Summary
micropunching 리소그래피 방식이 생성하는 마이크로와 submicron 패턴 위, 측벽 및 폴리머 기판의 바닥 표면을 개발하고 있습니다. 그것은 patterning이 폴리머를 실시하고 측벽 패턴을 생성하는 장애물을 극복. 이 방법은 여러 기능의 신속한 제조가 가능하며 적극적인 화학 무료입니다.
Abstract
실시 폴리머는 1977 1 도핑된 polyacetylene 높은 전도성의 발견 이후 큰 주목을 받고있다. 그들은 낮은 중량, 특성에 맞게 조정하고 쉽게 응용 프로그램을 2,3의 다양한 스펙트럼의 장점을 제공합니다. 이러한 자료 4 작업할 때 환경 조건에 폴리머를 수행 감도로 인해 (예 : 공기, 산소, 습기, 고온 및 화학 솔루션), 리소그래피 기술은 중요한 기술적인 과제를 제시. 예를 들어, 울트라 바이올렛 (UV)와 같은 현재의 photolithographic 방법은, 이러한 방법의 습식 및 / 또는 드라이 에칭 프로세스의 개입으로 인해 patterning 실시 폴리머하기에 적합합니다. 또한, 현재의 마이크로 / nanosystems는 주로 평면 형태로 5,6있다. 구조의 한 계층은 조작 기능의 또 다른 레이어의 상단 표면에 내장되어 있습니다. 이러한 구조의 여러 레이어에 여러 장치를 형성하기 위해 함께 정렬됩니다일반적인 기판. microstructures의 측벽 표면은 건설 장비에 사용되지 않았습니다. 한편, 측벽 패턴이 수정 유체 채널 및 나노 와이어와 나노튜브를 직접 수평 성장을 3 차원 회로를 구축하는 데 예를 들어, 사용될 수 있습니다.
macropunching 방법은 수백 년 동안 판금의 macropatterns를 만드는 제조 산업에 적용되었습니다. 이 방법에 의해 동기, 우리는 고분자를 실시하고 측벽 패턴을 생성 patterning의 장애물을 극복하기 micropunching 리소그래피 방법 (MPL)를 개발했습니다. 및 (ii) 본 그림은 (i) 절단 : macropunching 방법과 마찬가지로, MPL은 또한 두 작업 (그림 1)가 포함되어 있습니다. "절단"작업 패턴 셋 전도 폴리머 4, polypyrrole (PPy), 폴리 (3,4 - ethylenedioxythiophen) - 폴리 (4 styrenesulphonate) (PEDOT)과 polyaniline (PANI)에 적용되었다. 또한 알루미늄 microstructures에게 7 만드는 고용되었다. 폴리머를 수행 가공 microstructures은 습도가 8, 화학 8, 포도당 센서를 9로 사용되었습니다. 알 및 실시 폴리머의 결합 microstructures은 콘덴서 및 각종 heterojunctions 9,10,11를 조작하기 위해 고용되었다. "절단"수술은 또 100과 같은 submicron - 패턴을 생성하기 위해 적용되었다 -와 500 nm의 범위 PPy 라인뿐만 아니라, 100-nm의 범위의 Au 와이어. "그림"수술은 두 개의 애플 리케이션을 위해 고용되었다 :는 (i) 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 3D 마이크로 12,13,14 구축에 사용될 수있는 채널에의 Au 측벽 패턴을 생산하고, (ii) 본 polydimethylsiloxane (PDMS) micropillars를 조작 HDPE 기판에 채널 15 연락처 각도를 높일 수 있습니다.
Protocol
MPL의 A. 회로도
macropunching 방법은 "절단"와 "그림"작업을 포함합니다. "절단"수술은 날카로운 볼록 구조의 금형을 채택하고 세 가지 기본 단계 (그림 1 (A1-A3)을) 포함한다. 첫째, 딱딱한 기판 (그림 1 (A1))에 금속판을 배치. 둘째, 높은 강제로 신체 접촉시 금형과 기판을 가지고. (그림 1 (A2)이 두 번째 단계 동안, 직접 볼록 금형 구조 아래에있는 금속 부분을 먼저 볼록 금형 구조에 의해 인근 금속 단절되고, 다음 기판의 오목한 패턴의 하단 아래로 밀려 ). 마지막으로, 강판 patterning (그림 1 (A3)을) 완료 몰드와 기판을 분리. "그림"수술은 유사한 제조 공정을 사용합니다. 그러나 왕복 깨끗 볼록 구조의 금형 (그림 1 (B1)를) 채택. 또한,적용된 삽입 력과 속도는 "절단"수술에 그들의 대응보다 훨씬 작고 낮은 있습니다. 이러한 차이는 볼록 구조 하에서 시트 금속 부분에 존재하는 응력을 낮춥니다. 따라서, 금속판의이 부분 막 밀고 있지만 (그림 1 (B2-B3)) "그림"수술에 차단되지 않습니다.
MPL (그림 1 (C1-C3))은 (i)의 "절단"수술에 중간 중합체의 레이어와 인쇄되는 재료의 레이어로 코팅시의 기판 (유리 전이 온도 이상 가열된다 T g : 연화 온도) 이하 중급 폴리머와 T M (녹는 온도) 또는 타겟 재료의 T g (그림 1 (C1))의가 (2) 몰드와 기판은 높은 압력에 의해 물리적인 접촉으로 가지고있다 , 후속 냉각 (그림 1 (C2)) 뒤에, 그들의 온도가보다 낮은 경우 (3) 그들은 구분됩니다대상 레이어 (그림 1 (C3))에 금형에서 패턴 전송을 완료 중간 중합체의 T g. MPL의 "그림"동작 (그림 1 (D1-D3)는)와 유사한 제조 단계에있다 "절단을." 그럼에도 불구하고, "그리기"는 소프트 PDMS 금형을 사용합니다. 그것은 또한 더 작은 삽입 력, 낮은 삽입 속도와 높은 인쇄 온도를 (중간 폴리머의 점도를 감소하기 때문에 그것의 이동성을 증가하는)하는 것입니다. 따라서 표면 장력 및 중급 폴리머의 높은 이동성을 최대로 인해 기판 곡선의 상단 표면에 특징입니다. 시 몰드는 세척 및 연속 엠보싱 단계를 위해 다시 사용될 수 있습니다. 금형은 아세톤과 디 물로 세척 수, 그리고 각 사용하기 전에 N 2와 함께 철저하게 건조. 잔류물은 금형의 microfeatures에 남아있는 경우에, 그것은 Nanostrip 솔루션과 디 물로 세척 수, 그리고 N 2 건조.
B. 잘라내기금속 생성을 위해 MPL의 운영을 tting 및 폴리머 Micropatterns 실시
- 기판에서 단일 레이어 microstructures : 그림에 설명된 절차를 사용합니다. 1 (C1-C3)는 microstructures의 계층은 기판에 생성됩니다. 제조 과정에서 기판 코팅 단일 재료의 레이어 (고분자 또는 금속을 실시) 또는 복수의 소재를 레이어 뒤에, 중급 중합체의 레이어로 코팅됩니다. 따라서, 핫 엠보싱 이후 단일 또는 복합 재료의 microstructures의 계층은 기판에 제작됩니다. 제조는 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
- 기존의 자외선 리소그래피 (그림 2A)를 사용하여 필요한 크기의시 금형을 조작. 시 금형을 fabricating의 세부 사항은 4에서보고됩니다. 그림은. 2 (A1-A4)은 프로세스에 사용시 금형의 레이아웃을 보여줍니다.
- 크기 500 μm의 X 170mm X 1 비 수행 PMMA 시트를 사용하여70 중간 레이어로서 음, 그리고 단단한, 평면 기판에 배치하십시오.
- 단일 재료의 microstructures 생성하려면 다음과 스핀 - 코트 100-500 nm의의 두께 열 증발을 사용하여 PMMA 시트 또는 보증금 알에 폴리머 (PPy, PEDOT 또는 SPANI) 실시.
- PMMA 시트의 여러 부분에 스핀 - 코팅은 PPy (2000 RPM에서), PEDOT (2,500 rpm으로)와 SPANI (1500 RPM에서) : 여러 전도 폴리머 재료의 microstructures를 조작합니다. 스핀 코팅하기 전에 가장 먼저 PMMA 시트의 장소에서 고분자 층을 실시, 접착 테이프를 사용하여 다른 영역을 포괄합니다. 코팅의 다른 실시 폴리머 레이어의 경우 이전의 코팅 및 빈 공간은 접착 테이프의 적용되어야한다. 이 절차는 기판의 원하는 위치에서 코트를 여러 계층으로 반복해야합니다. 코팅 PPy, PEDOT 및 SPANI은 500 nm의 두꺼운 5 μm의 200 nm의 각각입니다.
- 핫 엠보싱 마치를 사용하여 기판을 양각으로NE (모델 : 16 진수 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik 회사) (그림 2B). 온도, 힘 및 금형 삽입 시간은 각각 130-160 ° C, 1500년에서 1800년까지 N과 120-200의입니다. ° C ~ 1.5 mm / 분 속도로 80-95로 demolding 수행합니다. 단일 재료의 단일 레이어 microstructures의 결과는 그림에 표시됩니다. 2 (C1-C3). 복합 재료의 단일 레이어 microstructures의 결과는 그림에 부여됩니다. 2 (D2-D3).
- 습도 센서 등 PPy microwires의 응용
- 지역 1 X 1cm 2 1 μm의 두께의 필름을 생성하고 전도도 측정 자세 에폭시를 사용하여 필름의 반대편 끝을에 두명의 외부 전선을 연결하는 1,500 rpm으로 코트 PPy를 봐.
- 두께 1 μm의의 PPy 필름을 생성하는 1,500 rpm으로 코트를 봐. 길이 PPy microwires 5,000 μm의 폭 300 μm의를 생성하고 두 끝에 외부 접촉 와이어를 장착 4 단계에서 매개 변수로 엠보싱 수행자세 에폭시를 사용하여 단일 microwire의의.
- 습도 측정기와 가습기가있는 밀폐 장갑 상자 안에 PPy 필름 microwire 센서를 배치합니다. 가습기는 글러브 박스 안의 습도 수준의 제어 증가를 허용합니다. 각 센서에 대한 IV 측정 Keithley 프로브 스테이션 (그림 2e)로 문의 전선을 연결합니다.
- 다음 수식을 사용하여 각 센서의 감도를 계산 :
어디, R F와 R은 내가 영화와 microwire 센서의 마지막과 처음 resistances 각각입니다. 영화와 microwire 센서 각 습도 수준에서 기본 습도 수준의 연구 I (실온) 및 R f를 측정합니다. - 그림. 2F은 48 %까지 85% 상대 습도 8로 이루어 감도 (ΔR / R) 측정의 결과를 보여줍니다.그것은 PPy microwire 센서의 감도는 48 %까지 58%위한 필름 센서보다 높은 것을 관찰했다. 58% 외에도 영화와 microwire 센서의 민감한 부분은 유사했다.
- 기판의 다층 microstructures : 그림에 표시된 절차에 기초. 1 (C1-C3)는 상위 계층은 다층 microstructures를 생성하는 각각 둘, 셋, 고분자 / 금속 레이어,의 조합으로 대체됩니다. 장치 레이아웃은 그림에 표시됩니다. 3 (A1-A2). 제조는 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
- 기존의 자외선 리소그래피 (그림 3B)를 사용하여 필요한 차원의시 몰드를 조작.
- 차원이 아닌 수행 PMMA 시트를 사용하여 500 μm의 X 170mm X 170 중간 레이어로서 음, 그리고 단단한, 평면 기판에 배치하십시오.
- 두 계층 PPy-PEDOT 헤테로 접합 생성하려면 PMMA 시트에 10 μm의 두께 PEDOT 계층을 얻기 위해 1,000 rpm으로은 (i) 스핀 - 코팅을하거나, (ii)에서 잠수정을 구울(3) 1500 rpm으로 스핀 - 코팅은 PEDOT 층에 1 μm의 두께의 PPy 필름을 취득하고, 5 분 80 ° C에서 (4) 베이킹 기판하기 위해, 1 H 동안 80 ° C에서 trate.
- 두 계층 알 PEDOT 다이오드 생성하려면 PMMA 시트에 10 μm의 두께 PEDOT 계층을 얻기 위해은 (i) 스핀 - 코팅 1,000 rpm으로을 (2) 1 H에 대해 80 ° C에서 기판을 만들어, 그리고 ( 열 증발에 의한 PEDOT 층에 3) 코트 200-nm의 두께의 알루미늄 필름.
- 세 계층 PEDOT-PMMA-PEDOT 콘덴서 생성하려면 PMMA 시트에 10 μm의 두께 PEDOT 계층을 얻기 위해은 (i) 스핀 코트를 1,000 rpm으로을 (2) 80 시에 기판을 만들어 한 H에 대한 ° C, (3) 1000 rpm을 여러 번에 스핀 - 코팅은 PEDOT 층에 15-20 μm의, (4가) 80시 기판을 만들어 두께의 PMMA 필름을 구하는 2,500 rpm으로 30 분, (V) 스핀 - 코팅을위한 ° C PMMA 필름의 두께 2-3 μm의를의 PEDOT 레이어를 취득하고, (VI) 베이킹 80시 5 분, 기판에 대한 ° C에서.하기
- 핫 엠보싱 마치를 사용하여 기판을 양각으로NE. 온도, 힘 및 금형 삽입 시간은 각각 140-150 ° C, 1500년에서 2000년까지 N과 150-200의입니다. ° C ~ 1.5 mm / 분 속도로 80-95로 demolding 수행합니다. 결과는 그림에 표시됩니다. 3 (CF) 11.
- 생성된 다층 microstructures의 응용
- PPy / PEDOT 헤테로 접합
- 2.1 단계 후 얻은 헤테로 접합 구조 IV 측정 Keithly 프로브 스테이션을 사용합니다. PEDOT 층이 금지되고 바이어스 전위 (-20 V, 20 V까지)은 PPy 레이어에 적용됩니다.
- 그림. 3 (G1)는 [9,11]의 PPy / PEDOT 헤테로 접합의 IV 특성은 PPy / PEDOT 헤테로 접합의 순방향 및 역방향 항복 전압은 각각 5 V와 -8 V했다 보여줍니다. 정류 비율은 10에서 24이었다 V. 관념성 계수는 8.88로 동일했습니다.
- 알 / PEDOT 헤테로 접합
- IV에 대한 Keithly 프로브 스테이션을 사용하여알 / PEDOT 헤테로 접합 구조의 측정 단계 2.2 이후 취득. 알 계층이 금지되고 바이어스 잠재적인 (-5 V ~ 5 V)은 PEDOT 층에 적용됩니다.
- 그림. 3 (G2)가 11 실온에서 측정 알 / PEDOT 접합의 IV 특성을 보여주고, 순방향 및 역방향 항복 전압을 각각 V, 3, -2.5했다. 알 / PEDOT 헤테로 접합의 정류 비율은 1에서 12 살 V.이 접합에 대한 관념성 계수들은 19로 계산되었다.
- PEDOT / PMMA / PEDOT 커패시터
- 2.3 단계 후 얻은 PEDOT / PMMA / PEDOT 콘덴서의 CV 측정 Keithly 프로브 스테이션을 사용합니다.
- 그림. 3 (G3)는 11 실온에서 측정 PEDOT / PMMA / PEDOT 콘덴서의 이력서를 보여줍니다. 이론적으로 계산된 수량이 1.38 PF 동안 저주파 바이어스에서 콘덴서의 정전 용량 측정은 0.06에 대한 PF했습니다.
C. 금속 서브 마이크론 Ppatterns 생성을 위해 MPL의 운영을 절단하고 폴리머를 실시
그림에 설명된 절차를 바탕으로. 서브 마이크론 기능과 함께 1 (C1-C3),시도 금형은 금속 및 실시 폴리머의 원하는 패턴을 생성하는 데 사용됩니다. 제조는 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
- 집속된 이온 빔 (악의없는 거짓말) 리소그래피를 사용하여 서브 마이크론 기능 실리콘 몰드를 조작. 너비 100, 500 nm의의시 금형의 두 가지 유형 1의 깊이 - 1.5 μm의, 20 μm의 1 μm의의 피치 길이가 생성됩니다.
- 사용 전 실리콘 몰드의 표면 준비는 (i)는 상온으로 냉각이어서 30 분 동안 150 ° C에서 질소 가스와 베이킹으로 건조 불어, DI 물, 아세톤 및 실온에서 철저하게 Nanostrip 솔루션 곰팡이를 씻어하고, 곰팡이가 위 세척 단계 후 깨끗한 아닌 경우 (2), 산소 플라즈마 클린에 따라 다릅니다. 조리법과 같다다음 : 300w에서 플라즈마 전력, 80 sccm 5 기간에서 산소 유량 - 7 분.
- 문장 PMMA 레이어 : 3,000 rpm으로 스핀 - 코팅 PMMA 용액 (9 % chlorobenzene의 분자량 495 K), 약 1.2 μm의의 두께를 구하는 150 웨이퍼를 구울 수있는 한 H하고 냉각하고, 노출 수에 대한 ° C 다음 단계를 위해 그것 친수성 있도록 50 sccm의 산소 유량 300 승에서 3 분 산소 플라즈마에 PMMA 코팅된 표면.
- 3,000 rpm으로 스핀 코트 PPy 솔루션 (DI 워터로 1시 2분 (V / V)에 의해 희석) 75 nm의의 두께를 구하고 PPy 레이어를 치료 한 H에 대해 60 ° C에서 기판을 구워합니다.
- 코트 스퍼터링 증착을 사용하는 10-25 nm의의 두께의 Au 필름.
- 다음 단계를 사용 PPy 와이어를 생성합니다.
- 인쇄물 500 nm의 전체시 채널 : 1 MM / 분 속도로 160 ° C에서 각인을 수행하고의 모드를 사용하여 600 s의 지속 시간을 삽입핫 엠보싱 기계의 위치 제어. 사용 최강 군사력이 경우 1085 N입니다.
- 인쇄물 100-nm의 전체시 채널 : 1mm/min의 속도로 140 ° C에서 각인을 수행하고 핫 엠보싱 머신에서 강제로 컨트롤의 모드를 사용하여 500 s의 기간을 삽입합니다. N. 2300에 엠보싱 힘을 수정
- 100-nm의 전체 채널시의 금형을 사용하여 끊을의 나노 와이어를 생성합니다 : 1mm/min의 속도로 160 ° C에서 각인을 수행하고 핫 엠보싱 머신에서 강제로 컨트롤의 모드를 사용하여 700 s의 기간을 삽입합니다. N. 2300에 엠보싱 힘을 수정
- 단계 4.1-4.2 들어, ° C ~ 3mm / 분 속도로 95에서 demolding 수행합니다. 결과는 그림에 표시됩니다. 4.
- 다음 단계를 사용 PPy 와이어를 생성합니다.
디 폴리머와시 기판 측벽에 Micropatterns 생성을 위해 MPL의 운영을 설계하고.
그림의 절차를 따라. 1 (D1-D3)는 '그리기'작업이다HDPE microchannels의 측벽에의 Au와 PDMS micropatterns를 생성하는 데 사용됩니다. HDPE 기판에 대응하는 물질의 Au 또는 각인 동안 중간 계층 고분자의 표면 프로파일을 다음과 PDMS입니다. 제조는 아래에 자세히 설명되어 있습니다.
- HDPE 채널에서 AU 측벽 패턴
- 3,000 rpm으로 스핀 - 코팅 1.5 mm 두께의 HDPE 시트 (X 40mm X 40mm 1.5 ㎜)에 긍정적인 포토 레지스트 (S1813)의 1 μm의 두께 레이어를 얻을 수 있습니다.
- S1813 레이어 (그림 5 (AB))로 마스크 패턴을 전송하는 자외선 리소그래피를 사용하여. 마스크 패턴은 10 × 10 μm의 2 점 (그림 7A)과 110 μm의 전체 라인으로 구성되어 있습니다.
- 열 증발기 (그림 5c)를 사용하는 S1813 레이어에 코트 100 nm의 두께의 Au 필름.
- 아세톤은 HDPE 시트 (그림 5D)에 끊을 패턴을 떠나, 린스와 S1813를 제거합니다.
- temperat에 HDPE 시트를 데워HDPE의 T g (즉, 128 ° C)하지만, 아래의 Au의 T M (예 : 1063 ° C) (그림 5E 호야)보다 약간 높다 뜨거운 접시,의 131-136 ° C의 우레 범위.
- 이후 냉각 (그림 5 층)에 의해 다음 1 시간 동안 인쇄물 40-120 KPa의 압력 범위와 AU-패턴 HDPE 시트로시 - 철근 PDMS 주형 16 사용합니다.
- 기판에 PDMS 주형의 패턴 전송을 완료, 온도가 HDPE의 T g 이하 금형 및 HDPE 시트를 분리합니다. PDMS 주형에 의해 HDPE 쉬트에 적용됩니다 끊을 패턴은 형성 microstructures (그림 5g)의 측벽 및 바닥 표면에 나타납니다. PDMS 몰드와 끊을 패턴 사이의 결합 강도는 HDPE 시트 및 au 패턴 간의보다 약한 동물이기 때문에 끊을 패턴 PDMS 주형에 충실하고 HDPE 표면에 남아 있지 않습니다. 이 프로세스의 결과는 그림에 표시됩니다. 7 (BC) 12.
- HDPE 채널 측벽에 대한 PDMS의 micropillars
- 3,000 rpm으로 스핀 - 코팅 SU-8 몰드에서 S1813의 1 μm의 두께의 레이어 (그림 6A)를 얻을 수 있습니다. SU-8 몰드는 기존의 자외선 리소그래피 17를 사용하여 생성됩니다.
- 스핀 코트 PDMS (PDMS와 경화 요원 사이의 비율이 10시 1분입니다) S1813-코팅된 SU-8 몰드에서 1,000 rpm으로, 그리고 뜨거운 접시에 3 시에 대해 85 ° C에서 샘플을 만들어가 아래로 냉각 뒤에 실온 (그림 6B).
- micropillar-형성된 PDMS 필름 (그림 6c)의 생성을 완료, 아세톤과 S1813을 에칭하여 SU-8 몰드에서 박막 PDMS 필름을 놓아.
- 1.5 mm 두께의 HDPE 시트 (그림 6D)에 micropillar-형성된 PDMS 필름을 넣으십시오.
- 52.5 kPa (그림 6e)의 압력을 갖춘 140에서 PDMS 필름 및 HDPE 시트 모두 ° C로 알루미늄 금형을 (둥근 모서리 포함) 넣습니다. 인쇄시간은 1 시인데. 140에 ° C는 PDMS 필름은 곰팡이에 의해 부드러운 HDPE 시트에 엎드리게하고 있습니다.
- 시료는 알루미늄 금형의 제거 다음 실온으로 냉각 후 채널 HDPE 시트에 생성됩니다. 이 micropillar 구성된 PDMS 필름의 일부가 바닥 채널의 두 측벽 (그림 6 층)로 전송됩니다. 결과는 그림에 표시됩니다. 7 (DF) 15.
- HDPE 채널. 그림 내부의 PDMS의 micropillars 위에 놓여 물의 비말의 접촉 각도를 측정합니다. 7 (GH)은 145.5 ° 15 측정한 평균 접촉 각도를 보여줍니다.
E. 대표자 결과
요약에서, MPL의 결과는 다음과 같습니다 :
- 폴리머와 금속 micropatterns을 실시 싱글 레이어는 그림에서와 같이 형성되었다. 2 (B1-B3, C2-C3).
- 에 결과를 감지 PPy 필름 microwire 습도그림. 2D.
- 폴리머와 금속 micropatterns을 실시 다중 계층은 그림에서와 같이 형성되었다. 3 (CF).
- 그림의 접합 특성 결과입니다. 3 (G1-G3).
- 100 -와 500 nm의 범위 PPy 와이어는 그림에서와 같이 형성되었다. 4 (AB).
- 100-nm의 범위의 Au의 나노 와이어는 그림에서와 같이 형성되었다. 4c.
- 프 패턴은 그림에서와 같이 300 μm의 범위와 42 μm의 깊이 HDPE 채널에서 생성되었다. 7 (BC).
- PDMS의 micropillars은 그림에서와 같이 1-mm-폭 1-mm-깊이 HDPE 채널의 상단, 하단 및 측벽 표면에 생성되었다. 7 (DF).
- 그림에서 HDPE 채널 내에 측정 물 연락처 각도. 7 (GH).
그림 1 장 금속의 볼록 macropatterns 창조의 "절단"프로세스 (단면 회로도) :. (A1)는 기판 위에 금속판을 배치, (A2) 기판에 금형을 삽입하고, (A3) 별도의 몰드와 기판. 오목 macropatterns의 제조의 "드로잉"프로세스 : 기판에 (B1) 장소 시트 금속, (B2)는 기판에 금형을 삽입하고 (B3) 몰드와 기판을 분리. 볼록 구조의 제조에 MPL 방법 (단면 회로도)의 "절단"운영 : (C1) 열 기판은 (C2) 기판에 금형을 삽입하고 (C3) 몰드와 기판을 분리. 오목한 구조의 제조에 MPL 접근법의 "그림"운영 : (D1) 열 기판는 (D2) 기판에 금형을 삽입하고 (D3) 몰드와 기판을 분리.
그림 2시 금형의 설계 (상단보기) : (A1) 직선, (A2) 평방 점, (A3) 트러스 구조, 그리고 (A4) 뱀 모양의 라인..(b)는 핫 엠보싱 기계. 생성된 알 구조의 SEM 이미지 : (C1) 10-μm의 전체 라인, (C2) 20 × 20 μm의 두 점, 및 (C3) 트러스 구조. 다중 구조로 구성된 microstructures의 (D1) 도식, (D2) 300 μm의 차원 직선, PPy, PEDOT의 (D3) 50 μm의 범위 뱀 microwire 패턴, 그리고 SPANI은 MPL의 "절단"작업을 사용하여 동시에 가공 . (E) 습도는 실험 설정을 감지하며, (F) 습도가 PPy 필름 microwire 센서 4, 7, 8과 결과를 감지. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .
.의 그림 3 레이아웃 : (A1) 두와 (A2) 세 계층 장치, (B)시 금형의 레이아웃 (상단보기) 다층 장치를 조작하는 데 사용,의 (다) SEM 이미지를 300 μm의 차원, microline 모양 PPY-PEDOT 헤테로 접합하며, CLose 업의 크로스 섹션의 전망 SEM : (D) PPy-PEDOT 헤테로 접합, (e)를 알 PEDOT 다이오드, (F) PEDOT-PMMA-PEDOT 커패시터, 헤테로 접합 특성화 결과 : (G1) PPy / PEDOT, (G2 ) 알 / PEDOT하며, (G3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.
그림 4 양각 500 nm의 범위 PPy 와이어의 () AFM 스캔,.. (b)는 양각 100-nm의 범위 PPy 라인 그리고 (c) 100-nm의 범위의 Au 와이어가의 SEM 이미지 여기를 클릭이 큰를 보려면 생각 .
그림 5의 Au 패턴과 HDPE 기판의 제조 :. (AB) 노출과 S1813 레이어를 개발하고, 원하는 기능의 마스크를 사용하는 (CD) 예금의 Au와 S1813 레이어를 삭제, (EF)시 철근을 사용하여 기판을 고취 PDMS 주형 및 (G) 이후 demol땡,의 Au 기능 12으로 구성된 측벽 패턴과 기판.
그림 6 micropillars있는 PDMS 필름 제작 :. () SU-8 몰드를 조작, (b)는 스핀 코트와 PDMS 레이어를 치료는, (C) SU-8 몰드에서 PDMS 층을 제거, (D) 알루미늄 금형을 사용하여 기판을 고취하며, (EF) demolding 후 PDMS의 micropillars 구성된 측벽 패턴과 기판, 15를 취득하고 있습니다.
그림 7의 Au의 점들의 () 레이아웃,의 SEM 이미지 :. (B) 10 × 10 μm의 두 점, 그리고 (c) 110 μm의 범위 - 라인. (D) 단면보기 : 상단, 하단 및 측벽 surfaces1 - 음 - 폭 HDPE 채널에서 생성된 PDMS의 micropillars, HDPE에서 생성된 채널의 크기는 x 300 μm의 X 42 μm의 (길이 X 폭 X 깊이) 1cm입니다 의채널, (E) 최고의 SEM 이미지, 채널 (F) 하단 모서리 및 PDMS 기둥 12,15에서 (GH) 연락처 각도 측정 결과. PDMS의 기둥은 치수 10 × 10 μm의 μm의 X 27 μm의 수 있습니다. HDPE의 채널의 크기는 x 1mm X 1mm (길이 X 너비 X 높이) 20mm입니다. - PPy / PEDOT 헤테로 접합
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Discussion
문제 해결 정보 : "절단"작업을 사용하여 고분자와 금속을 수행 단일 및 다중 레이어 micropatterns의 생성에 관한 중요 사항 : (1) 엠보싱의 온도는 최적의 결과를 생성하는 중간 PMMA 계층의 유동성을 보장합니다. 그것은 범위의 하한선에서 시작하고 원하는 결과가 달성되지 않은 경우 점차 온도를 높이는 것이 좋습니다. 너무 높은 온도는 화학 물질 및 / 또는 전기적 특성을 변경하려면 전도 폴리머 레이어를 일으킬 수 있습니다. 각인 력이 너무 높으면 (2), 그것은시 금형이 엠보싱 동안 자극이 발생할 수 있으며, 낮은 힘 반면 절단되지 않을 수 있습니다 부적 절한 금형 충전 및 폴리머 레이어가 발생할 수 있습니다. (3) 엠보싱 기계는 기판이 설정 온도 값을 획득하였습니다 후에만 각인 시작하도록 프로그래밍해야합니다. (4) 인쇄물의 프로필은 힘, 온도 및 금형 inse을 각인, 기능의 크기에 따라 다릅니다RT 시간, 그리고 더 둥근 것과 날카로운 가장자리를 한 사이에 차이가있을 수 있습니다. 폴리머 레이어 증가의 숫자로서, 프로필 가장자리가 둥글게되는 경향이있다. (5) 날카로운 모서리가있는시 금형이 실시 고분자 / 금속 레이어 컷 - 오프 원하는대로되는 것을 보장하기 위해 선호된다. 경사진 측벽과시 몰드를 사용하는 것은 권장되지 않습니다. (6) 매우 깊은시 금형의 사용은 금형 및 폴리머 레이어 (들) 사이 stiction의 원인이 될 수 있습니다. 곰팡이가 너무 얕은 경우는 상위 레이어 (들)의 "절단"을 달성하지 못할 수 있습니다. (7) 그것은 안티 stiction 영화는 (예를 들어, 테플론) 쉽게 demolding 프로세스 동안 기판에서 분리를 위해시 금형에 코팅을해야하는 것이 좋습니다. (8) 낮은 금형 인서트 시간은 "절단"이 발생할 수 없으며 금형 프로필 반올림 수 있습니다. 기능 크기가 작은 경우, 더 이상 삽입 시간이 필요하고 그 반대도 마찬가지입니다. (9) 두껍게 실시 고분자 / 금속 필름은 얇은 사람에 비해 더 기계적으로 강한 있습니다. 그러나, COM상위 레이어의 bined 두께는 중간 PMMA 층의 두께 이상이 될 수 없습니다. (10) Demolding 온도가 아래에 105이어야합니다 ° C (PMMA의 T G). 높은 값을 곡선 업 demolding과 낮은 값 뒤에있는 기판을 초래할 수 것은시 금형이 기판에 집중하고 떨어져 깨질 수 있습니다.
서브 마이크론 PPy 및 au 와이어의 생성에 관한 중요 포인트 : (1) 처음시 금형을 사용하기 전에, 금형에 대한 AFM과 SEM 스캔이 수행되지 않을 것입니다. 이것은 실리콘 몰드의 깨끗한 표면을 유지하기 위해 필요한 것입니다. 실리콘 몰드의 표면 거칠기를 증가의 가능성이있는 그대로 (2) NanoStrip 솔루션이나 산소 플라즈마를 사용하는 등 적극적인 세정 절차는 피해야한다. 이것은 실리콘 몰드 및 실시 고분자 층 사이 stiction을 유도하고 있습니다. (3) 상위 레이어의 두께 (고분자 또는 금속을 수행)은 금형의 깊이보다 작아야한다가장자리에있는 레이어의 절단입니다. 절연 폴리머 층의 두께에 이런 제한은 없습니다. (4) 실리콘 몰드의 표면 거칠기가 최소이어야합니다. 경우에는 실리콘 금형의 표면 처리로 인해 또는 오염에 거친이며, 부적 절한 패턴 전송 결과, 금형과 기판 사이의 완벽한 접촉이있을 수 없습니다.
HDPE 채널에의 Au의 micropatterns의 생성에 관한 중요 사항 : (1) 높은 엠보싱 온도 (≥ 136 ℃)에서 끊을 라인이 곡선까지 HDPE가 부드럽게되면 표면을 따르도록하지. (2) 높은 금형 깊이 (≥ 42 μm의)에서 끊을 라인은 스트레스가 12 ~ 인해 HDPE 채널의 가장자리에서 깰 수 있습니다.
PDMS의 micropillars와 HDPE 채널의 생성에 관한 중요 포인트 : PDMS의 micropillars의 높이가 클 경우 (1), 그것은 SU-8 몰드로부터 릴리스 이후에 쓰러지다 수도 있습니다. PDMS의 기둥 (2) 고 종횡비 수 있습니다"그림"15 단계 중에 손상될.
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Disclosures
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006) - Pfund-53, NSF-CMMI-0811888, 그리고 NSF-CMMI-0900595 보조금을 통해 부분적으로 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PMMA | Sigma-Aldrich | 495C9 | The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions. |
| PPy | Sigma-Aldrich | -- | 5% by weight in water. Used as received. |
| PEDOT-PSS | H. C. Starck Co. | Baytron P HC V4 | Proprietary solvent. Used as received. |
| SPANI | Sigma-Aldrich | -- | Water soluble form. Used as received. |
| Hot embossing machine | JenoptikMikrotechnik Co. | HEX 01/LT | |
| Sputter machine | Cressington Co. | 208HR | |
| FIB machine | Carl Zeiss, Inc. | FIB Crossbeam 1540 XB | |
| Spin coater | Headway Research Inc. | PWM32-PS-R790 Spinner System | |
| RIE machine | Technics MicroRIE Co. | -- | |
| Photoresist | Shipley Co. | S1813 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 Silicone elastomer kit | |
| HDPE sheet | US Plastic Corp. | -- | |
| PMMA sheet | Cyro Co. | -- | |
| Double-sided adhesive tape | Scotch Co. | -- | |
| Single-sided tape | Delphon Co. | Ultratape # 1310 | |
| Glass micropipettes | FHC, Inc. | 30-30-1 | |
| Clip | Office Depot | Bulldog clip | |
| Humidifier | Vicks Co. | Filter free humidifier |
References
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