재료 과학
레이저 에칭을 통한 데이터 저장
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1960년에 처음 개발된 레이저는 최근 몇 년 동안 인기가 급증하고 있습니다. 전 세계 레이저 기술 시장 은 성장하여 $35.4 bln 까지 2032년에 도달할 것으로 예상됩니다. 이 성장 은 통신, 방위, 과학, 보안, 데이터 저장 등 다양한 분야에서 레이저에 대한 수요가 증가함에 따라 촉진됩니다.
광학 증폭을 통해 빛을 방출하는 장치인 레이저는 에칭에 널리 사용됩니다. 레이저 에칭은 제품 표면에 QR 코드, 바코드, 로고, 일련 번호와 같은 표시를 만드는 과정입니다. 이러한 표시에는 제품의 전체 수명 주기 동안 출처를 추적하고 안전성과 내구성을 보장하는 데 필요한 중요한 정보가 포함됩니다. 또한 이 과정은 제품의 예술 작품을 만들 때도 사용됩니다.
레이저 에칭은 레이저 마킹이라는 더 큰 범주에 속하며, 여기에는 재료를 가열하는 레이저 어닐링과 재료를 기화시키는 레이저 조각이 포함됩니다. 레이저는 매우 다재다능하여 대부분의 금속을 에칭할 수 있습니다.
그렇다면 이것은 어떻게 작동할까요?
표시를 만들기 위해 레이저 빔은 높은 에너지를 집중된 영역에 전달하여 재료 표면을 녹입니다. 표면이 팽창하고 식으면서 원하는 표시가 형성됩니다. 단순히 색상이나 질감만 바꾸는 다른 공정과 달리 레이저 에칭은 실제로 표면을 변형시켜 돌출되거나 오목한 영역을 만들고 거친 질감을 부여합니다.
따라서 레이저의 도움으로 재료 표면을 변형함으로써 다양한 영구적인 디자인과 패턴이 만들어집니다.
에칭에 사용되는 레이저 종류에는 섬유 레이저, CO₂ 레이저, 결정 레이저, 다이오드 레이저 및 다이오드 펌프 고체 레이저가 포함됩니다.
이 방법은 속도와 광범위한 맞춤화와 같은 이점을 제공합니다. 또한 화학 반응을 일으키거나 기계적 스트레스를 유발하지 않는 비접촉 방식이며, 우수한 품질의 표시를 생성합니다. 레이저 에칭은 파우더 코팅과 같은 비마모성 처리도 견딜 수 있습니다.
게다가 레이저 에칭은 목재, 가죽, 플라스틱, 유리, 세라믹, 천연 석재 및 반도체와 같은 다양한 재료에 적용될 수 있습니다. 알루미늄, 양극산화 알루미늄, 납, 마그네슘, 강철, 아연, 구리, 황동 및 티타늄을 포함한 거의 모든 금속도 에칭할 수 있습니다. 기본적으로 거의 모든 종류의 재료를 레이저로 에칭할 수 있습니다.
하지만 레이저 에칭에는 기계의 초기 비용이 높다는 문제점이 있습니다. 또한 마모성 환경, 예를 들어 샌드블라스팅에 노출되는 경우 표시가 마모될 수 있습니다.
이러한 도전에도 불구하고 레이저 에칭의 장점은 단점을 크게 능가하여 대부분의 표시 응용 분야에 권장됩니다. 레이저 에칭은 그 다양성, 효율성 및 정밀성으로 자동차, 전자, 포장 및 방위 금속 가공, 보석, 예술 및 의료 기기 등 많은 산업에서 널리 사용됩니다.
레이저 에칭의 또 다른 흥미로운 응용 분야는 데이터 저장입니다. 10년 전, 히타치는 수백만 년 동안 정보를 보존하기 위해 석영 유리 슬래브에 레이저 인코딩하는 방법을 제시했습니다. 그러나 이 기술은 방대한 데이터를 관리하는 문제를 해결하지 못했습니다.
몇 년 전, 사우샘프턴 대학교 광전 연구 센터의 교수 피터 카잔스키는 500 테라바이트의 데이터를 작은 유리 디스크에 레이저 에칭을 통해 저장했습니다.
저전력 레이저를 이용한 폴리설파이드 표면 변형
레이저 에칭의 방대한 이점을 고려할 때, 연구원과 과학자들은 기술을 개선하고 새로운 응용 분야를 찾기 위해 끊임없이 노력합니다. 최근 플린더스 대학교 연구진은 저렴하고 빛에 반응하는 황 기반 고분자가 저전력 가시광 레이저에 반응한다는 사실을 발견했습니다.
일반적으로 매우 큰 분자로 구성된 고분자 표면을 변형하려면 고출력 레이저가 필요합니다. 고출력 레이저를 사용하면 첨단 전자 제품, 바이오메디컬 제품 및 데이터 저장 구성 요소를 제조할 수 있습니다. 그러나 이번 최신 발견을 통해 보다 저렴하고 안전한 생산 방법을 기대할 수 있게 되었습니다.
연구 조교이자 공동 저자인 린 리스보 박사에 따르면:
“이 발견의 영향은 실험실을 넘어 바이오메디컬 장치, 전자 제품, 정보 저장, 미세유체학 및 기타 많은 기능성 소재 응용 분야에까지 확장됩니다.”
Angewandte Chemie International Edition에 발표된 연구는 레이저 빛으로 고분자 표면을 변형하는 것이 다양한 분야의 발전을 지원하는 데 중요하다고 강조하면서, 이러한 변형에는 일반적으로 비용이 많이 드는 고출력 레이저가 필요하고, 방사선 위험을 줄이기 위해 특수 도구와 시설이 필요하다고 지적했습니다. 또한 레이저가 쉽게 변형할 수 있도록 고분자 시스템 자체가 복잡하고 비용이 많이 드는 경우가 많다고 언급했습니다.
따라서 저출력 레이저에 노출될 때 쉽게 접근 가능하고 반응하는 고분자가 필요합니다. 이는 더 간단하고 안전하며 경제적인 레이저 시스템을 의미합니다.
저전력 가시광 및 적외선 레이저를 이용해 저렴하고 빠르게 변형 가능한 황 공중합체를 발견한 것이 이러한 요구를 충족시킵니다. 황 공중합체를 만들기 위해 연구진은 원소 황(S)과 시클로펜타디엔 또는 디사이클로펜타디엔을 사용했습니다.
그 후, 파장 532, 638 및 786 nm인 저전력 파동 레이저를 활용해 고분자 표면을 변형했습니다. 이러한 변형에는 어블레이션을 통한 에칭이나 제어된 팽창이 포함됩니다.
연구팀은 레이저와 간편한 합성을 이용한 고분자 시스템 변형을 두 가지 응용 분야—지우기 가능한 정보 저장 및 직접 레이저 리소그래피—에 적용했습니다. 이 고분자는 높은 황 함량 덕분에 다양한 화학적, 물리적, 광학적 특성을 전달하여 에너지 저장, 열 영상 광학 및 금속 결합 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
또한 S−S 결합은 깨지고 재결합될 수 있어 복원 및 재사용이 가능합니다. S−S 결합의 가변성은 이번 연구의 발견을 가능하게 했습니다. 특히 연구진은 공중합체 표면이 690 nm, 1.10 mW 다이오드 레이저에 1 초 미만 노출된 직후 눈에 띄게 변형된다고 언급했습니다. 연구는 다음과 같이 밝혔습니다:
“레이저의 저전력과 짧은 노출 시간에도 불구하고 이러한 빠른 고분자 변형은 놀라운 결과였습니다.”
레이저 변형을 통한 지우기 가능한 정보 저장
연구가 발표된 화학 저널은 유명한 모나리자 에칭의 레이저 버전과 핀 머리보다도 작은 마이크로 점자를 함께 실었습니다.
호주 연구 위원회, 플린더스 현미경 및 미세분석, ANFF-SA 및 Microscopy Australia의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 보다 지속 가능한 소재 사용을 위한 길을 열 수 있는 발견을 강조합니다. 구체적으로, 연구팀은 저비용 산업 부산물인 원소 황으로 만든 고분자를 활용했습니다. 또한 이 방법은 고가의 특수 장비에 대한 의존도를 낮출 수 있습니다. 다만 고출력 레이저는 위험한 방사선 위험을 동반한다는 점을 유념해야 합니다.
이 발견은 2년 전 플린더스 대학교 나노스케일 과학 및 공학 연구소의 체커 연구실에서 박사과정 학생 사무엘 톤킨과 화학 교수 저스틴 챌크가 만든 고분자를 일상 분석하던 중 이루어졌습니다.
새로운 고분자는 레이저 빛이 표면에 닿는 순간 변형되는 것으로 확인되었습니다. 이, 플린더스 대학교 연구원이자 공동 저자인 크리스토퍼 깁슨 박사는, 이것이 다른 일반 고분자에서는 관찰되지 않은 ‘특이한 반응’이라고 설명했습니다. 그는 다음과 같이 말했습니다:
“우리는 즉시 이 현상이 여러 응용 분야에 유용할 수 있음을 깨달았고, 이를 기반으로 연구 프로젝트를 구축했습니다.”
이 흥미로운 발전이라고 평가한 플린더스 과학 및 공학 대학원 박사과정 학생 애비게일 만은, 황 기반 소재로 마이크로미터 이하 규모의 구조를 제작하는 새로운 기술을 활용함으로써 “우리 연구실과 그 너머에서 다양한 실제 응용 사례에 영감을 주길 기대한다”고 밝혔습니다.
이 발견은 고분자 표면에 정밀한 패턴을 생성하는 새로운 방법을 제공합니다. 이러한 능력은 패턴화된 표면을 가진 바이오메디컬 디바이스, 데이터 저장을 위한 새로운 고분자 활용법, 미세유체학, 센서 및 전자 장치를 위한 나노스케일 디바이스 제조에 대한 대안적 접근법 등에 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.
지우기 가능한 정보 저장 가능성을 실증하기 위해, 연구팀은 점자를 이용해 메시지를 인코딩하는 능력을 시연했습니다. 이 는 레이저를 사용해 재료에 돌출된 점을 만들고, 동적 S−S 결합과 비트리머와 유사한 특성을 활용해 메시지를 쓰고 지울 수 있게 했습니다.
“비밀 메시지”를 점자로 표기하기 위해 연구진은 낮은 레이저 출력 설정(638 nm, 2.4 mW)을 사용했습니다. 돌출된 점은 높이가 3.6 μm±0.2 μm였으며, 고분자 표면에 레이저를 1.3초만 노출시켜 형성되었습니다.
그 후 팀은 높은 출력 설정(638 nm, 5.4 mW)을 사용해 모서리에 어블레이션을 통해 구멍을 만들었습니다. 이 경우에도 레이저 노출 시간은 1.3초였습니다.
연구에 따르면, 열처리를 통해 160 °C에서 5시간 동안 오븐에 보관하면 돌출된 점이 사라집니다. 반면 어블레이션으로 만든 구멍은 고분자가 황을 영구적으로 잃기 때문에 그대로 유지됩니다.
연구팀이 제시한 바와 같이, “제거 가능한 정보 인코딩 과정은 저전력 레이저 사용과 간단한 물질 합성이라는 장점을 가진 새로운 광반응성 소재 방향을 제시한다”고 설명했습니다.
연구팀은 또한 직접 레이저 리소그래피를 이용해 복잡한 마이크로 이미지 생성도 시연했습니다. 7 % 출력(1.3 mW)으로 작동하는 532 nm 레이저를 사용해 “마이크로 리사”의 미세한 선들을 만들었으며, 이 마이크로 이미지는 약 9 μm 너비와 2 μm 깊이를 가졌습니다. 마이크로미터(µm)는 미터의 백만분의 일에 해당합니다.
더 높은 출력 레이저(3.0 mW)를 사용해 팀은 23 μm 너비와 5 μm 깊이의 정사각형 프레임을 만들었습니다. 팀에 따르면, 이 직접 레이저 리소그래피는 저비용 고분자 기판과 레이저 시스템의 단순성 덕분에 차별화됩니다.
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결론
이번 연구에서 볼 수 있듯이, 저전력 가시광 및 적외선 레이저를 사용해 연구진은 공중합체를 변형할 수 있었습니다. 변형은 매우 빠르게 이루어졌으며, 노출 시간은 밀리초, 즉 1천분의 1초에서 1초까지 매우 짧았습니다. 이러한 시간 스케일은 특히 전체 프로토타이핑 및 제조 과정을 신속하게 진행해야 하는 산업에 큰 이점을 제공합니다.
파장, 직경 및 출력을 제어함으로써 연구진은 고분자 표면에 돌출된 점, 구멍, 함몰, 채널 및 스파이크를 만들 수 있었습니다. 이러한 다재다능함은 복잡한 패턴도 생성할 수 있음을 의미하며, 이는 기능성을 향상시키고 특정 응용 분야에 맞출 수 있습니다.
하지만 이것이 전부는 아닙니다. 샘플을 가열하기만 하면 연구진은 고분자 팽창 변형을 다시 지울 수 있었습니다. 이러한 능력은 팀이 직접 레이저 리소그래피로 복잡한 이미지를 만들고 지우기 가능한 정보 인코딩을 시연한 것에서 입증되었습니다.
이 연구는 단순한 방법과 저비용 소재 및 레이저 시스템을 제공함으로써 보다 접근 가능하고 비용 효율적인 솔루션을 제공할 뿐만 아니라, 암호화, 데이터 저장 및 일시적인 변형이 필요한 많은 분야에서도 특히 유용할 수 있음을 보여줍니다.
