Menyimpan Data melalui Pengukiran Laser

Pertama kali dikembangkan pada tahun 1960, laser telah semakin populer dalam beberapa tahun terakhir. Pasar teknologi laser global diproyeksikan untuk tumbuh menjadi $35.4 bln pada tahun 2032. Pertumbuhan ini didorong oleh meningkatnya permintaan laser di berbagai sektor, termasuk komunikasi, pertahanan, ilmu pengetahuan, keamanan, penyimpanan data, dan lainnya.

Laser, yang merupakan perangkat yang memancarkan cahaya melalui penguatan optik, banyak digunakan untuk pengukiran. Pengukiran laser adalah proses membuat tanda pada permukaan produk, seperti kode QR, kode batang, logo, dan nomor seri. Tanda-tanda ini berisi informasi penting untuk melacak asal suatu produk sepanjang siklus hidupnya, memastikan keamanan dan ketahanannya. Selain itu, proses ini juga digunakan untuk membuat karya seni pada produk.

Pengukiran laser termasuk dalam kategori yang lebih luas yaitu penandaan laser, yang juga mencakup laser annealing—proses pemanasan material—dan laser engraving, yang melibatkan penguapan material. Karena sangat serbaguna, laser dapat mengukir sebagian besar logam.

Jadi, bagaimana cara kerjanya?

Untuk membuat tanda, sinar laser memancarkan energi tinggi ke area terkonsentrasi, melelehkan permukaan material. Saat permukaan mengembang dan mendingin, terbentuk tanda yang diinginkan. Berbeda dengan proses lain yang hanya mengubah warna atau tekstur permukaan, pengukiran laser sebenarnya mengubah permukaan, menciptakan area yang menonjol atau terbenam dengan tekstur yang lebih kasar.

Dengan demikian, dengan mengubah permukaan material menggunakan laser, berbagai desain dan pola permanen dapat dibuat.

Berbagai jenis laser yang digunakan untuk pengukiran meliputi fiber, CO2, kristal, laser diode, dan laser solid-state yang dipompa diode.

Metode ini dalam membuat tanda pada material menawarkan manfaat seperti kecepatan dan kustomisasi yang luas. Ini juga merupakan metode tanpa kontak yang tidak menyebabkan reaksi kimia atau menimbulkan stres mekanik serta menghasilkan tanda berkualitas tinggi. Pengukiran laser juga dapat menahan perlakuan non-abrasi seperti pelapisan serbuk.

Selain itu, pengukiran laser dapat digunakan pada berbagai macam material seperti kayu, kulit, plastik, kaca, keramik, batu alam, dan semikonduktor. Ini juga efektif pada hampir semua logam, termasuk aluminium, aluminium anodized, timbal, magnesium, baja, seng, tembaga, kuningan, dan titanium dapat diukir. Pada dasarnya, hampir semua jenis material dapat diukir dengan laser. 

Namun, pengukiran laser tidak tanpa masalah, seperti biaya awal yang tinggi untuk mesin. Selain itu, tanda-tanda dapat aus di lingkungan abrasif, seperti yang terpapar sandblasting. 

Meskipun tantangan ini, manfaat pengukiran laser jauh melampaui kelemahannya, menjadikannya direkomendasikan untuk sebagian besar aplikasi penandaan. Pengukiran laser secara luas digunakan di banyak industri karena keanekaragaman, efisiensi, dan presisinya, termasuk otomotif, elektronik, pengemasan, serta fabrikasi logam pertahanan, perhiasan, seni, dan perangkat medis.

Salah satu aplikasi menarik lain dari pengukiran laser adalah penyimpanan data. Lebih dari satu dekade yang lalu, Hitachi membicarakan tentang mempertahankan informasi selama ratusan juta tahun dengan mengkodekan laser pada lempengan kaca kuarsa. Namun, teknik tersebut tidak mengatasi masalah pengelolaan data dalam jumlah besar. 

Beberapa tahun yang lalu, Peter Kazansky, seorang profesor di Optoelectronics Research Centre di University of Southampton, menyimpan 500 terabyte data pada sebuah cakram kaca kecil melalui pengukiran laser.

Modifikasi Permukaan Poliisulfit dengan Laser Daya Rendah

Mengingat manfaat besar pengukiran laser, peneliti dan ilmuwan selalu mencari cara untuk meningkatkan teknologi dan menemukan aplikasi baru. Baru-baru ini, peneliti dari Flinders University menemukan bahwa polimer turunan belerang yang murah dan responsif terhadap cahaya dapat merespons laser berdaya rendah dan cahaya tampak.

