치과용 의 레이저마킹 후치과용 의 레이저마킹 후치과용 의 레이저마킹 후치과용 의 레이저마킹 후Surgical KitSurgical KitSurgical KitSurgical Kit

부식 방지 기술지원부식 방지 기술지원부식 방지 기술지원부식 방지 기술지원

2005 112005 112005 112005 11

지원기관지원기관지원기관지원기관 한국기계 연구원한국기계 연구원한국기계 연구원한국기계 연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 주 티스트롱주 티스트롱주 티스트롱주 티스트롱( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 치과용 의 레이저마킹 후 부식 방지 기술 지원 지원기ldquo Surgical Kit rdquo(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다 2004 09~2005 10)

2005 112005 112005 112005 11

지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원 ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영( )( )( )( )

지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 백 승 관대표자 백 승 관대표자 백 승 관대표자 백 승 관( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 이 재 훈이 재 훈이 재 훈이 재 훈

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 서 정서 정서 정서 정

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 김 정 오김 정 오김 정 오김 정 오

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 강 희 신강 희 신강 희 신강 희 신

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 이 승 영이 승 영이 승 영이 승 영

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 윤 광 석윤 광 석윤 광 석윤 광 석

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 구 철 규구 철 규구 철 규구 철 규

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

치과용 의 레이저 마킹 및 부식방지Surgical Kit(Drill Wrench Gauge Driver Tap)

기술 개발

재료의 반응 메커니즘 규명-

레이저 가공기 제작지원-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분석평가기술 지원-

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저 마킹 공정기술 지원

레이저 가공기 제작지원-

화이트 블랙 마킹의 원리 및 공정변수 선정-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료의 상호작용-

크롬탄화물의 석출에 의한 내부식성 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹 공정 조건-

도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술 지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 4 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원창목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

공정 기술 단순 마킹

레이저 공정기술에 대한 이론적-

기술 취득

레이저 마킹 공정변수 선정-

초점위치에 따른 블럭 마킹과-

화이트 마킹기술 확보

분위기가스에 따른 산화막 형성-

실험

레이저 마킹 공정-

제품에 적용

마킹 시 부식 방-

지공정 확립

마킹부 성분분석 검토안함

를 이용하여 가공 후 크롬- XPS

산화막 형성 및 크롬 석출 여부

측정

레이저 마킹 열에 의한 성분 변-

화와 부식관련성 도출

부식의 원인규명-

를 이용한 성- XPS

분측정으로 측EDAX

정 기법 대체

가공기 제작지원 없음

적정 레이저의 선정 및 시스템-

제작

레이저 마킹 조건 설정을 위한-

컨트롤러 선정 및 제작

시작품을 구축하-

고 공정최적화를 이

룸

마킹부 부식 육안 관찰

스테일레스의 마킹 후 부식 최-

소화 조건 도출

제품의 안전성 및 신뢰성 확보-

를 위한 시험 검사 장치 선정 및

분석 평가기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식최소-

화 조건 도출

수술기구 마킹 전용 내부식성-

분석장비 선정 및 제작 지원

양근 분극 실험-

대신 기업체에서 제

시한 방법으로 대

체

이는 현장에서의-

사용 조건에 최대한

근접한 방법이다

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2 前 後ㆍ

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 Surgical Drill Torque Wrench Fixture Cemented Abutment

모 델 명 TTD200 TTD315 TRW 300 AFR 413 CR516 CR526 CR536

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 수입품 설계 단계 동일

경쟁제품 대비 가격 수입품 수입 저렴

객관화 된 를 근거로 작성DATA

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 ( 45 )

인 건 비 절감 백만원 년60 ( 45 )

계 백만원 년110 ( 45 )

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년539 백만원 년2000 371

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년539 백만원 년2000 371

참고 적용제품 주요수출국) 1

작성당시 환율기준2

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 치과용 의 레이저마킹 후 부식 방지 기술 지원 지원기ldquo Surgical Kit rdquo(

간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다 2004 09~2005 10)

2005 112005 112005 112005 11

지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원지원기업 기관명 한국기계연구원 ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영대표자 박 화 영( )( )( )( )

지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱지원기업 기업명 주 티스트롱 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

대표자 백 승 관대표자 백 승 관대표자 백 승 관대표자 백 승 관( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 이 재 훈이 재 훈이 재 훈이 재 훈

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 서 정서 정서 정서 정

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 김 정 오김 정 오김 정 오김 정 오

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 강 희 신강 희 신강 희 신강 희 신

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 이 승 영이 승 영이 승 영이 승 영

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 윤 광 석윤 광 석윤 광 석윤 광 석

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 구 철 규구 철 규구 철 규구 철 규

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

치과용 의 레이저 마킹 및 부식방지Surgical Kit(Drill Wrench Gauge Driver Tap)

기술 개발

재료의 반응 메커니즘 규명-

레이저 가공기 제작지원-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분석평가기술 지원-

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저 마킹 공정기술 지원

레이저 가공기 제작지원-

화이트 블랙 마킹의 원리 및 공정변수 선정-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료의 상호작용-

크롬탄화물의 석출에 의한 내부식성 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹 공정 조건-

도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술 지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 4 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원창목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

공정 기술 단순 마킹

레이저 공정기술에 대한 이론적-

기술 취득

레이저 마킹 공정변수 선정-

초점위치에 따른 블럭 마킹과-

화이트 마킹기술 확보

분위기가스에 따른 산화막 형성-

실험

레이저 마킹 공정-

제품에 적용

마킹 시 부식 방-

지공정 확립

마킹부 성분분석 검토안함

를 이용하여 가공 후 크롬- XPS

산화막 형성 및 크롬 석출 여부

측정

레이저 마킹 열에 의한 성분 변-

화와 부식관련성 도출

부식의 원인규명-

를 이용한 성- XPS

분측정으로 측EDAX

정 기법 대체

가공기 제작지원 없음

적정 레이저의 선정 및 시스템-

제작

레이저 마킹 조건 설정을 위한-

컨트롤러 선정 및 제작

시작품을 구축하-

고 공정최적화를 이

룸

마킹부 부식 육안 관찰

스테일레스의 마킹 후 부식 최-

소화 조건 도출

제품의 안전성 및 신뢰성 확보-

를 위한 시험 검사 장치 선정 및

분석 평가기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식최소-

화 조건 도출

수술기구 마킹 전용 내부식성-

분석장비 선정 및 제작 지원

양근 분극 실험-

대신 기업체에서 제

시한 방법으로 대

체

이는 현장에서의-

사용 조건에 최대한

근접한 방법이다

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2 前 後ㆍ

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 Surgical Drill Torque Wrench Fixture Cemented Abutment

모 델 명 TTD200 TTD315 TRW 300 AFR 413 CR516 CR526 CR536

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 수입품 설계 단계 동일

경쟁제품 대비 가격 수입품 수입 저렴

객관화 된 를 근거로 작성DATA

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 ( 45 )

인 건 비 절감 백만원 년60 ( 45 )

계 백만원 년110 ( 45 )

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년539 백만원 년2000 371

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년539 백만원 년2000 371

참고 적용제품 주요수출국) 1

작성당시 환율기준2

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

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제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

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따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

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그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

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이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

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나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

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그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

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그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1111

치과용 의 레이저 마킹 및 부식방지Surgical Kit(Drill Wrench Gauge Driver Tap)

기술 개발

재료의 반응 메커니즘 규명-

레이저 가공기 제작지원-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분석평가기술 지원-

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2222

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저 마킹 공정기술 지원

레이저 가공기 제작지원-

화이트 블랙 마킹의 원리 및 공정변수 선정-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료의 상호작용-

크롬탄화물의 석출에 의한 내부식성 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹 공정 조건-

도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술 지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 4 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원창목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

공정 기술 단순 마킹

레이저 공정기술에 대한 이론적-

기술 취득

레이저 마킹 공정변수 선정-

초점위치에 따른 블럭 마킹과-

화이트 마킹기술 확보

분위기가스에 따른 산화막 형성-

실험

레이저 마킹 공정-

제품에 적용

마킹 시 부식 방-

지공정 확립

마킹부 성분분석 검토안함

를 이용하여 가공 후 크롬- XPS

산화막 형성 및 크롬 석출 여부

측정

레이저 마킹 열에 의한 성분 변-

화와 부식관련성 도출

부식의 원인규명-

를 이용한 성- XPS

분측정으로 측EDAX

정 기법 대체

가공기 제작지원 없음

적정 레이저의 선정 및 시스템-

제작

레이저 마킹 조건 설정을 위한-

컨트롤러 선정 및 제작

시작품을 구축하-

고 공정최적화를 이

룸

마킹부 부식 육안 관찰

스테일레스의 마킹 후 부식 최-

소화 조건 도출

제품의 안전성 및 신뢰성 확보-

를 위한 시험 검사 장치 선정 및

분석 평가기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식최소-

화 조건 도출

수술기구 마킹 전용 내부식성-

분석장비 선정 및 제작 지원

양근 분극 실험-

대신 기업체에서 제

시한 방법으로 대

체

이는 현장에서의-

사용 조건에 최대한

근접한 방법이다

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2 前 後ㆍ

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 Surgical Drill Torque Wrench Fixture Cemented Abutment

모 델 명 TTD200 TTD315 TRW 300 AFR 413 CR516 CR526 CR536

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 수입품 설계 단계 동일

경쟁제품 대비 가격 수입품 수입 저렴

객관화 된 를 근거로 작성DATA

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 ( 45 )

인 건 비 절감 백만원 년60 ( 45 )

계 백만원 년110 ( 45 )

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년539 백만원 년2000 371

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년539 백만원 년2000 371

참고 적용제품 주요수출국) 1

작성당시 환율기준2

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

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제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

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따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

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그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

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이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

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나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

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그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

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그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 4 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3333

지원창목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

공정 기술 단순 마킹

레이저 공정기술에 대한 이론적-

기술 취득

레이저 마킹 공정변수 선정-

초점위치에 따른 블럭 마킹과-

화이트 마킹기술 확보

분위기가스에 따른 산화막 형성-

실험

레이저 마킹 공정-

제품에 적용

마킹 시 부식 방-

지공정 확립

마킹부 성분분석 검토안함

를 이용하여 가공 후 크롬- XPS

산화막 형성 및 크롬 석출 여부

측정

레이저 마킹 열에 의한 성분 변-

화와 부식관련성 도출

부식의 원인규명-

를 이용한 성- XPS

분측정으로 측EDAX

정 기법 대체

가공기 제작지원 없음

적정 레이저의 선정 및 시스템-

제작

레이저 마킹 조건 설정을 위한-

컨트롤러 선정 및 제작

시작품을 구축하-

고 공정최적화를 이

룸

마킹부 부식 육안 관찰

스테일레스의 마킹 후 부식 최-

소화 조건 도출

제품의 안전성 및 신뢰성 확보-

를 위한 시험 검사 장치 선정 및

분석 평가기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식최소-

화 조건 도출

수술기구 마킹 전용 내부식성-

분석장비 선정 및 제작 지원

양근 분극 실험-

대신 기업체에서 제

시한 방법으로 대

체

이는 현장에서의-

사용 조건에 최대한

근접한 방법이다

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2 前 後ㆍ

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 Surgical Drill Torque Wrench Fixture Cemented Abutment

모 델 명 TTD200 TTD315 TRW 300 AFR 413 CR516 CR526 CR536

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 수입품 설계 단계 동일

경쟁제품 대비 가격 수입품 수입 저렴

객관화 된 를 근거로 작성DATA

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 ( 45 )

인 건 비 절감 백만원 년60 ( 45 )

계 백만원 년110 ( 45 )

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년539 백만원 년2000 371

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년539 백만원 년2000 371

참고 적용제품 주요수출국) 1

작성당시 환율기준2

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

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마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4444

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 Surgical Drill Torque Wrench Fixture Cemented Abutment

