Summary
Impact print-type hot preging teknologi bruker en impact header for å gravere prikkmønstre på fleksible materialer i sanntid. Denne teknologien har et kontrollsystem for å kontrollere on-off bevegelse og posisjon av impact header for å skape prikkmønstre med ulike bredder og dybder på forskjellige polymerfilmer.
Abstract
Her presenterer vi vår studie på en innvirkning print-type hot preging prosess som kan skape prikk mønstre med ulike design, bredder, og dybder i sanntid på polymer film. I tillegg implementerte vi et kontrollsystem for av-på-bevegelse og posisjon av slaghodet for å gravere forskjellige prikkmønstre. Vi utførte prikkmønster på ulike polymerfilmer, som polyester (PET) film, polymetyl metakrylat (PMMA) film, og polyvinylklorid (PVC) film. Prikkmønstrene ble målt ved hjelp av et konfokalmikroskop, og vi bekreftet at effekten av den varme pregingsprosessen av slagtype gir færre feil under prikkmønsterprosessen. Som et resultat er virkningen print-type hot preging prosessen funnet å være egnet for gravering prikk mønstre på ulike typer polymer filmer. I tillegg, i motsetning til den konvensjonelle varme pregingsprosessen, bruker denne prosessen ikke et pregestempel. Derfor er prosessen enkel og kan skape prikkmønstre i sanntid, og gir unike fordeler for masseproduksjon og små mengder batchproduksjon.
Introduction
Forskere forsøker aktivt å minimere eksisterende enheter og skjermer og øke fleksibiliteten til disse enhetene1,2. For å redusere bredden og dybden på elektriske kanaler til mikro- eller nanoskalaen, er høypresisjonsteknologi nødvendig. I tillegg, for å øke fleksibiliteten til disse enhetene, må mønstrene til de elektriske kanalene være plassert på et fleksibelt materiale, for eksempel en polymerfilm3,4. For å møte disse forholdene er studien av ultrafin mikroprosesseringsteknologi aktivt i gang.
Ultrafin mikrofabrikasjonsteknologi har en fordel ved at mulige mønstermaterialer inkluderer ikke bare svært stive materialer som jern eller plast, men også myke materialer som polymerfilmer. På grunn av disse fordelene er denne teknologien mye brukt som en kjerneprosess på ulike felt, for eksempel kommunikasjon, kjemi, optikk, luftfart, halvleder og sensorer5,6,7. I det ultrafine mikroprosesseringsfeltet brukes LIGA (litografi, elektroplating og støping) eller mikromaskineringsmetoder8. Imidlertid er disse konvensjonelle metodene forbundet med flere problemer. LIGA-metoder krever en betydelig mengde tid og flere prosesstrinn for å skape ultrafine mønstre og medføre en høy kostnad også fordi de trenger mange forskjellige typer utstyr under prosessene. I tillegg bruker LIGA-metoder kjemikalier som kan forurense miljøet.
For å løse dette problemet har varm pregingsprosessteknologi blitt satt i søkelyset blant ultrafine mikroprosessteknologier. Hot preging er en teknologi som skaper et mønster på en oppvarmet polymerfilm ved hjelp av en mikro- eller nanoskala pregeform. Konvensjonell varm preging ser ut til å være delt inn i platetypen og roll-to-roll-typen avhengig av formen på formen på formen. De to typer varm preging teknologi er forskjellige når det gjelder formen på formen på formen, men disse to prosessene er like ved at den pregede formen presser polymerfilmen på en oppvarmet plate for å gravere et mønster på polymerfilmen. For å gravere mønsteret ved hjelp av den varme pregingsprosessen, er det nødvendig å varme polymerfilmen over glassovergangstemperaturen og å bruke en tilstrekkelig mengde trykk (~ 30–50 MPa)9. I tillegg endres bredden og dybden av mønsteret avhengig av temperaturen på den oppvarmede platen, materialet og formen på den pregede formen. Videre påvirker kjølemetoden etter mønsterprosessen formen på mønsteret på polymerfilmen.
I den konvensjonelle varme pregingsprosessen kan preging av frimerker eller valser preges med ønsket mønster, og pregeformen kan brukes til å skrive ut det samme mønsteret på polymerfilmoverflater kontinuerlig. Denne funksjonen gjør denne prosessen egnet ikke bare for masseproduksjon, men også for fabrikasjon av enheter med myke materialer, for eksempel polymerfilmer10,,11,,12,,13,14. Den konvensjonelle varme pregingsmetoden kan imidlertid bare skape enkeltmønsteret gravert i den pregede formen. Derfor, når brukeren ønsker å lage et nytt mønster eller endre mønsteret, må de lage en ny form for å endre imprinting mønsteret. Av denne grunn er konvensjonell hetpreging kostbart og tidkrevende når du oppretter nye mønstre eller erstatter eksisterende design.
