滚动压印关键技术研究

摘要

本文旨在对基于紫外光固化的滚动压印关键技术进行研究。
　　探索成本低、实用性强、使用方便的滚动压印系统的设计和制作方法，研制一套紫外滚动压印系统，实现了微结构的快速复制。利用这套设备研究了滚动压印过程中各主要工艺参数对压印质量的影响规律，进而建立了相关数值模型并结合实验对滚压印工艺进行了优化，实现在空气环境下利用廉价的工业用UV光固化树脂进行高质量微结构批量复制。最后探索了滚压印工艺与其他多种加工技术结合的可能性和相关方法，拓展了滚压印技术的应用。主要研究工作如下:
　　在研制滚动压印装置时，基于模块化设计思想，设计并制作了各功能模块:张紧，涂胶，压印，卷收、调节等模块，实现了根据实验需求可方便组合、配置不同的系统。经多次调整，改进，最后，选定了一种牵引式、压辊随动，辅以橡胶棒调整间隙的辊涂式系统，开展以倒“V”形状图形为例的滚压工艺研究。
　　对滚动压印装置的核心部件——压辊模具的设计和制作方法展开了研究。这些方法包括超精密机床直接加工法;平面模具包覆于圆柱面的生成法;旋转光刻结合微细电铸法;以及结合3D打印、PDMS浇铸和微液滴法等技术的制作法。用各加工法制作了压辊，进行了滚压试验，结果表明，超精密机床加工方式生成模具精度高，分辨率高，耐用性好，但成本高;旋转光刻法兼具机床加工与平面模具包覆的优点，可以得到无间隙模具，但辅助曝光工艺复杂，且图形精度受曝光时的衍射作用限制及图形从平面掩膜向圆柱面上转移时的变形的影响;结合3D打印等技术制作压辊，工艺简单且周期短，成本低，但精度不高。本研究的压滚实验主要采用在美国Nanotechnology LLC公司的350FG超精密机床加工的镍质压辊。
　　观察、研究滚动压印过程中出现的严重影响压印图形质量的现象及其成因，探讨有效解决途径。在滚动压印实验中发现影响压印图形质量的主要是气泡现象。气泡明显呈现无规则性及有规则性两种状态，无规则的气泡散乱地散布图形各处，有规则的气泡则多出现在压印图形的边棱上。针对气泡缺陷，利用数值仿真和实验验证相结合的方法展开的研究有1）针对不规则气泡，研究发现，不规则气泡是因胶液在压印前就混入了气泡所致，该现象发生在包括胶液的倾倒，滚动涂胶和压印前胶液的驻留等环节。2）探求抑制不规则气泡对策:实验研究发现采用微滴法涂胶代替辊涂法可有效消除无规则气泡。3）针对有规律的气泡，仿真研究发现，规则气泡是在滚压过程中产生的，与胶液粘度、图形的深宽比，压辊与PET薄膜的间隙，胶液与模具之间以及胶液与基底之间的接触角等因素有关。4）进一步的研究表明存在不产生气泡的压印速度和即使产生了气泡但能逃逸的最大速度，该速度随UV胶液粘度、图形深宽比、压印间隙、模具与胶液间的接触角值的变大而变小。但胶液与基底的接触角变化则影响很小。因此适当控制工艺参数，可以消除规则气泡的发生。
　　对滚动压印的应用研究中主要尝试了平面分布的微透镜阵列和半椭球透镜的制作。微透镜阵列呈周向分布，所有透镜的焦点分布在球面上，可用于加工球面微结构。透镜阵列经ZEMAX优化设计，其母模具用单点金刚石车床(NanotechFG350)制作，翻印成PDMS模具后包覆在压辊上，采用滚动压印复制获得批量制品，测试表明其焦距分布的球面半径与设计值相符。半椭球透镜是将滚动压印与3D打印及液滴法等多种技术相结合研制成功的。半椭球面两主轴所在曲面(xz，yz)曲率半径之比等于主轴平方之比，实验结果与仿真和理论计算相吻合。