KR20140008522A

KR20140008522A - 물품을 신뢰성 높게 레이저 마킹하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140008522A
Application number: KR1020137024517A
Authority: KR
Inventors: 하이빈 창; 글렌 시멘슨; 로버트 헤인시; 다비드 바식; 제프리 하워튼; 웨인 크로우더; 패트릭 레오나르드
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2014-01-21
Also published as: JP2014509946A; KR101881621B1; WO2012121733A1; CN103228399B; EP2683520A1; CN103228399A; EP2683520A4

Abstract

본 발명은 양극 산화된 알루미늄 표본(100) 상에 컬러 및 광학 밀도 선택가능한 가시성 마크(102)를 생성하는 방법 및 장치이다. 그 방법은 레이저(10), 레이저 광학계(14) 및 레이저 펄스 파라미터를 제어 및 저장하도록 상기 레이저(10)에 동작적으로 연결된 컨트롤러(20)를 갖는 레이저 마킹 시스템을 제공하는 것을 포함한다. 컨트롤러(20)는 소망의 컬러 및 광학 밀도와 연관된 저장된 레이저 펄스 파라미터를 선택하고, 상기 양극 산화된 알루미늄(18) 상에 부딪히도록 약 1보다 크고 약 1000보다 작은 피코초 시간적 펄스 폭을 포함하여 소망의 컬러 및 광학 밀도와 연관된 레이저 펄스 파라미터를 갖는 레이저 펄스(12)를 산출하도록 레이저 마킹 시스템을 지향시킨다.

Description

물품을 신뢰성 높게 레이저 마킹하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RELIABLY LASER MARKING ARTICLES}

본 발명은 양극 산화된(anodized) 알루미늄 물품을 레이저 마킹하는 것에 관한 것이다. 구체적으로는, 레이저 공정 시스템으로 양극 산화된 알루미늄을 마킹하는 것에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 레이저 공정 시스템으로 내구성 있고 상업적으로 바람직한 방식으로 양극 산화된 알루미늄을 마킹하는 것에 관한 것이다. 특히 본 발명은 소망의 컬러 및 광학 밀도를 갖는 내구성 있는 마크를 신뢰가능하고 반복가능하게 생성하도록 양극 산화된 알루미늄과 가시광선 및 적외선 파장 피코초 레이저 펄스 사이의 상호작용을 특성화하는 것에 관한 것이다.

시장화된 제품은 흔히 상업, 규제, 미용 또는 기능 목적으로 제품상에 몇몇 유형의 마킹을 필요로 한다. 마킹을 위한 바람직한 속성은 일관된 외관, 내구성 및 도포의 용이함을 포함한다. 외관은 선택된 형상, 컬러 및 광학 밀도로 신뢰가능하고 반복가능하게 마크를 렌더링하는 능력을 일컫는다. 내구성은 마킹된 표면의 마모에도 불구하고 변하지 않고 남아 있는 품질이다. 도포의 용이함은 프로그램가능성을 포함하여 마크를 산출하는 재료, 시간 및 자원에 있어서의 비용을 일컫는다. 프로그램가능성은 스크린 또는 마스크와 같은 하드웨어를 변경하는 것과 달리 소프트웨어를 변경함으로써 마킹될 신규 패턴으로 마킹 디바이스를 프로그래밍하는 능력을 일컫는다.

경량이고, 강성이고, 용이하게 정형화되고(shaped), 내구성 있는 표면 마감을 갖는 양극 산화된 알루미늄은 공업적 및 상업적 상품에 있어서 많은 응용을 갖는다. 양극 산화는 부식 또는 마모에 대한 내성을 증가시키기 위해 그리고 미용 목적으로 알루미늄, 티타늄, 아연, 마그네슘, 니오븀 또는 탄탈룸과 같은 금속상에 자연 산화물층을 증가시키는 다수의 전해 패시베이션 공정 중 하나를 기술하는 것이다. 이들 표면층은 가상적으로 어떠한 컬러로라도 채색 또는 염색될 수 있고, 영구적이고 색이 빠지지 않고 내구성 있는 표면을 금속상에 만든다. 이들 금속 중 다수는 이롭게도 본 발명의 태양을 사용하여 마킹될 수 있다. 부가적으로, 부식에 견디는 스테인리스 스틸과 같은 금속이 이러한 방식으로 마킹될 수 있다. 이들과 같은 금속으로부터 제조된 많은 물품은 영구적이고, 가시적이고, 상업적으로 바람직한 마킹의 필요가 있다. 양극 산화된 알루미늄은 그러한 필요성을 갖는 예시적인 재료이다. 레이저 공정 시스템에 의해 산출된 레이저 펄스로 양극 산화된 알루미늄을 마킹하는 것은 프로그램가능한 방식으로 마크 당 극히 낮은 비용으로 신속하게 내구성 있는 마크를 만들 수 있다.

레이저 펄스로 양극 산화된 알루미늄의 표면상에 컬러 변경을 생성하는 것은 수년간 알려져 왔다. 문헌[Appl. Phys. A 69 [Suppl.], S343-S346 (1999), pp S43-S346]에 출간된 P. Maja, M. Autric, P. Delaporte, P. Alloncle(COLA'99 - 5th International Conference on Laser Ablation, July 19-23, 1999, 괴팅겐, 독일)에 의한 "Dry laser cleaning of anodized aluminum"라는 표제의 논문은 알루미늄 표면으로부터 양극 산화물(anodization)을 제거하는 것을 기술하고 있지만, 표면으로부터 양극 산화물의 제거에 필요한 것 아래의 레이저 에너지에서 일어나는 컬러 변경이 주목된다.

금속 표면의 컬러 또는 광학 밀도에서의 변경을 설명하려 해 온 우리의 메커니즘은 레이저-유도된 주기적 표면 구조(LIPSS; laser-induced periodic surface structure)의 생성이다. 논문["Colorizing metals with femtosecond laser pulses", A. Y. Vorobyev and Chunlei Guo, Applied Physics Letters 92, (041914) 2008, pp 41914-1 ~ 141914-3]은 펨토초 레이저 펄스를 사용하여 알루미늄 또는 알루미늄 같은 금속상에 생성될 수 있는 다양한 컬러를 기술하고 있다. 이 논문은 금속상에 흑색 또는 회색 마크를 만들고 금속상에 금 컬러를 생성하는 것을 기술하고 있다. 몇몇 다른 컬러가 언급되지만 추가적 설명이 없다. LIPSS는 금속 표면상에 마크의 생성을 위해 제안된 설명일 뿐이다. 또한, 65 펨토초의 시간적 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스만이 이들 구조를 생성하는데 교시 또는 시사되고 있다. 부가적으로, 알루미늄 샘플이 양극 산화되는지 또는 레이저 공정 전에 표면이 클리닝되게 하는지에 관하여 언급이 없다. 또한, 이 논문은 산화물층에 가능한 손상을 논의하고 있지 않다.

