14 특집 : 레이저를이용한정밀제어응용기술 A Review on Plastic Welding Technology with Diode Laser Sang-Seon Han, Sang-Bae Han and Sun-Won Kim 1. 서론 근세에들어레이저기술의발달로다양한분야에서의적용이활발히진행되는가운데수백 Watt급고출력다이오드레이저를이용한플라스틱용착기술역시다양한산업계의관심을받고있다. 레이저를이용한플라스틱용착의원리는일정한파장을갖는레이저빔의플라스틱재질에대한투과성과흡수성을이용한다. 투과성을갖는재질층을레이저빔이투과하고흡수성을갖는재질층에서레이저빔에의해활성화된분자들의진동으로운동에너지로변환되고이는다시열을발생시켜두모재를접합시키는것을기본원리로하고있다. 플라스틱을용착하는기존의공법으로는열풍용착, 열판용착, 고주파유전가열용착, 초음파용착, 진동용착, 회전용착등다양한방식이있으나공법의통일화, 제품설계자유도확대, 설비투자비절감등이절실히요구되고있었다. 특히용착후외관의품질및밀폐성등에있어한계가있던기존의공법들과는달리 플라스틱레이저용착기술 은이러한문제를해결할가능성을열어놓았다. 이에, 본고찰과정에서기존의플라스틱용착기술인진동용착기술, 열판용착기술, 초음파용착기술등과의비교를통해다이오드레이저를이용한플라스틱용착기술이갖는장단점과본기술의원리및적용방법에대해고찰해보고자한다. 충분히녹았을때열판을제거하고상호가압한후굳을때까지냉각시켜용착시키는방법이다. 그림 1에서와같이총 6단계의기본프로세스를통해두모재를용착시키는원리를가지고있는열판용착방법은용착후용착부위가모재와동일한강도로유지될만큼우수한접합강도를갖는반면작업물의형상, 크기및재질에따른작업가능시간의한계가있으며, 타용착방법에비해작업시간이긴단점이있다. 또한, 용착후그림 2에서와같이외부로용융물이세어나와생기는버 (Burr) 나보푸라기 (Fluff) 를발생시킬수있는단점이있다. 이에, 열판용착시용출물이용융되어나오므로용도와미관의중요도에따라적절한용착부위설계가필요하다. 2.2 진동용착기술 진동용착이란열가소성수지 2개의제품간에가압을하면서상부지그에좌우진동을통해접촉부위에서발 holding fixture Weld stop (1)parts are held and aligned by holding fixtures Heating platen melt stop (2) Heating platen is inserted by holding fixtures 2. 일반적인플라스틱접합기술 (3) parts are pressed against platen to melt edges (4) Heating platen is withdrawn 2.1 열판용착기술 열판용착이란상, 하지그 (Jig) 에고정된용착물을재질의용융온도보다약간높은온도로가열된열판으로가압하여가열, 연화, 용융시킨후용착부부위가 (5) parts are compressed so edges fuse together as plastic cools (6) Holding fixtures open leaving welded part in lower fixture 그림 1 열판용착의원리및프로세스 324 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
15 그림 2 열판용착후외관 그림 4 진동용착후외관 생되는마찰열로수지를용융시키고충분한용융을얻은후에진동을멈추면제품이정열되고지속적인가압과냉각통해용착시키는방법이다.( 그림 3) 제품간의상대적인좌우운동을통해발생되는마찰열로용착을시키는진동용착방법은재질, 크기및형상에대한제약이적으나, 모재가마찰열을이용하여용착시키는원리이므로탄성이비교적큰경우와맞댄두모재간의평탄도가 10도이상의경우에는적용이어려운단점이있다. 또한, 그림 4와같이용융후모재외측으로용융물이돌출되는양상을보이기도한다. 2.3 초음파용착기술초음파의진동이처음가해지면용착면의미세한표면의돌기들이매우빠르게발열하게된다. 