Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Studie van een dot-patroon proces op flexibele materialen met behulp van Impact Print-Type Hot Embossing Technology

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

Summary

Impact print-type hot embossing technologie maakt gebruik van een impact header te graveren dot patronen op flexibele materialen in real time. Deze technologie heeft een controlesysteem voor het regelen van de aan-uit beweging en de positie van de impact header om stippatronen te creëren met verschillende breedtes en diepten op verschillende polymeerfilms.

Abstract

Hier presenteren we onze studie over een impact print-type hot embossing proces dat dot patronen kan maken met verschillende ontwerpen, breedtes en diepten in real time op polymeer film. Daarnaast hebben we een besturingssysteem geïmplementeerd voor de aan-off beweging en positie van de impactheader om verschillende stippatronen te graveren. We voerden puntpatronen uit op verschillende polymeerfilms, zoals polyester (PET) film, polymethylmethacrylaat (PMMA) film en polyvinylchloride (PVC) film. De stip patronen werden gemeten met behulp van een confocale microscoop, en we bevestigddat de impact print-type hot embossing proces produceert minder fouten tijdens de dot patroonproces. Als gevolg hiervan wordt het impact print-type hot embossing proces geschikt gevonden voor het graveren van puntpatronen op verschillende soorten polymeerfilms. Bovendien, in tegenstelling tot de conventionele hot embossing proces, dit proces maakt geen gebruik van een reliëf stempel. Daarom is het proces eenvoudig en kan dot patronen in real time, presenteren unieke voordelen voor massaproductie en kleine hoeveelheid batchproductie.

Introduction

Onderzoekers proberen actief bestaande apparaten en displays te miniaaliseren en de flexibiliteit van deze apparaten te vergroten1,2. Om de breedte en diepte van elektrische kanalen te reduceren tot de micro- of nanoschaal, is high-precision technologie noodzakelijk. Om de flexibiliteit van deze apparaten te vergroten, moeten de patronen van de elektrische kanalen zich bovendien op een flexibel materiaal bevinden, zoals een polymeerfilm3,4. Om aan deze voorwaarden te voldoen, is de studie van ultrafijne microverwerkingstechnologie actief aan de gang.

Ultrafijne microfabricagetechnologie heeft een voordeel dat mogelijke patronen niet alleen zeer stijve materialen zoals ijzer of kunststof omvatten, maar ook zachte materialen zoals polymeerfilms. Vanwege deze voordelen wordt deze technologie veel gebruikt als een kernproces op verschillende gebieden, zoals communicatie, chemie, optica, ruimtevaart, halfgeleider en sensoren5,6,7. In het ultrafijne microverwerkingsveld worden LIGA (lithografie, elektroplating en vormen) of microbewerkingsmethoden gebruikt8. Echter, deze conventionele methoden worden geassocieerd met verschillende problemen. LIGA-methoden vereisen een aanzienlijke hoeveelheid tijd en verschillende processtappen om ultrafijne patronen te maken en ook hoge kosten te maken, omdat ze veel verschillende soorten apparatuur nodig hebben tijdens de processen. Daarnaast gebruiken LIGA-methoden chemische stoffen die het milieu kunnen vervuilen.

Om dit probleem aan te pakken, is hot embossing procestechnologie in de kijker gezet bij ultrafijne microprocestechnologieën. Hot embossing is een technologie die een patroon creëert op een verwarmde polymeerfilm met behulp van een micro- of nanoschaal reliëfmal. Conventionele hot embossing technologie is verdeeld in de plaat type en roll-to-roll type, afhankelijk van de vorm van de mal. De twee soorten hete reliëf technologie zijn verschillend in termen van de vorm van de mal, maar deze twee processen zijn vergelijkbaar in dat de reliëf vorm drukt de polymeer film op een verwarmde plaat om een patroon te graveren op de polymeer film. Om het patroon te graveren met behulp van het hete reliëfproces, is het noodzakelijk om de polymeerfilm boven de glasovergangstemperatuur te verwarmen en een voldoende hoeveelheid druk (~ 30-50 MPa)9toe te passen. Bovendien veranderen de breedte en diepte van het patroon afhankelijk van de temperatuur van de verwarmde plaat, het materiaal en de vorm van de reliëfmal. Bovendien beïnvloedt de koelmethode na het patroonproces de vorm van het patroon op de polymeerfilm.

In het conventionele hete embossing proces, reliëf stempels of rollen kunnen worden reliëf met het gewenste patroon, en de reliëf mal kan worden gebruikt om hetzelfde patroon af te drukken op polymeer film oppervlakken continu. Deze functie maakt dit proces niet alleen geschikt voor massaproductie, maar ook voor het fabriceren van apparaten met zachte materialen, zoals polymeerfilms10,11,12,13,14. Echter, de conventionele hot embossing methode kan alleen de enkele patroon gegraveerd in de reliëf mal. Daarom, wanneer de gebruiker wil een nieuw patroon te maken of het patroon te wijzigen, moeten ze een nieuwe mal om de imprinting patroon te wijzigen. Om deze reden, conventionele hot embossing is kostbaar en tijdrovend bij het creëren van nieuwe patronen of het vervangen van bestaande ontwerpen.