레이저 펄스 지속시간을 논의할 때, 펄스 지속시간을 측정하는 방법이 정의되어야 한다. 시간적 펄스 형상은 태스크에 의존하여 단순 가우시안 펄스 내지 더 복잡한 형상의 범위에 이를 수 있다. 특정 유형의 공정에 이로운 예시적 비-가우시안 레이저 펄스는 미국 특허 제7,126,746호(발명자: Sun 등, 발명의 명칭: "GENERATING SETS OF TAILORED LASER PULSES")에 기술되어 있고, 이 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되었고 참조에 의해 여기에 편입되는 것이다. 이 특허는 다이오드 펌프식 고체(diode pumped solid state: DPSS) 레이저에 의해 산출된 전형적인 가우시안 시간적 프로파일로부터 변화하는 시간적 프로파일을 갖는 레이저 펄스를 생성하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이들 비-가우시안 펄스는 단일 펄스를 생성하고/생성하거나 펄스를 전자-광학적으로 변조하도록 하나보다 많은 펄스를 조합함으로써 그들 시간적 프로파일이 전형적 가우시안 프로파일로부터 고쳐지기 때문에 소위 "맞춤화된"(tailored) 펄스이다. 이것은, 펄스 지속시간의 일부분 동안 펄스의 평균 전력보다 더 큰 값으로까지 순시 전력이 증가하는 하나 이상의 전력 피크를 종종 포함하여, 펄스 에너지가 시간의 함수로서 변화하는 펄스를 생성한다. 이러한 유형의 맞춤화된 펄스는 찌꺼기를 갖는 문제를 야기하거나 주위 재료의 과도한 가열 없이 높은 레이트로 재료를 처리하는데 효과적일 수 있다. 문제는 가우시안 펄스에 전형적으로 적용되는 표준 방법을 사용하는 이들과 같은 복잡한 펄스의 지속시간을 측정하는 것이 변칙적 결과를 내놓을 수 있다는 것이다. 전형적으로 가우시안 펄스 지속시간은 지속시간의 반치전폭(full width at half maximum: FWHM) 측정을 사용하여 측정된다. 이와는 대조적으로, 미국 특허 제6,058,739호(발명자 Morton 등, 발명의 명칭: "LONG LIFE FUSED SILICA ULTRAVIOLET OPTICAL ELEMENTS")에 기술된 바와 같이 적분 제곱 방법(integral square method)을 사용하면, 복잡한 펄스 시간적 형상이 더 유의미한 방식으로 측정 및 비교될 수 있다. 이 특허에 있어서, 펄스 지속시간은 다음의 식을 사용하여 측정된다:

여기에서 T(t)는 레이저 펄스의 시간적 형상을 표현하는 함수이다.

양극 산화된 알루미늄에서 소망의 컬러 및 광학 밀도를 갖는 마크를 신뢰가능하고 반복가능하게 산출하는데 또 다른 문제는 쉽게 이용가능한 나노초 펄스 폭 고체 레이저로 매우 어두운 마크를 생성하는데 필요한 에너지가 양극 산화물에 대한 손상, 원치않는 결과를 야기하기에 충분하다는 것이다. "어두움" 또는 "밝음" 또는 색명은 상대적 용어이다. 컬러를 정량화하는 표준 방법은 비색법의 CIE 시스템을 참조한다. 이 시스템은 문헌["CIE Fundamentals for Color Measurements", Ohno, Y., IS&T NIP16 Conf, Vancouver, CN, Oct. 16-20, 2000, pp 540-545]에 기술되어 있다. 이러한 측정 시스템에 있어서, 상업적으로 바람직한 흑색 마크를 달성하는 것은 L*=40, a*=5, 및 b*=10보다 작거나 같은 파라미터를 필요로 한다. 이것은 가시성 회색 또는 색채 없는 중성 컬러의 흑색 마크의 결과를 초래한다. 미국 특허 제6,777,098호(발명의 명칭: "MARKING OF AN ANODIZED LAYER OF AN ALUMINIUM OBJECT")에서 발명자 Keng Kit Yeo는 알루미늄과 양극 산화물 사이의 층에서 일어나서 그리하여 양극 산화된 표면만큼 내구성 있는 흑색 마크로 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하는 방법을 기술하고 있다. 거기에서 기술된 마크는 나노초 범위의 적외선 레이저 펄스를 사용하여 색조가 어두운 회색 또는 블랙이고 마킹되지 않은 부분보다 다소 덜 빛나는 것으로 기술되어 있다. 부가적으로, 알루미늄은 모든 표면 파티클, 예컨대, 양극 산화 전에 폴리싱 후에 남아 있는 파티클에서 클리닝될 필요가 있다. 이 특허에서 청구된 방법에 의해 마크를 하는 것은 2가지 이유로 불리하다: 첫째로, 나노초 범위의 펄스로 상업적으로 바람직한 흑색 마크를 생성하는 것은 산화물층의 파괴를 야기하는 경향이 있고, 둘째로, 폴리싱 또는 다른 처리에 뒤이어 알루미늄의 클리닝은 공정에 있어서 연관된 비용이 드는 또 다른 단계를 부가하여, 추가적 공정에 의해 소망의 표면 마감을 방해할 가능성이 있다.

원하지만 이 분야에서 개시되지 않은 것은 비싼 펨토초 레이저를 필요로 하거나 공정에 있어서 산화물층을 방해하거나 표면 준비에 뒤이어 클리닝을 필요로 하거나 하지 않는, 흑색으로도 회색으로도 또는 컬러로도 양극 산화된 알루미늄상에 마크를 만드는 신뢰가능하고 반복가능한 방법이다. 부가적으로, 양극 산화된 알루미늄 표면상에 어떻게 반복가능하게 다양한 컬러를 생성하는지에 관한 어떠한 정보도 제공되어 있지 않고, 양극 산화 층에 대한 손상 또는 표백의 어떠한 영향도 철저하게 조사되지 않아 왔다. 그래서, 위에 놓이는 산화물에 대해 원치않는 손상을 야기하거나 양극 산화 전에 클리닝을 필요로 함이 없이, 더 낮은 비용의 레이저를 사용하여 양극 산화된 알루미늄 상에 소망의 광학 밀도 또는 그레이스케일 및 컬러를 갖는 마크를 신뢰가능하고 반복가능하게 생성하기 위한 방법이 필요하다.

본 발명의 태양은 다양한 광학 밀도 또는 그레이스케일 및 컬러의 가시성 마크로 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하는 것이다. 이들 마크는 내구성 있고 상업적으로 바람직한 외관을 가져야 한다. 이것은 마크를 생성하도록 피코초 레이저 펄스를 사용함으로써 달성된다. 이들 마크는 산화물층 밑 알루미늄의 표면에 생성되고 따라서 산화물에 의해 보호된다. 피코초 레이저 펄스는 산화물층에 대한 상당한 손상을 야기함이 없이 상업적으로 바람직한 마크를 생성함으로써 마크가 내구성 있게 한다. 내구성 있고 상업적으로 바람직한 마크는 피코초 레이저 펄스를 생성 및 지향시키는 레이저 파라미터를 제어함으로써 양극 산화된 알루미늄 상에 생성된다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 레이저 공정 시스템은 프로그램가능한 방식으로 적절한 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 산출하도록 적응된다.

양극 산화된 알루미늄을 레이저 마킹하는 신뢰도 및 반복가능성을 향상시키도록 선택될 수 있는 예시적 레이저 펄스 파라미터는 레이저 유형, 파장, 펄스 지속시간, 펄스 반복률, 펄스 수, 펄스 에너지, 펄스 시간적 형상, 펄스 공간적 형상 및 초점 사이즈 및 형상을 포함한다. 부가적 레이저 펄스 파라미터는 물품의 표면에 대한 초점의 위치를 지정하고 물품에 대한 레이저 펄스의 상대 운동을 지향시키는 것을 포함한다.

본 발명의 태양은 채용되는 특정 레이저 펄스 파라미터에 의존하여 육안으로는 거의 검출될 수 없는 것으로부터 흑색까지의 범위에 이르는 광학 밀도로 양극 산화물 밑 알루미늄의 표면을 어둡게 함으로써 내구성 있고 상업적으로 바람직한 마크를 생성한다. 본 발명의 다른 태양은 마찬가지로 채용되는 특정 레이저 펄스 파라미터에 의존하여 황갈색 또는 금색의 음영으로 다양한 광학 밀도로 컬러를 생성한다. 본 발명의 다른 태양은 밑의 알루미늄을 마킹하거나 또는 마킹하지 않고 염색된 또는 채색된 양극 산화물을 표백 또는 부분적으로 표백함으로써 양극 산화된 알루미늄 상에 내구성 있고 상업적으로 바람직한 마크를 생성한다.