모 델 명 TTD200 TTD315 TRW 300 AFR 413 CR516 CR526 CR536

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 수입품 설계 단계 동일

경쟁제품 대비 가격 수입품 수입 저렴

객관화 된 를 근거로 작성DATA

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년50 ( 45 )

인 건 비 절감 백만원 년60 ( 45 )

계 백만원 년110 ( 45 )

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년539 백만원 년2000 371

수 출 천달러 년 천달러 년

계 백만원 년539 백만원 년2000 371

참고 적용제품 주요수출국) 1

작성당시 환율기준2

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

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마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 6 -

수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과수입 대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비고

Surgical Kit 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

천달러 년 천달러 년 천달러 년

계 천달러 년1000 천달러 년2000 천달러 년1500

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

요청기업인 주 티스트롱에서 개발한 치과용 은 상용화를 위해서는 부품의( ) Surgical Kit

마킹공정이 필수적이다 지금까지의 방법은 펀칭법 전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법

등이 있지만 각각의 방법에는 재료의 손상 긴 가공시간 마킹부의 내구성 부족 등의 문

제점이 있다 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할

수 있는 레이저 마킹 공정이 시도되었다 레이저 마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기

의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로 열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지

않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 Surgical

에 발생하는 부식물이 어떤 곁과를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런Kit

공정상에서 오는 문제점을 해결하고자 지원기관의 보유장비와 인력을 활용하여 마킹 메

커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였고 공정의최적화를 통하여 상품의 가치를 극대화

시키는 효과를 얻을 수 있었다

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

지원 기업인 티스트롱은 치과 관련 의료 부품제작 전문 회사로서 지금까지 수입에 의존

하던 다양한 의 국산화를 추진하고 있다 본 과제를 통하여 개발된 내부식성Surgical Kit

향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 수술기구에 적용이 가능하며 여러 가지

의 수술기구를 국산화하는데 촬용하게 될 것이다 또한 치과용 의 국산화를 Surgical Kit

성공적으로 완료한 후 국내 및 해외 시장을 확보할 예정이다

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 7 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5 5 5 5

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) 1) 1) 1)

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

치과용 임플란트

시술 기구 및 재료TRW 품목허가

식품의약품

안전청

지적 재산권지적 재산권지적 재산권지적 재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( )

실용신안

치과용

임플란트

시술용

토크렌치

드라이버

어뎁터

20-2003

- 0033691백승관 백승관 백승관 등록

실용신안

치과용

임플란트의

록킹

어버트먼트

2004

-0005271백승관 백승관 백승관 등록

특 허

레이저

가공시에

발생하는

잔여물

제거방법

2004

-0080306

이제훈

신동식

서 정

한국기계

연구원

한국기계

연구원출원

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6666

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 다수레이저 이론 레이저 마킹 재료의 특성 재료반

응 메커니즘

시제품제패작 건150홍보 테스트 및 인증용 공구제작

(Surgical drill Torque Wrench)

양산화개발 건7토크렌치 및 기타 상품화Surgical Kit

여개(4000 )

공정개선 건3마킹기술이전 마킹부 부식방지 블랙 화이트마킹

기법

품질향상 건2 마킹주 미관 개선 부식방지 조건 정립

시험분석 건5자체 부식실험

분석을 통한 산화물의 성분분석XPS

수출 및 해외바이어 발굴 건 수출 추진 중

교육훈련 건5 레이저 마킹 관련

기술마케팅 경영자문 건2 신문홍보 전시회 참가

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건2한국레이저가공학회지 Materials Science and

Engineering A

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건20 과제협의 레이저교육 레이저마킹실험

기타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

종합의견종합의견종합의견종합의견7777

요청 기술에 대하여 전반적으로 기술 지원이 이루어졌으며 의 시Surgical Kit

작품을 제작하였고 상품화에 성공하였다

레이저 마킹과 관련한 여러 이론적배경과 기술들이 효과적으로 요청기업에

이전되었으며 양산품 제작을 위한 최적공정변수를 얻을 수 있었다

이를 통하여 의 레이저 마킹 시 문제점으로 대두되고 있던 부식Surgical Kit

문제를 해결할 수 있었다

제품의 부가가치를 극대화하여 수입 대체효과가 기대된다

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 9 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1111

논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과논문게재 성과

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

VOL

(No)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자

교신

저자

공동

저자

2005

폴리머의 어

블레이션 시

소거성 잉크

를 이용한

잔유물 제거

공정 개발

신동식 이제훈서정

김도훈

한국레이저

가공학회지권 호6 2 국내 비SCI

2005

Elimination

of Surface

D e b r i s

Generated

by KrF

E x c i m e r

L a s e r

Ablation of

Polyimide

신동식 이제훈서정

김도훈

Materials

Science

and

Engineerin

g A

200509

30

게재승(

인)

국외 SCI

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 10 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2222

특허 성과특허 성과특허 성과특허 성과

출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우출원된 특허의 경우

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

2004

레이저 가공시에

발생하는 잔여물

제거방법

이제훈 한국2004

-0080366

등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안등록된 특허의 경우 실용신안( )( )( )( )

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록일

(12)

등록국

(13)

등록번호

2004

치과용 임플란트

시술용 토크렌치

드라이버 어뎁터

백승관 한국20-2003

- 0033691

2004치과용 임플란트의

록킹 어버트먼트백승관 한국

2004

-0005271

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 11 -

사업화 현황사업화 현황사업화 현황사업화 현황

사업화 세부사항

사업(9)

화명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기매출

액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액

합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

Surgical

의 레Kit

이저마킹

의Surgical Kit

레이저 마킹으

로 제품의 브랜

드화 및 상품성

향상

T Strong 백승관 2 4 567 539 1106

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

2 2

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

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이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

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그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

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마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 12 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1 51 51 51 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004 11 05

레이저의 원리

레이저의 발진-

레이저의 종류-

레이저의 적용분야-

자료제공-

기술분야 토론-

보고서 내용 요약-

2 2004 12 13

레이저 빔과 재료의 상호작용

열적 공정-

비열적 공정-

가공의 종류-

레이저 가공변수-

3 2004 12 24

레이저 마킹의 종류

체적팽창형 마킹-

화학반응형 마킹-

조각형 마킹-

4 2005 01 05

레이저 마킹의 기법

빔 스캔 방식-

마스크 방식-

콘택트 마스크 방식-

5 2005 02 24

레이저 마킹 공정변수에 따른 가공성

블랙 화이트 마킹-

산화막의 생성 메커니즘-

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2 1502 1502 1502 150

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050221 surgical drill marking (test) 부식여부 검증

2 20050413 홍보용surgical drill marking ( )

3 20050526 Torque wrench marking (test)

4 20050707 홍보용Torque wrench marking ( )

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 13 -

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3 53 53 53 5

NO 일자 구체적 내용 증빙유무

1 20050819 부식의 시험검사장치 및 분석기술 지원 보고서 내용 참조

2 20050824

3 20050826

4 20050907 를 이용한 가공부의 성분분석XPS

5 20051017

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

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그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정기술지원의 달성 정1111

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리가 레이저의 발전 원리

나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원나 레이저 마킹기의 시스템 구축 기술 지원

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정나 비열적 공정))))

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

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따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

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연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

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부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

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표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 15 -

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재참여 연구원의 임무 및 사용 기자재2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서종합기술지원사업 자체평가서1111

의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드의약품 제조업소 현황카드2222

의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표의료기기 생산 및 수출 수입 수리실적 총괄표3333 ㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍㆍ ㆍ

품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청품목신고 필증 식품의약품안전청4 ( )4 ( )4 ( )4 ( )

실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명실용신안 등록증 및 특허출원 증명3333

레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과레이저 마킹부의 측정결과5 XPS5 XPS5 XPS5 XPS

광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그광고 및 카탈로그7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit7 Surgical Kit

치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔치과용 레진 세미나 창원 국제호텔9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )9 2004 ( )

레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예레이저 마킹된 의 예10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit10 Surgical Kit

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 16 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

요청기업인 주 티스트롱은 치과용 의 전문 제조업체로서 치과 수술용( ) Surgical Kit

공구인 드릴 등의 국산화 개발을 위하여 부품 설계 제작을 완료 Gauge Wrench

하였다 이후 상용화를 위해서는 부품의 마킹공정이 필수적이다 마킹법 이 (marking)

란 재료나 부품의 표면에 인식을 위한 문자나 패턴을 형성하는 기술이며 그 가공

의 형태는 반드시 제거가공이 아닌 것으로 마킹을 위한 지금까지의 방법은 펀칭법

전기 펜법 에칭법 및 잉크 제트법 등이 있지만 각각의 방법에는 다음과 같은 문제

점이 있다

펀칭법 재료에 큰 힘이 가해지며 따라서 재료의 손상이 유발되어 작은 부품에

는 적용할 수 없고 또한 경질재료에도 적용할 수 없다

전기 펜법 비전도체 재료에는 적용할 수 없다

에칭법 처리시간이 오래 걸린다

잉크 제트법 이상의 어느 방법과 비교하여도 고속 처리성 및 선명도라는 점에

서는 우수한 것이나 물리적인 힘이 가해지면 벗겨지기 쉽다

반면 레이저 마킹법의 특징을 정리하면 다음과 같이 된다

고속도 고정도에서 선명한 마킹을 할 수 있다

비접속공정으로 처리할 수 있다

세정 등에서 지워지지 않는 마킹을 할 수 있다

마킹을 위한 전처리 후처리가 필요하지 않다

건식 가공법이므로 건조를 위한 공정이 필요하지 않다

장치의 자동화가 용이하며 생산라인에 도입이 용이하다

이와 같이 레이저 마킹공정은 기존의 마킹공정에 비해 다양한 장점이 있으나 국부

적인 열영향으로 인하여 표면에서 크롬탄화물의 석출 및 크롬 함량의 변화에 의해

부식문제가 유발될 수 있다 수술기구는 생리식염수환경하에서 부식을 방지하도록

스테인레스강을 사용한다 또한 치조골에 가공을 히는 관계로 요구되는 기계적성질

경도 내마모성등 을 만족하도록 열처리가 가능한 마르텐사이트 계통을( ) (Martensite)

사용한다

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 17 -

따라서 열을 가하는 공정을 거친 후 성분변화는 스테인레스강 고유의 내부식성에

영향을 미치는 작용을 하게 되는데 부식을 최소화하는 레이저 마킹의 공정변수 선

정 기술 지원 부식성을 측정 및 관리할 수 있는 표준화 작업 기술지원 및 이와 관

련한 전문장비 가공기 측정설비 제작 기술 지원이 요구 되고 있다( )

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

요청기업의 지원요구에 부합하게 기술지원의 목표를 아래와 같이 설정하였다

치과용 의 레이저 마킹 후 부식방지 및 최소화 표준화 관련 기술지Surgical Kit

원

치과용 레이저의 마킹 시 공정변수 최적화- Surgical Kit

레이저 마킹부의 성분변화 부식성 등-

부식안정성 관련 신뢰성 확보를 위한 측정기술 및 측정기 제작기술 지원-

레이저 마킹 후의 부식을 최소화 할 수 있는 원재료 선정 기준 기술 지원-

레이저 가공기 제작지원

레이저 및 레이저 마킹의 이론적 교육

재료의 반응 메커니즘 규명

제품의 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사장치 설계 및 분식평가기술 지

원

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

레이저 마킹 공정변수 선정 기술 지원

내부식성 향상을 위한 공정 변수의 최적화 기술 지원-

레이저 마킹 열에 의한 성분변화와 부식관련성 도출-

레이저 마킹공정의 최적화 기술 지원

레이저 빔과 재료와의 삼호작용-

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 18 -

크롬탄회물의 석출에 의한 내부식싱 손상을 최소화하기 위한 레이저 마킹공정 조-

건 도출 재질별 시험 부식환경 적용시험( )

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및 후처리 방안 검토-

제품은 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 시험 검사 장치 선정 및 분석 평가 기술

지원

레이저 마킹부의 특성 분석 성분변화 내부식성 관계 등- ( )

