Summary
טכנולוגיית הטבעה של השפעה מסוג הדפסה חמה משתמשת בכותרת השפעה כדי לממש את דפוסי הנקודה על חומרים גמישים בזמן אמת. לטכנולוגיה זו יש מערכת בקרה לשליטה בתנועה ובמיקום של כותרת ההשפעה כדי ליצור תבניות של נקודות ברוחב ובעומקים שונים בסרטים פולימריים שונות.
Abstract
כאן אנו מציגים את המחקר שלנו על ההשפעה הדפס-סוג תהליך הבלטה חם אשר יכול ליצור תבניות נקודה עם עיצובים שונים, רוחב, ומעמקי בזמן אמת על סרט פולימרי. בנוסף, אנו מיושמים מערכת בקרה לתנועה ולמיקום של כותרת ההשפעה כדי לקבור דפוסי נקודה שונים. ביצעו בדיקת מידות בסרטים פולימריים שונים, כגון סרט פוליאסטר (PET), סרט הסרט פולימתיל (PMMA), וסרטי פוליוויניל כלוריד (PVC). דפוסי הנקודה נמדדו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלית וקד, ואנו אישר כי ההשפעה השפעה תהליך הבלטה חם מייצר פחות שגיאות במהלך התהליך הדפוס נקודה. כתוצאה מכך, ההשפעה על תהליך הטבעה חם של השפעה מתגלה להיות מתאים לתבניות של נקודות חריטה על סוגים שונים של סרטים פולימריים. בנוסף, בניגוד לתהליך ההבלטה החם המקובל, תהליך זה אינו משתמש בחותמת הבלטה. לכן, התהליך הוא פשוט והוא יכול ליצור תבניות נקודה בזמן אמת, הצגת יתרונות ייחודיים עבור ייצור המוני וייצור אצווה כמות קטנה.
Introduction
חוקרים מנסים באופן פעיל למזער התקנים קיימים ומציג ולהגדיל את הגמישות של התקנים אלה1,2. כדי להקטין את הרוחב והעומק של ערוצי חשמל לקנה מידה מיקרו או ננו, טכנולוגיית דיוק גבוהה היא הכרחית. בנוסף, כדי להגביר את הגמישות של התקנים אלה, הדפוסים של ערוצי החשמל חייבים להיות ממוקמים על חומר גמיש, כגון סרט פולימרי3,4. כדי לעמוד בתנאים אלה, המחקר של טכנולוגיית מיקרו-עיבוד ultrafine מתבצעת באופן פעיל.
לטכנולוגיה מיקרוליפיין ultrafine יש יתרון בחומרים הדקים האפשריים כוללים לא רק חומרים קשיחים מאוד כגון ברזל או פלסטיק, אך גם חומרים רכים כגון סרטים פולימריים. בשל יתרונות אלה, טכנולוגיה זו משמשת רבות כתהליך ליבה בתחומים שונים, כגון תקשורת, כימיה, אופטיקה, תעופה וחלל, מוליך למחצה, וחיישנים5,6,7. בתחום המיקרו-עיבוד האולטרה-ממדי,משתמשים ב-ליגה (ליטוגרפיה, ציפוי אלקטרוליגרפיות ודפוס) או שיטות מיקרוליניג. עם זאת, שיטות קונבנציונליות אלה משויכות למספר בעיות. שיטות ליגת העל דורשות כמות משמעותית של זמן ומספר שלבי תהליך ליצירת תבניות אולטרה-משובחות וכרוכות בעלויות גבוהות גם משום שהן זקוקות לסוגים רבים ושונים של ציוד במהלך התהליכים. בנוסף, שיטות ליגת העל משתמשות בכימיקלים שיכולים לזהם את הסביבה.
כדי לטפל בבעיה זו, טכנולוגיית תהליך הבלטה חם כבר להיות הדליק בין טכנולוגיות מיקרו בסדר ultrafine. הטבעה חמה היא טכנולוגיה היוצרת תבנית על סרט פולימרי מחומם באמצעות תבנית הבלטה מיקרו או ננו-סקאלה. טכנולוגיית הבלטה חמה רגילה מחולקת לסוג הלוחית וסוג גליל-אל-רול בהתאם לצורת התבנית. שני סוגים של טכנולוגיית הבלטה חם שונים מבחינת הצורה של העובש, אבל אלה שני תהליכים דומים בכך עובש הבלטה לוחץ על הסרט פולימר על צלחת מחוממת כדי לחרוט דפוס על הסרט פולימר. כדי לחרוט את התבנית באמצעות תהליך הבלטה חם, יש צורך לחמם את הסרט פולימר מעל טמפרטורת המעבר זכוכית כדי להחיל כמות נאותה של לחץ (~ 30-50 MPa)9. בנוסף, הרוחב והעומק של התבנית משתנים בהתאם לטמפרטורת הצלחת המחוממת, לחומר ולצורה של תבנית ההבלטה. יתר על כן, שיטת הקירור לאחר תהליך הדפוס משפיע על צורת התבנית על הסרט פולימר.
בתהליך הבלטה חם קונבנציונלי, חותמות הבלטה או רולים יכול להיות מובלט עם התבנית הרצויה, ואת עובש הבלטה ניתן להשתמש כדי להדפיס את דפוס זהה על משטחי הסרט פולימר ברציפות. תכונה זו עושה את התהליך הזה מתאים לא רק עבור ייצור המוני אלא גם עבור בדיית התקנים עם חומרים רכים, כגון סרטים פולימריים10,11,12,13,14. עם זאת, שיטת הבלטה חמה המקובלת יכולה ליצור רק את התבנית היחידה החקוקה בתבנית ההבלטה. לכן, כאשר המשתמש רוצה ליצור דפוס חדש או לשנות את התבנית, הם חייבים ליצור עובש חדש כדי לשנות את דפוס ההטבעה. מסיבה זו, הטבעה חמה קונבנציונאלי הוא יקר וגוזלת זמן בעת יצירת דפוסים חדשים או החלפת עיצובים קיימים.
עבודה קודמת הציגה את תהליך ההשפעה-סוג חם הבלטה להפקת דפוסי נקודה עם רוחב ומעמקי שונים בזמן אמת15. בניגוד לתהליך ההבלטה החם המקובל, שיטת ההבלטה החמה מסוג ההדפסה משתמשת בכותרת השפעה כדי ליצור תבניות בסרט הפולימרי. טכנולוגיה זו מזיזה את כותרת ההשפעה למיקום הרצוי עם מערכת מיקום מדויקת. אות פקד מוחל על תבניות הדפסה ברוחב ועומק רצויים ובמצב שרירותי. מבנה כותרת ההשפעה מורכב ממאלף, קפיץ, סליל מתפתל, וליבה (ראה איור 1א)15. העבודה הקודמת אושרה באמצעות ניתוח ולהתנסות כי כותרת השפעה כזו יכולה לייצר את הכוח המתאים עבור הטבעה חמה16. הפרוטוקול של נייר זה מכסה את העיצוב של החומרה עבור תהליך הבלטה חם של סוג ההשפעה וסביבת הבקרה עבור בקרת תהליכים. בנוסף, אנו לנתח את דפוסי הנקודה על הסרט PET, הסרט PMMA, וסרט PVC, כולם מעובדים עם הפרוטוקול המוצע כדי לוודא כי ההשפעה השפעה בתהליך הבלטה חם יכול ליצור דפוסי נקודה עם רוחב ומעמקי שונים בזמן אמת. התוצאות של ניסויים אלה מוצגים להלן בסעיף התוצאות, המאשר כי תהליך ההבלטה יכול כראוי לייצר דפוסים בסדר ultrafine.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור תהליך הטבעה חמה של ההשפעה השפעה
- הפוך דגם 1 ושנה אותו באמצעות X-stage (ראה איור 1).
הערה: מומלץ כי דגם 1 יהיה עשוי אלומיניום כדי למנוע החום מתנהל על ה-X-stage. כמו-כן, מומלץ לאורך הדגם 1 להיות המרחק בין המשטח של צלחת החום לבין הגובה הנמוך ביותר של לוחית הנושא של ה-Z-stage כעיצוב של דגם 1 משתנה עם גודל צלחת החום. - לשלב את X-שלב ו-Z-שלב ולהרכיב את Z-stage ודגם 2.
הערה: ודא שדגם 2 עשוי ממתכת שיכולה לשאת את החום מהצלחת החום (למשל, אלומיניום). תיקון דגם 2 לשלב Z בחוזקה יבטיח את היכולת של שלב Z להכיל את המשקל של דגם 2 ואת כותרת ההשפעה. - שלב את דגם 2 ואת כותרת ההשפעה ומניחים את צלחת החום מתחת לדגם 1.
הערה: הצטרפות לכותרת ההתנגשות עם המיקום הנמוך ביותר בדגם 2 תבטיח שהמחבר יגיע למשטח של צלחת החום. מומלץ להתקין את לוחית החום לאחר העלאת השלב Z מקסימאלית כדי למנוע כל מגע של ראש השפעה עם פני השטח של צלחת החום. השתמש בתוכנה מתאימה כדי לשלוט על הבמה. - המירו את קובצי STL של מחזיק הסרט (קובץ משלים 1 וקובץ משלים 2) לקובצי gcode באמצעות תוכנה מתאימה להדפסת מחזיק הסרט במדפסת תלת ממדית (3d).
הערה: התוכנה עשויה להשתנות עם המדפסת התלת-ממדית שבשימוש, וסביבות מסוימות עשויות לתמוך בסביבות מדפסת תלת-ממדית ללא המרת GCODE. - השתמש במדפסת התלת-ממדית כדי להדפיס את מחזיק הסרט בקובץ ה-GCODE.
הערה: מומלץ להשתמש בחוט (לדוגמה, Z-ירכיך) מכיוון שהכיווץ הקטן יותר יתרחש בעת הדפסת חלקים גדולים, כגון מחזיק הסרט. - התקן שני מחזיקי סרטים על קצה צלחת החום ותקן את הסרט הפולימרי על מחזיק הסרט, כמוצג באיור 1. כדי להבטיח כי הסרט פולימר הוא שטוח על צלחת החום, למשוך את הסרט פולימר ככל האפשר באמצעות תנועה 1 של בעל הסרט (ראה איור 1ב). כדי להזיז את הסרט הפולימרי לצד, הזז את בעל הסרט דרך תנועה 2 (ראה איור 1ב).
הערה: כדי לתקן את הסרט הפולימרי על בעל הסרט, מומלץ להשתמש בבורג. הדבק אינו מספיק כדי לצרף את הסרט פולימר על מחזיק הסרט, והוא הטוב ביותר עבור התנתקות של הסרט פולימר לאחר הניסוי הקרום.
2. ייצור מעגל הבקרה
הערה: תהליך זה מתאר את התהליך של בניית מעגל הבקרה של כותרת ההשפעה והשלב X-Z.
- חבר את התקן הבקרה ששולח את האותות (ראה טבלת חומרים) לכותרת ההשפעה כדי לשלוט בו.
- לאחר חיבור התקן הבקרה לכותרת הפגיעה, קלט-3 V ו-+10 V כאותות שליטה לתוך כותרת ההתנגשות.
הערה: אם אות בקרה של +10 V נשלחת לכותרת ההשפעה (ראה איור 1), המשדר (ראש השפעה) יורד ונכנס למצב הפעלה. במצב זה, המונבר פוגע בסרט הפולימרי ומקברי את התבנית בסרט הפולימרי.- הרימו את המונרים כדי לחרוט את התבנית הבאה לאחר חריטה על תבנית באמצעות מחבר הכותרת של כותרת ההשפעה. כדי להעלות את המשדר (ראש השפעה), החל את אות הבקרה 3 V.
הערה: מתח שלילי מגיע לכותרת ההשפעה כדי למנוע מהמונע להיות ממוגנט על-ידי שטף השריד הפנימי של כותרת ההשפעה.
- הרימו את המונרים כדי לחרוט את התבנית הבאה לאחר חריטה על תבנית באמצעות מחבר הכותרת של כותרת ההשפעה. כדי להעלות את המשדר (ראש השפעה), החל את אות הבקרה 3 V.
- אם להתקן הבקרה אין אפשרות לספק אות שליטה מספקת, השתמש במגבר פעולה בעל צריכת חשמל גבוהה (לדוגמה, OP-AMP) אשר מגביר את אות הבקרה ~ 0 V – 5 V עד ~ 3 V – +10 v, כפי שמוצג באיור 2, כדי לשלוט בכותרת ההשפעה.
- ראשית, הכן ספק כוח DC של ערוץ כפול (ראה טבלת חומרים). לאחר שלב זה, לחבר ארבעה צמתים כדי לספק משותף הקרקע (GND) צמתים לכל הערוצים: מסוף מתח חיובי (V1 +) ו הקרקע (GND) מסוף ערוץ 1 ו מסוף מתח שלילי (V2-) והקרקע (GND) עבור ערוץ 2. דיאגרמת חיבור כוללת מוצגת באיור 2.
הערה: בהתאם לשלב המתואר ב2.3.1, ניתן לספק מתח חיובי ושלילי עם ערכים מוחלטים שונים למגבר התפעולי (OP-AMP). - חבר את מסוף המתח השלילי של ערוץ 1 (V1-) של ספק הכוח למסוף מתח החשמל השלילי (Vs-) של ה-OP-AMP, כפי שמצוין על-ידי הקו הכחול באיור 2. לאחר מכן, הקלט 3 V Vcc מתח לערוץ 1.
הערה: לפי שלב 2.3.1, המתח 3 V וולט מסופק כ-3 מתח שלילי V למסוף המתח השלילי של אספקת החשמל (Vs-) של ה-OP-AMP. - חבר את מסוף המתח החיובי של ערוץ 2 (V2 +) של ספק הכוח למסוף המתח החיובי של אספקת החשמל (Vs +) של ה-OP-AMP, כפי שמצוין בקו האדום באיור 2. לאחר מכן, קלט 10 V וולט מתח לערוץ 2.
הערה: לפי שלב 2.3.1, המתח 10 V Cc מסופק כ + 10 V מתח חיובי מסוף מתח חיובי אספקת החשמל (Vs +) של ה-OP-AMP. - חבר את ערוץ + הפלט של התקן בקרה (Vcon +) לערוץ הקלט החיובי (Vin +) של ה-OP-AMP, כפי שמוצג על-ידי הקו הירוק באיור 2.
- חבר את ערוץ הפלט של התקן בקרה (Vcon-) לקרקע (GND) של ערוץ 2 של ספק הכוח, כפי שמוצג על-ידי הקו השחור באיור 2.
הערה: בעת חיבור (Vcon-) לקרקע (GND), ניתן לחבר אותו לאחד המסופים המחוברים במהלך שלב 2.3.1 בנוסף ל-GND של ערוץ 2. - הכינו עמידות חשמלית של 1 kΩ ו -10 ערכי kΩ בכל מקרה וחברו בין הקו האדום לקו השחור, כפי שמוצג באיור 2.
- חבר את המסוף בין 1 kΩ ו-10 kΩ לערוץ הקלט השלילי של ה-OP-AMP (Vin-), כפי שמוצג על-ידי הקו הסגול באיור 2.
- משוך את הקווים מערוץ הפלט של אופ-AMP (Vout) ואחד המסופים החשמליים המתוארים בשלב 2.3.1. חבר את הקווים לכותרת ההשפעה, כפי שמוצג על-ידי הקו הכתום באיור 2.
- בנוגע לאספקת החשמל, קבע את המתח של ערוץ 1 – 3 Vcc וערוץ 2 – 10 Vcc. לאחר מכן, צור אותות שליטה של ~ 0 V – 5 V מהתקן הבקרה.
הערה: שנוצר ~ 0 V – 5 בקרת V אותות יהיה מוגבר על ידי ה-OP-AMP כדי ~-3 v – +10 V, אשר הכרחי כדי לשלוט על כותרת ההשפעה כפי שמתואר בשלבים 2.2.1 ו 2.2.2.
- ראשית, הכן ספק כוח DC של ערוץ כפול (ראה טבלת חומרים). לאחר שלב זה, לחבר ארבעה צמתים כדי לספק משותף הקרקע (GND) צמתים לכל הערוצים: מסוף מתח חיובי (V1 +) ו הקרקע (GND) מסוף ערוץ 1 ו מסוף מתח שלילי (V2-) והקרקע (GND) עבור ערוץ 2. דיאגרמת חיבור כוללת מוצגת באיור 2.
3. עיצוב הניסוי
הערה: סעיף זה מתאר את התהליכים של שליטה בהתקן הבלטה מסוג ההשפעה החמה ודפוסי החריטה על הסרט הפולימרי.
- התקן תוכנית בקרת שלב (לדוגמה, מיקרומטר) כדי לשלוט בשלב X ו-Z-stage באמצעות מחשב בקרה (PC).
- התקן תוכנת מנהל התקן DAQ כדי לזהות את התקן הבקרה במחשב הבקרה השולט בכותרת ההשפעה ולהתקין תוכנית הפעלה (לדוגמה, MATLAB) כדי לשלוט בהתקן הבקרה.
- לאחר התקנת התוכנה, לבנות את סביבת החומרה כפי שמוצג באיור 3א לנהל את הניסוי מפענח.
- התקן את שלב ה-X, שלב Z, כותרת ההשפעה, מחזיק הסרטים וצלחת החום כמוצג באיור 3א לבניית סביבת החומרה.
- לתקן את הסרט פולימר על מחזיק הסרט ולהתאים את המיקום של הסרט פולימר באמצעות תנועות 1 ו 2 (ראה איור 1ב) כדי לתקן את הסרט בזריזות.
הערה: כדי לשמור על שטוח בסרט בזמן התאמת כיוון 2, המיקומים של שני מחזיקי הסרטים צריכים להיות מקבילים. כדי להפוך את הסרט לשטוח על צלחת החום, מומלץ לכוונן את מחזיק הסרט על-ידי הנמכת התנוחה לפי כיוון 1, כפי שמוצג באיור 1ב. - לאחר תיקון הסרט פולימר, להתאים את הטמפרטורה של צלחת החום לחמם את הסרט מעל טמפרטורת המעבר זכוכית.
הערה: לכל סוג של סרט יש טמפרטורת מעבר זכוכית משלו. לכן, מומלץ להתאים את הטמפרטורה של צלחת החום לטמפרטורה מעבר הזכוכית שלה לאחר בדיקת תכונות החומר של הסרט בגליון הנתונים המתאים.
- לאחר הגדרת החומרה, מקם את מעגל הבקרה ביחד כמוצג באיור 3ב כדי לשלוט בשלב ובכותרת ההשפעה.
- הכן את המחשב, לוח הבקרה, ספק הכוח ו-OP-AMP כדי לבנות את סביבת הבקרה כמוצג באיור 3ב. חבר את ההתקנים כמוצג באיור 2 ולאחר מכן חבר את המחשב ללוח הבקרה.
- הזן את 3 Vcc ו 10 ערכי Vcc לתוך OP-AMP דרך ערוצים 1 ו-2 של ספק הכוח בהתאמה, כפי שמתואר בשלב 2.3.9.
- שלוט בכותרת השלב וההשפעה באמצעות מחשב הבקרה.
- התאם את המיקום ההתחלתי של כותרת ההשפעה על-ידי שליטה בשלבי X ו-Z באמצעות תוכנית בקרת השלבים.
הערה: בעת התאמת המיקום ההתחלתי של כותרת ההשפעה, ודא שאין התנגשות בין כותרת ההתנגשות לבין צלחת החום. אם המיקום של השלב Z הוא נמוך מדי, המונבר יהיה מתנגשים עם צלחת החום, נזק הן המונגם ואת צלחת החום. אם יש נזק לשני המכשירים, זה יהיה לעכב את יצירת דפוסים עדינים על חומר פולימרי. - באמצעות תוכנית ההפעלה, צור אות בקרה של 5 V מהתקן הבקרה. על פי צעדים 2.3.1 – 2.3.9, OP-AMP יהיה להגביר את האות בקרת 5 V ל +10 V, להפוך את כותרת ההשפעה על, ולחרוט את דפוסי על הסרט פולימר.
- כעת צור אות בקרה של 0 V מהתקן הפקד באמצעות תוכנית ההפעלה. על פי השלבים 2.3.1 – 2.3.9, OP-AMP יהיה להגביר את אות הבקרה 0 V ל-3 V ולהפעיל את כותרת ההשפעה.
הערה: מחדש של כותרת ההשפעה יהיה מוגבה, מחכה לקבור את התבנית החדשה. - להעביר את השלב X לעמדה כדי לקבור את התבנית הבאה.
- אנגרייב דפוסי 3x על הסרט פולימר על ידי חוזר צעדים 3.5.1 – 3.5.4 ברצף.
- להוריד את Z-שלב 10 יקרומטר מהמיקום הראשוני ולבצע שלב 3.5.5, לספור את מספר המהלכים z-stage. כאשר מספר התנועות של שלב Z חורג משלוש, הזז את ה-X-stage למיקום ההתחלתי והרם את כותרת ההשפעה באופן מקסימאלי על-ידי הזזת שלב Z.
הערה: שינוי גובה Z-stage יבטיח את ההתאמות בעומק וברוחב של תבנית הנקודה.
- התאם את המיקום ההתחלתי של כותרת ההשפעה על-ידי שליטה בשלבי X ו-Z באמצעות תוכנית בקרת השלבים.
- ניתוק הסרט הפולימרי ממחזיק הסרט ולמדוד את הרוחב והעומק של כל תבנית באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלית וקד (ראה טבלת חומרים), כפי שמוצג באיור 4א.
- לפני תחילת תהליך המדידה, בחרו בערך ההגדלה של המיקרוסקופ והשתמשו במצב התצפית הישיר בתחילה כדי לכוונן את מיקום הסריקה של הסרט הפולימרי. לאחר התאמת המיקום באמצעות התבוננות ישירה, לתקן את הסרט פולימר ולשנות את מצב הסריקה למצב סריקת לייזר.
הערה: כאשר משתמשים במיקרוסקופ הקונמוקד, מומלץ לתקן את המדגם, כפי שמוצג באיור 4ב. - באמצעות מצב סריקת לייזר, למדוד את עומק ורוחב של דפוס הנקודה.
- לפני תחילת תהליך המדידה, בחרו בערך ההגדלה של המיקרוסקופ והשתמשו במצב התצפית הישיר בתחילה כדי לכוונן את מיקום הסריקה של הסרט הפולימרי. לאחר התאמת המיקום באמצעות התבוננות ישירה, לתקן את הסרט פולימר ולשנות את מצב הסריקה למצב סריקת לייזר.
- חזור על שלבים 3.3.2 – 3.6.2 לאחר שינוי סוג הסרט.
הערה: בהתחשב בטמפרטורת המעבר זכוכית של כל סוג של סרט, להגדיר את הטמפרטורה של צלחת החום לפני הצבת כל סרט על צלחת החום. במחקר זה, טמפרטורת המעבר זכוכית של הסרט PVC הוא 100 ° c; עבור הסרט PMMA הוא 95 ° c, ועבור סרט PET הוא 75 ° c.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תהליך הטבעה חמה של סוג ההדפסה הוא תהליך שניתן להשתמש בו כדי לחרוט תבניות נקודה בתוך סרט פולימרי בזמן אמת, כמוצג באיור 1. תהליך זה יכול לפתור את הבעיות של העלות הגבוהה והמועדים הארוכים עבור החלפת דוגמת מילוי המשויכת לתהליך ההבלטה החם הקיים. מעגל שליטה נבנה, כפי שמוצג באיור 2 (ראה שלבים 2.3 – 2.3.9), באמצעות DAQ, OP-AMP, ואספקת הכוח לגלף דפוסים על סוגים שונים של סרטים פולימריים על ידי יישום כותרת ההשפעה במהלך המבצע ביטול. ההשפעה המיושמת של תהליך הטבעה חמה של סוג ההדפסה מוצגת באיור 3.
במחקרים קודמים של ההשפעה הדפס-סוג הטבעה חמה, רק ניסויים על סרטי PMMA אומתו, בעוד סרטים פולימריים אחרים נבדקו. כדי לוודא כי ההשפעה השפעה הטבעה חמה יכול לחרוט דפוסים על סרטים פולימריים אחרים בזמן אמת, ניסויים בוצעו באמצעות סרט PMMA, PVC הסרט, והסרט PET. הגובה של כותרת ההשפעה הופחת 10 יקרומטר עבור כל שלוש נקודות באמצעות Z-stage, ובדקנו אם תשע נקודות יכול ליצור דפוס נקודה עם גבהים שונים על שלושת סוגי הסרטים. באמצעות הציוד המוצג באיור 3, תבנית נקודה נוצרה על שלושת הסרטים הפולימריים, ומיקרוסקופ קונמוקד שימש להתבוננות בתבנית (ראה שלב 3.6).
תבנית הנקודה מוצגת באיור 4ב. כפי שמוצג באיור 4B, תשע נקודות היו מנוצל, וגודל התבנית גדלה ממדגם 1 (S1) כדי לדגום 3 (S3) כי גובה Z-שלב ירד על ידי 10 μm. במקרה זה, תמונות דו ממדיות (2D) על ידי המיקרוסקופ הקונמוקד של שלושת הסרטים פולימר מוצגים באיור 5. התמונה הדו-ממדית באיור 5 מציגה את החלק S1 של כל תבנית. איור 5מראה הסרט המחמד לדוגמה 50 יקרומטר עבה, איור 5B מראה הסרט pmma לדוגמה 175 יקרומטר עבה, ואיור 5C מראה הסרט PVC לדוגמה 300 יקרומטר עבה. איור 6 מציג מיקרוגרפים 2d של תבנית נקודה אחת ומיקרוגרפים תלת-ממדיים של S1 באמצעות מצב סריקת לייזר (lsm) של המיקרוסקופ קונפוקלית וקד. כפי שמוצג באיור 6, יכולנו למדוד את רוחב ועומק התבנית של כל תבנית נקודה, והתבנית הייתה מוצגת בבירור דרך התמונה הדו-ממדית של נקודה אחת.
התוצאות רוחב ועומק של הדפוסים תשע הנקודות על שלושה סרטים פולימריים באמצעות הפונקציה 3d של המיקרוסקופ קונפוקלית וקד מוצגים בטבלה 1. סרט המחמד דק יותר מאשר הסרטים הפולימריים האחרים. לכן, יצרנו את המדגם בקפידה, כך שכותרת ההשפעה לא נגעה בצלחת החום כשהשלב Z הותאם. עבור PET, ב S1 הערכים הממוצעים של רוחב ועומק דפוס היו 110.6 יקרומטר ו 10.3 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-5.6 – 6.2% ו ~-3.3 – 1.7%. עבור S2, לאחר הגובה של השלב Z ירד על ידי 10 יקרומטר, הערכים הממוצעים עבור רוחב דפוס ועומק שונה 155.2 יקרומטר ו 17.0 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-5.2 – 2.8% ו ~-3.0 – 2.0%. עבור S3, לאחר שגובה Z-שלב ירד על ידי אחר 10 יקרומטר, הערכים הממוצעים עבור רוחב ועומק דפוס השתנה 170.8 יקרומטר ו 25.7 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-2.8 – 4.2% ו-~-2.7-2.3%.
עבור pmma, ב S1 הערכים הממוצעים של רוחב ועומק דפוס היו 240.2 יקרומטר ו 112.2 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-1.2 – 1.3% ו ~-4.1 – 2.8%. עבור S2, לאחר הגובה של השלב Z ירד על ידי 10 יקרומטר, את הערכים הממוצעים רוחב דפוס ועומק שונה 250.0 יקרומטר ו 129.8 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-2.0 – 2.0% ו ~-1.8 – 1.1%. עבור S3, לאחר גובה Z-שלב ירד על ידי אחר 10 יקרומטר, את הערכים הממוצעים רוחב ועומק דפוס השתנה 281.2 יקרומטר ו 141.3 יקרומטר, עם שגיאות המקביל של ~-3.1 – 3.8% ו ~-3.3 – 2.6%.
עבור PVC, ב S1 הערכים הממוצעים של רוחב ועומק דפוס היו 236.4 יקרומטר ו 136.1 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-6.3 – 4.0% ו-~ 5.6 – 3.9%. עבור S2, לאחר הגובה של השלב Z ירד על ידי 10 יקרומטר, את הערכים הממוצעים של רוחב דפוס ועומק השתנה 250.8 יקרומטר ו 150.7 יקרומטר בהתאמה, עם שגיאות המקביל של ~-2.5 – 2.4% ו ~-2.1 – 2.8%. עבור S3, לאחר גובה Z-שלב ירד על ידי אחר 10 יקרומטר, הערכים הממוצעים של רוחב דפוס ועומק השתנה 263.5 יקרומטר ו 159.2 יקרומטר, עם שגיאות המקביל של ~-6.7 – 11.7% ו ~-5.0 – 7.5%.
גרפים של עומק התבנית והרוחב עבור שלושת הסרטים הפולימריים מוצגים באיור 7. הגובה של השלב Z ירד על ידי 10 יקרומטר עבור כל דפוסי שלוש נקודות מ S1 ל S3, כך רוחב ועומק של הסרט עלה מ s1 ל s3. השגיאה המקסימלית היתה בטווח של-6.7 – 11.7% עבור PVC ואת השגיאה המינימלית נע מ-1.2 – 1.3% עבור PMMA. לסיכום, השגיאות בדפוסי הנקודה עבור שלושת סוגי הסרטים הם משניים. זה מראה כי ההשפעה השפעה תהליך הבלטה חם מתאים מיקרודפוסים החריטה על סרטים פולימריים בזמן אמת.
איור 1: עיצוב טכנולוגיית הטבעה חמה מסוג ההשפעה. (א) עיצוב תלת-ממדי של תהליך הבלטת ההשפעה החמה המהווה השפעה, (ב) עיצוב של בעל הסרט. בעל הסרט יכול לנוע בכיוונים של Motion 1 ו-Motion 2 וניתן להשתמש בו כדי לתקן את הסרט או להעביר אותו לצד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תכנון סכמטי של המעגל החשמלי של מגבר החשמל. בתמונה זו, שישה מכשירים משמשים ליצירת המעגל: ספק כוח עם שני ערוצים, מגבר תפעולי בעל כוח גבוה (OP-AMP), התקן בקרה, כותרת השפעה ושני רכיבי התנגדות עם ערכים שונים. כל התקן מחובר לתמונה וקווי החיבור מוצגים בצבעים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: יישום ההשפעה של תהליך הטבעה חמה ומעגל בקרה. (א) יישום של תהליך הטבעה חמה של השפעה, ו (ב) הגדרות נסיוניות של מערכת הבקרה לחץ כאן כדי לצפות בגירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ציוד מיקרוסקופ Confocal וקד וסרט PET עם תבניות נקודה. (א) ציוד מיקרוסקופ confocal וקד כדי למדוד את רוחב התבנית ואת מעמקי דפוסי הנקודה על הסרט פולימר. (ב) נקודות דפוס על הסרט PET. תשעת הדפוסים מחולקים לשלושה חלקים מהעומק הנמוך ביותר של דפוסי הנקודה (S1, S2, S3), ולכל סעיף יש שלוש נקודות. מיקרוגרפים נלקחים באמצעות הפונקציה 2d של המיקרוסקופ קונפוקלית וקד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: פוטומיקרוגרפים דו ממדיים בעזרת מיקרוסקופ קונציאני. (A) photomicrograph 2d של 50 יקרומטר הסרט PET, (ב) 2d photomicrograph של הסרט 175 pmma, ו (ג) 2d photomicrograph של הסרט 300 PVC נא לחץ כאן כדי לצפות בגירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: מיקרוגרפים דו-ממדית של תבנית נקודה אחת ומיקרוגרפים תלת-ממדיים של S1 באמצעות מצב LSM של המיקרוסקופ הקוננטרי. (A) מיקרוגרף תלת-ממדי של שלוש תבניות נקודה ומיקרוגרף דו-ממדי של תבנית נקודה אחת בסרט המחמד 50-μm-העבה. (ב) מיקרוגרף תלת-ממדי של שלוש תבניות נקודה ומיקרוגרף דו-ממדי של תבנית נקודה אחת בסרט pmma בעובי 175-μm. (ג) מיקרוגרף תלת-ממדי של שלוש תבניות נקודה ומיקרוגרף דו-ממדי של תבנית נקודה אחת בסרט ה-PVC 300-μm-עבה, לחץ כאן כדי לצפות בגירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: גרפים של רוחב התבנית והמעמקים עבור S1, S2 ו-S3 על שלושה סרטים פולימריים. מיקומו של השלב Z הוגדלה על-ידי 10 יקרומטר עבור כל שלוש הנקודות דפוסי מ S1 ל S3, וכל גרף מבוסס על הנתונים המוצגים בטבלה 1. (א) התוצאה של רוחב דפוס ועומק דפוס עבור הסרט PET. (ב) תוצאת רוחב התבנית ועומק התבנית עבור הסרט pmma. (ג) תוצאות רוחב התבנית ועומק התבנית עבור הסרט PVC. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| סרט פולימרי | מספר לדוגמה | ממוצע של רוחב תבנית (μm) | ממוצע של עומק דוגמת מילוי (μm) | קצב שגיאה רוחב (%) | עומק קצב שגיאה (%) |
| סרט PVC | S1 | 236.4 | 136.1 | -6.3 ~ 4.0% | -5.6 ~ 3.9% |
| S2 | 250.8 | 150.7 | -2.5% ~ 2.4% | -2.1 ~ 2.8% | |
| S3 | 263.5 | 159.2 | -10.8% ~ 11.7% | -5.0 ~ 7.5% | |
| סרט PMMA | S1 | 240.2 | 112.2 | -1.2 ~ 1.3% | -4.1 ~ 2.8% |
| S2 | 250 | 129.8 | -2.0 ~ 2.0% | -1.8 ~ 1.1% | |
| S3 | 281.2 | 141.3 | -3.1 ~ 3.8% | -3.3 ~ 2.6% | |
| סרט לחיות מחמד | S1 | 110.6 | 10.3 | -5.6 ~ 6.2% | -3.3 ~ 1.7% |
| S2 | 155.2 | 17 | -5.2% 2.8% | -3.0 ~ 2.0% | |
| S3 | 170.8 | 25.7 | -2.8 ~ 4.2% | -2.7 ~ 2.3% |
שולחן 1: תוצאות מדידה של תשע תבניות על שלושה סרטים פולימריים. הערכים בטבלה נמדדו באמצעות הפונקציה מדידה תלת-ממדית של מיקרוסקופ קונפוקלית וקד ומייצגים את הערכים הממוצעים של רוחב התבנית ואת המעמקים ואת שגיאות התבנית עבור S1, S2, ו S3.
קובץ משלים 1. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במחקר זה, אנו ליישם את ההשפעה השפעה להדפיס את התהליך הבלטה חם וחריטה נקודות עם רוחב שונים במעמקי על מגוון של סרטים פולימריים בזמן אמת. בין שלבי הפרוטוקול, יש להתייחס לשני צעדים בצורה קריטית בין כל השלבים. הראשון הוא ההגדרה של הטמפרטורה של צלחת החום (שלב 3.3.3), והשני הוא ההגדרה של המיקום הראשוני של כותרת ההשפעה (שלב 3.5.1). בשלב 3.3.3, אם הטמפרטורה של צלחת החום גבוהה מדי, זה הופך להיות קשה ליצור תבנית משום שהצמיגות של הסרט מעכבת את יצירת התבנית העדינה. מצד שני, אם הטמפרטורה של צלחת החום נמוכה מדי, התבנית אינה חקוקה בצורה חלקה. הפקטור של המיקום ההתחלתי של כותרת ההשפעה חשוב מכיוון שהמיקום של כותרת ההשפעה קשור לעומק ולרוחב של התבנית. יתר על כן, אם הגובה של כותרת ההשפעה נמוכה מדי, מעבר הכותרת של ההשפעה יהיה מתנגש עם צלחת החום, גרימת נזק הן מעבר לוחית החום. נזק זה לא רק לובש את קצה של מעבר אבל יש גם השפעה שלילית על הגובה והרוחב של התבנית חרוט בשלב הבא. מסיבות אלה, במהלך השלבים 3.3.3 ו-3.5.1, את טמפרטורת החימום ואת מצב ההצתה יש לשקול בזהירות.
בעבודה מוקדמת יותר על ההשפעה-סוג חם הטבעה, תהליך הפנינג נקודה היה מנוצל עם הסרט PMMA, עם שגיאות סטייה המתרחשים עקב בעיית קיבוע הקשורים לסרט פולימר15, 16. כדי לפתור בעיה זו, לתקן את הסרט פולימר באמצעות בעלי הסרטים משני צדי צלחת החום נחשב, ואסטרטגיה זו הפחיתה את השגיאה לעומת הערכים המוקדמים. זה הוכח גם כי דפוסי נקודה עם רוחבי ועומקים שונים ניתן לחרוט על סרטים פולימריים שונים, כגון סרט PET וסרטי PVC, בזמן אמת. השוואת שיעור השגיאה של PMMA עם אלה של תהליכים הבלטה חם הקודם, התוצאות של כל דגימת סרט הראו כי השגיאות רוחב הדפוס והמעמקים הופחת באופן משמעותי.
עם זאת, נותרה שגיאה כלשהי בתבניות הנקודה. שקלנו שתי סיבות. לטעויות האלה הראשון קשור לשינוי של המשטח בשל טמפרטורת המעבר זכוכית של הסרט פולימר. כאשר כל סרט מחומם מעל לטמפרטורה מעבר הזכוכית שלו, המשטח של הסרט פולימר הופך רך, ומשטח הסרט עולה מעט גם אם הוא נשאר קבוע תוך שימוש במחזיק הסרט, גרימת שגיאה. כדי למנוע זאת, אם הטמפרטורה של צלחת החום נמוכה יותר מאשר טמפרטורת העברת הזכוכית, השילוב של המבנה המולקולרי של הסרט פולימר הוא חזק יותר, אבל הדפוס על הסרט פולימר לא חרוט גם. לכן, זה מסורבל למצוא את הערך האופטימלי עבור כל סרט פולימרי מתאים באמצעות ניסויים חוזרים. הגורם השני הוא בעיית חוסר האיזון של צלחת החום. המשטח של צלחת החום כי מחמם את הסרט במהלך תהליך ההבלטה חם צריך להיות אופקי לחלוטין כדי לקבור את גובה דפוסי הנקודה אחיד. עם זאת, אם לוחית החום נוטה מעט, שגיאות ברוחב התבנית או בגובה התבנית יתרחשו כאשר התבנית משתמשת במיקום אחר. כדי לפתור בעיה זו, אנו מחשיבים כי מכשיר שיכול לסרוק את גובה המשטח בזמן אמת צריך להיות מוצמד לכותרת ההשפעה. מחקר נוסף צריך להיעשות על סריקת התקנים כדי למדוד את גובה פני השטח כראוי.
לדיוק של הדפוסים המיוצרים על ידי התהליך המוצע יש גם מגבלות. הרוחב והעומק של כל אחד מהדפוסים תלויים בקוטר הקצה של המונבר (ראש השפעה) ובעומק שאליו מופעל המונקברי בסרט הפולימרי. קוטרו של קצה המונבר המשמש בתהליך זה הוא 9 μm, ואת הדיוק של דפוס חרוט יש רוחב דפוס מינימלי של 9 μm. עם זאת, מסוג הלוחית-לוחית הקיימת וסוג הגליל-אל-גליל מציעים רמות דיוק של תבניות מדויקות בטווח ננומטר. היעדר דיוק של תבנית יכול להיפתר על ידי הפחתת קוטר קצה המונבר בכותרת ההשפעה. אין מספיק מחקר עד כה על תהליכים מכניים או כימיים לעיבוד טיפים מעבד לתוך יחידות nm. אם המחקרים של תהליכים מכניים או כימיים מתנהלים כך שניתן יהיה לעבד את הקצה המבוקר ביחידות ננומטר, צפוי כי מגבלות אלה ייגבנה. עם זאת, בניגוד לשיטות המקובלות, התהליך המוצע מאפשר שינויים בתבנית החריטה בזמן אמת באמצעות כותרת ההשפעה, והדבר מציע את היתרון של שינוי התבנית החדשה או החלפת התבנית אם נמצא תהליך שגוי.
לאחר מכן, השוונו את מהירות העיבוד של התהליך המוצע באמצעות תהליך ההבלטה החם הקיים מסוג רול-לגליל. עבור סוג הגליל המקובל, מהירות התהליך היא 10 מ"מ/s12. תהליך הטבעה חמה של ההשפעה המוצעת על סוג ההדפסה מציע תדירות ביצועים של 6 Hz – 10 Hz. אם עשר נקודות מניחים על הסרט הפולימר 10 מ"מ, מהירות העיבוד היא 6 מ"מ/שניה והמקסימום הוא 10 מ"מ/s. כתוצאה מכך, מהירות העיבוד תשתנה בהתאם לתבנית הנדרשת על-ידי המשתמש. לפיכך, ניתן ליישם את התהליך על ייצור המוני ועל תהליכי ייצור מוצר ונפח קטן גם כן.
אם נמשיך לפתח את הטכנולוגיה הנוכחית שלנו, היא תוכל ליצור דפוסים מתמשכים בנוסף לדפוסי הנקודה. החריטה על דפוסים רציפים יכולה להועיל במגוון דרכים. לדוגמה, על-ידי הצבת רכיבי חשמל או על-ידי החלת דיו מוליך על התבנית החקוקה, ניתן לייצר מעגל מיקרוחשמלי. בעיקר, כי תהליך זה מקושר לעבודה על תחריט מיקרו-או nanopatterns על סרטים פולימריים, זה יכול להיות מיושם כדי לייצר מכשירים גמישים. יתר על כן, כמו השיטה שלנו היא כמו בתהליכי הבלטה חם קיים, עבודה זו יכולה לשמש לייצור ציפויים גמישים לבושי נחושת (FCCLs) או לוחות מעגלים מודפסים גמישים (Fpcb). בנוסף, על מנת להחיל את ההשפעה השפעה בתהליך הטבעה חמה על מגוון רחב יותר של חומרים, כגון התקנים לבישים או חיישנים, יש צורך לשנות את דפוס הנקודה באמצעות רוחבי ועומקים שונים בהתאם למכשיר. ההשפעה השפעה דפוס חם תהליך הבלטה נחקר כאן יש את היתרון של היכולת להיות מסוגל לחרוט דפוסים שונים תוך התאמת רוחב ומעמקי הדפוסים בזמן אמת. יתר על כן, הטכנולוגיה הנזכרת בפרוטוקול משתמשת בתהליך פשוט יותר מאשר תהליך הפרנינג המקובל. לכן, אנחנו משוכנעים כי השפעה ההשפעה הטכנולוגיה הבלטה חם ניתן להרחיב לא רק הייצור ההמוני אלא גם לתעשיית הייצור הקטן כמות אצווה בעתיד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי הפרויקט הנקרא "פיתוח של ההשפעה הדפסה השפעה הטכנולוגיה הטבעה חמה עבור שכבה מוליך באמצעות חומרים ננו מרוכבים מוליך" באמצעות משרד המסחר, התעשייה והאנרגיה (MOTIE) של קוריאה (N046100024, 2016).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.3mm High Quality Clear Rigid Packaging PVC Film Roll For Vacuum Forming | Sunyo | SY1023 | PVC film / Thickness : 300µm |
| Acryl(PMMA) film | SEJIN TS | C200 | PMMA film / Thickness : 175µm |
| Confocal Laser Scanning Microscope: 3D-Topography for Materials Analysis and Testing | Carl Zeiss | LSM 700 | 3D confocal microscope / Supporting Mode : 2D, 2.5D, 3D topography |
| DAQ board | NATIONAL INSTRUMENTS | USB-6211 | Control board for two stage and impact header / 16 inputs, 16-bit, 250kS/s, Multifunction I/O |
| DC Power Supply | SMART | RDP-305AU | 3 channel power supply / output voltage : 0~30V, Output current : 0~5A |
| L511 stage | PI | L511.20SD00 | Z-stage / Travel range : 52mm |
| Large Digital Hotplate | DAIHAN Scientific | HPLP-C-P | Heatplate / Max Temp : 350ºC |
| M531 stage | PI | M531.2S1 | X-stage / Travel range : 306mm |
| Mylar Polyester PET films | CSHyde | 48-2F-36 | PET film / Thickness : 50µm |
| OPA2541 | BURR-BROWN | OPA2541BM | OP-AMP / Output currents : 5A, output voltage : ±40V |
References
- Lee, S. Y., et al. 2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC). IEEE. , 1-3 (2019).
- Yang, D., Pan, L., Mu, T., Zhou, X., Zheng, F. The fabrication of electrochemical geophone based on FPCB process technology. Journal of Measurements in Engineering. 5 (4), 235-239 (2017).
- Fukuda, K., et al. Fully printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films. Nature Communications. 5, 4147 (2014).
- Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nature Materials. 9 (12), 1015 (2010).
- Zamkotsian, F., Dohlen, K., Burgarella, D., Ferrari, M., Buat, V. International Conference on Space Optics-ICSO 2000. International Society for Optics and Photonics. , 105692A (2019).
- Zhang, X., Li, Z., Zhang, G. High performance ultra-precision turning of large-aspect-ratio rectangular freeform optics. CIRP Annals. 67 (1), 543-546 (2018).
- Ziaie, B., Baldi, A., Lei, M., Gu, Y., Siegel, R. A. Hard and soft micromachining for BioMEMS: review of techniques and examples of applications in microfluidics and drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 56 (2), 145-172 (2004).
- Mishra, S., Yadava, V. Laser beam micromachining (LBMM)-a review. Optics and Lasers in Engineering. 73, 89-122 (2015).
- Yun, D., et al. Development of roll-to-roll hot embossing system with induction heater for micro fabrication. Review of Scientific Instruments. 83 (1), 015108 (2012).
- Keränen, K., et al. Roll-to-roll printed and assembled large area LED lighting element. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 81 (1-4), 529-536 (2015).
- Park, J., Lee, J., Park, S., Shin, K. H., Lee, D. Development of hybrid process for double-side flexible printed circuit boards using roll-to-roll gravure printing, via-hole printing, and electroless plating. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 82 (9-12), 1921-1931 (2016).
- Rank, A., Lang, V., Lasagni, A. F. High-Speed Roll-to-Roll Hot Embossing of Micrometer and Sub Micrometer Structures Using Seamless Direct Laser Interference Patterning Treated Sleeves. Advanced Engineering Materials. 19 (11), 1700201 (2017).
- Shan, X., Liu, T., Mohaime, M., Salam, B., Liu, Y. Large format cylindrical lens films formed by roll-to-roll ultraviolet embossing and applications as diffusion films. Journal of Micromechanics and Microengineering. 25 (3), 035029 (2015).
- Wang, X., Liedert, C., Liedert, R., Papautsky, I. A disposable, roll-to-roll hot-embossed inertial microfluidic device for size-based sorting of microbeads and cells. Lab on a Chip. 16 (10), 1821-1830 (2016).
- Yun, D., et al. Impact Print-Type Hot Embossing Process Technology. Advanced Engineering Materials. 20 (9), 1800386 (2018).
- Ahn, J., Yun, D. Analyzing Electromagnetic Actuator based on Force Analysis. 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2019).