이표면돌기 (Asperity) 부분이다른곳보다많은응력이집중되어큰변형율과진동에너지의대부분을소모하게되어용착부위의돌기부분이용융되고그주변부로열이전위된다. 이순간용착면전체에용융층이얇게형성되고초음파의계속적인진동으로짧은시간에확산이이루어져용착이되는원리를가지고있다.( 그림5, 6) carriage transducer sonotrode material to be welded Interface of the parts holding fixing plate welding force 20000 HZ electrical energy 그림 5 초음파용착시스템 booster support collar direction of vibrations typically 60-100μm Weld force Vibration motion 그림 3 진동용착의원리 그림 6 초음파용착후외관 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 325
16 이러한초음파용착기술은일반적으로플라스틱용착용으로널리사용되어왔던기술이며, 초기투자비가타용착장비에비해저렴한장점으로인해다양한분야에널리적용되어오고있는기술이기도하다. 이기술의장점으로는작업시간이빠르며소형제품에적합한점이있다. 그러나용착후용착강도및밀폐성에있어취약하며, 초음파를이용한진동용착방식이므로모재의탄성이높을수록용착강도및밀폐성의한계를갖는단점이있다. 또한, 작업시발생되는초음파로인해작업자의청각을자극하므로이에대한주의가필요하다. 3. 다이오드레이저를이용한플라스틱용착기술 3.1 원리 레이저플라스틱용착을위해서는레이저빔을흡수하는플라스틱재료 ( 흡수재 ) 에, 레이저빔을투과하는플라스틱재료 ( 투과재 ) 를포개어놓고, 클램핑지그를통해용착되어야할두모재사이에갭 (Gap) 이최소화될수있도록유지한상태에서투과재쪽으로부터레이저빔을조사하는방법으로용착시킨다. 흡수재는카본블랙처럼레이저빔을흡수하는물질을혼련한플라스틱이다.( 그림 7) 레이저빔은투과재를통과한후에, 흡수재중의카본블랙에흡수됨으로서흡수재의분자고리를진동하여발열하고, 그열에의하여흡수재가용융하면서동시에용융풀을형성하게되는데이때, 투과재도흡수재로부터열전달을받아용융하면서용착된다. 냉각과정을거쳐두모재의용착이완료되는원리를갖고있다. 3.2 레이저소스의선택 ( 고출력다이오드레이저 (HPDL)) HPDL은일종의반도체레이저로타레이저에비해소형이며에너지효율면에서 50% 에달할만큼매우높은경제성을띠고있어자동차부품생산라인과같이높은장비의내구성과신뢰성을요구하는양산라인에적합한장점이있다. 그림 8에서와같이레이저다이오드에높은전류를가해이때발생되는 NIR영역대의파장을갖는높은출력이발진된다. 다이오드레이저의파장대는일반적으로 λ = 808~ 1,100 nm 이며다이오드레이저는일종의반도체로소재는갈륨 (Gallium), 인듐 (Indium) 또는알루미늄 (Aluminium) 으로만들어진다. 플라스틱의레이저용착을위하여는대부분의경우 100~300 Watts 면일반적인열가소성수지를용융시키는데충분한출력이라할수있다. 일반적으로그림 9에서와같이다이오드레이저의에너지프로파일은탑-햇 (Top-Hat) 분포를나타내며, Nd:YAG 레이저등의경우빔중앙의에너지밀도가높은가우시안 (Gaussian) 분포를나타내는특성을가지고있어가우시안분포를나타내는레이저는주로용착폭 Stack of diode bar Diode bar Beam transformer Laser beam Cooling channel Cooling channel Micro optic 그림 8 다이오드레이저스택의구성 Diode Laser 그림 7 레이저용착의원리 고른에너지밀도그림 9 다이오드레이저의빔프로파일 326 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
