材料科学
レーザー刻印によるデータの保存
1960年に初めて開発されたレーザーは、近年人気を博しています。世界のレーザー技術市場は、2032年までに35.4億ドルに成長すると予測されています。この成長は、通信、国防、科学、セキュリティ、データ保存など、さまざまな分野でのレーザーの需要の増加によって推進されています。
レーザーは、光を介した増幅によって光を発生する装置で、広くETCHINGに使用されています。レーザーETCHINGは、QRコード、バーコード、ロゴ、シリアル番号などの製品の表面にマークを作成するプロセスです。これらのマークには、製品の全ライフサイクルを通じてその安全性と耐久性を確保するために、重要な情報を追跡するために必要な情報が含まれています。また、このプロセスは、製品のアートワークを作成するために使用されます。
レーザーETCHINGは、レーザー焼結—a process that heats the material—andレーザーENGRAVING、which involves vaporizing the materialを含む、より広いレーザーマーキングのカテゴリに属しています。高い汎用性を持つレーザーは、ほとんどの金属をETCHINGできます。
では、どのように機能するのでしょうか?
マークを作成するには、レーザービームが集中した領域に多量のエネルギーを放出します。材料の表面が融け、冷えるにつれて、望ましいマークが形成されます。他のプロセスとは異なり、レーザーETCHINGは表面の色や質感を変更するのではなく、実際に表面を変更して、凹凸のある粗い質感の領域を作成します。
したがって、レーザーの助けを借りて材料の表面を変更することで、さまざまな永久的なデザインとパターンが作成されます。
ETCHINGに使用されるさまざまな種類のレーザーには、ファイバーレーザー、CO2レーザー、結晶レーザー、ダイオードレーザー、ダイオードポンプ固体レーザーがあります。
材料にマークを作成するこの方法は、速度と広範なカスタマイズの利点を提供します。また、化学反応を起こさず、機械的ストレスを生じず、優れた品質のマークを生成するノンコンタクト方法です。レーザーETCHINGは、パウダーコーティングなどの非研磨処理にも耐えることができます。
さらに、レーザーETCHINGは、木材、皮革、プラスチック、ガラス、セラミック、天然石、半導体などの幅広い材料で使用できます。また、ほとんどの金属、アルミニウム、アノダイジングアルミニウム、鉛、マグネシウム、鋼、亜鉛、銅、真鍮、チタンにも適しています。基本的に、ほとんどの種類の材料をレーザーETCHINGできます。
ただし、レーザーETCHINGには、高額な初期費用などの問題があります。さらに、研磨環境では、マークが劣化する可能性があります。
これらの課題にもかかわらず、レーザーETCHINGの利点は欠点を上回り、ほとんどのマーキングアプリケーションに推奨されます。レーザーETCHINGは、汎用性、効率、精度のため、自動車、電子機器、パッケージ、国防金属加工、ジュエリー、芸術、医療機器などの多くの業界で広く使用されています。
レーザーETCHINGのもう1つの興味深い応用は、データ保存です。10年以上前に、日立は、レーザーによって二酸化ケイ素ガラスのスラブに情報を保存することについて話しました。しかし、この技術は、膨大な量のデータを管理する問題に対処しませんでした。
数年前、サウザンプトン大学のOptoelectronics Research Centreの教授であるPeter Kazanskyは、レーザーETCHINGを使用して、小さなガラスディスクに500テラバイトのデータを保存しました。
ポリスルフィド表面の低出力レーザーによる修飾
レーザーETCHINGの多大な利点を考えると、研究者や科学者は、常にこの技術を改善し、新しい応用を見つける方法を探しています。最近、フリンダース大学の研究者は、安価で、低出力の可視光レーザーに対応する硫黄由来のポリマーを発見しました。
通常、ポリマーの表面を変更するには、高出力のレーザーが必要です。高出力レーザーを使用して、高性能の電子機器、バイオメディカル製品、データ保存コンポーネントを生成できます。しかし、最新の発見により、より安価で安全な生産方法が可能になります。
研究責任者であり共同著者であるLynn Lisboa博士によれば:
“この発見の影響は、研究室を超えて、バイオメディカルデバイス、電子機器、情報保存、ミクロ流体工学、センサー、電子機器などの多くの機能材料への応用に及ぶ可能性があります。”
Angewandte Chemie International Editionに掲載された研究では、ポリマー表面のレーザー光による修飾の重要性を強調し、さまざまな分野の進歩を支援しています。また、通常、ポリマー表面の変更には、高出力のレーザーが必要であり、特殊なツールと施設が必要になることも指摘しています。
したがって、低レベルの放射線に反応するポリマーが必要であり、これにより、シンプルで安全で経済的なレーザーシステムが可能になります。
低出力の可視光および赤外線レーザー光を使用して、硫黄コポリマーを修飾することができます。研究者は、硫黄(S)とシクロペンタジエンまたはジシクロペンタジエンを使用して硫黄コポリマーを合成しました。