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및 제작 지원-

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 19 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도기술지원의 달성 정도1111

치과용 제작 지원 사업의 주요 지원 내용을 아래의 표 에 요약 정리Surgical Kit 1

하였다 전반적으로 기술 지원이 계획대로 이루어졌으며 의 레이저 마 Surgical Kit

킹과 부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 시작품을

제작하여 현장에서 품질의 우수성을 인정받았다 또한 관련 특허를 출원함으로서

독창적인 아이디어를 도출하여 상품화에 기여하였다 현재에도 수천 개의 상품을

제작하여 판매하였으며 치과병원에 검증 테스트를 받고 있는 중이다

표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도표 기술 지원의 달성정도1111

지원계획 지원내용 요약( ) 계획대비()

레이저 마킹의

이론적 교육

레이저의 원리 및 가공의 종류-

레이저 마킹기법 및 형태-

부식의 기본메커니즘-

100

재료의 반응

메카니즘 고찰

실험재료의 빔 흡수율 및 내부식성의 원리 고찰-

열적 비열적 반응 케카니즘의 원리고찰-

화이트 블랙 마킹의 원리 고찰-

레이저에 의한 산화막 형성 및 크롬 석출 및 크-

롬 산화물 생성조건 검토

100

레이저 마킹공정의

최적화 기술 지원

내부식성의 저해를 막기 위한 공정 변수의 최적-

화 기술을 지원

분위기가스에 따른 산화막 형성 실험-

초점위치에 따른 블랙 마킹과 화이트 마킹 및 적-

정변수를 도출

크롬탄화물은 석출로 인한 내부식성 손상을 최소-

화하기 위한 레이저 마킹공정 조건 도출

100

가공기 재작 지원다양한 레이저 마킹기 제작 업체와 연계된 샘플-

시험100

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 20 -

레이저 마킹 조건 설정을 위한 컨트롤러 선정 및-

제작 후 적용 실럼

적정 레이저의 선정 및 시스템 제작-

제품의 안전성 및

신뢰성 확보를 위

한 시험 검사 장치

설계 및 분석 평가

기술 지원

스테인레스의 마킹 후 부식 최소화 조건 도출 및-

후처리 방안 검토

마팅부의 분석 을 통하여 크롬산화막 생성- (XPS)

여부 및 성분의 변화를 관찰

수술기구 마킹 전용 내부식성 분석장비 선정 및-

제작 지원

100

기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용기술 지원 내용2222

가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리가 레이저의 발진 원리

레이저 는 의 머(LASER) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

리 문자로 만든 단어이며 유도방출에 의한 빛의 증폭 이라는 뜻이다 모든 물 「 」

질은 원자로 구성되며 원자는 원자핵과 그 주위를 회전하는 몇 개의 전자로 구성

되어 있다 이 전자가 회전하는 궤도는 정해져 있고 각각의 궤도에 대응한 에너지

가 정해저 있다 이 에너지는 연속적인 것은 아니고 한정된 범위의 값을 갖는다 그

림 은 레이저 광 의 발생에 관계되는 및의 흡수 방출 및 원자 에너지 상태의1 ( ) 光

변화를 나타내는 모식도이다 전자가 원자핵에 가장 가까운 위치에 있을때의 상태

를 기저상태(E1 라 하고 원자에너지는 최저이며 가장 안정하다 그림 는 원자) 1(a)

가 빛을 흡수하거나 다른 원자와 충돌하여 에너지를 받아 전자들이 에너지가 높은

상태로 이동하는 것을 보여 주며 이 상태를 여기상태라(E2 한다 그림 는 자연) 1(b)

적으초 에너지를 빛의 형태로 방출하여 기저상태로 돌아가는 자연 방출을 나타내고

있으며 이때 빛의 주파수f는 식 과 같이 표현되며(1) h는 플랑크 상수(Plancks

이다constant )

- 21 -

그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

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레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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그러므로 E1과 E2가 일정하다면 주파수f는 일정하게 된다 따라서 방출된 빛의 파장

[ =cλ λ f 단 는 빛의 속도 로 일정해진다 그림 는 유도방출을 나타내고 있으( c )] 1(c)

며 자연방출이 생기기 전에 외부에서 파장 의 빛이 입사되면 입사광과 완전히 같λ

은 성질을 가진 빛이 방출된다

(a)(a)(a)(a)

(b)(b)(b)(b)

(c)(c)(c)(c)

그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리그림 레이저 발진의 원리1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission1 (a)absorption (b) spontaneous emission

및및및및 (c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission(c) stimulated emission

NdYVO4 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저이며 YVO4결정에

희토류 금속인 를 정도 첨가시킨 단결정을 사용한다 이 결정 격자Nd 05 ~ 1 Nd

에서 치환되어 Nd+3이온으로 있게 되면 여러 개의 낮은 에너지 준위들을 주게 되

며 그 에너지 준위는 그림 와 같다 2

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그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

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이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

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나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

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그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

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그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

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그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

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그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

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레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 22 -

그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위그림 의 여기에 따른 에너지 준위2 Nd2 Nd2 Nd2 Nd

Nd YVO4 레이저는 준위 기구이므로 그들의 펌핑에 대한 임계치는 루비 레이저에4

비하여 매우 적다 그리고 Nd YVO4 레이저는 적외선 구역의 파장을 방출시킴으로

루비레이저에 비하여 광자의 에너지가 적으나 지속파 또는 반복속도가 큰 펄스 등

여러 가지 모드로 동작이 가능하여 공업적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중의 하

나이다 Nd YVO4 레이저에서 분포 반전을 주기 위하여서는 다이오드 펌핑 방식을

사용하고 있다 여기서 여기소자로 사용되는 레이저 다이오드는 일반적으로 808nm

의 빔을 조사하며 여기 효율이 높고 수명이 길기 때문에 유지 비용도 저렴한 편이

다

텅스텐 또는 수은 등과 같은 광역대의 스펙트럼을 가진 광원을 이용하여 광학적으

로 펌핑시킨다 그러면 Nd+3이온들은 기지준위(4I92 로부터 레이저 상부준위) (4F32 이)

상의 준위대로 여기시킨다 이들 준위대로 여기된 이온들은 곧 광자를 방출시키지

않은 비목사성 전이에 의하여 상부준위(4F32 로 떨어지게 된다 이 준위) (

4F32 는 지)

속시간이 약 25x10-4초인 준 안정 준위로서 레이저빔 방출에서 상부준위의 역할을

한다 레이저빔을 방출시키는 전이는 주로4F32준위와

4I92준위 사이에서 얻어지며

그 방출되는 레이저빔의 파장은 이다 여기서 에너지레벨의 표기는1064

이 제안한 명명법으로서 러셀손더슨 결합Russell-Saunder (Russell-Saunders

이라 하며coupling)2s+1LJ 형태이다

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이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

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나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

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그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

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그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 23 -

이는 원자 내의 다전자문제를 양자역학적으로 다룰 때의 각운동량의 결합형식이다

는 총스핀양자수 이며 는 총각운동 양자수S (total spin quantum number) J (total

로서 표시된다 은 궤도 양자수angular quantum number) L (orbital quantum

이며 로서 표시되며 각각 대문자로 로number) L=0123456 SPDFGHI

표시 된다 예를들어4I92란 말은 이므로 총스핀 양자수는 가 되며2S+1=4 32 I=6

이므로 식 에 의해 가 된다(2) J=92

J=L-S (2)

J= total angular quantum number

S= total spin quantum number

L= orbital quantum number

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 24 -

나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원나 레이저 마킹기 시스템 구축 지원

레이저를 이용한 마킹 시스템의 전체적인 구성은 그림 과 같으며 시스템은 크게3

스위치Q- NdYVO4 레이저 스케너 구동 모터 및 드라이버 제어용 그리고 광 PC

학계 등으로 구성된다 레이저에서 나온 레이저 빔은 스케너를 거친 후 가공재료의

표면에 초점이 맺히도록 되어 있다 재료 표면메 무늬를 만들기 위한 기반의 PC

콘트론러가 스케너의 기계적인 구동을 제어하여 주어진 그림 데이터의 정보를 각인

한다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b)

그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템그림 레이저 마킹 시스템3333

그림 는 설치 전의 레이저 소스로서 레이저 발진을 위한 전력공급부와 레이저3(a)

발진부에 해당된다 그림 는 장비가 설치된 장면으로서 레이저 마커 제어용 컴 3(b)

퓨터 및 재료가공을 위한 지그가 설치되어 있다 레이저 마킹 소프트웨어는 일반

등의 그래픽 파일을 스케너 구동을 위해 활용할 수 있어 다양한 분bmp dxf plt

야에서 적용이 가능 할 것으로 판단된다

- 25 -

그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도그림 빔 이송 시스템의 개략도4444

레이저 빔은 앞서 설명한 바와 같이 레이저 다이오드에 의해 생성된 빔을 이용하여

발진이 되며 보다 작은 초점크기(W0 를 생성시키기 위해서 빔 확대기 를) (telescope)

사용하였다 대부분의 재료가공에서 집속렌즈로 조사되는 레이저 빔의 직경 WL는

알고 있으므로 초점거리 f인 렌즈로 집속된 초점크기는 식 에 의해서 계산된다(3)

앞서 설명한 대로 정밀한 가공을 위해서는 작은 초점 크기가 필요한데 초점크기

(W0 를 줄이기 위해서는 파장 및 초점거리가 짧아져야 되고 공진기에서 나오는 빔)

의 크기가 커야 된다 여기서 파장 및 초점거리가 고정변수라면 결국 레이저 입사

빔의 크기를 늘여야 된다는 결론이 나온다 이에 따라 사용된 모듈이 빔 확대기이

며 레이저의 에너지 밀도를 감소시켜 광학부붐에 주는 손상을 극소화 시키는 부가

적인 잇점도 있다

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그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

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그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

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그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

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나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

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그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

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그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

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레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 26 -

그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리그림 레이저 스케너의 원리5555

그림 는 레이저 스케너의 원리로즌 레이저 발진장치 및 방향의 미러 스케너를5 X Y

나타내고 있다 여기서 문자나 도형을 표시하기 위해서는 레이저 빔을 왼쪽에서 오

른쪽으로 위에서 밑으로 고속 주사 하지 않으면 안된다 이와 같은 이유(scanning)

로 축의 평면 거울을 서보모터로 제어하여 회전운동을 시킨다 이와 같은 방X Y 2

법에 의해 만들어질 화상은 렌즈를 통하여 펑면 스테이지 위에 조사가 된다F- θ

그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드그림 레이저 마킹용 지그 및 스케너 헤드6666

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 27 -

그림 은 레이저 마킹용 스케너 헤드와 지그의 사진이다 스테이지의 높이는 설정6

이 용이하게 설치되었으며 경우에 따라 가스의 주입 및 흡입이 필요하므로 노즐을

장착하였다 이때 초점거리는 이며 실험은 화이트 마킹 을 2428mm (white marking)

위한 초점위치 및 블랙 마킹 을 위한 초점거리를 벗어난 위치를 나(black marking)

누었으며 레이저 가공변수인 펄스 반복율 주사속도 및 레이저 출력 등을 조절하며

실험하였다

다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육다 레이저 마킹의 이론적 교육

레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용레이저빔과 재료의 상호작용1)1)1)1)

레이저 빔에 의한 재료의 가공현상에는 열적 공정와 비열적 공정이 있으며 이는

이후 설명 될 화이트 마킹과 블랙 마킹을 결정하는 중요한 메커니즘이다

가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정가 열적 공정))))

