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方法論記事

Hemiwicking 表面の作製とスケーラブルなスタンプ印刷

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DOI:

10.3791/58546

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2018年12月18日

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Central Florida

この記事について

サマリー

単純なプロトコルは、さまざまなサイズ、形および材料の hemiwicking 構造の作製に提供されます。プロトコルは、物理的なプレス、成形、PDMS 薄膜表面改質による共通材料成膜技術の組み合わせを使用します。

要約

Hemiwicking は、液体が毛細管と吸水の組み合わせにより、通常ぬれ長さを超えてパターン付きのサーフェスを濡らすプロセスです。このぬれ現象の生理学から航空宇宙工学に至るまで多くの技術分野で重要です。現在、hemiwicking 構造体を製造するためさまざまな方法が存在します。これらの従来の方法、ただし、時間がかかることが多いおよび大きい区域のためのスケール アップしにくいまたは特定の不均質のパターン形状をカスタマイズすることは困難。提案するプロトコルは、シンプルで拡張性が高く、研究者、hemiwicking のマイクロ パターン表面を製造するコスト効果の高い方法を提供します。メソッドは、スタンプ印刷、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 成形、薄膜表面のコーティングを利用して発散性に優れた構造をでっち上げます。プロトコルはエタノール、70 nm 厚のアルミ薄膜被覆 PDMS 駆動式マイクロピラー アレイ上で hemiwicking を示されています。

概要

最近積極的にそして受動的制御ぬれ、蒸発、できることと、流体の混合の高められた興味がずっとあります。独特の手触りの hemiwicking 表面冷却技術これらの織り目加工の表面は、可動部分のない流体 (または熱) ポンプとして機能するための新規ソリューションを提供します。この滑らかな動きは、液体薄膜の動的曲率に関連付けられた毛管イベントのカスケードによって駆動されます。一般的には、流体は固体表面を濡らす、湾曲した液体薄膜 (すなわち、液体メニスカス) 急速に形成します。流体厚と曲率形状自由エネルギー最小値に達するまでに進化します。リファレンスについては、数十ナノメートルの厚さのだけ数十 μ m のスパン (流体-ぬれ) 長さスケールの内でこの動的ぬれ性プロファイルを崩壊する急速にできます。したがって、この遷移 (液膜) 領域は、液界面曲率の大きな変化を受けることができます。遷移 (薄膜) 領域は、ほぼすべてのダイナミックな物理と化学が由来です。特に、遷移 (薄膜) 領域は最大蒸発 (1)、(2) 投接合圧力グラデーション、および (3) 静水圧勾配は1,2を発見しました。その結果、湾曲した液体膜は熱伝導、相分離、流体不安定性、多成分流体の混合で重要な役割を果たします。例えば、熱伝達に関してこの非常に湾曲した、過渡的薄膜領域3,4,の5,6,7最高の壁面熱流束を観察されています。

Hemiwicking の最近の研究では、ジオメトリ (例えば高さ、直径など) と柱の配置はぬれフロント プロファイルと構造8を介して実行している流体の速度を決定することを示しています。流体のフロントは、配列で最後の構造の端を離れて蒸発は、蒸着の流体は、吸湿発散性の構造9の格納されている流体によって置換されていると、一定の距離、曲率、流体のフロントは保持されます。Hemiwicking 構造も使用されているヒートパイプと沸騰の表面を分析し、異なる熱伝達メカニズムを強化します。10,11,12。

現在発散性に優れた構造を作成するために使用する 1 つの方法は熱インプリント リソグラフィ13です。このメソッドは、熱可塑性ポリマー スタンプを持つシリコン金型サンプルにレジスト層に目的のレイアウトをスタンプし、組織を維持するためにスタンプを削除することによって実行されます。取り外したら、反応性イオン エッチング余分なレジスト層14,15のいずれかを削除するプロセスを介してサンプルを置きます。このプロセスは、発散性に優れた構造の作製の温度に敏感であることができ、吸湿発散性構造16の精度を保証する各種コーティングを利用する複数のステップが含まれています。また、リソグラフィ技術はマクロ スケールのパターニングのため実用的ではない事例です。彼らはまだ表面に微細構造のパターンを作成する方法を提供する、この手順のスループットは大規模な再現によりずっとより少なく最適です。大規模な再現可能なテクスチャ、スピンやディップ コーティングなどを考慮して制御可能なパターニングの固有の不足があります。これらのメソッドは、ターゲット表面に微細構造のランダムな配列を作成するが、伝統的なリソグラフィ技術17より大幅に大きい区域をカバーすることができます。

このレポートに記載されているプロトコルが同時にそれぞれの特定の弱点を排除しながら従来のテクスチャの強さを結合しようそれは様々 な高さ、形、向き、および潜在的に高いスループットとマクロ スケールの材料のカスタム hemiwicking 構造を作製する方法を定義します。流体の速度、伝達、および異種流体混合の方向制御などの特性を吸湿発散性の最適化を目的として、様々 な吸湿発散性パターンをすばやく作成できます。さまざまな厚さと厚さの異なる熱と物質移動間のカップリングを体系的に学習するために使用できる曲率プロファイルおよび液体の曲率プロファイル別の発散性に優れた構造体の使用ができます。メニスカス。

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プロトコル

1. パターニング マップを作成します。

  1. グラフィックス エディターを使用して、ビットマップ イメージとして表される hemiwicking 構造物の所望のパターンを作成します。
    注: 各ピクセルに割り当てられたグレースケール値に依存する (すなわち、角勾配、深さ勾配) 吸湿発散性の設計パラメーターのいくつか作ることが。これらのグレースケールの値は、目的のパラメーターを変更するために、編集します。
  2. ポータブル ネットワーク グラフィックス (.png) としてビットマップを保存し、容易に利用可能なフォルダーにファイルを配置します。

2. プラスチック成形用スタンプを配置します。

  1. ヒント (+z変位、図 1) の破損を引き起こす可能性があります任意の偶発的な接触を避けるためワークスペースからプレスのビットを変換することによって開始します。
  2. プレス金型/ウェーハをx、 yの翻訳段階以降プレス用バッキング プレートにプラスチックをセキュリティで保護された (図 1参照)。サンプル/バッキング プレート、x に y 電動プレス ステージ (図 1)
  3. プレスのビットのプレスの軸とプラスチック金型/ウェハの中心を合わせます。これは、達成を介してコンピューター ±xと ±y変位x、y電動プレス ステージです。
  4. プラスチック金型/ウェーハに向かってプレスのビットを変換 (-z変位、図 1) プレスのビットはほとんど金型/ウェハ表面に接触まで。

3. PDMS 成形のプラスチック製のサンプルをスタンピング

  1. コンピューター化されたプレス コントロール プログラムを使用して、プレス ビット (先端) およびプラスチック金型/ウェーハ表面の間の距離を設定します。
  2. 少しずつプレスのビットを変換 (-δz変位、図 1) ツーリングがプラスチックに接触するまでサンプルの表面に向かって。
    注: ビットだけ軽く連絡表面べきであります。
  3. 接触の後その後の翻訳 (δz ≈ 100 μ m) の間にビットとサンプルとの接触を避けるためにサンプルからプレスのビットを変換します。
  4. (ミクロン) のピクセル距離、(ミクロン) の最大値と最小キャビティ深さ、最大値と最小角度 (度単位)、パターン、およびスタンプのためのグレー スケール リンクご愛顧のためのピクセル単位のしきい値の初期のxとyのピクセル位置を割り当てるプロシージャ。
  5. (手順 1.1 で作成) パターニング マップをアップロードすると、プログラムによって読み取られます。ピクセルの距離とパターニング マップに基づいて、すべてのスタンプの場所は、ステッピング モーターに送信されます。
  6. 加熱レーザー プレス ビットの先端に焦点を当て、プレスのビットは、プラスチック金型に移動をアクティブにのみを確認します。
  7. プラスチックに必要な hemiwicking パターンを達成するためにパターンの地図に従いながらビットを押すことによって空洞を作成します。
  8. 補修・研磨後の表面のプレス金型を削除します。
  9. 9000 粒、ウェット/ドライの細かいサンドペーパーを使用してプラスチック金型の表面を磨きます。
    注: また、マイクロ メッシュ研磨使用できます PDMS 金型で柱の周りその原因をへこませ表層堆積物の除去を確認します。

4. PDMS 成形を作成します。

  1. エラストマー ベースの 2 g およびエラストマーの硬化剤の 0.2 g をビーカーに注ぎ、3 分間徹底的に混ぜます。
  2. 巻き込まれる混合物の気泡を出す避難室に混合物を配置します。この手順を複数回繰り返す必要があります。
    注: ボリューム要件もさまざまのサンプルは、10:1 の比率を維持しながら必要に応じてベースと硬化剤の量を調整します。
  3. プレス金型を発生する成形型、硬化の外径よりもない理想的にはるかに大きい壁に囲まれたコンテナーに配置します。
  4. 無料スタンプのプラスチックに、コンテナー内空気のポケットの PDMS の混合物を注ぐ。PDMS 混合物をできる限り均等に配布しようとするスタンプの領域の中心から始まって、スパイラルに注ぐ。
  5. スタンプ パターンの上に混合物を注ぐから形成している可能性があります任意の空気のポケットの 4.2 の手順を繰り返します。PDMS の混合物とホット プレートの上に押されたパターンとプラスチック片を置き、100 ° C 15 分で組み立て品を加熱します。次に 65 ° C でさらに 25 分の熱します。
  6. クールと処理の前に 20 分間治療 PDMS 混合物を許可します。
  7. PDMS プラスチック容器の壁からの縁を切って、金型から PDMS のプラスチックを外します。表面の収集からダスト粒子を避けるために覆われた容器に PDMS プラスチックを格納します。

5. 上、PDMS 薄膜金属を堆積

  1. 遮るもののないシャッターが開いたり、閉じたりするに十分なスペースを残して堆積チャンバ内サンプル PDMS を配置します。
  2. 少なくとも 10 mTorr に成膜室を減圧します。
  3. ドライポンプ システムに従事し、スピン量を 75 kRPM に設定します。10-8 Torr 程度圧力に到達するための部屋を許可します。
    注: これは、ほとんどの汚染物質が削除されます; 商工会議所からプロセスは、完了するまで 12 時間をかかることがあります。
  4. クーラーの電源と DC 電源供給電力を 55 w. に設定
  5. アルゴン バルブを少し開き、10-3 Torr の順序室を加圧します。ドライポンプ システム 50 kRPM を設定し、この設定速度を達成するまでを待ちます。
  6. 35 W に消費電力を削減し、13 mTorr チャンバー内を減圧します。点火プラズマ シャッターを開き、タイマーを開始します。
    注: 点火プラズマ ブルー、白熱の輝きを与える必要があります。タイマーは、フィルムの沈殿物の所望の厚さに設定ください。35 W と約 13 mTorr の圧力は、1 分あたり 7 nm 蒸着率が必要であることが決定されました。
  7. 一度必要な膜厚を達成すると、シャッターを閉じ、電源をオフに。
  8. 成膜室内弁のすべてを閉じるし、ドライ ポンプ システムをオフにします。ドライ ポンプ、ファンの完全な停止に来るための時間を許可します。
  9. ゆっくりローカル大気圧に達するまでに商工会議所を加圧して今後の実験計画の保存サンプルを削除します。

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結果

プレス機構がプラスチック金型の発散性に優れた構造の金型を作成する方法の概略を図 1に示します。吸湿発散性フィルムの製造のプレス装置の品質を調べるためには、将来の吸湿実験のため柱の質を分析する 2 つの異なる柱配列が作成されました。調査装置の側面だった (と深さ勾配なし) 柱、柱 PDMS 成形後の品質、スパッタ成膜プロセス後、柱の品質との能力の高さの正確さ、ヘミ ウィッキングを作成する構造。これを行うには、2 つのパターンのバリエーションを吸湿発散性は作成された深さ勾配と一定の深さ別に表示。

図 2 aは、深さと角度の勾配を作成するために使用したビットマップを示しています。すべての柱列が 0 から 95 に様々 な異なるグレースケール値を割り当てられたこと見ることができます。これは、各柱列の異なる深さを持っているために行われました。<...

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ディスカッション

Hemiwicking 構造のパターン化された柱の配列を作成する方法が導入されていますこれは、ユーザーによって作成されたビットマップからパターンに続く彫刻装置をプラスチック基板上の空洞を刷り込みで。PDMS の混合物を注ぎ、硬化し、を介してアルミ蒸着の薄膜でコーティングします。柱配列の特性は、次のこのプロトコル ビットマップに割り当てられているグレースケール値に応じてカスタマイズできます。パターニングのこの重要な側面は、熱システムにおける薄膜研究と直接アプリケーションを含め、あらゆるアプリケーションで使用できる可能なテストする構造を吸湿発散性の広い範囲を作成できます。様々 な代表の結果に記載されていない別の領域は、配列で実装することができます角度グラデーションです。深さ勾配と同様に、別のピクセルのグレースケール値を変更するドリルビット (θ,図 1) の角度を変更できます。

注意する必要がありますもう一つの主要なステップは、PDMS ベースの作成です。柱の高さや柱のあちこ...

