레이저 에칭을 통한 데이터 저장

1960년에 처음 개발된 레이저는 지난 몇 년 동안 인기가 높아지고 있습니다. 세계의 레이저 기술 시장 예상된다 성장하다 $35.4억 2032년까지. 이러한 성장 구동된다 통신, 국방, 과학, 보안, 데이터 저장 등 다양한 분야에서 레이저 수요가 증가하고 있습니다.

광 증폭을 통해 빛을 방출하는 장치인 레이저는 에칭에 널리 사용됩니다. 레이저 에칭은 제품 표면에 QR 코드, 바코드, 로고, 일련번호 등의 표시를 만드는 공정입니다. 이러한 표시에는 전체 수명 주기 동안 특정 제품의 출처를 추적하여 안전성과 내구성을 보장하는 데 필요한 중요한 정보가 포함되어 있습니다. 추가적으로 이 과정은 사용 제품에 대한 삽화를 만듭니다.

레이저 에칭은 레이저 마킹의 더 큰 범주에 속하며, 여기에는 재료를 가열하는 프로세스인 레이저 어닐링과 재료 기화와 관련된 레이저 조각도 포함됩니다. 다용도성이 뛰어난 레이저는 대부분의 금속을 에칭할 수 있습니다.

그렇다면 어떻게 작동합니까?

표시를 만들기 위해 레이저 빔은 집중된 영역에 높은 에너지를 방출하여 재료 표면을 녹입니다. 표면이 팽창하고 냉각되면서 원하는 표시가 형성됩니다. 단순히 표면의 색상이나 질감을 바꾸는 다른 공정과 달리, 레이저 에칭은 실제로 표면을 변형시켜 융기 또는 침몰 질감이 더 거친 영역.

따라서 레이저를 사용하여 재료의 표면을 변경하면 다양한 영구 디자인과 패턴이 만들어집니다.

에칭에 사용되는 다양한 유형의 레이저에는 섬유, CO2, 수정, 다이오드 레이저 및 다이오드 펌프 고체 레이저가 포함됩니다.

재료에 표시를 만드는 이 방법은 속도 및 광범위한 사용자 정의와 같은 이점을 제공합니다. 또한, 비접촉 방식으로 화학적 반응이나 기계적 응력이 발생하지 않아 우수한 품질의 마킹이 가능합니다. 레이저 에칭은 분말 코팅과 같은 비연마 처리에도 견딜 수 있습니다.

또한, 레이저 에칭은 사용되다 목재, 가죽, 플라스틱, 유리, 도자기, 자연석, 반도체 등 다양한 소재에 적용됩니다. 또한 알루미늄, 양극 산화 알루미늄, 납, 마그네슘, 강철, 아연, 구리, 황동 및 티타늄을 포함한 거의 모든 금속에 효과적이며 에칭이 가능합니다. 기본적으로 거의 모든 유형의 재료에 레이저 에칭이 가능합니다. 

그러나 레이저 에칭에는 기계에 대한 높은 초기 비용과 같은 문제가 없는 것은 아닙니다. 또한 샌드블래스팅에 노출된 환경과 같은 거친 환경에서는 마크가 마모될 수 있습니다. 

이러한 과제에도 불구하고 레이저 에칭의 장점은 단점보다 훨씬 크기 때문에 대부분의 마킹 응용 분야에 권장됩니다. 레이저 에칭 널리 사용됩니다 자동차, 전자, 포장, 방산 금속 제조, 보석, 예술품, 의료 기기 등 다양한 산업 분야에서 다양성, 효율성 및 정밀도를 자랑합니다.

레이저 에칭의 또 다른 흥미로운 응용 분야는 데이터 저장입니다. 10여년 전에 Hitachi는 다음과 같이 말했습니다. 정보 보존 석영 유리판에 레이저로 인코딩하여 수억 년 동안 보존할 수 있었습니다. 그러나 이 기술은 방대한 양의 데이터를 관리하는 문제를 해결하지 못했습니다. 

몇 년 전 사우샘프턴 대학교 광전자공학 연구센터 교수인 피터 카잔스키(Peter Kazansky)는 다음과 같이 말했습니다. 저장 레이저 에칭을 통해 작은 유리 디스크에 500테라바이트의 데이터를 담았습니다.

저전력 레이저를 사용한 폴리설파이드 표면 수정

레이저 에칭의 막대한 이점을 고려하여 연구원과 과학자들은 항상 기술을 개선하고 새로운 응용 분야를 찾는 방법을 찾고 있습니다. 최근 플린더스 대학교 연구진은 저렴하고 빛에 반응하는 황 유래 폴리머를 발견했습니다. 저전력 가시광선 레이저를 수용합니다. 

일반적으로 매우 큰 분자로 구성된 폴리머의 표면을 변경하려면 매우 높은 출력을 방출하는 레이저가 필요합니다. 고출력 레이저, 첨단 전자제품, 바이오메디컬 제품, 데이터 저장장치 등을 활용 부품을 생산할 수 있습니다. 그러나 최근의 발견으로 우리는 보다 저렴하고 안전한 생산 방법을 볼 수 있게 되었습니다. 

연구 동료이자 공동 저자인 Lynn Lisboa 박사에 따르면:

"이 발견의 영향은 실험실을 넘어 생물 의학 장치, 전자 제품, 정보 저장, 미세 유체 및 기타 여러 기능성 재료 응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있습니다." 

Angewandte Chemie International Edition에 게재됨 공부 다양한 분야의 발전을 지원하기 위해 레이저 광으로 폴리머 표면을 수정하는 것이 중요하다는 점을 지적하면서 이러한 변경에는 일반적으로 값비싼 고출력 레이저가 필요하며 위험한 수준의 방사선에 노출될 위험을 줄이기 위해 특수 도구와 시설이 추가로 필요하다는 점을 지적합니다. . 그런 다음 레이저로 쉽게 변경할 수 있도록 개발하는 데 복잡하고 비용이 많이 드는 폴리머 시스템 자체가 있습니다. 

따라서 쉽게 접근할 수 있고 낮은 수준의 방사선에 노출될 때 반응하는 폴리머가 필요합니다. 이는 더 간단하고 안전하며 경제적인 레이저 시스템을 의미합니다.

저전력 가시 및 비가시 적외선을 전달하는 레이저를 사용하여 저렴하고 빠르게 변경 가능한 황 공중합체의 발견은 이러한 요구를 해결합니다. 황 공중합체를 만들기 위해 연구진은 원소 황(S)과 사이클로펜타디엔 또는 디사이클로펜타디엔을 활용했습니다. 

그런 다음, 532, 638, 786nm 파장의 저전력 파동 레이저를 사용하여 폴리머 표면을 개질할 수 있었습니다. 이러한 개질에는 삭마(ablation)를 통한 에칭이나 조절된 팽윤(swelling)이 포함됩니다. 

이 연구는 레이저를 이용한 고분자 시스템의 변형과 손쉬운 합성을 두 가지 응용 분야, 즉 소거형 정보 저장 장치와 직접 레이저 리소그래피에 활용했습니다. 이러한 고분자의 높은 황 함량은 다양한 화학적, 물리적, 광학적 특성을 전달하여 에너지 저장, 열화상 광학, 금속 결합 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

그러면 S-S 결합이 있습니다. 부서지다 그리고 개질되어 복원 및 사용이 가능해졌습니다. 황 공중합체에서 S-S 결합의 역할이 이 연구의 발견으로 이어졌습니다. 특히 연구원들은 공중합체 표면이 눈에 띄게 변했습니다. 1 nm, 690 mW 다이오드 레이저에 1.10초 미만 노출된 직후. 연구에서는 다음과 같이 밝혔습니다.

"레이저의 낮은 출력과 짧은 노출 시간을 고려할 때 이러한 빠른 폴리머 변형은 놀라운 일이었습니다." 

레이저 수정으로 지울 수 있는 정보 저장 가능

이 연구가 출판된 화학 저널에는 핀의 둥근 머리보다 작은 마이크로 점자의 인쇄와 함께 유명한 모나리자 에칭의 레이저 에칭 버전도 포함되어 있습니다.

호주 연구 위원회(Australian Research Council), 플린더스 현미경 및 미세분석(Flinders Microscopy and Microanalytics), ANFF-SA 및 호주 현미경(Microscopy Australia)의 지원을 받은 이 연구는 보다 지속 가능한 재료를 사용할 수 있는 길을 열 수 있는 발견을 강조합니다. 특히, 이번 연구에서는 저가의 산업 부산물인 원소 황으로 만든 폴리머를 활용했습니다. 게다가, 이 방법은 값비싼 전문 장비의 필요성을 완화할 수 있습니다. 그러나 고출력 레이저에는 위험한 방사선의 위험이 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

발견 했다 2년 전 Chalker Lab에서 PhD 후보인 Samuel Tonkin과 Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering의 화학 교수인 Justin Chalke가 발명한 폴리머를 일상적으로 분석하는 중입니다.

새로운 폴리머 발견 레이저 빛이 표면에 닿자마자 바로 수정됩니다. 이연구 공동 저자이자 Flinders University 연구원인 Christopher Gibson 박사는 이것이 "비정상적인 반응"이라고 말했습니다. 관찰 된 다른 일반적인 폴리머보다 먼저. 그는 말했다:

"우리는 이 현상이 다양한 응용 분야에서 유용할 수 있다는 것을 즉시 깨달았고, 발견을 중심으로 연구 프로젝트를 구축했습니다." 

플린더스 과학 및 공학 박사 과정 후보자인 Abigail Mann은 이를 흥미로운 개발이라고 부르며 새로운 기술을 사용하여 황 기반 재료에 대한 마이크로미터 및 더 작은 규모의 구조를 제작함으로써 "광범위한 실제 산업에 영감을 주기를 희망합니다"라고 말했습니다. 우리 연구실과 그 너머의 세계에 적용할 수 있습니다.”

이 발견은 폴리머 표면에 정확한 패턴을 생성하는 새로운 방법을 제공합니다. 이러한 기능은 패턴화된 표면을 가진 생체의학 장치, 데이터 저장에 폴리머를 사용하는 새로운 방법, 미세 유체, 센서 및 전자 장치용 나노 규모 장치를 제조하는 대체 접근 방식에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

지울 수 있는 정보 저장의 잠재력에 대한 실제적인 시연에서, 이 연구는 점자로 메시지를 인코딩하는 능력을 보여주었습니다. 이 달성했다 레이저를 사용하여 재료에 돌출된 점을 만들고 동적 S-S 결합과 비트리머(메시지 작성 및 삭제를 모두 촉진하는 플라스틱 범주)와 유사한 특성을 활용합니다. 

점자로 "비밀 메시지" 철자를 만들기 위해 연구원들은 레이저 출력 설정이 낮은 레이저(638nm, 2.4mW)를 사용했습니다. 3.6μm±0.2μm 높이의 융기된 도트는 폴리머 표면을 단 1.3초 동안 레이저에 노출시켜 형성되었습니다.

그런 다음 팀은 더 높은 전력 설정(638nm, 5.4mW)을 사용하여 제거 및 재료 제거를 통해 모서리에 피트를 만들었습니다. 이번에도 레이저 노출은 1.3초였습니다. 

연구 결과, 160°C 오븐에서 5시간 동안 배양했을 때 열 처리로 들뜬 점이 지워지는 것으로 나타났습니다. 한편, 제거에 의해 형성된 구덩이는 폴리머가 황을 영구적으로 잃어버리기 때문에 그대로 유지되었습니다. 

연구에 따르면 제거 가능한 정보 인코딩 프로세스는 "재료 합성의 단순성과 저전력 레이저 사용이라는 이점을 통해 감광성 ​​재료의 새로운 방향을 구성합니다."

이 연구는 직접 레이저 리소그래피를 사용하여 복잡한 마이크로 스케일 이미지의 생성을 추가로 입증했습니다. 플린더스 연구팀은 532% 출력(7mW)에서 작동하는 1.3nm 레이저를 사용하여 "마이크로 리사"의 미세한 선을 생성했습니다. 마이크로이미지는 폭이 약 XNUMXμm이고 깊이가 XNUMXμm였습니다. µm으로 표시되는 미크론 또는 마이크로미터는 XNUMX미터의 XNUMX만분의 XNUMX에 해당합니다. 

그런 다음 팀은 더 높은 출력의 레이저(3.0mW)를 사용하여 폭 23μm, 깊이 XNUMXμm 정사각형 프레임의 더 넓고 깊은 라인을 생성했습니다. 팀에 따르면 이 직접 레이저 리소그래피는 폴리머 기판의 저렴한 비용과 레이저 시스템의 단순성 측면에서 독특합니다.

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맺음말

이번 연구에서 보았듯이, 저전력 가시광선과 적외선 레이저를 사용하여 연구자들은 공중합체를 변형할 수 있었습니다. 수정은 신속하게 이뤄졌으며 노출 시간은 밀리초, 1000분의 1초, 1초로 매우 짧았습니다. 이 기간은 다양한 산업, 특히 전체 프로토타입 제작 및 제조 프로세스를 요구하는 산업에서 상당한 이점을 제공할 수 있습니다. 완료 빠른.

빔의 파장, 직경 및 출력을 제어함으로써 연구원들은 폴리머 표면에 융기된 점, 구멍, 구덩이, 채널 및 스파이크를 만들 수 있었습니다. 이러한 다양성은 복잡한 패턴도 생성할 수 있다는 것을 의미하며, 이를 통해 기능을 개선하고 특정 애플리케이션을 충족할 수 있습니다. 

그러나 이것이 전부는 아닙니다. 단순히 샘플을 가열함으로써 연구진은 폴리머 팽창 변형을 더욱 지울 수 있었습니다. 복잡한 이미지의 직접 레이저 리소그래피와 지울 수 있는 정보 인코딩을 통해 팀이 입증한 것처럼 이러한 기능은 중요합니다.

이 연구는 보다 접근하기 쉽고 비용 효율적인 솔루션을 제공하는 데 도움이 될 수 있는 간단한 방법과 저렴한 재료 및 레이저 시스템을 제공했을 뿐만 아니라 암호화, 데이터 저장 및 임시 수정이 필요한 기타 여러 분야에서 특히 유용할 수 있습니다. 필요합니다.

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