본 명세서에서 구체화되고 넓게 기술되는 바와 같이, 본 발명의 목적에 따라 이들 및 다른 태양을 갖는 상기의 것을 달성하기 위해, 양극 산화된 알루미늄 표본 상에 컬러 및 광학 밀도 선택가능한 가시성 마크를 생성하는 방법 및 그 방법을 수행하도록 적응된 장치가 본 명세서에 개시된다. 본 발명은 양극 산화된 알루미늄 표본 상에 컬러 및 광학 밀도 선택가능한 가시성 마크를 생성하는 방법 및 장치이다. 그 방법은 레이저, 레이저 광학계 및 레이저 펄스 파라미터를 제어하도록 상기 레이저에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 갖는 레이저 마킹 시스템을 제공하는 것을 포함하고, 저장된 레이저 펄스 파라미터를 갖는 컨트롤러는 소망의 컬러 및 광학 밀도와 연관된 저장된 레이저 펄스 파라미터를 선택하고, 상기 양극 산화된 알루미늄 상에 부딪히도록 약 1보다 크고 약 1000보다 작은 피코초 시간적 펄스 폭을 포함하여 소망의 컬러 및 광학 밀도와 연관된 레이저 펄스 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 산출하도록 레이저 마킹 시스템을 지향시킨다.

도 1은 레이저 공정 시스템을 도시한 도면;
도 2는 종래 기술의 나노초 펄스로 만들어진 마크를 도시한 도면;
도 3은 피코초 펄스로 만들어진 마크
도 4는 빔 허리를 도시한 도면;
도 5는 양극 산화된 알루미늄 상의 그레이스케일 마크를 도시한 도면;
도 6은 양극 산화된 알루미늄 상의 마크를 도시한 도면;
도 7은 염색된, 가시성 마킹된 양극 산화된 알루미늄을 도시한 도면;
도 8은 염색된, IR 마킹된 양극 산화된 알루미늄을 도시한 도면;
도 9는 가시성 레이저 펄스 임계치를 나타내는 그래프;
도 10은 IR 레이저 펄스 임계치를 나타내는 그래프;
도 11은 레이저 파라미터로 변환된 이미지 데이터를 도시한 도면; 및
도 12a 내지 i는 알루미늄 물품에 적용되는 컬러 양극 산화를 도시한 도면.

본 발명의 목적은 내구성 있고, 선택가능하고, 예측가능하고, 반복가능하게 다양한 광학 밀도 및 컬러의 가시성 마크로 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하는 것이다. 이들 마크는 알루미늄의 표면상에 또는 그 가까이에 나타나 보이고 양극 산화 층을 실질적으로 손상되지 않은 채로 남겨두어 표면과 마크 둘 다를 보호하는 것이 이롭다. 이러한 방식으로 만들어진 마크는 양극 산화물을 형성하는 산화물층 밑 알루미늄의 표면에 또는 그 상에 그것들이 만들어지므로 층간 마크라 일컬어진다. 이상적으로 산화물은 마크를 보호하고 이웃의 마킹된 영역과 비-마킹된 영역 사이에서 기계적으로 인접하는 표면을 제공하기 위해 마킹에 뒤이어 손상되지 않은 채로 남아 있다. 또한, 이들 마크는 신뢰가능하고 반복가능하게 산출될 수 있어야 하는데, 특정 컬러 및 광학 밀도를 갖는 마크를 소망하면, 양극 산화된 알루미늄이 레이저 공정 시스템에 의해 처리될 때 소망의 결과를 산출할 레이저 파라미터의 세트가 알려져 있다는 것을 의미한다. 또한, 레이저 공정 시스템으로 생성된 그러한 마크는 가시성인 것을 고려한다. 이러한 태양에 있어서, 레이저 공정 시스템은 통상적 시점 조건 하에서는 가시성이지 않지만 다른 조건 하에서는, 예컨대, 자외선 광에 의해 조명될 때에는 가시성으로 되는 마크를 생성한다. 이들 마크는 도난-방지 마킹 또는 다른 특수 마크를 제공하도록 사용하는 것을 고려한다.

본 발명의 일 실시예는 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하기 위해 적응된 레이저 공정 시스템을 사용한다. 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하도록 적응될 수 있는 예시적 레이저 공정 시스템은 오리건주 97229 포틀랜드 소재의 Electro Scientific Industries, Inc.에 의해 제조된 ESI MM5330 마이크로머시닝 시스템이다. 이 시스템은 평균 전력이 30KHz 펄스 반복률에서 5.7W이고 제2 고조파가 532nm 파장으로 두 배로 되는 다이오드-펌프식 Q-스위치형 고체 레이저를 채용하는 마이크로머시닝 시스템이다. 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹하도록 적응될 수 있는 또 다른 예시적 레이저 공정 시스템은 또한 오리건주 97229 포틀랜드 소재의 Electro Scientific Industries, Inc.에 의해 제조된 ESI ML5900 마이크로머시닝 시스템이다. 이 시스템은 5MHz까지의 펄스 반복률에서 약 355㎚(UV) 내지 약 1064㎚(IR)의 파장을 방출하도록 구성될 수 있는 고체 다이오드-펌프식 레이저를 채용한다. 그 중 어느 시스템이든 본 명세서에 개시된 방법에 따라 양극 산화된 알루미늄 표면에 신뢰가능하고 반복가능하게 마크를 산출하도록 적절한 레이저, 레이저 광학계, 파트 핸들링 장비 및 제어 소프트웨어의 부가에 의해 적응될 수 있다. 이들 수정은 레이저 공정 시스템으로 하여금 소망의 컬러 및 광학 밀도를 갖는 소망의 마크를 생성하도록 소망의 레이트 및 피치로 적절히 위치결정 및 유지된 양극 산화된 알루미늄 물품 상의 소망의 장소에 적절한 레이저 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 지향시키도록 허용한다. 그러한 적응된 시스템의 도해가 도 1에 도시되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 물품을 마킹하도록 적응된 ESI MM5330 마이크로머시닝 시스템의 도해를 도시하고 있다. 적응 예는, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 1064㎚ 파장에서 동작하는 다이오드 펌프식 Nd:YVO₄ 고체 레이저로서 독일 카이저슬라우테른 소재의 Lumera Laser GmbH에 의해 제조된 모델 Rapid인 레이저(10)를 포함한다. 옵션으로서, 이러한 레이저는 파장을 532㎚로 줄이도록 고체 고조파 주파수 발생기를 사용하여 주파수가 두 배로 되거나 약 355㎚로 세 배로 됨으로써, 각자, 가시성(녹색) 또는 자외선(UV) 레이저 펄스를 생성한다. 이러한 레이저(10)는 6 와트의 연속적 전력을 산출하도록 레이팅되고 1000KHz의 최대 펄스 반복률을 갖는다. 이 레이저(10)는 컨트롤러(20)와 협력하여 1 내지 1,000 피코초의 지속시간을 갖는 레이저 펄스(12)를 산출한다. 이들 레이저 펄스(12)는 가우시안이거나 소망의 마킹을 허용하도록 레이저 광학계(14)에 의해 특수하게 정형화 또는 맞춤화될 수 있다. 레이저 광학계(14)는, 컨트롤러(20)와 협력하여, 물품(18) 상에 또는 그 가까이에 레이저 스폿(16)을 형성하도록 레이저 펄스(12)를 지향시킨다. 물품(18)은, 컨트롤러(20) 및 레이저 광학계(14)와 협력하여 합성 빔 위치결정 능력을 제공하는 모션 제어 엘리먼트를 포함하는 스테이지(22) 상에 고정된다. 합성 빔 위치결정은, 스테이지(22), 레이저 스폿(16) 또는 둘 다의 움직임에 의해 유도된 상대적 움직임을 보상하기 위해 컨트롤러(20)가 레이저 광학계(14)에서의 조향 엘리먼트를 지향시키게 함으로써 물품(18)이 레이저 스폿(16)에 대해 상대적으로 움직이고 있는 동안 물품(18) 상에 형상을 마킹하는 능력이다.

