확장 가능한 우표 인쇄 및 Hemiwicking 표면의 제조

요약

간단한 프로토콜은 다양 한 크기, 모양 및 물자의 hemiwicking 구조체의 제작을 위해 제공 됩니다. 프로토콜 물리적 스탬프, 성형, PDMS 및 일반적인 재료 증 착 기술을 통해 박막 표면 수정의 조합을 사용 합니다.

초록

Hemiwicking 액체의 정상적인 일로 길이 모 세관 작용 및 imbibition의 조합 넘어 패턴화 된 표면을 늦으면 과정 이다. 이 일로 현상 생리학에서 항공 우주 공학에 이르기까지 많은 기술 분야에서 중요 하다. 현재, 몇 가지 다른 기술을 hemiwicking 구조를 날조를 위한 존재 한다. 그러나 이러한 전통적인 방법,, 시간이 소모 되는 고 어려운 넓은 영역에 대 한 최대 규모 또는 특정, nonhomogeneous 패턴 형상에 대 한 사용자 지정 하기가 어렵습니다. 제시 프로토콜에는 간단한, 확장 가능한, 연구자 및 마이크로 패턴 hemiwicking 표면 날조를 위한 비용 효율적인 방법을 제공 합니다. 메서드를 통해 우표 인쇄,입니다 (PDMS) 성형, 및 박막 표면 코팅 wicking 구조 제조. 프로토콜은 hemiwicking는 70 nm 두께 알루미늄 박막으로 코팅 된 PDMS micropillar 배열에 에탄올에 대 한 설명 했다.

서문

최근 활발히 그리고 수 동적으로 젖 음, 증발, 조절할 수 있게 되 고 체액의 혼합에 대 한 관심 증가 되었습니다. 독특한 질감된 hemiwicking 표면 질감된 표면 이동 부분 없이 액체 (또는 열) 펌프 역할을 하기 때문에 기술을 냉각을 위한 새로운 솔루션을 제공 합니다. 이 움직임은 액체 얇은 필름의 동적 곡률와 관련 된 모 세관 작업 이벤트의 의해 구동 됩니다. 일반적으로 때 액체 단단한 표면 늦으면, 곡선된 액체 얇은-영화 (즉, 액체 초승달 모양) 급속 하 게 형성 한다. 유체 두께 곡률 프로필 무료 에너지 최소값에 도달할 때까지 진화. 참고로,이 동적 일로 프로필 수 급속 하 게 수십 나노미터의 두께 수십 마이크로미터의 스패닝 (유체-젖 음) 길이 규모 내에 붕괴 됩니다. 따라서,이 전환 (액체 필름) 지역 액체 인터페이스 곡률에 상당한 변화를 받을 수 있습니다. 과도 (박막) 지역은 거의 모든 동적 물리학 및 화학 유래입니다. 특히, 과도 (박막) 지역 최대 (1) 증발 비율, (2) 창피 가입 압력 기온 변화도, 및 (3) 액체 정역학 압력 기온 변화도^1,2발견 되는. 그 결과, 곡선된 액체-영화 열 전송, 단계 분리, 유체 불안정성, 및 다 성분 액체의 혼합에 중요 한 역할을 재생 합니다. 예를 들어, 열 전달에 관하여 가장 높은 벽 열 플럭스가 높은 곡선, 과도 박막 지역^3,4,5,,67에 관찰 되었습니다.

최근 hemiwicking 연구는 형상 (예를 들어, 높이, 직경, 등) 및 기둥 배치 결정 일로 전면 프로필과 구조⁸통해 실행 하는 액체의 속도으로 나타났습니다. 유체 전면 배열에서 마지막 구조 끝 증발, 증발된 액체 wicking 구조⁹에 저장 된 액체에 의해 대체 되는 일정 한 거리와 곡률, 유체 전면 유지 됩니다. Hemiwicking 구조 또한 사용 되었습니다 열 파이프에 끓는 표면에 분석 하 고 다른 열 전달 메커니즘을 강화. ^{10 , 11 , 12}.

현재 wicking 구조를 만드는 데 사용 하는 한 가지 방법은 열 인쇄물 리소 그래피¹³입니다. 이 방법은 열가 소성 폴리머 스탬프 실리콘 몰드 샘플에 저항 층으로 원하는 레이아웃을 스탬프 다음은 마이크로 구조를 유지 하기 위해 스탬프를 제거 하 여 수행 됩니다. 일단 제거, 샘플 반응성 이온 에칭 초과 저항 레이어^14,15중 하나를 제거 하는 과정을 통해 들어가게 된다. 그러나이 프로세스는, wicking 구조의 제조의 온도에 민감한 수 있으며 wicking 구조¹⁶의 정확도 보장 하기 위해 다양 한 코팅을 활용 하는 여러 단계를 포함. 그것은 또한 리소 그래피 기술 하지 않은 매크로 스케일 패턴;에 대 한 실용적인 케이스 그들은 여전히 제공 하는 표면에 마이크로 구조의 패턴을 만들 수 있는 방법,이 절차의 처리량 보다 훨씬 대규모 복제에 이상적입니다. 대규모, 재현 텍스처링, 회전 또는 딥 코팅 등을 고려 하면은 제어 패턴의 고유한 부족이 이다. 이러한 방법은 대상 표면에 마이크로 구조의 무작위 배열 만들지만 전통적인 리소 그래피 기술¹⁷보다 훨씬 더 큰 영역을 커버를 확장할 수 있습니다.

이 보고서에서 제시 된 프로토콜; 각각의 특정 약점을 동시에 제거 하는 동안 전통적인 텍스처링 방법의 힘을 결합 하려고 그것은 다양 한 높이, 모양, 방향, 및 매크로-규모와 잠재적으로 높은 처리량을 가진 자료의 사용자 지정 hemiwicking 구조를 조작 하는 방법을 정의 합니다. 다양 한 wicking 패턴 최적화 wicking 특성, 유체 속도, 전파, 및 다른 체액의 혼합의 방향 제어 등의 목적으로 신속 하 게 만들 수 있습니다. 다른 wicking 구조체의 사용 또한 다양 한 박막 두께 곡률 프로필 다른 두께와 열 및 대량 전송 사이의 커플링을 체계적으로 공부 하는 데 사용할 수 있습니다. 및 액체의 곡률 프로필을 제공할 수 있습니다. 초승달 모양입니다.

프로토콜

1. 패턴 지도 만들기

1. 그래픽 편집기를 사용 하 여 비트맵 이미지를 표시 하는 hemiwicking 구조에 대 한 원하는 패턴을 만듭니다.
   참고: 일부 wicking 설계 매개 변수 (즉, 각도 기울기, 깊이 그라데이션) 각 픽셀에 할당 된 회색조 값에 종속 되도록 만들 수 있습니다. 회색 음영 값이 다음 원하는 매개 변수를 수정 하려면 편집 됩니다.
2. 휴대용 네트워크 그래픽 (.png)으로 비트맵을 저장 하 고 쉽게 사용할 수 있는 폴더에 파일을 배치.

2. 배치 플라스틱 성형에 대 한 스탬프

1. 팁 (+z 변위, 그림 1)의 파손을 일으킬 수 있는 어떤 우발적인 접촉을 피하기 위해 작업 영역에서 각 인 비트 변환 하 여 시작 합니다.
2. 스탬핑 금형/웨이퍼 위한 후속 x, y 번역 단계에서 백업 플레이트에 플라스틱 고정 ( 그림 1참조). 보안 샘플/백 판에 x, y 동력 박판 단계 (그림 1)
3. 각 인 비트의 각 인 축과 플라스틱 금형/웨이퍼의 중심을 맞춥니다. 이것은 성취 를 통해 전산화 ±x 및 ±y 변위 x, y 동력 프레스 단계 이다.
4. 플라스틱 몰드/웨이퍼 향해 스탬프 비트 번역 (-z 변위, 그림 1) 각 인 비트 형/웨이퍼 표면 접촉 거의 될 때까지.

3. PDMS 성형에 대 한 플라스틱 샘플 스탬프

1. 스탬프 컴퓨터 제어 프로그램을 사용 하 여 각 인 비트 (팁) 및 플라스틱 금형/웨이퍼 표면 사이의 거리를 설정 합니다.
2. 작은 단위로 각 인 비트 번역 (-δz 변위, 그림 1) 금형 플라스틱 접촉 될 때까지 샘플의 표면 쪽으로.
   참고: 비트만 가볍게 접촉 표면 해야합니다.
3. 접촉 후 접촉을 피하기 위해 모든 가능한 비트와 샘플 사이의 후속 번역 (δz ≈ 100 μ m) 중 샘플에서 스탬프 비트 번역.
4. 픽셀 거리 (미크론), 최대 및 최소 구멍 깊이 (미크론)에서 최대 및 최소 각도 (도), 패턴, 그리고 스탬프에 대 한 어떤 회색조 연결 된 패턴에 대 한 픽셀 임계값의 초기 x 및 y 픽셀 위치 지정 절차입니다.
5. 프로그램에서 읽을 수를 모방 하는 지도 (단계 1.1에서에서 만든) 업로드. 픽셀 거리와 패턴화 지도에 따라, 모든 우표의 위치는 스테퍼 모터로 전송 됩니다.
6. 난방 레이저 각 인 비트의 팁에 초점을 맞추고, 각 인 비트는 이동 그리고 플라스틱 금형에만 활성화 확인 하십시오.
7. 다음 원하는 hemiwicking 패턴을 달성 하기 위해 모방 하는 지도 하는 동안 플라스틱으로 비트를 눌러 구멍을 만듭니다.
8. 후속 표면 마무리 연마에 대 한 스탬프 플라스틱 금형을 제거 합니다.
9. 9000 모래, 미세한 습식/건식 샌드 페이퍼를 사용 하 여 플라스틱 금형의 표면 폴란드어.
   참고: 또는, 마이크로 메쉬 연마 사용할 수 있습니다 그 원인 cratering PDMS 몰드에 기둥 주위 표면 예금의 제거를 위해.

4. PDMS 성형 만들기

1. 비 커에 기본 탄성 중합체의 2 세대 및 고무 경화제 0.2 g을 부 어와 3 분 동안 철저 하 게 함께 섞는다.
2. 혼합물;에 모든 공기 거품을 공개 하는 대피 챔버로 섞어 배치 이 단계는 여러 번 반복 할 수 있습니다.
   참고: 볼륨 요구 사항을 다양 한 샘플에 대 한 10:1 비율을 유지 하면서 필요에 따라 기본 및 경화 에이전트의 크기를 조정 합니다.
3. 이상적으로 하지 훨씬 발생 하 치료에 대 한 형의 외부 직경 보다 큰 벽으로 둘러싸인된 컨테이너에 스탬프 플라스틱 금형을 놓습니다.
4. 스탬프 플라스틱에 공기 주머니는 컨테이너 내에서 무료 PDMS 혼합물을 붓는 다. PDMS 혼합물을 동등 하 게 가능한 배포 하려고 스탬프 영역의 중앙에서 시작 하는 나선형에 붓는 다.
5. 스탬프 패턴에 혼합물을 따르고에서 형성 수 있습니다 모든 공기 주머니를 4.2 단계를 반복 합니다. PDMS 혼합물 및 뜨거운 접시에 스탬프 패턴으로 플라스틱 조각을 놓고 15 분 동안 100 ° C에서 어셈블리를 열. 다음 65 ° c.에 추가 25 분이 열
6. 쿨을 처리 하기 전에 20 분 치료 PDMS 혼합물을 허용 한다.
7. 컨테이너 벽에서 PDMS 플라스틱의 가장자리를 잘라내어 PDMS 플라스틱 금형에서 제거. PDMS 플라스틱 표면에 수집에서 먼지 입자를 피하기 위해 덮여 컨테이너에 저장 합니다.

5.는 PDMS에 박막 금속 입금

1. 열리고 닫히는 게 셔터에 대 한 충분 한 공간을 가리지 떠나 증 착 챔버 내부 샘플 PDMS를 놓습니다.
2. 적어도 10 mTorr 증 착 챔버 depressurize
3. 드라이 펌프 시스템 참여 고 75 kRPM에 회전 속도 설정 합니다. 챔버 압력 10^-8 Torr 순서에 도달 하실 수 있습니다.
   참고:이 챔버;에서 대부분 오염 물질을 제거 합니다. 과정 완료에 12 h까지 걸릴 수 있습니다.
4. 냉각기에 전원 및 DC 전원 공급 및 W. 55 힘 설정
5. 아르곤 밸브를 조금 열고 10^-3 Torr 순서 챔버 압력. 드라이 펌프 시스템 50 kRPM 설정 하 고이 설정된 속도 달성 될 때까지 기다립니다.
6. 35 W 전력을 절약 하 고 depressurize 13 mTorr 챔버. 붙 였을까 플라즈마 셔터를 열고 타이머를 시작 합니다.
   참고: 붙 였을까 플라즈마, 백열 빛을 주어 야 한다. 영화 예금의 원하는 두께 대 한 타이머를 설정 해야 합니다. 그것은 35 W와 약 13 mTorr의 압력, 분당 7 nm 증 착 속도 예상 결정 되었습니다.
7. 원하는 필름 두께 달성 되 면 셔터를 닫고 전원 공급 장치를 해제 합니다.
8. 증 착 챔버 내 밸브의 모든 닫고 건조 펌프 시스템을 해제 합니다. 완전 한 정지에와 서 드라이 펌프 팬에 대 한 시간을 허용 합니다.
9. 천천히 로컬 대기 압력에 도달할 때까지 챔버 압력 하 고 미래 실험을 위해 그것을 저장 하는 샘플을 제거 합니다.

결과

그림 1 스탬프 메커니즘 만드는 방법 wicking 구조에 대 한 금형 플라스틱 금형에의 회로도를 제공 합니다. Wicking 필름 제조 스탬프 기구의 품질 조사, 두 개의 다른 기둥 배열 미래 wicking 실험에 대 한 기둥의 품질을 분석 하 창조 되었다. 조사 기구의 측면 했다 (와 깊이 그라데이션 없이) 기둥, PDMS 성형 후 기둥의 품질, 기둥 스퍼터 증 착 처리 후의 품?...

토론

Hemiwicking 구조용; 꽃무늬 기둥 배열을 만드는 방법 도입 되었습니다. 이것은 각 인 조각 장치는 사용자가 만든 비트맵에서 패턴화 된 플라스틱 웨이퍼에 충 치에 의해 수행 됩니다. PDMS 혼합물은 부, 치료 그리고 박막 증 착을 통해 알루미늄으로 코팅 된. 기둥 배열 특성이이 프로토콜에 따라 비트맵에서 할당 된 그레이 스케일 값에 따라 사용자 지정할 수 있습니다. 패턴의 중요 한 측면 열 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
NI-DAQ 9403	National Instruments	370466AE-01	The communication interface between the camera and the control switch for the laser.
Control Switch	Crouzet	GN84134750	A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ.
Flea Camera	FLIR	FL3-U3-120S3C-C	A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold.
Flea Imaging Camera	Point Grey	FL3-U3-20E4M-C	A flea camera used for obtaining the side images of the pillars.
200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2)	AdaFruit	324	The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill.
10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective	Mitutoyo	#46-144	The objective used to get the image of the side of the pillars.
15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective	TechSpec	#58-417	The objective used to get the image of the top of the pillars.
72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill	Harvey Tools	72002	The drill bit that was used to create holes in the plastic mold.
DC Power Delivery at 1 kW	Advanced Energy	MDX-1K	Used to power the deposition sputterer.
Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump	Varian	9699336	Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber.
2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser	WDLasers	KREE	Sample Heating Laser
5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections	McMaster-Carr	2204K5	PDMS Dessicator
SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit	Dow-Corning	4019862	The PDMS Kit used to make the base.
Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump	Gast	DOL-701-AA	Dessicator Vacuum Pump
Motorized Linear Stages (2x)	Standa	8MT175	The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction.
2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm	ThorLabs	AC508-150-A	The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars.
Flea 3 Mono  Camera, 2448 X 2048 Pixels	Point Grey	FL3-GE-50S5M-C	A flea camera used for imiaging the top of the pillars.
Digital Vacuum Transducer	Thyrcont Vacuum Instruments	4940-CF-212734	Used for monitoring pressure inside deposition chamber.
Pressurized Argon Tank Resovoir	Airgas	AR RP300	Gas used in deposition process.
1-D Translation Stage	Newport Corporation	TSX-1D	A translation stage used to move the camera to focus on the end mill.
Cylindrical Laser Mount (x2)	Newport Corporation	ULM-TILT-M	The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill.
Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz	Polyscience	LS51MX1A110C	A chiller used for the deposition assembly.
Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase	Ideal Vacuum Products	210SDMLAM-XP	A vacuum pump used for the deposition assembly.
Fan, 105 CFM, 115 V (x2)	Comair Rotron	MU2A1	A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly.