KR910000826B1 - 레이저 마킹 방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

레이저 마킹 방법
제1도는 본 발명을 실행하는 장치의 사시도.
제2도는 제1도에 도시한 장치의 동작 설명도.
제3도는 본 발명을 실행하는 다른 장치의 사시도.
제4도는 본 발명을 실행하는 또 다른 장치의 사시도.
본 발명은 고속에서 레이저 빔의 수단에 의해 물품의 표면상에 선명한 마크를 형성하는 레이저 마킹에 관한 것이다.
물품의 표면상에 회사 표시, 물품명, 제조 일자 등과 같이 마크를 형성하는데 있어서, 여러개의 문자나 기호는 고속에서 동시에 그와 같은 표면상에 전사되거나, 마크되어 있는 문자나 기호를 따라 레이저 빔을 주사하는 것에 의해 표면상에 수마이크로의 요철을 형성시키는 소위 마스크 전사 기술이 사용되었다.
특히, 레이저 빔을 사용하는 종래의 마킹 방법에서, 마킹이 국부적 레이저 히팅에 의해 실행된 물품의 부분과 물품재료의 증발은 국부적 증발이 발생되는 온도에서 가열된다. 온도는 물품의 재료에 의존하고 재료가 플라스틱일때는 약 500℃이고 재료가 세라믹일때는 약 2000℃이다.
따라서, 물품의 국부의 온도를 고온으로 하기 위해, 레이저의 출력 파워는 충분히 커야 한다. 그러나, 물품이 예를 들면, 반도체 장치와 같은 전자부품일 때, 전자부품이 국부적으로 고온에 가열된 곳에서 열변화를 일으켜, 품질을 저하시키는 것과 동시에 레이저 마킹시에 발생하는 먼지나 연기 등이 반도체 등의 물품 표면에 부착하여 제품을 오염시킨다는 문제점이 있었다.
마킹이 재료의 국부적 증발이나 연소에 의해 실행되므로, 물품 표면이 거칠고, 형성된 마크의 선명도도 때때로 질이 떨어졌다.
본 발명의 목적은 마킹이 형성된 물품 표면의 온도 상승이 억제되고 필요한 레이저 파워의 저감화를 실현하여 마크의 문양도 선명하게 되는 레이저 마킹의 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마련되어 있는 마크가 다색으로서 마크 자체가 쉽게 동일하게 되는 레이저 마킹의 방법을 마련하는 것이다.
본 발명에 따른, 레이저 마킹이 실행된 물품의 표면은 피착된 안료가 소정의 온도 이상에서 내부 구조를 변화시켜 변색되는 성질의 것으로, 레이저를 물품의 표면에 조사하면, 그 표면의 레이저 조사 부분의 온도 상승에 의한 그 부분의 안료가 변색한다.
본 발명에 사용된 안료는 소정의 온도보다 높아지면 내부구조의 변화에 의해 그 색이 변화한다. 안료는 Hg 화합물, 코발트 화합물, 철 화합물, 동 화합물, 니켈 화합물, 납 화합물, 바나듐 화합물을 구성하는 족에서 선택하거나 그들을 혼합하여도 좋다.
제1도 및 제2도에서, 제1도는 마스크 전사 기술을 위해 적절한 TEACO2레이저 마킹장치의 사시도이고, 제2도는 제1도에 도시한 마킹 장치의 동작을 설명하는 것으로, (1)은 마킹 레이저 빔(2)를 출사하는 레이저 발진기이다. 레이저 빔(2)는 반사경(3)을 향하게 하여 집광 렌즈(4)로 향해진다. 집광 렌즈(4)에 의해 집광된 빔은 마킹 패턴(5a)를 갖는 마스크(5)를 통하여 투과되어 물품(6)의 표면상에 마킹 패턴(5a), 본 설명에서는 문자 A,가 형성된다.
