일본 포장기술편람(편리성) - 3 laser cut, half cut

[YDfamily]

2-3 쉬운 개봉성, 직진 개봉 기능

2-3-1 Laser cut, half cut

Laser cut 기술이나 half cut 기술은 다양한 방법이 있고, 각각 포장 분야에 이용되고 있다.

Laser cut 기술은 그 명칭대로, laser를 이용하여 대상물의 일부 또는 모두를 cut 하는 기술이다. Half cut 기술은 laser cut 및 die roll을 이용하여 대상물의 일부를 깊이 방향으로 cut하는 물리화학 프로세스에 의한 것과 화학적 프로세스에 의한 화학 etching이 있는데, 여기서는 포장 재료에 이용되는 수지나 적층체의 일부를 cut하는 물리화학 프로세스에 의한 laser cut를 이용한 수법에 대하여 다룬다.

Laser 장치의 개발을 풀어보면, Colombia 대학 교수였던 Charles Hard Townes가 세계 최초의 마이크로파 증폭기를 개발하고, Maser(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)이라고 이름 붙였다. 그후 1960년, 당시 General Motors의 Hughes 연구소에 있던 Theodore Harold Maiman이 ruby laser의 발진에 성공한 것이 laser 기술의 발단이라고 여겨지고 있다. 그후 1960년 미국, 유럽, 러시아(구 소련), 일본에 있어서도 기기의 개발, 연구가 번창하였고, 각종 가공, 계측, 통신 등 여러가지 분야에 폭넓게 이용되었다.

Laser의 종류는 매질(媒質)에 의해 분류되고, 크게 4종류로 분류된다. 사용하는 laser 매질의 구조, 발진 파장, 여기*(勵起, 들뜬 상태)원 등이 다르다. 여기서 말하는 laser 매질이란, 여기원의 에너지를 레이저 빛으로 변환 가능한 원자를 함유한 물질이다.

다음에 레이저 가공을 행하는 때에는 표2.2의 레이저의 종류만이 아니고, 대상 재료나 기계 제어 측의 요인도 중요하다. 레이저 광이 집속 되는 대상의 재료 표면에 조사(照射)된 때, 그 에너지의 일부가 흡수되어 표면 온도가 상승한다. 그때에는 도2.5에 나타나는 요인을 고려해야 한다.

표2.2 레이저의 분류

항목	매질	여기원	파장(㎚)
고체 레이저	YAG/YV04	고체	1,064
액체 레이저	CO2	기체	10.640
반도체 레이저	AlGaAs/AlGaInP/GaN 등	고체	480 ~1,500
Fiber 레이저	희토류	고체	1,000 ~ 1,150

도2.5 레이저 가공을 좌우하는 요인

레이저는 자연광과 비교하여 이하의 특징을 갖추고 있다.

1) 지향성: 레이저는 자연광과 비교하여 지향성이 높고, 소리나 빛이 공간을 나아가는 것에 비해 폭이 협소하기 때문에, 빛을 직진 시키기 위한 광학 설계가 용이하고, 광섬유에 대표되는 장거리 전송이 가능하다.

2) 가간섭성(可干涉性, coherent): 자연광은 진동 운동을 반복하고, 각각의 파는 진폭이 0인 곳에서 최대, 최소의 곳, 또는 중간 지점 등 다양한 레벨로 변화하고 있다. 이 경우 같은 광원으로부터 발생한 빛에도 광선의 위상이 다르면 서로 부딪혀 강령한 빛이 되지 않는다. 이것을 비간섭성(incoherent)라도 부르고, 레이저 광은 파장과 이상이 일치하고, 용이하게 에너지의 증폭이 가능한 지향성이 높은 것이 된다.

3) 단색성: 자연광은 자외선으로부터 적외선까지 다양한 파장으로 구성도어 있는데, 레이저는 단일 파장의 빛이고, 이 특성을 단색성이라고 부른다. 이것에 의해 광학 설계가 용이하여 자유도가 높아지는 것으로 임의의 위치에 있는 미세한 점에 집광하는 것이 가능하여 spot경은 이론적으로는 1㎛이하인데, 현재 실용화되어 있는 최소경은 10㎛ 정도이다.

4) 에너지 밀도: 단일 파장을 위해 1점에 결상(結像: 어떤 물제에서 나온 광선이 반사 굴절하여 다시 모여 물체와 닮은 모양의 상을 맺음)하기 쉽고, 레이저 광을 짜내는 것으로 에너지 밀도가 높아지고, 금속을 절삭 가능한 정도의 높은 파워를 얻을 수 있다.

또한, 이하의 특성도 갖추고 있다.

5) Pulse 폭이나 pulse 간격을 적당히 선택하는 것이 가능하여, 가공 뒤틀림이나 열변형이 적은 가공이 가능하게 된다.

6) 투명체를 통하여 가공하는 것이 가능하고, 전자선 가공기와 같이 진공 설비를 필요로 하지 않기 때문에 장치가 비교적 간편하고, 코스트 저감이 크다. 또한 X선 등과 같은 방호도 불필요하여 작업성이나 관리면으로도 경제적이다.

레이저 광이 나오는 파장 영역, 예를 들어 탄소 가스 레이저가 나오는 파장은 10,640㎚(10.64㎛)이다. 유기물의 에너지 흡수 영역은 적외 영역으로 되는 2.5~16㎛ 부근에 존재하기 때문에 탄소 가스 레이저 광을 효율 좋게 흡수한다(도2.6 참조). 따라서 플라스틱이나 종이의 가공이 이용하는 것이 가능하다. 예를 들어 PET 필름이나 나일론 필름을 이용한 포장재료의 쉬운 개봉을 위한 계기 만들기, 또는 종이(셀룰로오스)를 이용한 seal label의 외주(外周) 빼기, half cut 가공 등에 이용된다.

도2.6 파장과 파수의 관계성

레이저 광의 조사 강도와 조사 시간에 의해 레이저 광은 다양한 움직임을 한다. 레이저는 레이저 빛이 닿은 좁은 장소를 국소적으로 가열한다. 물론 열은 주위에 전달되는데, 순간적으로 전해지지 않고, 오히려 천천히 전달된다고 말할 수 있다. 이 것이 레이저 광 조사에 의해 다양한 현상을 일으키는 원인으로 된다. 도2.7에 레이저 광의 조사 강도와 조사 시간에 따라 기인되는 현상을 나타낸다.

도2.7 조사강도, 조사 시간과 레이저 광의 효과(좌), 용도(우)

이들의 현상을 응용하여 크게 나누면 용접 작업, 제거 작업, 개질 작업으로 분류된다. 그 중 포장 분야에는 제거 작업이 폭넓게 이용되고 있고, 또한 세부적으로 나누면, ① 구멍 뚫기, ② 절단, ③ half cut, ④ 마킹 등에 이용되고 있다.

① 구멍 뚫기 가공: 레이저 광을 집광하는 것으로 에너지 밀도를 높이고, 필름을 고온 용융 상태로 하여 구멍 뚫기 가공을 행하는 것이다(도2.8). 용도로서는 쌀 포장(쌓았을 때 붕괴를 방지하기 위한 탈기공), 과일이나 야채 등의 선도 유지 필름(MA 포장 = Modified Atmosphere Packaging)에 채용되고 있다. 이것은 청과물의 호흡과 포장의 가스 투과의 밸런스에 의해 포장 내의 가스 농도를 조정하여 선도를 유지하는 방법이고, 미세공 필름이 이용되고 있다. 이 미세공 제조 방법은 종래 예리한 바늘에 의해 기계적으로 구멍을 뚫거나, 커터 칼을 이용하여 punching 하는 방법 등에 의한 것인데, 물리적인 파손이기 때문에, 필름 자체의 탄성이나 가공 시의 tension 복원에 의해 구멍 지름의 수출우려, 구멍과 구멍의 간격 제약이나 바늘이나 칼의 마모에 수반하는 품질 열화, 교환 작업 등의 생산성의 저하 등의 과제가 있는데, 레이저를 이용한 것으로 이 과제가 해결되었다. 이 외의 용도로서는 강판 등의 보호 필름 등 에어 고임에 의한 외관 불량 해소에도 유공(有孔) 필름이 사용되고 있다.

② 절단: ①의 구멍 뚫기 가공과 동일한데, 레이저 가공기에는 가공하는 물체를 움직이는 work 이동 방식이나 레이저 빔을 이동시키는 광 이동 방식. 이것과 work와 레이저 빔을 이용하는 양자 병용 방식도 있다(도2.9). 포재의 용도로서는 seal label의 임의 형상의 외주 빼기 가공에 다수 채용되고 있다.

③ Half cut: 박리지 부착 라벨(도2.10)과 같이 seal재만 절단이나 칼집을 행하는 작업이다. Half cut에는 레이저 출력을 변경하는 것으로 필름의 두께의 도중까지 cut, 칼집, 도랑을 넣은 가공도 포함된다. 용도로서는 샴푸나 린스, 컨디셔닝 등의 리필 파우치 등, 적층 필름의 표면 기재만 개봉 예정 방향으로 레이저에 의한 연속하지 않는 미싱 선 cut을 실시하여, 개봉성 향상을 노리는 것이 다수 채용되고 있다. 또한 ② 절단에서도 기술한 seal label에도 많이 채용되고 있다(도2.11)

④ 마킹: 레이저 인자(印字)로서 알고 있고, 필름이나 지기의 표면 측에 인자된 잉크를 레이저 조사하는 것으로 잉크를 불어 날려, 밑의 색과 대조로 되어 시인성을 갖게 한 것이다. 최근 필름의 표면 측에 레이저 광을 흡열하는 잉크를 배치하여, 레이저 조사에 의해 잉크에 함유된 바인더(binder) 수지를 탄화 변색시키는 것으로 대조를 확보하여 문자 인식아 가능하도록 한 것이 등장하여 채용되고 있다(도2.12).

도2.8 구멍 뚫기 가공         2.9 절단                 2.10 Half cut

도2.11 Seal label의 외주 빼기와 half cut의 사례

도2.12 레이저 인자 사례