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적용분야

Polyimide

Laser-Processing / Advanced Material / Polyimide


Polyimide와 DLMP® 기술 및 MultiWave Hybrid™ 기술



Polyimide의 개요


Kapton®은 Dupont™사에서 개발한 폴리이미드 필름의 브랜드 이름으로 aromatic dianhydride와 aromatic diamine을 중합하여 합성한 열경화성 폴리머입니다. Kapton 필름은 우수한 내 화학성, 높은 유전강도와 우수한 기계적 특성으로 매우 넓은 온도 범위에서 유지됩니다. 이 필름 소재는 충전, 금속화 및 접착제로 코팅할 수 있으므로 더 많은 응용 분야와 산업에서 높은 활용도를 나타냅니다. 일반적으로 가공되지 않은 폴리이미드 소재는 앰버 색상입니다.

관련 브랜드 이름 
   ·  Polyimide film
   ·  Kapton®HN - 넓은 온도 범위 특히 매우 높은 온도에서 물리적, 화학적 및 전기적 특성이 조화로운 균형을 이루는 모든 폴리이미드 필름
   ·  Kapton® FN - Kapton®HN와 DuPont™ Teflon® FEP 탄화 플루오르 수지를 결합하여 만든 heat sealable grade
   ·  Kapton® HPP-ST - 넓은 온도 범위에서 우수한 치수 안정성과 접착 특성을 가진 HN과 동일한 폴리이미드



Kapton® 과 DLMP® (Digital Laser Material Processing) 기술 

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Kapton®의 열경화성 화학 및 고온 내성은 DLMP 기술과 높은 호환성을 제공합니다. 다음 섹션에서 각 Kapton의 속성이 DLMP 결과에 미치는 영향을 자세히 설명합니다. 또한 Kapton을 사용한 레이저 에너지의 가장 유용한 효과인 재료의 제거 및 수정에 대한 프로세스도 아래 해당 섹션에서 확인할 수 있습니다.        



Material Ablation


Material ablation은 재료를 제거하는 물리적인 프로세스로 재료는 1) 맨 위에서 맨 아래 표면 방향으로 완전히 제거되거나 2) 재료의 맨 위에서 지정된 깊이까지 부분적으로 제거됩니다. 
Polyimide 소재는 우수한 10.6㎛ 파장의 CO2레이저 에너지 흡수제입니다. 폴리머가 레이저 에너지를 흡수하면 광학 에너지를 분자의 진동 (열)으로 빠르게 변환합니다. 충분한 열은 빠른 화학적 분해와 탄화로 이어집니다. 레이저 경로에 직접 있는 소재는 제거되어 증기와 미세 입자로 변환되며 레이저의 지점 또는 경로 바로 외부에 있는 소재는 약간의 열 전도가 있지만 완전한 연소와 제거가 되지 않습니다. 이러한 열 영향부를 열 영향 영역 또는 HAZ (Heat Affected Zone)이라고 합니다. Polyimide의 HAZ는 탄화된 검정색상이며 소량의 탄화 잔류물이 생길 수 있습니다.  메탄올과 같은 일반적인 솔벤트 용매가 담긴 초음파 수조에 소재를 담그거나 솔벤트 면봉을 사용하여 이 탄화 잔류물을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 


레이저 커팅


레이저 커팅 프로세스는 지정된 경로를 따라 상단 표면에서 하단 표면까지 소재를 완전히 제거하고 분리하는 것입니다. 
Kapton과 같은 폴리이미드 필름은 DLMP 기술을 사용하여 쉽게 커팅할 수 있습니다. 이때 레이저 커팅으로 인해 발생하는 소재의 가장자리에는 매우 좁은 폭의 탄화 물질과 잔류물이 나타납니다. 일반적으로 탄화 및 잔류물 생성은 가공하는 소재의 두께에 비례하지만 레이저 출력과는 반비례합니다. 대부분의 커팅 모서리에서 분해된 물질은 솔벤트 용매와 초음파 수조 또는 면봉을 사용하여 쉽게 제거할 수 있습니다. 
아래 그림1과 같은 슬롯이 있는 정사각형 및 원형 홀 Kapton 폴리이미드 필름의 레이저 커팅 결과물에서 보이는 것과 같이 복잡하고 좁은 간격의 레이저 커팅과 거의 모든 형태의 모양으로 확장할 수 있습니다. 







Material Modification


DLMP 기술을 사용하여 소재를 커팅할 때 레이저 경로에서 직접 모든 소재를 기화시키기 위한 충분한 에너지가 적용됩니다. 이것은 앞의 섹션에서 기술된 바와 같이 화학적 분해로 인해 발생된 어두운 색상의 잔류물을 남깁니다.  레이저 출력을 줄이면 실질적인 폴리이미드 필름 소재 제거없이도 어둡게 만들 수 있습니다. 바로 이 부분이 Material modification의 유형 중 하나로 Kapton 소재의 레이저 마킹 작업에서 유용합니다. 


레이저 마킹


레이저 에너지가 바코드, 날짜 / lot code, 일련 번호, 부품 번호 등과 같은 소재에 사람과 (또는) 기계 판독이 가능한 ID와 정보를 생성하는 작업 프로세스를 레이저 마킹으로 간주합니다. 아래 그림 2와 같이 폴리이미드 필름의 레이저 마킹 결과물에서 초과된 탄화물이 제거되면 회색의 마킹 표시가 나타납니다.  




결합된 프로세스


재료를 이동시키거나 다시 고정하지 않고도 Kapton 필름에 여러 프로세스를 적용할 수 있습니다. 아래에 그림 3은 DLMP 기술을 사용하여 Kapton 폴리이미드 필름의 사각 및 원형 커팅과 디테일한 마킹 프로세스를 결합한 결과물을 보여줍니다.







환경, 건강 및 안전 고려 사항


레이저 소재의 상호작용은 거의 항상 기체 유출 및 (또는) 입자를 생성합니다. CO2 레이저로 전체 폴리이미드 Kapton (Cirlex®, H 유형)을 처리하면 주로 미량의 카보닐, 니트릴 및 알킨 그룹과 함께 일산화탄소가 포함된 증기가 생성됩니다. 레이저 커팅과 마킹 작업 중 침전된 검은색 고체 잔류물은 폴리머의 완전한 탄화로 인해 생성될 수 있습니다.  Kapton 폴리이미드 필름 가공에서 생성된 유출물은 외부 환경으로 보내야합니다. 또는 Fume & Dust Extraction 시스템을 통해 필터링 한 후, 외부로 보낼 수 있습니다. 폴리이미드 소재는 쉽게 연소되지 않지만 항상 사용자의 감독하에 레이저 가공 작업이 진행되어야 합니다.




Laser Processing of  DuPont™ Kapton® HN  

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Introduction


DuPont™ Kapton® HN은 광범위한 극한 환경 조건에서 소재 안정성이 필요한 응용 분야에 사용되는 내구성이 뛰어난 고성능 폴리이미드 소재입니다. 이 소재는 광범위한 온도에서 물리적 인성, 내화학성 및 전기 절연 특성의 균형이 잘 맞습니다. Kapton HN은 7.5 ~ 125㎛의 다양한 두께로 제공됩니다. 레이저 호환성 테스트를 위해 125㎛ 두께의 Kapton HN 필름이 선택되었습니다.  








Kapton HN 필름은 광범위한 온도, 특히 고온에서 물리적 및 기계적 특성을 유지하는 능력이 있어 레이저 가공에 적합합니다. 레이저 가공은 툴링 없이 Kapton HN 필름을 커팅 및 조각하는 방법과 전통적인 기계적 방법을 사용하여 달성하기 어려울 수 있는 작은 미세 형상을 생성합니다. Universal Laser Systems를 사용하여 비접촉 방식의 레이저 가공 작업 중에 소재 변형이 발생하지 않기 때문에 이러한 유형의 소재를 높은 수준의 정확도와 함께 일관되고 반복적으로 간단히 실행할 수 있습니다. 


 

Laser Processing Notes


DuPont™ Kapton® NH 소재는 레이저 가공 호환성 평가와 각 프로세스에 가장 적합한 레이저 출력 및 파장 구성을 결정하기 위한 테스트에 사용되었습니다. 

폴리이미드 필름은 레이저 커팅 및 조각 결과에 약간의 차이가 있지만  9.3㎛과 10.6㎛ 파장을 모두 효율적으로 흡수하는 것으로 보입니다. 75 watts의 9.3㎛ 레이저 에너지 구성으로 DuPont Kapton HN 소재의 레이저 가공은 가공된 경로를 따라 일관된 가장자리 품질과 균일한 조각 품질을 생성합니다. 아래 그림 2는 후처리된 레이저 커팅된 가장자리의 300배 확대 이미지와 커팅 후 가장자리 윤곽의 300배 확대된 3D 렌더링 이미지를 보여줍니다. 







DuPont Kapton HN 소재는 9.3㎛ 및 10.6㎛ 레이저 파장 에너지로 테스트 되었으며, 이 테스트 결과는 열 영향, 가공된 모서리 품질 및 후처리 요구 사항을 분석하여 비교된 내용을 아래 표1와 그림 3,4에서 확인할 수 있습니다. 이 소재의 레이저 커팅 공정에 9.3㎛ 레이저 구성이 눈에 띄게 더 나은 가장자리 품질을 생성합니다. 










Processing Example


Universal Laser Systems의 기술을 사용하여 Dupont Kapton HN 소재의 물리적 특성을 저하시키지 않으면서 정밀한 기하학적 구조와 복잡한 세부 사항이 필요한 응용 분야를 수행할 수 있습니다. 그림 4는 권장 시스템 구성을 사용한 Kapton 소재의 레이저 커팅 및 조각 작업 결과물입니다. 





Conclusion


DuPont Kapton HN는 레이저 가공에 적합한 소재로 가장 효율적인 가공 구성 요소를 결정하기 위해 광범위한 테스트를 진행하였습니다. 이 테스트를 통해 소재의 레이저 커팅 작업이 가능하며 75 watts 9.3㎛ CO2 레이저 소스가 이 소재의 가공에 이상적인 구성임을 확인하였습니다. Kapton HN은 9.3㎛ 파장의 레이저 에너지를 효율적으로 흡수하여 열 영향 영역과 변색이 최소화된 매끄러운 가장자리를 생성합니다. 또한 이 소재를 10.6㎛ 레이저 소스로 가공하여 허용 가능한 결과를 얻을 수도 있습니다.