Tidligere arbeid introduserte impact-type hot preging prosessen for å produsere prikk mønstre med ulike bredder og dybder i sanntid15. I motsetning til den konvensjonelle hot pregingsprosessen, bruker impact print-type hot pregingsmetoden en slagoverskrift for å skape mønstre på polymerfilmen. Denne teknologien flytter slaghodet til ønsket posisjon med et presisjonsposisjoneringssystem. Et kontrollsignal brukes på utskriftsmønstre med ønsket bredde og dybde og i vilkårlig stilling. Strukturen i slaghodet består av en mover, en fjær, en spole svingete, og en kjerne (se figur 1A)15. Tidligere arbeid bekreftet gjennom en analyse og eksperimentere at en slik innvirkning header kan produsere riktig kraft for hot preging16. Protokollen for dette papiret dekker utformingen av maskinvaren for den effekttypen hot pregingsprosessen og kontrollmiljøet for prosesskontroll. I tillegg analyserer vi prikkmønstrene på PET-film, PMMA-film og PVC-film, som alle behandles med den foreslåtte protokollen for å verifisere at virkningen utskriftstype varm pregingsprosessen kan skape prikkmønstre med ulike bredder og dybder i sanntid. Resultatene av disse eksperimentene presenteres nedenfor i resultatdelen, som bekrefter at pregingsprosessen kan produsere ultrafine mønstre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fabrikasjon av den innvirkning print-type hot preging prosessen
- Lag modell 1 og kombiner den med en X-fase (se figur 1).
MERK: Det anbefales at Model 1 er laget av aluminium for å unngå at varme utføres på X-scenen. Videre anbefales det at lengden på Model 1 være avstanden mellom overflaten av varmeplaten og den laveste høyden på lagerplaten på Z-scenen som utformingen av Model 1 varierer med størrelsen på varmeplaten. - Kombiner X-scenen og Z-scenen og sett sammen Z-scenen og Model 2.
MERK: Sørg for at Model 2 er laget av et metall som tåler varmen fra varmeplaten (f.eks. aluminium). Å feste Model 2 til Z-trinnet vil sikre evnen til Z-scenen til å holde vekten av Model 2 og slaghodet. - Kombiner Model 2 og slaghodet og plasser varmeplaten under modell 1.
MERK: Hvis du slår i slaghodet med lavest posisjon på Model 2, vil det sikre at moveren når overflaten på varmeplaten. Det anbefales å installere varmeplaten etter å ha hevet Z-trinnet maksimalt for å unngå kontakt med slaghodet med overflaten på varmeplaten. Bruk egnet programvare for å styre scenen. - Konverter STL-filene til filmholderen (Tilleggsfil 1 og tilleggsfil 2) til GCODE-filer ved hjelp av egnet programvare for å skrive ut filmholderen med en tredimensjonal (3D)-skriver.
MERK: Programvaren kan variere med 3D-skriveren som brukes, og enkelte miljøer kan støtte 3D-skrivermiljøer uten GCODE-konvertering. - Bruk 3D-skriveren til å skrive ut filmholderen med GCODE-filen.
MERK: Bruk av filament (f.eks. Z-HIPS) anbefales fordi mindre sammentrekning vil oppstå ved utskrift av store deler, for eksempel filmholderen. - Installer to filmholdere på enden av varmeplaten og fest polymerfilmen på filmholderen, som vist i figur 1. For å sikre at polymerfilmen er flat på varmeplaten, trekk polymerfilmen så mye som mulig ved hjelp av bevegelse 1 av filmholderen (se figur 1B). Hvis du vil flytte polymerfilmen til siden, flytter du filmholderen via bevegelse 2 (se figur 1B).
MERK: For å feste polymerfilmen på filmholderen, anbefales det å bruke en skrue. Lim er utilstrekkelig til å feste polymerfilmen på filmholderen, og det er best for løsrivelse av polymerfilmen etter mønstereksperimentet.
2. Fabrikasjon av kontrollkretsen
MERK: Denne prosessen beskriver prosessen med å konstruere kontrollkretsen til slaghodet og X-Z-fasen.
- Koble kontrollenheten som sender signalene (se Materialliste) til slaghodet for å kontrollere den.
- Når du har koblet kontrollenheten til slaghodet, skriver du inn -3 V og +10 V som kontrollsignaler i slaghodet.
MERK: Hvis et +10 V-kontrollsignal sendes til slaghodet (se Figur 1),går moveren (slaghodet) ned og går inn i turn-on-tilstand. I denne tilstanden treffer moveren den polymeriske filmen og graverer mønsteret på polymerfilmen.- Løft mellommannen for å gravere neste mønster etter å ha gravert et mønster ved hjelp av moveren på slaghodet. For å heve moveren (slaghode), bruk -3 V-kontrollsignalet.
MERK: En negativ spenning er inngang til slaghodet for å hindre at moveren blir magnetisert av den indre reststrømmen av slaghodet.
- Løft mellommannen for å gravere neste mønster etter å ha gravert et mønster ved hjelp av moveren på slaghodet. For å heve moveren (slaghode), bruk -3 V-kontrollsignalet.
- Hvis kontrollenheten ikke kan levere et tilstrekkelig kontrollsignal, bruker du en høyeffektsoperasjonsforsterker (f.eks. OP-AMP) som forsterker kontrollsignalet ~0 V–5 V til ~-3 V–+10 V, som vist i figur 2, til å kontrollere slaghodet.
- Først klargjør du en tokanals dc-strømforsyning (se Materialtabellen). Etter dette trinnet kobler du fire noder for å gi felles bakke (GND) noder til alle kanaler: en positiv spenningsterminal (V1+) og en bakke (GND) terminal for kanal 1 og en negativ spenningsterminal (V2-) og bakken (GND) for kanal 2. Et samlet tilkoblingsdiagram vises i figur 2.
MERK: I henhold til trinnet beskrevet i 2.3.1 kan positiv og negativ spenning med forskjellige absolutte verdier leveres til den operative forsterkeren (OP-AMP). - Koble den negative spenningsterminalen på kanal 1 (V1-) av strømforsyningen til den negative spenningsterminalen for strømforsyningen (Vs-) på OP-AMP, som angitt av den blå linjen i figur 2. Deretter skriver du inn 3 V Vcc-spenning til kanal 1.
MERK: I henhold til trinn 2.3.1 leveres 3 V Vcc-spenningen som -3 V negativ spenning til den negative spenningsterminalen for strømforsyning (Vs-) på OP-AMP. - Koble den positive spenningsterminalen på kanal 2 (V2+) av strømforsyningen til den positive spenningsterminalen for strømforsyningen (Vs+) på OP-AMP, som angitt av den røde linjen i figur 2. Deretter skriver du inn 10 V Vcc-spenning til kanal 2.
MERK: I henhold til trinn 2.3.1 leveres 10 V Vcc-spenningen som +10 V positiv spenning til den positive spenningsterminalen for strømforsyningen (Vs+) på OP-AMP. - Koble +utdatakanalen til en kontrollenhet (Vcon+) til den positive inngangskanalen (Vin+) på OP-AMP, som vist av den grønne linjen i figur 2.
- Koble -utgangskanalen til en kontrollenhet (Vcon-) til bakken (GND) på kanal 2 av strømforsyningen, som vist av den svarte linjen i figur 2.
MERK: Når du kobler (Vcon-) til bakken (GND), er det mulig å koble den til en av terminalene som er koblet til under trinn 2.3.1 i tillegg til GND på kanal 2. - Forbered elektrisk motstand på 1 kΩ og 10 kΩ-verdier i hvert tilfelle og koble dem mellom den røde linjen og den svarte linjen, som vist i figur 2.
- Koble terminalen mellom 1 kΩ og 10 kΩ til den negative inngangskanalen til OP-AMP (Vin-), som vist av den lilla linjen i figur 2.
- Trekk ut linjene fra utgangskanalen til OP-AMP (Vout) og en av de elektriske terminalene som er beskrevet i trinn 2.3.1. Koble linjene til slaghodet, som vist av den oransje linjen i figur 2.
- Når det gjelder strømforsyningen, sett spenningene til kanal 1–3 Vcc og kanal 2–10 Vcc. Deretter genererer du kontrollsignaler på ~0 V–5 V fra kontrollenheten.
MERK: De genererte ~0 V–5 V-kontrollsignalene forsterkes av OP-AMP til ~-3 V–+10 V, som er nødvendig for å kontrollere slaghodet som beskrevet i trinn 2.2.1 og 2.2.2.
- Først klargjør du en tokanals dc-strømforsyning (se Materialtabellen). Etter dette trinnet kobler du fire noder for å gi felles bakke (GND) noder til alle kanaler: en positiv spenningsterminal (V1+) og en bakke (GND) terminal for kanal 1 og en negativ spenningsterminal (V2-) og bakken (GND) for kanal 2. Et samlet tilkoblingsdiagram vises i figur 2.
3. Eksperimentdesign
MERK: Denne delen beskriver prosessene for å kontrollere den slagkraftige varme pregeenheten og gravering av prikkmønstre på polymerfilmen.
- Installer et stadium-control program (f.eks Micromove) for å kontrollere X-scenen og Z-scenen ved hjelp av en kontrollcomputer (PC).
- Installer DAQ-driverprogramvare for å oppdage kontrollenheten på kontroll-PCen som styrer støthodet og installere et operativsystem (f.eks. MATLAB) for å kontrollere kontrollenheten.
- Etter at du har installert programvaren, kan du konstruere maskinvaremiljøet som vist i figur 3A for å gjennomføre mønstereksperimentet.
- Installer X-fasen, Z-fasen, slaghode, filmholder og varmeplate som vist i figur 3A for å konstruere maskinvaremiljøet.
- Fest polymerfilmen på filmholderen og juster posisjonen til polymerfilmen ved hjelp av bevegelser 1 og 2 (se figur 1B) for å fikse filmen flatt.
MERK: For å holde filmen flat mens du justerer retning 2, bør plasseringen av de to filmholderne være parallelle. For å gjøre filmen flat på varmeplaten, anbefales det å justere filmholderen ved å senke posisjonen i henhold til retning 1, som vist i figur 1B. - Etter å ha festet polymerfilmen, juster temperaturen på varmeplaten for å varme opp filmen over glassovergangstemperaturen.
MERK: Hver type film har sin egen glassovergangstemperatur. Derfor anbefales det å justere temperaturen på varmeplaten til sin egen glassovergangstemperatur etter å ha sjekket filmens materielle egenskaper i det tilsvarende databladet.
- Når du har angitt maskinvaren, setter du kontrollkretsen sammen som vist i figur 3B for å kontrollere scenen og slaghodet.
- Klargjør PC, kontrollkort, strømforsyning og OP-AMP for å konstruere kontrollmiljøet som vist i figur 3B. Koble enhetene som vist i figur 2, og koble deretter datamaskinen til kontrollkortet.
- Skriv inn 3 Vcc- og 10 Vcc-verdiene i en OP-AMP gjennom kanal 1 og 2 av strømforsyningen, som beskrevet i trinn 2.3.9.
- Kontroller fasen og støthodet ved hjelp av kontrolldatamaskinen.
- Juster den opprinnelige posisjonen til slaghodet ved å kontrollere X- og Z-stadier ved hjelp av stadium control program.
MERK: Når du justerer den opprinnelige posisjonen til slaghodet, må du kontrollere at det ikke er kollisjon mellom slaghodet og varmeplaten. Hvis posisjonen til Z-scenen er for lav, vil moveren kollidere med varmeplaten, noe som skader både mover en og varmeplaten. Hvis det er skade på begge enhetene, vil det hindre etablering av fine mønstre på et polymert materiale. - Ved hjelp av operativsystemet genererer du et 5 V-kontrollsignal fra kontrollenheten. Ifølge trinn 2.3.1-2.3.9 vil OP-AMP forsterke 5 V-kontrollsignalet til +10 V, slå på slaghodet og gravere mønstrene på polymerfilmen.
- Nå generere en 0 V kontrollsignal fra kontrollenheten ved hjelp av operativsystemet. I henhold til trinn 2.3.1–2.3.9 vil OP-AMP forsterke 0 V-kontrollsignalet til -3 V og slå av støthodet.
MERK: Moveren på slaghodet vil bli hevet, og venter på å gravere det nye mønsteret. - Flytt X-fasen på plass for å gravere neste mønster.
- Gravere mønstre 3x på polymerfilmen ved å gjenta trinn 3.5.1–3.5.4 sekvensielt.
- Senk Z-trinn10 μm fra startposisjonen og utfør trinn 3.5.5, og tell antall Z-trinns bevegelser. Når antall Z-trinns bevegelser overskrider tre, flytter du X-fasen til den opprinnelige posisjonen og øker slaghodet maksimalt ved å flytte Z-fasen.
MERK: Hvis du endrer høyden på Z-fasen, sikrer du justeringer i dybden og bredden på prikkmønsteret.
- Juster den opprinnelige posisjonen til slaghodet ved å kontrollere X- og Z-stadier ved hjelp av stadium control program.