Eerder werk introduceerde de impact-type hot embossing proces voor het produceren van stip patronen met verschillende breedtes en diepten in real time15. In tegenstelling tot het conventionele hot embossing-proces, gebruikt de effectprint-type hot embossing-methode een impactheader om patronen op de polymeerfilm te creëren. Deze technologie verplaatst de impactheader naar de gewenste positie met een precisiepositioneringssysteem. Een besturingssignaal wordt toegepast om patronen af te drukken op een gewenste breedte en diepte en op een willekeurige positie. De structuur van de botskop bestaat uit een verhuizer, een veer, een spoelwikkeling en een kern (zie figuur 1A)15. Eerder werk bevestigd door middel van een analyse en experiment dat een dergelijke impact header kan de juiste kracht voor hot embossingproduceren 16. Het protocol van dit document heeft betrekking op het ontwerp van de hardware voor het impact-type hot embossing proces en de controle-omgeving voor procescontrole. Daarnaast analyseren we de stippatronen op PET-film, PMMA-film en PVC-film, die allemaal worden verwerkt met het voorgestelde protocol om te controleren of het effectdruk-type hot embossing-proces dotpatronen kan creëren met verschillende breedtes en diepten in real time. De resultaten van deze experimenten worden hieronder gepresenteerd in de resultaten sectie, bevestigt dat het reliëf proces op passende wijze kan produceren ultrafijne patronen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabricage van het slagdrukvormproces

  1. Maak model 1 en combineer het met een X-stage (zie figuur 1).
    OPMERKING: Het wordt aanbevolen dat Model 1 van aluminium wordt gemaakt om te voorkomen dat warmte op het X-podium wordt uitgevoerd. Bovendien wordt aanbevolen dat de lengte van Model 1 de afstand is tussen het oppervlak van de warmteplaat en de laagste hoogte van de lagerplaat van de Z-fase, aangezien het ontwerp van Model 1 varieert met de grootte van de warmteplaat.
  2. Combineer de X-stage en Z-stage en monteer de Z-stage en Model 2.
    LET OP: Zorg ervoor dat Model 2 is gemaakt van een metaal dat de warmte van de warmteplaat (bijvoorbeeld aluminium) kan verdragen. Het vaststellen van Model 2 aan de Z-fase strak zal zorgen voor de mogelijkheid van de Z-fase om het gewicht van Model 2 en de impact header te houden.
  3. Combineer Model 2 en de impactheader en plaats de warmteplaat onder Model 1.
    OPMERKING: Door de impactheader te verbinden met de laagste positie op Model 2, wordt ervoor gezorgd dat de verhuizer het oppervlak van de warmteplaat bereikt. Het wordt aanbevolen om de warmteplaat te installeren na het maximaal verhogen van de Z-fase om contact met de botskop met het oppervlak van de warmteplaat te voorkomen. Gebruik geschikte software om het podium te bedienen.
  4. Converteer de STL-bestanden van de filmhouder (Aanvullend Bestand 1 en Aanvullend Bestand 2) naar GCODE-bestanden met behulp van geschikte software om de filmhouder af te drukken met een driedimensionale (3D) printer.
    OPMERKING: De software kan variëren met de gebruikte 3D-printer en sommige omgevingen ondersteunen mogelijk 3D-printeromgevingen zonder GCODE-conversie.
  5. Gebruik de 3D-printer om de filmhouder af te drukken met het GCODE-bestand.
    OPMERKING: Het gebruik van een filament (bijvoorbeeld Z-HIPS) wordt aanbevolen omdat er minder samentrekking optreedt bij het afdrukken van grote delen, zoals de filmhouder.
  6. Installeer twee filmhouders op het uiteinde van de warmteplaat en bevestig de polymeerfolie op de filmhouder, zoals afgebeeld in figuur 1. Om ervoor te zorgen dat de polymeerfolie plat op de warmteplaat ligt, trekt u de polymeerfolie zoveel mogelijk met beweging 1 van de filmhouder (zie figuur 1B). Als u de polymeerfilm naar de zijkant wilt verplaatsen, verplaatst u de filmhouder via beweging 2 (zie figuur 1B).
    OPMERKING: Om de polymeerfolie op de filmhouder te bevestigen, is het raadzaam om een schroef te gebruiken. Lijm is onvoldoende om de polymeerfilm op de filmhouder aan te brengen, en het is het beste voor het losmaken van de polymeerfilm na het patroonexperiment.

2. Fabricage van het controlecircuit

OPMERKING: Dit proces beschrijft het proces van het bouwen van het besturingscircuit van de impactheader en de X-Z-fase.

