기술자료: 레이저를 이용한 이종 플라스틱 간의 용접 거동에 관한 연구
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제3회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
레이저를 이용한 이종 플라스틱 간의 용접 거동에 관한 연구

글/ 유로비젼㈜ 한상선, 홍웅표, 한상배
근세에 들어 레이저 기술의 발달로 다양한 분야에서의 적용이 활발히 진행되는 가운데 수백 Watt급 고출력 다이오드 레이저를 이용한 플라스틱 용접 기술 역시 다양한 산업계의 관심을 받고 있다. 섬세한 빔을 이용해 용접하고자 하는 국부적인 부분에만 열을 가해 용융시키는 플라스틱 레이저 용접 기술은 이미 산업계 많은 분야에 그 적용이 가속화되고 있으나 여전히 이종 재질 간의 용접에는 한계가 있어 이에 대한 해결책이 요구되고 있다.
이에, 본 연구에서는 PBT재질을 기반으로 하는 이종 재질 간의 용접성을 높이기 위하여 탑-햇(Top-Hat) 형태의 빔 프로파일을 갖는 최대출력 200W급 다이오드 레이저와 최대 7,000mm/s의 빔 이송 속도를 제어할 수 있는 스캐너 장치를 이용하여 프로세스 파라미터를 최적화하는 방법을 이용하였다.
이에 대한 결과는 물성이 서로 다른 폴리머 간의 고유 특성을 완전히 극복하고 최상의 접합강도와 수밀성을 얻기에는 한계가 있었으나, 레이저의 출력과 이송 속도 등을 이용한 입사에너지의 제어를 통해 인장 강도 및 수밀성 등의 한계점을 부분적으로 극복할 수 있었다.

1. 서 론
70년대 에너지 쇼크 이후 경박단소의 추세가 지속된 결과, 근래에는 플라스틱의 사용량이 금속을 앞질렀으며, 생활 주변이나 산업 현장에서 가장 흔하게 접하는 소재가 되었다. 따라서 저가로 대량 생산이 가능하면서 품질도 보장할 수 있는 플라스틱 가공 기술의 개발은 매우 큰 관심사가 되고 있다.
이와 더불어, 근세에 들어 레이저 기술의 발달로 다양한 분야에서의 적용이 활발히 진행되는 가운데 수백 watt급 고출력 다이오드 레이저를 이용한 플라스틱 용접 기술 역시 자동차, 전기전자, 의료계 등 다양한 산업계의 관심을 받고 있다.
레이저를 이용한 플라스틱 용접의 원리는 일정한 파장을 갖는 레이저 빔의 플라스틱 재질에 대한 투과성과 흡수성을 이용한다. 투과성을 갖는 재질층을 레이저 빔이 투과하고 흡수성을 갖는 재질층에서 레이저 빔에 의해 활성화된 분자들의 진동으로 운동에너지로 변환하면, 이는 다시 열을 발생시켜 두 모재를 용접시키는 것을 기본 원리로 하고 있다.
최근 들어 각 산업계에서 요구되는 기능이 날로 다양해지면서 다양한 요구 조건 등을 충족시키기 위하여 동종 재질이 아닌 이종 재질 간의 용접의 필요성이 점점 증가하고 있다.
그러나 동종 재질 간의 용접 시 화학적인 물성이 동일하여 용접 후 매우 우수한 용접 품질을 얻을 수 있는 반면에, 용융 온도와 고분자구조 등과 같이 화학적 물성이 서로 상이한 이종 재질 간의 용접 시에는 인장강도 및 수밀성 등과 같은 기계적 물성에 한계가 있는 것이 현실이다.
이에, 본 연구에서는 레이저 플라스틱 용접 기술에서 일반적으로 사용되어지는 동종 재질 간의 용접이 아닌 PBT(Polybutylene Terephthalate)를 기반으로 하는 이종 재질 간의 용접거동을 관찰하며 최적화된 용접 품질을 얻는 것과 동시에 이종 재질 간의 용접 시 고려해야 할 인자들에 대해서도 소개하고자 한다.
이러한 연구를 위하여 근적외선 영역대의 파장을 사용하는 고출력 다이오드 레이저와 빔을 빠른 속도로 이송시킬 수 있는 스캐너 장치 그리고 접합 강도, 수밀성 및 용접면의 접합구조를 확인하기 위한 각종 다양한 장비들이 사용되었다.

2. 실험 방법
본 연구를 위하여 이용된 방법은 재료 내부에 입사되는 에너지의 양을 다양하게 제어하기 위해 최고출력 350watts인 다이오드 레이저와 빔 이송 속도가 최대 7,000mm/s인 빔 스캐너 장비(<그림 1> (b) 참조)를 이용하여 출력과 속도 그리고 조사 횟수를 조절하며 최적화 작업을 하였다.
용접 후 접합 강도 및 수밀성을 확인하기 위하여 파괴 강도 측정 장치(<그림 1> (C) 참조)와 리크테스터를 이용하였다.
또한 용접면의 접합 구조를 확인하기 위해 마이크로 스코프가 사용되었다.



적용 재질은 A.Schulmann社의 Black 계열의 투과재(상품명: 'SCHULADUR A1 GF 30 LW')와 BASF社의 흡수재(상품명: 'Ultradur S4090G6')를 사용하였다.
투과재로는 PBT에 투과성을 증가시키기 위해 첨가한 PET(Polyethylene Terepthalate) 혼합물(PBT+PET)을, 그리고 흡수재로는 역시 PBT에 사출 시 흐름성을 향상시키기 위해 첨가한 ASA(Acrylic Styrene Acrylonitrile) 혼합물(PBT+ASA)을 사용하였다.(<그림 2> 참조)
본 연구에 사용된 레이저 시스템 사양 및 작업 조건은 <표 1>과 같다.
레이저 시스템 내에 설치된 하부 안착 지그에 투과재와 흡수재를 놓고 상부에 위치한 가압판을 실린더를 이용하여 투과재 층을 가압하여 투과층과 흡수층 간의 간극(gap)을 최소화한다. 이후 설정된 레이저 출력과 스캔 속도 등의 조건으로 용접한다.(<표 1> 참조)
이 때 용접 구간이 직선 형태뿐만 아니라 곡선 및 꺾임 구간 등이 있어 용접구간에 따라 개별적인 입사에너지를 부여하여 최적화 작업을 실시하였다. 이렇게 용접된 제품은 1차로 누설테스터를 통해 누설량을 측정하고 일정 시간 내후성 테스트를 거친 후 다시 2차로 누설테스트로 누설량을 측정하고 파괴 강도를 측정한다.

3. 결과 및 고찰
플라스틱 레이저 용접의 경우 가장 이상적으로 용접되는 조건은 투과재로 사용되는 재질의 우수한 투과율 확보와 투과재가 흡수재 대비 용융점이 같거나 낮아야 한다는 것이다. 이는 흡수재에서 발생된 열이 상부 측으로 전도되는 과정에서 흡수재가 일정온도에서 용융이 되고 그에 준하는 온도가 투과재로 전도되어 용융시키기 때문이다.





