使用冲击打印型热浮雕技术柔性材料的点模式工艺研究
Summary
冲击打印型热浮雕技术使用冲击头实时在柔性材料上刻点图案。该技术具有用于控制冲击头的开动运动和位置的控制系统，可在不同的聚合物薄膜上创建具有不同宽度和深度的点图案。
Abstract
在这里，我们介绍了一个冲击打印型热浮雕工艺的研究，该工艺可以在聚合物薄膜上实时创建具有各种设计、宽度和深度的点图案。此外，我们还对冲击头的开离运动和位置进行了控制系统，以雕刻不同的点图案。我们对各种聚合物薄膜进行了点纹，如聚酯（PET）薄膜、聚甲基甲酰化膜（PMMA）薄膜和聚氯乙烯（PVC）薄膜。使用共聚焦显微镜测量点图案，我们确认冲击打印型热浮雕工艺在点图案过程中产生的误差较少。因此，冲击打印型热压花工艺适合在不同类型的聚合物薄膜上雕刻点图案。此外，与传统的热浮雕工艺不同，此过程不使用浮雕戳。因此，工艺简单，能实时创建点模式，为批量生产和小批量批量生产带来独特的优势。
Introduction
研究人员正在积极尝试将现有设备和显示器小型化，并提高这些设备11、22的灵活性。为了将电道的宽度和深度减小到微或纳米尺度，需要高精度技术。此外，为了提高这些设备的灵活性，电气通道的图案必须位于柔性材料上，如聚合物薄膜33、44。为适应这些条件，超细微加工技术的研究正在积极进行中。
超精细微制造技术的优势是，可能的图案材料不仅包括铁或塑料等高刚性材料，还包括聚合物薄膜等软材料。由于这些优势，该技术作为核心工艺广泛应用于通信、化学、光学、航空航天、半导体、传感器55、6、76,7等各个领域。在超精细微加工领域，使用LIGA（光刻、电镀和成型）或微加工方法8。但是，这些传统方法与几个问题相关。LIGA 方法需要大量的时间和几个过程步骤来创建超精细模式，并产生高成本，因为它们在流程过程中需要许多不同类型的设备。此外，LIGA 方法使用可能污染环境的化学品。
为了解决这个问题，热浮雕工艺技术在超精细微工艺技术中备受关注。热浮雕是一种使用微或纳米级浮雕模具在加热聚合物薄膜上创建图案的技术。传统的热压花技术根据模具的形状分为板型和卷对卷型。两种类型的热压花技术在模具形状方面有所不同，但这两种工艺相似，因为压花模具将聚合物薄膜压到加热板上，将图案刻在聚合物薄膜上。要使用热压花工艺雕刻图案，必须加热聚合物薄膜高于玻璃过渡温度，并施加足够量的压力（±30~50MPa）9。此外，图案的宽度和深度会根据加热板的温度、材料和压花模具的形状而变化。此外，模式工艺后的冷却方法会影响聚合物薄膜上的图案形状。
在传统的热压花工艺中，浮雕邮票或辊子可以用所需的图案压花，而浮雕模具可用于将相同的图案连续打印到聚合物薄膜表面。该功能使该工艺不仅适用于大规模生产，还适用于使用软材料制造设备，如聚合物薄膜 10、11、12、13、14。10,11,12,13,14然而，传统的热浮雕方法只能创建刻在浮雕模具中的单一图案。因此，当用户想要创建新模式或修改图案时，他们必须制作一个新模具来修改印印图案。因此，在创建新模式或替换现有设计时，传统的热浮雕既昂贵又耗时。
前期工作介绍了冲击型热浮雕工艺，实时生成不同宽度和深度的点型15。与传统的热压花工艺不同，冲击打印型热压花法使用冲击头在聚合物薄膜上创建图案。该技术使用精密定位系统将冲击头移动到所需位置。应用控制信号以所需的宽度和深度以及任意位置打印图案。冲击头的结构由一个变器、一个弹簧、一个线圈绕组和一个核心组成（参见图1A）15。A早期的工作通过分析和实验证实，这种冲击头可以产生适当的力热浮雕16。本文的协议涵盖了冲击型热压花工艺的硬件设计以及过程控制的控制环境。此外，我们分析PET薄膜、PMMA薄膜和PVC薄膜上的点图案，所有这些都使用建议的协议进行处理，以验证冲击打印型热浮雕工艺能否实时创建各种宽度和深度的点型图案。这些结果在下面的结果部分介绍，确认浮雕过程可以适当地产生超细模式。
Protocol
Representative Results
Discussion
在这项研究中，我们实施了冲击打印式热浮雕工艺，并实时将各种宽度和深度的点图案刻在一系列聚合物薄膜上。在议定书步骤中，应在所有步骤中认真考虑两个步骤。第一个是加热板温度的设置（步骤 3.3.3），第二个是冲击头的初始位置的设置（步骤 3.5.1）。在步骤 3.3.3 中，如果热板的温度过高，则很难形成图案，因为薄膜的粘度会阻碍精细图案的创建。另一方面，如果热板的温度过低，图案…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究由韩国贸易、工业和能源部（N046100024，2016年）提供的题为”利用导电纳米复合材料开发导电层冲击印刷式热压花技术”的项目提供支持。
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).
