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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Questa ricerca è supportata dal progetto intitolato "Sviluppo della tecnologia di sbalzo a caldo tipo di stampa di impatto per uno strato conduttivo che utilizza materiali nanocompositi conduttivi" attraverso il Ministero del Commercio, dell'Industria e dell'Energia (MOTIE) della Corea (N046100024, 2016).

1. Fabbricazione del processo di sbalzo a caldo tipo di stampa
<ol><li>Creare il modello 1 e combinarlo con una fase X (vedere La Figura 1). NOTA: Si raccomanda di fare il modello 1 di alluminio per evitare che il calore venga condotto sullo stadio X. Inoltre, si raccomanda che la lunghezza del modello 1 sia la distanza tra la superficie della piastra di calore e l'altezza più bassa della piastra di cuscinetto della fase di z in quanto il design del modello 1 varia in base alle dimensi...

<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>

In questo studio, abbiamo implementato il processo di rilievo a caldo tipo di stampa e i modelli di punti incisi con varie larghezze e profondità su una gamma di pellicole polimeriche in tempo reale. Tra i passaggi del protocollo, due passaggi devono essere considerati criticamente tra tutti i passaggi. Il primo è l'impostazione della temperatura della piastra di calore (passaggio 3.3.3), e il secondo è l'impostazione della posizione iniziale dell'intestazione d'impatto (passaggio 3.5.1). Nel passaggio 3.3.3, se la te...

I ricercatori stanno attivamente tentando di miniaturizzare i dispositivi e i display esistenti e aumentano la flessibilità di questi dispositivi1,2. 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 polimerica3,4. 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 sensori5,6,7. 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 polimeriche10,11,12,13,14. 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.

<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

Qui presentiamo il nostro studio su un processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto che può creare modelli di punti con vari disegni, larghezze e profondità in tempo reale su pellicola polimerica. Inoltre, abbiamo implementato un sistema di controllo per il movimento on-off e la posizione dell'intestazione di impatto per incidere diversi modelli di punti. Abbiamo eseguito patterning a punti su varie pellicole polimeriche, come pellicole in poliestere (PET), pellicola methacriliato polimeticolo (PMMA) e pellicola di cloruro polivinile (PVC). I modelli di punti sono stati misurati utilizzando un microscopio confocale e abbiamo confermato che il processo di sbalzo a caldo di tipo di stampa produce meno errori durante il processo di modellazione del punto. Di conseguenza, il processo di rilievo a caldo tipo di stampa di impatto è ritenuto adatto per l'incisione di modelli di punti su diversi tipi di pellicole polimeriche. Inoltre, a differenza del processo convenzionale di goffratura a caldo, questo processo non utilizza un timbro goffratura. Pertanto, il processo è semplice e può creare modelli di punti in tempo reale, presentando vantaggi unici per la produzione di massa e la produzione di lotti di piccole quantità.

Il processo di rilievo a caldo di tipo stampa di impatto è un processo che può essere utilizzato per racchiudere i modelli di punti su una pellicola polimerica in tempo reale, come illustrato nella Figura 1. Questo processo può risolvere i problemi del costo elevato e delle tempi lunghe per la sostituzione del modello associato al processo di goffratura a caldo esistente. È stato costruito un circuito di controllo, come illustrato nella Figura 2 (vedere i pa...

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

La tecnologia di rilievo a caldo tipo di stampa Impact utilizza un'intestazione d'impatto per racchiudere i modelli di punti su materiali flessibili in tempo reale. Questa tecnologia ha un sistema di controllo per controllare il movimento on-off e la posizione dell'intestazione d'impatto per creare modelli di punti con varie larghezze e profondità su diverse pellicole polimeriche.

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

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 tecnologia Hot Embossed impact Print-Type può creare modelli di punti che possono cambiare la larghezza e la profondità del modello in tempo reale, su vari tipi di pellicole polimeriche, utilizzando un modello di impatto. Rispetto alla tecnologia di goffratura a caldo esistente, il costo della forma del motivo pressato è significativamente inferiore e la forma di goffratura arbitraria può essere effettuata in tempo reale. La nostra tecnologia può essere applicata al campo dei dispositivi bio e questi dispositivi possono aiutare a controllare le condizioni o la malattia del paziente leggendo i biofirmali dell'utente.Se il calore dell'elettricità è troppo basso, l'intestazione dell'impatto può strappare la pellicola polimerica o la testa d'impatto potrebbe logorarsi. Pertanto, trovare un calore elettrico adeguato da esperimenti ripetitivi è importante. Inizia facendo il modello uno e combinalo con uno stadio X.Combinate lo stadio X e lo stadio Z e assemblate lo stadio Z e il modello due. Quindi, combinare il modello due e l'intestazione dell'impatto e posizionare la piastra termica sotto il modello uno. Installare due supporti per pellicole all'estremità della piastra termica e fissare la pellicola polimerica sul supporto della pellicola.Quindi, per assicurarsi che il film polimerico sia piatto sulla piastra termica, tirare il film polimerico il più possibile utilizzando il movimento uno dei portapenne. In alternativa, per spostare la pellicola polimerica di lato, spostare il supporto del film tramite il movimento due. Infine, collegare il dispositivo di controllo che invia i segnali all'intestazione dell'impatto per controllarlo e inserire meno 3v e più 10v come segnali di controllo nell'intestazione dell'impatto.Infine, collegare il dispositivo di controllo che invia i segnali all'intestazione dell'impatto per controllarlo e inserire meno 3 volt e più 10 volt come segnali di controllo nell'intestazione dell'impatto. Inizia installando un programma di controllo del palco sul PC di controllo per controllare lo stadio X e lo stadio Z. Installare il software del driver DAQ per rilevare il dispositivo di controllo nel PC di controllo che controlla l'intestazione dell'impatto e installare un programma operativo per controllare il dispositivo di controllo.Successivamente, per condurre l'esperimento di modellismo, fissare la pellicola polimerica sul supporto del film e regolare la posizione della pellicola polimerica usando i movimenti uno e due, per fissare il film in modo piatto. Dopo aver riparato il film polimerico, regolare la temperatura della piastra termica per riscaldare il film al di sopra della temperatura di transizione del vetro. Quindi, regola la posizione iniziale dell'intestazione dell'impatto controllando le fasi X e Z utilizzando il programma di controllo dello stadio.Utilizzare il programma operativo per generare un segnale di controllo 5v dal dispositivo di controllo. Una volta che l'amplificatore OP amplifica il segnale di controllo 5v a maggiore di 10v, accendere l'intestazione dell'impatto e incidere i motivi sulla pellicola polimerica. Quindi, generare un segnale di controllo 0v dal dispositivo di controllo utilizzando il programma operativo.Una volta che l'amplificatore OP amplifica il segnale di controllo 0v a meno 3v, spegnere l'intestazione dell'impatto. Spostate lo stadio X in posizione per incidere il motivo successivo. Abbassare lo stadio Z di dieci micron dalla posizione iniziale e incidere i motivi tre volte sulla pellicola polimerica, contando il numero di mosse dello stadio Z.Quando il numero di movimenti dello stadio Z supera i tre, spostate lo stadio X nella posizione iniziale e alzate l'intestazione dell'impatto al massimo spostando lo stadio Z. Infine, staccare il film polimerico dal supporto della pellicola e misurare la larghezza e la profondità di ogni motivo a punti utilizzando un microscopio confocale in modalità di scansione laser. In questo studio, è stato creato un modello a punti sulle tre pellicole polimeriche, e un microscopio confocale è stato usato per osservare il modello.Nove punti sono stati usati nel modello a punti, e la dimensione del modello è aumentata dal campione uno al campione tre perché l'altezza dello stadio Z si è spostata verso il basso di dieci micron. Inoltre, questo protocollo è stato in grado di misurare la larghezza e la profondità del modello di ogni modello di punto, e il modello era chiaramente osservabile attraverso l'immagine 2D di un punto. Gli errori nei modelli di punti per i tre tipi di pellicole sono minori, il che indica che il processo di goffratura a caldo di tipo Impact Print è adatto per l'incisione di micro-pattern su pellicole polimeriche in tempo reale.Questo metodo è il primo dei metodi proposti, quindi sarà un aiuto per i principianti per comprendere la progettazione dell'acume, la preparazione dei campioni e la procedura di processo tramite visualizzazione. In questo passaggio, se il film viene riscaldato a riposo alla temperatura di transizione del vetro, il motivo non inciderà lì, a causa del restauro del film. La documentazione della temperatura di patterning è di 350 gradi Celsius e il nostro processo può adattarsi alla serie di linee.Questi vantaggi possono essere utilizzati nel semiconduttore, utilizzando alte temperature e canali ultra-fini. La nostra tecnologia può creare un modello utilizzando sistemi di contorno. Questo protocollo aiuta ad aprire la strada a ricerche in grado di realizzare modelli su micro-scala a basso costo, senza processo chimico.Non vi è alcun rischio di lacerazioni chimiche, tuttavia durante l'esperimento l'utente deve utilizzare dispositivi di protezione per evitare ustioni, poiché la piastra termica viene riscaldata ad alte temperature.

Research

JoVE Journal

Engineering

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