Name: study of a dot-patterning process on flexible materials using impact print-type hot embossing technology
Uploaded: 2020-04-06T14:00:00
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Cette recherche est soutenue par le projet intitulé « Développement de la technologie de gaufrage à chaud de type impression d’impact pour une couche conductrice utilisant des matériaux nano-composites conducteurs » par l’intermédiaire du Ministère coréen du commerce, de l’industrie et de l’énergie (MOTIE) de Corée (N046100024, 2016).

1. Fabrication du processus de gaufrage chaud de type impression d’impact
<ol><li>Faire le modèle 1 et le combiner avec un X-stage (voir la figure 1). REMARQUE : Il est recommandé que le modèle 1 soit fait d’aluminium pour éviter que la chaleur ne soit conduite sur le stade X. En outre, il est recommandé que la longueur du modèle 1 soit la distance entre la surface de la plaque de chaleur et la plus faible hauteur de la plaque de roulement de l’étape Z que la conception du ...

<ol>
	<li>Lee, S. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2018+Optical+Fiber+Communications+Conference+and+Exposition+(OFC).">2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC).</a> IEEE. , 1-3 (2019).</li><li>Yang, D., Pan, L., Mu, T., Zhou, X., Zheng, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fabrication+of+electrochemical+geophone+based+on+FPCB+process+technology.">The fabrication of electrochemical geophone based on FPCB process technology.</a> Journal of Measurements in Engineering. 5 (4), 235-239 (2017).</li><li>Fukuda, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+printed+high-performance+organic+thin-film+transistors+and+circuitry+on+one-micron-thick+polymer+films.">Fully printed high-performance organic thin-film transistors and circuitry on one-micron-thick polymer films.</a> Nature Communications. 5, 4147 (2014).</li><li>Sekitani, T., Zschieschang, U., Klauk, H., Someya, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+organic+transistors+and+circuits+with+extreme+bending+stability.">Flexible organic transistors and circuits with extreme bending stability.</a> Nature Materials. 9 (12), 1015 (2010).</li><li>Zamkotsian, F., Dohlen, K., Burgarella, D., Ferrari, M., Buat, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=International+Conference+on+Space+Optics-ICSO+2000.">International Conference on Space Optics-ICSO 2000.</a> International Society for Optics and Photonics. , 105692A (2019).</li><li>Zhang, X., Li, Z., Zhang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+performance+ultra-precision+turning+of+large-aspect-ratio+rectangular+freeform+optics.">High performance ultra-precision turning of large-aspect-ratio rectangular freeform optics.</a> CIRP Annals. 67 (1), 543-546 (2018).</li><li>Ziaie, B., Baldi, A., Lei, M., Gu, Y., Siegel, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hard+and+soft+micromachining+for+BioMEMS:+review+of+techniques+and+examples+of+applications+in+microfluidics+and+drug+delivery.">Hard and soft micromachining for BioMEMS: review of techniques and examples of applications in microfluidics and drug delivery.</a> Advanced Drug Delivery Reviews. 56 (2), 145-172 (2004).</li><li>Mishra, S., Yadava, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+beam+micromachining+(LBMM)-a+review.">Laser beam micromachining (LBMM)-a review.</a> Optics and Lasers in Engineering. 73, 89-122 (2015).</li><li>Yun, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+roll-to-roll+hot+embossing+system+with+induction+heater+for+micro+fabrication.">Development of roll-to-roll hot embossing system with induction heater for micro fabrication.</a> Review of Scientific Instruments. 83 (1), 015108 (2012).</li><li>Ker&#228;nen, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Roll-to-roll+printed+and+assembled+large+area+LED+lighting+element.">Roll-to-roll printed and assembled large area LED lighting element.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 81 (1-4), 529-536 (2015).</li><li>Park, J., Lee, J., Park, S., Shin, K. H., Lee, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+hybrid+process+for+double-side+flexible+printed+circuit+boards+using+roll-to-roll+gravure+printing,+via-hole+printing,+and+electroless+plating.">Development of hybrid process for double-side flexible printed circuit boards using roll-to-roll gravure printing, via-hole printing, and electroless plating.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 82 (9-12), 1921-1931 (2016).</li><li>Rank, A., Lang, V., Lasagni, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Speed+Roll-to-Roll+Hot+Embossing+of+Micrometer+and+Sub+Micrometer+Structures+Using+Seamless+Direct+Laser+Interference+Patterning+Treated+Sleeves.">High-Speed Roll-to-Roll Hot Embossing of Micrometer and Sub Micrometer Structures Using Seamless Direct Laser Interference Patterning Treated Sleeves.</a> Advanced Engineering Materials. 19 (11), 1700201 (2017).</li><li>Shan, X., Liu, T., Mohaime, M., Salam, B., Liu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+format+cylindrical+lens+films+formed+by+roll-to-roll+ultraviolet+embossing+and+applications+as+diffusion+films.">Large format cylindrical lens films formed by roll-to-roll ultraviolet embossing and applications as diffusion films.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 25 (3), 035029 (2015).</li><li>Wang, X., Liedert, C., Liedert, R., Papautsky, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+disposable,+roll-to-roll+hot-embossed+inertial+microfluidic+device+for+size-based+sorting+of+microbeads+and+cells.">A disposable, roll-to-roll hot-embossed inertial microfluidic device for size-based sorting of microbeads and cells.</a> Lab on a Chip. 16 (10), 1821-1830 (2016).</li><li>Yun, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+Print-Type+Hot+Embossing+Process+Technology.">Impact Print-Type Hot Embossing Process Technology.</a> Advanced Engineering Materials. 20 (9), 1800386 (2018).</li><li>Ahn, J., Yun, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analyzing+Electromagnetic+Actuator+based+on+Force+Analysis.">Analyzing Electromagnetic Actuator based on Force Analysis.</a> 2019 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2019).</li></ol>

