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方法文章

使用冲击打印式热压印技术在柔性材料上进行点图案化工艺的研究

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DOI：

10.3791/60694

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2020年4月6日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Robotics Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

本文内容

摘要

冲击打印式热压印技术利用冲击头实时在柔性材料上雕刻点状图案。该技术具有控制系统，可控制冲击头的启停运动和位置，从而在不同聚合物薄膜上形成各种宽度和深度的点状图案。

摘要

本文介绍了我们对一种冲击打印式热压印工艺的研究，该工艺可在聚合物薄膜上实时创建具有多种设计、宽度和深度的点阵图案。此外，我们还实现了对冲击头启停运动及位置的控制系统，以雕刻出不同的点阵图案。我们在多种聚合物薄膜上进行了点阵图案加工，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜和聚氯乙烯（PVC）薄膜。使用共聚焦显微镜对点阵图案进行测量，结果表明，冲击打印式热压印工艺在点阵图案加工过程中产生的误差更少。因此，该工艺适用于在多种类型的聚合物薄膜上雕刻点阵图案。此外，与传统的热压印工艺不同，该工艺无需使用压印模具，因而工艺简单，可实现实时点阵图案制作，在大规模生产和小批量生产中均具有独特优势。

引言

研究人员正在积极尝试缩小现有设备和显示器的尺寸，并提高这些设备的柔韧性1,2。为了将电学通道的宽度和深度减小至微米或纳米尺度，必须采用高精度技术。此外，为了提高这些设备的柔韧性，电学通道的图案必须制作在柔性材料（如聚合物薄膜）上3,4。为满足这些条件，超精细微加工技术的研究正在积极开展中。

超精细微加工技术的优势在于，可用于图案化的材料不仅包括铁或塑料等高刚性材料，还包括聚合物薄膜等柔性材料。由于这些优势，该技术被广泛用作通信、化学、光学、航空航天、半导体和传感器等多个领域的核心工艺5,6,7。在超精细微加工领域，通常采用LIGA（光刻、电铸和模塑）或微机械加工方法8。然而，这些传统方法存在若干问题。LIGA方法需要大量时间并经过多个工艺步骤才能制备出超精细图案，且由于工艺过程中需使用多种不同设备，导致成本较高。此外，LIGA方法还使用可能对环境造成污染的化学试剂。

为解决这一问题，热压印工艺技术在超精细微加工技术中受到广泛关注。热压印是一种利用微米或纳米级压印模具在加热的聚合物薄膜上形成图案的技术。传统的热压印技术根据模具形状可分为平板型和卷对卷型。这两种热压印技术在模具形状上有所不同，但其工艺过程相似，均是通过压印模具将聚合物薄膜压向加热平台，从而在聚合物薄膜上刻印出图案。要通过热压印工艺实现图案刻印，必须将聚合物薄膜加热至玻璃化转变温度以上，并施加适当的压力（约30–50 MPa）9。此外，图案的宽度和深度会随加热平台的温度、材料以及压印模具的形状而变化。而且，图案化后的冷却方式也会影响聚合物薄膜上图案的最终形貌。

在传统的热压印工艺中，压印模具或辊筒可带有所需的图案，该压印模具可用于将相同图案连续地转印到聚合物薄膜表面。这一特性使得该工艺不仅适用于大规模生产，也适用于采用聚合物薄膜等软材料制造器件10,11,12,13,14。然而，传统的热压印方法只能创建压印模具中预先刻有的单一图案。因此，当用户希望制作新图案或修改现有图案时，必须制作新的模具以改变压印图案。正因如此，在创建新图案或更换现有设计时，传统的热压印工艺成本较高且耗时较长。

早期研究介绍了冲击式热压印工艺，可实时在材料表面制造出不同宽度和深度的点状图案15。与传统的热压印工艺不同，冲击打印式热压印方法采用冲击头在聚合物薄膜上形成图案。该技术通过精密定位系统将冲击头移动至目标位置，并施加控制信号，以在任意位置打印出指定宽度和深度的图案。冲击头的结构包括动子、弹簧、线圈绕组和铁芯（见图1A）15。前期研究通过分析与实验已证实，此类冲击头能够产生适用于热压印的适当作用力16。本文所述方案涵盖了冲击式热压印工艺的硬件设计以及用于过程控制的控制系统环境。此外，我们对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜和聚氯乙烯（PVC）薄膜上的点状图案进行了分析，这些样品均采用本文提出的方案进行加工，以验证冲击打印式热压印工艺能够实时制造出不同宽度和深度的点状图案。相关实验结果将在下文的结果部分予以展示，结果证实该压印工艺能够有效制备超精细图案。