재료표면에 조사된 빔의 일부는 표면에서 반사되어 버리고 이외에도 레이저의 종

류와 재료의 조합에 따라서는 재료를 투과하는 경우가 있다 이들 두 가지 공정은

어느 경우도 바람직하지 않다 재료에 유효하게 이용되기 위해서는 주입된 빔 에너

지는 재료에 흡수되어야 한다 따라서 빔 흡수율이 높은 재료는 가공하기 쉽다 만

약 흡수율이 낮은 경우는 흡수율을 향상시키기 위한 표면처리를 실시하면 가공이

쉽게 된다

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 28 -

그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계그림 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계7777

그림 은 각종 금속재료의 빔 파장과 흡수율의 관계를 나타낸 것이다 현재 많이7

사용하고 있는 CO2 레이저 파장 및 레이저 파장 의 각종( 106 ) NdYAG ( 406 )

금속재료에 대한 흡수율은 CO2 레이저의 경우와 비교하면 상당히 높은 것이며

정도이다 이와 같은 조건으로는 앞에서 실명한 어느 레이저를 사용하여도2~40

각종 금속재료의 가공은 어렵다 그러나 실제로 가공의 난이는 있는 것이며 그림

중에 나타낸 각종 금속재료의 가공은 가능하다 그 이유는 빔 흡수율이 재료의 표7

면상태 격자결함 산화막 두께 거칠기 형상 등 에 의해서도 변화하기 때문이다 결( )

국 미소 점 에 집광된 빔이 조사표면 빔의 일부가 흡수되므로 그 부분의 온 (spot)

도가 갑자기 상승하고 그 결과 포면상태가 변화하여 흡수율이 높아진다

연강의 경우를 예로 간단히 설명하면 시간 에서 레이저 조사가 시작되면 온도는t=0

상승하기 시작하여 변태점 T1 약 에서 온도상승은 약간 늦게 된다 이것은( 750 )

재료조직이 변화하여 비열이 크게 되고 그 결과 열용량이 크게 되기 때문이다 이

후 빔을 지속적으로 조사하면 융점 T2 약 에 도달한다 여기서는 고체가 액( 1350 )

체화하기 위한 융해열을 필요로 한다 이와 같은 열적 공정은 앞으로 설명하게 될

블랙 마킹의 원리와도 상통하며 국부적으로 발생한 열에 의한 산화막이 마킹부의

주요 요소이다

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

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그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

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그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

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레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 29 -

나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정나 비 열적 공정))))

한편 엑시머레이저와 같이 높은 광자에너지를 가지는 레이저나 스위치 Q- NdYAG

레이저 팸토초레이저 및 피코초 레이저와 같이 높은 첨두출력을 가지는 레이저를

사용하여 재료를 가공하는 경우 열이 발생하지 않는 비 열적 공정을 가진다 폴리

머를 가공할 경우는 주로 레이저를 이용한 가공실험에서 비 열적 공정을 가진다UV

이는 순간적인 분자고리에서의 에너지여기에 의해 분해되므로 분자 진동에 의한 열

에너지가 발생하지 않는 장점이 있다 이외에도 금속재료를 가공할 경우에는 팸토

초 피코초 레이저 및 높은 첨두출력을 가지는 스위치 레이저를 이용하 Q- NdYAG

여 비열적 반응공정을 유도한다 이는 앞서 설명한 폴리머와는 달리 자유전자에서

의 에너지 흡수에 의해 에너지의 전달이 이루어지는데 자유전자의 에너지가 금속

격자 에 전해지기도 전에 금속결합의 분해가 일어나는 현상이다 이와 같은(lattice)

비열적 공정은 화이트 마킹의 기본적인 가공원리이기도 하다

다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류다 가공의 종류))))

가공에는 재료의 질량변화가 생기는 경우와 생기지 않는 경우가 있다 레이저 가공

에서는 양쪽의 가공이 가능하며 더욱이 화학변화를 이용하여 재료합성도 할 수 있

다 물론 갈은 조건애서 모든 가공이 가능한 것은 아니고 사용하는 레이저의 종류

를 포함하여 각각의 가공에 알맞은 조건을 선정하는 것이 필요하다 그림 은 레이 8

저 조사조건 펄스폭과 출력밀도 을 좌표축으로 취하고 각종 가공이 어떠한 조건범( )

위에서 행해지는가를 정리하여 나타낸 것이다 가공에 따른 질량변화의 유무라는

관점에서 각종 가공법에 대한 레이저 조사조건의 적용성을 살펴보면 질량을 감소

시키는 구멍 뚫기 절단 미소제거 등의 제거가공은 대상이 되는 재료의 종류와 판

두께의 조건이 광범위하기 때문에 각각의 조건에 따르는 레이저 조사 조건이 적용

되어야 하고 따라서 적용되는 펄스 폭 및 피크출력의 범위는 넓다 질량변화가 없

는 열처리와 같은 가공에서는 재료의 표면이 용융되지 않는 것으로 출력밀도는 자

연히 제한되고 낮은 출력밀도 긴 펄스폭의 레이저 사용이 적당하다 용접과 같은

질량부가 가공에는 양자의 중간 펄스조건이 적당하다는 것을 알 수 있다 또 에칭

이나 도금 등의 화학반응을 이용한 가공에는 큰 출력밀도는 필요하지 않(etching)

고 반응이 완료하는데 요하는 장시간의 빔 조사가 필요하다 반대로 어블레이션

가공과 같이 폭발적인 화학적 무리적인 분해를 동반하는 가공에는 높은 출력밀도

와 대단히 짧은 펄스폭이 유효하다

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

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마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 30 -

그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계그림 레이저 조사조건과 가공종류의 관계8888

라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정라 가공조건의 결정))))

가공조건은 가공의 종류에 따라 크게 다르며 다양한 인자들이 영향을 미친다 그림

는 이를 정리한 것으로서 처음에 가공재료와 가공종류에 따라 사용하는 레이저의9

종류와 발진형태 발진 펄스발진 를 결정한다 레이저 가공을 위해서는 빔이 재(CW )

료에 흡수되어야한다 따라서 가공재료에 대하여 흡수율이 높은 레이저를 선택하는

것이 필요하다

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 31 -

그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자그림 가공에 영향을 미치는 여러 인자9999

다음에 어떤 모양의 가공광학계를 사용할 것인가를 결정한다 보통 레이저 발진기

에서 출력된 빔에서는 높은 출력밀도가 얻어지지 않으므로 가공에 높은 파워밀도

를 필요로 하는 경우에는 집광렌즈를 사용하여 빔을 집광할 필요가 있다 보다 높

은 출력밀도를 필요로 하는 경우에는 모드가 우수한 싱글 모드의 빔을 사용하고

한편 초점거리가 짧은 집광렌즈를 사용하는 것이 유효하다 단 너무 초점거리가

지나치게 짧으면 가공의 종류에 따라서는 가공면의 용융 비산물로 렌즈를 파손하는

경우가 있으므로 주의를 하여야 한다 마지막으로 가공분위기 에 대해서 설명한다 ldquo rdquo

면 레이저 가공에서 가공 분위기는 중요한 역할을 한다 가공 분위기의 상태는 정

지분위기와 가스류 분위기로 크게 나누어진다 구멍 뚫기 절단 용접가공에서는 가

스류 분위기의 경우가 많고 가공부에 가스를 불어주면서 가공한다 이 가스에는 가

공을 보조 촉진하는 효과가 있는 것으로 일반적으로 보조가스라고 한다 예를 들

면 철계 재료를 절단할 때는 고압의 산소가스를 불어주말서 가공한다 이 경우는

절단으로 생긴 용융물을 제거하는 역학적 작용과 철이 산화할 때 발생하는 생성에

너지와의 상승작용으로 절단속도를 대폭으로 향상시킬 수 있는 효과가 얻어진다

또 정지 분위기가 채용된 예로서 화학반응을 이용한 가공이 있다 예를 들면

의 경우와 같이 레이저 조사로 생긴 증LCVD(Laser Chemical Vapor Deposition)

발물을 분위기 가스와 반응시킨 새로운 물질을 제조하려는 경우에는 정지 분위기

쪽이 적당하다

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

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따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

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나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 32 -

레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹레이저 마킹2)2)2)2)

레이저 마킹은 비교적 낮은 출력대의 레이저를 이용하여 소자의 표면에 글자나 로

고 등을 새겨 넣는 것을 말하여 기존의 잉크 마킹을 대체해 왔다 기존 잉크 마킹

이나 화학적 식각의 방법과 비교해서 레이저 마킹은 회학 물질을 사용하지 않는 환

경 친화적인 가공으로 인식되고 있으며 가공의 속도에 있어서 수 배 또는 수십 배

빠른 작업 특성이 있고 작업이 용이하다는 장점이 있다 레이저 마킹은 재료의 표

면에 접촉하지 않는 비접촉 방식을 사용하므로 접촉으로 인한 재료의 손상이 없고

표면이 매끄럽지 않아도 마킹이 가능하다 또한 마킹이 재료 표면에 열을 가해 일

어나는 화학적 반응을 통해 이미지를 생성하는 것으로 마킹의 결과물은 잘 지워지

지 않아 거의 영구적이다 예를 들어 철이나 티타늄 등의 금속 표면 플라스틱과 같

은 재료의 표면에 열을 가해 마킹을 하게 되면 열을 받은 곳과 그렇지 않은 곳의

차이로 인해 지워지지 않는 마킹이 가능한 것이다 이와 같은 마킹시장은 휴대폰의

키패드 키보드 마킹과 금속 각종 플라스틱 또는 액세서리등에서 폭발적으로 성장

하고 있으며 글라스 마킹 등이 레이저 마킹 분야의 새로운 시장으로 확대될 전망

이다 그림 은 마킹의 다양한 시장을 보여주고 있는 예로서 바코드 라벨제작 공 10

구의 마킹 및 석조면 마킹 등에서도 용이하게 접근할 수 있다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및그림 레이저 마킹의 적용분야 바코드 라벨제작 공구마킹 및10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)10 (a) (b) (c) (d)

석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹석조면 마킹

가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태가 마킹의 형태))))

마킹이 요구되는 기능면에서 분류하면 크게 종류로 나누어 진다3

최종 제품에 실시된 것에서 눈으로 보아 식별할 수 있는 것①

마킹 된 표면에 도장된 후에도 눈으로 보아 식별할 수 있는 것②

도장 후에는 보이지 않는 쪽이 좋은 것이 있다③

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 33 -

따라서 마킹을 할 때에는 우선 어떤 형태의 마킹을 채용할 것인가를 검토할 필요

가 있다 그림 은 레이저 마킹의 종류를 나타낸 것이다 각각의 형태와 그 특징 11

을 간단히 설명하면 우선 그림 의 체적팽창형 은 재료 표면을 용 11(a) ( )體積膨脹形

융하여 융기 시키는 방법이며 필요에 따라서는 인위적으로 분위기 가스와 반( ) 隆起

응시켜 착색도 할 수 있다 레이저는 펄스 CO2레이저 스위치 Q NdYVO4 레이저

가 사용된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형그림 레이저 마킹형태의 종류 체적팽창형 화학반응형 및 조각형11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)11 (a) (b) (c)

이 방법은 다른 종류의 방법과 비교하여 비교적 열영향이 크기 때문에 작은 부품2

이나 등에 대해서는 적합하지 않다 따라서 적용 예로서는 기계 공구의 치수표IC

시나 명판기입 등 비교적 대형의 제품에 많다 그림 의 화학반응형 11(b) (化學反應

은 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위기 가스와 화학반응 산화 환) ( 形 ㆍ

원 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 다음에 설명하는 바와 같이 산화나 환원에 )

의해서 흑색 재료 강재나 세라믹 질화에 의해서 금색 재료 티타늄 의 마킹이 가( ) ( )

능하다 이 방법에는 펄스 CO2레이저 스위치 레이저를 사용할 수 있다 Q NdYAG

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 34 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법그림 금속재료에 따른 다양한 마킹 기법12121212

그림 및 그림 는 화학반응에 의한 마킹 기법으로서 티타튬에 가스와12(a) 12(b)

출력을 조절하여 마킹을 할 수 있으며 그림 에 나타난 바와 같치 장미와 흡사12(a)

