KR102390305B1 - 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법 - Google Patents

물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102390305B1
KR102390305B1 KR1020187033570A KR20187033570A KR102390305B1 KR 102390305 B1 KR102390305 B1 KR 102390305B1 KR 1020187033570 A KR1020187033570 A KR 1020187033570A KR 20187033570 A KR20187033570 A KR 20187033570A KR 102390305 B1 KR102390305 B1 KR 102390305B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mark
metal surface
spot
pulse
laser
Prior art date
Application number
KR1020187033570A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190020655A (ko
Inventor
폴 마틴 해리슨
아담 피오트르 로소브스키
Original Assignee
트럼프 레이저 유케이 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 트럼프 레이저 유케이 리미티드 filed Critical 트럼프 레이저 유케이 리미티드
Publication of KR20190020655A publication Critical patent/KR20190020655A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102390305B1 publication Critical patent/KR102390305B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/262—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used recording or marking of inorganic surfaces or materials, e.g. glass, metal, or ceramics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M1/00—Inking and printing with a printer's forme
    • B41M1/26—Printing on other surfaces than ordinary paper
    • B41M1/28—Printing on other surfaces than ordinary paper on metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/24—Ablative recording, e.g. by burning marks; Spark recording

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Thermal Transfer Or Thermal Recording In General (AREA)

Abstract

물품(40)상에서 마크(16)를 원하는 색상으로 생성하기 위한 방법(여기서,물품(40)은 금속 표면(5)을 갖는 금속(44)을 포함한다)은: 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 펄스 반복 주파수(27) 및 파장(20)을 갖는 레이저 펄스(21)를 포함하는 레이저 빔(4)을 방출하기 위한 레이저(1)를 제공하고; 레이저 빔(4)을 제 1 방향(8)으로 스캐닝하기 위한 제 1 미러(6) 및 레이저 빔(4)을 제 2 방향(9)으로 스캐닝하기 위한 제 2 미러(7)를 포함하는 스캐너(2)를 제공하고; 레이저 빔(4)을 레이저(1)로부터 금속 표면(5)상으로 집속시켜서 스폿 직경(34)과 펄스 플루엔스(36)를 갖는 스폿(31)을 형성하기 위한 렌즈(3)를 제공하고; 제어 신호(12)로 스캐너(2)를 제어하기 위한 제어기(11)를 제공하고; 레이저(1)를 펄싱하면서 스캐너(2)를 스캔 속도(17)로 스캐닝함으로써 마크(16)를 형성하기 위해 해치 거리(19)만큼 분리된 복수의 라인들(15)을 금속 표면(5)상에 마킹하고; 그리고 스캔 속도(17), 펄스 반복 주파수(27) 및 스폿 직경(34)을 선택하여 스캐너(2)의 각 스캔동안 연속 스폿들(31)의 중심들(37) 사이에서 원하는 스폿-스폿간 분리(18)를 제공하는 것을 포함하며; 상기 방법은: 마크 촉진층(102)이 금속 표면(5)에 적용되어 레이저 펄스(21)가 마크 촉진층(102)을 통과하여 금속 표면(5)을 타격할 수 있게 하도록 물품(40)을 야기시키고; 금속 표면(5)으로부터 물질(45)을 포함하는 플럼(41)이 금속 표면(5)으로부터 방출되게 하도록 펄스 플루엔스(36)를 선택하고; 플럼(41)이 금속 표면(5)을 마킹할 수 있도록 플럼(41)의 적어도 일부를 마크 촉진층(102)으로 유지하고; 스폿-스폿간 분리(18), 해치 거리(19), 펄스 플루엔스(36), 펄스 폭(26) 및 각 라인(15)의 기록 횟수에 의해 색상을 부여하고; 그리고 스폿-스폿간 분리(18), 해치 거리(19), 펄스 플루엔스(36), 펄스 폭(26) 및 각 라인(15)의 기록 횟수를 선택하여 원하는 색상을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법
본 발명은 물품에 원하는 색상을 갖는 마크(mark)를 생성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 염료, 잉크 또는 다른 화학 물질의 사용없이 고품질의 블랙 마크를 갖는 금속 표면을 갖는 물품을 신속하게 마킹하기 위한 특정 용도를 갖는다. 본 발명은 또한 보석 산업에 사용되는 은, 금 및 기타 귀금속상에 블랙 마크를 형성하는 용례를 갖는다.
상업용 소비재 및 공업용 물품의 마킹에서 염료, 잉크 및 기타 화학 물질의 사용은 공급망, 물류 및 환경에 대한 제한을 받는다. 그러므로, 염료, 잉크 또는 기타 화학 물질의 사용없이 마킹할 수 있는 공정은 뚜렷한 장점을 제공한다. 레이저 마킹은 일반적으로 보다 다양하고 재현성이 있으며 실크 스크린과 같은 화학적 방법보다 높은 품질과 내구성을 갖는 마크를 제공할 수 있다.
레이저 마킹은 금속을 비롯하여 많은 물질에 적용되어 왔다. 모양, 품질 및 색상이 독특하고 주변 물질과의 색상 대비가 높은 마크를 갖는 것이 소비재 물품에서 매우 요구되고 있으며 상업적으로 매우 중요하다. 일단 특정 물질에 대해 완성된 레이저 마킹 공정은 전형적으로 높은 처리량의 고 수율 생산에 대해 신뢰성이 있고 반복 가능하게 처리할 수 있다.
양극 처리된 금속의 레이저 마킹은 공지되어 있으며 많은 소비재 가전 물품의 제조에 사용되고 있다. 양극 처리된 금속은 산화물층이 금속 표면상에 성장하는 전해 부동태화 공정을 사용하여 형성되는 양극 처리된 층을 갖는다. 양극 산화 처리는 부식 및 마모에 대한 내성을 증가시킬 수 있으므로 페인트 및 접착제보다 우수한 접착력을 제공할 수 있다. 그러나, 양극 산화 처리는 또 다른 처리 단계를 추가한다. 또한, 이미 티탄과 같은 내부식성이 있는 금속에는 양극 산화 처리가 필요하지 않다. 또한, 금, 은, 백금 및 팔라듐과 같은 특정 금속에는 양극 산화 처리를 적용할 수 없다.
미국 특허 제6,777,098호는 양극 처리된 알루미늄 물품을 양극 산화 처리와 알루미늄 사이의 층에서 발생하는 블랙 마킹으로 마킹하는 방법을 기술하고 있으며, 이에 따라서 양극 처리된 표면만큼 내구성을 갖게 된다. 마크는 나노세컨드(nanosecond) 적외선 레이저 펄스를 사용하여 얻어지며 색조가 짙은 회색 또는 검은색으로서 기술되어 있고 양극 처리된 표면 중의 마크되지 않은 부분이 다소 덜 광택이 난다. 미국 특허 제 8,451,873 호에 개시된 바와 같이, 미국 특허 제6, 777,098호에 청구된 방법에 따라 마크를 만드는 것은, (i) 나노세컨드 범위의 펄스로 상업적으로 요구되는 블랙 마크를 생성하는 것이 산화물층의 파괴를 야기하는 경향이 있고, (ii) 연마 또는 다른 공정 후에 알루미늄을 세정하는 것이 비용과 관련해서 공정의 또 다른 단계를 추가하여 원하는 표면 마무리를 방해할 수 있기 때문에 불리하다.
미국 특허 제8,451,873호는 양극 처리된 시료상에 마크를 생성하기 위한 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 제어 가능한 레이저 펄스 파라미터를 갖는 레이저 마킹 시스템을 제공하고, 원하는 특성과 관련된 레이저 펄스 파라미터를 결정하고, 선택된 레이저 펄스 파라미터를 사용하여 물품을 마킹하기 위해 레이저 마킹 시스템을 명령하는 것을 수반하고 있다. 이렇게 형성된 레이저 마크는 투명에서 불투명에 이르는 범위의 광학 밀도, 흰색, 주변 물품과 구별할 수 없는 질감을 가진다. 레이저 마킹은 내구성이 있으며 양극 산화 처리는 실질적으로 손상되지 않는다. 상기 특허는 1 나노세컨드 보다 큰 레이저 펄스를 사용하여 생성된 마크가 양극 산화 처리의 균열의 명백한 징후를 야기한다는 것을 교시하고 있다. 특히, 선행 기술의 나노세컨드 펄스로 마킹할 때, 표면에 충분한 레이저 펄스 에너지를 인가하여 어두운 마크를 생성하는 것은 양극 산화 처리에 대한 손상을 야기시켜서 마크의 외관이 보는 각도에 따라 변화하는 원인이 된다고 상기 특허는 교시하고 있다. 상기 특허는 또한 약 10ps의 펄스 폭을 갖는 펄스를 사용함으로써 이러한 문제를 해결하는 것을 교시하고 있다. 약 10ps 이하의 펄스 폭을 갖는 펄스를 사용하여 생성된 마크는 마크가 얼마나 어두운지에 관계없이 양극 산화 처리를 손상시키지 않으며, 보는 각도에 따라 마크의 외관이 변하지 않는다. 이러한 마크는 물질 내의 다중 광자 흡수 효과를 이용하는 소위 "콜드 프로세싱(cold processing)"의 전형이다. 콜드 프로세싱(예를 들어, 냉간 융삭(ablation))은 원하는 가공 효과를 내기 위해 열 효과에 의존하지 않으므로, 가공 부위를 둘러싼 열 손상의 발생을 거의 야기시키지 않는다. 콜드 프로세싱은 최대 약 10ps~50ps의 펄스 폭을 갖는 펨토세컨드(femtosecond) 레이저 또는 피코세컨드(picosecond) 레이저에 의존한다. 마크의 색상은 색측정법의 국제 조명 위원회(CIE) 시스템에 의해 정량화될 수 있다. CIE 시스템에서, 가장 어두운 색은 명도 L*=0인 흑색이며, 밝은 백색은 명도 L*=100이다. 중간 회색 색상은 a*=b*=0인 색상 채널을 가진다. a*의 음의 값은 녹색을 나타내고 양의 값은 자홍색을 나타낸다. b*의 음의 값은 파란색을 나타내고 양의 값은 노란색을 나타낸다. 마크의 색상은 명도 L*=40, 자홍색/녹색 상대 색상 a*=5, 및 노랑색/파란색 상대 색상 b*=10이다. 상기 특허에 사용된 피코세컨드 레이저가 펨토세컨드 레이저보다 훨씬 저렴하지만, 피코세컨드 레이저는 매우 좁은 레이저 펄스 폭을 생성하기 위해 광 펄스 압축기와 같은 첨단 기술과 부품들에 의존하기 때문에 나노세컨드 레이저보다 비용이 많이 든다. 더욱이, 약 30보다 낮은 L* 값은 더욱 상업적으로 중요하며, 이러한 이유로, 사용된 피코세컨드 레이저는 비용이 할증되는 많은 상업적 적용처에 대해 충분히 빨리 마크를 기록하지 않는다. 광 펄스 압축 및 광 펄스 압축기와 같은 값 비싼 기술 또는 부품들에 의존하지 않는 것이 유리하다.