17 이 500 μm이하를요구하는초소형제품에적용이적합한특성이있다. 이와반대로레이저빔중앙부의에너지가고른분포를나타내는다이오드레이저빔의경우 500 μm이상의비교적큰제품의용착에적합한특성을나타내고있다. 3.3 적용가능한플라스틱의선택레이저를이용한플라스틱의용착에서는수지의특성이매우중요하다. 만약레이저빔이수지에조사되면수지와상호작용즉, 투과, 반사, 흡수성에의하여레이저빔이약화된다. 투과율은전체조사된레이저출력중에서실제로소재를통과하는비율을의미한다. 따라서이투과율이용착될하단부에얼마만큼도달하느냐가중요한관건인데이는레이저의파장대와수지의특성과밀접한관계가있다. 그림 10과같은구조를갖는비결정형 (Amorphous structure) 열가소성수지의경우소재두께 2 mm 에서보통의경우투과율 90~95 % 에이른다. 그러나부분결정형 (Semi-crystalline structure) 수지의경우 ( 예, PBT) 투과하는과정에서빔의굴절로인해투과율이저하됨을볼수있으며, 통상 2 mm의두께에서 30~40 % 로저하된다. 반사율은레이저빔이제품에서반사되는비율을의미한다. 이는제품의표면에서반사되는비율과제품내부에서반사되는비율을합친것이다. 표면의반사는주위의공기와제품표면의굴절에기인한것으로일반적으로 4~5 % 로추정하며내부적인반사는레이저가투과하면서제품내부적에서굴절되어다시반사되는비율을의미한다. 이는특히폴리머의구조가균일하지않은수지에서높아지며수지의두께에따라서증가한다. 레이저가투과되는궤적길이가길수록상호작용에의하여반사되는비율이높아진다. 따라서, 예를들어제품의두께가 2 mm의경우파장대에따라다르고또한첨가제에따라다르지만그반사율이 80 % 까지높아질수있다. 비결정형구조의열가소성수지의경우내부구조가균일하여반사가거의없으며표면에서의반사만이있을뿐이다. 투과층과는반대로흡수를요하는흡수층의경우흡수율을높이기위해흑색의카본블랙또는각종의색상을나타내는특수첨가제를소량첨가하여사용하기도한다. 3.4 레이저플라스틱접합법 3.4.1 반- 동시용착법 (Quasi-Simultaneous Welding) 반-동시용착법은레이저빔이일정한영역내에서스캐너를이용하여매우빠른속도 ( 예. 최대 10m/sec) 로용착부위를따라서수회에걸쳐조사하는방식이다. 이때, 매우빠른속도로수회에걸쳐용착부위에조사하므로거의동시에용착부위가용융되면서용착이가능한장점이있다. 또한, 이경우용착부위의갭 (Gap) 을어느정도극복할수있으며동시용착법과비교하여상당히높은작업의유연성을가지고있다. 그러나, 단점은스캐너의위치가고정되어제품의위치와항상최적의위치는아닐수있고작업영역이제한적이므로대형제품인경우또는형상이복잡한경우에는적용이어려운특징이있다. 전체용착부위와동일한초점을형성하며용착시제품및레이저는모두고정된상태이다.( 그림 11) 3.4.2 궤적이동용착법 (Contour Welding) 가장많이사용되는공법중에하나인궤적이동용착법은용착부에레이저빔을순차적으로전달하는공법으로국부적으로에너지가전달되어용융되는범위가적으므로수지가용융되어흐르는것을최소화할수있 Amorphous Semi-crystalline 그림 10 비결정형및결정형구조에서의빔투과특성 그림 11 반 - 동시용착법 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 327
18 그림 12 궤적이동용착법 그림 14 마스크용착법 다. 이런장점들이높은유연성과 3차원형상과같은복잡한형상의제품에적용하는데용이하다. 이방법의경우별도의용착돌기의디자인을통해갭 (Gap) 을최소화하여 100 µm를초과하지않도록주의해야한다. 이는제품사출시부터허용공차범위의일정한관리가필요하다.( 그림 12) 3.4.3 동시용착법 (Simultaneous Welding) 용착부위전체가동시에용융되어용착되는동시용착법은여러개의다이오드레이저를제품의용착부위와동일하게정렬하여동시에조사하는방식이다. 동시용착법의장점은전체용착부위가동시에용융되고가압력이나용착할제품간의갭 (Gap) 이고정적이여서용착품질을관리하기가용이하나초기투자비용이높으며제품의형상변경이불가능하다는단점이있다. 그러나궤적이동용착법과비교하면동시용착법의경우용착시간이상당이짧기때문에생산량이많은제품의경우의적용이적합하다.