Biasanya, untuk mengubah permukaan polimer, yang terdiri dari molekul sangat besar, kita memerlukan laser yang memancarkan daya sangat tinggi. Dengan menggunakan laser berdaya tinggi, komponen elektronik canggih, produk biomedis, dan penyimpanan data dapat diproduksi. Namun, dengan penemuan terbaru ini, kita dapat melihat metode produksi yang lebih terjangkau dan lebih aman.

Menurut rekan peneliti dan co-author Dr Lynn Lisboa:

“Dampak penemuan ini melampaui laboratorium, dengan potensi penggunaan dalam perangkat biomedis, elektronik, penyimpanan informasi, mikrofluidik, dan banyak aplikasi material fungsional lainnya.” 

Dipublikasikan dalam Angewandte Chemie International Edition, studi mencatat pentingnya memodifikasi permukaan polimer dengan cahaya laser dalam mendukung kemajuan di berbagai bidang sambil menunjukkan bahwa perubahan tersebut biasanya memerlukan laser yang mahal dan berdaya tinggi, yang selanjutnya memerlukan peralatan khusus dan fasilitas untuk mengurangi risiko paparan radiasi berbahaya. Kemudian, ada sistem polimer itu sendiri yang cenderung rumit dan mahal untuk dikembangkan sehingga laser dapat mengubahnya dengan mudah.

Oleh karena itu, diperlukan polimer yang mudah diakses dan bereaksi ketika terkena tingkat radiasi rendah, karena hal itu berarti sistem laser yang lebih sederhana, lebih aman, dan lebih ekonomis.

Penemuan kopolimer belerang yang murah dan dapat diubah dengan cepat menggunakan laser yang menghasilkan cahaya tampak berdaya rendah dan inframerah tak terlihat menjawab kebutuhan ini. Untuk membuat kopolimer belerang, peneliti menggunakan belerang elemental (S) dan baik siklopentadiena maupun diklopentadiena.

Kemudian, dengan menggunakan rangkaian laser gelombang berdaya rendah dengan panjang gelombang 532, 638, dan 786 nm, tim berhasil memodifikasi permukaan polimer. Modifikasi ini meliputi pengukiran melalui ablasi atau pembengkakan terkontrol.

Studi tersebut kemudian memanfaatkan modifikasi sistem polimer melalui laser dan sintesis mudah dalam dua aplikasi—penyimpanan informasi yang dapat dihapus dan litografi laser langsung. Kandungan belerang tinggi pada polimer ini memberikan berbagai sifat kimia, fisik, dan optik, memungkinkan aplikasi beragam dalam penyimpanan energi, optik pencitraan termal, dan pengikatan logam.

Kemudian, terdapat ikatan S−S yang dapat diputus dan dibentuk kembali, memungkinkan pemulihan dan penggunaan. Kelemahan ikatan S−S dalam kopolimer belerang menjadi penyebab penemuan studi ini. Secara khusus, peneliti mencatat bahwa permukaan kopolimer terlihat berubah hanya setelah terpapar kurang dari 1 detik oleh laser diode 690 nm, 1,10 mW. Studi tersebut menyatakan:

“Mengingat daya rendah laser dan waktu paparan yang singkat, modifikasi polimer yang cepat ini merupakan kejutan.”

Modifikasi Laser Memungkinkan Penyimpanan Informasi yang Dapat Dihapus

Jurnal kimia tempat studi ini dipublikasikan juga menampilkan versi laser-ukir dari etching Mona Lisa yang terkenal bersama dengan pencetakan mikro-braille, yang lebih kecil bahkan dari kepala pin bulat.

Didanai oleh Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA, dan Microscopy Australia, studi ini menyoroti penemuan yang dapat membuka jalan bagi penggunaan material yang lebih berkelanjutan. Secara khusus, studi ini menggunakan polimer yang terbuat dari produk sampingan industri berbiaya rendah, belerang elemental. Lebih jauh, metode ini dapat mengurangi kebutuhan akan peralatan mahal dan khusus. Namun, penting untuk dicatat bahwa laser berdaya tinggi membawa risiko radiasi berbahaya.

Penemuan tersebut dibuat selama analisis rutin terhadap polimer yang diciptakan dua tahun lalu di Chalker Lab oleh kandidat PhD Samuel Tonkin dan Profesor Kimia Justin Chalke dari Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Polimer baru tersebut ditemukan dapat dimodifikasi tepat ketika cahaya laser menyentuh permukaannya. Ini, kata co-author studi dan peneliti Flinders University Dr Christopher Gibson, merupakan “respons tidak biasa” yang belum pernah diamati sebelumnya pada polimer umum lainnya.

“Kami segera menyadari bahwa fenomena ini mungkin berguna dalam sejumlah aplikasi, jadi kami membangun proyek penelitian di sekitar penemuan ini.”

