KR20080007139A - 레이저 마킹 방법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 파장 λ의 복사(radiation)를 발산하는 레이저를 이용하여, 상기 파장 λ에서 저-흡수성인 물질로 형성된 물체(article)를 마킹(marking)하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은
- 파장 λ에서 고-흡수성인 금속으로 형성된 지지대(support)를 위치시키고, 광 에너지(light energy)를 열 에너지(thermal energy)로 부분적, 또는 전체적으로 변환시키는 단계,
- 상기 지지대에 기대도록 상기 물체를 배열하여, 상기 물체와 상기 지지대 간의 열 접촉이 형성될 수 있게 하며, 이때 상기 물체는 상기 레이저와 상기 지지대 사이로 삽입되어 있는 단계,
- 상기 지지대로부터 상기 물체로의 열 에너지의 전이가 상기 물체의 표면 상에, 상기 마킹의 원본과 대비를 도출하기 위한 물리적이거나 화학적인 국부적인 변성을 발생시키기에 충분한 열 에너지를 상기 지지대의 표면에서 발생시킬 수 있도록, 상기 물체를 관통하여 상기 지지대로 국부적으로 조사(illuminating)하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본원 발명은 레이저 마킹(laser marking)에 관한 것이다. 더 세부적으로는, 레이저의 파장에서 투시되는 물질을 레이저 마킹하기 위한 방법에 관한 것이다.
다양한 산업 분야에서, 예를 들어, 일련 번호, 바코드, 로고 등을 마킹하기 위한 산업 분야에서, 다양한 물질의 레이저 마킹이 존재한다. 소형이며, 비교적 저렴한 Nd:YAG 레이저가 폭넓게 사용된다.
상기 Nd:YAG 레이저의 1064㎚의 파장은 금속, 일부 플라스틱, 또는 세라믹 등의 흡수성 물질(absorbent material)을 적외선으로 마킹(marking)할 수 있다. 그러나 Nd:YAG 레이저의 사용이 불가능한, 1064㎚에서 투시되는 물질의 범위가 존재한다. 이러한 물질을 위한 하나의 해결책은 355㎚에서의 복사, 즉 자외선 복사를 획득하기 위해 주파수 멀티플라이어(frequency multiplier)를 사용하는 것이다. 그러나 이러한 해결책은 비용이 많이 들고, 번거로우며, 에너지 소비 관점에서 바람직하지 않다. 이러한 까닭으로, 이러한 해결책을 사용하는 것은 지양된다.
1064㎚에서 투시되는 물질 중, 일부는 레이저 펄스에 의해 발생되는 상당한 온도 상승(통상적으로 수십 내지 수백 켈빈 도)의 결과로 인해, 물리적으로나 화학적으로 변형되기 쉽다. Plexiglas, 또는 PMMA(poly methylmethacrylate)가 이러한 종류의 물질이다. 다양한 응용분야에서 유리를 대체하기 위해 종종 사용되기 위해, 가시적인 범위에서의 투과성은 바람직한 기계적 속성이다.
Plexiglas는 1064㎚에서 저-흡수성을 띄기 때문에, 이를 마킹하기 위한 몇 가지 해결책이 이미 존재한다. 앞서 언급된 바와 같이 355㎚에서의 마킹은 앞서 언급된 단점들로부터 제약받는다. 또 다른 방법은 1064㎚에서 감광성을 띄는 안료를 Plexiglas 덩어리로 삽입하는 단계를 포함한다. 그러나 이러한 해결책은 Plexiglas의 제조 비용을 증가시킨다. 마지막으로, 밀링(milling)에 의한 기계적 식각은 오랜 시간을 소요하며, 덩어리(mass) 마킹에 적합하지 않다.