その後、研究チームは、低出力波長レーザー(532、638、786 nm)を使用してポリマーの表面を修飾しました。これらの修飾には、削除または制御された膨張が含まれます。
研究では、ポリマーシステムの修飾を使用した二つの応用例、消去可能な情報保存と直接レーザーリソグラフィーを示しています。ポリマーの高硫黄含有量は、化学的、物理的、光学的特性を伝達し、エネルギー貯蔵、熱イメージング光学、金属結合などの多様な応用を可能にします。
さらに、S-S結合は破壊および再形成可能であり、回復と使用を可能にします。硫黄コポリマーにおけるS-S結合の脆弱性が、この研究の発見につながりました。特に、研究者は、ポリマーの表面が、690 nm、1.10 mWのダイオードレーザーに1秒未満の時間で明らかに変更されたことを指摘しています。研究では:
“レーザーの低出力と短時間の暴露にもかかわらず、このような迅速なポリマー修飾は驚きでした。”
レーザー修飾による消去可能な情報保存
研究が発表された化学ジャーナルでは、有名なモナリザのレーザー刻印バージョンと、マイクロブレイルの印刷が紹介されました。
オーストラリア研究評議会、フリンダースマイクロスコピーおよびマイクロアナリシス、ANFF-SA、ミクロスコピーオーストラリアの資金提供により、研究は、より持続可能な材料の使用を可能にする発見を強調しています。具体的には、研究では、低コストの工業副産物である元素硫黄から作られたポリマーを使用しました。また、この方法は、高価な特殊機器の必要性を軽減することもできます。ただし、高出力レーザーは、有害な放射線のリスクをもたらす可能性があります。
この発見は、フリンダース大学のChalker Labで2年前に発明されたポリマーを分析中に行われました。
新しいポリマーは、レーザー光が表面に触れた瞬間に修飾されました。フリンダース大学の研究者であるChristopher Gibson博士は、これは”異常な反応”であり、以前には観察されたことがないものであると述べました。
フリンダース大学の博士課程学生であるAbigail Mannは、この発見を”興奮する発展”と呼び、硫黄ベースの材料のマイクロメートルスケールの構造を生成するための新しい技術を使用して、実世界の応用を刺激することを希望しています。
この発見は、ポリマー表面に正確なパターンを生成する新しい方法を提供します。この機能は、表面にパターンを持つバイオメディカルデバイス、ポリマーを使用した新しいデータ保存方法、ミクロ流体工学、センサー、電子機器への代替アプローチなど、さまざまな応用に潜在的に役立ちます。
実用的なデモンストレーションとして、研究では、ブレイルでメッセージをエンコードする能力を示しました。レーザーを使用して材料に盛り上がったドットを作成することで、これが実現可能になりました。
ドットの高さは3.6 μm±0.2 μmで、ポリマーの表面をレーザーに1.3秒間暴露することで形成されました。
その後、チームは、5.4 mWの高出力設定を使用して、1.3秒間のレーザー暴露でアブレーションと材料除去を介してピットを作成しました。
研究では、熱処理によって、160°Cのオーブンで5時間加熱することで、盛り上がったドットが消去されたことがわかりました。一方、アブレーションによって形成されたピットは、ポリマーが硫黄を永久的に失ったため、不変のまま残りました。
研究によれば、除去可能な情報エンコードのプロセスは、”写真応答材料における新しい方向性を構成し、材料合成と低出力レーザーの使用の簡素化の利点があります。”
研究では、直接レーザーリソグラフィーを使用して、複雑なマイクロスケール画像を生成することも示しています。532 nmのレーザーを7%の出力(1.3 mW)で使用して、”Micro Lisa”の細い線を生成しました。
高出力レーザー(3.0 mW)を使用して、23 μm幅、5 μm深の広い線と深い線の正方形フレームを生成しました。この直接レーザーリソグラフィーは、ポリマー基板の低コストとレーザーシステムの簡素さにより、独自のものです。
こちらをクリックして、レーザーが現代のコンピューターを変える可能性について学びます。
結論
この研究では、低出力の可視光および赤外線レーザー光を使用してコポリマーを修飾することができました。修飾は迅速で、暴露時間は非常に短く、ミリ秒から1秒の範囲でした。これは、プロトタイピングと製造プロセスを迅速に実行する必要がある業界では大きな利点となります。
レーザービームの波長、直径、出力を制御することで、研究者はポリマー表面に盛り上がったドット、穴、ピット、チャネル、スパイクを作成することができました。この汎用性により、複雑なパターンを作成でき、機能を向上させ、特定の応用に適合させることができます。
しかし、これだけではありません。サンプルを単純に加熱することで、研究者はポリマーの膨張修飾を消去することができました。これらの機能は、直接レーザーリソグラフィーと消去可能な情報エンコードの実証によって実証されています。
この研究は、シンプルで低コストの材料とレーザーシステムを提供し、よりアクセスしやすくコスト効率の高いソリューションを提供するだけでなく、暗号化、データ保存、その他の一時的な修飾が必要な分野で非常に役立つことができます。
