임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 기술을 사용하여 유연한 재료에 대한 도트 패터닝 공정 연구
Summary
임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 기술은 임팩트 헤더를 사용하여 유연한 재질에 도트 패턴을 실시간으로 새겨 보도록 합니다. 이 기술은 다양한 폴리머 필름에 다양한 폭과 깊이의 도트 패턴을 생성하기 위해 충격 헤더의 온-오프 모션과 위치를 제어하기위한 제어 시스템을 갖는다.
Abstract
여기에서 우리는 폴리머 필름에 대한 다양한 디자인, 너비 및 깊이로 도트 패턴을 만들 수있는 충격 인쇄 유형 의 핫 엠보싱 공정에 대한 연구를 발표합니다. 또한 임팩트 헤더의 온오프 모션과 위치에 대한 제어 시스템을 구현하여 다양한 도트 패턴을 새겨나들이고 있습니다. 폴리에스테르(PET) 필름, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 필름, 폴리염화비닐(PVC) 필름 등 다양한 폴리머 필름에 도트 패터닝을 실시했습니다. 도트 패턴은 공초점 현미경을 사용하여 측정되었으며, 충격 인쇄 유형 핫 엠보싱 공정이 도트 패터닝 프로세스 중에 더 적은 오류를 생성한다는 것을 확인했습니다. 그 결과, 충격 인쇄 형 핫 엠보싱 공정은 다양한 유형의 폴리머 필름에 도트 패턴을 조각하는 데 적합한 것으로 밝혀졌습니다. 또한, 기존의 핫 엠보싱 공정과 는 달리, 이 과정은 엠보싱 스탬프를 사용하지 않는다. 따라서 공정이 간단하고 실시간으로 도트 패턴을 생성할 수 있어 대량 생산 및 소량 배치 생산에 고유한 이점을 제공합니다.
Introduction
연구원은 적극적으로 기존 장치 및 디스플레이를 소형화하고 이러한 장치의 유연성을 높이기 위해 노력하고있습니다 1,,2. 전기 채널의 폭과 깊이를 마이크로 또는 나노 스케일로 줄이려면 고정밀 기술이 필요합니다. 또한, 이러한 장치의 유연성을 높이기 위해, 전기 채널의 패턴은 폴리머 필름3,,4와같은 유연한 재료상에 위치해야 한다. 이러한 조건을 충족하기 위해 초미세 마이크로 프로세싱 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.
초미세 가공 기술은 철이나 플라스틱과 같은 고강성 소재뿐만 아니라 폴리머 필름과 같은 연질 소재도 패터닝 재료가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해, 이 기술은 통신,,화학, 광학, 항공우주, 반도체 및 센서5,6,67과 같은 다양한 분야에서 핵심 공정으로 널리 사용되고 있다. 초미세 마이크로 프로세싱 분야에서는 LIGA(리소그래피, 전기 도금 및 성형) 또는 마이크로머시닝 방법이8개사용됩니다. 그러나, 이러한 종래의 방법은 몇 가지 문제와 연관된다. LIGA 방법은 초미세 패턴을 생성하고 공정 중에 다양한 유형의 장비가 필요하기 때문에 상당한 시간과 여러 공정 단계가 필요하며 높은 비용이 발생합니다. 또한 LIGA 방법은 환경을 오염시킬 수 있는 화학 물질을 사용합니다.
이 문제를 해결하기 위해 핫 엠보싱 공정 기술은 초미세 마이크로 공정 기술 사이에서 각광을 받고 있습니다. 핫 엠보싱은 마이크로 또는 나노 스케일 엠보싱 금형을 사용하여 가열 된 폴리머 필름에 패턴을 생성하는 기술입니다. 기존의 핫 엠보싱 기술은 금형의 모양에 따라 플레이트 유형과 롤 투 롤 유형으로 나뉩니다. 두 가지 유형의 핫 엠보싱 기술은 금형의 형상면에서 다르지만, 이러한 두 공정은 엠보싱 몰드가 폴리머 필름을 가열된 플레이트상에 압압하여 폴리머 필름에 패턴을 새는 것과 유사하다는 점에서 유사하다. 뜨거운 엠보싱 공정을 사용하여 패턴을 새기려면 유리 전이 온도 이상으로 폴리머 필름을 가열하고 적절한 양의 압력 (~30-50 MPa)을적용해야합니다 9. 또한, 패턴의 폭과 깊이는 가열된 플레이트의 온도, 재료 및 엠보싱 몰드의 형상에 따라 변화한다. 더욱이, 패터닝 공정 후의 냉각 방법은 중합체 막 상에서 패턴의 형상에 영향을 미친다.
종래의 핫 엠보싱 공정에서 엠보싱 스탬프 또는 롤러는 원하는 패턴으로 엠보싱될 수 있으며, 엠보싱 몰드는 동일한 패턴을 폴리머 필름 표면에 연속하여 인쇄하는데 사용될 수 있다. 이 기능은 대량 생산뿐만 아니라 폴리머 필름10,,11,,12,,13,,14와같은 부드러운 재료로 장치를 제작하는 데적합합니다. 그러나, 종래의 핫 엠보싱 방법은 엠보싱 몰드에 새겨진 단일 패턴만을 만들 수 있다. 따라서 사용자가 새 패턴을 만들거나 패턴을 수정하려는 경우 새 금형을 만들어 각인 패턴을 수정해야 합니다. 이러한 이유로 기존의 핫 엠보싱은 새로운 패턴을 만들거나 기존 설계를 대체할 때 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다.
이전 작품은 실시간으로 다양한 폭과 깊이도 도트 패턴을 생성하기위한 충격 형 핫 엠보싱 프로세스를 도입15. 기존의 핫 엠보싱 공정과 달리 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 방법은 임팩트 헤더를 사용하여 폴리머 필름에 패턴을 생성합니다. 이 기술은 정밀 한 위치 결정 시스템을 통해 임팩트 헤더를 원하는 위치로 이동합니다. 제어 신호는 원하는 폭과 깊이와 임의의 위치에서 패턴을 인쇄하는 데 적용됩니다. 충격 헤더의 구조는 무버, 스프링, 코일 권선 및 코어(그림 1 A참조)(그림 1A)로구성됩니다. 이전 작업은 분석 및 실험을 통해 이러한 충격 헤더가 핫 엠보싱에 대한 적절한 힘을 생성할 수 있음을확인하였다. 이 백서의 프로토콜은 충격 유형 핫 엠보싱 프로세스에 대한 하드웨어 설계와 공정 제어를 위한 제어 환경을 다룹니다. 또한 PET 필름, PMMA 필름 및 PVC 필름의 도트 패턴을 분석하여 제안된 프로토콜로 처리하여 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 프로세스가 다양한 폭과 깊이의 도트 패턴을 실시간으로 생성할 수 있는지 확인합니다. 이러한 실험의 결과는 엠보싱 공정이 초미세 패턴을 적절히 생성할 수 있음을 확인하는 결과 섹션에 아래에 제시되어 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서는 임팩트 프린트 형 핫 엠보싱 공정을 구현하고 다양한 폭과 깊이를 가진 도트 패턴을 다양한 폴리머 필름에 실시간으로 새겨 두는 작업을 실시했습니다. 프로토콜 단계 중 두 단계는 모든 단계 중에서 중요하게 고려해야 합니다. 첫 번째는 열판의 온도 설정(단계 3.3.3)이고, 두 번째는 충격 헤더의 초기 위치설정(단계 3.5.1)이다. 3.3.3단계에서, 열판의 온도가 너무 높으면, 필름의 점도?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 산업통상자원부(MOTIE)를 통해 “전도성 나노 복합소재를 이용한 전도성 층용 충격인쇄형 핫 엠보싱 기술 개발”(N046100024, 2016)을 통해 지원된다.
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 |
Referenzen
- 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).