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方案

1. 冲压打印型热压印工艺的制备

  1. 制作模型1，并将其与X轴平台组合（见图1）。
    注意：建议使用铝材制作模型1，以避免热量传导至X轴平台。此外，模型1的长度应为加热板表面与Z轴平台轴承板最低高度之间的距离，具体长度需根据加热板尺寸进行调整。
  2. 将X轴平台与Z轴平台组合，并装配Z轴平台与模型2。
    注意：应确保模型2采用能够耐受加热板热量的金属材料（例如铝）。将模型2牢固固定在Z轴平台上，以确保Z轴平台能够承受模型2及冲击头的重量和冲击力。
  3. 将模型2与冲击头组合，并将加热板置于模型1下方。
    注意：将冲击头连接至模型2的最低位置，可确保运动部件能到达加热板表面。建议在Z轴平台升至最高位置后再安装加热板，以避免冲击头与加热板表面发生接触。使用合适的软件控制平台运动。
  4. 使用合适的软件将薄膜夹具的STL文件（补充文件1和补充文件2）转换为GCODE文件，以便通过三维（3D）打印机打印薄膜夹具。
    注意：所用软件可能因3D打印机型号而异，某些环境可能支持无需GCODE转换的3D打印操作。
  5. 使用3D打印机和GCODE文件打印薄膜夹具。
    注意：建议使用收缩率较低的耗材（例如Z-HIPS），以减少打印大尺寸部件（如薄膜夹具）时的收缩变形。
  6. 将两个薄膜夹具安装在加热板末端，并将聚合物薄膜固定在夹具上，如图1所示。为确保聚合物薄膜在加热板上保持平整，应尽可能通过夹具的运动1进行拉伸（见图1B）。如需将聚合物薄膜向侧面移动，可通过运动2移动夹具（见图1B）。
    注意：建议使用螺丝将聚合物薄膜固定在夹具上。胶水无法牢固固定聚合物薄膜，且不利于图案化实验完成后薄膜的剥离。

2. 控制电路的制备

注意：此过程描述了冲击台控制电路及X-Z平台的构建过程。

  1. 将发送信号的控制装置（参见材料表）连接到冲击头，以控制其运行。
  2. 将控制装置与冲击头连接后，向冲击头输入 -3 V 和 +10 V 作为控制信号。
    注意：若向冲击头输入 +10 V 控制信号（参见图1），则动子（冲击头）将向下运动并进入开启状态。在此状态下，动子撞击聚合物薄膜，并在聚合物膜上刻印图案。
    1. 使用冲击头的动子完成一次图案刻印后，需将动子抬起以进行下一个图案的刻印。为抬起动子（冲击头），应施加 -3 V 的控制信号。
      注意：输入负电压是为了防止动子受到冲击头内部剩磁通的影响而被磁化。
  3. 若控制装置无法提供足够的控制信号，可使用高功率运算放大器（例如 OP-AMP），将约 0 V–5 V 的控制信号放大至约 -3 V–+10 V，如图2所示，以控制冲击头。
    1. 首先准备一个双通道直流电源（参见材料表）。完成此步骤后，连接四个节点，为所有通道提供共地（GND）节点：通道1的正电压端（V1+）和接地端（GND），以及通道2的负电压端（V2-）和接地端（GND）。整体连接示意图如图2所示。
      注意：根据步骤 2.3.1 的说明，可向运算放大器（OP-AMP）提供绝对值不同的正负电压。
    2. 将电源通道1的负电压端（V1-）连接至 OP-AMP 的负电源电压端（Vs-），如图2中的蓝线所示。随后，向通道1输入 3 V 的 Vcc 电压。
      注意：根据步骤 2.3.1，3 V 的 Vcc 电压将以 -3 V 的负电压形式供给 OP-AMP 的负电源电压端（Vs-）。
    3. 将电源通道2的正电压端（V2+）连接至 OP-AMP 的正电源电压端（Vs+），如图2中的红线所示。随后，向通道2输入 10 V 的 Vcc 电压。
      注意：根据步骤 2.3.1，10 V 的 Vcc 电压将以 +10 V 的正电压形式供给 OP-AMP 的正电源电压端（Vs+）。
    4. 将控制装置的 +输出通道（Vcon+）连接至 OP-AMP 的正输入通道（Vin+），如图2中的绿线所示。
    5. 将控制装置的 -输出通道（Vcon-）连接至电源通道2的接地端（GND），如图2中的黑线所示。
      注意：当将（Vcon-）连接至接地端（GND）时，除通道2的 GND 外，也可连接至步骤 2.3.1 中已连接的任一接地端子。
    6. 分别准备阻值为 1 kΩ 和 10 kΩ 的电阻，并将其连接在红线与黑线之间，如图2所示。
    7. 将 1 kΩ 与 10 kΩ 之间的连接端连接至 OP-AMP 的负输入通道（Vin-），如图2中的紫线所示。
    8. 从 OP-AMP 的输出通道（Vout）引出导线，并连接至步骤 2.3.1 中所述的某一电气端子。将这些导线连接至冲击头，如图2中的橙线所示。
    9. 对于电源，设置通道1为 -3 Vcc，通道2为 +10 Vcc。随后，从控制装置生成约 0 V–5 V 的控制信号。
      注意：所生成的约 0 V–5 V 控制信号将由 OP-AMP 放大为约 -3 V–+10 V，这是如步骤 2.2.1 和 2.2.2 所述控制冲击头所必需的电压范围。

3. 实验设计

注意：本节描述了控制冲击式热压装置以及在聚合物薄膜上雕刻点阵图案的过程。

  1. 安装一个用于控制X轴和Z轴平台的软件程序（例如Micromove），并通过控制计算机（PC）进行操作。
  2. 安装DAQ驱动软件，以检测控制冲击头的控制设备，并在控制PC上安装运行程序（例如MATLAB），用于控制该设备。
  3. 安装完软件后，按照图3A所示构建硬件环境，以开展图案化实验。
    1. 按照图3A所示安装X轴平台、Z轴平台、冲击头、薄膜夹具和加热板，构建完整的硬件环境。
    2. 将聚合物薄膜固定在薄膜夹具上，并通过运动1和运动2（见图1B）调整聚合物薄膜的位置，使其平整固定。
      注：在调整方向2时，为保持薄膜平整，两个薄膜夹具的位置应保持平行。为使薄膜在加热板上平整贴合，建议根据方向1降低夹具位置进行调节，如图1B所示。
    3. 固定聚合物薄膜后，调节加热板温度，使薄膜加热至玻璃化转变温度以上。
      注：不同类型的薄膜具有不同的玻璃化转变温度。因此，建议查阅相应数据表中的材料特性，确认薄膜的玻璃化转变温度后，再调节加热板至对应温度。
  4. 设置好硬件后，按照图3B所示连接控制电路，以控制平台和冲击头。
    1. 准备PC、控制板、电源和运算放大器（OP-AMP），按照图3B所示构建控制环境。按照图2所示连接各设备，然后将计算机与控制板连接。
    2. 按照步骤2.3.9所述，通过电源的通道1和通道2分别向运算放大器输入3 Vcc和10 Vcc。
  5. 使用控制计算机控制平台和冲击头。
    1. 通过平台控制程序调节X轴和Z轴平台，调整冲击头的初始位置。
      注：在调整冲击头初始位置时，需确保冲击头与加热板之间无碰撞。若Z轴平台位置过低，动子将与加热板发生碰撞，导致动子和加热板均受损。若两设备受损，将影响在聚合物材料上形成精细图案。
    2. 通过运行程序，从控制设备输出5 V控制信号。根据步骤2.3.1–2.3.9，运算放大器将5 V控制信号放大为+10 V，启动冲击头，并在聚合物薄膜上刻写图案。
    3. 现在通过运行程序从控制设备输出0 V控制信号。根据步骤2.3.1–2.3.9，运算放大器将0 V控制信号放大为-3 V，关闭冲击头。
      注：冲击头的动子将被抬升，等待刻写下一个新图案。
    4. 移动X轴平台至下一图案的刻写位置。
    5. 通过依次重复步骤3.5.1–3.5.4，在聚合物薄膜上连续刻写3次图案。
    6. 将Z轴平台从初始位置下降10 μm，并执行步骤3.5.5，同时记录Z轴平台移动次数。当Z轴移动次数超过三次后，将X轴平台移回初始位置，并通过移动Z轴将冲击头升至最高位置。
      注：改变Z轴高度可调节点状图案的深度和宽度。
  6. 将聚合物薄膜从夹具上取下，使用共聚焦显微镜（见材料表）测量每个图案的宽度和深度，如图4A所示。
    1. 开始测量前，选择显微镜的放大倍数，初始使用直接观察模式调整聚合物薄膜的扫描位置。通过直接观察完成位置调整后，固定聚合物薄膜，并将扫描模式切换为激光扫描模式。
      注：使用共聚焦显微镜时，建议使用丙烯酸板固定样品，如图4B所示。
    2. 使用激光扫描模式测量点状图案的深度和宽度。
  7. 更换不同类型薄膜后，重复步骤3.3.2–3.6.2。
    注：根据每种薄膜的玻璃化转变温度，在将薄膜放置于加热板前设定加热板温度。本研究中，PVC薄膜的玻璃化转变温度为100 °C，PMMA薄膜为95 °C，PET薄膜为75 °C。

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结果

冲击打印型热压印工艺是一种可实时在聚合物薄膜上雕刻点阵图案的加工方法，如图1所示。该工艺能够解决现有热压印工艺中图案更换成本高、耗时长的问题。通过使用DAQ、运算放大器（OP-AMP）和电源，在启停操作过程中控制冲击头动作，构建了如图2所示的控制电路（见步骤2.3–2.3.9），从而在多种类型的聚合物薄膜上刻制图案。所实现的冲击打印型热压印工艺如图3所示。

在以往对冲击打印型热压印技术的研究中，仅验证了在PMMA薄膜上的实验，而未测试其他聚合物薄膜。为了验证冲击打印型热压印技术能否实时在其他聚合物薄膜上雕刻图案，本研究分别在PMMA薄膜、PVC薄膜和PET薄膜上进行了实验。通过Z轴平台，每次降低冲击头高度10 μm，共取三个点，测试在这三种薄膜上是否能形成具有不同高度的九点点阵图案。使用图3所示设备在三种聚合物薄膜上制作点阵图案，并采用共聚焦显微...

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讨论

在本研究中，我们采用了冲击打印型热压印工艺，并实时在多种聚合物薄膜上刻蚀出不同宽度和深度的点状图案。在所有实验步骤中，有两个步骤尤为关键：一是加热板温度的设定（步骤 3.3.3），二是冲击头初始位置的设定（步骤 3.5.1）。在步骤 3.3.3 中，若加热板温度过高，由于薄膜黏度过低，难以形成精细图案；反之，若温度过低，则图案无法顺利刻入薄膜表面。冲击头初始位置的设定同样至关重要，因为该位置直接影响所刻图案的深度和宽度。此外，若冲击头高度设置过低，其运动部件将与加热板发生碰撞，导致运动部件和加热板均受损。这种损伤不仅会磨损运动部件的尖端，还会对下一步刻蚀图案的高度和宽度产生不利影响。因此，在执行步骤 3.3.3 和 3.5.1 时，必须谨慎考虑加热温度和撞击条件的设置。

在早期关于冲击型热压印的研究中，曾采用点阵图案化工艺处理PMMA薄膜，但由于聚合物薄膜的固定问题，出现了偏差误差15,16。为解决该问题，考虑在加热板两侧使用薄膜夹具固定聚合物薄膜，该策略相较于早期结果显著降低了误差。研究还表明，可在PET薄膜和...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露

致谢

本研究由韩国产业通商资源部（MOTIE）资助，项目名称为“利用导电纳米复合材料开发导电层的压印式热压印技术”（项目编号：N046100024，2016年）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
适用于真空成型的0.3毫米高品质透明硬质包装PVC薄膜卷材SunyoSY1023PVC薄膜 / 厚度：300µm
丙烯酸（PMMA）薄膜SEJIN TSC200PMMA薄膜 / 厚度：175µm
共聚焦激光扫描显微镜：用于材料分析与测试的3D表面形貌观测Carl ZeissLSM 7003D共聚焦显微镜 / 支持模式：2D、2.5D、3D表面形貌
数据采集板NATIONAL INSTRUMENTSUSB-6211两级与冲击头控制板 / 16路输入，16位，250kS/s，多功能I/O
直流电源SMARTRDP-305AU三通道电源 / 输出电压：0~30V，输出电流：0~5A
L511位移台PIL511.20SD00Z轴位移台 / 行程范围：52mm
大型数字加热板DAIHAN ScientificHPLP-C-P加热板 / 最高温度：350ºC
M531位移台PIM531.2S1X轴位移台 / 行程范围：306mm
聚酯PET薄膜（Mylar）CSHyde48-2F-36PET薄膜 / 厚度：50µm
OPA2541BURR-BROWNOPA2541BM运算放大器 / 输出电流：5A，输出电压：±40V

参考文献

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