레이저 표면처리와 레이저 마킹의 관계
2018-01-013030

레이저 마킹 기술은 레이저 가공의 최대 응용 영역 중 하나 입니다. 지난 몇 십년 간 레이저 마킹 산업은 눈부신 발전을 이루었습니다. 레이저 마킹 시장의 가장 큰 변화는 저출력 펄스 파이버 레이저의 출시 라고 할 수 있습니다. 현재 이미 거의 모든 공급 업체가 자사 제품 제공 범위 내에서 파이버 레이저 마킹 장비를 제공 할 수 있는 수준에 이르렀습니다. 파이버 레이저의 파장은 통상적으로 약 1070nm의 근적외선(NIR)카테고리에 속해 있습니다. 파이버 레이저는 대부분의 금속 제품 마킹에 매우 적합합니다. 천이온도 이내의 가공 조건이라면 알루미늄, 구리 및 합금등 다양한 금속 재료의 레이저 가공은 육안 상 매우 우수한 품질의 확보가 가능합니다. 하지만 각 재료별 가공 품질은 모두 동일하지는 않습니다.

레이저 표면 처리
       넓은 범위의 산업용 레이저 재료 가공에서 레이저 표면 처리라는 용어는 수 킬로와트의 연속파 (CW) 전력을 사용하는 일련의 근적외선 레이저 소스의 처리 활동을 설명하는 데 종종 사용됩니다. 그러나 상기 공정과 본문에 기술 된 기술은 미크론 및 나노 급 표면응용 기술과 완전히 상이합니다. 이미 많은 산업 공정에서 짧은 펄스 피코 초 (10-12) 및 펨토초 (10-15)의 초고속 레이저를 채용하여 사용하고 있습니다.

        이 공정의 가장 큰 단점은 해당 레이저 등급의 저전력 제품의 경우에도 투자 및 운영 비용이 여전히 높다는 것입니다. 처리 속도는 대개 레이저의 평균 출력에 따라 다르므로 실제 표면 범위에서의 레이저 처리 비용은 대부분의 산업용 레이저 사용자에게 너무 높을수 있습니다.

       최근에는 나노초 펄스 레이저의 펄스 폭 범위가 서브 나노초 수준까지 확장되었으며 피크 파워 능력 역시 증가했습니다. 이를 통해 비용 측면에서 효율적인 롱 피코 초 레이저 소스를 사용하여 새로운 레이저 표면 가공 공정을 개발할 수 있습니다.

다양한 수준의 레이저 표면 처리 공정

 

        해당 기술은 통상적으로 레이저 표면처리 기술로 불리우며 기계적인 관점에서 보면 레이저 마킹 기술과 밀접한 관련이 있습니다. 구성요소의 표면 처리로 국한되기 때문에 통상적으로 레이저 절삭 기술과 용융 공정 기술의 조합이 필요합니다. 

 

 레이저 표면 처리와 레이저 마킹 분석
         레이저 마킹 표면 영역을 일정한 방식으로 변경함으로써 비 마킹 영역과 시각적인 대비를 형성 합니다. 이러한 레이저 마킹 기술은 중요한 응용 분야입니다 。

 

 01알루미늄의 레이저 표면 처리

         알루미늄의 자연 산화물 층은 흡습성이 있으며 시간이 지남에 따라 두께가 증가합니다. 그러므로 오염 된 산화물 층을 제거하여 밑에 있는 알루미늄을 노출 시키면 충분한 대비를 생성할 수 있습니다. 또 다른 더 복잡한 요인은 밑에 있는 알루미늄 재료의 용융 또는 절삭 정도가 마킹 외관에 큰 영향을 미친다는 것입니다.

 

         레이저의 가공 파라미터를 조정하면 명암이 강화 된 용융 효과를 나타내는 더 밝은 표면이 생성됩니다. ~ 1 mJ의 펄스 에너지를 사용함으로써, 명암 대조가 더 확실하며 산화 된 표면이 알루미늄 위에 형성 될 수 있지만, 견고하고 쉽게 깨지기 어려운 표면을 얻는 동시에 낮은 L * 값을 얻기를 원한다면, 관측 각도가 변경되지 않으면 마킹 외관이 변하지 않으므로 주의 깊게 제어 해야합니다. 약간 거칠어 진 표면을 형성하기 위해 제거 수준을 높이면 더 어둡고 흡수성이 높은 L * 값의 표면이 됩니다 (그림 3) 표시된 표면 치수는 <10 μm이며 표면 거칠기 (Ra)는 <5 μm 미만입니다 .

  

5ns, 75μJ 레이저로 처리 한 어두운 회색 알루미늄 표면 / 배율:200X

 

         알루미늄 표면에 양극 처리 된 코팅을 제거하는 것은 널리 사용되는 기술이며, 기판에 레이저를 적용하는 데 사용됩니다. 강한 융합은 더 많은 반사 표면을 의미합니다. 베어 알루미늄인지 알루마이트 처리된 알루미늄인지에 관계없이 마킹 속도는 1-2m / s 수준에 달합니다. 최근에는 특정한 양극 산화 코팅 상의 레이저 마킹 기술은 이미 개발 되었으며, 낮은 나노초 혹은 서브 나노초의 파이버 레이저를 사용하여 <30의L * 값을 확보 할 수 있지만, 상술한 방법보다는 마킹 속도가 훨씬 느립니다. 

 

0.15 ns 및 1 ns 펄스로 처리 한 0.8 mm 두께의 구리 소재 표면 효과

02 구리의 레이저 표면 처리
          대조를 위한 구리 금속의 레이저 연마는 비교적 잘 알려진 방법이지만, 구리가 갖고 있는 높은 반사율로 인해 명암 차가 뚜렷한 마킹 품질을 얻는 것은 비교적 어렵습니다. 그림 5를 보시면 연마 전 표면의조도와 연마 처리 후 표면 조도 차이를 확인 할 수 있습니다 (<1μmRa). 하지만 표면 구조가 복잡해지고표면 구역의 크게 개선되어 흡수성이 향상 됐음을 확인 할 수 있습니다. 그림 4 참조

150 피코 초 펄스로 처리 된 구리 금속

         가장 오른쪽 부분은 레이저 가공이 없이 연마 된 영역이고 왼쪽은 레이저로 가공 된 영역입니다. 이러한 특성은 알루미늄 소재에 형성된 특정보다 한 자릿수가 작습니다 (그림 3).

         생성 된 표면 구조는 전통적인 열 제거 프로세스가 아닌 비선형, 플라즈마 제어 프로세스의 가정을 지원합니다. 관련 증거는 평균 28.5W의 서브 나노초 레이저를 사용 함에도 불구하고 동일한 레이저 파라미터를 사용하여 20μm 두께의 동박 재료를 변형없이 처리 할 수 있다는 것 입니다.

  03유리의 레이저 표면 처리 및 마킹
         뜻 밖에도 구리 재료에 가공에 사용 된 거의 동일한 가공 파라미터가 코팅되지 않은 붕규산 유리의 상, 하단 표면 마킹 가공에도 적용될 수 있습니다. 이것은 비선형 흡수가 높은 피크 파워 파이버 레이저의 영향에 기인한다는 가설을 지지합니다. 스크라이빙 영역을 확인 해 보면 ‘균열’이 매우 제한적이라는 것을 확인 할 수 있습니다. 균열은 <10μm, 표면 거칠기는 <5μmRa입니다. 그림 6은 낮은 배율에서 밑줄과 비 균열을 보여줍니다.

           처리 후 구리 금속상의 가공 상태