Dans cette étude, nous avons mis en œuvre le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact et des motifs de points gravés avec différentes largeurs et profondeurs sur une gamme de films en polymère en temps réel. Parmi les étapes du protocole, deux étapes devraient être prises en considération de manière critique entre toutes les étapes. Le premier est le réglage de la température de la plaque thermique (étape 3.3.3), et le second est le réglage de la position initiale de l’en-tête d’impa...

Les chercheurs tentent activement de miniaturiser les appareils et les écrans existants et d’accroître la flexibilité de ces dispositifs1,2. Pour réduire la largeur et la profondeur des canaux électriques à l’échelle micro ou nanométrique, une technologie de haute précision est nécessaire. En outre, pour augmenter la flexibilité de ces dispositifs, les modèles des canaux électriques doivent être situés sur un matériau flexible, comme un film en polymère3,4. Pour répondre à ces conditions, l’étude de la technologie de microprocessage ultrafine est activement en cours.
La technologie de microfabrication ultrafine a un avantage en ce que les matériaux de modelage possibles incluent non seulement des matériaux très rigides tels que le fer ou le plastique, mais aussi des matériaux mous tels que les films en polymère. En raison de ces avantages, cette technologie est largement utilisée comme un processus de base dans divers domaines, tels que les communications, la chimie, l’optique, l’aérospatiale, les semi-conducteurs, et les capteurs5,6,7. Dans le domaine du microprocesseur ultrafin, les méthodes de microprocesseur LIGA (lithographie, électroplaque et moulure) ou micromachining sont utilisées8. Cependant, ces méthodes conventionnelles sont associées à plusieurs problèmes. Les méthodes LIGA nécessitent beaucoup de temps et plusieurs étapes de processus pour créer des modèles ultrafins et engager un coût élevé ainsi parce qu’ils ont besoin de nombreux types différents d’équipement au cours des processus. En outre, les méthodes LIGA utilisent des produits chimiques qui peuvent polluer l’environnement.
Pour résoudre ce problème, la technologie des processus de gaufrage à chaud a été mise en lumière parmi les technologies de microprocesseur ultrafines. Le gaufrage chaud est une technologie qui crée un modèle sur un film en polymère chauffé à l’aide d’un moule à gaufrage à l’échelle micro ou nanométrique. La technologie conventionnelle de gaufrage chaud est divisée en type de plaque et en type de rouleau à rouleau selon la forme du moule. Les deux types de technologie de gaufrage chaud sont différents en termes de forme du moule, mais ces deux processus sont similaires en ce que le moule de gaufrage presse le film de polymère sur une plaque chauffée pour graver un modèle sur le film en polymère. Pour graver le modèle à l’aide du processus de gaufrage chaud, il est nécessaire de chauffer le film en polymère au-dessus de la température de transition du verre et d’appliquer une quantité suffisante de pression (30 à 50 MPa)9. En outre, la largeur et la profondeur du modèle changent en fonction de la température de la plaque chauffée, du matériau et de la forme du moule de gaufrage. En outre, la méthode de refroidissement après le processus de modelage affecte la forme du modèle sur le film en polymère.
Dans le processus de gaufrage chaud conventionnel, les timbres de gaufrage ou les rouleaux peuvent être en relief avec le modèle désiré, et le moule de gaufrage peut être employé pour imprimer le même modèle sur les surfaces de film de polymère en continu. Cette fonctionnalité rend ce processus adapté non seulement pour la production de masse, mais aussi pour la fabrication d’appareils avec des matériaux mous, tels que les films en polymère10,11,12,13,14. Cependant, la méthode conventionnelle de gaufrage chaud ne peut créer que le modèle unique gravé dans le moule de gaufrage. Par conséquent, lorsque l’utilisateur veut faire un nouveau motif ou modifier le modèle, ils doivent faire un nouveau moule pour modifier le modèle d’impression. Pour cette raison, le gaufrage chaud conventionnel est coûteux et long lors de la création de nouveaux modèles ou le remplacement des conceptions existantes.
Des travaux antérieurs ont introduit le processus de gaufrage à chaud de type impact pour produire des motifs de points avec différentes largeurs et profondeurs en temps réel15. Contrairement au processus de gaufrage chaud conventionnel, la méthode de gaufrage chaud de type impression d’impact utilise un en-tête d’impact pour créer des motifs sur le film en polymère. Cette technologie déplace l’en-tête d’impact à la position désirée avec un système de positionnement de précision. Un signal de commande est appliqué aux modèles d’impression à une largeur et à une profondeur désirées et à une position arbitraire. La structure de l’en-tête d’impact se compose d’un déménageur, d’un ressort, d’une bobine sinueuse et d’un noyau (voir la figure 1A)15. Des travaux antérieurs ont confirmé par une analyse et une expérience qu’un tel en-tête d’impact peut produire la force appropriée pour le gaufrage chaud16. Le protocole de ce document couvre la conception du matériel pour le processus de gaufrage à chaud de type impact et l’environnement de contrôle pour le contrôle des processus. En outre, nous analysons les modèles de points sur le film PET, le film PMMA, et le film en PVC, qui sont tous traités avec le protocole proposé pour vérifier que le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact peut créer des modèles de points avec différentes largeurs et profondeurs en temps réel. Les résultats de ces expériences sont présentés ci-dessous dans la section des résultats, confirmant que le processus de gaufrage peut produire convenablement des modèles ultrafins.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.3mm High Quality Clear Rigid Packaging PVC Film Roll For Vacuum Forming</td>
			<td>Sunyo</td>
			<td>SY1023</td>
			<td>PVC film / Thickness : 300&#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acryl(PMMA) film</td>
			<td>SEJIN TS</td>
			<td>C200</td>
			<td>PMMA film / Thickness : 175&#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal Laser Scanning Microscope: 3D-Topography for Materials Analysis and Testing</td>
			<td>Carl Zeiss</td>
			<td>LSM 700</td>
			<td>3D confocal microscope / Supporting Mode : 2D, 2.5D, 3D topography</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAQ board</td>
			<td>NATIONAL INSTRUMENTS</td>
			<td>USB-6211</td>
			<td>Control board for two stage and impact header / 16 inputs, 16-bit, 250kS/s, Multifunction I/O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC Power Supply</td>
			<td>SMART</td>
			<td>RDP-305AU</td>
			<td>3 channel power supply / output voltage : 0~30V, Output current : 0~5A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L511 stage</td>
			<td>PI</td>
			<td>L511.20SD00</td>
			<td>Z-stage / Travel range : 52mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large Digital Hotplate</td>
			<td>DAIHAN Scientific</td>
			<td>HPLP-C-P</td>
			<td>Heatplate / Max Temp : 350&#186;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M531 stage</td>
			<td>PI</td>
			<td>M531.2S1</td>
			<td>X-stage / Travel range : 306mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mylar Polyester PET films</td>
			<td>CSHyde</td>
			<td>48-2F-36</td>
			<td>PET film / Thickness : 50&#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OPA2541</td>
			<td>BURR-BROWN</td>
			<td>OPA2541BM</td>
			<td>OP-AMP / Output currents : 5A, output voltage : &#177;40V</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

study of a dot-patterning process on flexible materials using impact print-type hot embossing technology

Nous présentons ici notre étude sur un processus de gaufrage chaud de type impression d’impact qui peut créer des motifs de points avec diverses conceptions, largeurs et profondeurs en temps réel sur le film en polymère. En outre, nous avons mis en place un système de contrôle pour le mouvement et la position de l’en-tête d’impact pour graver différents modèles de points. Nous avons exécuté le modèle de point sur divers films de polymère, tels que le film de polyester (PET), le film de méthacrylate de polyméthyl (PMMA), et le chlorure de polyvinyl (PVC). Les modèles de points ont été mesurés à l’aide d’un microscope confocal, et nous avons confirmé que le processus de gaufrage chaud de type impression d’impact produit moins d’erreurs pendant le processus de modèle de point. Par conséquent, le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact est adapté aux modèles de points de gravure sur différents types de films en polymère. En outre, contrairement au processus de gaufrage chaud conventionnel, ce processus n’utilise pas un timbre de gaufrage. Par conséquent, le processus est simple et peut créer des modèles de points en temps réel, présentant des avantages uniques pour la production de masse et la production de lots de petite quantité.

Le processus de gaufrage à chaud de type impression d’impact est un processus qui peut être utilisé pour graver des motifs de points sur un film en polymère en temps réel, comme le montre la figure 1. Ce processus peut résoudre les problèmes du coût élevé et des longs délais pour le remplacement des motifs associés au processus de gaufrage chaud existant. Un circuit de contrôle a été construit, comme le montre la figure 2 (voir les étapes 2.3-2...

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Study of a Dot-patterning Process on Flexible Materials using Impact Print-Type Hot Embossing Technology

La technologie de gaufrage chaud de type impression d’impact utilise un en-tête d’impact pour graver les modèles de points sur les matériaux flexibles en temps réel. Cette technologie dispose d’un système de contrôle pour contrôler le mouvement et la position de l’en-tête d’impact pour créer des motifs de points avec différentes largeurs et profondeurs sur différents films de polymère.

Étude d’un processus de modèle de point sur les matériaux flexibles à l’aide de la technologie d’embossing chaud de type d’impression d’impact

Here we present our study on an impact print-type hot embossing process which can create dot patterns with various designs, widths, and depths in real ...

La technologie Impact Print-Type Hot Embossed peut créer des motifs de points qui peuvent modifier la largeur et la profondeur des motifs en temps réel, sur différents types de films polymères, à l’aide d’un modèle d’impact. Par rapport à la technologie de gaufrage à chaud existante, le coût de la forme du motif pressé est significativement inférieur et la forme de gaufrage arbitraire peut être faite en temps réel. Notre technologie peut être appliquée sur le terrain des dispositifs biologiques et ces dispositifs peuvent aider à vérifier l’état du patient ou la maladie en lisant les biosignaux de l’utilisateur.Si la chaleur électrique est trop faible, l’en-tête d’impact peut déchirer le film polymère ou la tête d’impact peut s’estomper. Par conséquent, il est important de trouver une chaleur électrique appropriée à partir d’expériences répétitives. Commencez par faire le modèle un et combinez-le avec une scène X.Combinez la scène X et la scène Z, et assemblez la scène Z et le modèle deux. Ensuite, combinez le modèle deux et l’en-tête d’impact, et placez la plaque chauffante sous le modèle un. Installez deux supports de film sur l’extrémité de la plaque chauffante et fixez le film en polymère sur le support du film.Ensuite, pour s’assurer que le film polymère est plat sur la plaque chauffante, tirez le film polymère autant que possible en utilisant le mouvement l’un des supports du film. Alternativement, pour déplacer le film polymère sur le côté, déplacez le support du film via le mouvement deux. Enfin, connectez le dispositif de commande qui envoie les signaux à l’en-tête d’impact pour le contrôler, et entrez moins 3v et plus 10v comme signaux de commande dans l’en-tête d’impact.Enfin, connectez le dispositif de commande qui envoie les signaux à l’en-tête d’impact pour le contrôler, et entrez moins 3 volts et plus 10 volts comme signaux de commande dans l’en-tête d’impact. Commencez par installer un programme de contrôle d’étape sur le PC de contrôle pour contrôler l’étape X et l’étape Z. Installez un logiciel de pilote DAQ pour détecter le dispositif de commande sur le PC de commande qui contrôle l’en-tête d’impact, et installez un programme d’exploitation pour contrôler le dispositif de commande.Ensuite, pour mener l’expérience de modelage, fixer le film polymère sur le support du film, et ajuster la position du film polymère en utilisant des mouvements un et deux, pour fixer le film à plat. Après avoir fixé le film polymère, ajuster la température de la plaque chauffante pour chauffer le film au-dessus de la température de transition du verre. Ensuite, ajustez la position initiale de l’en-tête d’impact en contrôlant les étapes X et Z à l’aide du programme de contrôle de scène.Utilisez le programme d’exploitation pour générer un signal de commande 5v à partir du dispositif de commande. Une fois que l’ampli OP amplifie le signal de commande 5v à plus de 10v, allumez l’en-tête d’impact et gravez les motifs sur le film polymère. Ensuite, générer un signal de commande 0v à partir du dispositif de contrôle en utilisant le programme d’exploitation.Une fois que l’ampli OP amplifie le signal de commande de 0v à moins 3v, éteignez l’en-tête d’impact. Déplacez l’étape X en position pour graver le modèle suivant. Abaissez la scène Z dix microns de la position initiale et gravez des motifs trois fois sur le film polymère, en comptant le nombre de mouvements de scène Z.Lorsque le nombre de mouvements d’étape Z dépasse trois, déplacez l’étape X vers la position initiale et augmentez l’en-tête d’impact au maximum en déplaçant l’étape Z. Enfin, détachez le film polymère du support du film et mesurez la largeur et la profondeur de chaque motif de point à l’aide d’un microscope confocal en mode balayage laser. Dans cette étude, un modèle de point a été créé sur les trois films de polymère, et un microscope confocal a été employé pour observer le modèle.Neuf points ont été utilisés dans le modèle de point, et la taille du modèle a augmenté de l’échantillon un à l’échantillon trois parce que la hauteur de l’étape Z déplacé vers le bas de dix microns. En outre, ce protocole a été en mesure de mesurer la largeur du motif et la profondeur de chaque motif de point, et le modèle était clairement observable à travers l’image 2D d’un point. Les erreurs dans les modèles de points pour les trois types de films sont mineures, ce qui indique que le processus d’embossage chaud impact print-type convient à la gravure de micro-modèles sur des films polymères en temps réel.Cette méthode est la première des méthodes proposées, de sorte qu’il sera une aide pour les débutants à comprendre la conception du sens, la préparation des spécimens, et la procédure de processus par visualisation. Dans cette étape, si le film est chauffé au repos à la température de transition du verre, le motif ne sera pas graver là, en raison de la restauration du film. La documentation de la température de modelage est de 350 degrés Celsius et notre processus peut s’adapter à la configuration de la ligne.Ces avantages peuvent être utilisés dans le semi-conducteur, en utilisant des températures élevées et des canaux ultra-fins. Notre technologie peut faire un modèle à l’aide de systèmes de contour. Ce protocole aide à ouvrir la voie à la recherche qui peut faire des modèles à micro-échelle à faible coût, sans processus chimique.Il n’y a aucun risque de déchirures chimiques, mais au cours de l’expérience, l’utilisateur doit utiliser un équipement de protection pour éviter les brûlures, puisque la plaque chauffante est chauffée à des températures élevées.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Micro 3D Impression à l&#39;aide d&#39;un projecteur numérique et son application dans l&#39;étude de la mécanique des matériaux souples

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