Summary
Darbe baskı tipi sıcak kabartma teknolojisi, nokta desenleri gerçek zamanlı olarak esnek malzemelere kazımak için bir darbe başlığı kullanır. Bu teknoloji, farklı polimer filmlerde çeşitli genişlik ve derinliklerde nokta desenleri oluşturmak için darbe başlığının on-off hareketini ve konumunu kontrol etmek için bir kontrol sistemine sahiptir.
Abstract
Burada polimer film üzerinde gerçek zamanlı olarak çeşitli tasarımlar, genişlikler ve derinlikleri ile nokta desenleri oluşturabilirsiniz bir etki baskı tipi sıcak kabartma süreci çalışmamızı sıyoruz. Buna ek olarak, farklı nokta desenleri kazımak için darbe başlığının on-off hareketi ve konumu için bir kontrol sistemi uyguladık. Polyester (PET) filmi, polimetil metakrilat (PMMA) filmi ve polivinil klorür (PVC) filmi gibi çeşitli polimer filmlerde nokta desenleme yaptık. Nokta desenleri bir konfokal mikroskop kullanılarak ölçüldü ve biz darbe baskı tipi sıcak kabartma işlemi nokta desenleme işlemi sırasında daha az hata üretir doğruladı. Sonuç olarak, etkisi baskı tipi sıcak kabartma işlemi polimer filmlerin farklı türleri üzerinde oyma nokta desenleri için uygun olduğu bulunmuştur. Buna ek olarak, geleneksel sıcak kabartma işleminden farklı olarak, bu işlem kabartma damgası kullanmaz. Bu nedenle, işlem basittir ve seri üretim ve küçük miktarlı toplu üretim için benzersiz avantajlar sunan, gerçek zamanlı nokta desenleri oluşturabilirsiniz.
Introduction
Araştırmacılar aktif olarak mevcut cihazları ve ekranları minyatürleştirmek ve bu cihazların esnekliğini artırmak için çalışıyoruz1,2. Elektrik kanallarının genişliğini ve derinliğini mikro veya nano ölçekte azaltmak için yüksek hassasiyetli teknoloji gereklidir. Buna ek olarak, bu cihazların esnekliğini artırmak için, elektrik kanallarının desenleri esnek bir malzeme üzerinde yer almalıdır, bir polimer film gibi3,4. Bu koşulları karşılamak için, ultraince mikroişleme teknolojisi çalışmaları aktif olarak devam etmektedir.
Ultraince mikroüretim teknolojisi, sadece demir veya plastik gibi son derece sert malzemeler değil, aynı zamanda polimer filmler gibi yumuşak malzemeler de dahil olmak üzere olası desenleme malzemeleri bir avantaja sahiptir. Bu avantajlar nedeniyle, bu teknoloji yaygın iletişim, kimya, optik, havacılık, yarı,iletken ve sensörler5,6,7gibi çeşitli alanlarda, bir çekirdek süreci olarak kullanılır. Ultraince mikroişleme alanında, LIGA (litografi, elektrokaplama ve kalıplama) veya mikroişleme yöntemleri8kullanılır. Ancak, bu geleneksel yöntemler çeşitli sorunlar ile ilişkilidir. LIGA yöntemleri, ultra ince desenler oluşturmak için önemli miktarda zaman ve çeşitli işlem adımları gerektirir ve süreçler sırasında birçok farklı ekipman türüne ihtiyaç duydukları için yüksek bir maliyete de maruz kalır. Buna ek olarak, LIGA yöntemleri çevreyi kirleten kimyasallar kullanır.
Bu sorunu gidermek için, sıcak kabartma proses teknolojisi ultra ince mikroproses teknolojileri arasında spotlighted olmuştur. Sıcak kabartma, mikro veya nano ölçekli kabartma kalıp kullanarak ısıtmalı polimer film üzerinde bir desen oluşturan bir teknolojidir. Konvansiyonel sıcak kabartma teknolojisi kalıp şekline bağlı olarak plaka tipi ve rulo-to-roll türüne ayrılır. Sıcak kabartma teknolojisi nin iki türü kalıbın şekli açısından farklıdır, ancak bu iki işlem, kabartma kalıbının polimer filme bir desen kazımak için polimer filmi ısıtmalı bir plakaüzerine bastırması açısından benzerdir. Sıcak kabartma işlemini kullanarak deseni kazımak için polimer filmincam geçiş sıcaklığının üzerinde ısıtılmak ve yeterli miktarda basınç (~30-50 MPa)9uygulamak gerekir. Buna ek olarak, genişlik ve desen derinliği ısıtılmış plaka sıcaklığına bağlı olarak değişir, malzeme, ve kabartma kalıp şekli. Ayrıca desenleme işleminden sonraki soğutma yöntemi polimer filmdeki desenin şeklini etkiler.