샤터(1a)는 레이저 발진기(1)과 반사경(3)사이의 레이저 통로에 마련되고 마스크(5)는 마스크 유지부(7)에 수납되어 있다. 이 집광 렌즈(4)는 집광부(8)에 수납되어 있다. 이 도면에서는 물품(6)으로 전자기 스위치의 마킹부(9)에 소정의 마킹을 행하는 경우를 도시하였다.
본 발명에 대해 좀더 자세히 설명하면, 물품(6)의 표면에 마킹부(9)는 소정의 온도 이상이 되면 내부 구조가 변화하여 변색되는 안료의 층을 미리 피착시켜 둔다. 피착은 안료를 마킹부에 도포하는 것에 의해 얻을 수 있다. 또 물품의 재료에 안료를 혼합한 후 성형하여도 좋다. 후자의 방법은 물품이 플라스틱 재료일 때 유용하게 사용할 수 있다.
다음에, 레이저 발진기(1), 반사경(3), 마스크판(5), 집광 렌즈(4), 물품(6)의 위치 관계는 조절되며 집광 렌즈(4)의 측상에 물품(6)의 표면이 마스크판(5)를 향하게 한다. 그런후, 물품(6)의 표면부(9)는 마킹 패턴(5a)를 갖는 마스크판(5)와 집광 렌즈(4)를 거쳐 레이저 발진기(1)에서 레이저 빔이 조사된다. 이와 같이 조사하면, 레이저 빔이 조사된 부분에서 안료는 순간적으로 소정의 온도 이상으로 상승하여 그 내부 구조를 변화시키고 바탕색과는 다른 색을 가지는 마크가 새겨진다.
내부 구조의 불가역적 또는 준불가역적 변화에 레이저 조사에 의해 증가된 온도에 따른 안료의 색에 대여, 두가지 유형이 있으며, 하나는 소정의 온도 이상에서 열분해를 일으키고, H2O, CO2등의 분자가 흩어져서 반영구적으로 안료의 분자 구조가 변화하여 원래의 색과 현저히 다른 색을 나타내는 안료와, 다른 하나는 온도 상승에 의해 글라스화 등 결정구조가 변화하여 변색하는 안료이다.
실시예에서는 사용된 안료의 분류는 표 1에, 표 1의 각 실시예에 대한 변색 온도와 색의 변화는 표 2에 나타낸다. 표 2에서, 비고란에는 다른 변색 온도와 변색을 나타낸다. 실시예 번호 6∼20은 열분해에 의한 색변화인 것이 명확하게 되어 있다.
[표 1]
Figure kpo00001
[표 2]
Figure kpo00002
표 1,2에 나타낸 실시예의 각각을 발명자들은 다양한 실험을 행하였고 실시예 번호 6에 대하여 예로서 설명한다.
실시예 번호 6의 실험에서 사용된 안료는 입자 직경 2㎛이하로 분쇄한 CO2(PO4)28H2O를 포함하는 다음의 혼합조성의 도표를 사용하였다.
CO2(PO4)28H2O 30wt%
활석 4wt%
에틸셀루로오즈 래커 33wt%
(수지성분 15wt%)
신나 33wt%
물품의 예로 사용된 5㎜ 두께의 페놀 수지판의 표면은 그 위에 약 30㎛ 두께의 안료층을 형성하여 상술한 스프레이 도장을 한다. 안료층을 가지는 페놀 수지판은 실온에서 약 24시간 건조한다. 이 결과로 생긴 물품에 제1도에 도시한 TEACO2레이저 발진기(1)에서 펄스폭 1㎛보다 좁은 짧은 펄스 레이저를 조사시키고 표면 부위의 색변화를 관찰하였다. 안료층에서 레이저 빔의 에너지 밀도가 1.0Joule/㎠일 때, 안료층의 원색인 핑크색은 일정하게 청색으로 변색하고 마스크 유지부(7)에 마련된 동판 마스크에 구멍을 뚫은 높이 1.2㎜(전사시)의 알터네이트 고틱(alternate gothic)체의 숫자 16이 안료층상에 선명하게 전사된다. 레이저 빔의 에너지 밀도가 0.6Joule/㎠이하일때는, 자체에 부분적인 색의 불완전한 부분이 생겨 전사된 숫자의 판독이 곤란하게 된다. 관찰된 색변화는 인산 코발트의 8개 결정수의 일부분이 레이저 조사에 의해 유리하고, 청색을 나타내는 함수량 불명의 인산 코발트 [CO3(PO4)2XH2O(1＜X＜7)]으로 변화하기 위한 것으로 믿어지며, 다음에 반응에 따른다.
