Studie av en dot-mønsterprosess på fleksible materialer ved hjelp av Impact Print-Type Hot Embossing Technology
Summary
Impact print-type hot preging teknologi bruker en impact header for å gravere prikkmønstre på fleksible materialer i sanntid. Denne teknologien har et kontrollsystem for å kontrollere on-off bevegelse og posisjon av impact header for å skape prikkmønstre med ulike bredder og dybder på forskjellige polymerfilmer.
Abstract
Her presenterer vi vår studie på en innvirkning print-type hot preging prosess som kan skape prikk mønstre med ulike design, bredder, og dybder i sanntid på polymer film. I tillegg implementerte vi et kontrollsystem for av-på-bevegelse og posisjon av slaghodet for å gravere forskjellige prikkmønstre. Vi utførte prikkmønster på ulike polymerfilmer, som polyester (PET) film, polymetyl metakrylat (PMMA) film, og polyvinylklorid (PVC) film. Prikkmønstrene ble målt ved hjelp av et konfokalmikroskop, og vi bekreftet at effekten av den varme pregingsprosessen av slagtype gir færre feil under prikkmønsterprosessen. Som et resultat er virkningen print-type hot preging prosessen funnet å være egnet for gravering prikk mønstre på ulike typer polymer filmer. I tillegg, i motsetning til den konvensjonelle varme pregingsprosessen, bruker denne prosessen ikke et pregestempel. Derfor er prosessen enkel og kan skape prikkmønstre i sanntid, og gir unike fordeler for masseproduksjon og små mengder batchproduksjon.
Introduction
Forskere forsøker aktivt å minimere eksisterende enheter og skjermer og øke fleksibiliteten til disse enhetene1,2. For å redusere bredden og dybden på elektriske kanaler til mikro- eller nanoskalaen, er høypresisjonsteknologi nødvendig. I tillegg, for å øke fleksibiliteten til disse enhetene, må mønstrene til de elektriske kanalene være plassert på et fleksibelt materiale, for eksempel en polymerfilm3,4. For å møte disse forholdene er studien av ultrafin mikroprosesseringsteknologi aktivt i gang.
Ultrafin mikrofabrikasjonsteknologi har en fordel ved at mulige mønstermaterialer inkluderer ikke bare svært stive materialer som jern eller plast, men også myke materialer som polymerfilmer. På grunn av disse fordelene er denne teknologien mye brukt som en kjerneprosess på ulike felt, for eksempel kommunikasjon, kjemi, optikk, luftfart, halvleder og sensorer5,6,7. I det ultrafine mikroprosesseringsfeltet brukes LIGA (litografi, elektroplating og støping) eller mikromaskineringsmetoder8. Imidlertid er disse konvensjonelle metodene forbundet med flere problemer. LIGA-metoder krever en betydelig mengde tid og flere prosesstrinn for å skape ultrafine mønstre og medføre en høy kostnad også fordi de trenger mange forskjellige typer utstyr under prosessene. I tillegg bruker LIGA-metoder kjemikalier som kan forurense miljøet.
For å løse dette problemet har varm pregingsprosessteknologi blitt satt i søkelyset blant ultrafine mikroprosessteknologier. Hot preging er en teknologi som skaper et mønster på en oppvarmet polymerfilm ved hjelp av en mikro- eller nanoskala pregeform. Konvensjonell varm preging ser ut til å være delt inn i platetypen og roll-to-roll-typen avhengig av formen på formen på formen. De to typer varm preging teknologi er forskjellige når det gjelder formen på formen på formen, men disse to prosessene er like ved at den pregede formen presser polymerfilmen på en oppvarmet plate for å gravere et mønster på polymerfilmen. For å gravere mønsteret ved hjelp av den varme pregingsprosessen, er det nødvendig å varme polymerfilmen over glassovergangstemperaturen og å bruke en tilstrekkelig mengde trykk (~ 30–50 MPa)9. I tillegg endres bredden og dybden av mønsteret avhengig av temperaturen på den oppvarmede platen, materialet og formen på den pregede formen. Videre påvirker kjølemetoden etter mønsterprosessen formen på mønsteret på polymerfilmen.
I den konvensjonelle varme pregingsprosessen kan preging av frimerker eller valser preges med ønsket mønster, og pregeformen kan brukes til å skrive ut det samme mønsteret på polymerfilmoverflater kontinuerlig. Denne funksjonen gjør denne prosessen egnet ikke bare for masseproduksjon, men også for fabrikasjon av enheter med myke materialer, for eksempel polymerfilmer10,,11,,12,,13,14. Den konvensjonelle varme pregingsmetoden kan imidlertid bare skape enkeltmønsteret gravert i den pregede formen. Derfor, når brukeren ønsker å lage et nytt mønster eller endre mønsteret, må de lage en ny form for å endre imprinting mønsteret. Av denne grunn er konvensjonell hetpreging kostbart og tidkrevende når du oppretter nye mønstre eller erstatter eksisterende design.
Tidligere arbeid introduserte impact-type hot preging prosessen for å produsere prikk mønstre med ulike bredder og dybder i sanntid15. I motsetning til den konvensjonelle hot pregingsprosessen, bruker impact print-type hot pregingsmetoden en slagoverskrift for å skape mønstre på polymerfilmen. Denne teknologien flytter slaghodet til ønsket posisjon med et presisjonsposisjoneringssystem. Et kontrollsignal brukes på utskriftsmønstre med ønsket bredde og dybde og i vilkårlig stilling. Strukturen i slaghodet består av en mover, en fjær, en spole svingete, og en kjerne (se figur 1A)15. Tidligere arbeid bekreftet gjennom en analyse og eksperimentere at en slik innvirkning header kan produsere riktig kraft for hot preging16. Protokollen for dette papiret dekker utformingen av maskinvaren for den effekttypen hot pregingsprosessen og kontrollmiljøet for prosesskontroll. I tillegg analyserer vi prikkmønstrene på PET-film, PMMA-film og PVC-film, som alle behandles med den foreslåtte protokollen for å verifisere at virkningen utskriftstype varm pregingsprosessen kan skape prikkmønstre med ulike bredder og dybder i sanntid. Resultatene av disse eksperimentene presenteres nedenfor i resultatdelen, som bekrefter at pregingsprosessen kan produsere ultrafine mønstre.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien implementerte vi den effektprint-type hot preging sprosessen og gravert prikk mønstre med ulike bredder og dybder på en rekke polymer filmer i sanntid. Blant protokolltrinnene bør to trinn vurderes kritisk blant alle trinnene. Den første er innstillingen for temperaturen på varmeplaten (trinn 3.3.3), og den andre er innstillingen for startposisjonen til slaghodet (trinn 3.5.1). I trinn 3.3.3, hvis temperaturen på varmeplaten er for høy, blir det vanskelig å danne et mønster fordi viskositeten til…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen støttes av prosjektet “Utvikling av effektprint-type hot preging teknologi for et ledende lag ved hjelp av ledende nano-kompositt materialer” gjennom Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE) av Korea (N046100024, 2016).
Materials
| 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).