Menyebut ini sebagai perkembangan yang menarik, Abigail Mann, kandidat PhD di Flinders College of Science and Engineering, mengatakan bahwa dengan menggunakan teknik baru untuk membuat struktur berukuran mikrometer dan lebih kecil untuk material berbasis belerang, mereka “berharap menginspirasi beragam aplikasi dunia nyata di laboratorium kami dan di luarnya.”

Penemuan ini menyediakan cara baru untuk menghasilkan pola presisi pada permukaan polimer. Kemampuan ini memiliki potensi aplikasi dalam perangkat biomedis dengan permukaan berpola, metode baru untuk menggunakan polimer dalam penyimpanan data, dan pendekatan alternatif untuk memproduksi perangkat nanoskal untuk mikrofluidik, sensor, dan elektronik.

Dalam demonstrasi praktis potensinya untuk penyimpanan informasi yang dapat dihapus, studi ini menampilkan kemampuan untuk mengkodekan pesan dalam Braille. Ini dicapai dengan menggunakan laser untuk membuat titik timbul pada material, memanfaatkan ikatan S−S dinamis dan sifat mirip vitrimer—kategori plastik yang memfasilitasi penulisan dan penghapusan pesan.

Untuk membuat ejaan “pesan rahasia” dalam Braille, peneliti menggunakan laser dengan pengaturan daya laser lebih rendah (638 nm, 2,4 mW). Titik timbul, yang memiliki tinggi 3,6 μm±0,2 μm, terbentuk dengan mengekspos permukaan polimer ke laser selama hanya 1,3 detik.

Kemudian, tim menggunakan pengaturan daya lebih tinggi (638 nm, 5,4 mW) untuk membuat lubang di sudut melalui ablasi dan penghilangan material. Sekali lagi, paparan laser di sini juga 1,3 detik.

Studi menemukan bahwa perlakuan termal menghapus titik timbul ketika diinkubasi dalam oven pada 160 °C selama 5 jam. Lubang yang terbentuk melalui ablasi, sementara itu, tetap utuh karena polimer kehilangan belerang secara permanen.

Proses pengkodean informasi yang dapat dihapus, menurut studi, “menjadi arah baru dalam material fotoresponsif, dengan manfaat dalam kesederhanaan sintesis material dan penggunaan laser berdaya rendah.”

Studi lebih lanjut menunjukkan pembuatan gambar mikroskala kompleks menggunakan litografi laser langsung. Menggunakan laser 532 nm yang beroperasi pada 7 % daya (1,3 mW), tim peneliti Flinders menghasilkan garis-garis halus “Micro Lisa.” Gambar mikro tersebut berukuran sekitar sembilan μm lebar dan dua μm dalam. Mikron atau mikrometer, yang ditulis sebagai µm, setara dengan satu juta bagian meter.

Dengan menggunakan laser berdaya lebih tinggi (3,0 mW), tim kemudian menghasilkan garis yang lebih lebar dan lebih dalam pada bingkai persegi berukuran 23 μm lebar dan lima μm dalam. Litografi laser langsung ini, menurut tim, menonjol karena biaya rendah substrat polimer dan kesederhanaan sistem laser.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana laser dapat mengubah komputer modern.

Kesimpulan

Seperti yang kami lihat dalam studi ini, dengan menggunakan cahaya laser tampak dan inframerah berdaya rendah, para peneliti berhasil memodifikasi kopolimer. Modifikasi tersebut berlangsung cepat, dengan waktu paparan yang sangat singkat — dari milidetik, seper seribu detik, hingga satu detik. Skala waktu ini dapat menjadi keuntungan signifikan di berbagai industri, terutama yang memerlukan seluruh proses prototipe dan manufaktur dilakukan dengan cepat.

Dengan mengontrol panjang gelombang, diameter, dan daya sinar, para peneliti dapat membuat titik timbul, lubang, cekungan, saluran, dan paku pada permukaan polimer. Keanekaragaman ini berarti bahkan pola kompleks dapat dibuat, yang dapat meningkatkan fungsionalitas dan memenuhi aplikasi spesifik.

Namun itu belum semuanya. Hanya dengan memanaskan sampel, para peneliti selanjutnya dapat menghapus modifikasi pembengkakan polimer. Kemampuan ini signifikan, sebagaimana ditunjukkan tim dengan litografi laser langsung gambar kompleks dan pengkodean informasi yang dapat dihapus.

Studi ini tidak hanya memberikan metode sederhana serta material dan sistem laser berbiaya rendah yang dapat membantu menyediakan solusi yang lebih mudah diakses dan hemat biaya, tetapi juga dapat berguna secara khusus dalam enkripsi, penyimpanan data, dan banyak bidang lain di mana modifikasi sementara diperlukan.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa laser akan memainkan peran penting dalam hari-hari mendatang.