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Engineering

Estudio de un proceso de patrón de puntos en materiales flexibles utilizando la tecnología de grabado en caliente de tipo de impresión de impacto

Published: April 6, 2020 doi: 10.3791/60694
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Robotics Engineering, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

Summary

La tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un cabezal de impacto para grabar patrones de puntos en materiales flexibles en tiempo real. Esta tecnología cuenta con un sistema de control para controlar el movimiento on-off y la posición del cabezal de impacto para crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en diferentes películas de polímeros.

Abstract

Aquí presentamos nuestro estudio sobre un proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto que puede crear patrones de puntos con varios diseños, anchos y profundidades en tiempo real en película de polímero. Además, implementamos un sistema de control para el movimiento on-off y la posición del encabezado de impacto para grabar diferentes patrones de puntos. Realizamos patrones de puntos en varias películas de polímeros, como película de poliéster (PET), película de polimetilmetacrilato (PMMA) y película de cloruro de polivinilo (PVC). Los patrones de puntos se midieron utilizando un microscopio confocal, y confirmamos que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto produce menos errores durante el proceso de patrón de puntos. Como resultado, el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto se encuentra adecuado para el grabado de patrones de puntos en diferentes tipos de películas de polímeros. Además, a diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, este proceso no utiliza un sello de relieve. Por lo tanto, el proceso es simple y puede crear patrones de puntos en tiempo real, presentando ventajas únicas para la producción en masa y la producción por lotes de pequeña cantidad.

Introduction

Los investigadores están intentando activamente miniaturizar los dispositivos y pantallas existentes y aumentar la flexibilidad de estos dispositivos1,2. Para reducir la anchura y la profundidad de los canales eléctricos a la escala micro o nano, es necesaria una tecnología de alta precisión. Además, para aumentar la flexibilidad de estos dispositivos, los patrones de los canales eléctricos deben estar situados en un material flexible, como una película de polímero3,4. Para cumplir con estas condiciones, el estudio de la tecnología de microprocesamiento ultrafino está en marcha activamente.

La tecnología de microfabricación ultrafina tiene una ventaja en que los posibles materiales de patrón incluyen no sólo materiales altamente rígidos como hierro o plástico, sino también materiales blandos como películas de polímeros. Debido a estas ventajas, esta tecnología es ampliamente utilizada como un proceso central en diversos campos, tales como comunicaciones, química, óptica, aeroespacial, semiconductor, y sensores5,6,7. En el campo de microprocesamiento ultrafino, SE utilizan los métodos LIGA (litografía, galvanoplastia y moldeo) o micromecanizado8. Sin embargo, estos métodos convencionales están asociados con varios problemas. Los métodos LIGA requieren una cantidad considerable de tiempo y varios pasos de proceso para crear patrones ultrafinos e incurrir en un alto costo, ya que también necesitan muchos tipos diferentes de equipos durante los procesos. Además, los métodos LIGA utilizan sustancias químicas que pueden contaminar el medio ambiente.

Para abordar este problema, la tecnología de procesos de grabado en caliente se ha destacado entre las tecnologías de microprocesos ultrafinas. El grabado en caliente es una tecnología que crea un patrón en una película de polímero calentada utilizando un molde de relieve a micro o nanoescala. La tecnología convencional de grabado en caliente se divide en el tipo de placa y el tipo de rollo a rollo dependiendo de la forma del molde. Los dos tipos de tecnología de grabado en caliente son diferentes en términos de la forma del molde, pero estos dos procesos son similares en que el molde de grabado presiona la película de polímero en una placa calentada para grabar un patrón en la película de polímero. Para grabar el patrón utilizando el proceso de grabado en caliente, es necesario calentar la película de polímero por encima de la temperatura de transición del vidrio y aplicar una cantidad adecuada de presión (30–50 MPa)9. Además, la anchura y la profundidad del patrón cambian dependiendo de la temperatura de la placa calentada, el material y la forma del molde de relieve. Además, el método de enfriamiento después del proceso de patrón afecta a la forma del patrón en la película de polímero.

En el proceso de grabado en caliente convencional, los sellos o rodillos de relieve se pueden grabar con el patrón deseado, y el molde de relieve se puede utilizar para imprimir el mismo patrón en superficies de película de polímero continuamente. Esta característica hace que este proceso sea adecuado no sólo para la producción en masa, sino también para la fabricación de dispositivos con materiales blandos, tales como películas de polímero10,11,12,13,14. Sin embargo, el método de grabado en caliente convencional solo puede crear el patrón único grabado en el molde de relieve. Por lo tanto, cuando el usuario desea crear un nuevo patrón o modificar el patrón, debe crear un nuevo molde para modificar el patrón de impresión. Por esta razón, el grabado en caliente convencional es costoso y consume mucho tiempo al crear nuevos patrones o reemplazar diseños existentes.