또한 레이저 펄스(12)는 그들이 물품(18) 상에 또는 그 가까이에 레이저 스폿(16)을 형성하도록 지향됨에 따라 컨트롤러(20)와 협력하여 레이저 광학계(14)에 의해 정형화된다. 레이저 광학계(14)는 가우시안 또는 특수하게 정형화될 수 있는 레이저 펄스(12)의 공간적 형상을 지향시킨다. 예컨대, 마킹되는 물품을 충돌하는 스폿 전체에 걸쳐 균등한 도스의 방사선을 갖는 레이저 펄스(12)를 배달하는 "톱 햇(top hat)" 공간적 프로파일이 사용될 수 있다. 이와 같은 특수하게 정형화된 공간적 프로파일은 회절성 광학 엘리먼트를 사용하여 생성될 수 있다. 또한 레이저 펄스(12)는 레이저 광학계(14)의 전자-광학 엘리먼트, 조향가능한 미러 엘리먼트 또는 갈바노미터 엘리먼트에 의해 개폐 또는 지향될 수 있다.

레이저 스폿(16)은 레이저 펄스(12)에 의해 형성되는 레이저 빔의 초점을 일컫는다. 위에서 언급된 바와 같이 레이저 스폿(12)에서의 레이저 에너지의 분포는 레이저 광학계(14)에 의존한다. 부가적으로, 레이저 광학계(14)는 레이저 스폿(12)의 초점의 깊이를 제어하거나, 또는 측정의 평면이 초점 평면으로부터 멀어져 움직임에 따라 스폿이 얼마나 신속하게 초점을 벗어나 가는지를 제어한다. 초점의 깊이를 제어함으로써, 컨트롤러(20)는 높은 정밀도로 반복가능하게 물품(18)의 표면에서든 그 가까이에서든 레이저 스폿(16)을 위치결정시키도록 레이저 광학계(14) 및 스테이지(22)를 지향시킬 수 있다. 물품의 표면 위 또는 아래에 초점을 위치결정시킴으로써 마크를 하는 것은 레이저 빔이 지정된 양만큼 디포커싱하게 함으로써 레이저 펄스에 의해 조명된 면적을 증가시키고 표면에서의 레이저 플루언스(laser fluence)를 감소시킨다. 빔 허리의 기하 구조가 알려져 있으므로, 물품의 실제 표면 위 또는 아래에 초점을 정밀하게 위치결정시키는 것은 스폿 사이즈 및 플루언스에 대한 부가적 정밀 제어를 제공할 것이다.

1 내지 1,000 피코초 범위의 레이저 펄스 폭을 산출하는 피코초 레이저는 양극 산화된 알루미늄 상에 신뢰가능하고 반복가능하게 마크를 생성하는데 선호되는 레이저이다. 도 2는 >1 나노초 펄스를 갖는 종래 기술의 레이저를 사용하여 양극 산화된 알루미늄(30) 상에 생성된 마크를 나타내는 마이크로포토그래프이다. 양극 산화물을 마크 영역(34)에서 크래킹(32)의 분명한 싸인, 원치않는 결과를 나타내고 있다. 도 3은 크래킹을 나타내지 않는 피코초 레이저로 만들어지는 동일 유형의 양극 산화된 알루미늄(36) 상의 동일 컬러 및 광학 밀도 마크(38)를 나타내고 있다. 피코초 레이저는 산화물층에 손상을 야기함이 없이 상업적으로 바람직한 흑색으로 양극 산화된 알루미늄 물품을 마킹한다. 상업적으로 허용가능한 흑색은 L*=40, a*=5 및 b*=10 또는 그 미만의 CIE 색도를 갖는 마크로 정의된다. 피코초 레이저를 사용하는 또 다른 이점은 그것들이 종래 기술의 펨토초 레이저보다 매우 덜 비싸고, 보수를 매우 덜 필요로 하고, 전형적으로 매우 더 긴 동작 수명을 갖는 것이다. 부가적으로, 본 발명의 태양은 상업적으로 바람직한 마크를 생성하기 위해 양극 산화 전에 알루미늄 표면의 클리닝을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 일 실시예는 양극 산화물 하에 양극 산화된 알루미늄 상에 마킹을 수행한다. 층간 마킹이 일어나기 위해, 레이저 플루언스는 다음에 의해 정의된다:

F = E/s

여기서 E는 레이저 펄스 에너지이고 s는 레이저 스폿 면적이고, 다음을 충족해야 한다.

Fu ＜ F ＜ Fs 여기서 Fu는 기판, 이 경우에서는 알루미늄의 레이저 수정 임계치이고, Fs는 표면층 또는 양극 산화물에 대한 손상 임계치이다. Fu 및 Fs는 실험에 의해 획득되었고 기판 및 표면층이 손상되기 시작하는 선택된 레이저의 플루언스를 표현한다. 10 ps 펄스에 대해, 우리의 실험은 Al에 대한 Fu가 ps 녹색에 대해서는 ~ 0.13 J/㎠이고 ps IR에 대해서는 ~ 0.2 J/㎠이고, Fs는 ps 녹색에 대해서는 ~ 0.18 J/㎠이고 ps IR에 대해서는 ~ 1 J/㎠이다. 이들 값 사이에서 레이저 플루언스를 변화시키는 것은 변화하는 컬러 및 광학 밀도의 마크를 생성한다. 여러 다른 펄스 지속시간 및 레이저 파장은 각각 Fu 및 Fs의 대응하는 값을 가질 것이다. 레이저 파라미터의 주어진 세트에 대한 실제의 임계치는 실험적으로 결정된다.

특정 컬러 또는 광학 밀도와 연관된 레이저 파라미터는 또한 실증 이외의 방법에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 레이저 파라미터는 레이저/재료 상호작용의 컴퓨터 시뮬레이션을 실행함으로써 결정될 수도 있다. 텍스트북, 레이저 매뉴얼 또는 다른 기술서와 같은 레이저/재료 상호작용에 관한 정보의 다른 소스가 액세스될 수도 있고 그로부터 외삽법에 의해 적합한 레이저 파라미터가 결정될 수도 있다. 적절한 레이저 파라미터를 갖는 레이저 펄스를 산출하도록 레이저 처리 시스템을 지향시키고 레이저 플루언스를 정밀하게 제어함으로써, 소망 컬러 및 광학 밀도의 마크가 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 신뢰가능하고 반복가능하게 생성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 알루미늄 물품의 표면상에 있는 것으로부터 알루미늄의 표면 위 또는 아래에 정밀 거리 위치하는 것으로 레이저 스폿의 위치를 조절함으로써 알루미늄 물품의 표면에서의 레이저 플루언스를 정밀하게 제어한다. 도 4는 레이저 펄스 초점(40) 및 그 근방 빔 허리의 도해를 나타내고 있다. 레이저 펄스가 따라 주행하는 광학 축(44) 상에서 FWHM 방법에 의해 측정될 때 레이저 펄스의 공간적 에너지 분포의 직경인 표면(42)에 의해 빔 허리가 표현된다. 직경(48)은 레이저 공정 시스템이 표면 위 거리(A-O)에서 레이저 펄스를 포커싱할 때 알루미늄의 표면상의 레이저 펄스 스폿 사이즈를 표현한다. 직경(46)은 레이저 공정 시스템이 표면 아래 거리(O-B)에서 레이저 펄스를 포커싱할 때 알루미늄의 표면상의 레이저 펄스 스폿 사이즈를 표현한다.