  1. Sluit het bedieningsapparaat dat de signalen verzendt (zie Materiaaltabel)aan op de impactkopom het te bedienen.
  2. Na het aansluiten van het bedieningsapparaat op de impactheader, input -3 V en +10 V als besturingssignalen in de impactheader.
    OPMERKING: Als een +10 V-besturingssignaal naar de impactheader wordt verzonden (zie figuur 1),gaat de verhuizer (botskop) naar beneden en gaat de inschakelstatus in. In deze toestand raakt de verhuizer de polymere film en graveert het patroon op de polymeerfilm.
    1. Verhoog de verhuizer om het volgende patroon te graveren na het graveren van een patroon met behulp van de verhuizer van de impact header. Om de verhuizer (slagkop) te verhogen, past u het -3 V-regelsignaal toe.
      OPMERKING: Een negatieve spanning wordt ingevoerd om te voorkomen dat de verhuizer wordt gemagnetiseerd door de binnenste reststroom van de impactheader.
  3. Als het bedieningsapparaat geen voldoende bedieningssignaal kan leveren, gebruikt u een krachtige bedrijfsversterker (bijvoorbeeld OP-AMP) die het ~0 V-5 V-besturingssignaal versterkt tot ~-3 V-+10 V, zoals weergegeven in figuur 2,om de impactheader te regelen.
    1. Bereid eerst een dual-channel DC-voeding voor (zie Tabel van materialen). Sluit na deze stap vier knooppunten aan om gemeenschappelijke grondknooppunten (GND) aan alle kanalen te bieden: een positieve spanningsterminal (V1+) en een grondterminal (GND) voor kanaal 1 en een negatieve spanningsterminal (V2-) en grond (GND) voor kanaal 2. Een algemeen verbindingsdiagram wordt weergegeven in figuur 2.
      OPMERKING: Volgens de in punt 2.3.1 beschreven stap kan positieve en negatieve spanning met verschillende absolute waarden aan de operationele versterker (OP-AMP) worden geleverd.
    2. Sluit de negatieve spanningsterminal van kanaal 1 (V1-) van de voeding aan op de negatieve stroomtoevoerspanningsterminal (Vs-) van de OP-AMP, zoals aangegeven door de blauwe lijn in figuur 2. Vervolgens voert u 3 V Vcc-spanning in op kanaal 1.
      LET OP: Volgens stap 2.3.1 wordt de 3 V Vcc spanning geleverd als -3 V negatieve spanning op de negatieve voedingsspanningsterminal (Vs-) van de OP-AMP.
    3. Sluit de positieve spanningsterminal van kanaal 2 (V2+) van de voeding aan op de positieve voedingsspanningsterminal (Vs+) van de OP-AMP, zoals aangegeven door de rode lijn in figuur 2. Voer vervolgens 10 V Vcc-spanning in op kanaal 2.
      LET OP: Volgens stap 2.3.1 wordt de 10 V Vcc spanning geleverd als +10 V positieve spanning op de positieve voedingsspanningsterminal (Vs+) van de OP-AMP.
    4. Sluit het +uitvoerkanaal van een besturingselement (Vcon+) aan op het positieve invoerkanaal (Vin+) van de OP-AMP, zoals blijkt uit de groene lijn in figuur 2.
    5. Sluit het uitgangskanaal van een bedieningsinrichting (Vcon-) aan op de grond (GND) van kanaal 2 van de voeding, zoals blijkt uit de zwarte lijn in figuur 2.
      LET OP: Bij het aansluiten van de (Vcon-) op de grond (GND), is het mogelijk om deze aan te sluiten op een van de terminals aangesloten tijdens stap 2.3.1 in aanvulling op de GND van kanaal 2.
    6. Bereid de elektrische weerstand van 1 kΩ en 10 kΩ waarden in elk geval en sluit ze tussen de rode lijn en de zwarte lijn, zoals afgebeeld in figuur 2.
    7. Sluit de terminal tussen 1 kΩ en 10 kΩ aan op het negatieve ingangskanaal van de OP-AMP (Vin-), zoals blijkt uit de paarse lijn in figuur 2.
    8. Trek de lijnen uit het uitgangskanaal van de OP-AMP (Vout) en een van de in stap 2.3.1 beschreven elektrische terminals. Sluit de lijnen aan op de impactkop, zoals weergegeven door de oranje lijn in figuur 2.
    9. Wat de voeding betreft, stelt u de spanningen van kanaal 1-3 Vcc en kanaal 2-10 Vcc in. Vervolgens genereert u controlesignalen van ~ 0 V-5 V van het bedieningsapparaat.
      OPMERKING: De gegenereerde ~0 V–5 V-regelsignalen worden versterkt door de OP-AMP naar ~-3 V–+10 V, wat nodig is om de impactheader te bedienen zoals beschreven in stappen 2.2.1 en 2.2.2.

