Summary
Hot reliefteknik av tryckutskriftstyp använder en slaghuvud för att gravera punktmönster på flexibla material i realtid. Denna teknik har ett styrsystem för att kontrollera on-off rörelse och position i inverkan huvudet för att skapa punkt mönster med olika bredder och djup på olika polymerfilmer.
Abstract
Här presenterar vi vår studie om en effekt print-typ varm prägling process som kan skapa punkt mönster med olika mönster, bredder och djup i realtid på polymerfilm. Dessutom implementerade vi ett styrsystem för on-off rörelse och position av påverkan huvudet att gravera olika punkt mönster. Vi utförde punkt mönster på olika polymerfilmer, såsom polyester (PET) film, polymetyl metakrylat (PMMA) film, och polyvinylklorid (PVC) film. Punktmönstren mättes med hjälp av ett konfokalmikroskop, och vi bekräftade att den heta präglingsprocessen av typen impact-typ ger färre fel under punktmönsterprocessen. Som ett resultat av detta visar det sig att den heta präglingsprocessen av trycktyp är lämplig för gravyrpunktsmönster på olika typer av polymerfilmer. Dessutom, till skillnad från den konventionella heta präglingsprocessen, använder denna process inte en präglingsstämpel. Därför är processen enkel och kan skapa punktmönster i realtid, vilket ger unika fördelar för massproduktion och produktion av små k kvantiteter.
Introduction
Forskare försöker aktivt miniatyrisera befintliga enheter och bildskärmar och öka flexibiliteten hos dessa enheter1,2. För att minska bredden och djupet på elektriska kanaler till mikro- eller nanoskalan är högprecisionsteknologi nödvändig. Dessutom, för att öka flexibiliteten hos dessa enheter, måste mönstren i de elektriska kanalerna placeras på ett flexibelt material, såsom en polymerfilm3,4. För att uppfylla dessa villkor pågår studien av ultrafin mikrobearbetningsteknik aktivt.
Ultrafin mikrotillverkningsteknik har en fördel i att möjliga mönstermaterial inkluderar inte bara mycket styva material som järn eller plast utan även mjuka material som polymerfilmer. På grund av dessa fördelar används denna teknik ofta som en kärnprocess inom olika områden, såsom kommunikation, kemi, optik, flyg, halvledare och sensorer5,,6,7. I det ultrafina mikrobearbetningsfältet används8. Dessa konventionella metoder är dock förknippade med flera problem. LIGA-metoder kräver en avsevärd tid och flera processsteg för att skapa ultrafina mönster och ådra sig en hög kostnad också eftersom de behöver många olika typer av utrustning under processerna. Dessutom använder LIGA-metoderna kemikalier som kan förorena miljön.
För att lösa detta problem har varm präglingsprocessteknik lyfts fram bland ultrafin mikroprocessteknik. Hot prägling är en teknik som skapar ett mönster på en uppvärmd polymerfilm med hjälp av en mikro- eller nanoskala prägling mögel. Konventionell varm prägling teknik är uppdelad i plattan typ och roll-to-roll typ beroende på formen på formen på formen. De två typerna av varm prägling teknik är olika när det gäller formen på formen, men dessa två processer är liknande i att prägling mögel pressar polymerfilmen på en uppvärmd platta för att gravera ett mönster på polymerfilmen. För att gravera mönstret med hjälp av den heta präglingsprocessen är det nödvändigt att värma polymerfilmen ovanför glasövergångstemperaturen och att applicera en tillräcklig mängd tryck (~30–50 MPa)9. Dessutom ändras mönstrets bredd och djup beroende på temperaturen på den uppvärmda plattan, materialet och formen på präglingsformen. Dessutom påverkar kylningsmetoden efter mönstringsprocessen formen på mönstret på polymerfilmen.
I den konventionella heta präglingsprocessen kan präglingsstämplar eller rullar präglas med önskat mönster, och präglingsformen kan användas för att skriva ut samma mönster på polymerfilmytor kontinuerligt. Denna funktion gör denna process lämplig inte bara för massproduktion utan också för tillverkning av enheter med mjuka material, såsom polymerfilmer10,11,12,13,14. Den konventionella heta präglingsmetoden kan dock bara skapa det enda mönstret ingraverat i präglingsformen. Därför, när användaren vill göra ett nytt mönster eller ändra mönstret, måste de göra en ny form för att ändra tryckmönster. Av denna anledning är konventionell varm prägling kostsam och tidskrävande när man skapar nya mönster eller ersätter befintliga konstruktioner.
Tidigare arbete infördes impact-typ varm prägling process för att producera punktmönster med olika bredder och djup i realtid15. Till skillnad från den konventionella heta präglingsprocessen använder metoden för tryckning av trycktyp en slaghuvud för att skapa mönster på polymerfilmen. Den här tekniken flyttar slaghuvudet till önskad position med ett precisionspositioneringssystem. En styrsignal används för att skriva ut mönster med önskad bredd och djup och på en godtycklig position. Islagshuvudets struktur består av en mover, en fjäder, en spolelindning och en kärna (se figur 1A)15. Tidigare arbete bekräftade genom en analys och experiment att en sådan effekt header kan producera rätt kraft för varm prägling16. Protokollet i det här dokumentet täcker utformningen av maskinvaran för slagtypen hot embossing process och kontrollmiljön för processkontroll. Dessutom analyserar vi punktmönstren på PET-film, PMMA-film och PVC-film, som alla bearbetas med det föreslagna protokollet för att kontrollera att effekten utskrift-typ varm prägling process kan skapa punkt mönster med olika bredder och djup i realtid. Resultaten av dessa experiment presenteras nedan i resultatavsnittet, vilket bekräftar att präglingsprocessen kan producera ultrafina mönster på lämpligt sätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillverkning av inverkan utskrift-typ varm prägling process
- Gör modell 1 och kombinera den med ett X-steg (se bild 1).
OBS: Det rekommenderas att modell 1 är tillverkad av aluminium för att undvika att värme sker på X-scenen. Dessutom rekommenderas att längden på modell 1 vara avståndet mellan värmeplattans yta och den lägsta höjden på lagerplattan i Z-etappen, eftersom utformningen av modell 1 varierar med värmeplattans storlek. - Kombinera X-scenen och Z-scenen och montera Z-scenen och modell 2.
OBS: Se till att modell 2 är tillverkad av en metall som tål värmen från värmeplattan (t.ex. aluminium). Fastställande modell 2 till Z-scenen tätt kommer att säkerställa förmågan hos Z-scenen att hålla vikten av modell 2 och islagshuvudet. - Kombinera modell 2 och islagshuvudet och placera värmeplattan under modell 1.
OBS: Om du sammanfogar slaghuvudet med den lägsta positionen på modell 2 kommer moveren att nå värmeplattans yta. Det rekommenderas att värmeplattan installeras efter att z-stadiet lyfts upp maximalt för att undvika någon kontakt mellan islagshuvudet och värmeplattans yta. Använd lämplig programvara för att styra scenen. - Konvertera STL-filerna på filmhållaren(Tilläggsfil 1 och tilläggsfil 2)till GCODE-filer med lämplig programvara för att skriva ut filmhållaren med en tredimensionell (3D) skrivare.
Programvaran kan variera med den 3D-skrivare som används, och vissa miljöer kan ha stöd för 3D-skrivarmiljöer utan GCODE-konvertering. - Använd 3D-skrivaren för att skriva ut filmhållaren med GCODE-filen.
OBS: Användning av en glödtråd (t.ex. Z-HIPS) rekommenderas eftersom mindre kontraktion uppstår vid utskrift av stora delar, till exempel filmhållaren. - Montera två filmhållare på värmeplattans ände och fäst polymerfilmen på filmhållaren, enligt figur 1. För att säkerställa att polymerfilmen är platt på värmeplattan, dra polymerfilmen så mycket som möjligt med rörelse 1 på filmhållaren (se figur 1B). För att flytta polymerfilmen åt sidan, flytta filmhållaren via rörelse 2 (se figur 1B).
OBS: För att fästa polymerfilmen på filmhållaren rekommenderas att du använder en skruv. Lim är otillräckligt för att fästa polymerfilmen på filmhållaren, och det är bäst för avlossningen av polymerfilmen efter mönsterexperimentet.
2. Tillverkning av styrkretsen
OBS: Denna process beskriver processen att konstruera styrkretsen för slaghuvudet och X-Z-stadiet.
- Anslut den styrenhet som skickar signalerna (se Tabell över material)till slaghuvudet för att styra den.
- När du har anslutit styrenheten till slaghuvudet matas in -3 V och +10 V som styrsignaler i slaghuvudet.