Figure kpo00003
무수염을 갖는 인산 코발트는 적색으로서 X의 범위는 1∼7로 추측된다.
비교하기 위해, 안료를 도포하기 전에 상기 실험에 사용된 판으로 동일한 페놀 수지판에 상기 실험에서 사용된 장치에서 레이저 빔을 조사하여, 안료층상에 전사된 숫자를 선명히 판독하기 위해 필요한 임계 레이저 에너지 밀도를 알았다. 후자의 실험에 따르면, 임계 에너지 밀도는 4Joule/㎠이고 숫자 판독이 선명하였다. 에너지 밀도가 임계값 이상일 때 흑색 안료층상에 전사된 숫자는 회백색이고 바탕색인 흑색에 대하여 불선명하였다.
표 1에 도시하지 않은 철 화합물의 안료를 사용한 경우의 다른 실시예에 대하여 다음의 반응식에 의해 나타낸다.
Figure kpo00004
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 마킹 방법은 레이저 빔 조사로서 온도 상승시켜 안료의 내부 구조에서의 변화를 이용하는 것이다. 따라서, 마킹에 의한 먼지나 연기 등이 생기지 않고 물품 표면상에 청결히 마킹을 형성할 수가 있다. 바탕에 대하여 마크의 콘트라스트는 매우 높게 할 수 있다.
안료의 종류에 의해서, 색변화가 일어나는 온도 상승을 예를 들면 70℃의 낮은 값으로 제한할 수가 있으므로 열적으로 불안정한 물품조차도 본 발명의 마킹을 실행할 수가 있다. 또, 상술한 바와 같이, 본 발명에 사용된 레이저 파워는 종래에 물품을 형성하는 재료의 국부적인 증발 또는 연소 방법과 비교하여 현저하게 감소시킬 수가 있다.
제3도는 펄스 레이저와 폴리곤(polygon)미러의 결합으로 구성한 레이저 도프 임팩트 마킹방식의 레이저 마킹장치의 사시도이고 제4도는 제3도에서의 장치의 수정을 도시한 것으로, 폴리곤 미러는 A방향으로 요동가능한 스캐닝 미러(3a)와 B방향으로 요동 가능한 스캐닝 미러(3b)의 한쌍에 의해 배치되어 있고 제어기(20)에서의 제어 신호(21)에 의해 프로그램 제어된다.
제3도에서, 플리곤 미러(3c)는 물품(6)이 C방향으로 이동하여 마크되는 동안 회전되어 물품(6)은 C방향에 직교하는 방향으로 주사된다.
제3도 및 제4도에 도시한 장치에서, 본 방법은 완벽하게 실행될 수 있다. 본 발명에서는 TEACO2레이저가 레이저 빔의 소스로서 사용된 경우를 설명하였지만 ND: YAG 레이저 등의 다른 레이저를 사용하여도 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다른 실험에서, 다음의 조성을 가지는 안료가 사용되며, 상술한 실험에서 사용된 페놀판과 동일한 판은 약 30㎛의 두께로 소프레이 도장되고 실온에서 약 24시간 건조시키며, 상술한 실험에서와 같이 레이저 조사하여 색변화의 정도를 검사한다.