3. Experimentontwerp

OPMERKING: Deze sectie beschrijft de processen van het regelen van de impact-type hot embossing apparaat en graveren stip patronen op de polymeer film.

  1. Installeer een stage-control programma (bijvoorbeeld Micromove) om de X-stage en Z-fase te bedienen met behulp van een besturingscomputer (PC).
  2. Installeer DAQ-stuurprogrammasoftware om het besturingsapparaat op de besturings-pc te detecteren dat de impactkop regelt en installeer een besturingssysteem (bijvoorbeeld MATLAB) om het besturingsapparaat te bedienen.
  3. Na het installeren van de software, de bouw van de hardware-omgeving zoals weergegeven in figuur 3A om het patroon experiment uit te voeren.
    1. Installeer de X-fase, Z-fase, impactheader, filmhouder en warmteplaat zoals weergegeven in figuur 3A om de hardwareomgeving te construeren.
    2. Bevestig de polymeerfolie op de filmhouder en pas de positie van de polymeerfilm aan met behulp van bewegingen 1 en 2 (zie figuur 1B)om de film plat te fixeren.
      OPMERKING: Om de film vlak te houden terwijl de richting 2 wordt aangepast, moeten de locaties van de twee filmhouders parallel zijn. Om de film plat op de warmteplaat te maken, wordt aanbevolen om de filmhouder aan te passen door de positie te verlagen volgens richting 1, zoals afgebeeld in figuur 1B.
    3. Pas na het bevestigen van de polymeerfolie de temperatuur van de warmteplaat aan om de folie boven de glasovergangstemperatuur te verwarmen.
      LET OP: Elk type folie heeft zijn eigen glasovergangstemperatuur. Daarom wordt aanbevolen om de temperatuur van de warmteplaat aan te passen aan de eigen glasovergangstemperatuur na controle van de materiaaleigenschappen van de film in het bijbehorende gegevensblad.
  4. Nadat u de hardware hebt ingesteld, stelt u het besturingscircuit samen zoals weergegeven in figuur 3B om het podium en de impactheader te bedienen.
    1. Bereid de pc, het bedieningsbord, de voeding en de OP-AMP voor om de besturingsomgeving te construeren zoals weergegeven in figuur 3B. Sluit de apparaten zoals afgebeeld in figuur 2 en sluit de computer aan op het bedieningsbord.
    2. Voer de 3 Vcc- en 10 VCC-waarden in een OP-AMP in via respectievelijk kanalen 1 en 2 van de voeding, zoals beschreven in stap 2.3.9.
  5. Bedien de fase- en impactkop met de besturingscomputer.
    1. Pas de beginpositie van de impactheader aan door X- en Z-fasen te bedienen met behulp van het stagecontrolprogramma.
      OPMERKING: Zorg er tijdens het aanpassen van de initiële positie van de impactkop voor dat er geen botsing is tussen de botskop en de warmteplaat. Als de positie van de Z-fase te laag is, botst de verhuizer met de warmteplaat, waardoor zowel de verhuizer als de warmteplaat beschadigd raken. Als er schade is aan beide apparaten, zal dit het creëren van fijne patronen op een polymeermateriaal belemmeren.
    2. Met behulp van het besturingssysteem, het genereren van een 5 V-besturingssignaal van het besturingsapparaat. Volgens stappen 2.3.1–2.3.9 zal de OP-AMP het 5 V-regelsignaal versterken tot +10 V, de impactheader aanzetten en de patronen op de polymeerfilm graveren.
    3. Genereer nu een 0 V-besturingssignaal van het besturingsapparaat met behulp van het besturingssysteem. Volgens stappen 2.3.1–2.3.9 zal de OP-AMP het 0 V-besturingssignaal versterken tot -3 V en de impactheader uitschakelen.
      OPMERKING: De verhuizer van de impactheader wordt verhoogd, wachtend om het nieuwe patroon te graveren.
    4. Verplaats de X-fase in positie om het volgende patroon te graveren.
    5. Graveer patronen 3x op de polymeerfilm door stappen 3.5.1–3.5.4 achtereenvolgens te herhalen.
    6. Verlaag de Z-fase 10 μm vanaf de beginpositie en voer stap 3.5.5 uit, tel het aantal Z-trapsbewegingen. Wanneer het aantal Z-trapsbewegingen groter is dan drie, verplaatst u de X-fase naar de oorspronkelijke positie en verhoogt u de impactheader maximaal door de Z-fase te verplaatsen.
      LET OP: Het wijzigen van de hoogte van de Z-fase zorgt voor aanpassingen in de diepte en breedte van het stippatroon.
  6. Maak de polymeerfolie los van de filmhouder en meet de breedte en diepte van elk patroon met behulp van een confocale microscoop (zie Materiaaltafel),zoals afgebeeld in figuur 4A.
    1. Voordat u met het meetproces begint, selecteert u de vergrotingswaarde van de microscoop en gebruikt u in eerste instantie de directe observatiemodus om de scanpositie van de polymeerfilm aan te passen. Nadat u de positie hebt aangepast door middel van directe observatie, bevestigt u de polymeerfilm en wijzigt u de scanmodus in de laserscanmodus.
      OPMERKING: Bij het gebruik van de confocale microscoop wordt aanbevolen om het monster te repareren, zoals afgebeeld in figuur 4B.
    2. Meet met behulp van de laserscanmodus de diepte en breedte van het stippatroon.
  7. Herhaal stap 3.3.2–3.6.2 na het wijzigen van het type film.
    OPMERKING: Gezien de glasovergangstemperatuur van elk type folie, stelt u de temperatuur van de warmteplaat in voordat u elke film op de warmteplaat plaatst. In deze studie is de glasovergangstemperatuur van PVC-folie 100 °C; voor PMMA-film is het 95 °C, en voor PET-film is het 75 °C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het effect print-type hot embossing proces is een proces dat kan worden gebruikt om stip patronen te graveren op een polymeer film in real time, zoals afgebeeld in figuur 1. Dit proces kan de problemen oplossen van de hoge kosten en lange tijden voor patroonvervanging in verband met het bestaande hot embossing-proces. Een controlecircuit werd gebouwd, zoals weergegeven in figuur 2 (zie stappen 2.3-2.3.9), met behulp van de DAQ, OP-AMP, en voeding om patronen te snijden op verschillende soorten polymeer films door de uitvoering van de impact header tijdens de on-off operatie. Het geïmplementeerde effectdrukvormproces wordt weergegeven in figuur 3.

In eerdere studies naar impact print-type hot embossing werden alleen experimenten op PMMA-films gevalideerd, terwijl er geen andere polymeerfilms werden getest. Om na te gaan of de impact van hete reliëf van het printtype patronen op andere polymeerfilms in realtime kan graveren, werden experimenten uitgevoerd met PMMA-folie, PVC-film en PET-folie. De hoogte van de impact header werd verminderd met 10 μm voor elke drie punten met behulp van een Z-fase, en we getest of negen stippen een stip patroon met verschillende hoogten op de drie soorten films kunnen vormen. Met behulp van de apparatuur in figuur 3werd een puntpatroon gecreëerd op de drie polymeerfilms en werd een confocale microscoop gebruikt om het patroon te observeren (zie stap 3.6).

Het stippatroon wordt weergegeven in figuur 4B. Zoals weergegeven in figuur 4B, werden negen punten gebruikt en steeg de grootte van het patroon van monster 1 (S1) naar monster 3 (S3) omdat de hoogte van de Z-fase met 10 μm daalde. In dit geval worden tweedimensionale (2D)-beelden van de confocale microscoop van de drie polymeerfilms getoond in figuur 5. De 2D-afbeelding in figuur 5 toont het S1-gedeelte van elk patroon. Figuur 5A toont een PET-filmmonster van 50 μm dik, figuur 5B toont een PMMA-filmmonster van 175 μm dik en figuur 5C toont een PVC-filmmonster van 300 μm dik. Figuur 6 toont 2D-micrografen van één puntpatroon en 3D-micrografen van S1 met behulp van de laserscanmodus (LSM) van de confocale microscoop. Zoals weergegeven in figuur 6,konden we meten van het patroon breedte en diepte van elke stip patroon, en het patroon was duidelijk waarneembaar door de 2D-beeld van een stip.

De breedte- en diepteresultaten van de negen puntpatronen op de drie polymeerfilms met behulp van de 3D-functie van de confocale microscoop worden weergegeven in tabel 1. De PET-film is dunner dan de andere polymeerfilms. Daarom hebben we het monster zorgvuldig gemaakt, zodat de impactheader de warmteplaat niet raakte toen de Z-fase werd aangepast. Voor PET waren de gemiddelde waarden van de patroonbreedte en -diepte respectievelijk 110,6 μm en 10,3 μm, met overeenkomstige fouten van ~-5,6–6,2% en ~-3,3-1,7%. Voor S2 is na de hoogte van de Z-fase met 10 μm verlaagd, de gemiddelde waarden voor de patroonbreedte en diepte gewijzigd naar respectievelijk 155,2 μm en 17,0 μm, met overeenkomstige fouten van ~-5,2–2,8% en ~-3,0–2,0%. Voor S3 is na de hoogte van de Z-fase met nog eens 10 μm verlaagd, de gemiddelde waarden voor de patroonbreedte en diepte gewijzigd naar respectievelijk 170,8 μm en 25,7 μm, met overeenkomstige fouten van respectievelijk ~-2,8-4,2% en ~-2,7–2,3%.

Voor PMMA waren de gemiddelde waarden van de patroonbreedte en -diepte respectievelijk 240,2 μm en 112,2 μm, met overeenkomstige fouten van ~-1,2–1,3% en ~-4,1–2,8%. Voor S2 is na de hoogte van de Z-fase met 10 μm verlaagd, de gemiddelde waarden voor de patroonbreedte en diepte gewijzigd naar respectievelijk 250,0 μm en 129,8 μm, met overeenkomstige fouten van ~-2,0-2,0% en ~-1,8–1,1%. Voor S3, nadat de hoogte van de Z-fase met nog eens 10 μm was verminderd, veranderden de gemiddelde waarden voor de patroonbreedte en diepte naar 281,2 μm en 141,3 μm, met overeenkomstige fouten van ~-3,1–3,8% en ~-3,3–2,6%.

Voor PVC waren de gemiddelde waarden van de patroonbreedte en -diepte respectievelijk 236,4 μm en 136,1 μm, met overeenkomstige fouten van ~-6,3–4,0% en -~5,6–3,9%. Voor S2 veranderde de gemiddelde waarde van de patroonbreedte en diepte na de hoogte van de Z-fase met respectievelijk 10 μm, met bijbehorende fouten van respectievelijk ~-2,5–2,4% en ~-2,1–2,8%. Voor S3, nadat de hoogte van de Z-fase met nog eens 10 μm was verminderd, veranderden de gemiddelde waarden van de patroonbreedte en diepte naar 263,5 μm en 159,2 μm, met overeenkomstige fouten van ~-6,7-11,7% en ~-5,0–7,5%.

Grafieken van de patroondiepte en -breedte voor de drie polymeerfolies worden weergegeven in figuur 7. De hoogte van de Z-fase werd verlaagd met 10 μm voor elke drie puntpatronen van S1 tot S3, zodat de breedte en diepte van de film van S1 naar S3 stegen. De maximale fout lag in het bereik van -6,7-11,7% voor PVC en de minimale fout varieerde van -1,2-1,3% voor PMMA. Tot slot, de fouten in de stip patronen voor de drie soorten films zijn gering. Dit toont aan dat het impact print-type hot embossing proces geschikt is voor het graveren van micropatronen op polymeerfilms in real time.

Figure 1
Figuur 1: Ontwerp van de impact print-type hot embossing technologie. (A) Een 3D-ontwerp van het ontwerp van de filmhouder van het drukdrukvormproces van het drukdruktype (B). De filmhouder kan bewegen in de motion 1 en Motion 2 richtingen en kan worden gebruikt om de film vast te stellen of te verplaatsen naar de zijkant. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Schematisch ontwerp van het elektriciteitsversterkercircuit. In deze afbeelding worden zes apparaten gebruikt om het circuit te maken: een voeding met twee kanalen, een krachtige operationele versterker (OP-AMP), een bedieningsapparaat, een impactheader en twee weerstandscomponenten met verschillende waarden. Elk apparaat is verbonden in de afbeelding en de verbindingslijnen worden in verschillende kleuren weergegeven. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Implementatie van het effectprint-type hot embossing proces en controlecircuit. (A) Implementatie van de impact print-type hot embossing proces, en (B) experimentele instellingen van het besturingssysteem Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Confocale microscoopapparatuur en PET-film met stippatronen. (A) Confocale microscoopapparatuur om de patroonbreedtes en diepten van de stippatronen op de polymeerfilm te meten. (B) Dot patronen op de PET-film. De negen patronen zijn verdeeld in drie secties van de laagste diepte van de puntpatronen (S1, S2, S3), en elke sectie heeft drie punten. Micrografen worden genomen met behulp van de 2D-functie van de confocale microscoop. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Tweedimensionale fotomicrografen met behulp van confocale microscoop. (A) Een 2D fotomicrograaf van de 50 μm PET film, (B) 2D fotomicrograaf van de 175 PMMA film, en (C) 2D fotomicrograaf van de 300 PVC film Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Tweedimensionale micrografen van één puntpatroon en 3D-micrografen van S1 met behulp van de LSM-modus van de confocale microscoop. (A) Een 3D-micrograaf van drie stippatronen en een 2D-micrograaf van één puntpatroon op de 50 μm-dikke PET-film. (B) Een 3D-micrograaf van drie stippatronen en een 2D-micrograaf van één puntpatroon op de 175 μm dikke PMMA-film. (C) Een 3D-micrograaf van drie stippatronen en een 2D-micrograaf van één puntpatroon op de 300 μm dikke PVC-film Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Grafieken van de patroonbreedtes en dieptes voor S1, S2 en S3 op drie polymeerfilms. De positie van de Z-fase werd verhoogd met 10 μm voor elke drie puntpatronen van S1 naar S3, en elke grafiek is gebaseerd op de gegevens in tabel 1. (A) Het resultaat van de patroonbreedte en patroondiepte voor de PET-folie. (B) Het resultaat van de patroonbreedte en patroondiepte voor de PMMA-film. (C) De resultaten van de patroonbreedte en patroondiepte voor de PVC-film. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Polymeerfilm Voorbeeldnummer Gemiddelde patroonbreedte (μm) Gemiddelde patroondiepte (μm) Foutpercentage Breedte (%) Foutpercentage Diepte (%)
PVC-folie 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%

Tabel 1: Meetresultaten van negen stippatronen op drie polymeerfilms. De waarden in de tabel werden gemeten met behulp van de 3D-meetfunctie van de confocale microscoop en vertegenwoordigen de gemiddelde waarden van de patroonbreedtes en dieptes en de patroonfouten voor S1, S2 en S3.

Aanvullend dossier 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend dossier 2. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In deze studie hebben we het impact print-type hot embossing proces en gegraveerde stippatronen met verschillende breedtes en diepten op een reeks polymeerfilms in real time geïmplementeerd. Van de protocolstappen moeten twee stappen kritisch worden bekeken tussen alle stappen. De eerste is de instelling van de temperatuur van de warmteplaat (stap 3.3.3), en de tweede is de instelling van de initiële positie van de impactheader (stap 3.5.1). In stap 3.3.3, als de temperatuur van de warmteplaat te hoog is, wordt het moeilijk om een patroon te vormen omdat de viscositeit van de film het creëren van een fijn patroon belemmert. Aan de andere kant, als de temperatuur van de warmteplaat te laag is, wordt het patroon niet soepel gegraveerd. De factor van de beginpositie van de impactheader is belangrijk omdat de positie van de impactheader gerelateerd is aan de diepte en breedte van het patroon. Bovendien, als de hoogte van de impact header te laag is, zal de verhuizer van de impact header botsen met de warmteplaat, waardoor schade aan zowel de verhuizer en de warmteplaat. Deze schade slijt niet alleen de punt van de verhuizer, maar heeft ook een negatief effect op de hoogte en breedte van het patroon gegraveerd in de volgende stap. Om deze redenen moet tijdens de stappen 3.3.3 en 3.5.1 de verwarmingstemperatuur en ontstekingstoestand zorgvuldig worden overwogen.

In eerdere werkzaamheden op impact-type hot embossing, een dot patroonproces werd gebruikt met PMMA film, met afwijkingen fouten die optreden als gevolg van een fixatie probleem in verband met de polymeer film15,16. Om dit probleem op te lossen, werd de vaststelling van de polymeerfilm met behulp van filmhouders aan beide zijden van de warmteplaat overwogen, en deze strategie verminderde de fout in vergelijking met de eerdere waarden. Ook werd aangetoond dat stippatronen met verschillende breedtes en diepten in realtime kunnen worden gegraveerd op verschillende polymeerfolies, zoals PET-folie en PVC-folies. Door het foutenpercentage van PMMA te vergelijken met dat van eerdere hot embossing-processen, toonden de resultaten van elk filmmonster aan dat de fouten in de patroonbreedtes en dieptes aanzienlijk werden verminderd.

Echter, er bleef een fout in de stip patronen. We hebben twee oorzaken voor deze fouten onderzocht. De eerste is gerelateerd aan de verandering van het oppervlak als gevolg van de glasovergangstemperatuur van de polymeerfilm. Wanneer elke film boven de glasovergangstemperatuur wordt verwarmd, wordt het oppervlak van de polymeerfilm zacht en stijgt het filmoppervlak iets, zelfs als deze vast blijft staan tijdens het gebruik van de filmhouder, waardoor een fout ontstaat. Om dit te voorkomen, als de temperatuur van de warmteplaat lager is dan de temperatuur van de glasoverdracht, is de combinatie van de moleculaire structuur van de polymeerfilm sterker, maar het patroon op de polymeerfilm is ook niet gegraveerd. Daarom is het omslachtig om de optimale waarde voor elke overeenkomstige polymeerfilm te vinden door middel van herhaalde experimenten. De tweede oorzaak is het onbalansprobleem van de warmteplaat. Het oppervlak van de warmteplaat die de film verwarmt tijdens het hete reliëfproces moet volledig horizontaal zijn om de hoogte van de stippatronen gelijkmatig te graveren. Als de warmteplaat echter enigszins hellend is, treden fouten in de patroonbreedte of patroonhoogte op wanneer het patroon een andere positie gebruikt. Om dit probleem op te lossen, zijn we van mening dat een apparaat dat de hoogte van een oppervlak in realtime kan scannen, moet worden bevestigd aan de impactheader. Er moet meer onderzoek worden gedaan naar scanapparaten om de oppervlaktehoogte goed te meten.

De precisie van de patronen geproduceerd door het voorgestelde proces heeft ook beperkingen. De breedte en diepte van elk patroon zijn afhankelijk van de diameter van de punt van de verhuizer (botskop) en de diepte waarop de verhuizer de polymeerfilm graveert. De diameter van de punt van de verhuizer die in dit proces wordt gebruikt is 9 μm, en de precisie van het gegraveerde patroon heeft een minimale patroonbreedte van 9 μm. Echter, de bestaande plate-to-plate type en roll-to-roll type hot embossing processen bieden patroon precisie niveaus in het nm bereik. Dit gebrek aan precisie van een patroon kan worden opgelost door het verminderen van de diameter van de punt van de verhuizer in de impact header. Er is tot nu toe onvoldoende onderzoek naar mechanische of chemische processen voor de verwerking van verhuizerstips in nm-eenheden. Als studies van mechanische of chemische processen worden uitgevoerd, zodat de verhuizer tip kan worden verwerkt in nm-eenheden, is de verwachting dat deze beperkingen zullen worden overwonnen. Toch, in tegenstelling tot de conventionele methoden, het voorgestelde proces maakt wijzigingen in de gravure patroon in real time met behulp van de impact header, en dit biedt het voordeel van het veranderen van het nieuwe patroon of het vervangen van het patroon als een foutief proces wordt gevonden.

Vervolgens hebben we de verwerkingssnelheid van het voorgestelde proces vergeleken met die van het bestaande roll-to-roll type hot embossing proces. Voor het conventionele roll-to-roll type is de processnelheid 10 mm/s12. Het voorgestelde effectprint-type hot embossing-proces biedt een prestatiefrequentie van 6 Hz-10 Hz. Als er tien punten worden aangenomen op een polymeerfolie van 10 mm, is de verwerkingssnelheid 6 mm/sec en het maximum 10 mm/s. Als gevolg hiervan zal de verwerkingssnelheid variëren afhankelijk van het patroon dat de gebruiker vereist. Daarom kan het proces worden toegepast op massaproductie en op verschillende productieprocessen en kleine productieprocessen.

Als we doorgaan met de ontwikkeling van onze huidige technologie, zal het in staat zijn om continue patronen te graveren in aanvulling op puntpatronen. Het graveren van continue patronen kan op verschillende manieren nuttig zijn. Bijvoorbeeld door elektrische elementen te plaatsen of door geleidende inkt op het gegraveerde patroon toe te passen, kan een micro-elektrisch circuit worden vervaardigd. Met name omdat dit proces is gekoppeld aan het werken aan het graveren van micro- of nanopatronen op polymeerfilms, kan het worden toegepast om flexibele apparaten te vervaardigen. Bovendien, als onze methode is als bestaande hot embossing processen, dit werk kan worden gebruikt voor de vervaardiging van flexibele koper beklede laminaat (FCCLs) of flexibele printplaten (FPCB's). Om het effectprint-type hot embossing-proces toe te passen op een breder scala aan materialen, zoals draagbare apparaten of sensoren, is het bovendien noodzakelijk om het stippatroon te wijzigen met behulp van verschillende breedtes en diepten, afhankelijk van het apparaat. De impact print-type hot embossing proces onderzocht hier heeft het voordeel van de mogelijkheid om verschillende patronen te graveren, terwijl het aanpassen van de breedtes en diepten van de patronen in real time. Bovendien maakt de in het protocol genoemde technologie gebruik van een eenvoudiger proces dan het conventionele patroonproces. Daarom zijn we ervan overtuigd dat impact print-type hot embossing technologie kan worden uitgebreid, niet alleen tot massaproductie, maar ook naar de kleine hoeveelheid batch productie-industrie in de toekomst.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen

Acknowledgments

Dit onderzoek wordt ondersteund door het project "Ontwikkeling van impact print-type hot embossing technologie voor een geleidende laag met behulp van geleidende nano-composiet materialen" via het ministerie van Handel, Industrie en Energie (MOTIE) van 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lee, S. Y., et al. 2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC). IEEE. , 1-3 (2019).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability. Nature Materials. 9 (12), 1015 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Mishra, S., Yadava, V. Laser beam micromachining (LBMM)-a review. Optics and Lasers in Engineering. 73, 89-122 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Yun, D., et al. Impact Print-Type Hot Embossing Process Technology. Advanced Engineering Materials. 20 (9), 1800386 (2018).
  16. Ahn, J., Yun, D. Analyzing Electromagnetic Actuator based on Force Analysis. 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2019).

Tags

Engineering impact header hot embossing imprinting impact embossing fijn patroon graveren patroon
Studie van een dot-patroon proces op flexibele materialen met behulp van Impact Print-Type Hot Embossing Technology
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, M., Ahn, J., Bae, J., Song, J., … More

Kim, M., Ahn, J., Bae, J., Song, J., Kim, D., Yun, D. Study of a Dot-patterning Process on Flexible Materials using Impact Print-Type Hot Embossing Technology. J. Vis. Exp. (158), e60694, doi:10.3791/60694 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter