레이저 기술이 다양한 분야에 적용되고 있다. 수 백 Watt급 고출력 다이오드 레이저 (High Power Diode Laser, HPDL)를 이용한 플라스틱 용착기술 역시 다양한 산업계의 주목을 받고 있다. 레이저를 이용한 플라스틱 용착의 원리는 일정한 파장을 갖는 레이저 빔의 플라스틱 재질에 대한 투과성과 흡수성을 이용한다. 기본원리는 투과성을 갖는 재질층을 통과한 레이저 빔이 흡수성을 갖는 재질층에서 분자들을 활성화시켜 그 운동 에너지에 의한 열로 인하여 두 모재를 접합시키는 것이다.
플라스틱을 용착하는 기존의 공법으로는 열풍용착, 열판용착, 고주파유전가열용착, 초음파용착, 진동용착, 회전용착 등 다양한 방식이 있다. 하지만 기존 공법은 공법의 통일화, 제품 설계 자유도 확대, 설비 투자비 절감 등의 과제를 안고 있다. 용착 후 외관의 품질 및 밀폐성 등에 한계가 있는 기존 공법들과 달리 ‘플라스틱 레이저 용착기술’은 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시했다.
이 글에서는 기존의 플라스틱 용착기술인 진동용착기술, 열판용착기술, 초음파용착기술 등과의 비교를 통해 다이오드 레이저를 이용한 플라스틱용착기술이 갖는 장단점과 기술의 원리, 적용방법 등에 대해 고찰해 보고자 한다.

일반적인 플라스틱 접합기술

열판용착기술
열판용착이란 상, 하 지그(Jig)에 고정된 용착물을 재질의 용융온도보다 약간 높은 온도로 가열된 열판으로 가압하여 가열, 연화, 용융 시킨 후 용착부 부위가 충분히 녹았을 때 열판을 제거하고 상호 가압한 후 굳을 때까지 냉각시켜 용착시키는 방법이다.
그림 1에서와 같이 총 6단계의 기본 프로세스를 통해 두 모재를 용착시키는 원리를 가지고 있는 열판용착 방법은 용착 후 용착 부위가 모재와 동일한 강도로 유지될 만큼 우수한 접합강도를 갖는 반면 작업물의 형상, 크기 및 재질에 따른 작업 가능 시간의 한계가 있으며 타 용착방법에 비해 작업시간이 긴 단점이 있다. 또한 용착 후 그림 2에서와 같이 외부로 용융물이 세어 나와 생기는 버(Burr)나 보푸라기(Fluff)를 발생시킬 수 있다. 이에, 열판 용착 시 용출물이 용융되어 나오므로 용도와 미관의 중요도에 따라 적절한 용착 부위 설계가 필요하다.

진동용착기술
진동용착이란, 2개의 열가소성 수지 제품 간에 가압을 하면서 상부 지그에 좌우 진동을 통해 접촉 부위에서 발생되는 마찰열로 수지를 용융시키고 충분한 용융을 얻은 후에 진동을 멈추면 제품이 정열되고 지속적인 가압과 냉각을 통해 용착시키는 방법이다.
제품 간의 상대적인 좌우 운동을 통해 발생되는 마찰열로 용착을 시키는 진동용착 방법은 재질, 크기, 형상에 따른 제약이 적으나 마찰열을 이용하여 용착시키는 원리이므로 모재의 탄성이 비교적 큰 경우와 맞댄 두 모재 간의 평탄도가 10도 이상의 경우에는 적용이 어렵다. 또한 그림 4와 같이 용융 후 모재 외측으로 용융물이 돌출되는 양상을 보이기도 한다.

초음파용착기술
초음파의 진동이 처음 가해지면 용착면에 미세한 표면의 돌기들이 매우 빠르게 발열하게 된다. 이 표면 돌기(asperity) 부분이 다른 곳보다 많은 응력이 집중되어 큰 변형률과 진동 에너지의 대부분을 소모하게 되어 용착 부위의 돌기 부분이 용융되고, 그 주변부로 열이 전위된다. 이 순간 용착면 전체에 용융층이 얇게 형성되고 초음파의 계속적인 진동으로 짧은 시간에 확산이 이루어져 용착이 이루어지는 원리이다.
이러한 초음파용착 기술은 일반적으로 플라스틱 용착용으로 널리 사용돼 왔던 기술이며, 초기투자비가 타 용착장비에 비해 저렴한 장점으로 인해 다양한 분야에 널리 적용되고 있다. 이 기술은 작업시간이 빠르고 소형 제품에 적합하다는 장점이 있다. 그러나 용착 후 용착강도 및 밀폐성에 있어 취약하며 초음파를 이용한 진동용착 방식이므로 모재의 탄성이 높을수록 용착강도 및 밀폐성의 한계가 있다. 또한 작업 시 발생되는 초음파로 인해 작업자의 청각을 자극하므로 이에 대한 주의가 필요하다.

다이오드 레이저를 이용한
플라스틱 용착기술

원리
레이저 플라스틱 용착을 위해서는 레이저 빔을 흡수하는 플라스틱 재료(흡수재)에 레이저 빔을 투과하는 플라스틱 재료(투과재)를 포개어 놓고, 클램핑 지그를 통해 용착해야 할 두 모재 사이에 갭이 최소화될 수 있도록 유지한 상태에서 투과재 쪽으로부터 레이저 빔을 조사한다. 흡수재는 카본블랙처럼 레이저 빔을 흡수하는 물질을 혼련한 플라스틱이다.
레이저 빔은 투과재를 통과한 후에, 흡수재 중의 카본블랙에 흡수됨으로써 흡수재의 분자고리를 진동하여 발열하고, 그 열에 의하여 흡수재가 용융하면서 동시에 용융풀을 형성하게 되는데, 이 때 투과재도 흡수재로부터 열전달을 받아 용융하면서 용착된다. 냉각 과정을 거쳐 두 모재의 용착이 완료되는 원리를 갖고 있다.

레이저 소스의 선택
고출력 다이오드 레이저는 일종의 반도체 레이저로 타 레이저에 비해 소형이며 에너지 효율 면에서 50%에 달할 만큼 매우 높은 경제성을 띠고 있어 자동차부품 생산 라인과 같이 장비의 높은 내구성과 신뢰성을 요구하는 양산 라인에 적합하다.
그림 8에서와 같이 레이저 다이오드에 높은 전류를 가해, 이 때 발생되는 NIR 영역대의 파장을 갖는 높은 출력이 발진된다. 다이오드 레이저의 파장대는 일반적으로 λ = 808~1,100 nm이며, 다이오드 레이저는 일종의 반도체로 소재는 갈륨(Gallium), 인듐(Indium) 또는 알루미늄(Aluminium)으로 만들어진다.
플라스틱의 레이저 용착을 위해서 대부분의 경우, 100~300 W면 일반적인 열가소성 수지를 용융시키는데 충분한 출력이라고 할 수 있다.
일반적으로 그림 9에서와 같이 다이오드 레이저의 에너지 프로파일은 탑-햇(Top-Hat) 분포를 나타내며, Nd:YAG 레이저 등의 경우 빔 중앙의 에너지 밀도가 높은 가우시안(Gaussian) 분포를 나타내는 특성을 가지고 있다. 가우시안 분포를 나타내는 레이저는 주로 용착 폭이 500 μm 이하를 요구하는 초소형 제품에 적합한 특성이 있다. 이와 반대로 레이저 빔 중앙부의 에너지가 고른 분포를 나타내는 다이오드 레이저 빔의 경우 500 μm 이상의 비교적 큰 제품의 용착에 적합한 특성을 나타낸다.

적용 가능한 플라스틱의 선택
레이저를 이용한 플라스틱의 용착에서는 수지의 특성이 매우 중요하다. 만약 레이저빔이 수지에 조사되면 수지와 상호작용, 즉 투과, 반사, 흡수성에 의하여 레이저빔이 약화된다. 투과율은 전체 조사된 레이저 출력 중에서 실제로 소재를 통과하는 비율을 의미한다. 따라서 이 투과율이 용착될 하단부에 얼마만큼 도달하느냐가 중요한 관건인데, 이는 레이저의 파장대와 수지의 특성과 밀접한 관계가 있다.
그림 10과 같은 구조를 갖는 비결정형(amorphous structure) 열가소성 수지의 경우 소재 두께 2 mm에서 보통의 경우 투과율이 90~95%에 이른다. 그러나 부분결정형(semi-crystalline structure) 수지의 경우(예, PBT) 투과하는 과정에서 빔의 굴절로 인해 투과율이 저하됨을 볼 수 있으며, 통상 2 mm의 두께에서 30~40%로 저하된다.
반사율은 레이저 빔이 제품에서 반사되는 비율을 의미한다. 이는 제품의 표면에서 반사되는 비율과 제품 내부에서 반사되는 비율을 합친 것이다. 표면의 반사는 주위의 공기와 제품 표면의 굴절에 기인한 것으로 일반적으로 4~5%로 추정하며 내부적인 반사는 레이저가 투과하면서 제품 내부적에서 굴절되어 다시 반사되는 비율을 의미한다. 이는 특히 폴리머의 구조가 균일하지 않은 수지에서 높아지며 수지의 두께에 따라서 증가한다. 레이저가 투과되는 궤적 길이가 길수록 상호작용에 의하여 반사되는 비율이 높아진다. 따라서 예를 들어 제품의 두께가 2 mm의 경우 파장대에 따라 다르고, 또 첨가제에 따라 다르지만 그 반사율이 80%까지 높아질 수 있다.
비결정형 구조의 열가소성 수지의 경우 내부 구조가 균일하여 반사가 거의 없으며 표면에서의 반사만이 있을 뿐이다.
투과층과는 반대로 흡수를 요하는 흡수층의 경우 흡수율을 높이기 위해 흑색의 카본블랙 또는 각종의 색상을 나타내는 특수 첨가제를 소량 첨가하여 사용하기도 한다.