滾動壓印關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本文旨在對基于紫外光固化的滾動壓印關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　探索成本低、實(shí)用性強(qiáng)、使用方便的滾動壓印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作方法，研制一套紫外滾動壓印系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)的快速復(fù)制。利用這套設(shè)備研究了滾動壓印過程中各主要工藝參數(shù)對壓印質(zhì)量的影響規(guī)律，進(jìn)而建立了相關(guān)數(shù)值模型并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對滾壓印工藝進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在空氣環(huán)境下利用廉價的工業(yè)用UV光固化樹脂進(jìn)行高質(zhì)量微結(jié)構(gòu)批量復(fù)制。最后探索了滾壓印工藝與其他多種加工技術(shù)結(jié)合的可能性和相關(guān)方法，拓展了

2、滾壓印技術(shù)的應(yīng)用。主要研究工作如下:
　　在研制滾動壓印裝置時，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并制作了各功能模塊:張緊，涂膠，壓印，卷收、調(diào)節(jié)等模塊，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可方便組合、配置不同的系統(tǒng)。經(jīng)多次調(diào)整，改進(jìn)，最后，選定了一種牽引式、壓輥隨動，輔以橡膠棒調(diào)整間隙的輥涂式系統(tǒng)，開展以倒“V”形狀圖形為例的滾壓工藝研究。
　　對滾動壓印裝置的核心部件——壓輥模具的設(shè)計(jì)和制作方法展開了研究。這些方法包括超精密機(jī)床直接加工法;平面模具

3、包覆于圓柱面的生成法;旋轉(zhuǎn)光刻結(jié)合微細(xì)電鑄法;以及結(jié)合3D打印、PDMS澆鑄和微液滴法等技術(shù)的制作法。用各加工法制作了壓輥，進(jìn)行了滾壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，超精密機(jī)床加工方式生成模具精度高，分辨率高，耐用性好，但成本高;旋轉(zhuǎn)光刻法兼具機(jī)床加工與平面模具包覆的優(yōu)點(diǎn)，可以得到無間隙模具，但輔助曝光工藝復(fù)雜，且圖形精度受曝光時的衍射作用限制及圖形從平面掩膜向圓柱面上轉(zhuǎn)移時的變形的影響;結(jié)合3D打印等技術(shù)制作壓輥，工藝簡單且周期短，成本低，但精度不高

4、。本研究的壓滾實(shí)驗(yàn)主要采用在美國Nanotechnology LLC公司的350FG超精密機(jī)床加工的鎳質(zhì)壓輥。
　　觀察、研究滾動壓印過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重影響壓印圖形質(zhì)量的現(xiàn)象及其成因，探討有效解決途徑。在滾動壓印實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)影響壓印圖形質(zhì)量的主要是氣泡現(xiàn)象。氣泡明顯呈現(xiàn)無規(guī)則性及有規(guī)則性兩種狀態(tài)，無規(guī)則的氣泡散亂地散布圖形各處，有規(guī)則的氣泡則多出現(xiàn)在壓印圖形的邊棱上。針對氣泡缺陷，利用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法展開的研究有1）針對

5、不規(guī)則氣泡，研究發(fā)現(xiàn)，不規(guī)則氣泡是因膠液在壓印前就混入了氣泡所致，該現(xiàn)象發(fā)生在包括膠液的傾倒，滾動涂膠和壓印前膠液的駐留等環(huán)節(jié)。2）探求抑制不規(guī)則氣泡對策:實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)采用微滴法涂膠代替輥涂法可有效消除無規(guī)則氣泡。3）針對有規(guī)律的氣泡，仿真研究發(fā)現(xiàn)，規(guī)則氣泡是在滾壓過程中產(chǎn)生的，與膠液粘度、圖形的深寬比，壓輥與PET薄膜的間隙，膠液與模具之間以及膠液與基底之間的接觸角等因素有關(guān)。4）進(jìn)一步的研究表明存在不產(chǎn)生氣泡的壓印速度和即使產(chǎn)生了氣

6、泡但能逃逸的最大速度，該速度隨UV膠液粘度、圖形深寬比、壓印間隙、模具與膠液間的接觸角值的變大而變小。但膠液與基底的接觸角變化則影響很小。因此適當(dāng)控制工藝參數(shù)，可以消除規(guī)則氣泡的發(fā)生。
　　對滾動壓印的應(yīng)用研究中主要嘗試了平面分布的微透鏡陣列和半橢球透鏡的制作。微透鏡陣列呈周向分布，所有透鏡的焦點(diǎn)分布在球面上，可用于加工球面微結(jié)構(gòu)。透鏡陣列經(jīng)ZEMAX優(yōu)化設(shè)計(jì)，其母模具用單點(diǎn)金剛石車床(NanotechFG350)制作，翻印成PD