상업적으로 바람직한 흑색에 부가하여, 그레이스케일값으로 물품을 마킹하는 것 또한 유용하다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 이루어진 양극 산화된 알루미늄 상에 만들어진 일련의 그레이스케일 마크를 도시하고 있다. 마크의 광학 밀도는 배경과 거의 구별될 수 없는 것으로부터 완전 흑색으로까지의 범위에 이른다. 본 발명의 태양에 의하면, 각각의 그레이스케일 마크는 고유의 3중 CIE 비색법 값에 의해 식별될 수 있다. L*, a* 및 b*. 본 발명의 태양은 명령시 양극 산화된 알루미늄 상에 소망의 그레이스케일값 마크를 신뢰가능하고 반복가능하게 산출하는 레이저 파라미터의 세트와 각각의 소망의 그레이스케일값을 연관시킨다. 또한 육안으로는 구별될 수 없는 것처럼 보일 수 있는 마크가 넓은 스펙트럼 가시광 이외 예컨대 자외선 광으로 조명될 때에는 가시성으로 될 수 있음을 주목하라.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 양극 산화된 알루미늄(70) 상에 만들어진 흑색 마크(60, 62, 64, 66)를 도시하고 있다. 이들 마크(60, 62, 64, 66)는 L*=40, a*=5 및 b*=10 미만으로부터, 상업적으로 바람직한 마크로 만드는 전적으로 투명으로까지의 범위에 이르는 CIE 색도를 갖는다. 이들 마크의 또 다른 특징은 그것들이 손상되지 않은 양극 산화물 밑에 있으므로 그것들은 넓은 범위의 시야각에 걸쳐 균일한 외관을 갖는다는 것이다. 종래 기술의 방법을 사용하여 만들어진 마크는 양극 산화 층에 대한 손상에 기인하여 시야각에 의존해 외관에서 넓은 편차를 갖는 경향이 있다. 구체적으로, 종래 기술의 나노초 펄스로 마킹할 때, 어두운 마크를 만들도록 표면에 충분한 레이저 펄스 에너지를 인가하는 것은 마크의 외관이 시야각에 따라 변하게 야기하는 양극 산화물에 대한 손상을 야기한다. 본 발명의 일 태양에 의해 만들어진 마크는 마크가 얼마나 어두운지에 무관하게 양극 산화물을 손상시키지도 않고 그 외관이 시야각에 따라 변하지도 않는다. 이들 개선된 마크는 다음의 레이저 파라미터로 만들어진다.

마크(60, 62, 64, 66)는 광학 밀도가 마킹되지 않은 알루미늄 대비 가상으로 눈에 띄지 않는 것(60)으로부터 완전 흑색(62)으로까지의 범위에 이른다. 2개의 극단 사이의 그레이스케일 광학 밀도(64, 66)는, 플루언스를 증가시켜 더 어두운 마크를 생성하면서, 초점을 물품에 더 가까이 이동시킴으로써 생성된다. 알루미늄의 표면 위 초점의 높이는 가장 어두운 광학 밀도 마크(62)의 경우 영으로부터 변화하여, 도 4의 우측으로부터 좌측으로 각각의 마크(64, 66)에 대해 500 미크론 증분씩 증가하고, 가장 밝은 마크(60)에 대해 표면 위 5㎜에서 끝난다. 알루미늄의 표면 위 4.5 내지 1.5㎜에 위치한 초점으로 생성된 마크(64)는 황갈색 또는 금색을 나타내고 1㎜ 이하에서의 초점으로 생성된 마크(62, 66)는 회색 또는 흑색을 나타냄을 주목하라. 정규 레이저 공정 톨러런스 내 다른 레이저 파라미터를 유지하는 것에 더하여 작업 표면으로부터의 레이저 초점 거리에 대한 이러한 정밀 제어를 유지하는 것은 양극 산화된 알루미늄 상에 소망의 컬러 및 광학 밀도를 갖는 레이저 마크가 만들어지게 한다. 부가적으로, 가장 어두운 마크는 상업적으로 바람직한 흑색 마크로 만드는 L*=40, a*=5 및 b*=10 미만의 CIE 색도를 나타내 보인다.

본 발명의 또 다른 태양은 피코초 레이저 펄스 파라미터와 그레이스케일 이외의 컬러를 갖는 마크 사이의 관계를 결정한다. 그레이스케일 이외의 컬러는 양극 산화된 알루미늄 상에 2개의 다른 방식으로 산출될 수 있다. 첫째로, 금색 톤이 일정 범위의 광학 밀도로 산출될 수 있다. 이러한 컬러는 알루미늄과 산화물 코팅 사이의 인터페이스에서 이뤄진 변경에 의해 산출된다. 레이저 펄스 파라미터의 신중한 선택은 산화물 코팅을 손상시키지 않고 소망의 금색을 산출할 것이다. 도 5는 또한 본 발명의 일 태양에 의해 생성된 황갈색 또는 금색의 다양한 음영을 나타내고 있다.

양극 산화된 알루미늄의 레이저 마킹은 또한 알루미늄을 마킹하도록 IR 파장 레이저 펄스를 사용하는 본 발명의 일 태양에 의해 달성될 수 있다. 이러한 태양은 2개의 다른 방식으로 알루미늄의 표면에서 레이저 플루언스를 변화시킴으로써 변화하는 그레이스케일 밀도의 마크를 생성한다. 위에서 논의된 바와 같이, 그레이스케일은 알루미늄의 표면 위 또는 아래에 초점을 위치결정시킴으로써 표면에서의 플루언스를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 그레이스케일을 제어하는 두 번째 방식은 소망의 패턴을 마킹할 때 바이트 사이즈 또는 라인 피치를 변경함으로써 알루미늄의 표면에서의 총 도스를 변화시키는 것이다. 바이트 사이즈를 변경하는 것은 알루미늄의 표면에 대해 레이저 펄스 빔이 이동되는 레이트를 조절하는 것 또는 펄스 반복률을 변경하는 것 또는 둘 다를 일컫는데, 알루미늄 상의 연속하는 레이저 펄스 충돌 자리 사이의 거리를 변경하는 결과를 초래한다. 라인 피치를 변화시키는 것은 다양한 오버래핑 도수를 달성하기 위해 마킹된 라인 사이의 거리를 조절하는 것을 일컫는다. 도 6은 마크(72)의 어레이를 갖는 알루미늄 물품(74)을 도시하고 있다. 이들 마크(72)는 여섯 개의 열과 네 개의 행의 어레이로 배열되어 있다. 여섯 개의 열은 알루미늄의 표면 위 초점의 여섯 개의 Z-높이를 표현하고 0(상단 행)으로부터 5㎜(하단 행)로까지의 범위에 이른다. 네 개의 행은 좌측으로부터 우측으로 5, 10, 20 및 50 미크론 눈금 값의 피치를 표현한다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 초점의 Z-높이를 변화시키고 레이저 펄스의 피치를 변화시키는 것은 CIE L*=40, a*=5, 및 b*=10 미만으로부터 거의 투명으로까지 어떠한 소망의 광학 밀도의 회색 레벨을 예측가능하게 산출할 수 있고, 그로써 양극 산화된 알루미늄 상에 상업적으로 바람직한 마크를 산출한다.