양극 산화 처리의 손상없이 나노세컨드 펄스 레이저로 양극 처리된 금속 표면을 레이저 마킹하는 데 사용될 수 있는 방법은 WO 2015/082869에 기술되어 있다. 이 방법은 펄스 플루엔스(fluence)가 낮은 펄스를 사용하고 각 라인을 두 번 이상 기록한다. 색상은 스폿(spot)-스폿간 분리, 해치(hatch) 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수에 의해 부여된다. 상기 방법은 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수를 선택하여 원하는 색상을 형성하는 단계를 포함한다. 그러나, 상기 방법은 알루미늄, 은 및 금과 같은 양극 처리되지 않은 금속 표면의 레이저 마킹에는 적용할 수 없다. 또한, 상기 방법은 마크의 외관이 상업적으로 중요한 보석류 및 기타 물품에 사용되는 연마된 금속 표면상에 충분히 매끈하고 어두운 마크를 제공하지 않는다.
미국 특허 제 8,451,873 호에는 금속 표면을 원하는 색으로 레이저 마킹하기 위한 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 제 1 펄스 플루엔스를 갖는 제 1 레이저 빔으로 상기 금속 표면상에 적어도 하나의 제 1 패턴을 형성시키고, 상기 제 2 펄스 플루엔스를 갖는 제 2 레이저 빔으로 상기 금속 표면상에 적어도 하나의 제 2 패턴을 형성시켜서, 제 2 패턴이 제 1 패턴 내에 완전히 위치되게 하고, 상기 제 1 펄스 플루엔스를 상기 제 2 펄스 플루엔스보다 적어도 5배 이상 크도록 배열시키는 것을 포함한다. 색상은 제 1 및 제 2 펄스 플루엔스와, 제 1 및 제 2 패턴에서의 스폿 간격에 의해 주어진다. 상기 방법은 검은색, 갈색, 귤색, 자주색, 담갈색, 회색 및 오렌지색과 같은 색상을 갖는 청동 및 황동과 같은 구리 합금상에 마크를 생성할 수 있다. 그러나, 상기 방법은 구리 합금의 표면을 거칠게 만들므로,상기 방법은 베어(bare) 알루미늄, 구리, 은 및 금 표면상에 착색된 마크를 생성하지 않는다.
강철 및 청동과 같은 양극 처리되지 않은 금속 표면의 레이저 마킹은 공지되어 있다. 그러나, 검은색 산화 용액을 사용하는 것과 같은 화학적 방법의 사용없이 알루미늄, 구리, 금, 은 및 기타 귀금속과 같은 나금속(bare metal) 표면을 착색하는 것은 어려운 것으로 입증되었다.
전술한 문제점들을 감소시키거나 방지하는, 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명의 하나의 비 제한적인 실시양태에서, 금속 표면을 갖는 금속을 포함하는 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법이 제공되며, 이 방법은:
- 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 반복 주파수 및 파장을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저를 제공하는 단계;
- 레이저 빔을 제 1 방향으로 스캐닝하기 위한 제 1 미러(mirror) 및 레이저 빔을 제 2 방향으로 스캔닝하기 위한 제 2 미러를 포함하는 스캐너를 제공하는 단계;
- 스폿 직경과 펄스 플루엔스를 갖는 스폿을 형성하기 위해 레이저로부터의 레이저 빔을 금속 표면상에 집속시키기 위한 렌즈를 제공하는 단계;
- 제어 신호로 스캐너를 제어하기 위한 제어기를 제공하는 단계;
- 레이저를 펄싱(pulsing)하면서 스캐너를 스캐닝함으로써 마크를 형성하기 위해 해치 거리만큼 분리된 복수의 라인을 금속 표면상에 마킹하는 단계; 및
- 스캔 속도, 펄스 반복 주파수 및 스폿 직경을 선택하여 스캐너의 각 스캔 동안 연속 스폿들의 중심들 사이에 원하는 스폿-스폿간 분리를 제공하는 단계를 포함하며;
상기 방법은:
- 물품이 상기 금속 표면에 적용된 마크 촉진층(mark-facilitating layer)을 갖도록 하되, 상기 마크 촉진층은 레이저 펄스가 마크 촉진층을 통과하여 금속 표면을 타격하도록 허용하고;
- 금속 표면으로부터 물질을 포함하는 플럼(plume)이 금속 표면으로부터 방출되도록 펄스 플루엔스를 선택하고;
- 플럼이 금속 표면을 마킹할 수 있도록 플럼의 적어도 일부를 마크 촉진층으로 유지하고;
- 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수에 의해 색상이 부여되고; 그리고
- 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수를 선택하여 원하는 색상을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법은 양극 산화 처리, 소모성 잉크 또는 화학 물질에 대한 필요없이 지금까지 가능했던 것보다 빠르게 및 더욱 경제적으로 금속 표면상에 마크를 생성할 수 있기 때문에 특히 매력적이다. 더욱 중요하게는, 보석류 제작에서 중요한 은, 금, 백금, 팔라듐 및 기타 귀금속뿐만 아니라 양극 처리되지 않은 알루미늄 및 티탄과 같은 나금속 표면상에 마크를 생성할 수 있다는 것이다.
스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 1/10 이상일 수 있다. 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 1/4 일 수 있다. 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 절반일 수 있다. 스폿-스폿간 분리는 최대 스폿 직경과 동일할 수 있다.
본 발명의 방법은 마크 촉진층이 상기 언급된 마크 생성 단계 동안 물품에 적용되는 방법일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 금속 표면상의 해치 거리만큼 분리된 복수의 라인을 마킹하는 단계 전에 마크 촉진층을 물품에 적용할 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 방법은 마크를 생성하는 전술한 단계의 개시 전에 물품에 마크 촉진층이 제공되는 방법일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 마크 촉진층이 있는 물품을 다른 제조업체로부터 구입할 수 있다.
금속 표면에 마크 촉진층을 적용하는 단계는 그 표면상에 마크 촉진층을 가압, 스퀴징(squeezing), 코팅, 도색, 기화, 점착, 감기 또는 신장시키는 것 중의 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게, 마크 촉진층은 물품에 적용되며, 물품에서 유래한 물질로부터 성장한 양극 처리된 층과 같은 층은 아니다.
마크 촉진층은 금속 표면과 접촉할 수 있다. 마크 촉진층과 금속 표면은 충분한 접촉을 일으키기 위해 함께 강제될 수 있다.
나금속 표면을 마킹하는 종래의 방법은 마크 촉진층의 사용없이 금속 표면을 마킹하는 것이다. 종래 기술의 방법에서, 펄스 플루엔스는 금속 표면으로부터의 물질을 포함하는 플럼을 금속 표면으로부터 방출되게 한다. 플럼은 반동 압력(recoil pressure)을 가지며, 가열되어 급속하게 팽창되는 가스뿐만 아니라 금속 표면으로부터의 물질을 포함한다. 금속 표면에 따라서, 플럼은 금속 표면에 새겨지거나 또는 금속 표면의 표면 질감의 변화 덕택으로 시각적인 마크를 생성시킬 수 있다. 그러나, 종래 기술의 방법은 잉크 또는 염료와 같은 화학 물질의 사용없이 금속 표면과 다른 색상을 갖는 마크가 알루미늄, 은 또는 금과 같은 나금속상에 형성되지 않는다는 단점이 있다. 블랙 마크는 구리위에 기록될 수 없다. 블랙 마크를 포함한 착색된 마크는 표면을 실질적으로 거칠게 하지 않고는 청동 또는 황동과 같은 구리 합금상에 기록될 수 없다. 종래 기술의 방법의 이러한 단점은 마크 촉진층의 사용으로 인해 본 발명에서 극복될 수 있다.
보다 구체적으로, 마크 촉진층을 금속 표면과 접촉하게 배치함으로써, 마크 촉진층과 금속 표면과의 접촉이 플럼의 반동 압력의 적어도 일부를 유지하기에 충분하다면, 플럼이 소산하는 것을 방지할 수 있다. 이 때, 플럼과 반동 압력은 금속 표면과 마크 촉진층 사이의 접촉에 의해 유지되며, 그렇지 않으면 분산되는 물질이 유지되어 금속 표면 상에 마크를 형성할 수 있다. 반동 압력으로 인해 플럼으로부터의 물질이 금속 표면상에 마킹되게 한다. 놀랍게도, 검은 마크는 마크 촉진층이 제위치에 없는 상태에서는 검은 마크를 생성할 수 없는 금속 표면상에도 형성될 수 있으며, 또한 매끄러운 마크를 형성하는 것이 가능하다. 중요한 것은 블랙 마크가 알루미늄, 구리, 은 및 금에 기록될 수 있다는 것이다. 블랙 마크는 또한 표면을 거칠게 함이 없이 황동 또는 청동과 같은 구리 합금상에 기록될 수도 있다. 본 발명의 방법에서는, 마크 촉진층에 의한 레이저 빔의 광학 감쇠를 보상하기 위해 필요하다면 펄스 플루엔스를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 방법에서, 플럼은 반동 압력을 가질 수 있으며, 마크 촉진층은 금속 표면과의 접촉을 가질 수 있으며, 이러한 접촉은 플럼의 반동 압력의 적어도 일부를 유지하기에 충분하다.
본 발명의 방법은 마크가 50 미크론 이하의 평균 표면 거칠기 Ra 값을 갖도록 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 평균 표면 거칠기 Ra 값은 20 미크론보다 작거나 같을 수 있다. 평균 표면 거칠기 Ra 값은 5 미크론보다 작거나 같을 수 있다. 잉크 또는 화학 물질의 사용없이 매끄러운 나금속 표면 상에 마크를 생성하는 능력은 본 발명의 방법의 특히 신규하고 놀라운 양태이다. 나금속 표면의 매끄러움을 실질적으로 저하시키지 않고 마크를 생성하는 능력은 보석류의 제작에서 중요하다.
금속 표면은 나금속 표면을 포함할 수 있다.
금속 표면은 추가적인 층을 포함할 수 있다. 명확성을 위해, 추가적인 층은 마크 촉진층이 아니다. 추가적인 층은 금속 코팅일 수 있다. 전자 부품은 종종 금으로 코팅된다. 추가적인 층은 산화물층을 포함할 수 있다. "베어 알루미늄"과 같은 금속은 표면에 얇은 산화물층을 갖는다.
금속 표면은 양극 처리되지 않은 금속 표면을 포함할 수 있다.
금속 표면은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 티탄, 주석, 철, 크롬, 스테인레스 강, 또는 청동 또는 황동과 같은 선행 금속 중 하나를 함유하는 합금을 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 유리를 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 사파이어를 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 래커(lacquer)를 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 등각 코팅(conformal coating)을 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 시트 재료를 포함할 수 있다. 시트 재료는 중합체를 포함할 수 있다. 시트 재료는 접착식 테이프(adhesive-backed tape)일 수 있다.
마크 촉진층은 1 ㎛보다 큰 두께를 가질 수 있다. 두께는 50 ㎛ 내지 3 ㎜ 일 수 있다. 마크 촉진층은 가요성이 있거나 강성일 수 있다. 마크 촉진층은 유리 시트, 폴리에틸렌과 같은 플라스틱 시트, 래커 또는 임의의 다른 마크 촉진층일 수 있다. 마크 촉진층은 접착식 테이프일 수 있다. 접착식 테이프는 셀로판을 포함할 수 있다. 접착식 테이프는 고온 중합체를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 아크릴을 포함할 수 있다. 고온 중합체는 규소수지 포함할 수 있다. 고온 중합체는 폴리이미드를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 할로겐이 없을 수 있다. 접착식 테이프는 표면에 간단히 적용하여 마킹후 쉽게 제거할 수 있으므로 특히 유용하다. 마크 촉진층은 마크가 만들어지는 금속 표면과 물리적으로 접촉할 수 있다. 마크 촉진층은 마킹 공정 동안 금속과의 접촉을 유지하기에 충분한 강성을 가질 수 있다. 마크 촉진층은 금속 표면에 의해 지지될 수 있다. 마크 촉진층은 가공 후 제거되거나 제위치에 남아 있을 수 있다.
상기 방법은 마크 촉진층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 마크 촉진층을 제거하는 단계는 화학 처리를 포함할 수 있다. 화학 처리는 아세톤과 같은 용매에 침지될 수 있다. 아세톤은 래커를 녹일 수 있다.
마크 촉진층은 레이저 빔의 파장에서 50 % 이상의 광학적 투과율을 가질 수 있다. 광학적 투과율은 80 % 이상일 수 있다. 광학적 투과율은 90 % 이상일 수 있다.
색상은 50 이하의 L* 값을 갖는 회색 또는 검은색일 수 있다. L* 값은 30 이하일 수 있다. 30 이하의 L* 값을 갖는 마크는 일반적으로 블랙 마크인 것으로 간주된다. 이러한 마크는 은과 금상에 기록될 때 매우 매력적이다.
레이저는 100 초과의 피코세컨드를 갖는 레이저 빔을 제공하는 펄스 레이저 일 수 있다. 펄스 폭은 1 나노세컨드보다 클 수 있다. 고품질 블랙 마크(L*=30)를 빠르게 형성하고 피코세컨드 펄스 레이저와 달리 나노세컨드 펄스 레이저를 사용하는 것이 매우 의미가 있다. 이것은 나노세컨드 펄스 레이저가 본질적으로 피코세컨드 레이저보다 비용이 저렴하고 약 50ps 미만의 펄스 폭을 갖는 펨토세컨드 및 피코세컨드 펄스 레이저보다 훨씬 저렴하며 냉간 융삭과 같은 냉간 레이저 가공 용도로 판매되기 때문이다.
파장은 1000nm 내지 1100nm의 범위일 수 있다. 레이저는 이테르븀-도핑된 섬유 레이저일 수 있다. 섬유 레이저는 원하는 마크에 대해 최적화 될 수 있는 펄스 형상 및 펄스 파형 파라미터를 갖는 마스터 발진기 전력 증폭기의 형태인 것이 바람직하다.
레이저를 펄싱하기 전에 스캐너 미러는 가속될 수 있다.
금속 표면은 마크를 형성하는데 소요되는 전체 시간을 최소화하도록 배향될 수 있다.
스캐닝 속도는 1 m/s 이상일 수 있다. 스캐닝 속도는 5 m/s 이상일 수 있다.
펄스 반복 주파수는 100 kHz 이상일 수 있다. 펄스 반복 주파수는 500 kHz 이상일 수 있다.
스캐닝 속도는 9 m/s 이상일 수 있고, 펄스 반복 주파수는 900 kHz 이상일 수 있다. 스캐닝 속도와 펄스 반복 주파수의 조합은 10 ㎛의 스폿-스폿간 분리와 동일하다. 이것은 전형적으로 레이저 빔에 의해 형성된 스폿 직경의 약 절반이다.
각각의 라인은 두 번 이상 기록될 수 있다. 바람직하게, 각 라인은 최소한 5 번 기록되지만, 더 많거나 더 적은 횟수가 사용될 수 있다. 동일한 펄스 반복 주파수로 한 번만 각 라인을 스캔하는 것이 가능하지만, 이것은 금속 표면에 열 손상이 발생할 수도 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서 열 손상을 최소화하여 마크의 품질을 최적화하기 위해서는 가능한 한 빨리 각 라인을 기록하는 것이 바람직하다. 해치 거리로서 언급되는 연속 라인들 간의 간격은 스폿 직경보다 작을 수 있으며, 바람직하게는 스폿 직경의 1/10보다 작거나, 보다 바람직하게는 스폿 직경의 1/100보다 작을 수 있다. 연속적인 반복의 해치 라인들 간의 각도 차이는 1° 내지 359°의 범위일 수 있다. 마크 촉진층은 연속적인 반복들 사이에서 대체될 수 있다.
스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 1/4 일 수 있다. 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 절반일 수 있다.
레이저, 금속 표면 및 마크 촉진층은 플럼이 마크 촉진층상에 마크를 형성하게 하도록 선택될 수 있다. 이는 나금속 표면에서 방출된 플럼으로부터 유리 및 다른 투명한 물질상에 금색 마크를 만드는데 특히 유용하다.
본 발명의 방법은 마크 촉진층을 제공하기 위한 장치를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라서 마킹된 물품을 제공한다. 물품의 예로는 휴대 전화, 태블릿 컴퓨터, 시계, TV, 기계류 및 보석류가 있다.
상기 물품은 마크 촉진층을 포함할 수 있다.
마크 촉진층은 제거되어 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 양태들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 사용하기 위한 장치를 도시한다.
도 2는 펄스화된 레이저 파형을 도시한다.
도 3은 표면상에 집속된 레이저 빔을 도시한다.
도 4는 마크 촉진층이 존재하지 않는 물품으로부터 방출된 플럼을 도시한다.
도 5는 마크 촉진층에 의해 유지되는 플럼을 도시한다.
도 6은 라인들 간의 감속 및 가속하는 스케닝 속도를 도시한다.
도 7 및 도 8은 마크의 상이한 배향으로 만들어진 마크를 도시한다.
도 9는 투명한 물질에 형성된 마크를 도시한다.
도 10은 마크 촉진층을 제공하기 위한 장치를 도시한다.
도 11은 마크 촉진층이 금속 표면상에 강제로 가압된, 강성 층 및 유연성 층을 포함하는 마크 촉진층을 도시한다.
도 12는 금속 표면상에 층을 갖는 물품을 도시한다.
도 1은 레이저(1), 스캐너(2) 및 대물 렌즈(3)를 포함하는 레이저 기반 마킹 기계(10)을 도시하고 있다. 금속 표면(5)은 금속 표면(5)과 접촉하는 마크 촉진층(102)으로 덮여 있다. 스캐너(2)는 금속 표면(5)에 대해 파장(20)을 갖는 레이저 빔(4)을 이동시킨다. 스캐너(2)는 레이저 빔(4)을 제 1 방향(8)으로 이동시키는 제 1 미러(6) 및 레이저 빔(4)을 제 2 방향(9)으로 스캐닝하는 제 2 미러(7)를 포함한다. 스캐너(2)는 적어도 하나의 제어 신호(12)를 스캐너(2)에 제공함으로써, 제 1 및 제 2 미러(6, 7)의 위치를 제어하는 제어기(11)에 의해 제어된다. 제어기(11)는 또한 레이저(1)를 제어할 수 있다. 제 1 및 제 2 미러(6, 7)는 전형적으로 검류계(galvanometer)(도시되지 않음)에 부착된다.
레이저(1)는 섬유 레이저, 고체 상태의 로드 레이저(rod laser), 고체 상태의 디스크 레이저 또는 이산화탄소 레이저와 같은 기체 레이저일 수 있다. 금속 표면을 마킹하기 위하여, 레이저(1)는 바람직하게는 펄스 레이저이다. 레이저(1)는 광섬유 케이블(13) 및 시준 광학기(14)를 통해 스캐너(2)에 연결되는 것으로 도시되어 있다.
제어 신호(12)는 전형적으로 디지털 - 아날로그 변환기를 사용하여 제어기(11) 또는 스캐너(2)에서 아날로그 신호로 변환되는 유한 해상도(101)를 갖는 디지털 제어 신호로서 도시되어 있다. 디지털 제어 신호가 천천히 증분되면, 즉, 스캐너(2)의 전기적 및 기계적 시정수와 유사하거나 더 큰 시간 증분에서, 유한 해상도는 제 1 및 제 2 미러(6, 7)의 위치에서 유한 각 분해능 및 따라서 금속 표면(5)상의 레이저 빔(4)의 위치에서 유한 공간 해상도에 상응한다. 제어 신호(12)를 필터링함으로써, 전자적으로 또는 스캐너(2)의 관성(예를 들어, 제 1 및 제 2 미러(6, 7)와 관련 검류계의 관성)에 의해 통상적으로 스캐너(2)에서 개선된 각 분해능이 달성될 수 있다. 이는 금속 표면(5)상의 레이저 빔(4)의 위치에서 개선된 공간 해상도에 상응한다.
이제 도 2를 참조하면 일련의 펄스(21)가 도시되어 있다. 일련의 펄스(21)는 레이저(1)로부터 얻어질 수 있으며, 여기서 레이저(1)는 펄스 레이저이다. 일련의 펄스(21)는 피크 전력(22), 평균 전력(23), 펄스 형상(24), 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26) 및 펄스 반복 주파수 FR(27)를 특징으로 한다.
도 3은 레이저 빔(4)을 금속 표면(5)상에 집속시킴으로써 형성된 스폿(31)을 도시한다. 광 세기(32)는 레이저 빔(4)의 단위 면적당 출력이다. 광 세기(32)는 스폿(31)의 중심(37)에서 피크 세기(39)로부터 1/e2 세기(33) 및 0까지 스폿(31)의 전반야에 걸쳐 변화한다. 스폿(31)의 직경(34)은 전형적으로 광 세기(32)가 피크 세기(39)의 양측에서 1/e2 세기(33)에 드는 직경인 1/e2 직경으로 취해진다. 스폿(31)의 영역(35)은 전형적으로 1/e2 직경(34) 내의 스폿(31)의 단면적으로서 취해진다. 도 3은 가우스(Gaussian) 또는 종-형상(bell-shaped) 프로파일에 따라 변화하는 광 세기(32)를 나타낸다. 광 세기(32)는 직경(34) 내에서 실질적으로 균일한 탑 햇 프로파일(top hat profile)을 포함하는 다른 프로파일을 가질 수 있다.
펄스 플루엔스(36)는 펄스(21)의 단위 면적당 에너지로 정의된다. 펄스 플루엔스는 일반적으로 J/cm2 단위로 측정되며, 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)과 상호 작용하는 펄스 플루엔스(36)가 충분히 클 때, 마크가 전형적으로 형성되기 때문에 레이저 마킹을 위한 중요한 파라미터이다.
물품(40)에 마크(16)를 원하는 색상을 갖는 생성하는 본 발명에 따른 방법이 실시예 및 도 1을 참고하여 단지 예시로서 설명될 것이다. 물품(40)은 금속 표면(5)을 갖는 금속(44)을 포함한다. 본 방법은:
- 도 2를 참조하여 도시된 펄스 에너지(25), 펄스 폭(26), 펄스 반복 주파수(27) 및 파장(20)을 갖는 레이저 펄스(21)를 포함하는 레이저 빔(4)을 방출하기 위한 레이저(1)를 제공하는 단계;
- 레이저 빔(4)을 제 1 방향(8)으로 스캐닝하기 위한 제 1 미러(6) 및 레이저 빔(4)을 제 2 방향(9)으로 스캐닝하기 위한 제 2 미러(7)를 포함하는 스캐너(2)를 제공하는 단계;
- 레이저 빔(4)을 레이저(1)로부터 금속 표면(5)상으로 집속시켜서 도 3에 참고로 도시된 스폿 직경(34)과 펄스 플루엔스(36)를 갖는 스폿(31)을 형성하기 위한 렌즈(3)를 제공하는 단계;
- 제어 신호(12)로 스캐너(2)를 제어하기 위한 제어기(11)를 제공하는 단계;
- 레이저(1)를 펄싱하면서 스캐너(2)를 스캔 속도(17)로 스캐닝함으로써 마크(16)(개략적으로 도시됨)를 형성하기 위해 해치 거리(19)만큼 분리된 복수의 라인(15)을 금속 표면(5)상에 마킹하는 단계; 그리고
- 스캔 속도(17), 펄스 반복 주파수(27) 및 스폿 직경(34)을 선택하여 스캐너(2)의 각 스캔동안 연속 스폿들(31)의 중심들(37) 사이에 원하는 스폿-스폿간 분리(18)를 제공하는 단계를 포함한다.
본 방법은:
- 물품(40)이 금속 표면(5)에 적용된 마크 촉진층(102)을 갖도록 하되, 마크-촉진층(102)은 레이저 펄스(21)가 마크 촉진층(102)을 통과하여 금속 표면(5)을 타격하도록 허용하고;
- 금속 표면(5)으로부터 물질(45)을 포함하는 도 4를 참조하여 도시된 플럼(41)이 금속 표면(5)으로부터 방출되도록 펄스 플루엔스(36)를 선택하고;
- 플럼(41)이 금속 표면(5)을 마킹할 수 있도록 플럼(41)의 적어도 일부를 마크 촉진층(102)으로 유지하고;
- 스폿-스폿간 분리(18), 해치 거리(19), 펄스 플루엔스(36), 펄스 폭(26) 및 각 라인(15)의 기록 횟수에 의해 색상이 부여되고; 그리고
스폿-스폿간 분리(18), 해치 거리(19), 펄스 플루엔스(36), 펄스 폭(26) 및 각 라인(15)의 기록 횟수를 선택하여 원하는 색상을 형성하는 것을 특징으로 한다.
명확하게 하기 위해, 라인(15)은 서로 분리되어 도시된 레이저 펄스(21)에 의해 형성된 개개의 마크(46)로 점선으로 도시되어 있다. 실제로, 개개의 마크(46)는 일반적으로 서로 중첩될 것이다. 라인(15)은 제 1 방향(8)에 대해 특정 각도(47)로 기록되는 것으로 도시되어 있다.
본 발명의 방법은 스캔 속도(17), 펄스 반복 주파수(27) 및 스폿 직경(34)을 선택하여 스캐너(2)의 각 스캔동안 연속적인 스폿들(31)의 중심들(37) 사이의 스폿-스폿간 분리(18)가 스폿 직경(34)의 1/10 이상 되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
마크 촉진층(102)은 바람직하게는 금속 표면(5)과 접촉한다. 마크 촉진층(102)과 금속 표면(5)은 충분한 접촉을 이루기 위해 함께 힘이 가해질 수 있다. 그 힘은 중력에 의해, 클램핑에 의해, 금속 표면(5)상에서 마크 촉진층(102)을 신장시킴으로써, 표면 장력에 의해 또는 다른 수단에 의해 가해질 수 있다.
스캐너(2)의 각각의 스캔 동안 연속적인 스폿들(31) 사이의 스폿-스폿간 분리(18)는 스폿 직경(34)의 적어도 1/10일 수 있다.
도 4는 금속 표면(5)을 포함하지만 마크 촉진층(102)이 제위치에 없는 물품(40)을 도시한다. 펄스 플루엔스(36)는 금속 표면(5)으로부터 물질(45)을 포함하는 플럼(41)이 금속 표면(5)으로부터 방출되게 하도록 선택될 수 있다. 금속 표면(5)으로부터의 물질(45)은 나노 입자일 수 있는 입자로서 도시된다. 입자는 금속 표면(5)의 금속(44)의 물리적 및 화학적 조성으로부터 물리적 및 화학적 조성을 변화시킬 수 있다. 택일적으로 또는 부가적으로, 플럼(41)은 기체상의 물질(45)을 포함할 수 있다. 플럼(41)은 플럼(41)의 내부에 있는 것처럼 도시된 반동 압력(42)을 갖는다. 반동 압력(42)은 물질(45)이 금속 표면(5)으로부터 방출되게 하도록 하며, 베어 알루미늄, 은 및 금과 같은 많은 물질들에서는 마크가 형성되지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 금속 표면(5)과 접촉하게 마크 촉진층(102)을 위치시킴으로써, 금속 표면(5)과 마크 촉진층(102)의 접촉이 플럼(41)의 반동 압력(42)의 적어도 일부를 유지시키기에 충분하면 플럼(41)이 소산하는 것을 방지 할 수 있다. 플럼(41) 및 반동 압력(42)은 금속 표면(5)과 마크 촉진층(102) 사이의 접촉에 의해 유지되어, 도 1을 참조하여 도시된 개개의 마크들(46) 중 하나를 형성하게 할 수 있다. 개개의 마크들(46)의 형성은 플럼(41) 내의 가열에 의해 보조될 수 있다. 마크 촉진층(102)을 사용할 때, 플럼(41)을 형성하기 위하여 마크 촉진층(102)에 의한 레이저 빔(4)의 광 손실을 보상하고자 펄스 플루엔스(36)를 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 마크 촉진층(102)은 두께(43)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 물품은 두께(51)를 갖는 것으로 도시되어 있다.
본 발명의 방법은 영구적인 첨가제의 필요없이 금속상에 검은색 및 짙은 회색 마크를 생성할 수 있다. 본 발명의 방법은 마크 촉진층(102)없이 동일한 펄스 플루엔스(36)로 생성된 마크와 비교할 때 보다 어두운 금속상에 마크를 생성할 수 있다. 특히, 본 방법은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 티탄, 주석, 철, 크롬, 스테인리스 강, 또는 청동 또는 황동과 같은 선행 금속들 중 하나를 함유한 합금과 같은 금속(44)의 나금속 표면상에 채색된 마크를 생성할 수 있다. 마크 촉진층(102)없이 베어 알루미늄, 금 또는 은에 형성된 마크는 표면 거칠기에 영향을 미치는 마크로 새겨지거나 또는 금속 표면(5)의 색상에 영향을 미치지 않는 변형된 표면 질감을 갖는다.
도 1을 참조하면, 본 방법은 스폿-스폿간 분리(18), 해치 거리(19), 펄스 플루엔스(36), 펄스 폭(26) 및 각 라인(15)의 기록 횟수를 선택하여 마크(16)가 55 미크론 이하에서 50 미크론까지, 20 미크론 미만 또는 5 미크론 미만의 평균 표면 거칠기 Ra 값을 갖게 한다. 매끄러운 나금속 표면상에 잉크 또는 화학 물질의 사용없이 마크를 생성할 수 있는 능력은 종종 연마된 금속을 갖는 보석류 및 소비재 물품의 제작에서 중요한 상업적 이점을 갖는 본 발명의 방법의 특히 유리한 양태이다.
도 12는 금속 표면(5)이 그의 표면상에 층(121)을 포함하는 물품(40)을 도시한다. 층(121)은 도 1의 마크 촉진층(102)이 아니다. 층(121)은 금속 코팅일 수있다. 고전력 전자 장치 또는 광전자 장치용 금속 포장은 종종 열 방출율을 향상시키기 위해 매우 얇은 금 코팅으로 코팅되는 구리와 같은 금속으로 만들어진다. 층(121)은 비금속 층일 수 있다. 비금속 층은 산화물층일 수 있다. 양극 처리되지 않은 "베어 알루미늄"은 일반적으로 그 표면에 산화물층이 있다. 금속 표면(5)은 양극 처리되지 않은 금속 표면일 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 금속 표면(5)은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 티탄, 주석, 철, 크롬, 스테인리스 강, 또는 청동 또는 황동과 같은 선행 금속들 중 하나를 함유한 합금을 포함할 수 있다.
마크 촉진층(102)은 유리일 수 있다. 유리 현미경 슬라이드 및 유리 현미경 커버를 마크 촉진층(102)으로 사용하여 다양한 금속 표면에 고품질 마크를 형성하여 왔다. 유리 현미경 슬라이드는 약 2mm 두께였고 유리 현미경 커버는 약 100㎛두께였다.
마크 촉진층(102)은 사파이어일 수 있다. 사파이어는 소비재 전자 물품에서 중요한 재료이다.
마크 촉진층(102)은 래커일 수 있다. 래커는 종종 음료 캔 및 기타 소비재 물품에 적용된다. 래커를 파괴하지 않고 래커를 통해 마크를 만들 수 있다는 것은 중요한 상업적 이점이 있다.
마크 촉진층(102)은 등각 코팅일 수 있다. 등각 코팅은 폴리이미드를 포함 할 수 있다.
마크 촉진층(102)은 중합체와 같은 시트 물질일 수 있다. 시트 물질은 레이저 마킹 전에 금속 표면(6)위로 신장될 수 있다. 시트 물질은 레이저 마킹 후에 제거할 수 있다.
마크 촉진층(102)은 접착식 테이프일 수 있다. 접착식 테이프는 셀로판을 포함할 수 있다. 접착식 테이프는 고온 중합체를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 500 ℃ 초과, 바람직하게는 750 ℃ 초과, 보다 바람직하게는 1000 ℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있다. 접착식 테이프는 미국 뉴햄프셔의 폴리오닉스(Polyonics)에서 구입할 수 있다. 고온 중합체는 아크릴을 포함할 수 있다. 고온 중합체는 규소수지를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 폴리이미드를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 폴리에스테르를 포함할 수 있다. 고온 중합체는 할로겐이 없을 수 있다. 접착식 테이프는 표면에 간단히 적용할 수 있고, 마킹 후 쉽게 제거할 수 있으므로 특히 유용하다.
마크 촉진층(102)의 두께(43)는 1㎛보다 클 수 있다. 두께(43)는 50㎛ 내지 3 ㎜일 수 있다.
본 발명의 방법은 마크(16)가 형성된 후에 마크 촉진층(102)을 제거하는 단계를 포함 할 수 있다. 예를 들어, 마크 촉진층(102)이 유리인 경우, 유리는 간단히 제거될 수 있다. 마크 촉진층(102)이 래커인 경우, 이는 화학적 처리에 의해 제거될 수 있다. 화학적 처리는 아세톤과 같은 용매에 침지될 수 있다. 아세톤은 래커를 녹일 수 있다.
마크 촉진층(102)은 레이저 빔(4)의 파장(20)에서 50 % 이상의 광학적 투과율을 가질 수 있다. 광학적 투과율은 80 % 이상일 수 있다. 광학적 투과율은 90 % 이상인 것이 바람직하다.
실험은 특히 알루미늄 및 은과 같은 나금속 표면상에서 마크를 기록할 때, 본 발명의 방법에 따라서 마크의 품질과 흑색도 및 마크(16)의 개선을 입증하였다.
유리, 폴리에틸렌 및 클리어 래커(clear lacquer)를 포함하는 일련의 마크 촉진층들(102)이 시험되었으며, 이들 각각은 금속 표면(5)상에 블랙 마크가 생성되었다. 강성 및 가요성 마크 촉진층들이 성공적으로 시험되었다. 마크 촉진층(102)은 금속 표면(5)에 의해 지지될 수 있다. 마크 촉진층(102)은 금속 표면(5)에 영구적으로 부착되지 않을 수 있고, 마크(16)를 형성한 후에 제거될 수 있다.
마크(16)의 색상은 회색 또는 흑색일 수 있다. 국제 조명 위원회 CIE 시스템에 의해 정량화된 바와 같은 색상은 50 이하의 L* 값을 가질 수 있다. 바람직하게는 L* 값은 30 이하이다. L* 값이 30 이하인 마크는 일반적으로 블랙 마크인 것으로 간주된다. 소비재 물품에 신속히 기록될 수 있는 거의 완벽한 마무리를 갖는 블랙 마크는 상업적으로 매우 중요하다. 실제로 마크(16)의 기록 속도 및 품질은 마크(16)와, 마크(16)를 제조하기 위한 레이저 기반 마킹 기계(10)간의 차이를 상업적으로 실행 가능하게 하거나 실행 가능하지 않게 할 수 있다.
레이저(1)는 100 피코세컨드보다 큰 펄스 폭(26)을 갖는 펄스 레이저일 수 있다. 펄스 폭(26)은 1 나노세컨드보다 클 수 있다. 약 10ps~50ps 미만의 펄스 폭을 갖는 피코세컨드 펄스 레이저와는 달리, 고품질의 블랙 마크가 나노세컨드 레이저로 신속히 형성될 수 있다는 것은 놀라우면서도 상업적으로 의미가 있다. 이것은 나노세컨드 펄스 레이저가 본질적으로 피코세컨드 레이저보다 비용이 저렴하고, 약 50ps 미만의 펄스 폭을 갖는 펨토세컨드 및 피코세컨드 펄스 레이저보다도 비용이 훨씬 저렴하며, 냉간 융삭과 같은 저온 레이저 가공 용도로도 시판되기 때문이다. 이러한 레이저는 펄스 압축 기술에 의존하거나 또는 펄스 압축기를 통합하고 있다. 레이저(1)는 펄스 압축기를 포함하지 않는것이 바람직하다.
레이저(1)는 단일 모드 또는 다중 모드 희토류 도핑된 섬유를 갖는 광섬유 레이저일 수 있다. 레이저 빔(4)은 6 미만, 바람직하게는 4 미만, 보다 바람직하게는 1.3 미만의 M2값에 의해 정의된 빔 품질을 가질 수 있다.
파장(20)은 바람직하게는 1000nm 내지 1100nm의 범위이다. 이러한 파장은 이테르븀-도핑된 섬유 레이저에 의해 방출된다.
스캔 미러(6, 7)에 의한 스캐닝은, 도 6을 참고로 도시된 바와 같이, 시간(62)의 함수로서 금속 표면(6)에 대한 레이저 빔(4)의 속도(65)를 나타내는 레이저(1)를 펄싱하기 전에 가속될 수 있다. 스캔 미러(6, 7)에 의한 스캐닝의 가속은 레이저(1)가 펄스(64)를 방출하기 전에 금속 표면(6)에 대해 원하는 스캐닝 속도(17)에서 레이저 빔(4)이 이동하는 것을 보장함으로써, 마크(16)상의 에지 효과를 감소시킨다. 시간 간격(3)은 스캔이 감속되고 이어서 그 반대 방향으로 가속되는 동안 나타나며, 레이저(1)가 추가적인 펄스(64)를 방출하기 전에 속도(65)가 반전된다.
도 7 및 도 8을 참조하여 도시된 바와 같이, 금속 표면(5)은 마크(16)를 형성하는데 소요되는 전체 시간을 최소화하도록 배향될 수 있다. 마크(16)는 도 7의 방향(71)으로 배향되고 라인(15)의 총 길이(73) 및 총 수(74)를 갖는 궤도(72)를 따라 마킹된다. 마크(16)는 도 8의 방향(81)으로 배향되고 라인(15)의 총 길이(83) 및 총 수(84)를 갖는 궤도(82)를 따라 마킹된다. 마크(16)를 생성하기 위하여 취해진 전체 시간은 각 라인(15)의 시작 및 종료 시점에서 가속 및 감속시키는데 필요한 스캐닝 속도(17) 및 시간(63)에 의한 전체 거리(73, 83)와 관련되어 있다. 도 7 및 도 8을 조사함으로써 알 수 있는 바와 같이, 마크(16)는 도 7의 배향(71)보다 도 8의 배향(81)으로 더욱 빨리 만들어질 수 있으며, 그 이유는 라인(15)의 총 수(84)가 라인(74)의 총 수보다 적고 결과적으로 감속 및 가속에 필요한 시간(63)이 적게 들기 때문이다. 라인(15)은 각각 다수의 횟수로 스캐닝될 수 있다.
도 6을 참조하면, 스캐닝 속도(17)는 적어도 1 m/s일 수 있다. 스캐닝 속도(17)는 적어도 5 m/s일 수 있다.
도 2를 참조하면, 펄스 반복 주파수(27)는 적어도 100 kHz일 수 있다. 펄스 반복 주파수(27)는 적어도 500 kHz일 수 있다.
스캐닝 속도(17)는 적어도 9 m/s일 수 있고, 펄스 반복 주파수(27)는 적어도 900 kHz일 수 있다.
각 라인(15)은 두 번 이상 기록될 수 있다. 바람직하게, 각 라인은 적어도 5 회 기록되지만, 더 많거나 적은 시간이 사용될 수 있다. 각각의 라인(15)을 동일한 펄스 반복 주파수(27)로 한 번만 스캔하는 것이 가능하지만, 이것은 열 손상이 금속 표면(5)에서 발생할 수 있는 것으로 판명되었다. 따라서, 열 손상을 최소화하여 마크(16)의 품질을 최적화하기 위해서는 각 라인(15)을 가능한 한 신속하게 기록하는 것이 바람직하다. 해치 거리로 언급되는 연속적인 라인들 사이의 간격(19)은 스폿 직경(34)보다 작을 수 있고, 바람직하게는 스폿 직경(34)의 10 분의 1보다 작거나, 더욱 바람직하게는 스폿 직경(34)의 100 분의 1보다 작을 수 있다. 연속적인 반복의 라인들(15)의 각(47)은 0° 내지 359°의 범위에서 변화될 수 있다. 마크 촉진층(102)은 연속적인 반복들 사이에서 대체될 수 있다.
도 1을 참조하면, 스폿-스폿간 분리(18)(스폿(31)의 중심(37)으로부터 측정 됨)는 도 3을 참고로 도시된 스폿 직경(34)의 적어도 1/4일 수 있다. 스폿-스폿간 분리(18)는 스폿 직경(34)의 적어도 1/2일 수 있다. 스폿-스폿간 분리(18)는 균일할 수도 있거나, 라인(15)을 따라 변할 수도 있거나, 또는 상이한 라인(15)에서 다를 수도 있다. 라인(15)을 겹쳐 기록할 때, 분리(18)는 각 스캔에서 동일하거나 또는 상이할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 마크 촉진층(102)상에 마크(92)를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 9에서, 마크 촉진층(102)은 금속 표면(5)으로부터 들어 올려져서 180도로 회전되어 있다. 금속 표면(5)상의 마크(16)는 로고(logo; 91)이다. 투명한 표면(102)상에 상응하는 마크(92)도 또한 로고이지만, 이것은 로고(91)의 거울 이미지이다. 유리를 포함하는 마크 촉진층(102)상에 다양한 색상의 마크(92)를 얻는 것도 가능하다. 금속 표면(5)이 알루미늄인 경우 검은색 또는 갈색으로 착색된 색상의 마크(92)가 얻어진다. 금속 표면(5)이 은인 경우, 직접 보았을 때 검은색으로 착색된 색상의 마크(92), 및 마크 촉진층을 통해 보았을 때 금색으로 착색된 색상의 마크가 얻어진다. 다른 색상도 얻을 수 있다. 레이저(1), 금속 표면(5), 마크 촉진층(102)은 도 4 및 도 5를 참조하여 도시된 플럼(41)이 마크 촉진층(102)상에 마크(92)를 형성하게 하도록 선택된다.
도 1 내지 도 9와 관련하여 기술된 방법은 마크 촉진층(102)을 제공하기 위해 도 10을 참조하여 도시된 바와 같은 장치(103)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 도 1의 레이저 기반 마킹 기계(10)는 장치(103)를 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 장치(103)는 마킹-촉진층(102)이 분배 릴(reel; 104)에서부터 권취 릴(105)까지 감아 올려지도록 분배 릴(104) 및 권취 릴(105)을 포함한다. 이러한 장치는 마크 촉진층(102)이 호일, 중합체 필름 또는 접착식 테이프와 같은 물질의 가요성 시트의 형태인 경우에 편리하다. 마크 촉진층(102)이 유리와 같은 단단한 재질인 경우, 장치(103)는 슬라이드 카세트 디스펜서와 유사할 수 있다. 택일적으로 또는 부가적으로, 장치(103)는 마크 촉진층(102)의 상이한 부분이 다른 시간에서 하나 이상의 물품(40)을 마킹하는데 사용될 수 있도록 마크 촉진층(102)을 회전시키기 위한 휠을 포함할 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 본 발명의 방법은 도 11과 관련하여 도시된 바와 같이 마크(16)가 원하는 색상으로 기록되게 하는데 충분한 접촉을 제공하는 힘(115)으로 금속 표면(5)상에 마크 촉진층(102)을 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 필요한 힘(115)은 실험을 통해 결정될 수 있다. 레이저 기록 공정은 또한 마크 촉진층(102)을 대체한 후에 동일한 마크(16)상에서 반복될 수 있다. 도 1 내지 도 10을 참조하여 기술된 마크 촉진층(102)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 강성 층(111) 및 유연성 층(112)을 포함할 수 있다. 유연성 층(112)은 유리와 같은 단단한 층과의 충분한 접촉을 얻기가 어려운 거친 표면을 마킹할 때 특히 유용하다. 강성 층(111)은 유리 슬라이드일 수 있다. 유연성 층(112)은 강성 층(111)의 유연성보다 큰 유연성을 갖는 중합체일 수 있다.
도 1 내지 도 11을 참조하여 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 잉크, 염료 또는 다른 화학 물질을 필요로함이 없이 지금까지 가능했던 것보다 빠르고 경제적으로 금속 표면상에 마크를 생성할 수 있기 때문에 특히 매력적이다. 예를 들어, 블랙 마크는 약 10 ㎛의 스폿-스폿간 분리 및 약 0.2 ㎛의 해치 거리(19)로 한 번만 라인을 기록하여 베어 알루미늄상에서 얻을 수 있다. 그러나, 0.2 ㎛의 서브-디지털 해상도(12)를 달성하기 위하여 스캐너를 제어하고자 상대적으로 복잡한 파형이 유도될 필요가 있기 때문에 2 ㎛에 해당하는 디지털 해상도(101)를 갖는 전형적인 스캐너를 사용할 때에는 스캔간에 상당한 시간이 소요된다. 그러나, 놀랍게도, 본 발명의 방법은 스캐너를 2 ㎛(디지털 해상도)씩 스텝 처리하고 라인을 10 번씩이나 겹쳐 기록(2 ㎛ 과 0.2 ㎛의 몫에 동일하게)함으로써 처리 속도의 현저한 증가를 달성할 수 있다. 또한, 놀랍게도, 본 발명의 방법은 각각의 라인(15)을 단지 1 번만 기록하는 것보다 각각의 라인(15)을 한번 이상 겹쳐서 기록함으로써(그렇지만 보다 짧은 해치 거리(19)로) 마크(16)의 더욱 우수한 균일성을 제공할 수 있다. 이러한 우수한 균일성은 육안으로 볼 수 있다.
제 2 미러(7)는 도 1을 참조하여 도시된 디지털 해상도(101)에 의해 특성화 될 수 있다. 바람직하게, 해치 거리(19)는 디지털 해상도(101)의 정수배와 상응한다. 예를 들어, 통상적인 스캐너는 2 ㎛의 해치 거리(19)(전형적으로 라디안 단위로 측정된 각 디지털 해상도와 렌즈(3)의 초점 거리)와 상응하는 디지탈 해상도(101)를 가질 수 있다. 0.5 ㎛의 해치 거리(19)를 갖는 10 개의 개별 라인(15)을 작성하는 대신에, 동일한 또는 유사한 품질의 마크가 2 ㎛의 해치 거리(19)를 사용하여 각 라인(15)을 15 번 기록함으로써 기록될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이것은 놀라울뿐만 아니라, 대상물을 마킹하는데 걸리는 시간을 상당히 줄이는 수단을 제공한다. 이는 제 1 스캐닝 미러(6)가 동일한 경로상에서 스캔할 때 불필요한 시간 지연을 없애기 때문이다. 통상적인 제어기가 연속적인 라인들(15) 사이에서 해치 거리(19)를 증분시키는데 걸리는 시간의 비율은, 특히 서브-디지털 해상도를 요구할 때, 중요할 수 있다.
레이저(1)는 섬유 레이저, 디스크 레이저, 로드 레이저 또는 다른 형태의 고체 상태 레이저일 수 있다.
펄스 플루엔스(36)는 0.02 J/cm2 내지 10 J/cm2의 범위일 수 있다. 바람직하게, 펄스 플루엔스(36)는 0.3 J/cm2 내지 5 J/cm2의 범위에 있다. 보다 바람직하게, 펄스 플루엔스(36)는 0.5 J/cm2 내지 2 J/cm2의 범위이다.
펄스 폭(26)은 100 ps 내지 250 ns의 범위에 있을 수 있다. 바람직하게, 펄스 폭(26)은 300 ps 내지 10 ns의 범위에 있다. 보다 바람직하게, 펄스 폭(26)은 500 ps 내지 5 ns의 범위에 있다.
피크 전력(22)은 바람직하게는 1 kW보다 크다.
스캐닝 속도(17)는 적어도 1 m/s일 수 있다. 스캐닝 속도(17)는 전형적으로 1 내지 25 m/s의 범위이다. 바람직하게, 스캐닝 속도(17)는 5 내지 15 m/s의 범위에 있다. 보다 바람직하게, 스캐닝 속도(17)는 7 내지 10 m/s의 범위에 있다.
펄스 반복 주파수(27)는 적어도 kHz, 바람직하게는 적어도 25 kHz, 보다 바람직하게는 적어도 500 kHz일 수 있다.
바람직하게, 각 라인(15)은 제 2 미러(7)를 정지 상태로 유지하면서 제 1 미러(6)를 스캐닝함으로써 기록된다. 바람직하게, 해치 거리(19)는 제 2 미러(7)를 이동시킴으로써 달성된다. 이는 제어기(11)에서 제어 파라미터를 설정하는데 있어서 지연을 감소시키기 때문에 유리하다.
펄스 반복 주파수(27)는 적어도 500 kHz일 수 있다.
스캔 속도(17)는 적어도 9 m/s일 수 있고, 펄스 반복 주파수(27)는 적어도 900 kHz일 수 있다. 이러한 스캔 속도(17) 및 펄스 반복 주파수(27)의 조합은 10 ㎛의 스폿-스폿간 분리(18)와 등가이다. 이것은 통상적으로 단일 모드 펄스화 레이저를 사용할 때 금속 표면(5)상에서 쉽게 달성할 수 있는 스폿(31)의 직경(34)의 약 절반이다.
전술한 방법은, 예를 들어 이동 전화, 태블릿 컴퓨터, 시계, 텔레비전, 기계류 및 보석류를 포함하는 다양한 물품들을 마킹하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 이제 예시적인 목적만을 위해 제공되는 다음과 같은 비-제한적인 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
다음의 실시예들에서, 도 1을 참조하여 도시된 레이저(1)는 영국 싸우스햄톤의 SPI Lasers UK Ltd에 의해 제조된 펄스화 레이저 모델 번호 SP-020P-A-EP-S-A-Y이다. 레이저는 마스터 발진기 전력 증폭기로 구성된 이테르븀 도핑된 섬유 레이저이다. 스캐너(2)는 독일 베슬링의 Raylase GmbH에서 제조한 검류 측정 스캔-헤드 모델인 SuperScan II이다. 대물 렌즈(3)는 163 mm 초점 길이 f-θ 대물 렌즈이다. 레이저 빔(4)은 75 mm 빔 확장 시준기(BEC)(14)를 통해 레이저(1)로부터 스캐너(2)로 전달되며, 상기 시준기(14)는 레이저 빔(4)이 스캐너(2)로 들어오는 입구에서 7.5 mm(1/e2)의 공칭 직경을 갖게 하고 스캐너 대물 렌즈(3)의 초점면에서 34 ㎛±5.0 ㎛의 스폿 직경(34)이 발생되게 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 레이저(1)는 약 3 ns 내지 약 500 ns 사이의 펄스 폭(26)을 생성할 수 있고, 평균 출력 파워(23), 펄스 반복 주파수(27) 및 일시적인 펄스 형상(24)의 범위에 걸쳐 작동된다. 펄스 에너지(25) 및 펄스 피크 전력(22)은 반복 가능하고 정확하게 제어될 수 있다. 스캐너(2)는 10 m/s까지의 스캔 속도(17)로 레이저 빔(4)을 스캔할 수 있다. 스캔 속도(17)는 정확하게 제어 될 수 있어서, 레이저(1)가 공지된 펄스 반복 주파수(27)에서 작동할 때, 단위 이동 길이 당 레이저 펄스의 수, 이에 따른 스폿-스폿간 분리(18)가 계산될 수 있다.
실시예 1
도 5를 참고로, 물품(40)은 1 mm의 두께(51)를 갖는 알루미늄 등급 5251의 시트였다. 알루미늄은 그의 표면에 산화물층을 갖지만 일반적으로 "베어 알루미늄"이라고 언급한다. 마크 촉진층(102)은 1 mm의 두께(43)를 갖는 유리 현미경 슬라이드였다. 현미경 슬라이드를 알루미늄 시트상에 고정시켜서 두 시트 사이에 보이는 틈이 없도록 하였다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 12μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.3 J/cm2이었다. 생성된 마크(16)는 약 35의 L* 값을 갖는 짙은 회색이었다. 용매로 닦아도 마크(16)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
실시예 2
도 5를 참고로, 물품(40)은 1 mm의 두께(51)를 갖는 알루미늄 등급 5251의 시트였다. 알루미늄은 그의 표면에 산화물층을 갖지만 일반적으로 "베어 알루미늄"이라고 언급한다. 마크 촉진층(102)은 75 ㎛의 두께(43)를 갖는 폴리에틸렌 시트였다. 이러한 플라스틱 시트를 알루미늄 시트상에 고정시켜서 두 시트 사이에 보이는 틈이 없도록 하였다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 12μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.3 J/cm2이었다. 생성된 마크(16)는 약 35의 L* 값을 갖는 짙은 회색이었다. 용매로 닦아도 마크(16)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
실시예 3
도 5를 참고로, 물품(40)은 전형적으로 1 ㎛ 두께의 금으로 얇게 코팅된 2 mm의 두께(51)를 갖는 구리 시트였다. 마크 촉진층(102)은 1 mm의 두께(43)를 갖는 유리 시트였다. 이러한 유리 시트를 금으로 코팅된 구리 시트상에 고정시켜서 두 시트 사이에 보이는 틈이 없도록 하였다. 시준 렌즈(4)의 초점 길이는 100 mm이고, 스캐너 입구에서 1/e2 빔 직경은 11 mm이고, 대물 렌즈(3)의 초점 길이는 160 mm이고, 1/e2 초점 스폿 직경(34)은 27 ㎛ +/- 5㎛이었다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 20μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.6 J/cm2이었다. 생성된 마크(16)는 약 25의 L*값을 갖는 블랙이었다. 용매로 닦아도 마크(16)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
실시예 4
도 5를 참고로, 물품(40)은 1 mm의 두께(51)를 갖는 황동 등급 CW508L의 시트였다. 마크 촉진층(102)은 1 mm의 두께(43)를 갖는 유리 현미경 슬라이드였다. 이러한 현미경 슬라이드를 황동 시트상에 고정시켜서 두 시트 사이에 보이는 틈이 없도록 하였다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 12μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.3 J/cm2이었다. 생성된 마크(16)는 약 20의 L* 값을 갖는 블랙이었다. 용매로 닦아도 마크(16)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
실시예 5
도 5를 참고로, 물품(40)은 0.2 mm의 두께(51)를 갖는 양극처리되지 않은 알루미늄의 시트였다. 마크 촉진층(102)은 50 ㎛의 공칭 두께(43)를 갖는 클리어 래커였다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 12μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.3 J/cm2이었다. 생성된 마크(16)는 약 20의 L*값을 갖는 블랙이었다. 용매로 닦아도 마크(16)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
실시예 6
도 5를 참고로, 물품(40)은 0.5 mm의 두께(51)를 갖는 법정 순도(sterling)의 은 시트였다. 마크 촉진층(102)은 1 mm의 두께(43)를 갖는 유리 현미경 슬라이드였다. 이러한 현미경 슬라이드를 은 시트상에 고정시켜서 두 시트 사이에 보이는 틈이 없도록 하였다. 초점은 레이저 빔(4)이 금속 표면(5)상에 집속되게 하도록 결정되었다. 레이저 빔(4)은 600 kHz의 펄스 반복 주파수(27)에서 반복적으로 펄싱되고, 0.5 ㎛의 해치 간격을 사용하여 6000 mm/s의 속도로 금속 표면(5)위에 스캔되었다. 펄스 폭(26)은 최대 1/2의 완전한 폭에서 3 ns이었으며, 펄스 에너지는 12μJ이었다. 펄스 플루엔스(36)는 1.3 J/cm2이었다. 은 시트상에서 생성된 마크(16)는 약 40의 L*값을 갖는 짙은 회색이었다. 유리 현미경 슬라이드상에서의 마크(92)(도 9에 참고로 도시됨)는 직접 보았을 때 일부 영역에서는 짙은 회색이었고 다른 영역에서는 블랙이었으며 유리를 통해 볼 때에는 균일한 금색이었다. 용매로 닦아도 마크(16) 또는 마크(92)를 제거할 수 없었다. 중요하게는 마크 촉진층(102)의 사용없이 동일한 장치를 사용하여 검은 마크를 생성할 수 없었다.
상기 실시예들을 참조하면, 바람직하게는 다른 각도들(47)을 사용하여, 마크 촉진층(102)과 금속 표면(5) 사이의 접촉 압력을 증가시킴으로써 또는 마크(16)를 겹쳐서 기록함으로써 펄스 플루엔스(36), 스폿-스폿간 간격(18), 라인-라인간 간격(19) 중의 하나 이상을 조절하면 보다 어두운 마크가 얻어질 수 있는 것으로 믿어진다.
첨부된 도면들을 참조하여 전술한 본 발명의 실시 양태들은 단지 예시로만 주어졌으며 성능을 향상시키기 위해 변형 및 부가적인 단계 및 구성 요소들이 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 도면에 도시된 개개의 구성 요소들은 도면에서의 사용에 한정되지 않고, 다른 도면 및 본 발명의 모든 양태에서 사용될 수 있다. 본 발명은 상기 언급한 특징들을 단독으로 또는 임의의 조합으로 취하여 사용할 수 있다.

Claims (49)

  1. 금속 표면을 갖는 금속을 포함하는 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법으로서:
    - 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 반복 주파수 및 파장을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 레이저 빔을 방출하기 위한 레이저를 제공하는 단계;
    - 레이저 빔을 제 1 방향으로 스캐닝하기 위한 제 1 미러(mirror) 및 레이저 빔을 제 2 방향으로 스캐닝하기 위한 제 2 미러를 포함하는 스캐너를 제공하는 단계;
    - 스폿 직경과 펄스 플루엔스(fluence)를 갖는 스폿(spot)을 형성하기 위해 상기 레이저로부터의 레이저 빔을 상기 금속 표면상에 집속시키기 위한 렌즈를 제공하는 단계;
    - 제어 신호로 상기 스캐너를 제어하기 위한 제어기를 제공하는 단계;
    - 상기 레이저를 펄싱(pulsing)하면서 상기 스캐너를 스캐닝함으로써 마크를 형성하기 위해 해치(hatch) 거리만큼 분리된 복수의 라인들을 금속 표면상에 마킹하는 단계; 및
    - 스캐너의 각 스캔 동안 연속 스폿들의 중심들 사이에서 원하는 스폿-스폿간 분리를 제공하기 위해 스캔 속도, 펄스 반복 주파수 및 스폿 직경을 선택하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 레이저로 마킹하는 단계 이전에, 상기 물품은 상기 금속 표면에 적용된 마크 촉진층(mark-facilitating layer)을 가지며, 상기 마크 촉진층은 레이저 펄스가 상기 마크 촉진층을 통과하여 상기 금속 표면을 타격하도록 허용하며;
    - 상기 금속 표면으로부터의 물질을 포함하는 플럼(plume)이 상기 금속 표면으로부터 방출되게 하도록 상기 펄스 플루엔스를 선택하고;
    - 상기 플럼이 상기 금속 표면을 마킹할 수 있도록 상기 플럼의 적어도 일부를 상기 금속 표면과 접촉하는 마크 촉진층으로 유지하고;
    - 상기 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수에 의해 상기 색상이 부여되고; 그리고
    - 상기 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭 및 각 라인의 기록 횟수를 선택하여 원하는 색상을 형성하며,
    상기 금속 표면은 양극 처리되지 않은 금속 표면인 것인 마크를 생성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 1/10 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 1/4 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스폿-스폿간 분리는 스폿 직경의 적어도 1/2 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스폿-스폿간 분리는 최대로 상기 스폿 직경과 동일한 것인 마크를 생성하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플럼은 반동 압력(recoil pressure)을 가지며, 상기 마크 촉진층과 상기 금속 표면의 접촉은 상기 플럼의 반동 압력의 적어도 일부를 유지하기에 충분한 것인 마크를 생성하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크가 50 미크론 이하의 평균 표면 거칠기 Ra를 갖게 하도록 상기 스폿-스폿간 분리, 해치 거리, 펄스 플루엔스, 펄스 폭, 및 각 라인의 기록 횟수를 선택하는 단계를 포함하는, 마크를 생성하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 평균 표면 거칠기 Ra 값은 20 미크론 이하인 것인 마크를 생성하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 평균 표면 거칠기 Ra 값은 5 미크론 이하인 것인 마크를 생성하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 표면은 나금속 표면(bare metal surface)을 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 표면은 추가적인 층을 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 추가적인 층은 금속 코팅인 것인 마크를 생성하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 추가적인 층은 산화물층인 것인 마크를 생성하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 표면은 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 티탄, 주석, 철, 크롬, 스테인레스 강 또는 이들 금속중의 하나를 포함한 합금을 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 유리를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 사파이어를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 래커(lacquer)를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 등각 코팅(conformal coating)을 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 시트 물질을 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 시트 물질은 중합체를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 시트 물질은 접착식 테이프(adhesive-backed tape)인 것인 마크를 생성하는 방법.
  25. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 1㎛ 초과의 두께를 갖는 것인 마크를 생성하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 두께는 50 ㎛와 3 ㎜ 사이인 것인 마크를 생성하는 방법.
  27. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 마크 촉진층을 제거하는 단계를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층을 제거하는 단계는 화학적 처리를 포함하는 것인 마크를 생성하는 방법.
  29. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층은 상기 레이저 빔의 파장에서 적어도 50 %의 광학적 투과율을 갖는 것인 마크를 생성하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 광학적 투과율은 적어도 80 %인 것인 마크를 생성하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 광학적 투과율은 적어도 90 %인 것인 마크를 생성하는 방법.
  32. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 색상은 50 이하의 L* 값을 갖는 회색 또는 검은색인 것인 마크를 생성하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 L* 값은 30 이하인 것인 마크를 생성하는 방법.
  34. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저가 100 피코세컨드보다 큰 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 제공하는 펄스 레이저인 것인 마크를 생성하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 펄스 폭은 1 나노세컨드 초과인 것인 마크를 생성하는 방법.
  36. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장은 1000 nm 내지 1100 nm의 범위에 있는 것인 마크를 생성하는 방법.
  37. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐너의 미러들의 스캐닝은 상기 레이저를 펄싱하기 전에 가속되는 것인 마크를 생성하는 방법.
  38. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 표면은 상기 마크를 형성하는데 소요되는 전체 시간을 최소화하도록 배향되는 것인 마크를 생성하는 방법.
  39. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐닝 속도는 적어도 1 m/s 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  40. 제 39 항에있어서,
    상기 스캐닝 속도는 적어도 5m/s 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  41. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 반복 주파수는 적어도 100 kHz 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 펄스 반복 주파수는 적어도 500 kHz 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  43. 제 40 항에 있어서,
    상기 스캐닝 속도는 적어도 9 m/s이고, 상기 펄스 반복 주파수가 적어도 900 kHz 인 것인 마크를 생성하는 방법.
  44. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 라인은 2 번 이상 기록되는 것인 마크를 생성하는 방법.
  45. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저, 상기 금속 표면 및 상기 마크 촉진층은 상기 플럼이 상기 마크 촉진층상에서 마크를 형성하도록 선택되는 것인 마크를 생성하는 방법.
  46. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층을 제공하기 위한 장치를 제공하는 단계를 포함하는, 마크를 생성하는 방법.
  47. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 마킹되는 물품으로서, 상기 금속 표면은 나금속 표면이고, 상기 마크의 색상은 50 이하의 L* 값을 가진 회색 또는 검은색이며, 상기 마크는 상기 나금속 표면으로부터의 물질을 포함하는 것인 물품.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 마크 촉진층을 포함하는 물품.
  49. 제 47 항에있어서,
    상기 마크 촉진층이 제거되어 있는 물품.
KR1020187033570A 2016-05-20 2017-05-18 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법 KR102390305B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1609086.2 2016-05-20
GBGB1609086.2A GB201609086D0 (en) 2016-05-20 2016-05-20 Method for creating a mark with a desired colour on an article
PCT/GB2017/000078 WO2017198986A1 (en) 2016-05-20 2017-05-18 Method for creating a mark with a desired colour on an article

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190020655A KR20190020655A (ko) 2019-03-04
KR102390305B1 true KR102390305B1 (ko) 2022-04-22

Family

ID=56369852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187033570A KR102390305B1 (ko) 2016-05-20 2017-05-18 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20190193445A1 (ko)
EP (1) EP3458274B1 (ko)
JP (1) JP7048513B2 (ko)
KR (1) KR102390305B1 (ko)
CN (1) CN109153277B (ko)
GB (1) GB201609086D0 (ko)
WO (1) WO2017198986A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3417982A1 (de) * 2017-06-21 2018-12-26 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Laserschneiden von metall-keramik-substraten
CN111028865B (zh) * 2019-12-04 2022-04-29 富通尼激光科技（东莞）有限公司 一种在光学信息存储盘上形成机器可读代码的方法
EP3928997A1 (en) * 2020-06-24 2021-12-29 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method for creating a colored laser marking
JP2022139477A (ja) * 2021-03-12 2022-09-26 オムロン株式会社 レーザマーカ
CN113085403A (zh) * 2021-03-17 2021-07-09 武汉大学 等离激元颜色的可擦除打印技术

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040238506A1 (en) * 2003-05-26 2004-12-02 Robert Petit Method of decorating a support comprising a transparent outer layer
JP2010524692A (ja) * 2007-04-17 2010-07-22 パナソニック エレクトリック ワークス オイローペ アクチェンゲゼルシャフト 透明な加工品の表面に構造体を組み込む方法
JP2015502890A (ja) * 2011-09-27 2015-01-29 クラウン パッケイジング テクノロジー インコーポレイテッド 光感応インクを用いた缶エンド及び／又はプルタブのマーキング
WO2015082869A1 (en) * 2013-12-03 2015-06-11 Spi Lasers Uk Limited Method for laser marking an anodized metal surface with a desired colour

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL124985A (en) * 1996-01-15 2001-10-31 Univ Tennessee Res Corp Surface enhancement by laser
SG83780A1 (en) * 2000-03-07 2001-10-16 Gintic Inst Of Mfg Technology Process for laser marking metal surfaces
JP4636672B2 (ja) * 2000-11-15 2011-02-23 大日本印刷株式会社 レーザマーキング装置及びレーザマーク媒体
DE102008046513A1 (de) * 2008-09-10 2010-04-29 Giesecke & Devrient Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Sicherheits-oder Wertdokuments
US8194237B2 (en) * 2009-10-15 2012-06-05 Authentix, Inc. Document sensor
US20110089039A1 (en) * 2009-10-16 2011-04-21 Michael Nashner Sub-Surface Marking of Product Housings
GB201221184D0 (en) * 2012-11-24 2013-01-09 Spi Lasers Uk Ltd Method for laser marking a metal surface with a desired colour
EP2922657B1 (en) * 2012-11-24 2020-03-04 SPI Lasers UK Limited Method for laser marking a metal surface with a desired colour
CN203901970U (zh) * 2014-06-10 2014-10-29 滁州品之达电器科技有限公司 新型激光标印系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040238506A1 (en) * 2003-05-26 2004-12-02 Robert Petit Method of decorating a support comprising a transparent outer layer
JP2010524692A (ja) * 2007-04-17 2010-07-22 パナソニック エレクトリック ワークス オイローペ アクチェンゲゼルシャフト 透明な加工品の表面に構造体を組み込む方法
JP2015502890A (ja) * 2011-09-27 2015-01-29 クラウン パッケイジング テクノロジー インコーポレイテッド 光感応インクを用いた缶エンド及び／又はプルタブのマーキング
WO2015082869A1 (en) * 2013-12-03 2015-06-11 Spi Lasers Uk Limited Method for laser marking an anodized metal surface with a desired colour

Also Published As

Publication number Publication date
CN109153277A (zh) 2019-01-04
WO2017198986A1 (en) 2017-11-23
CN109153277B (zh) 2021-05-28
US20190193445A1 (en) 2019-06-27
GB201609086D0 (en) 2016-07-06
KR20190020655A (ko) 2019-03-04
JP2019521855A (ja) 2019-08-08
JP7048513B2 (ja) 2022-04-05
EP3458274B1 (en) 2022-03-23
EP3458274A1 (en) 2019-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102390305B1 (ko) 물품에 원하는 색상을 갖는 마크를 생성하는 방법
CN105848914B (zh) 用理想色彩来激光标记阳极化金属表面的方法
CN103831534B (zh) 采用期望的色彩对金属表面激光标记的方法
US9138826B2 (en) Method for laser marking a metal surface with a desired colour
US6613161B2 (en) Process for laser marking metal surfaces
KR101869435B1 (ko) 물품을 신뢰가능하게 레이저 마킹하기 위한 방법 및 장치
JP3829301B2 (ja) レーザによってガラスにマーキングする方法及び装置
JP4761404B2 (ja) レーザによるカラーマーキング方法
US9205697B2 (en) Method for color marking metallic surfaces
JP2016505390A (ja) レーザ微細加工によりイメージを形成する方法
JP6474810B2 (ja) 薄層の内部にマーキングするためのレーザシステム並びに方法及びこれにより作製される対象物
KR20140044299A (ko) 물품을 신뢰성 높게 레이저 마킹하기 위한 방법 및 장치
JP2007229778A (ja) マーキング方法及び装置
JP4246645B2 (ja) レーザによるカラーマーキング方法
TW201208899A (en) Method and apparatus for reliably laser marking articles
EP3481583B1 (en) Method and system of ultrafast laser writing of highly-regular periodic structures
TW201208897A (en) Method and apparatus for reliably laser marking articles

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant