립 제품은 폴리머 수지와 직접 블렌딩할 수 있고, 분말 형태는 마스터배치로 전환합니다.

이러한 첨가제 중 일부는 안티몬 도핑 산화주석 및/또는 삼산화안티몬의 혼합물을 함유하여 천연(무착색) 기재의 불투명도에 “회색빛” 색조를 줍니다. 안료와 염료로 색상을 조정하여 최종 색상 매칭 외관을 구현합니다. 특정 첨가제와 폴리머에 따라 (최종 부품 기준) 중량 배합 농도는 0.01%에서 4.0%까지 다양합니다. 과립과 분말 형태 모두 사전 컴파운딩된 컬러 소재나 컬러 컨센트레이트로 공급할 수 있습니다.

레이저 첨가제 배합/색상 매칭 화학 작업 중에 완제품에 계산된 양보다 적은 레이저 첨가제가 들어 있는 경우가 드물지 않습니다. 이 문제는 거의 항상 압출 또는 성형 중의 불균일한 분포와 관련이 있습니다. 배압과 스크루 회전 속도를 높이는 등 성형기를 간단히 조정하면 대부분의 문제가 해결됩니다. 각 부품 전체에 레이저 첨가제가 균질하게 분포/분산되어야 최적의 마킹 성능을 얻을 수 있습니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 컬러 컨센트레이트보다 사전 컬러 컴파운딩 소재가 더 나은 균일성을 제공합니다. 수작업 혼합은 피해야 합니다. 금형 유동과 게이트 유형/위치도 중요한 요소입니다.

더 빠른 마킹 속도 = 비용 절감

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 줍니다.

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. 최적으로 배합된 레이저 첨가제는 비용을 절감하며, 최적화되지 않은 소재 배합 대비 25% 이상 빠른 마킹 속도를 내는 경우가 많습니다. 이러한 속도와 품질의 향상은 첨가제의 추가 소재 비용을 충분히 상쇄합니다.

레이저 첨가제의 과학(34페이지 그림 1)은 28mm 라이너리스 음료 마개에 사용되는 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.

레이저 첨가제가 없다면 잘 알려진 일부 산업 제품은 비용 효율적으로 제조할 수 없습니다. 흥미로운 응용 중 하나는 라이너리스 음료 마개의 캡 안쪽 프로모션을 위한 “온더플라이” 레이저 마킹입니다. 턴키 시스템은 분당 1,500~2,000개의 마개 속도로 고유한 그래픽과 영숫자 텍스트를 마킹할 수 있습니다. (사진 B 참조.)

레이저 기술

레이저 기술의 발전은 최신 세대 레이저 첨가제의 급속한 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 나노초 파이버 레이저의 등장은 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 근본적으로 파이버 레이저는 다른 고체 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.

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 고정 및 가변 펄스 파이버 레이저는 나일론, 우레탄, 아세탈 등 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. 짧은 펄스 폭은 민감한 폴리머 응용에 유리할 수 있습니다.

모든 빔 스티어링 파이버, 바나데이트, YAG 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. 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

폴리머에 배합하는 최신 세대의 레이저 마킹 첨가제는 뛰어난 마킹 대비, 선 가장자리 디테일, 속도를 구현합니다. 이제 인라인 무잉크 레이저 마킹이 로터리 그라비어 인쇄와 패드 인쇄를 대체하고 있습니다. 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.

감사의 말

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “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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