滾動(dòng)壓印關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本文旨在對(duì)基于紫外光固化的滾動(dòng)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(dòng)壓印系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作方法，研制一套紫外滾動(dòng)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(dòng)壓印過程中各主要工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(jià)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(dòng)壓印裝置時(shí)，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(dòng)，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(duì)滾動(dòng)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(shí)的衍射作用限制及圖形從平面掩膜向圓柱面上轉(zhuǎn)移時(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)

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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)滾動(dòng)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