메타바나듐산 암모늄(NH4VO3) 25wt%
활석 4wt%
메틸셀루로오즈 래커 33wt%
(수지 성분 15wt%)
신나 38wt%
펄스폭이 1㎛이하인 TEACO2레이저에서 단 펄스 레이저의 에너지 밀도가 1.1∼1.8Joule/㎠일 때, 백색의 원색은 갈색으로 일정하게 변색되고 동 마스크(5)에 구멍 뚫린 16개의 알터네이트 고딕 숫자는 선명하게 전사되는 것으로 관찰되었다. 레이저 에너지 밀도는 0.8Joule/㎠이하일 때, 전사된 숫자는 국부적으로 흐려져서 판독이 곤란하였다. 이 색변화는 메타바나듐산 암모늄이 다음의 반응식에 따라서 물의 분자와 암모니아 분자를 방출하여 5산화 바다듐으로 변화하기 위한 것으로 측정된다.
Figure kpo00005
레이저 에너지 밀도가 1.8Joule/㎠∼5.0Joule/㎠으로 증가하면, 백색의 원색은 일정하게 흑색으로 변색된다. 따라서, 안료와 적절한 레이저 에너지 밀도를 선택하는 것에 의해 다색 마킹이 가능하다.
또 다른 실험은 다음의 조성을 갖는 안료로서 염화 니켈 헥사메틸렌 테트라인(NiCl2·2C6H12N4·10H2O)을 사용하여 처리하였다.
염화 니켈 헥사메틸렌 테트라인 25wt%
활석 5wt%
메틸셀루로오즈 래커 40wt%
신나 30wt%
알루미늄판은 약 30㎛의 두께로 안료의 층에 도장되고, 상술한 실험과 동일한 조건아래 건조시킨후, 그 부분을 250W/㎠의 CO2가스 레이저 에너지 밀도로 1.5msec 조사시킨다. 이 레이저 조사로, 녹색의 원색은 황록색으로 변색된다. 안료층의 다른 장소에 250W/㎠의 레이저 에너지 밀도로 3.0msec 조사시킨다. 뒷부분의 색은 녹색의 원색에서 밝은 파란 자주색으로 변색된다. 이 색변화는 다음의 반응식에 나타낸 바와 같이 결정수의 방출에 의한 것으로 추정된다.
Figure kpo00006
따라서, 다색 마킹이 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 안료나 에너지 밀도의 적절한 선택에 의해 단색 또는 다색 마킹을 마련하는 것이 가능해진다.

Claims (4)

  1. 물품의 표면을 마킹하는 레이저 마킹 방법에 있어서, 소정의 온도 이상에서 원색에서 다른색으로 변할 수 있는 물품의 재료중의 안료 또는 혼합 안료를 상기 물품표면에 피착하는 스텝과 마킹레이저 빔을 안료가 피착된 부분에 조사하는 것에 의해 조사된 부분을 다른색으로 마크하는 스텝을 포함하며, 상기 안료는 각각 다른 온도에서 다른 색을 나타내는 여러개의 다른 안료의 혼합이고, 상기 마킹레이저 빔은 상기 다른 온도에서 상기 물품 표면에 가열하는데 필요한 다른 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔수에 대응하는 혼합으로 상기 물품표면의 상기 조사된 부분이 상기 다른 색으로 마크되는 레이저 마킹 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안료는 상기 레이저 빔에 의해 주어지는 열로 인하여 그 내부 분자구조의 변화에 의해 원색에서 다른 색으로 변화할 수 있는 재료를 포함하는 레이저 마킹 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 안료는 Hg 화합물, 코발트 화합물, 코발트산칼륨, 동화합물, 니켈화합물, 납화합물, 철화합물, 바다듐화합물 및 그 혼합물로 군중에서 선택되는 레이저 마킹 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 안료층의 상기 부분은 각각 다른 에너지 밀도의 레이저 빔으로 조사되는 레이저 마킹 방법.
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