그러나 본 연구에서 사용된 재질의 경우 투과재가 흡수재보다 용융점이 약 5∼10℃ 정도 높아 흡수재에서는 이미 용융이 시작되었으나, 이에 준하는 온도로는 투과재를 제대로 용융시키지 못해 일반적으로 예상하는 투과/흡수재 간의 완전 용융 후 경화되는 양상을 기대하기에는 한계가 있었다.
이로 인해 레이저 용접 후 인장 강도가 매우 약한 결과와 더불어 수밀성에 있어서도 매우 취약한 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구의 목적인 이종 재질을 기반으로 한 용접 품질 최적화 작업 방법은 투과재와 흡수재 간의 용융 정도를 현미경을 통해 관찰하며 탄화 정도를 판단했다.
<그림 4> (b)에서와 같이, glass fiber 이 외의 레진부가 과다 입사에너지로 수많은 기공을 형성시켜 용접 계면에서 누설이 발생되는 요인으로 작용한다. 이와는 반대로, <그림 4> (a)에서는 최적화된 입사에너지를 이용하여 모재에서 탄화 또는 기공의 양상을 찾아볼 수 없었으며, 이로 인해 <표 2>에서와 같이 인장 강도 및 누설에 있어서도 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
여기서 매우 중요한 것 중의 하나는 흡수층을 용융시킬 만큼의 충분한 에너지를 공급하는 것이다. 이는 두 모재(투과층과 흡수층)의 분자고리 간의 완전한 결합을 위해 분자의 운동에너지를 높이기 위함이다. 그러나 모재의 과다한 온도 증가는 색의 변화 및 분해 등 물성변화를 야기하므로 제한적일 수밖에 없다.
<그림 5>와 같이, 기본적으로 조사 방식에 따라서 레이저의 출력(P)과 조사 시간(t), 가압력(p) 등을 조합하여 최적의 작업 조건을 설정할 수 있으며, 이 파라미터는 단위거리당 에너지, Es=P/v [J/m]이다. 다시 말해서, 모재에 단위거리당 에너지를 전달했을 경우 일정한 특성 곡선을 가진다.



일정한 조건(즉, 레이저 출력, 빔 사이즈, 가압력, 조사시간 등)에서 입사에너지가 증가하거나 또는 이동속도가 낮아지면 용접성이 양호하나 점차 단위거리당 에너지가 적정치 이상 증가하면 발포가 발생하거나 탄화된다. 특히 발포가 발생되면 다공성 재질로 변하여 이로 인해 용접 강도가 떨어지고 모재의 품질 저하를 초래하므로 발포 현상은 반드시 억제되어야 할 요인이다.
여기서 발포 현상은 가열된 용접부에서 용융된 플라스틱의 열분해 반응으로 가스가 발생하여 다공질로 변하는 것으로 추정된다.
이를 해결하기 위하여 용융된 부분에 적정한 압력을 가하면 발포가 억제될 수 있는데, 이는 분해된 가스가 끓는 상태로 방출되기 때문에 압력을 가하면 비등점이 높아져 발포가 억제되는 것으로 추정하고 있다.
플라스틱의 레이저 용접은 기존의 열판 융착, 초음파 융착 혹은 진동 융착에 비하여 많은 장점을 가지고 있다. 예를 들면 국부적인 열전도, 비접촉식, 소모성 없는 용접 방법, 3차원 제품의 용접 가능성 등이 있다. 이에 반해 단점으로는 초기 투자 비용이 높고 레이저 빔의 접근이 어려운 복잡한 형상 등이 용접 결과에 많은 영향을 미치는 단점으로 작용하고 있다.
그러나 일차적으로 투자 비용이 많이 드는 것 같아 보이지만, 생산량이나 고정 비용을 줄여 종합적으로 보았을 때 오히려 원가 절감 효과를 볼 수 있는 큰 장점을 얻을 수 있다.

■ 참고 문헌
1. 김도훈, ‘레이저 가공학’, 경문사, 2005.
2. Dr. E.Kellar, TWI, Bonding Plastics
3. Dr.P.wells, Branson Ultrasonics, Ultrasonic and linear vibration welding of plastics
4. Dr.M.Warwick, TWI, Application studies using through-transmission laser welding of polymers
5. Dr.D.Hansch, Prolas GmbH, Laser welding of plastics - Process and production technology
6. Dr.M.Van, DSM research, Engineering plastics for laser welding
7. Ian Jones, TWI, Process monitoring methods in laser welding of plastics

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