Geleneksel sıcak kabartma işleminde kabartma pulları veya silindirleri istenilen desenle kabartma yapılabilir ve kabartma kalıbı aynı deseni sürekli olarak polimer film yüzeylerine yazdırmak için kullanılabilir. Bu özellik bu süreci sadece seri üretim için değil, aynı zamanda polimer filmler 10 ,11,,12,1113,14gibi yumuşak malzemelerle imal cihazlar için de uygun hale getirir. Ancak, geleneksel sıcak kabartma yöntemi sadece kabartma kalıp oyulmuş tek desen oluşturabilirsiniz. Bu nedenle, kullanıcı yeni bir desen yapmak veya desen değiştirmek istediğinde, baskı deseni değiştirmek için yeni bir kalıp yapmak gerekir. Bu nedenle, geleneksel sıcak kabartma, yeni desenler oluştururken veya mevcut tasarımların yerine geçerken maliyetli ve zaman alıcıdır.
Daha önceki çalışma gerçek zamanlı olarak çeşitli genişlik ve derinliklerde nokta desenleri üretmek için etki tipi sıcak kabartma işlemi tanıttı15. Geleneksel sıcak kabartma işleminin aksine, darbe baskı tipi sıcak kabartma yöntemi polimer film desenleri oluşturmak için bir darbe başlığı kullanır. Bu teknoloji, hassas konumlandırma sistemi yle darbe üstbilgisini istenilen konuma taşır. İstenilen genişlikte ve derinlikte ve rasgele bir konumda yazdırma desenleri için bir kontrol sinyali uygulanır. Darbe başlığının yapısı bir mover, bir yay, bir bobin sarma ve bir çekirdekten oluşur (Bkz. Şekil 1A)15. Daha önceki çalışmalar bir analiz ve deney yoluyla böyle bir darbe başlığı sıcak kabartma için uygun kuvvet üretebilir doğruladı16. Bu makalenin protokolü, darbe tipi sıcak kabartma işlemi için donanımın tasarımını ve proses kontrolü için kontrol ortamını kapsar. Buna ek olarak, PET film, PMMA film ve PVC film, tüm bunlar etkisi baskı tipi sıcak kabartma işlemi gerçek zamanlı olarak çeşitli genişlik ve derinliklerde nokta desenleri oluşturabilirsiniz doğrulamak için önerilen protokol ile işlenir nokta desenleri analiz. Bu deneylerin sonuçları, kabartma işleminin uygun şekilde ultra ince desenler üretebileceğini doğrulayan sonuçlar bölümünde aşağıda sunulmuştur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Etki baskı tipi sıcak kabartma işleminin imalatı
- Model 1'i yapın ve x-stage ile birleştirin (Bkz. Şekil 1).
NOT: X-stage üzerine ısı yapılmasını önlemek için Model 1'in alüminyumdan yapılması önerilir. Ayrıca, Model 1'in tasarımı ısı plakasının boyutuna göre değiştiğinden, Model 1'in uzunluğunun ısı plakasının yüzeyi ile Z-evrerulma plakasının en düşük yüksekliği arasındaki mesafe olması önerilir. - X-stage ve Z-stage'i birleştirin ve Z-stage ve Model 2'yi birleştirin.
NOT: Model 2'nin ısı plakasından (örn. alüminyum) ısıya dayanabilecek bir metalden yapıldığından emin olun. Model 2'yi Z sahnesine sıkıca sabitlemek, Z sahnesinin Model 2'nin ağırlığını ve darbe başlığını tutma yeteneğini sağlayacaktır. - Model 2 ve darbe başlığını birleştirin ve ısı plakasını Model 1'in altına yerleştirin.
NOT: Darbe başlığının Model 2'deki en düşük konuma katılması, rulonun ısı plakasının yüzeyine ulaşmasını sağlar. Darbe kafasının ısı plakasının yüzeyi ile herhangi bir temasından kaçınmak için Z-sahnesini maksimum olarak yükselttikten sonra ısı plakasının takılması önerilir. Sahneyi kontrol etmek için uygun yazılım kullanın. - Film sahibinin STL dosyalarını(Ek Dosya 1 ve Ek Dosya 2)film tutucuyu üç boyutlu (3D) yazıcıyla yazdırmak için uygun bir yazılım kullanarak GCODE dosyalarına dönüştürün.
NOT: Yazılım kullanılan 3B yazıcıya göre değişiklik gösterebilir ve bazı ortamlar GCODE dönüştürmeolmadan 3B yazıcı ortamlarını destekleyebilir. - Film tutucuyu GCODE dosyasıyla yazdırmak için 3B yazıcıyı kullanın.
NOT: Film tutucu gibi büyük parçaları yazdırırken daha az daralma meydana geleceği için bir filament (örneğin, Z-HIPS) kullanılması önerilir. - Isıplakasının sonuna iki film tutucu yerleştirin ve Şekil 1'de gösterildiği gibi polimer filmi film tutucuya sabitle. Polimer filmin ısı plakası üzerinde düz olduğundan emin olmak için, film tutucunun hareket 1'ini kullanarak polimer filmi mümkün olduğunca çekin (Bkz. Şekil 1B). Polimer filmi yana taşımak için film tutucuyu hareket 2 ile hareket ettirin (Bkz. Şekil 1B).
NOT: Polimer filmi film tutucuya sabitlemek için vida kullanılması tavsiye edilir. Tutkal, polimer filmi film tutucuya yapıştırmak için yeterli değildir ve desenleme deneyinden sonra polimer filmin ayrılması için en iyisidir.
2. Kontrol devresinin imalatı
NOT: Bu işlem, darbe üstbilgisinin ve X-Z aşamasının kontrol devresinin oluşturulması işlemini açıklar.
- Sinyalleri gönderen kontrol cihazını (Bkz. Malzeme Tablosu)kontrol etmek için darbe üstbilgisine bağlayın.
- Kontrol cihazını darbe üstbilgisine bağladıktan sonra, kontrol sinyalleri olarak -3 V ve +10 V girişini darbe başlığına bağlayın.
NOT: Darbe başlığına +10 V kontrol sinyali gönderilirse (Bkz. Şekil 1),yük (darbe kafası) iner ve açma durumuna girer. Bu durumda, mover polimerik film vurur ve polimer film üzerinde desen kazınıyor.- Darbe başlığının mover'ını kullanarak bir desen oyduktan sonra bir sonraki deseni oymak için mover'ı kaldırın. Mover'ı (darbe kafasını) yükseltmek için -3 V kontrol sinyalini uygulayın.
NOT: Darbe başlığının iç kalıntı sıcağa göre manyetize olmasını önlemek için darbe başlığına negatif gerilim girişi yapılır.
- Darbe başlığının mover'ını kullanarak bir desen oyduktan sonra bir sonraki deseni oymak için mover'ı kaldırın. Mover'ı (darbe kafasını) yükseltmek için -3 V kontrol sinyalini uygulayın.
- Kontrol cihazı yeterli bir kontrol sinyali sağlayamıyorsa, darbe üstbilgisini kontrol etmek için ~0 V-5 V kontrol sinyalini ~-3 V-+10 V'e Figure 2yükselten yüksek güçlü bir çalışma amplifikatörünü (örneğin, OP-AMP) kullanın.
- İlk olarak, çift kanallı DC güç kaynağı hazırlayın (bkz. Malzeme Tablosu). Bu adımdan sonra, tüm kanallara ortak zemin (GND) düğümleri sağlamak için dört düğüm bağlayın: kanal 1 için pozitif gerilim terminali (V1+) ve bir zemin (GND) terminali ve kanal 2 için negatif gerilim terminali (V2-) ve toprak (GND). Genel bağlantı diyagramı Şekil 2'degösterilmiştir.
NOT: 2.3.1'de açıklanan adıma göre, farklı mutlak değerlere sahip pozitif ve negatif gerilim operasyonel amplifikatörüne (OP-AMP) temin edilebilir. - Güç kaynağının kanal 1 (V1-) negatif gerilim terminalini Şekil 2'dekimavi çizgide belirtildiği gibi OP-AMP'nin negatif güç kaynağı gerilim terminaline (Vs-) bağlayın. Daha sonra, kanal 1'e 3 V Vcc voltaj girişi.
NOT: Adım 2.3.1'e göre, 3 V Vcc gerilimi OP-AMP negatif güç besleme gerilim terminaline (Vs-) -3 V negatif gerilim olarak verilir. - Güç kaynağının kanal 2 (V2+) pozitif gerilim terminalini Şekil 2'dekikırmızı çizgide belirtildiği gibi OP-AMP'nin pozitif güç kaynağı gerilim terminaline (Vs+) bağlayın. Daha sonra, kanal 2'ye 10 V Vcc voltaj girişi.
NOT: Adım 2.3.1'e göre, 10 V Vcc gerilimi OP-AMP'nin pozitif güç kaynağı gerilim terminaline (Vs+) +10 V pozitif gerilim olarak verilir. - Şekil 2'dekiyeşil çizgide gösterildiği gibi, bir kontrol cihazının (Vcon+) +çıkış kanalını OP-AMP'nin pozitif giriş kanalına (Vin+) bağlayın.
- Şekil2'deki siyah çizgide gösterildiği gibi, güç kaynağının kanal 2'sinin (Vnd-) zeminine (Vcon-) bir kontrol cihazının çıkış kanalını bağlayın.
NOT: (Vcon-) yere (GND) bağlanırken, kanal 2'nin GND'sine ek olarak 2.3.1 adımında bağlanan terminallerden birine bağlanmak mümkündür. - Her durumda 1 kΩ ve 10 kΩ değerlerinin elektrik direncini hazırlayın ve Şekil 2'degösterildiği gibi kırmızı çizgi ile siyah çizgi arasında bağlayın.
- 1 kΩ ile 10 kΩ arasındaki terminali Şekil 2'dekimor çizgide gösterildiği gibi OP-AMP'nin (Vin-) negatif giriş kanalına bağlayın.
- OP-AMP (Vout) çıkış kanalındaki ve adım 2.3.1'de tanımlanan elektrik terminallerinden birinden hatları çekin. Şekilleri2'deki turuncu çizgide gösterildiği gibi çizgileri darbe üstbilgisine bağlayın.
- Güç kaynağı ile ilgili olarak, kanal 1-3 Vcc ve kanal 2-10 Vcc voltajayarlayın. Daha sonra, kontrol cihazından ~0 V-5 V kontrol sinyalleri oluşturun.
NOT: Üretilen ~0 V-5 V kontrol sinyalleri OP-AMP tarafından ~-3 V–+10 V'ye yükseltilir ve bu sinyaller 2.2.1 ve 2.2.2 adımlarında açıklandığı gibi darbe üstbilgisini kontrol etmek için gereklidir.
- İlk olarak, çift kanallı DC güç kaynağı hazırlayın (bkz. Malzeme Tablosu). Bu adımdan sonra, tüm kanallara ortak zemin (GND) düğümleri sağlamak için dört düğüm bağlayın: kanal 1 için pozitif gerilim terminali (V1+) ve bir zemin (GND) terminali ve kanal 2 için negatif gerilim terminali (V2-) ve toprak (GND). Genel bağlantı diyagramı Şekil 2'degösterilmiştir.
3. Deney tasarımı
NOT: Bu bölümde, polimer filme darbe tipi sıcak kabartma cihazıve gravür nokta desenleri kontrol süreçleri açıklanmaktadır.
- Bir kontrol bilgisayarı (PC) kullanarak X-stage ve Z-sahne kontrol etmek için bir aşama kontrol programı (örneğin, Micromove) yükleyin.
- Darbe üstbilgisini kontrol eden kontrol bilgisayarındaki kontrol aygıtını algılamak için DAQ sürücü yazılımını yükleyin ve kontrol cihazını kontrol etmek için bir işletim programı (örneğin, MATLAB) yükleyin.
- Yazılımı yükledikten sonra, desenleme denemesini yürütmek için Şekil 3A'da gösterildiği gibi donanım ortamını oluşturun.
- Donanım ortamını oluşturmak için Şekil 3A'da gösterildiği gibi X sahne, Z aşaması, darbe başlığı, film tutucu ve ısı plakasını yükleyin.
- Polimer filmi film tutucuya sabitle ve filmi düz bir şekilde düzeltmek için 1 ve 2 hareketlerini kullanarak polimer filmin konumunu ayarlayın (Bkz. Şekil 1B).
NOT: 2. yönü ayarlarken filmi düz tutmak için iki film tutucunun konumları paralel olmalıdır. Filmi ısı plakası üzerinde düz yapmak için Şekil 1B'degösterildiği gibi, 1. - Polimer filmi sabitlemeden sonra, filmi cam geçiş sıcaklığının üzerinde ısıtacak şekilde ısı plakasının sıcaklığını ayarlayın.
NOT: Her film türünün kendi cam geçiş sıcaklığı vardır. Bu nedenle, ilgili veri sayfasında filmin malzeme özelliklerini kontrol ettikten sonra ısı plakasının sıcaklığını kendi cam geçiş sıcaklığına ayarlaması önerilir.
- Donanımı ayarladıktan sonra, sahne ve darbe üstbilgisini kontrol etmek için Şekil 3B'de gösterildiği gibi kontrol devresini bir araya getirin.
- Şekil 3B'de gösterildiği gibi kontrol ortamını oluşturmak için PC, kontrol panosu, güç kaynağı ve OP-AMP'yi hazırlayın.B Şekil 2'de gösterildiği gibi aygıtları bağlayın ve bilgisayarı kontrol panosuna bağlayın.
- Adım 2.3.9'da açıklandığı gibi, 3 Vcc ve 10 Vcc değerlerini sırasıyla güç kaynağının 1 ve 2 kanallarından OP-AMP'ye girin.
- Kontrol bilgisayarını kullanarak sahne ve darbe üstbilgisini kontrol edin.
- Aşama kontrol programını kullanarak X ve Z aşamalarını kontrol ederek darbe başlığının ilk konumunu ayarlayın.
NOT: Darbe başlığının başlangıç konumunu ayarlarken, darbe başlığı ile ısı plakası arasında çarpışma olmadığından emin olun. Z-sahnenin konumu çok düşükse, mover ısı plakası ile çarpışacak ve hem mover'a hem de ısı plakasına zarar verecektir. Her iki cihazda da hasar varsa, polimerik malzeme üzerinde ince desenleroluşturulmasını engelleyecektir. - Çalışma programını kullanarak, kontrol cihazından 5 V kontrol sinyali oluşturun. 2.3.1–2.3.9 adımlarına göre OP-AMP 5 V kontrol sinyalini +10 V'a yükseltecek, darbe başlığını açacak ve polimer filmdeki desenleri kazıyacaktır.
- Şimdi işletim programını kullanarak kontrol cihazından 0 V kontrol sinyali oluşturun. 2.3.1–2.3.9 adımlarına göre OP-AMP 0 V kontrol sinyalini -3 V'e yükseltecek ve darbe başlığını kapatacaktır.
NOT: Darbe başlığının mover'ı yeni deseni kazımak için bekletilir. - Bir sonraki deseni kazımak için X-sahnesini konuma getirin.
- 3.5.1-3.5.4 adımlarını sırayla tekrarlayarak polimer filme 3x desen kazın.
- Z-stage 10 μm'yi ilk konumdan düşürün ve Z-kademeli hamle sayısını da sayarak 3.5.5 adımını uygulayın. Z-sahne hareketlerinin sayısı üçe çıktığında, X-sahnesini ilk konuma taşıyın ve Z-sahnesini hareket ettirerek darbe başlığını maksimum olarak yükseltin.
NOT: Z-sahne yüksekliğinin değiştirilmesi nokta deseninin derinliğinde ve genişliğinde ayarlamalar sağlayacaktır.
- Aşama kontrol programını kullanarak X ve Z aşamalarını kontrol ederek darbe başlığının ilk konumunu ayarlayın.
- Polimer filmi film tutucudan ayırın ve şekil 4A'dagösterildiği gibi bir konfokal mikroskop kullanarak her desenin genişliğini ve derinliğini ölçün (Bkz. Malzeme Tablosu).
- Ölçüm işlemine başlamadan önce, mikroskobun büyütme değerini seçin ve polimer filmin tarama konumunu ayarlamak için başlangıçta doğrudan gözlem modunu kullanın. Konumu doğrudan gözlem yoluyla ayarladıktan sonra polimer filmi düzeltin ve tarama modunu lazer tarama moduna geçin.
NOT: Konfokal mikroskobu kullanırken, Şekil 4B'degösterildiği gibi, numunenin düzeltilmesi için akrilik bir panel kullanılması önerilir. - Lazer tarama modunu kullanarak nokta deseninin derinliğini ve genişliğini ölçün.
- Ölçüm işlemine başlamadan önce, mikroskobun büyütme değerini seçin ve polimer filmin tarama konumunu ayarlamak için başlangıçta doğrudan gözlem modunu kullanın. Konumu doğrudan gözlem yoluyla ayarladıktan sonra polimer filmi düzeltin ve tarama modunu lazer tarama moduna geçin.
- Film türünü değiştirdikten sonra 3.3.2-3.6.2 adımlarını tekrarlayın.
NOT: Her film türünün cam geçiş sıcaklığı göz önünde bulundurularak, her filmi ısı plakasına yerleştirmeden önce ısı plakasının sıcaklığını belirleyin. Bu çalışmada PVC filmin cam geçiş sıcaklığı 100 °C;; PMMA filmi için 95 °C, PET filmi için 75 °C'dir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Etki baskı tipi sıcak kabartma işlemi, Şekil 1'degösterildiği gibi nokta desenlerini gerçek zamanlı olarak bir polimer filme kazımak için kullanılabilecek bir işlemdir. Bu işlem, varolan sıcak kabartma işlemiyle ilişkili desen değişimi için yüksek maliyet ve uzun süre sorunlarını çözebilir. Şekil 2'de gösterildiği gibi (bkz. 2.3-2.3.9 basamakları), daq, OP-AMP ve güç kaynağı kullanılarak, darbe başlığının on-off işlemi sırasında uygulanması yla çeşitli polimer filmlerine desen ler kazımak için bir kontrol devresi oluşturulmuştur. Uygulanan darbe baskı tipi sıcak kabartma işlemi Şekil 3'tegösterilmiştir.
Darbe baskı tipi sıcak kabartma önceki çalışmalarda, sadece PMMA filmleri üzerinde deneyler doğrulandı, başka polimer filmleri test edildi. Baskı tipi sıcak kabartmanın diğer polimer filmlerine gerçek zamanlı olarak desen kazıyabileceğini doğrulamak için PMMA filmi, PVC film ve PET filmi kullanılarak deneyler yapılmıştır. Darbe başlığının yüksekliği Z-sahne kullanılarak her üç nokta için 10 μm düşürüldü ve üç film türünde çeşitli yüksekliklerde dokuz nokta deseni oluşturup oluşturamayacağını test ettik. Şekil 3'tegösterilen ekipmanlar kullanılarak, üç polimer filmde nokta deseni oluşturulmuş ve deseni gözlemlemek için bir konfokal mikroskop kullanılmıştır (bkz. adım 3.6).
Nokta deseni Şekil 4B'degösterilmiştir. Şekil 4B'degösterildiği gibi dokuz nokta kullanılmıştır ve Z-evresinin yüksekliği 10 μm aşağı indiği için desen boyutu Örnek 1'den (S1) Örnek 3'e (S3) yükselmiştir. Bu durumda, üç polimer filmin in konfokal mikroskobu ile iki boyutlu (2D) görüntüler Şekil 5'tegösterilmiştir. Şekil 5'teki 2B görüntü, her desenin S1 kısmını gösterir. Şekil 5A 50 μm kalınlığında bir PET film örneği, Şekil 5B 175 m kalınlığında PMMA film numunesi, Şekil 5C ise 300 m kalınlığında bir PVC film örneği gösterir. Şekil 6, konfokal mikroskobun lazer tarama modunu (LSM) kullanarak bir nokta deseninin 2D mikrograflarını ve S1'in 3Boyutlu mikrograflarını göstermektedir. Şekil 6'dagösterildiği gibi, her nokta deseninin desen genişliğini ve derinliğini ölçebiliyorduk ve desen bir noktanın 2B görüntüsü yle açıkça gözlemlenebilirdi.
Konfokal mikroskobun 3Boyutlu işlevini kullanan üç polimer filminüzerindeki dokuz nokta deyonunun genişlik ve derinlik sonuçları Tablo 1'degösterilmiştir. PET filmi diğer polimer filmlerinden daha incedir. Bu nedenle, z-stage ayarlandığında darbe başlığının ısı plakasına değmemesi için numuneyi dikkatle oluşturduk. PET için, S1'de desen genişliği ve derinliğinin ortalama değerleri sırasıyla 110,6 μm ve 10,3 μm, buna karşılık gelen hatalar ~-5.6-6.2% ve ~-3.3-1.7% idi. S2 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliği için ortalama değerler sırasıyla 155,2 μm ve 17,0 m olarak değiştirildi, buna karşılık gelen hatalar ~-5.2-2.8% ve ~-3.0-2.0%. S3 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm daha düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliği için ortalama değerler sırasıyla 170,8 μm ve 25,7 μm olarak değiştirildi, buna karşılık gelen hatalar ~-2.8-4.2% ve ~-2.7-2.3%.
PMMA için, S1'de desen genişliği ve derinliğinin ortalama değerleri sırasıyla 240,2 μm ve 112,2 μm idi ve buna karşılık gelen hatalar ~-1.2-1.3% ve ~-4.1-2.8%. S2 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliği için ortalama değerler sırasıyla 250,0 μm ve 129,8 μm'ye, buna karşılık gelen ~-2.0-2.0% ve ~-1.8-1.1) olarak değiştirildi. S3 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm daha düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliği için ortalama değerler 281,2 μm ve 141,3 μm olarak değiştirildi, buna karşılık gelen hatalar ~-3.1-3.8% ve ~-3.3-2.6%.
PVC için, S1'de desen genişliği ve derinliğinin ortalama değerleri sırasıyla 236,4 μm ve 136,1 m idi ve buna karşılık gelen hatalar ~-6.3-4.0% ve -~5.6-3.9% idi. S2 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliğinin ortalama değerleri sırasıyla 250,8 μm ve 150,7 μm'ye, buna karşılık gelen ~-2,5-2.4% ve ~-2.1-2.8% olarak değiştirildi. S3 için, Z-sahneyüksekliği 10 μm daha düşürüldükten sonra, desen genişliği ve derinliğinin ortalama değerleri 263,5 μm ve 159,2 μm'ye, buna karşılık gelen hatalarla ~-6.7-11.7% ve ~-5.0-7.5%'e düşürüldü.
Üç polimer filminin desen derinliği ve genişliğinin grafikleri Şekil 7'degösterilmiştir. Z-sahnenin yüksekliği S1'den S3'e her üç nokta deseninde 10 μm düşürüldü, böylece filmin genişliği ve derinliği S1'den S3'e yükseldi. Maksimum hata PVC için %-6.7-11.7 aralığında, minimum hata ise PMMA için %-1.2-1.3 arasında değişmekteydi. Sonuç olarak, üç film türü için nokta desenleri hataları küçüktür. Bu, baskı tipi sıcak kabartma işleminin mikro desenleri polimer filmlere gerçek zamanlı olarak kazımak için uygun olduğunu göstermektedir.
Şekil 1: Etki baskı tipi sıcak kabartma teknolojisinin tasarımı. (A) Etki baskı tipi sıcak kabartma işleminin 3Boyutlu tasarımı, (B) film tutucutasarımı. Film tutucu Hareket 1 ve Hareket 2 yönünde hareket edebilir ve filmi düzeltmek veya kenara taşımak için kullanılabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Elektrik amplifikatör devresinin şematik tasarımı. Bu resimde, devreyi oluşturmak için altı aygıt kullanılır: iki kanallı bir güç kaynağı, yüksek güçlü bir operasyonel amplifikatör (OP-AMP), bir kontrol cihazı, bir darbe başlığı ve farklı değerlere sahip iki direnç bileşeni. Her aygıt görüntüye bağlanır ve bağlantı çizgileri çeşitli renklerde gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Darbe baskı tipi sıcak kabartma işlemi ve kontrol devresinin uygulanması. (A) Etki baskı tipi sıcak kabartma işleminin uygulanması ve (B) kontrol sisteminin deneysel ayarları Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: Konfokal mikroskop ekipmanları ve nokta desenli PET film. (A) Polimer filmdeki nokta desenlerinin desen genişliklerini ve derinliklerini ölçmek için konfokal mikroskop ekipmanı. (B) PET filminde nokta desenleri. Dokuz desen nokta desenleri (S1, S2, S3) en düşük derinlikten üç bölüme ayrılır ve her bölüm üç nokta vardır. Mikrograflar konfokal mikroskobun 2D fonksiyonu kullanılarak alınır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Konfokal mikroskop kullanılarak iki boyutlu fotomikrograflar. (A) 50 μm PET filmin 2D fotomikrografı, (B) 175 PMMA filminin 2D fotomikrografı ve (C) 300 PVC filmin2D fotomikrografı Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6: Konfokal mikroskobun LSM modunu kullanarak bir nokta deseninin iki boyutlu mikrografları ve S1'in 3Boyutlu mikrografları. (A) 50 μm kalınlığındaki PET filminde üç nokta deseninden oluşan 3Boyutlu mikrograf ve bir nokta deseninin 2Boyutlu mikrografı. (B) 175-μm kalınlığındapmMA film üzerinde üç nokta desen ve bir nokta desen bir 2D mikrograf bir 3D mikrograf. (C) 300 μm kalınlığındaki PVC film üzerinde üç nokta deseninden oluşan 3Boyutlu mikrograf ve bir nokta deseninin 2Boyutlu mikrografı Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 7: Üç polimer filmde S1, S2 ve S3 için desen genişliklerinin ve derinliklerinin grafikleri. Z-evresinin konumu S1'den S3'e her üç nokta deseninde 10 μm artırıldı ve her grafik Tablo 1'de gösterilen verilere dayanmaktadır. (A) PET filmin desen genişliği ve desen derinliğinin sonucu. (B) PMMA filminin desen genişliği ve desen derinliğinin sonucu. (C) PVC film için desen genişliği ve desen derinliği sonuçları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Polimer Film | Örnek Numarası | Desen Genişliği ortalaması (μm) | Desen Derinliği Ortalaması (3m) | Hata oranı Genişliği (%) | Hata oranı Derinliği (%) |
| PVC Film | S1 | 236.4 | 136.1 | -6.3~4.0% | -5.6~3.9% |
| S2 | 250.8 | 150.7 | -2.5%~%2.4 | -2.1~2.8% | |
| S3 | 263.5 | 159.2 | -6.7%~11.7% | -5.0~7.5% | |
| PMMA Film | S1 | 240.2 | 112.2 | -1.2~1.3% | -4.1~2.8% |
| S2 | 250 | 129.8 | -2.0~2.0% | -1.8~1.1% | |
| S3 | 281.2 | 141.3 | -3.1~3.8% | -3.3~2.6% | |
| PET Film | S1 | 110.6 | 10.3 | -5.6~6.2% | -3.3~1.7% |
| S2 | 155.2 | 17 | -5.2~2.8% | -3.0~2.0% | |
| S3 | 170.8 | 25.7 | -2.8~4.2% | -2.7~2.3% |
Tablo 1: Üç polimer filminde dokuz nokta delesinin ölçüm sonuçları. Tablodaki değerler konfokal mikroskobun 3B ölçüm fonksiyonu kullanılarak ölçüldü ve desen genişliklerinin ve derinliklerinin ortalama değerlerini ve S1, S2 ve S3 için desen hatalarını temsil etti.
Ek Dosya 1. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 2. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışmada, etki baskı tipi sıcak kabartma işlemini ve çeşitli genişlik ve derinliklere sahip oyma nokta desenlerini gerçek zamanlı olarak bir dizi polimer filminüzerine uyguladık. Protokol adımları arasında, tüm adımlar arasında iki adım eleştirel olarak ele alınmalıdır. Birincisi ısı plakasının sıcaklığının ayarıdır (adım 3.3.3), ikincisi ise darbe başlığının başlangıç konumunun ayarıdır (adım 3.5.1). Adım 3.3.3, ısı plakası sıcaklığı çok yüksek ise, filmin viskozitesi ince bir desen oluşturulmasını engeller, çünkü bir desen oluşturmak zor olur. Diğer taraftan, ısı plakasının sıcaklığı çok düşükse, desen düzgün bir şekilde kazınmış değildir. Darbe üstbilgisinin ilk konumunun faktörü önemlidir, çünkü darbe üstbilgisinin konumu desenin derinliği ve genişliğiyle ilgilidir. Ayrıca, darbe başlığının yüksekliği çok düşükse, darbe başlığının mover'ı ısı plakasıyla çarpışarak hem mover hem de ısı plakasına zarar verir. Bu hasar sadece mover ucu aşağı yıpratır ama aynı zamanda yükseklik ve bir sonraki adımda oyulmuş desen genişliği üzerinde olumsuz bir etkisi vardır. Bu nedenlerden dolayı, 3.3.3 ve 3.5.1 basamakları sırasında, ısıtma sıcaklığı ve ateşleme durumu dikkatle düşünülmelidir.
Darbe tipi sıcak kabartma üzerinde daha önceki çalışmalarda, bir nokta desenleme işlemi PMMA film ile kullanılmıştır, sapma hataları polimer film 15 ile ilişkili bir fiksasyon sorunu nedeniyle meydana gelen15,16. Bu sorunu çözmek için, ısı plakasının her iki tarafındaki film tutucuları kullanarak polimer filmin düzeltilmesi düşünüldü ve bu strateji önceki değerlere göre hatayı azalttı. Pet film ve PVC filmler gibi çeşitli polimer filmlerin üzerine gerçek zamanlı olarak çeşitli genişlik ve derinliklerde nokta desenleri kazınmış olabilir gösterilmiştir. PMMA'nın hata oranı ile önceki sıcak kabartma işlemlerinin sonuçları karşılaştırılarak, her film örneğinin sonuçları desen genişlikleri ve derinliklerinde yapılan hataların önemli ölçüde azaldığını göstermiştir.
Ancak, nokta desenleri bazı hata kaldı. Bu hataların iki nedeni olduğunu göz önünde bulduk. Bunlardan ilki polimer filmin cam geçiş sıcaklığı nedeniyle yüzeyin değişmesi ile ilgilidir. Her film cam geçiş sıcaklığının üzerinde ısıtıldığında, polimer filmin yüzeyi yumuşak laşır ve film tutucuyu kullanırken sabit kalsa bile film yüzeyi hafifçe yükselir ve bir hataya neden olur. Bunu önlemek için, ısı plakasının sıcaklığı cam transfer sıcaklığından daha düşükse, polimer filmin moleküler yapısının kombinasyonu daha güçlüdür, ancak polimer filmdeki desen de kazınmaz. Bu nedenle, tekrarlanan deneyler yoluyla karşılık gelen her polimer film için optimum değeri bulmak için hantal olduğunu. İkinci neden ısı plakası dengesizlik sorunudur. Sıcak kabartma işlemi sırasında filmi ısıtan ısı plakasının yüzeyi, nokta desenlerinin yüksekliğini eşit olarak kazımak için tamamen yatay olmalıdır. Ancak, ısı plakası hafif eğimliise, desen farklı bir konum kullandığında desen genişliği veya desen yüksekliğinde hatalar meydana gelir. Bu sorunu çözmek için, bir yüzeyin yüksekliğini gerçek zamanlı olarak taybilen bir aygıtın darbe başlığına eklenmesi gerektiğini düşünüyoruz. Yüzey yüksekliğini doğru şekilde ölçmek için tarama cihazlarında daha fazla araştırma yapılmalıdır.
Önerilen işlem tarafından üretilen desenlerin hassasiyeti de sınırlamaları vardır. Her desenin genişliği ve derinliği, mover'ın ucunun (darbe kafası) çapına ve mononun polimer filme kazındığı derinliğe bağlıdır. Bu işlemde kullanılan mover ucu çapı 9 μm ve oyulmuş desen hassasiyeti 9 μm minimum desen genişliğine sahiptir. Ancak, mevcut plaka-to-plaka tipi ve roll-to-roll tipi sıcak kabartma işlemleri nm aralığında desen hassasiyet düzeyleri sunuyoruz. Bir desenin bu hassasiyet eksikliği, darbe başlığındaki rulonun ucunun çapı azaltılarak çözülebilir. Mover uçlarının nm ünitelerine işlenmesi için mekanik veya kimyasal süreçler üzerinde şimdiye kadar yeterli araştırma yoktur. Mover ucunun nm birimlerinde işlenebileceği mekanik veya kimyasal proseslerin incelenmesi halinde, bu sınırlamaların aşılması beklenmektedir. Yine de, geleneksel yöntemlerin aksine, önerilen işlem darbe üstbilgisini kullanarak gravür deseninde gerçek zamanlı değişikliklere izin verir ve bu da hatalı bir işlem bulunursa yeni deseni değiştirme veya deseni değiştirme avantajı sunar.
Daha sonra, önerilen işlemin işlem hızını mevcut rulodan ruloya rulo tipi sıcak kabartma işleminin hızıyla karşılaştırdık. Geleneksel rulodan ruloya türü için işlem hızı 10 mm/s12'dir. Önerilen etki baskı tipi sıcak kabartma işlemi 6 Hz-10 Hz performans frekansı sunar. 10 mm'lik polimer filmde on nokta varsayılsa, işlem hızı 6 mm/sn ve maksimum 10 mm/sn'dir. Sonuç olarak, işlem hızı kullanıcı tarafından gerekli desen bağlı olarak değişir. Bu nedenle, süreç seri üretime, çeşitli ürün ve küçük hacimli üretim süreçlerine de uygulanabilir.
Mevcut teknolojimizi geliştirmeye devam edersek, nokta kalıplarına ek olarak sürekli desenler kazıyabilecektir. Gravür sürekli desenler çeşitli şekillerde yararlı olabilir. Örneğin, elektriksel elemanlar yerleştirilerek veya oyulmuş desenin üzerine iletken mürekkep uygulanarak bir mikroelektrik devre imal edilebilir. Özellikle, bu işlem polimer filmlerde mikro veya nanodesenler oyma üzerinde çalışmak için bağlantılı olduğundan, esnek cihazlar üretmek için uygulanabilir. Ayrıca, metodumuz mevcut sıcak kabartma prosesleri gibi olduğu için, bu çalışma esnek bakır kaplı laminatlar (FCCLs) veya esnek baskılı devre kartları (FPCBs) üretmek için kullanılabilir. Buna ek olarak, etki baskı tipi sıcak kabartma işlemini giyilebilir aygıtlar veya sensörler gibi daha geniş bir malzeme yelpazesine uygulamak için, cihaza bağlı olarak çeşitli genişlik ve derinlikler kullanarak nokta desenini değiştirmek gerekir. Burada incelenen darbe baskı tipi sıcak kabartma işlemi, desenlerin genişliklerini ve derinliklerini gerçek zamanlı olarak ayarlarken çeşitli desenleri kazıyabilme avantajına sahiptir. Ayrıca, protokolde belirtilen teknoloji geleneksel desenleme işleminden daha basit bir işlem kullanır. Bu nedenle, baskı tipi sıcak kabartma teknolojisinin sadece seri üretime değil, aynı zamanda gelecekte küçük miktarlı toplu üretim sektörüne de genişletileebileceğinden eminiz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu araştırma, Kore Ticaret, Sanayi ve Enerji Bakanlığı (MOTIE) aracılığıyla "Iletken nano kompozit malzemeler kullanılarak iletken bir tabaka için etki baskı tipi sıcak kabartma teknolojisinin geliştirilmesi" başlıklı proje ile desteklenmiştir (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).
