Summary
Impact print-type hot prægning teknologi bruger en indvirkning header til at gravere prik mønstre på fleksible materialer i realtid. Denne teknologi har et styresystem til styring af on-off bevægelse og position af virkningen header til at skabe prik mønstre med forskellige bredder og dybder på forskellige polymer film.
Abstract
Her præsenterer vi vores undersøgelse af en indvirkning print-type hot prægning proces, som kan skabe prik mønstre med forskellige designs, bredder og dybder i realtid på polymer film. Derudover implementerede vi et kontrolsystem til on-off bevægelse og position af kollisionshovedet for at gravere forskellige prikmønstre. Vi udførte dot mønstre på forskellige polymer film, såsom polyester (PET) film, polymethyl methacrylat (PMMA) film, og polyvinylchlorid (PVC) film. Prikmønstrene blev målt ved hjælp af et konfokalt mikroskop, og vi bekræftede, at virkningen print-type hot prægning proces producerer færre fejl under prik mønsterprocessen. Som et resultat, virkningen print-type hot prægning proces viser sig at være egnet til gravering prik mønstre på forskellige typer af polymer film. Hertil kommer, i modsætning til den konventionelle hot prægning proces, er denne proces ikke bruger en prægning stempel. Derfor er processen enkel og kan skabe dot mønstre i realtid, der præsenterer unikke fordele for masseproduktion og små mængder batchproduktion.
Introduction
Forskere forsøger aktivt at miniaturisere eksisterende enheder og skærme og øge fleksibiliteten af disse enheder1,2. For at reducere bredden og dybden af elektriske kanaler til mikro- eller nanoskala er højpræcisionsteknologi nødvendig. Hertil kommer, at øge fleksibiliteten af disse anordninger, mønstrene af de elektriske kanaler skal være placeret på et fleksibelt materiale, såsom en polymer film3,4. For at opfylde disse betingelser er studiet af ultrafin mikrobehandlingsteknologi aktivt i gang.
Ultrafine mikrofabrikationsteknologi har en fordel i, at mulige mønstrematerialer omfatter ikke kun meget stive materialer som jern eller plast, men også bløde materialer såsom polymerfilm. På grund af disse fordele, er denne teknologi i vid udstrækning anvendes som en kerneproces på forskellige områder, såsom kommunikation, kemi, optik, rumfart, halvleder, og sensorer5,,6,7. I det ultrafine mikrobehandlingsfelt anvendes LIGA (litografi, galvanisering og støbning) eller mikrobearbejdningsmetoder8. Men disse konventionelle metoder er forbundet med flere problemer. LIGA metoder kræver en betydelig mængde tid og flere procestrin til at skabe ultrafine mønstre og pådrage sig en høj pris så godt, fordi de har brug for mange forskellige typer af udstyr under processerne. Desuden bruger LIGA-metoder kemikalier, der kan forurene miljøet.
For at løse dette problem, hot prægning proces teknologi er blevet fremhævet blandt ultrafine mikroproces teknologier. Hot prægning er en teknologi, der skaber et mønster på en opvarmet polymer film ved hjælp af en mikro- eller nanoskala prægning skimmel. Konventionel varm prægning teknologi er opdelt i pladetype og roll-to-roll type afhængigt af formen af formen. De to typer af varm prægning teknologi er forskellige med hensyn til formen af formen, men disse to processer er ens i, at prægning skimmel presser polymer film på en opvarmet plade til at gravere et mønster på polymer film. For at gravere mønsteret ved hjælp af den varme prægning proces, er det nødvendigt at opvarme polymer film over glasset overgangstemperatur og til at anvende en tilstrækkelig mængde tryk (~ 30-50 MPa)9. Hertil kommer, at bredden og dybden af mønsteret ændres afhængigt af temperaturen af den opvarmede plade, materialet, og formen af prægning skimmel. Desuden påvirker kølemetoden efter mønsterprocessen mønsteret mønsteret på polymerfilmen.
I den konventionelle varme prægning proces, prægning frimærker eller ruller kan præges med det ønskede mønster, og prægning skimmel kan bruges til at udskrive det samme mønster på polymer film overflader kontinuerligt. Denne funktion gør denne proces velegnet ikke kun tilmasseproduktion,men også til fremstilling af apparater med bløde materialer, såsom polymerfilm10,11,12,13,14. Men den konventionelle hot prægning metode kan kun skabe det indre mønster indgraveret i prægning skimmel. Derfor, når brugeren ønsker at lave et nyt mønster eller ændre mønsteret, skal de lave en ny form til at ændre prægning mønster. Af denne grund er konventionel hot prægning dyrt og tidskrævende, når du opretter nye mønstre eller erstatter eksisterende designs.