피코초 레이저 펄스를 사용하여 양극 산화된 알루미늄에 적용될 수 있는 마킹의 제2 유형은 염색된 양극 산화물의 표백에 의해 야기된 컬러 콘트라스트에 있어서의 개조이다. 현미경 스케일 상에서, 양극 산화물은 다공성이고, 많은 유형의 염료를 쉽게 받아들일 것이다. 도 3을 다시 참조하면, 양극 산화된 알루미늄의 이러한 현미경 사진은 표면의 다공성 본질을 보여준다. 염색된 양극 산화된 알루미늄을 마킹하는데 사용된 레이저 펄스는 그것이 알루미늄을 마킹함에 따라 파장 및 펄스 에너지에 의존하여 염료를 표백하여, 양극 산화물을 투명하게 함으로써 밑의 알루미늄 상의 마크를 드러낸다. 더 높은 플루언스로는, 흑색, 그레이스케일 또는 이전 섹션에 제시된 컬러로 양극 산화 층 밑 알루미늄의 마킹과 염료 표백이 동시에 가능하다. 더 적은 에너지의 펄스는 양극 산화물 염료를 부분적으로 표백하여 그것을 반투명으로 렌더링함으로써 기저의 알루미늄 마크를 부분적으로 채색할 수 있다. 마지막으로, 더 긴 파장 펄스는 양극 산화물을 표백함이 없이 상업적으로 바람직한 흑색 또는 그레이스케일 컬러로 알루미늄을 마킹할 수 있다. 도 7은 가시성(532㎚) 레이저 펄스로 만들어진 마크를 갖는 염색된 양극 산화된 알루미늄 물품을 도시하고 있다. 양극 산화물에서의 염료는 레이저 펄스를 받게 되는 영역에서 표백됨을 주목하라. 도 8은 IR(1064㎚) 레이저 펄스로 만들어진 마크를 갖는 동일 유형의 염색된 양극 산화된 알루미늄 물품을 도시하고 있다. 양극 산화물은 IR 레이저 펄스에 의해 표백되지 않고 그리하여 원래 산화물의 반투명 이상으로 밑의 알루미늄 컬러를 드러내지는 않음을 주목하라.

본 발명의 또 다른 태양은 피코초 레이저를 사용하여 채색된 양극 산화물을 갖는 양극 산화된 알루미늄을 레이저 마킹하는 것에 관한 것이다. 전형적으로 양극 산화는 다공성 표면을 형성하므로, 알루미늄의 외관을 개조하는 염료가 도입될 수 있다. 이들 염료는 불투명 또는 반투명일 수 있고, 변화하는 양의 입사광으로 하여금 알루미늄에 도달하고 양극 산화물을 통해 되돌아 반사되게 한다. 도 7은 본 발명의 일 태양에 따라 산출된 마크(82)의 어레이 및 양극 산화물에서의 분홍 염료를 갖는 양극 산화된 알루미늄 물품(80)을 도시하고 있다. 밑의 알루미늄이 본색(은색)을 황갈색의 음영으로부터 회색 및 최종적으로 흑색으로 일정 범위의 레이저-마킹된 컬러로 나타낸 바대로 산화물층에서 염료를 표백함으로써 컬러는 생성된다. 이들 음영은 알루미늄의 표면에서 레이저 펄스의 플루언스를 변화시킴으로써 생성된다. 네 개의 행은 10 내지 50 미크론의 레이저 펄스 피치 변화를 표현하고 열은 0.0 내지 5.0㎜로 표면으로부터의 초점 거리를 변화시키는 것을 나타낸다. 모든 경우에 있어서 이들 레이저 파라미터는 알루미늄 위에 놓인 산화물에서 염료를 표백하여 알루미늄 상의 마크가 통하여 나타나게 한다. 레이저 마크 광학 밀도는 투명으로부터 L*=40, a*=5, 및 b*=10 미만의 CIE 색도까지의 범위에 이른다. 이들 마크를 생성하는데 사용된 레이저 파라미터는 표 3에 주어진다.

양극 산화 염료의 표백은 주파수 의존적이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 532㎚ 레이저 펄스는 가장 낮은 플루언스에서도 양극 산화 염료를 표백한다. 다른 한편으로, IR 레이저 파장은 대부분의 반투명 염료 컬러에 대해 염료를 표백함이 없이 염색된 양극 산화된 알루미늄 상에 마크를 생성한다. 도 8은 IR 레이저 펄스로 만들어진 마크(102)를 갖는 분홍 염료를 갖는 양극 산화된 알루미늄 물품(100)을 도시하고 있다. 마크는 반투명으로부터 흑색으로까지의 범위에 이르고 초점으로부터 표면으로까지의 거리도 변경하고 피치도 변경함으로써 레이저 플루언스를 고치는 것에 의해 만들어졌다. 여섯 개의 열은 알루미늄의 표면과 레이저 펄스의 초점 사이의 거리를 5.5㎜(우측)로부터 영(좌측)으로까지 변경하는 것을 표현한다. 네 개의 행은 레이저 펄스 피치를 10으로부터 50 미크론으로까지 변경하는 것을 표현한다. 이들 마크를 생성하는데 사용된 레이저 파라미터는 표 4에 나타나 있다.

532㎚(녹색) 레이저 파장에 대하여 양극 산화 염료를 표백, 알루미늄을 마킹 그리고 표면 애블레이션(ablation)을 야기하는 것 사이의 관계가 도 9에 도시되어 있다. 표 1, 표 2 및 표 3에 주어진 것들 내의 파라미터를 갖는 532㎚(녹색) 레이저 펄스에 대해, 도 8은 양극 산화물 표백(Fb), 양극 산화물 아래의 알루미늄을 마킹(Fu) 및 표면 애블레이션(Fs)에 대한 플루언스 임계치를 J/㎠로 나타내고 있다. 본 발명의 일 태양에 대해 532㎚ 레이저 펄스는 Fb = 0.1 J/㎠, Fu = 0.13 J/㎠, 및 Fs = 0.18 J/㎠ 값을 내놓는다. 도 10은 표 1, 표 2 및 표 3에 주어진 것들 내의 파라미터를 갖는 1064㎚(IR) 레이저 펄스에 대해 플루언스 임계치를 J/㎠로 나타내고 있다. 본 발명의 일 태양에 대해 1064㎚ 레이저 펄스에 대한 플루언스 임계치는 J/㎠로 Fu = 0.2 J/㎠ 및 Fs = 1.0 J/㎠이다. 레이저 플루언스가 위에 놓인 양극 산화물에 대한 손상을 야기하기에 충분히 클 때까지 IR 파장 레이저 펄스는 양극 산화물을 표백하기 시작하지 않으므로 양극 산화물 표백에 대한 임계치는 이용가능하지 않음을 주목하라. Fb, Fu 및 Fs에 대한 정확한 값은 사용된 특정 레이저 및 광학계에 의존할 것임을 주목하라. 그것들은 마킹될 그리고 추후 사용을 위해 컨트롤러에 저장될 소정 공정 셋업 및 물품에 대해 실험적으로 결정되어야 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 적응된 레이저 공정 시스템의 프로그램가능한 본질은 패턴으로 상업적으로 바람직한 마크로 양극 산화된 알루미늄 물품의 마킹을 허용한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 태양에 있어서 패턴(110)은 디지털 표현(112)으로 변환되어, 리스트(114)로 분해되고, 이 경우 리스트(114)에서의 각각의 엔트리(116)에는 각각의 위치와 연관된 컬러 및 광학 밀도를 갖는 단수 또는 복수의 위치의 표현이 들어 있다. 리스트(114)는 컨트롤러(20)에 저장된다. 컨트롤러(20)는 레이저 파라미터를 리스트(114)에서의 각각의 엔트리(116)와 연관시켜서, 레이저 파라미터는, 레이저(10), 광학계(14) 및 모션 제어 스테이지(22)에 명령으로 보내질 때, 레이저(10)가 표면(16)에서 또는 그 가까이서 알루미늄 물품(18)에 부딪히는 하나 이상의 레이저 펄스(12)를 발생시키게 야기할 것이다. 이들 펄스는 소망의 컬러 및 광학 밀도를 갖는 마크를 생성할 것이다. 마크가 생성되고 있을 때 리스트에 저장된 위치에 따라 알루미늄 물품(18)에 상대적으로 레이저 펄스(12)를 이동시킴으로써, 소망 범위의 컬러 및 광학 밀도의 마크가 양극 산화된 알루미늄 표면상에 소망의 패턴으로 만들어진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서 채색된 양극 산화물은 부가적 컬러 및 광학 밀도를 제시하도록 이전에 패터닝된 마크 위에 패터닝된다. 이 태양에 있어서, 그레이스케일 패턴이 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 생성된다. 그 후 물품은 레이저 펄스로의 노출에 의해 현상될 수 있는 포토레지스트 코팅으로 코팅된다. 그레이스케일 패터닝된, 포토레지스트 코팅된 물품은 물품에 이미 적용된 패턴과 맞춰 시스템이 레이저 펄스를 인가할 수 있도록 레이저 공정 시스템 내에 놓여 정렬된다. 사용된 포토레지스트는 "네거티브" 포토레지스트로 알려져 있는 유형이고, 이 경우 레이저 방사선에 노출된 영역은 제거될 것이고 노출되지 않은 영역은 후속의 공정에 이어 물품 상에 남아 있을 것이다. 남아 있는 포토레지스트는 염료의 도입으로부터 물품의 표면을 보호하는 한편, 노출되어 이후 제거되었던 양극 산화물의 영역은 소망의 컬러로 염색될 것이다. 이러한 양극 산화 층은 빛이 양극 산화물을 통과하여 아래의 패턴으로 가서 양극 산화물을 통해 되돌아 반사되게 하기 위해 반투명이어서 선택된 컬러 및 광학 밀도로 컬러 패턴을 생성하도록 설계된다. 이러한 컬러 양극 산화물은 또한 소망의 투명성을 갖는 소망의 컬러를 생성하도록 본 발명의 다른 태양에 의해 개시된 기술을 사용하여 필요하다면 표백될 수 있다. 이러한 컬러는 기저 패턴의 영역 위에 도포되거나 레이저 시스템의 해상도의 한계에 이르기까지 전형적으로 10 내지 400 미크론 범위로 포인트 대 포인트 기준으로 도포될 수 있다. 이러한 동작은 다중 컬러 오버레이를 생성하도록 반복될 수 있다. 본 발명의 일 태양에 있어서, 양극 산화 컬러 오버레이는 베이어 패턴(Bayer pattern)과 같이 다중 컬러 오버레이 그리드에 도포된다. 컬러 오버레이 그리드와 일하도록 그레이스케일 패턴을 설계함으로써, 내구성 있고 상업적으로 바람직한 풀 컬러 이미지가 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 생성될 수 있다.

도 12a 내지 도 12i는 2색에 대한 이러한 컬러 오버레이를 생성하는데 사용된 단계의 시퀀스를 도시하고 있다. 도 12a에 있어서, 알루미늄 물품(118)은 투명 양극 산화 층(120) 및 본 발명의 다른 태양에 따라 이전에 도포된 마크(122)를 갖는다. 네거티브 포토레지스트(124)는 투명 양극 산화물(120)의 표면에 도포된다. 도 12b에 있어서, 레이저 펄스(126)는 포토레지스트(124)의 영역(128, 130)을 노출시킨다. 도 12c에 있어서, 노출되지 않은 레지스트(134)는 레지스트 공정 후에 남아 있지만, 노출된 레지스트는 처리된 레지스트 층(134)에서 보이드(132)를 남기면서 제거되었다. 도 12d는 처리된 레지스트 층(134)에서의 보이드(132) 밑에 양극 산화물이 컬러로 염색된 섹션(136)을 갖는 베이스 양극 산화 층(120)을 도시하고 있다. 손상되지 않은 처리된 레지스트(134)는 처리된 레지스트(134)가 제거된 곳(132)을 제외하고는 어디에서도 양극 산화물이 컬러를 획득하지 못하게 방지한다. 도 12e는 처리된 레지스트의 제거 후 이전에 도포된 마크(122)와 관련하여 양극 산화물의 컬러 부분(136)을 갖는 베이스 양극 산화물(120)을 갖는 물품(118)을 도시하고 있다.

도 12f는 제2 레지스트 층(138) 및 채색된 부분(136)을 포함하는 베이스 양극 산화물(120)을 갖는 물품(118)을 도시하고 있다. 도 12g는 영역(140)이 노출되게 야기하도록 레이저 펄스(142)에 의해 부딪혀진 이러한 제2 레지스트 층(138)을 도시하고 있다. 도 12g는 제거된 레지스트(140) 밑 양극 산화물을 염색하는 공정 및 남아 있는 레지스트(138)의 제거 후 베이스 양극 산화물(120)을 갖는 물품(118)을 도시하고 있다. 이것은 이전에 마킹된 영역(122) 위에 채색된 영역(136, 144)을 갖는 손상되지 않은 베이스 양극 산화 층을 남긴다. 도 12i는 옵션으로서 부가적 소망의 컬러 또는 광학 밀도를 생성하도록 알루미늄 물품의 이전에 양극 산화되고 염색된 부분의 부분을 표백하는데 사용되고 있는 후속의 레이저 펄스(146)를 도시하고 있다. 본 발명의 이 태양에 의해 기술되는 공정은 그레이스케일 패턴 위에 오버레이되는 채색된 패턴의 결과를 초래하여, 프로그램가능한 패턴으로 넓은 범위의 내구성 있고 상업적으로 바람직한 컬러 및 광학 밀도를 갖는 마크를 생산한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 컬러 양극 산화물은 볼 때 풀 컬러 이미지의 외관을 내놓는 특정 패턴으로 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 생성될 수 있다. 이 태양에 있어서, 이미지를 표현하는 패턴은 본 명세서에서 설명된 기술을 사용하여 표면에 적용된다. 컬러 염료는, 이들 염료가 양극 산화물의 베이스 층 내로 도입되는 패턴이 그레이스케일 표현을 풀 컬러로 변환하도록 설계된다는 것을 제외하고는, 도 12a 내지 12i에 예시된 방식으로 도입된다. 그러한 패턴의 예는 베이어 필터(도시하지 않음)인데, 눈이 적색, 녹색 및 청색 엘리먼트를 컬러 양극 산화물 필터 밑 그레이스케일 마크와 관련된 광학 밀도를 갖는 단일 컬러로 융합하여 지각하도록 패턴으로 적색, 녹색 및 청색 필터 엘리먼트를 병치함으로써, 풀 컬러 이미지 또는 패턴의 외관을 생성한다. 레지스트는 네거티브 또는 포지티브 레지스트일 수 있고, 레지스트를 노출시키는 패턴은 회로 또는 반도체 애플리케이션에서 사용되는 것과 같은 마스크에 의해 생성되거나, 또는 전자적 수단에 의해 직접 쓰거나 또는 잉크제트와 같은 기술에 의해 직접 퇴적되거나 또는 레이저에 의해 직접 애블레이팅될 수 있다.

본 발명의 기저 원리로부터 벗어남이 없이 본 발명의 상기 실시예의 상세에 많은 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims

양극 산화된(anodized) 알루미늄 표본 상에 소망의 속성을 갖는 마크의 생성 방법으로서,
레이저, 레이저 광학계, 스테이지, 및 상기 레이저 및 레이저 광학계 및 스테이지에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 갖는 레이저 마킹 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 레이저는 상기 컨트롤러의 지휘 하에 상기 스테이지와 협력하여 상기 레이저 광학계에 의해 상기 양극 산화된 알루미늄 물품에 지향되는 레이저 펄스를 방출하고, 상기 레이저 마킹 시스템은 상기 레이저 펄스와 상기 양극 산화된 알루미늄 물품 사이의 상호작용을 특성화하는 레이저 펄스 파라미터를 더 갖는 것인, 상기 레이저 마킹 시스템을 제공하는 단계;
상기 소망의 속성을 갖는 상기 마크를 생성하는 것과 연관된 특정 레이저 펄스 파라미터를 결정하는 단계;
상기 특정 레이저 펄스 파라미터가 상기 컨트롤러에 이용가능하게 하는 단계;
상기 컨트롤러, 레이저 광학계 및 스테이지와 협력하여, 상기 특정 레이저 펄스 파라미터를 갖는 상기 레이저 펄스를 산출하도록 상기 레이저를 제어하는 단계; 및
상기 레이저 펄스를 상기 양극 산화된 알루미늄 상에 부딪히도록 지향시킴으로써 상기 소망의 속성을 갖는 상기 마크를 생성하는 단계를 포함하는, 마크의 생성 방법.
제1항에 있어서, 상기 소망의 속성은 사이즈, 형상, 위치, 컬러 및 광학 밀도를 포함하는 것인, 마크의 생성 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저 펄스 파라미터는 펄스 폭, 파장, 펄스 수, 펄스 시간적 형상, 펄스 플루언스(pulse fluence), 스폿 사이즈, 스폿 형상 및 초점을 포함하는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 펄스 폭은 약 1 피코초 내지 약 1000 피코초의 범위에 이르는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 파장은 약 1.5 미크론 내지 약 255 나노미터의 범위에 이르는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 펄스 수는 1 내지 약 10000 펄스의 범위에 이르는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 펄스 시간적 형상은 가우시안인 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 펄스 시간적 형상은 맞춤화된(tailored) 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 펄스 플루언스는 1.0×10^-6 J/㎠ 내지 1.0 J/㎠의 범위에 이르는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 스폿 사이즈는 약 10 미크론 내지 약 100 미크론의 범위에 이르는 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 스폿 형상은 가우시안 또는 정형화된(shaped) 것 중 하나인 것인, 마크의 생성 방법.
제3항에 있어서, 상기 초점은 상기 양극 산화된 알루미늄 표본의 표면상에, 표면 위에 또는 표면 아래에 중 하나에 포커싱되는 것인, 마크의 생성 방법.
제2항에 있어서, 상기 소망의 광학 밀도는 약 L*=40, a*=5 및 b*=10보다 작거나 같은 것인, 마크의 생성 방법.
제2항에 있어서, 상기 소망의 컬러는 흑색, 투명, 회색, 황갈색 또는 금색 중 하나인 것인, 마크의 생성 방법.
제1항에 있어서, 상기 마크는 상기 양극 산화된 알루미늄 물품을 염색 및 옵션으로서 표백함으로써 생성되는 것인, 마크의 생성 방법.
제1항에 있어서, 상기 레이저 파라미터는 이미지를 형성하도록 변화하는 광학 밀도를 갖는 소망의 패턴으로 상기 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 복수의 상기 마크를 제작하도록 선택되는 것인, 마크의 생성 방법.
제16항에 있어서, 상기 양극 산화물을 노출시키도록 포토레지스트 층을 선택적으로 제거하고 염색하고 옵션으로서 상기 노출되고 염색된 양극 산화물을 표백하는 것에 의해 상기 이미지 위에 채색된 양극 산화물이 도포됨으로써, 컬러 이미지를 제작하는 것인, 마크의 생성 방법.
양극 산화된 알루미늄 물품 상에 소망의 속성을 갖는 마크를 제작하도록 적응된 레이저 마킹 장치로서,
레이저 펄스를 산출하도록 동작하는 레이저;
상기 레이저 펄스를 수정 및 지향시키도록 동작하는 레이저 광학계;
상기 양극 산화된 알루미늄 물품을 유지 및 위치결정시키도록 동작하는 스테이지; 및
소정의 레이저 펄스 파라미터에 액세스하고 상기 레이저, 레이저 광학계 및 스테이지와 협력하여 상기 소정의 레이저 펄스 파라미터에 따라 상기 레이저 펄스를 생성 및 지향시켜 상기 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 부딪히게 함으로써 상기 소망의 속성을 갖는 상기 마크를 상기 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 제작하도록 동작하는 컨트롤러를 포함하는 레이저 마킹 장치.
제18항에 있어서, 상기 소망의 속성은 사이즈, 형상, 위치, 컬러 및 광학 밀도를 포함하는 것인 레이저 마킹 장치.
제18항에 있어서, 상기 레이저 펄스 파라미터는 펄스 폭, 파장, 펄스 수, 펄스 시간적 형상, 펄스 플루언스, 스폿 사이즈, 스폿 형상 및 초점을 포함하는 것인 레이저 마킹 장치.
제20항에 있어서, 상기 펄스 폭은 약 1 피코초 내지 약 1000 피코초의 범위에 이르는 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 파장은 약 1.5 미크론 내지 약 255 나노미터의 범위에 이르는 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 펄스 수는 1 내지 약 10000 펄스의 범위에 이르는 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 펄스 시간적 형상은 가우시안인 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 펄스 시간적 형상은 맞춤화된 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 펄스 플루언스는 1.0×10^-6 J/㎠ 내지 1.0 J/㎠의 범위에 이르는 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 스폿 사이즈는 약 10 미크론 내지 약 100 미크론의 범위에 이르는 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 스폿 형상은 가우시안 또는 정형화된 것 중 하나인 것인 방법.
제20항에 있어서, 상기 초점은 상기 양극 산화된 알루미늄 표본의 표면상에, 표면 위에 또는 표면 아래에 중 하나에 포커싱되는 것인 방법.
제19항에 있어서, 상기 소망의 광학 밀도는 약 L*=40, a*=5 및 b*=10보다 작거나 같은 것인 방법.
제19항에 있어서, 상기 소망의 컬러는 흑색, 투명, 회색, 황갈색 또는 금색 중 하나인 것인 방법.
제18항에 있어서, 상기 마크는 상기 양극 산화된 알루미늄 물품을 염색 및 옵션으로서 표백하는 것에 의해 생성되는 것인 방법.
제18항에 있어서, 상기 레이저 파라미터는 이미지를 형성하도록 변화하는 광학 밀도를 갖는 소망의 패턴으로 상기 양극 산화된 알루미늄 물품 상에 상기 마크를 제작하도록 선택되는 것인 방법.
제33항에 있어서, 양극 산화물을 노출시키도록 포토레지스트 층을 선택적으로 제거하고 염색하고 옵션으로서 상기 노출되고 염색된 양극 산화물을 표백하는 것에 의해 상기 이미지 위에 채색된 양극 산화물이 도포됨으로써, 컬러 이미지를 제작하는 것인 방법.