Obs! Figure 1 I detta tillstånd träffar mover den polymera filmen och graverar mönstret på polymerfilmen.- Höj mover att gravera nästa mönster efter gravyr ett mönster med hjälp av flyttaren av slaghuvudet. För att höja mover (slaghuvudet), tillämpa -3 V styrsignalen.
OBS: En negativ spänning matas in i slaghuvudet för att förhindra att mover blir magnetiserad av den inre kvarlevan flux av islagshuvudet.
- Höj mover att gravera nästa mönster efter gravyr ett mönster med hjälp av flyttaren av slaghuvudet. För att höja mover (slaghuvudet), tillämpa -3 V styrsignalen.
- Om styrenheten inte kan leverera en tillräcklig styrsignal, använd en högeffektsförstärkare (t.ex. Figure 2
- Förbered först en dc-strömförsörjning med dubbla kanaler (se Tabell över material). Efter detta steg ansluter du fyra noder för att ge gemensamma markknäppor (GND) till alla kanaler: en positiv spänningsterminal (V1+) och en jordterminal (GND) för kanal 1 och en negativ spänningsterminal (V2-) och jord (GND) för kanal 2. Ett övergripande anslutningsdiagram visas i figur 2.
OBS: Enligt det steg som beskrivs i 2.3.1 kan positiv och negativ spänning med olika absoluta värden levereras till den operativa förstärkaren (OP-AMP). - Anslut strömförsörjningens minusspänningsterminal (V1-) till OP-AMP:s negativa strömförsörjningsspänningsterminal (Vs-), enligt vad som indikeras av den blå linjen i figur 2. Därefter ingång 3 V Vcc spänning till kanal 1.
OBS: Enligt steg 2.3.1 levereras 3 V Vcc-spänningen som -3 V-negativ spänning till op-AMP:s negativa strömförsörjningsspänningsterminal (Vs-). - Anslut strömförsörjningens positiva spänningsterminal (V2+) till op-AMP:s positiva strömförsörjningsspänningsterminal (Vs+), vilket indikeras av den röda linjen i figur 2. Därefter ingång 10 V Vcc spänning till kanal 2.
OBS: Enligt steg 2.3.1 levereras 10 V Vcc-spänningen som +10 V-positiv spänning till op-AMP:s positiva strömförsörjningsspänningsterminal (Vs+). - Anslut +-utkanalen för en styrenhet (Vcon+) till op-AMP:s positiva ingångskanal (Vin+), vilket visas av den gröna linjen i figur 2.
- Anslut -utkanalen för en styrenhet (Vcon-) till marken (GND) på kanal 2 på strömförsörjningen, vilket visas av den svarta linjen i figur 2.
OBS: Vid anslutning av (Vcon-) till marken (GND) är det möjligt att ansluta den till en av de terminaler som är anslutna under steg 2.3.1 utöver GND för kanal 2. - Förbered elektriskt motstånd på 1 kΩ- och 10 kΩ-värden i varje enskilt fall och anslut dem mellan den röda linjen och den svarta linjen, som visas i figur 2.
- Anslut terminalen mellan 1 kΩ och 10 kΩ till OP-AMP:s (Vin-AMP) minuskanal (Vin-), vilket visas av den lila linjen i figur 2.
- Dra ut linjerna från op-amp-kanalens utgångskanal (Vout) och en av de elektriska terminaler som beskrivs i steg 2.3.1. Anslut linjerna till islagshuvudet, vilket visas av den orangea raden i figur 2.
- När det gäller strömförsörjningen, ställ in spänningarna i kanal 1–3 Vcc och kanal 2–10 VCC. Därefter generera styrsignaler på ~0 V–5 V från styrenheten.
De genererade ~0 V–5 V-styrsignalerna förstärks av OP-AMP till ~-3 V–+10 V, vilket är nödvändigt för att kontrollera slaghuvudet enligt beskrivningen i steg 2.2.1 och 2.2.2.
- Förbered först en dc-strömförsörjning med dubbla kanaler (se Tabell över material). Efter detta steg ansluter du fyra noder för att ge gemensamma markknäppor (GND) till alla kanaler: en positiv spänningsterminal (V1+) och en jordterminal (GND) för kanal 1 och en negativ spänningsterminal (V2-) och jord (GND) för kanal 2. Ett övergripande anslutningsdiagram visas i figur 2.
3. Experiment design
OBS: I det här avsnittet beskrivs processerna för att styra den heta präglingsanordningen av slagtyp och gravyrpunktsmönster på polymerfilmen.
- Installera ett stegkontrollprogram (t.ex. Micromove) för att styra X-steg och Z-scenen med hjälp av en styrdator (PC).
- Installera DAQ-drivrutinsprogram för att identifiera styrenheten på kontrolldatorn som styr slaghuvudet och installera ett operativsystem (t.ex.
- När du har installerat programvaran konstruerar du maskinvarumiljön enligt figur 3A för att utföra mönstringsexperimentet.
- Installera X-stadiet, Z-scenen, slaghuvudet, filmhållaren och värmeplattan enligt figur 3A för att konstruera hårdvarumiljön.
- Fäst polymerfilmen på filmhållaren och justera polymerfilmens läge med rörelserna 1 och 2 (se figur 1B) för att fixera filmen platt.
OBS: För att hålla filmen platt medan du justerar riktning 2 bör platserna för de två filmhållarna vara parallella. För att göra filmen platt på värmeplattan rekommenderas att filmhållaren justeras genom att sänka läget i riktning 1, enligt figur 1B. - Justera värmeplattans temperatur för att värma filmen ovanför glasövergångstemperaturen efter att ha fäst polymerfilmen.
OBS: Varje typ av film har sin egen glasövergångstemperatur. Därför rekommenderas att värmeplattans temperatur justeras till sin egen glasövergångstemperatur efter att ha kontrollerat filmens materialegenskaper i motsvarande datablad.
- När du har ställt in maskinvaran sätter du ihop styrkretsen enligt figur 3B för att styra scenen och islagshuvudet.
- Förbered pc, styrkort, strömförsörjning och OP-AMP för att konstruera kontrollmiljön enligt figur 3B. Anslut enheterna enligt bild 2 och anslut sedan datorn till kontrollkortet.
- Ange värdena 3 Vcc och 10 Vcc i en OP-AMP via kanalerna 1 respektive 2 i strömförsörjningen, enligt beskrivningen i steg 2.3.9.
- Styr scenen och slaghuvudet med hjälp av kontrolldatorn.
- Justera den inledande positionen för slaghuvudet genom att styra X- och Z-faserna med hjälp av scenstyrningsprogrammet.
OBS: När du justerar islagshuvudets utgångsläge, se till att det inte finns någon kollision mellan islagshuvudet och värmeplattan. Om Z-scenens läge är för lågt kommer mover att kollidera med värmeplattan och skada både mover och värmeplattan. Om det finns skador på båda enheterna, kommer det att hindra skapandet av fina mönster på ett polymert material. - Med hjälp av driftprogrammet, generera en 5 V styrsignal från styrenheten. Enligt steg 2.3.1–2.3.9 kommer OP-AMP att förstärka 5 V-styrsignalen till +10 V, slå på islagshuvudet och gravera mönstren på polymerfilmen.
- Generera nu en 0 V-styrsignal från styrenheten med hjälp av driftprogrammet. Enligt steg 2.3.1–2.3.9 kommer OP-AMP att förstärka 0 V-styrsignalen till -3 V och stänga av stöthuvudet.
OBS: Flyttapparaten för slaghuvudet kommer att höjas, väntar på att gravera det nya mönstret. - Flytta X-scenen på plats för att gravera nästa mönster.
- Gravera mönster 3x på polymerfilmen genom att upprepa steg 3.5.1–3.5.4 sekventiellt.
- Sänk Z-steg 10 μm från utgångsläget och kör steg 3.5.5, räknat antalet Z-stegrörelser. När antalet Z-stegsrörelser överstiger tre flyttar du X-steget till utgångsläget och höjer slaghuvudet maximalt genom att flytta Z-scenen.
OBS: Om du ändrar höjden på Z-scenen säkerställs justeringar i punktmönstrets djup och bredd.
- Justera den inledande positionen för slaghuvudet genom att styra X- och Z-faserna med hjälp av scenstyrningsprogrammet.
- Lossa polymerfilmen från filmhållaren och mät bredden och djupet för varje mönster med hjälp av ett konfokalmikroskop (se Tabell över material),som visas i figur 4A.
- Innan mätprocessen påbörjas väljer du mikroskopets förstoringsvärde och använd initialt det direkta observationsläget för att justera polymerfilmens skanningsposition. När du har justerat positionen med direkt observation, fixa polymerfilmen och ändra skanningsläget till laserscanningsläget.
OBS: Vid användning av konfokalmikroskopet rekommenderas att du använder en akrylpanel för att fixera provet, enligt figur 4B. - Mät punktmönstrets djup och bredd med hjälp av laserskanningsläget.
- Innan mätprocessen påbörjas väljer du mikroskopets förstoringsvärde och använd initialt det direkta observationsläget för att justera polymerfilmens skanningsposition. När du har justerat positionen med direkt observation, fixa polymerfilmen och ändra skanningsläget till laserscanningsläget.
- Upprepa steg 3.3.2–3.6.2 efter att ha ändrat typ av film.
OBS: Med tanke på glasövergångstemperaturen för varje typ av film ställer du in värmeplattans temperatur innan varje film placeras på värmeplattan. I denna studie är glasövergångstemperaturen för PVC-film 100 °C. för PMMA filmar det är °C 95, och för PET filma är det °C 75.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den heta präglingsprocessen av slagtyp är en process som kan användas för att gravera punktmönster på en polymerfilm i realtid, som visas i figur 1. Den här processen kan lösa problemen med de höga kostnaderna och långa tider för mönsterersättning som är associerad med den befintliga heta präglingsprocessen. En styrkrets konstruerades, som visas i figur 2 (se steg 2.3–2.3.9), med hjälp av DAQ, OP-AMP och strömförsörjning för att skära mönster på olika typer av polymerfilmer genom genomförandet av slaghuvudet under on-off-driften. Den implementerade tryckutskriftstypen heta präglingsprocessen visas i figur 3.
I tidigare studier av slagtryckstyp varm prägling validerades endast experiment på PMMA-filmer, medan inga andra polymerfilmer testades. För att kontrollera att trycktyps heta prägling kan gravera mönster på andra polymerfilmer i realtid, utfördes experiment med PMMA-film, PVC-film och PET-film. Höjden på slaghuvudet reducerades med 10 μm för varje tre punkter med hjälp av en Z-steg, och vi testade om nio punkter kunde bilda ett punktmönster med olika höjder på de tre typerna av filmer. Med hjälp av den utrustning som visas i figur 3skapades ett punktmönster på de tre polymerfilmerna, och ett konfokalmikroskop användes för att observera mönstret (se steg 3.6).
Punktmönstret visas i figur 4B. Som visas i figur 4Butnyttjades nio punkter och mönstrets storlek ökade från prov 1 (S1) till prov 3 (S3) eftersom Z-scenens höjd flyttades ned med 10 μm. I detta fall visas tvådimensionella (2D) bilder av de tre polymerfilmarnas konfokalmikroskop i figur 5. 2D-bilden i figur 5 visar S1-delen av varje mönster. Figur 5A visar ett PET-filmprov 50 μm tjockt, figur 5B visar ett PMMA-filmprov 175 μm tjockt och figur 5C visar ett PVC-filmprov 300 μm tjockt. Figur 6 visar 2D-mikrografer av ett punktmönster och 3D-mikrografer av S1 med hjälp av laserscanningsläge (LSM) i konfokalmikroskopet. Som visas i figur 6kunde vi mäta mönstrets bredd och djup för varje punktmönster, och mönstret var tydligt observerbart genom 2D-bilden av en punkt.
Bredd- och djupresultaten för de nio punktmönstren på de tre polymerfilmerna med konfokalmikroskopets 3D-funktion visas i tabell 1. PET-filmen är tunnare än de andra polymerfilmerna. Därför skapade vi provet noggrant så att stöthuvudet inte vidröra värmeplattan när Z-scenen justerades. För PET var medelvärdena för mönstrets bredd och djup i S1 110,6 μm respektive 10,3 μm, med motsvarande fel på ~-5,6–6,2 % respektive ~-3,3–1,7 %. För S2, efter att Z-scenens höjd minskade med 10 μm, ändrades medelvärdena för mönstrets bredd och djup till 155,2 μm respektive 17,0 μm, med motsvarande fel på ~-5,2–2,8% respektive ~-3,0–2,0 %. För S3, efter att Z-scenens höjd minskade med ytterligare 10 μm, ändrades medelvärdena för mönstrets bredd och djup till 170,8 μm respektive 25,7 μm, med motsvarande fel på ~-2,8–4,2% respektive ~-2,7–2,3 %.
För PMMA var medelvärdena för mönstrets bredd och djup i S1 240,2 μm respektive 112,2 μm, med motsvarande fel på ~-1,2–1,3 % respektive ~-4,1–2,8 %. För S2, efter att Z-scenens höjd minskade med 10 μm, ändrades medelvärdena för mönstrets bredd och djup till 250,0 μm respektive 129,8 μm, med motsvarande fel på ~-2,0–2,0% respektive ~-1,8–1,1 %. För S3, efter att Z-scenens höjd minskade med ytterligare 10 μm, ändrades medelvärdena för mönstrets bredd och djup till 281,2 μm och 141,3 μm, med motsvarande fel på ~-3,1–3,8% och ~-3,3–2,6%.
För PVC var medelvärdena för mönstrets bredd och djup i S1 236,4 μm respektive 136,1 μm, med motsvarande fel på ~-6,3–4,0 % respektive -~5,6–3,9 %. För S2, efter att Z-scenens höjd minskade med 10 μm, ändrades snittvärdena för mönsterbredden och djupet till 250,8 μm respektive 150,7 μm, med motsvarande fel på ~-2,5–2,4% respektive ~-2,1–2,8 %. För S3, efter att Z-scenens höjd minskade med ytterligare 10 μm, ändrades snittvärdena för mönstrets bredd och djup till 263,5 μm och 159,2 μm, med motsvarande fel på ~-6,7–11,7% och ~-5,0–7,5%.
Diagram över mönsterdjup och bredd för de tre polymerfilmerna visas i figur 7. Höjden på Z-scenen minskade med 10 μm för varje tre punkt mönster från S1 till S3, så att bredden och djupet av filmen ökade från S1 till S3. Det maximala felet var i intervallet -6,7–11,7 % för PVC och det minsta felet varierade från -1,2– 1,3 % för PMMA. Sammanfattningsvis är felen i punktmönstren för de tre typerna av filmer mindre. Detta visar att effekten print-typ varm prägling processen är lämplig för gravyr mikromönster på polymerfilmer i realtid.
Figur 1: Design av den heta präglingstekniken av slagutskriftstyp. (A)En 3D-konstruktion av slagskrivningstypens heta präglingsprocess,(B)filmhållarens utformning. Filmhållaren kan röra sig i riktningarna Motion 1 och Motion 2 och kan användas för att fixa filmen eller för att flytta den åt sidan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Schematisk konstruktion av elförstärkarens krets. I den här bilden används sex enheter för att skapa kretsen: ett nätaggregat med två kanaler, en högeffektsdriftförstärkare (OP-AMP), en styrenhet, en slaghuvud och två motståndskomponenter med olika värden. Varje enhet är ansluten i bilden och anslutningslinjerna visas i olika färger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Genomförande av den heta präglingsprocessen och styrkretsen av slagutskriftstyp. (A)Implementering av den heta präglingsprocessen av slagtyp och(B)experimentella inställningar i styrsystemet Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Konfokalmikroskoputrustning och PET-film med punktmönster. (A)Konfektokoskoputrustning för att mäta mönsterbredder och djup för punktmönstren på polymerfilmen. (B)Punktmönster på PET-filmen. De nio mönstren är indelade i tre sektioner från det lägsta djupet av punktmönstren (S1, S2, S3) och varje avsnitt har tre punkter. Mikrografer tas med hjälp av 2D-funktionen i konfokalmikroskopet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Tvådimensionella fotomikrografer med konfokalmikroskop. (A)En 2D-fotomikrograf av 50 μm PET-film,(B)2D fotomikrograf av 175 PMMA-filmen och(C)2D-fotomikrografen för 300 PVC-filmen Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Tvådimensionella mikrografer av ett punktmönster och 3D-mikrografer av S1 med hjälp av LSM-läget i konfokalmikroskopet. (A)En 3D-mikrograf med tre punktmönster och en 2D-mikrograf av ett punktmönster på den 50 μm tjocka PET-filmen. (B)En 3D-mikrograf av tre punktmönster och en 2D-mikrograf av ett punktmönster på den 175 μm tjocka PMMA-filmen. (C)En 3D-mikrograf med tre punktmönster och en 2D-mikrograf av ett punktmönster på den 300-μm tjocka PVC-filmen Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Diagram över mönsterbredder och djup för S1, S2 och S3 på tre polymerfilmer. Z-scenens position ökades med 10 μm för var tredje punkt mönster från S1 till S3, och varje diagram är baserat på de uppgifter som visas i tabell 1. (A)Resultatet av mönsterbredden och mönsterdjupet för PET-filmen. (B)Resultatet av mönstrets bredd och mönsterdjup för PMMA-filmen. (C)Resultaten av mönsterbredden och mönsterdjupet för PVC-filmen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Polymer Film | Exempelnummer | Medelvärde av mönsterbredd (μm) | Medelvärde av mönsterdjup (μm) | Felfrekvensbredd (%) | Felfrekvensdjup (%) |
| PVC-film | S1 (S1) | 236.4 | 136.1 | -6,3~4,0% | -5,6~3,9% |
| S2 (S2) | 250.8 | 150.7 | -2,5%~2,4% | -2,1~2,8% | |
| S3 (S3) | 263.5 | 159.2 | -6,7%~11,7% | -5,0~7,5% | |
| PMMA Film | S1 (S1) | 240.2 | 112.2 | -1,2~1,3% | -4,1~2,8% |
| S2 (S2) | 250 | 129.8 | -2,0~2,0% | -1,8~1,1% | |
| S3 (S3) | 281.2 | 141.3 | -3,1~3,8% | -3,3~2,6% | |
| PET-film | S1 (S1) | 110.6 | 10.3 | -5,6~6,2% | -3,3~1,7% |
| S2 (S2) | 155.2 | 17 | -5,2~2,8% | -3,0~2,0% | |
| S3 (S3) | 170.8 | 25.7 | -2,8~4,2% | -2,7~2,3% |
Tabell 1: Mätresultat för nio punktmönster på tre polymerfilmer. Värdena i tabellen mättes med hjälp av 3D-mätfunktionen i konfokalmikroskopet och representerar medelvärdena för mönsterbredder och djup och mönsterfelen för S1, S2 och S3.
Tilläggsfil 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 2. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna studie implementerade vi påverkansuttryckstypen varm präglingsprocess och graverade punktmönster med olika bredder och djup på en rad polymerfilmer i realtid. Bland protokollstegen bör två steg kritiskt övervägas bland alla steg. Den första är inställningen av temperaturen på värmeplattan (steg 3.3.3), och den andra är inställningen av den ursprungliga positionen för slaghuvudet (steg 3.5.1). I steg 3.3.3, om temperaturen på värmeplattan är för hög, blir det svårt att bilda ett mönster eftersom trögflytandet av filmen hindrar skapandet av ett fint mönster. Å andra sidan, om temperaturen på värmeplattan är för låg, är mönstret inte ingraverat smidigt. Faktorn för den ursprungliga positionen för slaghuvudet är viktig eftersom islagshuvudets position är relaterad till mönstrets djup och bredd. Dessutom, om höjden på islagshuvudet är för låg, kommer dragaren av islagshuvudet kollidera med värmeplattan, vilket orsakar skador på både mover och värmeplattan. Denna skada inte bara slits ner spetsen på mover men har också en negativ effekt på höjden och bredden av mönstret ingraverat i nästa steg. Av dessa skäl bör värmetemperaturen och antändningsförhållandena övervägas noggrant under steg 3.3.3 och 3.5.1.
I tidigare arbete med slag-typ varm prägling, en punkt mönsterprocess användes med PMMA film, med avvikelse fel som uppstår på grund av en fixering problem i samband med polymerfilm15,16. För att lösa detta problem övervägdes fastställande av polymerfilmen med hjälp av filmhållare på båda sidor av värmeplattan, och denna strategi minskade felet jämfört med de tidigare värdena. Det visades också att punktmönster med olika bredder och djup kan graveras på olika polymerfilmer, såsom PET-film och PVC-filmer, i realtid. Om man jämför felprocenten för PMMA med tidigare heta präglingsprocesser visade resultaten av varje filmprov att felen i mönsterbredderna och djupen minskade avsevärt.
Det fanns dock ett visst fel i punktmönstren. Vi övervägde två orsaker till dessa fel. Den första är relaterad till förändringen av ytan på grund av glasövergångstemperaturen i polymerfilmen. När varje film värms upp över sin glasövergångstemperatur blir polymerfilmens yta mjuk, och filmytan stiger något även om den förblir fast när filmhållaren använder, vilket orsakar ett fel. För att förhindra detta, om temperaturen på värmeplattan är lägre än glasöverföringstemperaturen, är kombinationen av polymerfilmens molekylära struktur starkare, men mönstret på polymerfilmen är inte ingraverat också. Därför är det besvärligt att hitta det optimala värdet för varje motsvarande polymerfilm genom upprepade experiment. Den andra orsaken är obalansproblemet med värmeplattan. Ytan på värmeplattan som värmer filmen under den varma präglingsprocessen bör vara helt horisontell för att gravera höjden på punktmönstren jämnt. Men om värmeplattan är något lutande, fel i mönstret bredd eller mönster höjd kommer att inträffa när mönstret använder en annan position. För att lösa detta problem anser vi att en enhet som kan skanna höjden på en yta i realtid ska kopplas till slaghuvudet. Mer forskning bör göras på skanningsenheter för att mäta ythöjden ordentligt.
Precisionen i de mönster som produceras av den föreslagna processen har också begränsningar. Bredden och djupet för varje mönster beror på diametern på dragarens spets (slaghuvudet) och det djup vid vilket moveren graverar på polymerfilmen. Diametern på dragspetsen som används i denna process är 9 μm, och precisionen hos det graverade mönstret har en minsta mönsterbredd på 9 μm. De befintliga hotpräglingsprocesserna av platt-till-plåt-typ och rull-till-rullning-typ erbjuder dock mönsterprecisionsnivåer i nm-området. Denna brist på precision i ett mönster kan lösas genom att minska diametern på spetsen på mover i slaghuvudet. Det finns hittills inte tillräcklig forskning om mekaniska eller kemiska processer för bearbetning av mover tips till nm-enheter. Om studier av mekaniska eller kemiska processer utförs så att mover spetsen kan bearbetas i nm enheter, förväntas dessa begränsningar övervinnas. Ändå, till skillnad från de konventionella metoderna, tillåter den föreslagna processen ändringar i gravyrmönstret i realtid med hjälp av slaghuvudet, och detta ger fördelen av att ändra det nya mönstret eller ersätta mönstret om en felaktig process hittas.
Därefter jämförde vi bearbetningshastigheten för den föreslagna processen med den befintliga processen för upprullningstyp. För den konventionella roll-to-roll-typen är processhastigheten 10 mm/s12. Den föreslagna heta präglingsprocessen av trycktyp ger en prestandafrekvens på 6 Hz–10 Hz. Om tio punkter antas på en 10 mm polymerfilm är bearbetningshastigheten 6 mm/sek och den högsta är 10 mm/s. Som ett resultat varierar bearbetningshastigheten beroende på vilket mönster som krävs av användaren. Därför kan processen tillämpas på massproduktion och på olika produkt- och småvolymsproduktionsprocesser också.
Om vi fortsätter att utveckla vår nuvarande teknik, kommer det att kunna gravera kontinuerliga mönster utöver punktmönster. Gravyr kontinuerliga mönster kan vara användbara på en mängd olika sätt. Till exempel, genom att placera elektriska element eller genom att applicera ledande bläck på det graverade mönstret, kan en mikroelektrisk krets tillverkas. Särskilt eftersom denna process är kopplad till arbetet med gravyr mikro- eller nanomönster på polymerfilmer, kan den tillämpas för att tillverka flexibla enheter. Dessutom, eftersom vår metod är som befintliga heta prägling processer, kan detta arbete användas för att tillverka flexibla koppar klädda laminat (FCCLs) eller flexibla kretskort (FPCBs). Dessutom, för att tillämpa inverkan utskrift-typ varm prägling process på ett bredare spektrum av material, såsom bärbara enheter eller sensorer, är det nödvändigt att ändra punktmönstret med hjälp av olika bredder och djup beroende på enheten. Den tryckutskriftstyp som används för att prägla den process som undersöks här har fördelen av att kunna gravera olika mönster samtidigt som bredderna och djupet i mönstren justeras i realtid. Dessutom använder den teknik som nämns i protokollet en enklare process än den konventionella mönsterprocessen. Därför är vi övertygade om att inverkan print-typ varm prägling teknik kan utvidgas inte bara till massproduktion utan också till små kvantiteter batchproduktion industrin i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja
Acknowledgments
Denna forskning stöds av projektet "Utveckling av tryck-typ varm prägling teknik för ett ledande skikt med ledande nano-kompositmaterial" genom ministeriet för handel, industri och energi (MOTIE) i Korea (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).
