오렌지 껍질에 대한 레이저 펄스 표기 효과에 관한 연구

생활 수준의 지속적인 향상에 따라 대중의 식품 안전에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 같은 배경에서 과일, 특히 녹색 과일의 추적 가능성은 객관적인 요구로 되고 있다. 현재까지 주요한 과일 추적 방법은 과일 표면에 종이 바코드 라벨을 부착하는 것이다. 그러나 일부 종이 라벨은 쉽게 떨어져 중요한 정보를 잃게 되며, 다른 일부는 너무 단단히 붙어 제거하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 오렌지(귤)를 연구 대상으로 선정하고 레이저 기술을 이용하여 과일 표면에 바로 2차원 바코드를 조각할 계획이다. 초단파 픽토초(ps) 레이저 펄스와 단파 나노초(ns) 레이저 펄스의 마킹 효과를 비교하여 과일 추적을 위한 명확하고 내구성이 있는 바코드 마킹 기술을 제공하고자 한다.

1 실험 장비 및 방법

1.1 구조 및 구성 마킹 머신

그림 1 레이저 마킹 장치의 개략도

1.2 광원

단파장 나노초 레이저 소스는 자체 제작된 Nd:YAG 음향광학 Q-스위치 레이저를 사용하며, 작동 주파수는 3 KHz, 펄스 폭은 15 ns, 출력 파장은 532 nm입니다. 초단파장 피코초 레이저 소스는 Nd:YVO₄ 막 구조의 MOPA 모드 잠그기 레이저 (Penny-pico-10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.)를 사용하며, 출력 파장은 532 nm, 최대 출력 전력은 10 W, 펄스 폭은 5 ps, 작동 주파수는 1~100 kHz입니다.

1.3 실험 방법

같은 배치로 구매된 표면 거칠기 정도가 유사한 오렌지들을 선별하여 실험에 사용하였다. 피코초 레이저 펄스와 나노초 레이저 펄스를 각각의 표면에 마킹하는 실험을 진행하였으며, 각 방법을 10회씩 반복하였다. 이후 극화현미경 (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) 을 이용해 100배 확대 관찰 및 분석을 통해 두 레이저의 오렌지 껍질에 대한 마킹 효과를 비교 및 분석하였다.

2 결과 및 분석

2.1 실험 파라미터 분석

레이저의 빔 품질, 펄스 폭, 에너지 등의 파라미터는 레이저 마킹의 정확성에 영향을 미쳐 마킹의 품질과 효과에 영향을 준다. 나노초 레이저와 피코초 레이저의 펄스 폭은 최적 상태로 조정되었으며, 레이저 프로브 오실로스코프로 측정한 나노초 레이저의 출력 펄스 폭은 8.48 ns였고, 피코초 레이저는 14.2 ps였다.

다수의 실험 결과는 레이저 파워, 마킹 속도 및 라인 간격이 바코드 품질에 영향을 주는 주요 요소임을 보여줍니다. 레이저 주파수가 높고 펄스 시간이 짧을수록 마킹 속도가 더 빠르고 라인 간격이 작아져 더 나은 마킹 효과를 얻을 수 있습니다.

2.2 마킹 효과 및 분석

USB 인터페이스를 통해 QR 코드 이미지를 나노초 마킹 머신으로 가져온 후, 오렌지 껍질의 위치를 트랜스레이션 스테이지로 조정하고 마킹을 시작했습니다. 그 결과는 100배 극화 현미경으로 관찰되었으며, 도표 2에 나타나 있습니다.

도표 2 나노초 마킹 결과

QR 코드 그래픽을 피코초 레이저의 컴퓨터 소프트웨어로 가져온 후, 수냉 장치를 켜고 초점 평면을 조정한 후 오렌지 껍질 표면에 마킹을 수행했습니다. 그 결과는 100배 극화 현미경으로 관찰되었으며, 도표 3에 나타나 있습니다.

도표 3 피코초 마킹 결과

주석 현미경을 통한 오렌지 껍질 표면의 흔적 관찰 결과, 피코초 레이저와 나노초 레이저 모두 오렌지 껍질 표면에서 명확한 형태 변화를 일으키고 비교적 선명한 흔적을 찍을 수 있음이 발견되었습니다. 그러나 피코초 레이저는 오렌지 껍질 표면에 더 곧고 매끄러운 선을 형성하며, 외피에 대한 손상을 최소화합니다. 반면, 나노초 레이저가 오렌지 껍질 표면에 찍은 선은 규칙성이 덜하고, 흔적의 윤곽이 더 흐릿합니다.

마킹 효과에 가장 직접적으로 영향을 미치는 매개변수는 레이저 펄스 폭과 반비례하는 피크 파워입니다. 따라서 펄스 폭이 줄어들수록 피크 파워는 증가합니다. 나노초 펄스 레이저와 비교했을 때, 픽토초 레이저가 출력하는 레이저 빔은 더 좁은 펄스 폭, 더 높은 에너지 및 더 높은 정밀도를 가지고 있습니다. 오렌지 껍질 표면에서의 광화학적 절제 효과는 명확하며, 이는 QR 코드 가장자리에서 탄소화 현상을 일으키지만, 눈에 띄는 작은 균열이나 표면 잔해는 없으므로 경계가 더 선명합니다.

3 결론 및 논의

식용성에 영향을 주지 않고 과일의 추적성을 위한 명확하고 지속 가능한 2차원 바코드를 달성하기 위해, 과일 표면에 레이저 기술을 사용한 표기의 타당성을 연구하기 위하여 비교 실험이 실시되었습니다. 본 연구에서는 오렌지가 연구 대상으로 선정되었으며, 나노초 레이저와 피코초 레이저가 각각 오렌지 껍질에 QR 코드를 인쇄하는 데 사용되었고, 오렌지 껍질 표면의 변화가 관찰되었습니다. 실험 결과는 나노초 펄스 레이저에 비해 피코초 펄스 레이저가 더 높은 인쇄 정확도, 더 깊은 표기 깊이 및 더 선명한 표기 윤곽을 가지고 있음을 보여줍니다.