Studie van een dot-patroon proces op flexibele materialen met behulp van Impact Print-Type Hot Embossing Technology
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.
Protocol
Representative Results
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 moe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