한 다양한 색상의 마킹을 할 수 있다 또한 그림 는 엔드밀 공구에 마킹한 기 12(b)

법으로서 흑색 산화물이 형성되었다는 것을 알 수 있다

화학반응을 이용하는 앞의 방법에 의하면 기계적 전기적 방법에서 불가능한 세라ㆍ

믹의 마킹도 간단히 실시할 수 있다 실용 예로서 지르코니아 제 블륵게이 (zirconia)

지 의 마킹이 있다 지르코니아 세라믹(block gauge) (ZrO2 에 스위치 레) Q NdYAG

이저를 조사하면 레이저 조사면은 환원되어 ZrOx로 되고 검정색으로 변색되어 마킹

이 된다

또 금속와 분위기 가스와의 화학반응을 이용한 예로서 티타튬을 질소 분위기하에

서 마킹한 경우로서 빔 조사부는 질화 티타늄으로 되고 금색의 깨끗한 마킹이 얻

어진다 최후로 재료표면의 극히 얇은 부분을 조각과 같이 부분 제거하는 그림

의 조각형 에 대하여 설명하다 이는 그림 에서 보여진 바와 같이11(c) ( ) 12(c)彫刻形

산화막이 형성되지 않는 공정이다 이와 같은 방법은 높은 첨두출력을 조사하는 레

이저를 사용하며 피가공재의 종류에 따라 어블레이션 가공도 가능하다 또 순간가

공에서 열영향이 적으므로 본 실험 외에 패키지 의 마킹에도 적용될IC (package)

수도 있다 그러나 주의해야 할 문제점은 와 같은 전자부품에 마킹을 한 후 마킹 IC

으로 제거된 비산물 주로 증발물 이 재료표면에 얇게 쌓이고 그대로 방치하면 결함( )

의 원인이 될 가능성이 있다 따라서 이와 같은 오염을 방지하기 위한 수단으로서

덕트 로 가공부 근방을 흡인하는 등의 조치를 강구할 필요가 있다(duct)

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

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따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

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스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

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표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 35 -

나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법나 마킹의 기법))))

현재 사용되고 있는 마킹 방법에는 개의 방식이 있으며 그림 은 이들 마킹 3 13

방식 개념도를 나타낸 것이다 그림 는 빔 스캔 방식이(marking) 13(a) (beam scan)

며 초점거리가 긴 집광렌즈를 사용하여 렌즈와 재료 사이에 설치된 반사경 (反射

에 회전시키면서 빔 을 고속으로 이송시키며 각인하는 방식으로 광범위한) (beam)鏡

마킹에 사용되고 있다 이 방식에는 집광 렌즈를 고정한 채로 그림 중에 파선으로

나타낸 바와 같이 마킹 위치에 따라서는 재료표면에 초점을 맞출 수가 없고 초점

위치에서 벗어난 부분은 마킹을 할 수 없게 되어버리는 문제가 있다 그래서 대책

으로 최근에는 마킹위치가 변화하여도 렌즈의 초점위치를 항상 재료의 표면에 유지

할 수 있도록 컴퓨터 제어를 통하여 렌즈를 고속으로 이송시키는 동적 초점거리 조

절장치 가 개발되었다 이 뿐만 아니라 렌즈를 이용하는 방(dynamic focusing) F-θ

법도 많이 사용되고 있는 방식이다

그림 는 마스크 프로젝션 빙식이라 하는 것이며 소정의 마킹 패턴13(b) (mask)

에 드릴링을 한 얇은 금속판 마스크 을 사용하고 이 패턴을 통과(marking pattern) ( )

한 레이저 빔을 렌즈로 축소 집광하여 재료표면에 결상 시켜 가공하는 방식( )結像ㆍ

이다 어떤 일정한 면적을 마킹라인의 굵기나 형상에는 관계없이 순간적으로 가공

할 수 있는 특징이다 전술한 빔 스캔 방식과 큰 차이는 빔 스캔 방식이 레이저 발

진기에서 출력된 빔의 대부분을 미소한 점 에 집광하여 에너지 효율이 좋게(spot)

이용하고 있는 것에 대하여 이 방식에서는 레이저 빔의 상당한 부분이 마스크

의 부분에서 차단되어 버리기 때문에 에너지의 이용효율이 나쁜 단점도 있(mask)

다 따라서 이 방식에서는 마킹 부분에 높은 출력밀도를 얻기가 어려우며 예를 들

어 가열 용융 증발 때문에 큰 출력밀도를 필요로 하는 금속에 직접 마킹하는 것은

어렵다 따라서 이 마킹 방식은 전자부품 패키지 등의 플라스틱류나 도장된 금속표

면 등의 저용점 저비점 재료에 주로 적용된다 또 처리할 수 있는 범위의 크기는

레이저 발진기에서 출력된 빔의 단면적 보다 넓은 범위는 가공할 수 없고 수 cm2

정도가 한계이다

그림 는 콘택트 마스크 방식이며 앞의 방식과 방식을 조13(c) (contact mask) (a) (b)

합시킨 방식이디 결국 재료표면에 마스크를 밀착 고정하여 집광된 레이저 빔을 일

정하게 미세 피치 에서 고속 스캔 하는 방식이다 처리범위가 넓고 마킹(pitch) (scan)

에 폭 넓은 선이나 면이 있는 경우는 대단히 유효한 방식이다 그러나 이 방식에서

는 높은 출력을 가진 레이저 빔이 마스크에 직접 조사되기 때문에 마스크는 열영향

을 받기 쉽다

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 36 -

따라서 마킹을 실시하는 재료가 높은 출력밀도를 필요로 하는 경우는 마스크의 열

변형에 따라서 마킹 정밀도가 저하되기나 수명이 짧게 되는 문제를 일으키기 쉽다

빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식빔 스캔 방식(a)(a)(a)(a)

마스크 방식마스크 방식마스크 방식마스크 방식(b)(b)(b)(b)

콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식콘텍트 마스크 방식(c)(c)(c)(c)

그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도그림 다양한 마킹 방식의 개념도13131313

실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰실험재료에 대한 고찰3)3)3)3)

철강은 값이 싸며 강도가 큰 유용한 금속재료이지만 녹이 생기기 쉬운 결점이 있

다 이것에 크롬 또는 니켈을 다량 첨가하여 내식성을 현저히 향상시킨 강으로서

녹이 발생하지 않는다하여 불수강이라고도 한다

스테인레스강은 년 브레리 에 의하여 발명된 것으로서 토머스1913 (Harry Brearly)

피시 공장의 특허품으로 화학 공업용으로부터 일용품에 이르기까지(Thomas Fish)

다량으로 널리 사용되고 있다 이 강은 수십 종에 달하고 있으나 그 기본적인 특징

은 크롬을 다량으로 함유한다는 점이다 강중에 크롬의 역할은 이것이 Cr2O3라는

치밀하고도 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 좋게 한다 일반적으로 크롬의

함량이 이상인 강을 스테인레스강이라 하고 그 이하의 강은 그대로 내식강이라12

한다

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 37 -

스테인레스강을 조직학상으로 본다면 페라이트 오스테나이트 및 마르텐사이트 계

열이 있으며 내식성에는 페라이트 오스테나이트 계열의 스테인스강이 바람직하지

만 강도를 향상시키기 위해서는 내식성을 약간 희생하고 탄소량을 높여 마르텐사이

트 조직으로 해서 사용한다 페라이트계는 옅처리에 의한 강도개선은 불가능하지만

크롬의 양이 증가하면 내식성 가공성 용접성이 좋고 싸므로 광범위하게 사용되고

있다 그러나 고 크롬의 강을 장시간 가열하면 고 크롬페라이트와 저 크롬페라이트

의 상으로 분해되어 대단히 취하게 되고 내식성도 열화된다 이것은 취성이2 475

라 부른다

본 실험에서 사용한 마르텐사이트계 스테인레스강은 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한

기계적 성질이 얻어지므로 터빈 날개와 같은 고온 고압하의 구조재나 칼날 등에 사

용된다 이 강을 부근에서 템퍼링하면 미세한 크롬을 포함한 탄화물 550

(CrFe)7C3이 석출되고 국부전지가 생성되어 내식싱을 나쁘게 한다 또한 고 크롬강

을 로 가열하면 을 기본으로 상이라고 하는 금속간 화합물이 석출700~800 FeCr σ

된다 이 상도 재질을 취하게 하므로 이것을 취성이라 한다 고 크롬계 스테인레 δ σ

스 강을 사용할 때는 이 취성과 취성에 주의할 필요가 있다475 σ

그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상그림 레이저 마킹 시편의 산화현상14141414

그림 는 레이저에 의해 마킹된 시편 스테인레스강 의 산화현상을 보여14 (AISI 420 )

주는 예로서 높은 입사에너지의 레이저를 조사하면 국부적으로 크롬탄화물이 적출

되고 이에띠라 국부적으로 내식성을 잃어버리게 된다 이에 따라 산화가 발생하였

으며 크롬의 석출을 막을 수 있는 적합 가공조건의 필요성이 대두되었다

- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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- 38 -

표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표표 스리인레스강의 성분표2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)2 (AISI 420)

원소 C Cr Fe Mn P S Si

함량() Min 015 12-14 8378-8785 Max 1 Max 004 Max 003 Max 1

이에 따라 크롬 탄화물이 아닌 얇은 크롬 산화막이 형성되는 조건을 찾아야 된다

이와 같은 산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용한다 에 등을 첨가 Fe Al Cr Si

하면 보다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화Fe Fe

물 층이 우선적으르 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 13

포함하고 있는 마르텐사이트 계열의 스테인레스강의 경우 안정적인 크롬 산화막의

영향으로 변색은 되지만 더 이상 산화가 진행하지 않는 장점이 있다 그림 는 상 15

기 설명한 원리에 의해 생성된 크롬 산화막으로 재료를 제거가공할 필요없이 화학

반응으로만 마킹한 예이다

그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예그림 화학반응형 레이져 마킹의 예15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)15 (AISI 420 Stainless steel)

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를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

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부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

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본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

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Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

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산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

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마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

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그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 39 -

를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석를 이용한 가공부의 성분 분석4) XPS4) XPS4) XPS4) XPS

본 실험에서 산화막의 성분을 규명힐기 위해 레이저를 이용하여 가공재료를 가공한

후 변색된 부분의 선 광전자 스펙트럼을 분석하였고 모재상태에 대하여 비교 분석X

하였다 선 광전자 분광기 는 선을 X- (XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy) X-

고체 상태의 물질에 입사하여 방출된 전자를 관측하여 물질 표면의 전설 및 경량

분석 표면 깊이에 따른 조성 변화를 측정 할 수 있는 수직 분포 분석 또는 이미지

매핑을 통하여 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 및 구조에 대한 유용한 정보를 얻

을 수 있는 대표적인 표면분석 장비이다 선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부 X-

터 층 이내의 단원자 층 이내의 표면에 관한 정보를 얻을 수 있다 원리로100Aring(10 )

서 일정한 에너지를 가지는 선을 시료에 조사한 후 시료로부터 방출되는 광전자X

들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하기 위해(photoelectron)

필요한 에너지인 결합에너지 를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원(binding energy)

자의 고유한 성질인 결합에너지의 측정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고

화학결합 상태 깊이 분석에 대한 이미지 등을 얻을 수 있는 분석 방법이다 그림

은 실험에 사용된 선 광전자분광기이며 사16 X VG Scientific Instrument

를 사용하여 실험하였다ModelESCALAB 220i-XL

그림 분광기그림 분광기그림 분광기그림 분광기16 XPS16 XPS16 XPS16 XPS

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 40 -

부식 실험부식 실험부식 실험부식 실험5)5)5)5)

