Studio di un processo di modellazione di punti su materiali flessibili utilizzando la tecnologia di embossing a caldo di tipo di stampa di impatto

I ricercatori stanno attivamente tentando di miniaturizzare i dispositivi e i display esistenti e aumentano la flessibilità di questi dispositivi^1,2. Per ridurre la larghezza e la profondità dei canali elettrici alla micro o nanoscala, è necessaria una tecnologia ad alta precisione. Inoltre, per aumentare la flessibilità di questi dispositivi, i modelli dei canali elettrici devono essere posizionati su un materiale flessibile, come una pellicola polimerica^3,4. Per soddisfare queste condizioni, è attivamente in corso lo studio della tecnologia di microprocessing ultrafine.

La tecnologia di microfabbricazione ultrafine ha un vantaggio in quanto i possibili materiali di modellazione includono non solo materiali altamente rigidi come ferro o plastica, ma anche materiali morbidi come le pellicole polimeriche. A causa di questi vantaggi, questa tecnologia è ampiamente utilizzata come processo di base in vari campi, come le comunicazioni, la chimica, l’ottica, l’aerospaziale, il semiconduttore e i sensori^5,6,7. Nel campo della microlavorazione ultrafine, vengono utilizzati i metodi LIGA (litografia, elettroplastica e stampaggio) o di microlavorazione⁸. Tuttavia, questi metodi convenzionali sono associati a diversi problemi. I metodi LIGA richiedono una notevole quantità di tempo e diversi passaggi di processo per creare modelli ultrafini e incorrere in un costo elevato anche perché hanno bisogno di molti tipi diversi di apparecchiature durante i processi. Inoltre, i metodi LIGA utilizzano sostanze chimiche che possono inquinare l’ambiente.

Per risolvere questo problema, la tecnologia di processo di rilievo a caldo è stata messa in evidenza tra le tecnologie di microprocesso ultrafine. L’embossing a caldo è una tecnologia che crea un modello su una pellicola polimerica riscaldata utilizzando uno stampo in rilievo a micro o nanoscala. La tecnologia di goffratura a caldo convenzionale è suddivisa nel tipo di piastra e nel tipo roll-to-roll a seconda della forma dello stampo. I due tipi di tecnologia di goffratura a caldo sono diversi in termini di forma dello stampo, ma questi due processi sono simili in quanto lo stampo in rilievo preme la pellicola polimerica su una piastra riscaldata per incidere un modello sulla pellicola polimerica. Per incidere il modello utilizzando il processo di goffratura a caldo, è necessario riscaldare la pellicola polimerica sopra la temperatura di transizione del vetro e applicare una quantità adeguata di pressione (30-50 MPa)⁹. Inoltre, la larghezza e la profondità del modello cambiano a seconda della temperatura della piastra riscaldata, del materiale e della forma dello stampo in rilievo. Inoltre, il metodo di raffreddamento dopo il processo di modellazione influisce sulla forma del modello sulla pellicola polimerica.

Nel processo di goffratura a caldo convenzionale, i francobolli o i rulli di goffratura possono essere sbalzati con il modello desiderato e lo stampo in rilievo può essere utilizzato per stampare lo stesso modello su superfici di pellicola polimerica in modo continuo. Questa caratteristica rende questo processo adatto non solo per la produzione di massa, ma anche per la fabbricazione di dispositivi con materiali morbidi, come pellicole polimeriche^{10,11,12,13,14}. Tuttavia, il metodo convenzionale di goffratura a caldo può creare solo il singolo modello inciso nello stampo in rilievo. Pertanto, quando l’utente desidera creare un nuovo modello o modificare il modello, deve creare un nuovo stampo per modificare il modello di imprinting. Per questo motivo, l’embossing a caldo convenzionale è costoso e richiede molto tempo quando si creano nuovi modelli o si sostituiscono i progetti esistenti.

I lavori precedenti hanno introdotto il processo di goffratura a caldo di tipo impatto per la produzione di modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale¹⁵. A differenza del processo di goffratura a caldo convenzionale, il metodo di goffratura a caldo di tipo di stampa utilizza un’intestazione di impatto per creare modelli sulla pellicola polimerica. Questa tecnologia sposta l’intestazione di impatto nella posizione desiderata con un sistema di posizionamento di precisione. Un segnale di controllo viene applicato ai pattern di stampa a una larghezza e profondità desiderate e a una posizione arbitraria. La struttura dell’intestazione d’impatto è costituita da un motore, una molla, un avvolgimento della bobina e un nucleo (vedere Figura 1A)¹⁵. Il lavoro precedente ha confermato attraverso un’analisi e l’esperimento che tale intestazione di impatto può produrre la forza appropriata per il rilievo a caldo¹⁶. Il protocollo di questo documento riguarda la progettazione dell’hardware per il processo di sbalzo a caldo di tipo impatto e l’ambiente di controllo per il controllo del processo. Inoltre, analizziamo i modelli di punti su pellicola PET, pellicola PMMA e pellicola in PVC, tutti elaborati con il protocollo proposto per verificare che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa possa creare modelli di punti con varie larghezze e profondità in tempo reale. I risultati di questi esperimenti sono presentati di seguito nella sezione dei risultati, confermando che il processo di goffratura può produrre opportunamente modelli ultrafini.