- Løsne polymerfilmen fra filmholderen og mål bredden og dybden på hvert mønster ved hjelp av et konfokalmikroskop (se materialtabellen), som vist i figur 4A.
- Før du starter måleprosessen, velger du forstørrelsesverdien av mikroskopet og bruker den direkte observasjonsmodusen i utgangspunktet for å justere skanneposisjonen til polymerfilmen. Etter å ha justert posisjonen ved hjelp av direkte observasjon, fest polymerfilmen og endre skannemodus til laserskannemodus.
MERK: Når du bruker konfokalmikroskopet, anbefales det å bruke et akrylpanel for å fikse prøven, som vist i figur 4B. - Bruk laserskannemodus til å måle dybden og bredden på punktmønsteret.
- Før du starter måleprosessen, velger du forstørrelsesverdien av mikroskopet og bruker den direkte observasjonsmodusen i utgangspunktet for å justere skanneposisjonen til polymerfilmen. Etter å ha justert posisjonen ved hjelp av direkte observasjon, fest polymerfilmen og endre skannemodus til laserskannemodus.
- Gjenta trinn 3.3.2–3.6.2 etter at du har endret filmtypen.
MERK: Med tanke på glassovergangstemperaturen for hver type film, sett temperaturen på varmeplaten før du plasserer hver film på varmeplaten. I denne studien er glassovergangstemperaturen til PVC-filmen 100 °C; for PMMA film er det 95 °C, og for PET-film er det 75 °C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Virkningen print-type hot preging prosessen er en prosess som kan brukes til å gravere prikk mønstre på en polymer film i sanntid, som vist i figur 1. Denne prosessen kan løse problemene med høye kostnader og lange tider for mønstererstatning knyttet til den eksisterende hot embossing prosessen. En kontrollkrets ble konstruert, som vist i figur 2 (se trinn 2.3–2.3.9), ved hjelp av DAQ, OP-AMP og strømforsyning til skjæremønstre på ulike typer polymerfilmer ved implementeringen av slaghodet under on-off-operasjonen. Den implementerte virkningen utskriftstypen hot pregingsprosessen vises i figur 3.
I tidligere studier av effektprint-type hot preging, bare eksperimenter på PMMA filmer ble validert, mens ingen andre polymer filmer ble testet. For å verifisere at impact print-type hot preging kan gravere mønstre på andre polymerfilmer i sanntid, eksperimenter ble utført ved hjelp av PMMA film, PVC film, og PET film. Høyden på slaghodet ble redusert med 10 μm for hvert tredje poeng ved hjelp av en Z-scene, og vi testet om ni prikker kunne danne et prikkmønster med ulike høyder på de tre typer filmer. Ved hjelp av utstyret som vises i figur 3,ble det opprettet et prikkmønster på de tre polymerfilmene, og et konfokalmikroskop ble brukt til å observere mønsteret (se trinn 3.6).
Prikkmønsteret vises i figur 4B. Som vist i figur 4B, ni poeng ble benyttet, og størrelsen på mønsteret økte fra eksempel 1 (S1) til eksempel 3 (S3) fordi høyden på Z-scenen flyttet ned med 10 μm. I dette tilfellet vises todimensjonale (2D) bilder av konfokalmikroskopet til de tre polymerfilmene i figur 5. 2D-bildet i figur 5 viser S1-delen av hvert mønster. Figur 5A viser en PET-filmprøve 50 μm tykk, Figur 5B viser en PMMA-filmprøve 175 μm tykk, og figur 5C viser en PVC-filmprøve 300 μm tykk. Figur 6 viser 2D-mikrografer av ett punktmønster og 3D-mikrografer av S1 ved hjelp av laserskannemodus (LSM) i konfokalmikroskopet. Som vist i figur 6, kunne vi måle mønsterbredden og dybden på hvert punktmønster, og mønsteret var tydelig observerbart gjennom 2D-bildet av ett punkt.
Bredde- og dybderesultatene av de ni prikkmønstrene på de tre polymerfilmene ved hjelp av 3D-funksjonen til konfokalmikroskopet er vist i tabell 1. PET-filmen er tynnere enn de andre polymerfilmene. Derfor opprettet vi prøven nøye slik at slaghodet ikke rørte varmeplaten når Z-trinnet ble justert. For PET var gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden 110,6 μm og 10,3 μm i S1, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-5,6–6,2 % og ~-3,3–1,7 %. For S2, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til henholdsvis 155,2 μm og 17,0 μm, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-5,2–2,8 % og ~-3,0–2,0 %. For S3, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med ytterligere 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til henholdsvis 170,8 μm og 25,7 μm, med tilsvarende feil på ~-2,8–4,2 % og ~-2,7–2,3 %.
For PMMA var gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden i S1 240,2 μm og 112,2 μm, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-1,2–1,3 % og ~-4,1–2,8 %. For S2, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til henholdsvis 250,0 μm og 129,8 μm, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-2,0–2,0 % og ~-1,8–1,1 %. For S3, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med ytterligere 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til 281,2 μm og 141,3 μm, med tilsvarende feil på ~-3,1–3,8% og ~-3,3–2,6%.
For PVC var gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden i S1 236,4 μm og 136,1 μm, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-6,3–4,0 % og -~5,6–3,9 %. For S2, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til henholdsvis 250,8 μm og 150,7 μm, med tilsvarende feil på henholdsvis ~-2,5–2,4 % og ~-2,1–2,8 %. For S3, etter at høyden på Z-fasen ble redusert med ytterligere 10 μm, endret gjennomsnittsverdiene for mønsterbredden og dybden til 263,5 μm og 159,2 μm, med tilsvarende feil på ~-6,7–11,7% og ~-5,0–7,5%.
Grafer av mønsterdybde og bredde for de tre polymerfilmene vises i figur 7. Høyden på Z-scenen ble redusert med 10 μm for hver tredje prikk mønstre fra S1 til S3, slik at bredden og dybden av filmen økte fra S1 til S3. Den maksimale feilen var i området -6,7–11,7 % for PVC, og minimumsfeilen varierte fra -1,2–1,3 % for PMMA. Til slutt er feilene i prikkmønstrene for de tre typer filmer mindre. Dette viser at virkningen print-type hot preging prosessen er egnet for gravering mikromønstre på polymer filmer i sanntid.
Figur 1: Design av den innvirkning print-type hot preging teknologi. (A) En 3D-design av den innvirkning print-type hot preging prosessen, (B) design av filmholderen. Filmholderen kan bevege seg i Motion 1- og Motion 2-retningene og kan brukes til å fikse filmen eller flytte den til siden. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Skjematisk design av strømforsterkerkretsen. I dette bildet brukes seks enheter til å lage kretsen: en strømforsyning med to kanaler, en høyeffekts driftsforsterker (OP-AMP), en kontrollenhet, en slaghode og to motstandskomponenter med forskjellige verdier. Hver enhet er koblet til i bildet, og tilkoblingslinjene vises i ulike farger. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Implementering av slagutskrift-type hot preging prosess og kontroll krets. (A ) Implementering av virkningen print-type hot preging prosessen, og (B) eksperimentelle innstillinger av kontrollsystemet Vennligst klikk her for å vise en større versjon av denne figuren. A
Figur 4: Konfokalmikroskoputstyr og PET-film med prikkmønstre. (A) Konfokalmikroskoputstyr for å måle mønsterbredder og dybder av prikkmønstrene på polymerfilmen. (B) Dot mønstre på PET-filmen. De ni mønstrene er delt inn i tre seksjoner fra den laveste dybden av prikkmønstrene (S1, S2, S3), og hver seksjon har tre punkter. Mikrografer tas ved hjelp av 2D-funksjonen til konfokalmikroskopet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Todimensjonale fotomikrografer ved hjelp av konfokalmikroskop. (A) En 2D fotomikrograf av 50 μm PET film, (B) 2D fotomikrograf av 175 PMMA film, og (C) 2D fotomikrograf av 300 PVC film Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Todimensjonale mikrografer av ett prikkmønster og 3D-mikrografer av S1 ved hjelp av LSM-modusen til konfokalmikroskopet. (A) En 3D-mikrograf med tre prikkmønstre og en 2D-mikrograf av ett prikkmønster på den 50 μm tykke PET-filmen. (B) En 3D-mikrograf med tre prikkmønstre og en 2D-mikrograf av ett prikkmønster på den 175 μm tykke PMMA-filmen. (C) En 3D-mikrograf med tre