El trabajo anterior introdujo el proceso de grabado en caliente de tipo impacto para producir patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real15. A diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, el método de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un encabezado de impacto para crear patrones en la película de polímero. Esta tecnología mueve el cabezal de impacto a la posición deseada con un sistema de posicionamiento de precisión. Una señal de control se aplica a los patrones de impresión en la anchura y profundidad deseadas y en una posición arbitraria. La estructura de la cabecera de impacto consta de un movimiento, un muelle, un bobinado y un núcleo (véase la figura 1A)15. Trabajos anteriores confirmados a través de un análisis y experimento que tal encabezado de impacto puede producir la fuerza adecuada para el grabado en caliente16. El protocolo de este documento cubre el diseño del hardware para el proceso de grabado en caliente de tipo impacto y el entorno de control para el control del proceso. Además, analizamos los patrones de puntos en película PET, película PMMA y película de PVC, todos los cuales se procesan con el protocolo propuesto para verificar que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto puede crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real. Los resultados de estos experimentos se presentan a continuación en la sección de resultados, confirmando que el proceso de grabado puede producir patrones ultrafinos adecuadamente.

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Protocol

1. Fabricación del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto

  1. Haga el modelo 1 y combínelo con una etapa X (consulte la figura 1).
    NOTA: Se recomienda que el Modelo 1 esté hecho de aluminio para evitar que el calor se lleve a cabo en la etapa X. Además, se recomienda que la longitud del Modelo 1 sea la distancia entre la superficie de la placa de calor y la altura más baja de la placa de rodamiento de la etapa Z, ya que el diseño del Modelo 1 varía con el tamaño de la placa de calor.
  2. Combine la etapa X y la etapa Z y ensamble la etapa Z y el Modelo 2.
    NOTA: Asegúrese de que el Modelo 2 esté hecho de un metal que pueda soportar el calor de la placa de calor (por ejemplo, aluminio). La fijación del Modelo 2 a la etapa Z asegurará firmemente la capacidad de la etapa Z para sostener el peso del Modelo 2 y el encabezado de impacto.
  3. Combine el Modelo 2 y el encabezado de impacto y coloque la placa de calor debajo del Modelo 1.
    NOTA: La unión del cabezal de impacto con la posición más baja en el Modelo 2 garantizará que el motor alcance la superficie de la placa de calor. Se recomienda instalar la placa de calor después de elevar la etapa Z al máximo para evitar cualquier contacto del cabezal de impacto con la superficie de la placa de calor. Utilice el software adecuado para controlar el escenario.
  4. Convierta los archivos STL del soporte de película(Archivo complementario 1 y Archivo complementario 2)a archivos GCODE utilizando el software adecuado para imprimir el soporte de película con una impresora tridimensional (3D).
    NOTA: El software puede variar según la impresora 3D utilizada, y algunos entornos pueden admitir entornos de impresora 3D sin conversión de GCODE.
  5. Utilice la impresora 3D para imprimir el soporte de película con el archivo GCODE.
    NOTA: Se recomienda utilizar un filamento (por ejemplo, Z-HIPS) porque se producirá menos contracción al imprimir piezas grandes, como el soporte de película.
  6. Instale dos soportes de película en el extremo de la placa de calor y fije la película de polímero en el soporte de película, como se muestra en la Figura 1. Para asegurarse de que la película de polímero está plana en la placa de calor, tire de la película de polímero tanto como sea posible utilizando el movimiento 1 del soporte de película (véase la figura 1B). Para mover la película de polímero hacia un lado, mueva el soporte de película mediante el movimiento 2 (consulte la figura 1B).
    NOTA: Para fijar la película de polímero en el soporte de película, se recomienda utilizar un tornillo. El pegamento es insuficiente para fijar la película de polímero en el soporte de película, y es mejor para el desprendimiento de la película de polímero después del experimento de patrón.

2. Fabricación del circuito de control

NOTA: Este proceso describe el proceso de construcción del circuito de control de la cabecera de impacto y la etapa X-Z.

  1. Conecte el dispositivo de control que envía las señales (consulte Tabla de materiales)al encabezado de impacto para controlarlo.
  2. Después de conectar el dispositivo de control al encabezado de impacto, introduzca -3 V y +10 V como señales de control en el encabezado de impacto.
    NOTA: Si se envía una señal de control de +10 V al encabezado de impacto (consulte la figura 1),el motor (cabeza de impacto) baja y entra en el estado de encendido. En este estado, el motor golpea la película polimérica y graba el patrón en la película de polímero.
    1. Levante el movimiento para grabar el siguiente patrón después de grabar un patrón utilizando el movimiento del encabezado de impacto. Para elevar el motor (cabezal de impacto), aplique la señal de control de -3 V.
      NOTA: Se introduce un voltaje negativo en el cabezal de impacto para evitar que el movimiento se magnetiza por el flujo remanente interno del cabezal de impacto.
  3. Si el dispositivo de control no puede suministrar una señal de control suficiente, utilice un amplificador de operación de alta potencia (por ejemplo, OP-AMP) que amplifica la señal de control de 0 V–5 V a -3 V–+10 V, como se muestra en la Figura 2,para controlar el encabezado del impacto.
    1. En primer lugar, prepare una fuente de alimentación de CC de doble canal (consulte Tabla de materiales). Después de este paso, conecte cuatro nodos para proporcionar nodos de tierra comunes (GND) a todos los canales: un terminal de voltaje positivo (V1+) y un terminal de tierra (GND) para el canal 1 y un terminal de voltaje negativo (V2-) y tierra (GND) para el canal 2. En la Figura 2se muestra un diagrama de conexión general.
      NOTA: Según el paso descrito en 2.3.1, se puede suministrar tensión positiva y negativa con diferentes valores absolutos al amplificador operacional (OP-AMP).
    2. Conecte el terminal de tensión negativa del canal 1 (V1-) de la fuente de alimentación al terminal de tensión de alimentación negativa (Vs-) del OP-AMP, como indica la línea azul de la Figura 2. Posteriormente, entrada de voltaje Vcc de 3 V al canal 1.
      NOTA: Según el paso 2.3.1, la tensión de 3 V Vcc se suministra como voltaje negativo de -3 V al terminal de tensión de alimentación negativa (Vs-) del OP-AMP.
    3. Conecte el terminal de tensión positiva del canal 2 (V2+) de la fuente de alimentación al terminal de tensión de alimentación positiva (Vs+) del OP-AMP, como indica la línea roja de la Figura 2. Posteriormente, introduzca 10 V Vcc de tensión al canal 2.
      NOTA: Según el paso 2.3.1, la tensión de 10 V Vcc se suministra como voltaje positivo de +10 V al terminal de tensión de alimentación positiva (Vs+) del OP-AMP.
    4. Conecte el canal +output de un dispositivo de control (Vcon+) al canal de entrada positivo (Vin+) del OP-AMP, tal y como se muestra en la línea verde de la Figura 2.
    5. Conecte el canal de salida de un dispositivo de control (Vcon-) a la tierra (GND) del canal 2 de la fuente de alimentación, como se muestra en la línea negra de la Figura 2.
      NOTA: Al conectar el (Vcon-) a la tierra (GND), es posible conectarlo a uno de los terminales conectados durante el paso 2.3.1 además del GND del canal 2.
    6. Prepare la resistencia eléctrica de los valores de 1 k y 10 ko en cada caso y conéctelos entre la línea roja y la línea negra, como se muestra en la Figura 2.
    7. Conecte el terminal entre 1 k y 10 ko al canal de entrada negativo del OP-AMP (Vin-), tal y como se muestra en la línea púrpura de la Figura 2.
    8. Extraiga las líneas del canal de salida del OP-AMP (Vout) y uno de los terminales eléctricos descritos en el paso 2.3.1. Conecte las líneas al encabezado del impacto, tal y como se muestra en de la línea naranja en la Figura 2.
    9. En cuanto a la fuente de alimentación, ajuste los voltajes del canal 1–3 Vcc y del canal 2–10 Vcc. Posteriormente, genere señales de control de 0 V–5 V desde el dispositivo de control.
      NOTA: Las señales de control de 0 V–5 V generadas serán amplificadas por el OP-AMP a -3 V–+10 V, lo que es necesario para controlar el encabezado de impacto como se describe en los pasos 2.2.1 y 2.2.2.

3. Diseño del experimento

NOTA: En esta sección se describen los procesos de control del dispositivo de grabado en caliente de tipo impacto y los patrones de puntos de grabado en la película de polímero.

  1. Instale un programa de control de etapa (por ejemplo, Micromove) para controlar la etapa X y la etapa Z mediante un ordenador de control (PC).
  2. Instale el software del controlador DAQ para detectar el dispositivo de control en el PC de control que controla el encabezado de impacto e instale un programa operativo (por ejemplo, MATLAB) para controlar el dispositivo de control.
  3. Después de instalar el software, construya el entorno de hardware como se muestra en la Figura 3A para llevar a cabo el experimento de patrón.
    1. Instale la etapa X, la etapa Z, el cabezal de impacto, el soporte de película y la placa de calor, como se muestra en la Figura 3A, para construir el entorno de hardware.
    2. Fije la película de polímero en el soporte de película y ajuste la posición de la película de polímero utilizando los movimientos 1 y 2 (ver Figura 1B)para fijar la película de forma plana.
      NOTA: Para mantener la película plana mientras se ajusta la dirección 2, las ubicaciones de los dos soportes de película deben ser paralelas. Para que la película sea plana en la placa de calor, se recomienda ajustar el soporte de la película bajando la posición de acuerdo con la dirección 1, como se muestra en la Figura 1B.
    3. Después de fijar la película de polímero, ajuste la temperatura de la placa de calor para calentar la película por encima de la temperatura de transición del vidrio.
      NOTA: Cada tipo de película tiene su propia temperatura de transición de vidrio. Por lo tanto, se recomienda ajustar la temperatura de la placa de calor a su propia temperatura de transición de vidrio después de comprobar las propiedades del material de la película en la hoja de datos correspondiente.
  4. Después de configurar el hardware, reúna el circuito de control como se muestra en la figura 3B para controlar la etapa y el encabezado de impacto.
    1. Prepare el PC, la placa de control, la fuente de alimentación y el OP-AMP para construir el entorno de control como se muestra en la Figura 3B. Conecte los dispositivos como se muestra en la figura 2 y, a continuación, conecte el equipo a la placa de control.
    2. Ingrese los valores de 3 Vcc y 10 Vcc en un OP-AMP a través de los canales 1 y 2 de la fuente de alimentación respectivamente, según lo descrito en el paso 2.3.9.
  5. Controle la etapa y el encabezado de impacto mediante el equipo de control.
    1. Ajuste la posición inicial de la cabecera de impacto controlando las etapas X y Z mediante el programa de control de etapa.
      NOTA: Al ajustar la posición inicial del cabezal de impacto, asegúrese de que no haya colisión entre el cabezal de impacto y la placa de calor. Si la posición de la etapa Z es demasiado baja, el movimiento chocará con la placa de calor, dañando tanto el motor como la placa de calor. Si hay daño a ambos dispositivos, obstaculizará la creación de patrones finos en un material polimérico.
    2. Usando el programa operativo, genere una señal de control de 5 V desde el dispositivo de control. De acuerdo con los pasos 2.3.1–2.3.9, el OP-AMP amplificará la señal de control de 5 V a +10 V, encenderá el encabezado de impacto y grabará los patrones en la película de polímero.
    3. Ahora genere una señal de control de 0 V desde el dispositivo de control utilizando el programa operativo. De acuerdo con los pasos 2.3.1–2.3.9, el OP-AMP amplificará la señal de control de 0 V a -3 V y apagará el encabezado de impacto.
      NOTA: Se elevará el movimiento del encabezado de impacto, a la espera de grabar el nuevo patrón.
    4. Mueva la etapa X a su posición para grabar el siguiente patrón.
    5. Grabe los patrones 3x en la película de polímero repitiendo los pasos 3.5.1–3.5.4 secuencialmente.
    6. Baje la etapa Z a 10 m desde la posición inicial y ejecute el paso 3.5.5, contando el número de movimientos de la etapa Z. Cuando el número de movimientos de la etapa Z supere los tres, mueva la etapa X a la posición inicial y elabe el encabezado de impacto al máximo moviendo la etapa Z.
      NOTA: Cambiar la altura de la etapa Z garantizará ajustes en la profundidad y anchura del patrón de puntos.
  6. Separe la película de polímero del soporte de película y mida la anchura y profundidad de cada patrón utilizando un microscopio confocal (véase Tabla de materiales), como se muestra en la Figura 4A.
    1. Antes de iniciar el proceso de medición, seleccione el valor de ampliación del microscopio y utilice el modo de observación directa inicialmente para ajustar la posición de escaneado de la película polimérica. Después de ajustar la posición mediante observación directa, fije la película de polímero y cambie el modo de escaneo al modo de escaneo láser.
      NOTA: Cuando se utiliza el microscopio confocal, se recomienda utilizar un panel acrílico para fijar la muestra, como se muestra en la Figura 4B.
    2. Usando el modo de escaneo láser, mida la profundidad y la anchura del patrón de puntos.
  7. Repita los pasos 3.3.2–3.6.2 después de cambiar el tipo de película.
    NOTA: Teniendo en cuenta la temperatura de transición del vidrio de cada tipo de película, ajuste la temperatura de la placa de calor antes de colocar cada película en la placa de calor. En este estudio, la temperatura de transición de vidrio de la película de PVC es de 100 oC; para la película pmMA es de 95 oC, y para la película PET es de 75 oC.

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Representative Results

El proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto es un proceso que se puede utilizar para grabar patrones de puntos en una película de polímero en tiempo real, como se muestra en la Figura 1. Este proceso puede resolver los problemas del alto costo y los largos tiempos para el reemplazo de patrones asociados con el proceso de grabado en caliente existente. Se construyó un circuito de control, como se muestra en la Figura 2 (consulte los pasos 2.3–2.3.9), utilizando el DAQ, OP-AMP y la fuente de alimentación para tallar patrones en varios tipos de películas de polímeros mediante la implementación de la cabecera de impacto durante la operación de encendido y apagado. El proceso de grabado en caliente de tipo de impresión de impacto implementado se muestra en la Figura 3.

En estudios anteriores de grabado en caliente de tipo impresión de impacto, sólo se validaron experimentos con películas de PMMA, mientras que no se probaron otras películas de polímeros. Con el fin de verificar que el grabado en caliente de tipo impresión de impacto puede grabar patrones en otras películas de polímeros en tiempo real, se llevaron a cabo experimentos utilizando película PMMA, película de PVC y película PET. La altura de la cabecera de impacto se redujo en 10 m por cada tres puntos utilizando una etapa Z, y probamos si nueve puntos podían formar un patrón de puntos con varias alturas en los tres tipos de películas. Utilizando el equipo que se muestra en la Figura 3,se creó un patrón de puntos en las tres películas de polímeros, y se utilizó un microscopio confocal para observar el patrón (ver paso 3.6).

El patrón de puntos se muestra en la Figura 4B. Como se muestra en la Figura 4B,se utilizaron nueve puntos, y el tamaño del patrón aumentó de la Muestra 1 (S1) a la Muestra 3 (S3) porque la altura de la etapa Z se movió hacia abajo en 10 m. En este caso, las imágenes bidimensionales (2D) del microscopio confocal de las tres películas de polímerose se muestran en la Figura 5. La imagen 2D en el cuadro 5 muestra la porción S1 de cada patrón. La Figura 5A muestra una muestra de película PET de 50 m de espesor, la Figura 5B muestra una muestra de película de PMMA de 175 m de espesor, y la Figura 5C muestra una muestra de película de PVC de 300 m de espesor. La Figura 6 muestra micrografías 2D de un patrón de puntos y micrografías 3D de S1 utilizando el modo de escaneo láser (LSM) del microscopio confocal. Como se muestra en la Figura 6,podríamos medir el ancho y la profundidad del patrón de patrón de cada patrón de puntos, y el patrón era claramente observable a través de la imagen 2D de un punto.

Los resultados de anchura y profundidad de los nueve patrones de puntos en las tres películas de polímeros que utilizan la función 3D del microscopio confocal se muestran en la Tabla 1. La película PET es más delgada que las otras películas de polímero. Por lo tanto, creamos la muestra cuidadosamente para que el encabezado de impacto no tocara la placa de calor cuando se ajustó la etapa Z. En el caso del PET, en S1 los valores medios de la anchura y profundidad del patrón eran de 110,6 m y 10,3 m respectivamente, con los errores correspondientes de -5,6–6,2% y -3,3-1,7%. En el caso de S2, después de que la altura de la etapa Z se redujera en 10 m, los valores medios para la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 155,2 m y 17,0 m respectivamente, con los errores correspondientes de -5,2–2,8% y -3,0-2,0%. Para S3, después de que la altura de la etapa Z se redujera en otros 10 m, los valores medios para la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 170,8 m y 25,7 m respectivamente, con los errores correspondientes de 2,8 a 4,2% y 2,7 a 2,3%.

En el caso de PMMA, en S1 los valores medios de la anchura y profundidad del patrón eran de 240,2 m y 112,2 m respectivamente, con los errores correspondientes de -1,2–1,3% y -4,1–2,8%. En el caso de S2, después de que la altura de la etapa Z se redujera en 10 m, los valores medios para la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 250,0 y 129,8 m respectivamente, con los errores correspondientes de 2,0 a 2,0% y -1,8-1,1%. Para S3, después de que la altura de la etapa Z se redujera en otros 10 m, los valores medios para la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 281,2 m y 141,3 m, con los errores correspondientes de -3,1–3,8% y -3,3–2,6%.

En el caso del PVC, en S1 los valores medios de la anchura y profundidad del patrón eran de 236,4 m y 136,1 m respectivamente, con los errores correspondientes de -6,3–4,0% y -5,6-3,9%. En el caso de S2, después de que la altura de la etapa Z se redujera en 10 m, los valores medios de la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 250,8 m y 150,7 m respectivamente, con los errores correspondientes de 2,5 a 2,4% y 2,1 a 2,8%. En el caso de S3, después de que la altura de la etapa Z se redujera en otros 10 m, los valores medios de la anchura y profundidad del patrón cambiaron a 263,5 m y 159,2 m, con los errores correspondientes de -6,7-11,7% y -5,0-7,5%.

En la Figura 7se muestran gráficos de la profundidad y anchura del patrón para las tres películas de polímeros. La altura de la etapa Z se redujo en 10 m por cada tres patrones de puntos de S1 a S3, de modo que la anchura y profundidad de la película aumentaron de S1 a S3. El error máximo estaba en el rango de -6.7-11.7% para PVC y el error mínimo osciló entre -1.2–1.3% para PMMA. En conclusión, los errores en los patrones de puntos para los tres tipos de películas son menores. Esto muestra que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto es adecuado para grabar micropatrones en películas de polímeros en tiempo real.

Figure 1
Figura 1: Diseño de la tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto. (A) Un diseño 3D del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto, (B) diseño del soporte de película. El soporte de película se puede mover en las direcciones Motion 1 y Motion 2 y se puede utilizar para fijar la película o para moverla hacia un lado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Diseño esquemático del circuito del amplificador de electricidad. En esta imagen, se utilizan seis dispositivos para crear el circuito: una fuente de alimentación con dos canales, un amplificador operacional de alta potencia (OP-AMP), un dispositivo de control, un cabezal de impacto y dos componentes de resistencia con valores diferentes. Cada dispositivo está conectado en la imagen, y las líneas de conexión se muestran en varios colores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Implementación del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto y circuito de control. (A) Implementación del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto, y (B) configuración experimental del sistema de control Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Equipo de microscopio confocal y película PET con patrones de puntos. (A) Equipo de microscopio confocal para medir las anchuras y profundidades del patrón de los patrones de puntos en la película de polímero. (B) Patrones de puntos en la película PET. Los nueve patrones se dividen en tres secciones de la profundidad más baja de los patrones de puntos (S1, S2, S3), y cada sección tiene tres puntos. Las micrografías se toman utilizando la función 2D del microscopio confocal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Fotomicrografías bidimensionales con microscopio confocal. (A) Un fotomicrografía 2D de la película PET de 50 m, (B) fotomicrografía 2D de la película 175 PMMA, y (C) fotomicrografía 2D de la película de PVC 300 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Micrografías bidimensionales de un patrón de puntos y micrografías 3D de S1 utilizando el modo LSM del microscopio confocal. (A) Una micrografía 3D de tres patrones de puntos y una micrografía 2D de un patrón de puntos en la película PET de 50 m de espesor. (B) Una micrografía 3D de tres patrones de puntos y una micrografía 2D de un patrón de puntos en la película PMMA de 175 m de espesor. (C) Una micrografía 3D de tres patrones de puntos y una micrografía 2D de un patrón de puntos en la película de PVC de 300 m de espesor Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Gráficos de los anchos y profundidades del patrón para S1, S2 y S3 en tres películas de polímero. La posición de la etapa Z se incrementó en 10 m por cada tres patrones de puntos de S1 a S3, y cada gráfico se basa en los datos mostrados en la Tabla 1. (A) El resultado de la anchura del patrón y la profundidad del patrón para la película PET. (B) El resultado de la anchura del patrón y la profundidad del patrón para la película PMMA. (C) Los resultados de la anchura del patrón y la profundidad del patrón para la película de PVC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Película de polímero Número de muestra Promedio de anchura del patrón (m) Promedio de profundidad de patrón (m) Ancho de la tasa de error (%) Profundidad de la tasa de error (%)
Película de PVC S1 236.4 136.1 -6,3 x 4,0% -5,6 x 3,9%
S2 250.8 150.7 -2,5%- 2,4% -2,1 x 2,8%
S3 263.5 159.2 -6,7%-11,7% -5,0 x 7,5%
PMMA Película S1 240.2 112.2 -1,2 x 1,3% -4,1 x 2,8%
S2 250 129.8 -2,0 x 2,0% -1,8 x 1,1%
S3 281.2 141.3 -3,1 x 3,8% -3,3 x 2,6%
Película PET S1 110.6 10.3 -5,6 x 6,2% -3,3 x 1,7%
S2 155.2 17 -5,2 x 2,8% -3,0 x 2,0%
S3 170.8 25.7 -2,8 x 4,2% -2,7 x 2,3%

Tabla 1: Resultados de medición de nueve patrones de puntos en tres películas de polímeros. Los valores de la tabla se midieron utilizando la función de medición 3D del microscopio confocal y representan los valores medios de las anchuras y profundidades del patrón y los errores de patrón para S1, S2 y S3.

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Discussion

En este estudio, implementamos el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto y patrones de puntos grabados con varios anchos y profundidades en una gama de películas de polímeros en tiempo real. Entre los pasos del protocolo, dos pasos deben ser considerados críticamente entre todos los pasos. El primero es el ajuste de la temperatura de la placa de calor (paso 3.3.3), y el segundo es el ajuste de la posición inicial del encabezado de impacto (paso 3.5.1). En el paso 3.3.3, si la temperatura de la placa de calor es demasiado alta, se hace difícil formar un patrón porque la viscosidad de la película dificulta la creación de un patrón fino. Por otro lado, si la temperatura de la placa de calor es demasiado baja, el patrón no se graba suavemente. El factor de la posición inicial de la cabecera de impacto es importante porque la posición del encabezado de impacto está relacionada con la profundidad y la anchura del patrón. Además, si la altura del cabezal de impacto es demasiado baja, el movimiento del cabezal de impacto chocará con la placa de calor, causando daños tanto al motor como a la placa de calor. Este daño no sólo desgasta la punta del movimiento, sino que también tiene un efecto adverso en la altura y anchura del patrón grabado en el siguiente paso. Por estas razones, durante los pasos 3.3.3 y 3.5.1, se debe considerar cuidadosamente la temperatura de calentamiento y la condición de ignición.

En trabajos anteriores sobre el grabado en caliente de tipo impacto, se utilizó un proceso de patrón de puntos con película PMMA, con errores de desviación que se producía debido a un problema de fijación asociado con la película de polímero15,16. Para resolver este problema, se consideró la fijación de la película de polímero utilizando soportes de película en ambos lados de la placa de calor, y esta estrategia redujo el error en comparación con los valores anteriores. También se demostró que los patrones de puntos con varios anchos y profundidades se pueden grabar en varias películas de polímeros, como películas PET y películas de PVC, en tiempo real. Comparando la tasa de error de PMMA con las de los procesos anteriores de grabado en caliente, los resultados de cada muestra de película mostraron que los errores en los anchos y profundidades del patrón se redujeron significativamente.

Sin embargo, quedó algún error en los patrones de puntos. Consideramos dos causas para estos errores. El primero está relacionado con el cambio de la superficie debido a la temperatura de transición de vidrio de la película de polímero. Cuando cada película se calienta por encima de su temperatura de transición de vidrio, la superficie de la película de polímero se vuelve suave, y la superficie de la película se eleva ligeramente incluso si permanece fija mientras se utiliza el soporte de la película, causando un error. Para evitar esto, si la temperatura de la placa de calor es inferior a la temperatura de transferencia de vidrio, la combinación de la estructura molecular de la película de polímero es más fuerte, pero el patrón en la película de polímero no está grabado también. Por lo tanto, es engorroso encontrar el valor óptimo para cada película de polímero correspondiente a través de experimentos repetidos. La segunda causa es el problema de desequilibrio de la placa de calor. La superficie de la placa de calor que calienta la película durante el proceso de grabado en caliente debe ser completamente horizontal para grabar la altura de los patrones de puntos uniformemente. Sin embargo, si la placa de calor está ligeramente inclinada, se producirán errores en la anchura del patrón o la altura del patrón cuando el patrón utilice una posición diferente. Para resolver este problema, consideramos que un dispositivo que puede escanear la altura de una superficie en tiempo real debe adjuntarse al encabezado de impacto. Se debe investigar más en los dispositivos de escaneo para medir la altura de la superficie correctamente.

La precisión de los patrones producidos por el proceso sugerido también tiene limitaciones. La anchura y profundidad de cada patrón dependen del diámetro de la punta del movimiento (cabeza de impacto) y de la profundidad a la que el motor graba en la película de polímero. El diámetro de la punta del movimiento utilizado en este proceso es de 9 m, y la precisión del patrón grabado tiene un ancho de patrón mínimo de 9 m. Sin embargo, los procesos de grabado en caliente de tipo placa a placa y de rollo a rollo ofrecen niveles de precisión de patrón en el rango nm. Esta falta de precisión de un patrón se puede resolver reduciendo el diámetro de la punta del movimiento en el encabezado de impacto. No hay suficiente investigación hasta ahora sobre los procesos mecánicos o químicos para el procesamiento de puntas de movimiento en unidades nm. Si se realizan estudios de procesos mecánicos o químicos para que la punta del movimiento pueda ser procesada en unidades nm, se espera que estas limitaciones se superen. Aún así, a diferencia de los métodos convencionales, el proceso propuesto permite cambios en el patrón de grabado en tiempo real utilizando el encabezado de impacto, y esto ofrece la ventaja de cambiar el nuevo patrón o reemplazar el patrón si se encuentra un proceso erróneo.

A continuación, comparamos la velocidad de procesamiento del proceso propuesto con la del proceso de grabado en caliente de tipo roll-to-roll existente. Para el tipo de rollo a rollo convencional, la velocidad del proceso es de 10 mm/s12. El proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto propuesto ofrece una frecuencia de rendimiento de 6 Hz a 10 Hz. Si se asumen diez puntos en una película polimérica de 10 mm, la velocidad de procesamiento es de 6 mm/seg y la máxima es de 10 mm/s. Como resultado, la velocidad de procesamiento variará dependiendo del patrón requerido por el usuario. Por lo tanto, el proceso se puede aplicar a la producción en masa y a varios procesos de producción de productos y pequeños volúmenes también.

Si continuamos desarrollando nuestra tecnología actual, será capaz de grabar patrones continuos además de patrones de puntos. Grabar patrones continuos puede ser útil de diversas maneras. Por ejemplo, al colocar elementos eléctricos o mediante la aplicación de tinta conductora en el patrón grabado, se puede fabricar un circuito microeléctrico. En particular, debido a que este proceso está vinculado al trabajo en micro patrones de grabado en películas de polímeros, se puede aplicar para fabricar dispositivos flexibles. Además, como nuestro método es como los procesos de grabado en caliente existentes, este trabajo se puede utilizar para fabricar laminados reacondicionados de cobre flexibles (FCC) o placas de circuito impreso flexibles (FPCB). Además, con el fin de aplicar el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto a una gama más amplia de materiales, tales como dispositivos portátiles o sensores, es necesario cambiar el patrón de puntos mediante el uso de varios anchos y profundidades dependiendo del dispositivo. El proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto investigado aquí tiene la ventaja de ser capaz de grabar varios patrones mientras se ajustan las anchuras y profundidades de los patrones en tiempo real. Además, la tecnología mencionada en el protocolo utiliza un proceso más simple que el proceso de patrón convencional. Por lo tanto, estamos convencidos de que la tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto se puede extender no sólo a la producción en masa, sino también a la industria de producción de lotes de pequeña cantidad en el futuro.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar

Acknowledgments

Esta investigación está respaldada por el proyecto titulado "Desarrollo de la tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto para una capa conductora utilizando materiales nanocompuestos conductores" a través del Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) de Corea (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

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References

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Ingeniería Número 158 encabezado de impacto grabado en caliente impresión grabado de impacto patrón fino patrón de grabado
Estudio de un proceso de patrón de puntos en materiales flexibles utilizando la tecnología de grabado en caliente de tipo de impresión de impacto
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Kim, M., Ahn, J., Bae, J., Song, J., Kim, D., Yun, D. Study of a Dot-patterning Process on Flexible Materials using Impact Print-Type Hot Embossing Technology. J. Vis. Exp. (158), e60694, doi:10.3791/60694 (2020).

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