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開示事項

著者は本稿に言及する開示があります。

謝辞

この材料は部分的にグラント号下海軍研究所、アメリカ合衆国主催の研究に基づいてください。N00014-15-1-2481、国立科学財団助成金第 1653396 の下で。ビューおよび結論はここに含まれる、これらの者と必ずしも表す公式の方針か明示または黙示を問わず、海軍研究米国のオフィス、国立科学財団の推薦として解釈されるべきではないか米国政府。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
NI-DAQ 9403National Instruments370466AE-01カメラとレーザー制御スイッチ間の通信インタフェースです。
コントロールスイッチCrouzetGN84134750DAQから送信された電圧に基づいてレーザーをアクティブにするレーザーに使用するコントローラー。
ノミカメラFLIRFL3-U3-120S3C-Cプラスチック金型にドリルビットを撮像するためのノミカメラです。 
ノミ撮像カメラポイントFL3-U3-20E4M-C柱の側面画像を撮影するためのノミカメラです。
200ステップ/回転、12V-350mAステッピングモーター(x2)AdaFruit324ステッピングモーターは、エンドミルの深さと角度を制御するために使用されます。
10倍無限遠補正長作動距離対物レンズミツトヨ #46-144柱の側面のイメージを得るために使用される対物レンズ。
15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX ObjectiveTechSpec#58-417ピラー上部の像を取得するために使用した対物レンズ。 
72002 0.002D X 0.006 LOC 超硬SQ 2FLミニチュアエンドミルハーベイツール72002プラスチック金型に穴を開けるために使用されたドリルビット。 
1kWでのDC電力供給アドバンスドエナジーMDX-1K蒸着スパッタラーの動力供給に使用されます。 
Turbo-V 70LP Nacro Torr PumpVarian9699336Turboポンプは、蒸着チャンバー内の圧力を下げるために使用されます。
2000mw、405nmハイパワーブルーライトフォーカスレーザーWDLasersKREEサンプル加熱レーザー
5.875インチ内径デシケーター 0.25インチチューブ接続付きMcMaster-Carr2204K5PDMSデシケーター
SYLGARD 184 シリコーンエラストマー、0.5kgキットダウ・コーニング4019862 ベースを作るために使用されるPDMSキット。
ダイヤフラムエアコンプレッサー/真空ポンプガストDOL-701-AAデシケーター真空ポンプ
電動リニアステージ(2x)Standa8MT175プレートをx方向とy方向に制御するために使用されるステッピングモーター。 
直径2インチ アンマウント ポイティブ アクロマティック ダブレット、AR コーティング: 400-700 nmThorLabsAC508-150-Aアクロマートは、柱の側面の画像を取得するために使用されました。 
フリー3モノ カメラ、2448 x 2048ポイントグレーFL3-GE-50S5M-C柱の上部を模倣するために使用されるノミカメラ。
デジタル真空トランスデューサThyrcont真空機器4940-CF-212734蒸着チャンバー内の圧力を監視するために使用されます。
加圧アルゴンタンクResovoirエアガスAR RP300堆積プロセスで使用されるガス。
1次元トランスレーションステージニューポートコーポレーションTSX-1Dカメラを動かしてエンドミルに焦点を合わせるためのトランスレーションステージ。 
円筒形レーザーマウント(x2)ニューポートコーポレーションULM-TILT-Mレーザーマウントは、カメラを動かしてエンドミルに焦点を合わせるために使用されました。
遠心ポンプ付きベンチトップチラー、120V、60HzPolyscienceLS51MX1A110C堆積アセンブリに使用されるチラー。
Alcatel Adixen 2010SD XP, 防爆モーター, ロータリーベーン真空ポンプ, 1相理想真空 製品210SDMLAM-XP蒸着組立に使用した真空ポンプ。 
ファン、105 CFM、115 V (x2)Comair RotronMU2A1蒸着アセンブリの特定の側面を冷却するために使用されるファン。
グレー サンプルピクセル

参考文献

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