材料科学
レーザーエッチングによるデータの保存
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1960 年に初めて開発されたレーザーは、ここ数年で人気が高まっています。世界のレーザー技術市場 投影されます に成長する 35.4億ドル 2032 年までにこの成長 運転されています 通信、防衛、科学、セキュリティ、データストレージなどを含むさまざまな分野でレーザーの需要が高まっているためです。
レーザーは、光増幅によって光を放射するデバイスであり、エッチングに広く使用されています。レーザー エッチングは、QR コード、バーコード、ロゴ、シリアル番号などのマーキングを製品の表面に作成するプロセスです。これらのマーキングには、ライフサイクル全体を通じて特定の製品の出所を追跡し、その安全性と耐久性を確保するための重要な情報が含まれています。さらに、このプロセスは、 使用されている 商品のアートワークを作成するため。
レーザー エッチングは、レーザー マーキングのより大きなカテゴリに分類され、レーザー アニーリング (材料を加熱するプロセス) や、材料の蒸発を伴うレーザー彫刻も含まれます。レーザーは汎用性が高いため、ほとんどの金属をエッチングできます。
それで、これはどのように機能しますか？
マークを付けるには、レーザービームを集中的に照射し、高エネルギーを材料の表面を溶かします。表面が膨張して冷却されると、目的のマークが形成されます。表面の色や質感を変えるだけの他の加工とは異なり、レーザーエッチングは実際に表面を変化させ、隆起や凹凸を作り出します。 沈んだ テクスチャが粗い領域。
したがって、レーザーを使用して材料の表面を変更することにより、さまざまな永久的なデザインやパターンが作成されます。
エッチング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、CO2、結晶、ダイオード レーザー、ダイオード励起固体レーザーなどがあります。
マテリアル上にマークを作成するこの方法には、速度や広範なカスタマイズなどの利点があります。また、非接触方式であるため、化学反応や機械的ストレスが発生せず、高品質のマークが得られます。レーザー エッチングは、粉体塗装などの非研磨処理にも耐えることができます。
また、レーザーエッチングにより、 利用される 木材、皮革、プラスチック、ガラス、陶磁器、天然石、半導体など多種多様な素材に対応します。また、アルミニウム、陽極酸化アルミニウム、鉛、マグネシウム、鋼、亜鉛、銅、真鍮など、ほぼすべての金属に効果があり、チタンもエッチングできます。基本的に、ほぼすべての種類の材料をレーザー エッチングできます。
しかし、レーザーエッチングには、機械の初期費用が高額であるなどの問題がないわけではありません。さらに、サンドブラストにさらされるなど、摩耗しやすい環境ではマークが摩耗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 エッチングの利点はその欠点をはるかに上回るため、ほとんどのマーキング用途に推奨されています。レーザーエッチング 広く使用されています その多用途性、効率性、精度により、自動車、エレクトロニクス、梱包、防衛金属製造、宝飾品、美術品、医療機器など、多くの業界で採用されています。
レーザー エッチングのもう 1 つの興味深い用途は、データの保存です。 10年以上前、日立は次のように話していました。 情報の保存 石英ガラス板にレーザーエンコードすることで、数億年分のデータを保存した。しかし、この技術では膨大な量のデータを管理するという問題は解決できなかった。
数年前、サウサンプトン大学オプトエレクトロニクス研究センター教授のピーター・カザンスキー氏はこう言った。 保存され レーザー エッチングにより、500 テラバイトのデータが小さなガラス ディスクに保存されます。
低出力レーザーによる多硫化物表面の改質
レーザー エッチングの多大な利点を考慮して、研究者や科学者は常に技術を改善し、新しい用途を見つける方法を模索しています。最近、フリンダース大学の研究者らは、 安価で光応答性の硫黄由来ポリマーを発見 低出力の可視光レーザーを受け入れます。
通常、非常に大きな分子で構成されるポリマーの表面を変更するには、非常に高出力のレーザーが必要です。高出力レーザー、ハイテクエレクトロニクス、生物医学製品、データストレージの使用 コンポーネントを生産できる。しかし、最新の発見により、より手頃な価格でより安全な製造方法が見られるようになりました。
研究助手で共著者のリン・リスボア博士は次のように述べています。
「この発見の影響は実験室をはるかに超えて広がり、生物医学機器、エレクトロニクス、情報ストレージ、マイクロ流体工学、その他多くの機能性材料の用途に使用される可能性があります。」
Angewandte Chemie International Edition に掲載されました。 研究 同氏は、さまざまな分野の進歩を支える上でレーザー光でポリマー表面を改質することの重要性を指摘する一方、そのような改質には通常高価で高出力のレーザーが必要であり、さらに危険なレベルの放射線への曝露のリスクを軽減するために特別なツールや設備が必要になることを指摘している。 。さらに、レーザーで簡単に変更できるようにするために、ポリマー システム自体が複雑で開発に費用がかかる傾向があります。
そのため、簡単に入手でき、低レベルの放射線にさらされたときに反応するポリマーが必要とされています。これは、よりシンプルで、より安全で、より経済的なレーザー システムを意味するからです。
低出力の可視および不可視の赤外光を照射するレーザーを使用した、安価で迅速に変更可能な硫黄コポリマーの発見は、これらのニーズに対処します。硫黄コポリマーを作成するために、研究者らは元素硫黄 (S) とシクロペンタジエンまたはジシクロペンタジエンのいずれかを利用しました。
次に、532、638、786nmの波長を持つ低出力の波長レーザーを用いて、研究チームはポリマーの表面を改質することに成功しました。これらの改質には、アブレーションによるエッチングや制御された膨潤が含まれます。
本研究では、レーザーによるポリマーシステムの改質と簡易合成を、消去可能な情報ストレージと直接レーザーリソグラフィーという2つの用途に応用しました。これらのポリマーは硫黄含有量が高いため、様々な化学的、物理的、光学的特性を伝達し、エネルギー貯蔵、熱画像化光学、金属結合など、多様な用途を可能にします。
次に、S−S 結合があります。 壊れる そして再形成され、修復と利用が可能になる。硫黄共重合体におけるS−S結合の信頼性が、本研究の発見につながった。特に研究者らは、 コポリマーの表面は目に見えて変化した 1 nm、690 mW ダイオード レーザーに 1.10 秒未満暴露した直後。研究では次のように述べられています。
「レーザーの出力が低く、露光時間が短いことを考えると、この急速なポリマーの改質は驚きでした。」
レーザー修正により消去可能な情報ストレージが可能に
この研究が掲載された化学雑誌には、ピンの丸い頭よりも小さいマイクロ点字の印刷とともに、有名なモナリザのレーザーエッチング版も掲載されていた。
オーストラリア研究評議会、フリンダース顕微鏡および微小分析、ANFF-SA、および顕微鏡オーストラリアの資金提供を受けたこの研究は、より持続可能な材料の使用への道を開く可能性のある発見に焦点を当てています。具体的には、この研究では、低コストの工業副産物である元素状硫黄から作られたポリマーを利用しました。さらに、この方法により、高価な特殊な機器の必要性が軽減されます。ただし、高出力レーザーには有害な放射線のリスクがあることに注意することが重要です。
発見 作られた フリンダース大学ナノスケール科学工学研究所の博士課程候補者サミュエル・トンキン氏と化学教授ジャスティン・チョルク氏が2年前にチョーカー研究所で発明したポリマーの日常分析中に。
新規ポリマー 発見された レーザー光が表面に触れた瞬間に変更されます。 この研究の共著者であり、フリンダース大学の研究者であるクリストファー・ギブソン博士は、これは「異常な反応」であり、 観察された 他の一般的なポリマーよりも前に。彼は言った：
「私たちは、この現象がさまざまな用途に役立つ可能性があることにすぐに気づきました。そこで、この発見を中心に研究プロジェクトを構築しました。」
フリンダース理工科大学の博士課程候補者であるアビゲイル・マン氏は、これをエキサイティングな開発と呼び、硫黄ベースの材料でマイクロメートル以下のスケールの構造を製造する新しい技術を使用することで、「幅広い現実の研究にインスピレーションを与えたいと考えている」と述べた。私たちの研究室だけでなく、それ以外の世界のアプリケーションにも応用できます。」
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。このような機能は、パターン化された表面を備えた生物医学デバイス、データストレージでポリマーを使用する新しい方法、およびマイクロ流体工学、センサー、およびエレクトロニクス用のナノスケールデバイスを製造するための代替アプローチに応用できる可能性があります。
この研究では、消去可能な情報ストレージの可能性を実際に実証するために、点字でメッセージをエンコードする機能を紹介しました。 この が達成された レーザーを使用して材料上に隆起したドットを作成し、動的な S-S 結合とビトリマー (メッセージの書き込みと消去の両方を容易にするプラスチックのカテゴリー) に似た特性を利用します。
点字で「秘密のメッセージ」の綴りを作成するために、研究者らは、より低いレーザー出力設定（638 nm、2.4 mW）のレーザーを使用しました。高さ３．６μｍ±０．２μｍの隆起ドットは、ポリマーの表面をレーザーにわずか１．３秒間曝露することによって形成された。
次に、チームはより高い出力設定 (638 nm、5.4 mW) を使用して、アブレーションと材料除去によってコーナーにピットを作成しました。ここでもレーザー照射時間は 1.3 秒でした。
この研究では、160 °C のオーブンで 5 時間インキュベートすると、熱処理によって浮き上がったドットが消去される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、ポリマーが永久に硫黄を失ったため、無傷のまま残りました。
研究によれば、取り外し可能な情報をエンコードするプロセスは、「材料合成の簡素化と低出力レーザーの使用という利点を伴い、光応答性材料の新たな方向性を構成する」という。
この研究ではさらに、ダイレクト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実証されました。フリンダースの研究チームは、出力 532 % (7 mW) で動作する 1.3 nm レーザーを使用して、「マイクロ リサ」のより細い線を生成しました。マイクロ画像は幅約 XNUMX μm、深さ XNUMX μm でした。 μm で表されるミクロンまたはマイクロメートルは、XNUMX メートルの XNUMX 万分の XNUMX に相当します。
次にチームは、より高出力のレーザー (3.0 mW) を使用して、幅 23 μm、深さ XNUMX μm の正方形のフレームのより幅が広く、より深い線を生成しました。研究チームによると、このダイレクト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単純さの点で特徴的です。
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結論
この研究で見られたように、研究者らは低出力の可視レーザー光と赤外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。修正は迅速で、露光時間はミリ秒、1000分の1秒から1秒と非常に短くなりました。このタイムスケールは、さまざまな業界、特にプロトタイピングと製造プロセス全体に 終わり 高速です。
ビームの波長、直径、パワーを制御することで、研究者らはポリマー表面に隆起した点、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。この多用途性は、複雑なパターンも作成できることを意味し、機能を向上させ、特定の用途に対応できます。
ただこれが全てではありません。サンプルを加熱するだけで、研究者らはポリマーの膨潤変化をさらに消去することができました。これらの機能は、複雑な画像の直接レーザー リソグラフィーと消去可能な情報エンコードによってチームが実証したように、重要です。
この研究は、よりアクセスしやすく費用対効果の高いソリューションを提供するのに役立つ簡単な方法と低コストの材料およびレーザー システムを提供しただけでなく、暗号化、データ ストレージ、および一時的な変更が必要な他の多くの分野でも特に役立ちます。必要です。