prikkmønstre og en 2D-mikrograf av ett prikkmønster på den 300 μm tykke PVC-filmen Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Grafer av mønsterbredder og dybder for S1, S2 og S3 på tre polymerfilmer. Plasseringen av Z-fasen ble økt med 10 μm for hver tredje prikk mønstre fra S1 til S3, og hver graf er basert på dataene som vises i tabell 1. (A) Resultatet av mønsterbredden og mønsterdybden for PET-filmen. (B) Resultatet av mønsterbredden og mønsterdybden for PMMA-filmen. (C) Resultatene av mønsterbredden og mønsterdybden for PVC-filmen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Polymer Film | Eksempelnummer | Gjennomsnitt av mønsterbredde (μm) | Gjennomsnitt av mønsterdybde (μm) | Feilhastighet ser ut til å være | Feilfrekvensdybde (%) |
| PVC Film | S1 (andre kan være på denne | 236.4 | 136.1 | -6,3 ~ 4,0% | -5,6 ~ 3,9 % |
| S2 (andre kan være på) | 250.8 | 150.7 | -2,5 %, 2,4 % | -2,1 ~ 2,8% | |
| S3 (andre kan være på) | 263.5 | 159.2 | -6,7 %~11,7 % | -5,0 ~ 7,5% | |
| PMMA Film | S1 (andre kan være på denne | 240.2 | 112.2 | -1,2 ~ 1,3% | -4,1 ~ 2,8% |
| S2 (andre kan være på) | 250 | 129.8 | -2,0 ~ 2,0% | -1,8 ~ 1,1% | |
| S3 (andre kan være på) | 281.2 | 141.3 | -3,1 ~ 3,8% | -3,3 ~ 2,6% | |
| PET Film | S1 (andre kan være på denne | 110.6 | 10.3 | -5,6 ~ 6,2% | -3,3 ~ 1,7% |
| S2 (andre kan være på) | 155.2 | 17 | -5,2 ~ 2,8% | -3,0 ~ 2,0% | |
| S3 (andre kan være på) | 170.8 | 25.7 | -2,8 ~ 4,2% | -2,7 ~ 2,3% |
Tabell 1: Måleresultater av ni prikkmønstre på tre polymerfilmer. Verdiene i tabellen ble målt ved hjelp av 3D-målefunksjonen til konfokalmikroskopet og representerer gjennomsnittsverdiene for mønsterbredder og dybder og mønsterfeilene for S1, S2 og S3.
Tilleggsfil 1. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne studien implementerte vi den effektprint-type hot preging sprosessen og gravert prikk mønstre med ulike bredder og dybder på en rekke polymer filmer i sanntid. Blant protokolltrinnene bør to trinn vurderes kritisk blant alle trinnene. Den første er innstillingen for temperaturen på varmeplaten (trinn 3.3.3), og den andre er innstillingen for startposisjonen til slaghodet (trinn 3.5.1). I trinn 3.3.3, hvis temperaturen på varmeplaten er for høy, blir det vanskelig å danne et mønster fordi viskositeten til filmen hindrer etableringen av et fint mønster. På den annen side, hvis temperaturen på varmeplaten er for lav, er mønsteret ikke gravert jevnt. Faktoren for den opprinnelige posisjonen til slaghodet er viktig fordi posisjonen til slaghodet er relatert til dybden og bredden på mønsteret. Videre, hvis høyden på slaghodet er for lav, vil moveren på slaghodet kollidere med varmeplaten, noe som forårsaker skade på både mover og varmeplaten. Denne skaden slites ikke bare ned spissen av moveren, men har også en negativ effekt på høyden og bredden på mønsteret gravert i neste trinn. Av disse grunnene bør varmetemperaturen og tenningstilstanden vurderes nøye under trinn 3.3.3 og 3.5.1.
I tidligere arbeid med impact-type hot preging, ble en prikk mønsterprosess benyttet med PMMA film, med avvikfeil oppstår på grunn av en fiksering problem forbundet med polymer film15,16.15 For å løse dette problemet ble det vurdert å fikse polymerfilmen ved hjelp av filmholdere på begge sider av varmeplaten, og denne strategien reduserte feilen sammenlignet med tidligere verdier. Det ble også vist at prikkmønstre med ulike bredder og dybder kan gravers på ulike polymerfilmer, som PET-film og PVC-filmer, i sanntid. Ved å sammenligne feilfrekvensen til PMMA med de av tidligere hete pregetprosesser, viste resultatene av hver filmprøve at feilene i mønsterbredden og dypet ble betydelig redusert.
Det forble imidlertid noen feil i punktmønstrene. Vi vurderte to årsaker til disse feilene. Den første er relatert til endringen av overflaten på grunn av glassovergangstemperaturen i polymerfilmen. Når hver film varmes opp over sin glassovergangstemperatur, blir overflaten av polymerfilmen myk, og filmoverflaten stiger litt selv om den forblir fast mens den bruker filmholderen, noe som forårsaker en feil. For å forhindre dette, hvis temperaturen på varmeplaten er lavere enn glassoverføringstemperaturen, er kombinasjonen av polymerfilmens molekylære struktur sterkere, men mønsteret på polymerfilmen er ikke gravert også. Derfor er det tungvint å finne den optimale verdien for hver tilsvarende polymerfilm gjennom gjentatte eksperimenter. Den andre årsaken er ubalanseproblemet i varmeplaten. Overflaten på varmeplaten som varmer opp filmen under den varme pregingsprosessen, bør være helt horisontal for å gravere høyden på prikkmønstrene jevnt. Men hvis varmeplaten er litt tilbøyelig, vil feil i mønsterbredden eller mønsterhøyden oppstå når mønsteret bruker en annen posisjon. For å løse dette problemet anser vi at en enhet som kan skanne høyden på en overflate i sanntid, skal festes til slaghodet. Mer forskning bør gjøres på skanneenheter for å måle overflatehøyden riktig.
Presisjonen av mønstrene produsert av den foreslåtte prosessen har også begrensninger. Bredden og dybden på hvert mønster avhenger av diameteren på spissen av mover (slaghode) og dybden der movergraverpå polymerfilmen. Diameteren på spissen av moveren som brukes i denne prosessen er 9 μm, og presisjonen til det graverte mønsteret har en minimumsmønsterbredde på 9 μm. De eksisterende plate-til-plate-typen og roll-to-roll-typen hot embossing-prosesser tilbyr imidlertid presisjonsnivåer for mønster i NM-serien. Denne mangelen på presisjon av et mønster kan løses ved å redusere diameteren på spissen av mover i slaghodet. Det er så langt ikke forsket på mekaniske eller kjemiske prosesser for behandling av movertips til NM-enheter. Hvis studier av mekaniske eller kjemiske prosesser utføres slik at moverspissen kan behandles i NM-enheter, forventes det at disse begrensningene vil bli overvunnet. Likevel, i motsetning til de konvensjonelle metodene, tillater den foreslåtte prosessen endringer i graveringsmønsteret i sanntid ved hjelp av slaghodet, og dette gir fordelen av å endre det nye mønsteret eller erstatte mønsteret hvis en feilaktig prosess blir funnet.
Deretter sammenlignet vi behandlingshastigheten til den foreslåtte prosessen med den eksisterende roll-to-roll type hot embossing prosessen. For den konvensjonelle roll-to-roll-typen er prosesshastigheten 10 mm/s12. Den foreslåtte effekten utskriftstypen hot pregingsprosessen tilbyr en ytelsesfrekvens på 6 Hz–10 Hz. Hvis ti punkter antas på en 10 mm polymerfilm, er behandlingshastigheten 6 mm/sek og maksimumet er 10 mm/s. Som et resultat vil behandlingshastigheten variere avhengig av mønsteret som kreves av brukeren. Derfor kan prosessen brukes på masseproduksjon og ulike produksjonsprosesser for produkter og små volumer også.
Hvis vi fortsetter å utvikle vår nåværende teknologi, vil den kunne gravere kontinuerlige mønstre i tillegg til punktmønstre. Gravering av kontinuerlige mønstre kan være nyttige på en rekke måter. For eksempel, ved å plassere elektriske elementer eller ved å bruke ledende blekk på det graverte mønsteret, kan en mikroelektrisk krets produseres. Spesielt fordi denne prosessen er knyttet til arbeid med gravering av mikro- eller nanomønstre på polymerfilmer, kan den brukes til å produsere fleksible enheter. Videre, som vår metode er som eksisterende varme preging prosesser, kan dette arbeidet brukes til å produsere fleksible kobberkledde laminater (FCCLs) eller fleksible trykte kretskort (FPCB). I tillegg, for å bruke virkningen print-type hot preging prosessen til et bredere spekter av materialer, for eksempel bærbare enheter eller sensorer, er det nødvendig å endre prikkmønsteret ved hjelp av ulike bredder og dybder avhengig av enheten. Den innvirkning print-type hot preging prosessen undersøkt her har fordelen av å kunne gravere ulike mønstre mens du justerer bredder og dybder av mønstrene i sanntid. Videre bruker teknologien nevnt i protokollen en enklere prosess enn den konvensjonelle mønsterprosessen. Derfor er vi overbevist om at effektutskriftstype hot preging teknologi kan utvides ikke bare til masseproduksjon, men også til små mengder batch produksjonsindustrien i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre
Acknowledgments
Denne forskningen støttes av prosjektet "Utvikling av effektprint-type hot preging teknologi for et ledende lag ved hjelp av ledende nano-kompositt materialer" gjennom Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE) av 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).