보통의 금속은 산소에 대한 친화력이 강하므로 용이하게 산화물을 만든다 금속 M

과 산소의 반응으로 고체 산화물 Mn 를 생성하는 다음의 반응을 생각하자O

온도가 일정하면 위의 식의 산화압 Pd가 일정하며 Pd를 그 산화물의 해리압

이라 한다 또 이 반응의 정수를 라 하고 그 산화물의 표(dissociation pressure) K

준 생성자유에너지의 변화를 ΔG0라고 할 경우 대기중의 산소분압 PO2가 산화물의

해리압 Pd보다 높으면 반응이 오른쪽으로 진행하므로 산화물이 생성된다 또 산화

물의 표준생성자유에너지 ΔG0는 금속의 산화친화력을 표시하므로 이것이 적을 수

록 산화물은 안정하다 대부분의 금속은 표준 상태에서 산소와 작용할 수 있고 Au

조차도 온도를 충분히 높이고 산소 분압을 높여주면 산화가 된다는 의미이다 스테

인레스강에서의 대표적 산화물 표준생성자유에너지는 다음과 같으며 크롬산화물은

매우 안정한 영역에 해당된다

표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부표 대표적 금속 산화물과 산화에 대한 안정여부3333

산화물 표준생성자유에너지 안정영역 여부

Fe2O3 -584 불안정 영역

Cr2O3 -834 안정 영역

Fe4N 089 매우 불안정

산화반응이 진행됨에 따라 금속 표면에 생긴 반응성생성물 피막이 충분히 조밀하게

금속면을 덮어주면 그 이상의 부식 속도가 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다

이와 같이 산화피막이 보호성을 갖느냐 여부는 그 피막과 금속의 비 용적의 대소를

비교하면 알 수 있다 즉 과 를 산화 생성물의 분자량과 밀도 과 를 금속의 M D m d

원자량과 밀도 을 산화 생성물중의 금속원자수라 하면n

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 41 -

본 식이 성립할 때는 산화생성물의 용적이 이를 형성한 금속의 용적보다 크므로 피

막은 압축력을 받아 보호성을 가지나 이와 반대 위의 값이 보다 적을 경우에는 r 1

산화피막이 인장용력을 받으므로 보호성이 없다 이를 의 법칙이라 Pilling-Bedworth

하며 부식생성물의 보호성을 판별하는 데에 이용한다 대표적 금속산화물인 크롬산

화물(Cr2O3 의 값은 로서 보다 큰 안정영역에 해당된다 이와 같은 연구결과) r 197 1

에 따라 레이저 가공공정 시 크롬의 석출은 피하면서 크롬 산화막을 형성시킬 수

있는 공정변수를 찾는 실험을 진행하였다

라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성라 레이저 공정변수에 따른 가공성

분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성분위기 가스에 따른 산화막 형성1)1)1)1)

그림 은 분위기 가스에 따른 산화 반응 여부를 실험 결과로서 불활성 가스인 아17

르곤 중성가스인 질소 그리고 산화를 유발시키기 위한 산소 및 일반 공기상태에서

의 산화막 생성 실험을 하였다 실험조건은 출력 펄스 반복율 초점거 15W 5kHz

리 인 광학헤드에서 를 디포커싱하여 주사속도 로 실험하였80mm 4mm 100mmmin

다 실험결과 전체적으로 재료의 제거가공은 일어나지 않았다 이는 디포커싱된 빔

을 사용하여 높은 첨두출력이 얻어지지 않았기 때문에 일어나는 현상이다 분위기

가스에 의한 영항을 관찰하면 아르곤 분위기하에서는 상대적으로 산화막의 적게 형

성되었으며 중성가스인 질소 분위기 하에서는 약간의 산화물이 발생하였으나 선명

하게 가공되지는 않았다 반면 산소분위기에서의 마킹 가공은 선명한 산화막을 형

성할 스 있었는데 국부적인 화학반응에 의한 가공의 증거로서 일반 공기 분위기하

에서도 비슷한 현상이 일어났다 이는 상용화 시 단가를 줄이기 위해서는 산소를

주입하지 않아도 된다는 의미이며 이에 따라 아래 실험은 블랙 마킹을 위해서 일반

공기 분위기하에서 실험하였다

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 42 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아그림 분위기 가스에 따른 산화막의 형성 산소 공기 질소 및 아르곤르곤르곤르곤17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)17 (a) (b) (c) (d)

화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹화이트 마킹2)2)2)2)

화이트 마킹이란 그림 에서 설명한 레이저 마킹의 종류에서 조각형 마킹으로 분11

류할 수 있으며 블랙마킹에 비해 가공에 의한 산화막이 얇게 형성되는 공정이다

가공을 위해서는 높은 첨두출력을 조사하는 레이저를 사용하며 피가공재의 종류에

따라 어블레이션 가공도 가능하다 본 실험 조건은 비 열적 반응에 의해 가공되므

로 추가적인 산화막이 얇으며 가공깊이는 비교적 깊다 주사속도는 블랙 마킹에 비

해 빠르며 이로 인하여 재료가 가열되기 전에 폭발적인 분해반응이 유발될 수 있고

이로 인하여 원하고자 하는 패턴이 각인된다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반에 따른 화이트 마킹 조건 필스반복복복복율율율율18 18 18 18 ---- (a) 3(a) 3(a) 3(a) 3kHzkHzkHzkHz (b) (b) (b) (b)

및및및및10101010kHzkHzkHzkHz (c) 30 (c) 30 (c) 30 (c) 30kHzkHzkHzkHz

그림 은 펄스폭 주사속도 출럭 인 조건하에서 펄스 반복률18 10 500mms 13W

을 까지 변화시키면서 직경이 인 스테인레스 에 화이트 마3-30kHz 6mm (AISI 420)

킹 실험한 시편의 사진으로서 펄스 반복율이 높아짐에 따라 각인되는 깊이는 줄어

들었다 이는 아래의 식 이서 볼 수 있는 바와 같이 펄스반복률이 높아짐에 따라 (7)

첨두출력이 줄어들어 발생하는 현상이다 본 실험에서 펄스반복을 의 조건으 30kHz

로 실험한 가공시편이 각인되지 않은 이유가 이에 해당된다

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 43 -

Pp 첨두출력 (W)

Pave 평균출력 (W)

Tp 펄스폭 (sec)

R 펄스반복률 (Hz)

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도그림 가공 속도에 따른 화이트 마킹 조건 가공속도19 19 19 19 ---- (a) 100mm(a) 100mm(a) 100mm(a) 100mms (b)s (b)s (b)s (b)

250mm250mm250mm250mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (c) 500mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (d) 1000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mms (e) 2000mmssss

그림 는 펄스반복을 펄스폭 출력 에서 가공속도에 따라 화이19 3kHz 10 15 W

트 마킹 가공시편들로서 레이저 빔의 주사속도가 비교적 느린 그림 조건에서19(a)

는 재료의 제거가 많이 일어났으며 깊이 각인되었다 또한 분말 상태의 산화물도

많이 형성되어 화이트 마킹조건으로서 적합한 조건은 아니라는 것을 알 수 있다

또한 빔의 주사속도가 가장 빠른 그림 의 경우는 흔적만 남을 수 있을 정도의19(e)

가공이 이루어졌는데 이는 가공속도가 빨라짐에 따라 단위 면적당 주입된 에너지가

낮기 때문에 일어나는 현상이다 본 실험에서는 화이트 마킹으로 가장 적합한 조건

은 그림 로서 산화된 파티클의 발생이 적으면서도 깊은 각인이 이루어 졌다19(c)

블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹블랙 마킹3)3)3)3)

블랙 마킹은 그림 에 해당되는 방법으로서 화학반응형 마킹이라11(b) ( )化學反應形

고 한다 이는 레이저를 이용하여 재료표면의 극히 얇은 층을 가열 용융하여 분위 ㆍ

기 가스와 화학반응 산화 환윈 질화 등 시켜 변색시키는 방법이다 이는 산화막의( )

종류 및 두께에 의해 결정되는데 이를 조절하기 위해서는 레이저의 출력 또는 분위

기 가스를 조절하여야 한다 본 실험에서는 분위기가스로서 산소를 사용하면 더욱

진한 크롬산화물이 형성되지만 양산성과 단가측면을 고려하여 산소가 포함된 일반

공기 중에서 실험하였다

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 44 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및그림 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹율에 따른 블랙 마킹20202020

표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및표 주사속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복복복복율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건율에 따른 블랙 마킹 조건20202020

그림 은 레이저 빔의 주사속도 및 펄스 반복율에 따른 블랙 마킹 실험 시편으로20

서 펄스반복율은 각각 로 설정하였으며 펄스폭은 주사속도는3kHz 5kHz 10 10

이다 또한 렌즈에서 가공면까지의 거리는 로서 기존의50 100 200mms 2348mm

화이트 마킹조건인 에서 정도 초점에지 벗어난 지점에서 직경2428mm 8mm 6mm

의 스테인레스 봉재에 레이저 마킹이 이루어졌다 이때 사용된 스테인레스 강은 치

과용 와 같은 성분이다 레이저 빔의 크기는 초점에서 벗어날 경우 점Surgical Kit

차 커지는데 이때 에너지 밀도가 낮아짐에 따라 첨두출력 또한 낮아진다 이와 같

은 조건에서는 재료의 폭발적인 분해를 유발시키지 못하고 국부적인 가열이 이루어

지게 되어있는데 이에 분위기가스와 반응하여 산화막이 형성된다

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

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부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 45 -

산화막은 금속에서 보호피막으로서 작용하며 에 등을 첨가하면 보Fe Al Cr Si Fe

다도 첨가물들이 안전한 산화물을 만들고 표면에 이 합금 원소의 산화물 층이 우Fe

선적으로 생성되어 보호 피막으로 된다 특히 크롬의 함량을 이상 포함하고 있 13

는 마르텐 사이트계열의 스테인리스 강의 경우 안정적인 크롬산화막이 형성된다

이는 그림 의 실험을 통해서 입증할 수 있었다 이때 가장 선명한 산화막은 그림20

의 조건에서 형성시킬 수 있었다 이와 같은 산화막은 에너지가 높이 주입되면20(f)

두껍게 형성되나 이상에서 발생하는 크롬 탄화물의 석출현상으로 내부식성을550

저해할 우려가 있다

그림그림그림그림 탄탄탄탄소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험소공구강에서의 블랙 마킹 실험21212121

그림 은 탄소공구강 상에 그림 의 가공조건으로 마킹한 스패너의 사진으로21 20(f)

서 스테인레스강 에서 발생하였던 크롬 산화막은 탄소공구강에서 발생하(AISI 420)

지 않았다는 것을 알 수 있다 이는 탄소공구강에는 크롬이 포함되지 않았기 때문

에 일어나는 현상이다 이로서 스테인레스강에서 형성되었던 산화막은 크롬산화막

으로 판단이 되며 자세한 성분 분석은 를XPS(X-Fay Photoelectron Spectroscopy)

이용하여 실시되어졌으며 다음 절에서 다루고 있다

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 46 -

마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원마 시험 검사 장치 및 분석기술 지원

성분분석성분분석성분분석성분분석1) XPS1) XPS1) XPS1) XPS

레이저 마킹 시 표면에 안정적이고 치밀한 크롬산화물이 생성되면 산소의 침투를

막아 부식 진행을 억제 시키게 된다 따라서 마킹 시 철산화물도 생성이 되지만 크

롬산화물이 최대한 많이 생성될 수 있는 조건을 찾는 것이 부식 방지에 가장 중요

하다 이와 관련해서 마킹 후 안정적인 산화막 형성 및 크롬 탄화물 ((CrFe)7C3 석)

출 여부를 알기 위하여 표면분석을 하였다 표면분석은 한국기초과학지원연구원에

의뢰하여 앞에서 언급한 표면분석기기를 사용하였다 XPS

는 시료의 표면으로부터 의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는 표면민감성XPS 100Aring

분석 장비이다 일정한 에너지를 가지는 선 광자 을 시료에 조사하면 시료로부터 X ( )

광전자 들이 방출된다 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전(photoelectron)

자를 시료로 시료로부터 방출하기 위해 필요한 에너지인 결합에너지(binding

를 알 수 있다 광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 결합에너지 측energy)

정으로부터 원소의 정성 및 정량분석 그리고 화학결합 상태 등을 분석하는 기법이

다 현재 반도체 소재 박막 금속 화합물 유리 촉매 고분자 및 나노 소재 등의

표면 및 계면 특성 분석 등에 광범위하게 사용되고 있다

분석 내용으로서는 다음과 같다

시편 종류 스테인레스강 블랙 마킹시편 화이트 마킹시편- (AISI 420)

제작 방법 두께 직경 의 동전모양으로 시편을 제작하여 마킹함- 2mm 9mm

여러 실험을 통해 얻어 낸 가장 안정된 마킹 부를 갖는 조건에서 제작

분석 목적 안정된 크롬 산화막 생성 크롬 탄화물의 석출여부 및 철 산화막의-

생성 여부를 판단하기 위함

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 47 -

그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의그림 각 시편의22 Sur22 Sur22 Sur22 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeakkkkssss

그림 는 각 시편들을 으로서 작성된 스펙트럼이다 결합에너지에 따라22 wide scan

각 원소들의 피크를 알 수 있고 전체적으로 피크는 사라지지 않고 그대로 유지되

는 것을 알 수 있다 그러나 크롬의 석출현상 및 크롬 산화막의 형성에 관한 분석

을 하기 위해서는 을 통하여 정밀분석을 시행해야 된다Curve fitting

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

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그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 48 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 에서그림 에서그림 에서그림 에서 와와와와 의 비교의 비교의 비교의 비교23 Sur23 Sur23 Sur23 Survvvveeeeyyyy peapeapeapeak Fk Fk Fk Feeee OOOO CCCC peapeapeapeakkkk

그림 은 피크의 기준으로 마킹 후에 산소와 탄소의 피크를 비교한 스펙트럼23 Fe

으로서 원시편에 비해 가공후에는 산소 및 탄소의 피크가 상대적으로 상승한다는

것을 알 수 있다 붉은 선은 피크를 기준으로 수평하개 그은 것이다 마킹 후에 Fe

산소와 탄소가 상대적으로 증가한 원인은 크롬과 철이 산화되면서 공기 중에 있던

산소들이 유입 되었고 철이나 크롬은 산화되면서 결합에너지가 바뀌게 되어 피 O

크에서 산화물로 존재하기 때문이다 따라서 원시편에 존재하던 피크는 상대적 Fe

으로 줄어들게 되고 그에 따라 탄소는 상대적으로 늘어난 양을 보이게 된다 한편

그림 와 그림 의 산소피크를 비교하여 보면 블랙마킹 시편의 경우 더욱23(b) 23(c)

늪은 피크를 얻을 수 있었다 이는 블랙마킹의 크롬 산화막 층이 화이트 마킹의 경

우보다 훨씬 높게 형성되었다는 점을 단적으로 보여주고 있다

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

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부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

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그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

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표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

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그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 49 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교24242424 FFFFe peae peae peae peakkkk

그림 는 가공전후 시편의 분석 피크중에서 와 관계되는 피크를24 XPS Fe Curve

을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 본 그래프에서는 의 확실한 변화를fitting Fe

알 수 있다 즉 그림 에서는 결합에너지 근처에서 피크가 존재한 24(a) 706 eV Fe

다 하지만 마킹 후 시편의 피크인 그림 에서는 피크가 사라지는데 표면 3(b)(c) Fe

에서 금속결합으로 존재하고 있었던 가 에너지와 산소를 얻어 대부분 산화 된 결Fe

과로서 판단된다 즉 사라진 는 Fe Fe3O4 및 Fe2O3 로 산화 되었고 산화물은 Fe

피크 주변뿐만 아니라 피크에서도 나타난다 마킹 부에서 철 산화물이 지배적인O

물질로 존재하면 산소의 유입을 차단 할 수 없어서 부식이 계속 진행이 된다 하지

만 다음 그림 에서 브면 마킹 후 산소를 차단 할 수 있는 치밀한 구조를 가진 크25

롬 산학물이 마킹 부에서 지배적인 물질로 존재한다는 것을 알 수 있다 철도 물론

산화 되었지만 그보다 큰 비율로 크롬 산화물이 존재하면 부식이 발생하지는 않는

다

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(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

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연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

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부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

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그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 50 -

(a) S(a) S(a) S(a) SUUUUS420S420S420S420

(b)(b)(b)(b) BBBBlaclaclaclackkkk marmarmarmarkkkkinginginging (c)(c)(c)(c) WhWhWhWhite marite marite marite markkkkinginginging

그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교그림 의 비교25252525 OOOO peapeapeapeakkkk

그림 는 가공전 후 시편의 표면 성분분석 피크 중에서 산소와 관계되는 피25 XPSㆍ

크를 을 통하여 피크를 검출해낸 그래프이다 이는 산회막의 성분 및Curve fitting

유무를 알 수 있는 중요한 피크로서 원시편 보다 마킹 후 크롬 산화물의 양이 급증

힌 것을 볼 수 있다 산소 피크는 산화가 되면서 전반적으로 증가를 하였고 크롬과

철 산화물은 둘 다 그 양이 상승하였다 그림에서 보면 그린 보다 그림 24(a)

의 철 산화물 피크가 작아 보이지만 실제로는 더 많은 양으로 존재한다25(b)(c)

반면 크롬 산화물의 피크는 철 산화물의 양보다 훨씬 많은 양의 증가를 보여준다

이것은 마킹 부 표면이 철 산화물보다 훨씬 다량의 크롬 산화물이 존재한다는 것을

말해준다

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 51 -

따라서 마킹 부 표면에서는 더 이상 부식이 일어나지 않는 환경이 만들어졌다고 볼

수 있다

마킹 부의 분석은 부식 방지를 위해 생성되어야 하는 크롬 산화물이 다량 만XPS

들어 지는 것을 알 수 있었다 이것은 이론적 고찰 및 실험을 통한 공정 변수 연구

를 통해 얻은 최적의 마킹 조건에서는 추후 부식이 일어나지 않는 안정된 산화막이

형성 되었다는 것을 확인 할 순 있었다 따라서 현재 최적화된 공절을 사용하여 마

킹한 상품은 부식에 대한 염려가 없고 상품성이 높아진다

레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험레이저 마킹 시편의 부식실험2)2)2)2)

레이저 마킹 시편의 부식실험에 앞서 스테인리스 부식 시험 방법에 관한 규격KS

을 조사힌 결과 표 에 의한 방법들이 사용되고 있었다5

표 스표 스표 스표 스테테테테인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격인리스 부식 시험 방범에 관한 규격5 KS5 KS5 KS5 KS

번호 제목 제 개정일

KS D 0219 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 2003-04-30

KS D 0220 스테인리스강의 황산 황산동 부식 시험 방법ㆍ 2001-12-05

KS D 0221 스테인리스강의 질산 부식 시험 방법65 2001-12-05

KS D 0222 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 2001-12-05

KS D 0223 스테인리스강의 황산 황산제 철 부식 시험 방법2ㆍ 2001-12-05

KS D 0324 스테인리스강의 질산 플루오르화수소산 부식 시험 방법ㆍ 1981-12-30

KS D 0225 스테인리스강의 옥살산 부식 시험 방법10 1981-12-30

KS D 0236 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 2003-04-30

상기 방법들 중 대표적 기법인 몇가지를 설명하자면 다음과 같다

가 스테인리스강의 염화제이철 부식 시험 방법 스테인리스강의) KS D 0219 6

염화제이철 용액 중의 부식도를 측정하여 내공식성을 평가한다

측정방법a

염화제이철 부식 시험 방법-

공식 발생 임계 온도 시험 방법이 있다-

평가 방법b

부식도는 시간 침지 시험 후의 질량 감소의 단위 면적 단위 시간당의 값을- 24

gm2

단위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다h 2 ㆍ

- 52 -

연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

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연속 침지 시간 시험 온도 최대 공식 깊이 및 결정된 를 병기한다- CPT( )

CPT Critical Pitting Temperature

나 스테인리스강의 황산 부식 시험 방법 스테인리스강의 끓는 황산) KS D 0222

중의 부식 감량을 측정하여 전면 부식의 정도를 시험하는 방법

측정방법은a

비등 시험 전후에 시험편 질량을 적어도 자리까지 측정한다- 1mg

평가 방법b

부식도는 비등 시험 후의 질랑 감소를 단위 면적 단위 시간당의 값을 gm2

단hㆍ

위로 소수점 이하 자리로 끝맺음하여 나타낸다2

다 스테인리스강의 응력 부식 균열 시험 방법 스테인리스강의 응력) KS D 0236

부식 균열 시험 방법에 의하여 법 염화마그네슘 응력 부식 균열 시험 방법A 42

및 법 염화칼슘 응력 부식 균열 시험 방법을 규정B 30

평가 방법a

단축 인장 시험 부하 응력- (Nmm2파단 시간) (h)

자 휨 시험 매크로 균열 발생 시간 균열 횡당 시간- U (h) (h)

라 위 방법 외에도 스테인레스강의 부식실험으로 양극분극법이 많이 사용된다)

시편 표면을 평탄하게 하고 표면의 이물질 및 산화막 제거(316 Stainles Steel)①

를 위해 을 한다Polishing

실험장치를 설치하고 부식 분위기 속에 시편을 넣는다②

상대전극을 사구 플라스크에 넣고 기준 전극인 전극을 설치한다AgAgCl ③

각 전극들을 에 도선으로 연결한다Potensionstat ④

외부전압 의 전류를 흘려 주며 평형 평형 전위를 구한다5mVsec 3 ⑤

외부 진기회로를 사용하여 원하는 분극 방향의 전류 또는 전압을 변화시킨다⑤

얻어진 분극 곡선에서 부식전압을 구한다⑦

상기 실험 방법들은 일반적인 스테인레스의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이

저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실험 기준으로서는 부적합하다 이에 따라 새

로운 기준을 마련할 필요가 있었다 이에 따라 본 과제에서 실시한 부식절차는 최

악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고인하였고 완성된 공구의 사용 환

경을 고려하여 설정하였다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식이 (Cl)

더욱 활성화 되므로 최악의 부식 환경이라 할 수 있으며 환경적 요인을 극한으로

보았을 때 부식되지 않고 레이저 마킹 상태를 그대로 유지 할 수 있는 조건이 앞서

실명한 규격보다 더욱 실용적이라는 판단 하에 실시되어졌다KS

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

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그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

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그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 53 -

부식 실험의 절차는 다음과 같다

스테인레스 용기에 의 식염수 을 준비10(wt) 100g ①

화이트 마킹 및 블랙 마킹 한 시편을 준비한 식염수에 담근다②

의 개폐구를 열고 용기의 바닥에 증류수를 채운다Digital Auto Clave ③

증류수가 채워진 장비 내에 시편이 든 용기를 위치시키고 개폐구를 닫은 후 작④

동시킨다 이때의 용기 내 압력은 30Kgcm2이며 온도는 로서 고온 고압의125

부식환경을 유발하고자 하였다

의 작동 시간 후 내부의 압력이 이 됨을 확인하고 개폐구Digital Auto Clave 1 0⑤

의 레버를 돌려 연다

시편이 든 용기를 조심스럽게 꺼내어 흐르는 물에 세척 및 건조시킨다⑥

건조된 시편들을 배 광학현미경으로 부식유무를 판별한다5 ⑦

그림 고그림 고그림 고그림 고온온온온 고고고고압압압압 부식 실험기부식 실험기부식 실험기부식 실험기26262626

그림 은 고온 고압 부식 실험기로서 까지 가열이 가능하며 압력은26 125

3Kgcm2까지 압축이 가능한 장비로써 일반적으로 살균처리에 사용되는 장비이다

본 실험에서 제작되는 치과용 은 상용화시 병원에서 상시 멸균소독 처Surgical Kit

리를 거쳐야 하기에 이에 대비하여 고안된 조건이다

- 54 -

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d)

(e)(e)(e)(e) ((((ffff)))) (g)(g)(g)(g) ((((hhhh))))

그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

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그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

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표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

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그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과27272727

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) (c)(c)(c)(c) (d)(d)(d)(d) (e)(e)(e)(e)

그림그림그림그림 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 화이트 마킹 시편의 부식 실험결과28282828

그림 및 그림 는 앞서 그림 및 그림 에서 화이트 마킹 실험조건으로서27 28 18 19

가공한 시편을 부식실험한 결과로서 화이트 마킹 시편에는 더 이상 진행된 산화의

흔적은 발견되지 않았다

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그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및그림 가공 속도 및 펄펄펄펄스 반스 반스 반스 반복률복률복률복률에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과에 따른 블랙 마킹 시편의 부식 실험결과29292929

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 55 -

그림 는 상기 블랙 마킹 실험 그림 에서 제작된 시편들을 자체적으로 고안한29 ( 20)

고온 고압의 부식 실험기를 통해 인위적인 부식 실험을 진행한 결과이다 블랙 마

킹에서 마킹부는 치밀하며 안정적인 크롬산화막으로 이루어진다는 사실은 앞서 밝

혀진 바 있다 이와 같은 크롬산화막이 사용환경에 의해 분해되거나 손상을 입으면

국부적으로 산소가 침투될 수 있는 공간이 형성되고 이는 제작된 치과용 공구의 산

화를 유발시킬 수 있다 이엔 따라 크롬 산화막이 제거되지 않는 최적의 가공조건

을 찾아야 한다 즉 가공 시 단위 길이 당 주입된 에너지가 낮으면 얇은 크롬 산화

막이 형성되어 마킹이 되지 않고 단위 길이 당 주입된 빔 에너지가 높으면 크롬 탄

화물이 석출되어 내 부식성을 저해할 뿐 아니라 크롬 산화막의 내구성도 떨어진다

본 실험에서는 그림 의 조건이 가장 견고한 크롬산화막을 형성 하였을 뿐만29(f)

아니라 내부식성도 뛰어나며 마킹 시 주변부와의 명도 대비가 뛰어나 식별이 용이

하였다

기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도기업 전략에 관한 기여도3333

지원기업인 주 티스트롱은 치과용 의 제작기술을 보유하고 있는 사업( ) Surgical Kit

체로서 현재까지 레이저 용접을 시작품 개념으로 수행하여 수백 개의 샘플을 제작

하였고 현재 식품의약품안전청으로부터 의료기기 품목 허가를 획득하였으며 일부

현장 검증을 계속 받고 있는 중이다 또한 과 관련된 실용신안을 등록 Surgical KIt

하여 관련 부품의 개발에도 이바지 하였다 현재 지원 기업은 국내 유일한 치과용

토크렌치를 제작하여 국내 판매를 시작하였다 한편 본 과제를 통하여 Surgical Kit

에 레이저 마킹을 시행하여 내부식성을 유지한 채 뛰어난 상품성을 갖추고자 하였

다 또한 레인저 마킹 메커니즘의 규명과 성분분석을 통하여 레이저 마킹에 대한

이해도를 높일 수 있었으며 기술의 신뢰도가 쌓이게 됨에 따라 기타 의료용 공구로

의 적용도 가능할 깃으로 확신할 수 있었다 그림 은 본 과제를 통하여 제작된 30

치과용 수술 토크 렌치의 완성품 사진이다

- 56 -

그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

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그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

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표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술그림 제작된 치과용 수술 토토토토크크크크렌렌렌렌치치치치30303030

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계추진일정 및 추진체계1111

기술 지원의 추진 일정은 연구 계획서상 표 의 추진 일정에 최대한 맞추어 진행( 6)

하였으며 최종적인 목표달성은 성공적으로 이루어 졌다 과제의 수행 중 계획서상

의 일정 외에 진행된 부분은 레이저 마킹의 기본적인 메커니즘 구명과 산화막의 성

분분석 및 발생원인에 대한 학문적 고찰이 있었다 이를 통하여 이해도를 더욱 높

인 후 실험에 돌입하여 보다 효과적으로 과제를 수행할 수 있었다

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표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

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그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 57 -

표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획표 계획서 상의 연구 지원 사업 추진계획6666

- 58 -

그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

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그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법그림 지원사업의 추진 방법31313131

참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및참여 연구원의 업무분장 및 활활활활용 기자재용 기자재용 기자재용 기자재2222

각 참여 연구원들의 역할 표 은 계획서 상의 임무에 충실하였다 이중 시험 규격( 7)

의 정립에 관한 내용에서 규격에 의한 부식 실험 조건은 일반적인 스테인레스KS

의 부식 특성을 평가하는 기준으로서 레이저 마킹에 의한 국부적인 부위의 부식실

험 기준으로서는 부적합하였다 이에 따라 새로운 기준을 마련할 필요가 있었고 본

과제에서 실시한 부식절차는 최악의 부식환경에서 단기간의 실험을 하기 위해 고안

한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결과를 얻기 위해 실시되어졌다 이외에도 기본

적인 반응 메커니즘 및 성분 분석은 기계연구원에서 추가적으로 시행하였으며 지원

기업과의 자료 공유를 통해서 효과적으로 과제를 진행할 수 있었다 표 은 사용 8

기자재 리스트를 보여 주고 있다

- 59 -

표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무표 참여연구원 업무 담담담담당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과당 내용 및 성과7777

구 분 직급 성명 세부담당 역할참여기간

개월(14 )

계획

대비 성과

지원기관

(KIMM)

책임

연구원이제훈 총괄 및 마킹부의 부식성 평가 14 100

책임

연구원서 정 레이저 마킹공정 설계 및 분석 14 100

주임

기원김정오 레이저 마킹 실험 14 100

연구원 강희신 마킹부 분석 및 시험 규격정립 14 100

지원기업

티스트롱( )

전무

이사이승영

레이저 마킹기 시스템 구축 및 공

정 변수 분석14 100

부장 윤광석 레이저 적용 실험 14 100

과장 구철규 분석실험 및 시험 규격 14 100

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

- 62 -

레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

- 63 -

- 64 -

- 60 -

표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재표 사용 기자재8888

기자재명 규 격 수 량 구입일 용 도구입액

천원( )설치장소

NdYAG laser 급205W 1 1994 정밀용점 220000

지원기관

금속현미경 SLM-2 1 1995 용접부 관찰 3335

경도계 Vickers 1 1997 경도측정 10691

부식시험 set 자체제작 1 1995 부식시험 20000

레이저 스케너

시스템1064nm 2 1997

레이저 빔

조사 패터닝35000

CNC MC ECAS 1 2003 부품가공 250000

지원기업

lathe MC HASEGAWA 1 2002 부품가공 600000

Tool Microscope MM-20 1 2001 검사 150000

Profile Projector SMZ-100 1 2001 검사 150000

Fatigue test 제작 1 2001 시험 90000

Tool Griding MC Kavo 2 2002 부품가공 30000

Handpiece 만4-20 rpm 1 2003 부품가공 9000

LASER Marking

MC50W-IR 1 2004 마킹 60000

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

본 연구의 목적은 치과 관련 의료 부품에 내부식성 마킹을 하여 의 고Surgical Kit

품질화 및 상품화를 목표로 하였다 기존의 은 마킹공정에서 부품의 마 Surgical Kit

킹기술의 부족으로 마킹부의 내부식성 저해가 문제점으로 제기되고 있었다 레이저

마킹은 열을 가하여 표시를 위한 소기의 목적을 달성할 수가 있으나 기본적으로

열을 가한다는 점에서 재질에 따라 원하지 않는 결과를 수반한다 특히 치과용 수

술기구는 인체에 직접영향을 미치므로 에 발생하는 부식물이 어떤 결과Surgical Kit

를 미칠지는 아무도 장담할 수가 없다 따라서 이런 공정상에서 오는 문제점을 해

결하고자 하는 노력은 매우 중요하다 이에 따라 지원기관의 보유장비와 인력을 활

용하여 마킹 메커니즘 규명과 분석 장치를 고안하였다 본 과제를 통하여 수행한

기술은 다음과 같다

치과용 의 마킹가공 후 부식문제를 성공적으로 해결하여 국내 시장Surgical Kit

점유율을 확보

부식방지를 위한 의 재질선정 기준 설정 의료용 공구는 내부식성Surgical Kit

이 있어야 함과 동시에 퀜칭 템퍼링에 의해 우수한 기계적 성질도 얻을 수 있어야

하므로 이에 적합한 스테인레스 을 선별하여 실험하였다 이는 실제로 의(AISI 420)

료용 공구로 사용되고 있는 재질이다

분위기 가스에 따른 마킹특성을 분석하기 위해 산소 공기 질소 및 불활성가스

인 아르곤을 사용하였다 불활성 가스를 시용한 경우 산화막이 형성되지 않아 화이

트 마킹에 적용 시 유리할 것으로 판단하였으며 산소의 사용시 크롬산화물이 생성

되어 안정적이며 견고한 블랙 마킹을 형성할 수 있었다 그러나 단가 및 양산성을

위해서는 산소가 포함된 일반 공기를 사용하여도 무방하다는 결론을 얻을 수 있었

다

본 실험에서 고안한 마킹기법은 화이트 마킹과 블랙 마킹의 두가지 방법이 있

다 화이트 마킹은 초점영역에서 빠른 주사속도로 진행되는 가공으로서 재료에 미

처 열이 발생하기 전에 높은 첨두출력의 레이저 빔으로 각인을 하기 때문에 비열적

반응으로서 가공부위의 색상은 변화가 없다 반면 블랙 마킹의 경우 디포커싱을 시

켜 가공을 하며 느린 주사속도로 인하여 표면에 국부적인 가열현상이 일어난다 이

때 주변 분위기 가스와의 화학반응에 의한 산화물이 형성되는데 보다 이 산Fe Cr

소와의 반응성이 뛰어나 크롬산화물이 주축이 된 산화막이 형성된다 이는 검은색

을 띄고 있으며 식별이 용이한 장점이 있다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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레이저 마킹 결과에 의해 생성된 산화막은 마킹부에서 크롬의 석출이 적으면서

도 크롬 산화막은 치밀하게 형성되었다 이와 같은 산화막은 알루미늄에서 아노다

이징 처리와 같은 기법으로서 인위적으로 형성된 크롬 산화막은 치밀하(anodizing)

여 더 이상의 산화를 방지할 수 있는 장점이 있었다

부식실험 등을 자체 개발한 전용 측정 장비를 통하여 검증하였으며 최악의 부

식환경에서 딘기간의 실험을 하기 위해 고안한 방법으로서 보다 빠르고 정확한 결

과를 억기 위해 실시되어졌다 이는 고온 고압 상태에서 염소 성분에 의한 부식 (Cl)

이 더욱 활성화 되므로 최악의 부식환경이라 할 수 있으며 이는 치과에서 시행되고

있는 살균 처리시설 및 시술환경을 고려하여 선정되어졌다

레이저 마킹 관련 기술은 본원이 보유한 이론적 배경과 실험실 장비를 활용하여

수행하였다 또한 의 시작품으로 약 여개의 샘플 제작을 하였으며 Surgical kit 150

개 품목 여개의 상품에 마킹을 하여 납품하였다7 4000

본 결과를 중심으로 매년 의료관련 전시회에 참가하여 제품을 홍보할 예정이다

내부식성 향상을 위한 레이저 마킹 기술은 다양한 종류의 의료용 기구에 적용이

가능하며 여러 가지의 수술기구를 국산화하는데 활용하게 될 것이다

현재 수입의존성이 높은 치과용 수술기구의 국산화를 달성하고 나아가 해외수출

을 통하여 국제경쟁력을 키워나갈 예정이다

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