( 그림 13) 3.4.4 마스크용착법 (Mask Welding) 마스크용착법이란필요한부분만이열려있는마스크를레이저헤드와제품사이에위치시켜제품의원하는부분만을조사하여용착시키는방법이다. 즉, 레이저가조사되지않아야할부분은마스크에의하여레이저빔이차단되는효과를볼수있다. 이때, 제품의크기와용착형상등은일차적으로마스크와레이저빔의품질에의하여좌우되며, 마스크의경우최소 100 µm 정도까지제작이가능하다. 또한한번의마스크이동으로여러개의복잡한용착부위의용착이가능한장점이있다. 주로적용분야는아주정밀한용착선이필요로하는초소형제품에적용될수있다. 마스크방식에는일반적으로다이오드레이저를이용한선형빔 (Line beam) 을사용하는데 ( 예, 20 1 mm 2 ) 레이저빔이마스크에도달하기전에필히에너지가균일한평행광의조사가필수적인조건이다. 마스크의제작은레이저절단을이용하거나포토마스크방식으로크롬도금된유리로제작되며, 포토마스크방식으로제작된마스크가형상이나유연성면에서장점이있다.( 그림 14) 3.5 레이저플라스틱용착거동 그림 13 동시용착법 레이저용착을위한플라스틱재질이선정이되고프로세스파라미터가최적화되었을때용착할준비는끝이난다. 그후레이저빔이설정된속도로원하는용착라인을따라가며조사를하게되는데이모든경우에매우중요한것중의하나는흡수모재층에용융을시킬만큼의충분한에너지를공급하는것이다. 이는두모재의분자고리간의완전한결합을위해분자의운동에너지를높이기위함이다. 328 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008
19 Laser Beam Laser Beam Laser Beam Bridging the gap A bond is formed Transparent part Transparent part Transparent part Absorbing part (a) Absorbing part (b) Absorbing part (c) 그림 15 플라스틱용융과정 그러나모재의과다한온도증가는색의변화및분해등물성변화를야기하므로제한적일수밖에없다. 그림 15에서보는바와같이, 첫번째 (A) 흡수층에서레이저빔이흡수가되어용융이시작된다. 용융될때, 모재의단위체적이증가되고용융된흡수층은두모재간의작은갭 (Gap) 을매워가기시작한다. 두번째 (B) 와같이용융된흡수층이투과층에닿게되면열은투과층으로전도되고투과층역시용융되기시작한다. 이러한과정을통해두모재간의충분한기계적, 화학적결합이이루어지게되어용착강도가증가하게된다. 특히이경우두모재간의상호결정화구조가형성하게되면그용착강도는더욱증가하게된다. 열전도가낮은모재일수록원하는용착폭으로용착이가능하며, 이로인해용용후경화되는속도를낮추어잔류응력을감소시켜주는효과를얻을수있다. 기본적으로조사방식에따라서레이저의출력 (P) 와조사시간 (t), 가압력 (p) 등을조합하여최적의작업조건을설정할수있으며이파라미터는단위거리당에너지, Es=P/v [J/m] 이다. 다시말해서, 모재에단위거리당에너지를전달하였을경우일정한곡선을가진다. 일정한조건 ( 즉, 레이저파워, 빔사이즈, 가압력, 조사시간등 ) 에서단위거리당에너지가증가하거나또는이동속도가낮아지면용착이양호하나점차단위거리당에너지가적정치이상증가하면발포가발생하거나타는흔적이남는다. ( 그림 16참조 ) 특히발포가발생되면다공성재질로변하여이로인해용착강도가떨어지고모재의품질저하를초래하므로발포현상은반드시억제그림 16 단위거리당에너지에따른플라스틱용착거동 그림 17 플라스틱용융온도실시간제어방법되어야할요인이다. 여기서발포현상은가열된용착부에서용융된플라스틱의열분해반응으로가스가발생하여다공질로변하는것으로추정된다. 이를해결하기위하여용융된부분에적정한압력을가하면발포가억제될수있는데, 이는분해된가스가끓는상태로방출되기때문에압력을가하면비등점이높아져발포가억제되는것으로추정하고있다. 3.6 플라스틱용융온도실시간제어방법모든종류의플라스틱은각기고유의용융점을가지고있는데레이저빔에의해용융되는플라스틱모재의녹는온도를적절히관리하게되면최적의용착품질을얻을수가있다. 이를위해그림 17과같이적외선온도센서를레이저빔이조사되는동축에위치시켜실시간으로용융부위의온도를측정한다. 이때수집된아나로그데이터를아나로그-디지털변환기를통해디지털신호로변환하여레이저출력을제어하는레이저시스템부에전달하게되면실시간으로레이저출력을조절하여용융부위의온도를항시설정된온도로유지시켜주어우수한용착품질을얻을수있다. 4. 결론국내외레이저산업은지난 20여년간괄목할만한성장을이루었다. 21세기는레이저시대라고할만큼광통신으로부터생산기술의핵심에이르기까지산업전반에걸쳐레이저응용이확대되고있다. 또한레이저가기존기계화학적다단계공정의소요비용을단축시키면서, 레이저에대한업계의선호도가상승하고있어그시장도점점넓어지리라고예상된다. 이는레이저발진기자체의기술발달로인해고품질의레이저가안정적으로상용화되고, 적용제품의고집적, 고정밀도가요구되는산업추세의영향으로당연한결과이다. 지금도산 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 329
20 업생산의각종현장에레이저가공기술을이용한레이저설비들이들어가고있으며전자산업, 반도체산업의미세정밀가공부터자동차, 조선업에이르기까지산업의전분야에레이저가공기술이필수적인기술로자리잡고있다. 특히, 산업계전범위에서없어서는안될플라스틱접합가공기술은플라스틱의사용범위가급격히넓어짐에따라많은연구와함께발전해오고있으나제품의용도에따라개발된수많은플라스틱재료의특성별로그에맞추어서용착법이개발되어야하고소재의특성과용착과의관계를이해해야적용이가능하기때문에, 표준화, 통일화는해결해야할매우중요한과제로남아있다. 최근개발된레이저를이용한플라스틱의용착기술은기존의접합방식을대체하는것이아니라장점과단점을동반하는새로운방식의접합기술이다. 특히, 기존의용착방식과대비하여용착강도, 기밀성및외관이우수하고생산성과원가절감을가능케하며, 내부에기계적, 열적충격을주지않으면서복잡한형상의접합가공이가능해졌다. 이러한장점을최대한이용하여레이저용착공정을최적화하여야하며레이저용착에맞도록제품이설계되어야하며, 수지역시레이저용착에적합한것으로선택되어야한다. 또한, 제품디자인초기부터이런조건들을고려하여설계되어야하고적합한작업자를선정하여작업장의안전에신경써야한다. 이런기술적인발전은새로운추가수요를유발시켜이에대한호응도역시높아져많은시장확대가기대된다. 참고문헌 1. Dr.M.Warwick, TWI, Application studies using throughtransmission laser welding of polymers, Joining Plastics 2006 2. Dr.D.Hansch, Prolas GmbH, Laser welding of plastics - Process and production technology, Joining Plastics 2006 3. Dr. R. Klein, Gentex coporation, Creating transparent laser weldings on thermoplastics components, Joining Plastics 2006 4. Dr.M.Van, DSM research, Engineering plastics for laser welding, Joining Plastics 2006 5. Ian Jones, TWI, Process monitoring methods in laser welding of plastics, Joining Plastics 2006 한상선 1975년생 유로비젼 ( 주 ) 기술영업 레이저플라스틱용접 e-mail : robin@eurovision.co.kr 김선원 1979년생 유로비젼 ( 주 ) 선임연구원 레이저용접및열처리 e-mail : swkim@eurovision.co.kr 한상배 1969년생 유로비젼 ( 주 ) 기술영업 레이저용접및열처리 e-mail : sbhan@eurovision.co.kr 330 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 2008