Summary

Estudio de un proceso de patrón de puntos en materiales flexibles utilizando la tecnología de grabado en caliente de tipo de impresión de impacto

Published: April 06, 2020
doi:

Summary

La tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un cabezal de impacto para grabar patrones de puntos en materiales flexibles en tiempo real. Esta tecnología cuenta con un sistema de control para controlar el movimiento on-off y la posición del cabezal de impacto para crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en diferentes películas de polímeros.

Abstract

Aquí presentamos nuestro estudio sobre un proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto que puede crear patrones de puntos con varios diseños, anchos y profundidades en tiempo real en película de polímero. Además, implementamos un sistema de control para el movimiento on-off y la posición del encabezado de impacto para grabar diferentes patrones de puntos. Realizamos patrones de puntos en varias películas de polímeros, como película de poliéster (PET), película de polimetilmetacrilato (PMMA) y película de cloruro de polivinilo (PVC). Los patrones de puntos se midieron utilizando un microscopio confocal, y confirmamos que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto produce menos errores durante el proceso de patrón de puntos. Como resultado, el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto se encuentra adecuado para el grabado de patrones de puntos en diferentes tipos de películas de polímeros. Además, a diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, este proceso no utiliza un sello de relieve. Por lo tanto, el proceso es simple y puede crear patrones de puntos en tiempo real, presentando ventajas únicas para la producción en masa y la producción por lotes de pequeña cantidad.

Introduction

Los investigadores están intentando activamente miniaturizar los dispositivos y pantallas existentes y aumentar la flexibilidad de estos dispositivos1,2. Para reducir la anchura y la profundidad de los canales eléctricos a la escala micro o nano, es necesaria una tecnología de alta precisión. Además, para aumentar la flexibilidad de estos dispositivos, los patrones de los canales eléctricos deben estar situados en un material flexible, como una película de polímero3,4. Para cumplir con estas condiciones, el estudio de la tecnología de microprocesamiento ultrafino está en marcha activamente.

La tecnología de microfabricación ultrafina tiene una ventaja en que los posibles materiales de patrón incluyen no sólo materiales altamente rígidos como hierro o plástico, sino también materiales blandos como películas de polímeros. Debido a estas ventajas, esta tecnología es ampliamente utilizada como un proceso central en diversos campos, tales como comunicaciones, química, óptica, aeroespacial, semiconductor, y sensores5,6,7. En el campo de microprocesamiento ultrafino, SE utilizan los métodos LIGA (litografía, galvanoplastia y moldeo) o micromecanizado8. Sin embargo, estos métodos convencionales están asociados con varios problemas. Los métodos LIGA requieren una cantidad considerable de tiempo y varios pasos de proceso para crear patrones ultrafinos e incurrir en un alto costo, ya que también necesitan muchos tipos diferentes de equipos durante los procesos. Además, los métodos LIGA utilizan sustancias químicas que pueden contaminar el medio ambiente.

Para abordar este problema, la tecnología de procesos de grabado en caliente se ha destacado entre las tecnologías de microprocesos ultrafinas. El grabado en caliente es una tecnología que crea un patrón en una película de polímero calentada utilizando un molde de relieve a micro o nanoescala. La tecnología convencional de grabado en caliente se divide en el tipo de placa y el tipo de rollo a rollo dependiendo de la forma del molde. Los dos tipos de tecnología de grabado en caliente son diferentes en términos de la forma del molde, pero estos dos procesos son similares en que el molde de grabado presiona la película de polímero en una placa calentada para grabar un patrón en la película de polímero. Para grabar el patrón utilizando el proceso de grabado en caliente, es necesario calentar la película de polímero por encima de la temperatura de transición del vidrio y aplicar una cantidad adecuada de presión (30–50 MPa)9. Además, la anchura y la profundidad del patrón cambian dependiendo de la temperatura de la placa calentada, el material y la forma del molde de relieve. Además, el método de enfriamiento después del proceso de patrón afecta a la forma del patrón en la película de polímero.

En el proceso de grabado en caliente convencional, los sellos o rodillos de relieve se pueden grabar con el patrón deseado, y el molde de relieve se puede utilizar para imprimir el mismo patrón en superficies de película de polímero continuamente. Esta característica hace que este proceso sea adecuado no sólo para la producción en masa, sino también para la fabricación de dispositivos con materiales blandos, tales como películas de polímero10,11,12,13,14. Sin embargo, el método de grabado en caliente convencional solo puede crear el patrón único grabado en el molde de relieve. Por lo tanto, cuando el usuario desea crear un nuevo patrón o modificar el patrón, debe crear un nuevo molde para modificar el patrón de impresión. Por esta razón, el grabado en caliente convencional es costoso y consume mucho tiempo al crear nuevos patrones o reemplazar diseños existentes.

El trabajo anterior introdujo el proceso de grabado en caliente de tipo impacto para producir patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real15. A diferencia del proceso de grabado en caliente convencional, el método de grabado en caliente de tipo impresión de impacto utiliza un encabezado de impacto para crear patrones en la película de polímero. Esta tecnología mueve el cabezal de impacto a la posición deseada con un sistema de posicionamiento de precisión. Una señal de control se aplica a los patrones de impresión en la anchura y profundidad deseadas y en una posición arbitraria. La estructura de la cabecera de impacto consta de un movimiento, un muelle, un bobinado y un núcleo (véase la figura 1A)15. Trabajos anteriores confirmados a través de un análisis y experimento que tal encabezado de impacto puede producir la fuerza adecuada para el grabado en caliente16. El protocolo de este documento cubre el diseño del hardware para el proceso de grabado en caliente de tipo impacto y el entorno de control para el control del proceso. Además, analizamos los patrones de puntos en película PET, película PMMA y película de PVC, todos los cuales se procesan con el protocolo propuesto para verificar que el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto puede crear patrones de puntos con varios anchos y profundidades en tiempo real. Los resultados de estos experimentos se presentan a continuación en la sección de resultados, confirmando que el proceso de grabado puede producir patrones ultrafinos adecuadamente.

Protocol

1. Fabricación del proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto Haga el modelo 1 y combínelo con una etapa X (consulte la figura 1).NOTA: Se recomienda que el Modelo 1 esté hecho de aluminio para evitar que el calor se lleve a cabo en la etapa X. Además, se recomienda que la longitud del Modelo 1 sea la distancia entre la superficie de la placa de calor y la altura más baja de la placa de rodamiento de la etapa Z, ya que el diseño del Modelo 1 varía con e…

Representative Results

El proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto es un proceso que se puede utilizar para grabar patrones de puntos en una película de polímero en tiempo real, como se muestra en la Figura 1. Este proceso puede resolver los problemas del alto costo y los largos tiempos para el reemplazo de patrones asociados con el proceso de grabado en caliente existente. Se construyó un circuito de control, como se muestra en la Figura 2 (consulte los pasos 2…

Discussion

En este estudio, implementamos el proceso de grabado en caliente de tipo impresión de impacto y patrones de puntos grabados con varios anchos y profundidades en una gama de películas de polímeros en tiempo real. Entre los pasos del protocolo, dos pasos deben ser considerados críticamente entre todos los pasos. El primero es el ajuste de la temperatura de la placa de calor (paso 3.3.3), y el segundo es el ajuste de la posición inicial del encabezado de impacto (paso 3.5.1). En el paso 3.3.3, si la temperatura de la p…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación está respaldada por el proyecto titulado “Desarrollo de la tecnología de grabado en caliente de tipo impresión de impacto para una capa conductora utilizando materiales nanocompuestos conductores” a través del Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) de Corea (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

Referencias

  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).

Play Video

Citar este artículo
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).

View Video