이러한 방법에 대한 첫 번째 대안은 US 특허 No. 5 987 920에서 공개되어 있다. 상기 특허는 세라믹 타입의 고-흡수성 보조 물질을 이용하여 저-흡수성 물질로 이루어진 물체에 대하여 레이저 마킹하는 방법을 공개하고 있다. 상기 흡수성 물질이 식각될 물체와 접촉하도록 이동되는 지지대 상에 희생 층으로서 증착되거나, 식각될 물체의 하나의 표면 상에 직접 증착될 수 있다. 레이저 조사(laser illumination)의 효과를 통해, 흡수성 물질이 분사되고, 생성되는 파편이 마킹될 표면에 대하여 투사되며, 이는 거칠기(roughness)를 증가시키고, 마킹의 효과를 발생시킨다. 이러한 방법은 복잡하며, 비용을 많이 소모한다. 왜냐하면, 식각될 물체의 표면 상에 흡수성 물질의 층을 증착시키는 단계, 그 후 이를 제거하는 단계를 필요로 하기 때문이다. 지지대(support)가 사용되는 경우, 몇 번 사용되고 나면 희생 층(sacrificial layer)이 변질되기 때문에, 상기 지지대의 수명은 제한된다. 지지대 상에 위치하는 표면 희생 층이 규칙적으로 재생되어, 상기 방법이 효율성을 유지할 수 있다.
US 특허 제4 743 463은 금속 등의 고-흡수성 물질을 이용하여 저-흡수성 물질의 물체를 마킹하는 방법을 공개하고 있다. 금속 판, 또는 금속 시트(sheet)가 마킹될 물체와 접촉하도록 이동된 후, 레이저에 의해 조사되어, 상기 금속을 국부적으로 분사하고, 물체 위에 이를 재-증착할 수 있다. 따라서 물질을 판에서 물체로 전이시킴으로써 마킹이 이뤄진다. 이러한 방법의 단점은 마모와 마찰에 대한 마킹의 저항력이 낮다는 것이다.
본원 발명은 1064㎚에서 저흡수성을 띄는 Plexiglas 등의 물질을 마킹하기 위한 다양한 방법에 대한 단순하고 경제적인 대안을 제시함으로써, 이러한 단점을 극복한다. 더 세부적으로는, 본원 발명은 파장 λ의 복사(radiation)를 발산하는 레이저를 이용하여, 상기 파장 λ에서 저-흡수성인 물질로 형성된 물체(article)를 마킹(marking)하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은
- 파장 λ에서 고-흡수성인 금속으로 형성된 지지대(support)를 위치시키고, 광 에너지(light energy)를 열 에너지(thermal energy)로 부분적, 또는 전체적으로 변환시키는 단계,
- 상기 지지대에 기대도록 상기 물체를 배열하여, 상기 물체와 상기 지지대 간의 열 접촉이 형성될 수 있게 하며, 이때 상기 물체는 상기 레이저와 상기 지지대 사이로 삽입되어 있는 단계,
- 상기 지지대로부터 상기 물체로의 열 에너지의 전이가 상기 물체의 표면 상에, 상기 마킹의 원본과 대비를 도출하기 위한 물리적이거나 화학적인 국부적인 변성을 발생시키기에 충분한 열 에너지를 상기 지지대의 표면에서 발생시킬 수 있도록, 상기 물체를 관통하여 상기 지지대로 국부적으로 조사(illuminating)하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
지지대(support)를 위해 파장 λ에서 고-흡수성인 금속을 사용하기 때문에, 그리고 마킹될 물체와 상기 지지대 간의 가까운 열 접촉 때문에, 파장 λ에서 투시적인 물질은 물질의 어떠한 이동도, 지지대의 품질 저하도 없이 표시될 수 있다. 본원 발명의 또 다른 특징 및 이점은 예시를 들어 다음에서 더욱 명료해질 것이며, 이러한 예시는 순수하게 제한하지 않는 설명을 위한 목적을 갖는다.
본원 발명에서는, 지지대(support)를 위해 파장 λ에서 고-흡수성인 금속을 사용하기 때문에, 그리고 마킹될 물체와 상기 지지대 간의 가까운 열 접촉 때문에, 파장 λ에서 투시적인 물질은 물질의 어떠한 이동도, 지지대의 품질 저하도 없이 표시될 수 있다.
도 1에서 나타난 설비는 통상적으로 1064㎚의 광선을 발산하는 Nd:YAG 타입 의 레이저를 포함한다. 변형예에서, 레이저(10)는 원적외선으로 10미크론의 광선을 발산하는 CO2 레이저일 수 있다. 연마된 표면을 갖는 평면 판으로 형성된 지지대(12)가 레이저 광선의 경로 상에 배열된다. 지지대(12)는 황동, 또는 알루미늄 등의 금속, 또는 레이저에 의해 발산되는 광선을 많이 흡수하여 이를 열 에너지로 변환할 수 있는 그 밖의 다른 임의의 금속으로 만들어져 있다.
마킹될 물체(14)는 지지대(12)와 레이저(10) 사이에서 지지대(12)와 접촉하도록 배열되어 있다. 물체(14)는 예를 들어 지지대로서 사용되는 고형 Plexiglas로 이뤄진 평면 판이다. 변형예에서, 물체(14)는 파장 1064㎚에서 투시되는 그 밖의 다른 임의의 플라스틱 물질, 예를 들어, 폴리카보네이트, 또는 나일론으로 형성될 수 있다. 물체(14)는 평면 형태가 아닌 그 밖의 다른 임의의 형태를 가질 수 있다.
지지대(12)와 물체(14) 간의 열 접촉은 차후 설명될 이유에서 바람직할 것이다. 따라서 클램프(clamp)를 이용하여, 지지대(12) 방향으로 물체(14)에 압력을 가하는 것, 또는 동일한 목적으로 물체(14) 상에 고형 물체를 배열하는 것이 가능하다. 평면이 아닌 물체(14)의 경우에는, 두 개의 구성요소 간의 열 접촉을 최적화하기 위해, 지지대(12)는 후자의 형태로 적응되어야할 것이다.
레이저(10)가 물체(14)를 향하여 파장 1064㎚의 빔(16)의 형태로 복사를 발산한다. 빔(16)은 흡수되지 않고, 또는 약간만 흡수되고 Plexiglas 판(14)을 통과한다. 판(14)을 빠져나오면, 빔(16)이 2.10-9m2의 표면 위에 위치하는 지지대(12)와 충돌한다. 지지대(12)는 복사를 흡수하여 이를 열 에너지로 변환한다. 그 후 수십 내지 수백 ℃의 온도까지로 국부적으로 가열된다. 상기 열 에너지는 물체(14)로 부분적으로, 또는 전체적으로 전달된다. 열 에너지의 이러한 국부적인 유입의 효과로서, Plexiglas는 탄화(carbonisation) 등에 의해 화학적으로 변성되거나, 융용(melting) 등에 의해 물리적으로 변성된다. 또한 상기 두 타입의 변성이 동시에 발생할 수 있다. 이에 따라서 변성된 Plexiglas 표면은 미처리된 표면과의 대비를 제공하며, 이러한 대비에 의해 Plexiglas의 마킹이 도출된다.
결정된 구역을 레이저 빔(16)으로 지나감으로써, 바코드, 또는 로고, 또는 이미지, 또는 비문이 마킹될 수 있다.
도 1은 본원 발명에 따르는 방법을 위해 사용되는 설비의 개념적인 다이어그램이다.
Claims (4)
- 파장 λ의 복사(radiation)를 발산하는 레이저를 이용하여, 상기 파장 λ에서 저-흡수성인 물질로 형성된 물체(article)를 마킹(marking)하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은- 파장 λ에서 고-흡수성인 금속으로 형성된 지지대(support)를 위치시키고, 광 에너지(light energy)를 열 에너지(thermal energy)로 부분적, 또는 전체적으로 변환시키는 단계,- 상기 지지대에 기대도록 상기 물체를 배열하여, 상기 물체와 상기 지지대 간의 열 접촉이 형성될 수 있게 하며, 이때 상기 물체는 상기 레이저와 상기 지지대 사이로 삽입되어 있는 단계,- 상기 지지대로부터 상기 물체로의 열 에너지의 전이가 상기 물체의 표면 상에, 상기 마킹의 원본과 대비를 도출하기 위한 물리적이거나 화학적인 국부적인 변성을 발생시키기에 충분한 열 에너지를 상기 지지대의 표면에서 발생시킬 수 있도록, 상기 물체를 관통하여 상기 지지대로 국부적으로 조사(illuminating)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마킹 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 1064㎚와 동일한 파장 λ의 복사를 발산하는 Nd:YAG 레이저인 것을 특징으로 하는 마킹 방법.
- 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속은 황동(brass)임을 특징으로 하는 마킹 방법.
- 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속은 알루미늄임을 특징으로 하는 마킹 방법.
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