Tidligere arbejde indført impact-type hot prægning proces til fremstilling af prik mønstre med forskellige bredder og dybder i realtid15. I modsætning til den konventionelle hot prægning proces, virkningen print-type hot prægning metode bruger en indvirkning header til at skabe mønstre på polymer film. Denne teknologi flytter kollisionshovedet til den ønskede position med et præcisionspositioneringssystem. Der anvendes et kontrolsignal til udskriftsmønstre med den ønskede bredde og dybde og i vilkårlig position. Anslagsoverskriftens struktur består af en mover, en fjeder, en spolevikling og en kerne (se figur 1A)15. Tidligere arbejde bekræftet gennem en analyse og eksperiment, at en sådan indvirkning header kan producere den rette kraft til varm prægning16. Protokollen i dette papir dækker udformningen af hardware til impact-type hot prægning proces og kontrol miljø for proceskontrol. Derudover analyserer vi dot mønstre på PET film, PMMA film, og PVC-film, som alle behandles med den foreslåede protokol for at kontrollere, at virkningen print-type hot prægning proces kan skabe prik mønstre med forskellige bredder og dybder i realtid. Resultaterne af disse forsøg er præsenteret nedenfor i resultatsektionen, der bekræfter, at prægningsprocessen på passende vis kan producere ultrafine mønstre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af virkningen print-type hot prægning proces
- Lav model 1 og kombinere det med en X-trins (se figur 1).
BEMÆRK: Det anbefales, at Model 1 være lavet af aluminium for at undgå varme, der udføres på X-trins. Desuden anbefales det, at længden af Model 1 er afstanden mellem varmepladens overflade og den laveste højde af bærepladen på Z-trinspladen, da designet af Model 1 varierer afhængigt af varmepladens størrelse. - Kombiner X-stage og Z-scenen og samle Z-trin og Model 2.
BEMÆRK: Sørg for, at Model 2 er lavet af et metal, der kan udholde varmen fra varmepladen (f.eks. aluminium). Fastsættelse Model 2 til Z-trinstramt vil sikre muligheden for Z-trin til at holde vægten af Model 2 og virkningen header. - Kombiner Model 2 og slaghovedet, og placer varmepladen under Model 1.
BEMÆRK: Sammenføjning af kollisionshovedet med den laveste position på Model 2 sikrer, at flyttemanden når varmepladens overflade. Det anbefales at montere varmepladen efter maksimering af Z-trins-trins-stadset for at undgå enhver kontakt af anslagshovedet med varmepladens overflade. Brug egnet software til at styre scenen. - Konverter STL-filerne fra filmindehaveren (supplerende fil 1 og supplerende fil 2) til GCODE-filer ved hjælp af egnet software til at udskrive filmholderen med en tredimensionel (3D)-printer.
BEMÆRK: Softwaren kan variere afhængigt af den anvendte 3D-printer, og nogle miljøer understøtter muligvis 3D-printermiljøer uden GCODE-konvertering. - Brug 3D-printeren til at udskrive filmholderen sammen med GCODE-filen.
BEMÆRK: Det anbefales at bruge en glødetråd (f.eks. - Sæt to filmholdere på enden af varmepladen, og fastgør polymerfilmen på filmholderen, som vist i figur 1. For at sikre, at polymerfilmen er fladt på varmepladen, skal du trække polymerfilmen så meget som muligt ved hjælp af filmholderens bevægelse 1 (se figur 1B). Hvis du vil flytte polymerfilmen til siden, skal du flytte filmholderen via bevægelse 2 (se figur 1B).
BEMÆRK: For at fastgøre polymerfilmen på filmholderen anbefales det at bruge en skrue. Lim er utilstrækkelig til at anbringe polymerfilmen på filmholderen, og det er bedst til afmontering af polymerfilmen efter mønstereksperimentet.
2. Fremstilling af kontrolkredsløbet
BEMÆRK: Denne proces beskriver processen med at konstruere kontrolkredsløbet for kollisionshovedet og X-Z-stadiet.
- Tilslut den kontrolenhed, der sender signalerne (se Materialetabel ), til kollisionshovedetfor at styre den.
- Når du har tilsluttet kontrolenheden til kollisionsheaderen, skal du indtaste -3 V og +10 V som kontrolsignaler i kollisionshovedet.
BEMÆRK: Hvis der sendes et +10 V-kontrolsignal til kollisionshovedet (se figur 1),går moveren (slaghovedet) ned og går ind i tænd-tilstand. I denne tilstand rammer mover den polymere film og graverer mønsteret på polymerfilmen.- Hæv moveren for at gravere det næste mønster efter gravering af et mønster ved hjælp af mover en af trykhovedet. For at hæve moveren (slaghovedet) skal du anvende -3 V-kontrolsignalet.
BEMÆRK: En negativ spænding er input til kollisionshovedet for at forhindre mover en magnetiseret af den indre rest strøm af kollisionshovedet.
- Hæv moveren for at gravere det næste mønster efter gravering af et mønster ved hjælp af mover en af trykhovedet. For at hæve moveren (slaghovedet) skal du anvende -3 V-kontrolsignalet.
- Hvis kontrolanordningen ikke kan levere et tilstrækkeligt kontrolsignal, skal du bruge en højeffektforstærker (f.eks. Figure 2
- Forbered først en dc-strømforsyning med to kanaler (se Materialetabel). Efter dette trin skal du forbinde fire noder for at give fælles grund (GND) noder til alle kanaler: en positiv spændingsterminal (V1+) og en jordterminal (GND) til kanal 1 og en negativ spændingsterminal (V2-) og jord (GND) til kanal 2. Et samlet forbindelsesdiagram er vist i figur 2.
BEMÆRK: I henhold til det trin, der er beskrevet i punkt 2.3.1, kan der leveres positiv og negativ spænding med forskellige absolutte værdier til den operationelle forstærker (OP-AMP). - Tilslut den negative spændingsterminal på kanal 1 (V1-) af strømforsyningen til OP-AMP's negative strømforsyningsspændingsterminal (Vs-) som angivet af den blå linje i figur 2. Derefter indtastes 3 V Vcc spænding til kanal 1.
BEMÆRK: I henhold til trin 2.3.1 leveres 3 V Vcc-spændingen som -3 V negativ spænding til OP-AMP'ens negative strømforsyningsspændingsterminal (Vs-). - Tilslut den positive spændingsterminal på kanal 2 (V2+) på strømforsyningen til OP-AMP'ens positive strømforsyningsspændingsterminal (Vs+), som angivet af den røde linje i figur 2. Derefter indtastes 10 V Vcc spænding til kanal 2.
BEMÆRK: I henhold til trin 2.3.1 leveres 10 V Vcc-spændingen som +10 V positiv spænding til OP-AMP'ens positive strømforsyningsspændingsterminal (Vs+). - Tilslut +outputkanalen for en kontrolenhed (Vcon+) til OP-AMP'ens positive inputkanal (Vin+), som vist med den grønne linje i figur 2.
- Tilslut en kontrolenheds (Vcon-) udgangskanal til jord (GND) på kanal 2 på strømforsyningen, som vist ved den sorte linje i figur 2.
BEMÆRK: Ved tilslutning af (Vcon-) til jorden (GND), er det muligt at forbinde den til en af de terminaler, der er tilsluttet under trin 2.3.1 ud over GND på kanal 2. - Forbered elektrisk modstand på 1 kΩ og 10 kΩ værdier i hvert enkelt tilfælde og tilslut dem mellem den røde linje og den sorte linje, som vist i figur 2.
- Tilslut terminalen mellem 1 kΩ og 10 kΩ til op-AMP'ens negative indgangskanal (Vin-), som vist ved den lilla linje i figur 2.
- Træk linjerne ud af UDGANGskanalen på OP-AMP (Vout) og en af de elektriske terminaler, der er beskrevet i trin 2.3.1. Forbind linjerne til kollisionshovedet, som vist med den orange linje i figur 2.
- Med hensyn til strømforsyningen skal du indstille spændingerne på kanal 1-3 Vcc og kanal 2-10 Vcc. Generer efterfølgende kontrolsignaler på ~0 V-5 V fra kontrolenheden.
BEMÆRK: De genererede ~0 V-5 V-kontrolsignaler forstærkes af OP-AMP til ~-3 V-+10 V, hvilket er nødvendigt for at styre kollisionshovedet som beskrevet i trin 2.2.1 og 2.2.2.
- Forbered først en dc-strømforsyning med to kanaler (se Materialetabel). Efter dette trin skal du forbinde fire noder for at give fælles grund (GND) noder til alle kanaler: en positiv spændingsterminal (V1+) og en jordterminal (GND) til kanal 1 og en negativ spændingsterminal (V2-) og jord (GND) til kanal 2. Et samlet forbindelsesdiagram er vist i figur 2.
3. Eksperimentdesign
BEMÆRK: Dette afsnit beskriver processerne til at styre den varme prægningsanordning af slagtype og indgravering af prikmønstre på polymerfilmen.
- Installer et fasekontrolprogram (f.eks.
- Installer DAQ-driversoftware for at registrere kontrolenheden på kontrol-pc'en, der styrer kollisionshovedet, og installer et driftsprogram (f.eks.
- Når du har installeret softwaren, skal du konstruere hardwaremiljøet som vist i figur 3A for at udføre mønstereksperimentet.
- Installer X-trins, Z-scenen, kollisionshoved, filmholder og varmeplade som vist i figur 3A for at konstruere hardwaremiljøet.
- Fastgør polymerfilmen på filmholderen, og juster polymerfilmens position ved hjælp af bevægelse 1 og 2 (se figur 1B) for at fastgøre filmen fladt.
BEMÆRK: For at holde filmen flad, mens retning 2 justeres, skal de to filmholderes placering være parallel. For at gøre filmen flad på varmepladen anbefales det at justere filmholderen ved at sænke positionen i henhold til retning 1, som vist i figur 1B. - Efter fastgørelse af polymerfilmen justeres varmepladens temperatur for at opvarme filmen over glasovergangstemperaturen.
BEMÆRK: Hver type film har sin egen glasovergangstemperatur. Det anbefales derfor at justere varmepladens temperatur til sin egen glasovergangstemperatur efter at have kontrolleret filmens materialeegenskaber i det tilsvarende datablad.
- Når hardwaren er indstillet, skal du sætte kontrolkredsløbet sammen som vist i figur 3B for at styre fasen og kollisionshovedet.
- Forbered pc'en, styrebrættet, strømforsyningen og OP-AMP'en til at konstruere kontrolmiljøet som vist i figur 3B. Tilslut enhederne som vist i figur 2, og tilslut derefter computeren til styrebrættet.
- Indtast værdierne 3 Vcc og 10 Vcc i en OP-AMP via henholdsvis kanalerne 1 og 2 i strømforsyningen, som beskrevet i trin 2.3.9.
- Styre fase og indvirkning header ved hjælp af kontrol computer.
- Juster den oprindelige position af kollisionshovedet ved at styre X- og Z-faser ved hjælp af fasekontrolprogrammet.
BEMÆRK: Når anslagshovedets startposition justeres, skal det sikres, at der ikke sker kollision mellem kollisionshovedet og varmepladen. Hvis placeringen af Z-fasen er for lav, kolliderer flyttemanden med varmepladen og beskadiger både mover- og varmepladen. Hvis der er skader på begge enheder, vil det hindre oprettelsen af fine mønstre på et polymert materiale. - Ved hjælp af driftsprogrammet skal du generere et 5 V-kontrolsignal fra kontrolenheden. Ifølge trin 2.3.1-2.3.9, vil OP-AMP forstærke 5 V kontrolsignal til +10 V, drej virkningen header på, og gravere mønstre på polymer film.
- Opret nu et 0 V-kontrolsignal fra kontrolenheden ved hjælp af driftsprogrammet. Ifølge trin 2.3.1-2.3.9 vil OP-AMP forstærke 0 V-kontrolsignalet til -3 V og slå slaghovedet fra.
BEMÆRK: Mover af kollisionen header vil blive rejst, venter på at gravere det nye mønster. - Flyt X-scenen på plads for at gravere det næste mønster.
- Gravering mønstre 3x på polymer film ved at gentage trin 3.5.1-3.5.4 sekventialt.
- Sænk Z-trin10 μm fra startpositionen, og udfør trin 3.5.5, og tæll antallet af Trin Trin. Når antallet af Z-trins bevægelser overstiger tre, skal du flytte X-trindenen til den oprindelige position og hæve kollisionsoverskriften maksimalt ved at flytte Z-trindenen.
BEMÆRK: Ændring af højden af Z-trinsningen sikrer justeringer i dybden og bredden af prikmønsteret.
- Juster den oprindelige position af kollisionshovedet ved at styre X- og Z-faser ved hjælp af fasekontrolprogrammet.
- Polymerfilmen tages ud af filmholderen, og bredden og dybden af hvert mønster måles ved hjælp af et konfokalmikroskop (se Materialetabel), som vist i figur 4A.
- Før du starter måleprocessen, skal du vælge mikroskopets forstørrelsesværdi og i første omgang bruge den direkte observationstilstand til at justere polymerfilmens scanningsposition. Efter justering af positionen ved hjælp af direkte observation skal polymerfilmen fastgøres, og scanningstilstanden ændres til laserscanningstilstanden.
BEMÆRK: Ved brug af det konfokale mikroskop anbefales det at anvende et akrylpanel til at fikse prøven, som vist i figur 4B. - Brug laserscanningstilstanden til at måle dybden og bredden af punktmønsteret.
- Før du starter måleprocessen, skal du vælge mikroskopets forstørrelsesværdi og i første omgang bruge den direkte observationstilstand til at justere polymerfilmens scanningsposition. Efter justering af positionen ved hjælp af direkte observation skal polymerfilmen fastgøres, og scanningstilstanden ændres til laserscanningstilstanden.
- Gentag trin 3.3.2-3.6.2 efter ændring af filmtypen.
BEMÆRK: I betragtning af glasovergangstemperaturen for hver filmtype skal du indstille varmepladens temperatur, før hver film placeres på varmepladen. I denne undersøgelse er pvc-filmens glasovergangstemperatur 100 °C; for PMMA-folie er den 95 °C, og for PET-folie er den 75 °C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den indvirkning print-type hot prægning proces er en proces, der kan bruges til at gravere prik mønstre på en polymer film i realtid, som vist i figur 1. Denne proces kan løse problemerne med de høje omkostninger og lange tider for mønsterudskiftning, der er knyttet til den eksisterende hot prægningsproces. Der blev konstrueret et kontrolkredsløb, som vist i figur 2 (se trin 2.3-2.3.9), ved hjælp af DAQ, OP-AMP og strømforsyning en til at skære mønstre på forskellige typer polymerfilm ved at gennemføre kollisionshovedet under on-off-operationen. Den implementerede hot prægningsproces af tryktype er vist i figur 3.
I tidligere undersøgelser af impact print-type hot prægning, kun eksperimenter på PMMA film blev valideret, mens ingen andre polymer film blev testet. For at kontrollere, at hot prægning af tryktype kan indgravemønstre på andre polymerfilm i realtid, blev der udført forsøg med PMMA-film, PVC-folie og PET-folie. Højden af kollisionshovedet blev reduceret med 10 μm for hver tre punkter ved hjælp af en Z-trins, og vi testede, om ni prikker kunne danne et prikmønster med forskellige højder på de tre typer film. Ved hjælp af det udstyr, der er vist i figur 3, blev der skabt et punktmønster på de tre polymerfilm, og der blev anvendt et konfokalmikroskop til at observere mønsteret (se trin 3.6).
Prikmønsteret er vist i figur 4B. Som vist i figur 4Bblev der udnyttet ni punkter, og mønsterets størrelse steg fra prøve 1 (S1) til prøve 3 (S3), fordi højden af Z-trindet bevægede sig ned med 10 μm. I dette tilfælde vises todimensionale (2D) billeder af de tre polymerfilms konfokale mikroskop i figur 5. 2D-billedet i figur 5 viser S1-delen af hvert mønster. Figur 5A viser en PRØVE af PET-folie, der er 50 μm tyk, figur 5B viser en PMMA-filmprøve, der er 175 μm tyk, og figur 5C viser en PVC-filmprøve, der er 300 μm tyk. Figur 6 viser 2D-mikrografer med et punktmønster og 3D-mikrografer af S1 ved hjælp af det konfokale mikroskops laserscanningstilstand (LSM). Som vist i figur 6kunne vi måle mønsterbredden og dybden af hvert prikmønster, og mønsteret kunne tydeligt observeres gennem 2D-billedet af en prik.
Bredden og dybderesultaterne af de ni punktmønstre på de tre polymerfilm ved hjælp af det konfokale mikroskops 3D-funktion er vist i tabel 1. PET-filmen er tyndere end de andre polymerfilm. Derfor skabte vi prøven omhyggeligt, så kollisionshovedet ikke rørte varmepladen, da Z-trindenblev justeret. For PET var gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden i S1 henholdsvis 110,6 μm og 10,3 μm med tilsvarende fejl på henholdsvis ~-5,6-6,2 % og ~-3,3-1,7 %. For S2 blev gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden efter z-trindens højde faldet med 10 μm til henholdsvis 155,2 μm og 17,0 μm med tilsvarende fejl på henholdsvis ~-5,2-2,8 % og ~-3,0-2,0 %. For S3 blev gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden ændret til henholdsvis 170,8 μm og 25,7 μm med tilsvarende fejl på henholdsvis ~-2,8-4,2 % og ~-2,7-2,3 %.
For PMMA var gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden i S1 henholdsvis 240,2 μm og 112,2 μm med tilsvarende fejl på ~-1,2-1,3 % og ~-4,1-2,8 %. For S2 blev gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden efter z-trindens højde faldet med 10 μm til henholdsvis 250,0 μm og 129,8 μm med tilsvarende fejl på henholdsvis ~-2,0-2,0% og ~-1,8-1,1%. For S3 blev gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden ændret til 281,2 μm og 141,3 μm, efter at Z-trinsfasens højde blev reduceret med yderligere 10 μm, og de tilsvarende fejl på ~-3,1-3,8 % og ~-3,3-2,6 %.
For PVC var gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden i S1 henholdsvis 236,4 μm og 136,1 μm med tilsvarende fejl på ~-6,3-4,0% og -~5,6-3,9%. For S2, efter at højden af Z-fasen blev reduceret med 10 μm, ændredes gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og dybden til henholdsvis 250,8 μm og 150,7 μm med tilsvarende fejl på ~-2,5-2,4% og ~-2,1-2,8%. For S3 blev gennemsnitsværdierne for mønsterbredden og -dybden ændret til 263,5 μm og 159,2 μm, efter at Z-trindens højde blev reduceret med yderligere 10 μm, og de tilsvarende fejl på ~-6,7-11,7 % og ~-5,0-7,5 %.
Grafer over mønsterdybden og -bredden for de tre polymerfilm er vist i figur 7. Højden af Z-fasen blev reduceret med 10 μm for hver tre prikmønstre fra S1 til S3, således at filmens bredde og dybde steg fra S1 til S3. Den maksimale fejl var i intervallet -6,7-11,7% for PVC, og den mindste fejl varierede fra -1,2-1,3% for PMMA. Afslutningsvis vil jeg sige, at fejlene i dotmønstrene for de tre typer film er mindre. Dette viser, at virkningen print-type hot prægning proces er egnet til gravering mikromønstre på polymer film i realtid.
Figur 1: Design af den onde print-type hot prægning teknologi. (A) Et 3D-design af påvirkningen print-type hot prægning proces,(B)design af filmholderen. Filmholderen kan bevæge sig i Bevægelse 1- og Bevægelse 2-anvisningerne og kan bruges til at reparere filmen eller til at flytte den til siden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Skematisk design af elforstærkerkredsløbet. I dette billede bruges seks enheder til at skabe kredsløbet: en strømforsyning med to kanaler, en højeffekt operativ forstærker (OP-AMP), en kontrolenhed, en kollisionsheader og to modstandskomponenter med forskellige værdier. Hver enhed er tilsluttet i billedet, og forbindelseslinjerne vises i forskellige farver. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Gennemførelse af virkningen print-type hot prægning proces og kontrol kredsløb. (A) Gennemførelse af virkningen print-type hot prægning proces, og (B) eksperimentelle indstillinger af kontrolsystemet Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Konfokal mikroskopudstyr og PET-folie med punktmønstre. (A) Konfokal mikroskop udstyr til at måle mønster bredder og dybder af prik mønstre på polymer film. BB) Dot mønstre på PET-filmen. De ni mønstre er opdelt i tre sektioner fra den laveste dybde af prik mønstre (S1, S2, S3), og hver sektion har tre punkter. Mikrografer tages ved hjælp af det konfokale mikroskops 2D-funktion. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Todimensionale fotomikrografer ved hjælp af konfokalmikroskop. (A) En 2D fotomikrograf af 50 μm PET-film, (B) 2D fotomikrograf af 175 PMMA film, og (C) 2D fotomikrograf af 300 PVC film Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Todimensionale mikrografer med et punktmønster og 3D-mikrografer af S1 ved hjælp af det konfokale mikroskops LSM-tilstand. (A) En 3D-mikrograf med tre punktmønstre og en 2D-mikrograf med et prikmønster på den 50 μm tykke PET-folie. (B) En 3D-mikrograf af tre prikmønstre og en 2D-mikrograf med et prikmønster på den 175 μm tykke PMMA-film. (C) En 3D-mikrograf af tre prikmønstre og en 2D-mikrograf af et prikmønster på den 300 μm tykke PVC-film Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Grafer over mønsterbredder og -dybder for S1, S2 og S3 på tre polymerfilm. Z-trindens position blev øget med 10 μm for hver tre punktmønstre fra S1 til S3, og hver graf er baseret på dataene i tabel 1. (A) Resultatet af mønsterbredden og mønsterdybden for PET-folien. (B) Resultatet af mønsterbredden og mønsterdybden for PMMA-filmen. (C) Resultaterne af mønsterbredden og mønsterdybden for PVC-folien. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Polymer Film | Eksempelnummer | Gennemsnit af mønsterbredde (μm) | Gennemsnit af mønsterdybde (μm) | Fejlprocentbredde (%) | Fejlfrekvensdybde (%) |
| 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% | |
| Kr. | 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% | |
| Kr. | 281.2 | 141.3 | -3,1~3,8% | -3,3~2,6% | |
| PET-folie | 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% | |
| Kr. | 170.8 | 25.7 | -2,8~4,2% | -2,7~2,3% |
Tabel 1: Måleresultater af ni punktmønstre på tre polymerfilm. Værdierne i tabellen blev målt ved hjælp af det konfokale mikroskops 3D-målefunktion og repræsenterer gennemsnitsværdierne for mønsterbredder og -dybder og mønsterfejlene for S1, S2 og S3.
Supplerende fil 1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne undersøgelse implementerede vi virkningen print-type hot prægning proces og indgraveret prik mønstre med forskellige bredder og dybder på en række polymer film i realtid. Blandt protokoltrinnene bør to trin overvejes kritisk blandt alle trin. Den første er indstillingen af varmepladens temperatur (trin 3.3.3), og den anden er indstillingen af anslagshovedets startposition (trin 3.5.1). I trin 3.3.3, hvis temperaturen på varmepladen er for høj, bliver det vanskeligt at danne et mønster, fordi filmens viskositet hindrer skabelsen af et fint mønster. På den anden side, hvis temperaturen på varmepladen er for lav, er mønsteret ikke indgraveret jævnt. Faktoren for nedslagshovedets startposition er vigtig, fordi anslagshovedets placering er relateret til mønsterets dybde og bredde. Hvis nedslagshovedets højde er for lav, kolliderer moveren på kollisionshovedet desuden med varmepladen, hvilket forårsager skade på både mover- og varmepladen. Denne skade ikke kun slidt ned spidsen af mover, men har også en negativ effekt på højden og bredden af mønsteret indgraveret i næste trin. Derfor bør varmetemperaturen og tændingen under trin 3.3.3 og 3.5.1 nøje overvejes.
I tidligere arbejde på impact-type hot prægning, en prik mønsterproces blev udnyttet med PMMA film, med afvigelse fejl opstår på grund af en fiksering problem forbundet med polymer film15,16.15 For at løse dette problem blev det overvejet at fikse polymerfilmen ved hjælp af filmholdere på begge sider af varmepladen, og denne strategi reducerede fejlen i forhold til de tidligere værdier. Det blev også vist, at dot mønstre med forskellige bredder og dybder kan indgraveres på forskellige polymer film, såsom PET-film og PVC-film, i realtid. Hvis man sammenligner fejlprocenten for PMMA med fejlprocenten fra tidligere varmprægede processer, viste resultaterne af hver filmprøve, at fejlene i mønsterbredderne og -dybder blev reduceret betydeligt.
Men der forblev nogle fejl i prik mønstre. Vi overvejede to årsager til disse fejl. Den første er relateret til ændringen af overfladen på grund af glas overgangstemperaturen af polymer film. Når hver film opvarmes over glasovergangstemperaturen, bliver polymerfilmens overflade blød, og filmens overflade stiger en smule, selv om den forbliver fast, mens den bruger filmholderen, hvilket forårsager en fejl. For at forhindre dette, hvis temperaturen af varmepladen er lavere end glasoverførselstemperaturen, er kombinationen af polymerfilmens molekylære struktur stærkere, men mønsteret på polymerfilmen er ikke også indgraveret. Derfor er det besværligt at finde den optimale værdi for hver tilsvarende polymerfilm gennem gentagne eksperimenter. Den anden årsag er ubalance problemet med varmepladen. Overfladen af den varmeplade, der opvarmer filmen under den varme prægning proces bør være helt vandret til at gravere højden af prik mønstre ensartet. Men hvis varmepladen hælder en smule, opstår der fejl i mønsterbredden eller mønsterhøjden, når mønsteret bruger en anden position. For at løse dette problem mener vi, at en enhed, der kan scanne højden af en overflade i realtid, skal fastgøres til kollisionshovedet. Mere forskning bør gøres på scanning enheder til at måle overfladehøjden korrekt.
Præcisionen af de mønstre, der produceres af den foreslåede proces, har også begrænsninger. Bredden og dybden af hvert mønster afhænger af diameteren af spidsen af mover (slaghovedet) og den dybde, hvor moveren graverer på polymerfilmen. Diameteren af spidsen af den mover, der anvendes i denne proces, er 9 μm, og præcisionen af det indgraverede mønster har en mønsterbredde på mindst 9 μm. De eksisterende varme prægningsprocesser af typen plade-til-plade og roll-to-roll-type giver dog mønsterpræcisionsniveauer i nm-området. Denne mangel på præcision af et mønster kan løses ved at reducere diameteren af spidsen af mover i virkningen header. Der er indtil videre ikke tilstrækkelig forskning i mekaniske eller kemiske processer til behandling af moverspidser i nm-enheder. Hvis der udføres undersøgelser af mekaniske eller kemiske processer, således at moverspidsen kan behandles i nm-enheder, forventes det, at disse begrænsninger vil blive overvundet. Stadig, i modsætning til de konventionelle metoder, den foreslåede proces tillader ændringer i gravering mønster i realtid ved hjælp af virkningen header, og dette giver den fordel, at ændre det nye mønster eller erstatte mønsteret, hvis en fejlagtig proces er fundet.
Dernæst sammenlignede vi behandlingshastigheden for den foreslåede proces med den eksisterende varm prægningsproces for roll-to-roll-typen. For den konventionelle rulle-til-rulle-type er proceshastigheden 10 mm/s12. Den foreslåede hot prægningsproces af typen tryktype giver en ydelsesfrekvens på 6 Hz-10 Hz. Hvis der antages ti punkter på en 10 mm polymerfilm, er behandlingshastigheden 6 mm/sek., og maksimumværdien er 10 mm/s. Derfor varierer behandlingshastigheden afhængigt af det mønster, der kræves af brugeren. Derfor kan processen anvendes på masseproduktion og på forskellige produkt- og små produktionsprocesser.
Hvis vi fortsætter med at udvikle vores nuværende teknologi, vil det være i stand til at gravere kontinuerlige mønstre ud over punkt mønstre. Gravering kontinuerlige mønstre kan være nyttige i en række forskellige måder. For eksempel, ved at placere elektriske elementer eller ved at anvende ledende blæk på det indgraverede mønster, kan et mikroelektrisk kredsløb fremstilles. Især fordi denne proces er knyttet til arbejdet med gravering af mikro- eller nanomønstre på polymerfilm, kan den anvendes til fremstilling af fleksible anordninger. Desuden, da vores metode er som eksisterende varme prægning processer, dette arbejde kan bruges til fremstilling af fleksible kobber klædte laminater (FCC' er) eller fleksible trykte kredsløb (FPCB). Hertil kommer, at for at anvende virkningen print-type hot prægning proces til en bredere vifte af materialer, såsom bærbare enheder eller sensorer, er det nødvendigt at ændre prik mønster ved hjælp af forskellige bredder og dybder afhængigt af enheden. Virkningen print-type hot prægning proces undersøgt her har den fordel at være i stand til at gravere forskellige mønstre og samtidig justere bredden og dybder af mønstre i realtid. Desuden bruger den teknologi, der er nævnt i protokollen, en enklere proces end den konventionelle mønsterproces. Derfor er vi overbevist om, at virkningen print-type hot prægning teknologi kan udvides ikke kun til masseproduktion, men også til små mængder batch produktion industrien i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre
Acknowledgments
Denne forskning understøttes af projektet "Udvikling af ondprint-type hot prægningsteknologi til et ledende lag ved hjælp af ledende nanokompositmaterialer" gennem Koreas ministerium for handel, industri og energi (MOTIE) (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).
