一种通用的二维平面到三维复杂表面的直接转印方法

摘要

本发明公开了一种通用的二维平面到三维复杂表面的直接转印方法，使用折纸‑剪纸设计的可释放胶带作为转印印章来实现。具体转印步骤包括：1、使用微小平面单元逼近的方法，将三维受主基底曲面划分，切割后得到平面展开结构；2、按照步骤1得到的近似平面展开结构，设计元件分布图案并制备元件，同时切割折叠可释放胶带得到可释放胶带折‑剪纸；3、使用可释放胶带折‑剪纸将元件从制备基底上拾取；4、将带有元件的可释放胶带折‑剪纸包覆在三维曲面受主基底上；5、触发可释放胶带使其失去粘性，将元件印刷到受主基底上。该方法具有实施过程简单方便、成本低廉、通用性好、可以把平面上制备的元件转印到任意形状的三维复杂曲面上等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种转移印刷技术，尤其涉及一种通用的二维平面到三维复杂表面的直接转印方法，可用于微纳米元件从平面到任意复杂曲面上的转移。

背景技术

转移印刷技术，是一种将微纳米元件组装为空间有序的二维或三维功能模块的一种技术。这种技术能够行之有效地将不同种类、独立制备的离散元件进行大规模集成，进而形成空间有序的功能系统。转印一般使用转印印章实现，依靠印章与施主基底上制备的元件之间的强粘附把元件从施主基底上拾取下来；转移到受主基底上之后，减弱印章与元件之间的粘附力，把元件印刷到受主基底上。其可转印元件材料范围非常广，从复杂分子材料，如自组装的单层材料(self-assembled monolayers，SAMs)、功能高分子材料、DNA、光刻胶等，到高性能硬质材料，如无机单晶硅半导体、金属材料、氧化物薄膜等，以及完全集成的设备如薄膜晶体管(thin film transistors，TFTs)、发光二极管(light emittingdiodes，LEDs)、CMOS电路、传感器阵列、太阳能电池等都可以用转印技术进行组装。

曲面集成器件是一种将功能器件制备在特殊曲面上的集成器件，近年来引起了科研界和工业界极大的关注，其应用范围涵盖生物医学、电子信息、显示器以及可穿戴电子设备等领域。如在生物集成光/电子器件领域有指尖触觉传感器(可参见Ko H C,Shin G,WangS,et al.Curvilinear Electronics Formed Using Silicon Membrane Circuits andElastomeric Transfer Elements[J].Small,2009,5(23):2703-2709.)、包覆在心脏表面的电子器件(可参见Ko H C,Shin G,Wang S,et al.Curvilinear Electronics FormedUsing Silicon Membrane Circuits and Elastomeric Transfer Elements[J].Small,2009,5(23):2703-2709.)、电子复眼等应用(可参见Song Y M,Xie Y,MALYARCHUK,etal.Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye[J].Nature,2013,497(7447):95-9.)，这些应用要求器件与具有复杂曲面表面的生物组织相接触。

通常，现有的高性能元件制备工艺均为平面制备工艺，即元件制备在刚性的平面基底(如硅片，蓝宝石基底)上完成。因此，必须要使用转印技术，将平面基底上制备的元件转移印刷到三维曲面上。

目前的三维转印技术主要1)曲面印章展平-恢复转印法(可参见Ko H C,Stoykovich MP,Song J,et al.Ahemispherical electronic eye camera based oncompressible silicon optoelectronics[J].NATURE,2008,454(7205):748-753.)和2)曲面印章镀膜-直接印刷法(可参见Xu X,Davanco M,Qi X,et al.Direct transferpatterning on three dimensionally deformed surfaces at micrometer resolutionsand its application to hemispherical focal plane detector arrays[J].OrganicElectronics,2008,9(6):1122-1127.)。曲面印章展平-恢复转印法首先在轴向上拉伸球壳形的PDMS转印头(印章)将其展平，拾取平面基底上制备的元件后释放印章的轴向拉伸作用，印章恢复球形，可以包覆到球形的受主基底上实现印刷，从而把平面基底上制备的元件和电路印刷到球形受主基底上。该方法需要严格计算印章的变形以及根据变形来设计元件的分布，计算繁琐，过程复杂，对受主基底的形状通用性差；曲面印章镀膜-直接印刷法在图案化的曲面PDMS印章上直接镀金属制备金属图案元件，然后通过冷焊的方式把金属图案转移到镀有金属薄膜的曲面受主基底上。然而，由于制备基底的不平整，用该方法制备的元件性能差，无法适用于其他高性能材料的制备；并且通用性较差，一种模具只能对应一种基底结构。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种通用的二维平面到三维复杂表面的直接转印方法，使用按照三维曲面的近似展开平面设计的可释放胶带折纸-剪纸作为转印印章来实现。其转印流程包括：

1)、借鉴折纸-剪纸的思想，将三维曲面受主基底的曲面展开为平面结构；

2)、在步骤1)获得的平面展开结构上按照曲面集成器件的具体需求设计元件分布图案，并在平面基底上按照元件分布图案制备元件；同时按照步骤1)获得的平面展开结构切割可释放胶带，获得与上述平面展开结构相同的可释放胶带折-剪纸；

3)、使用可释放胶带折-剪纸将元件从基底上拾取；

4)、将带有元件的可释放胶带折-剪纸包覆在三维曲面受主基底上；

5)、触发可释放胶带折-剪纸使其失去粘性，将元件印刷到三维曲面受主基底上，从而实现平面基底到任意三维复杂曲面的转移印刷。

所述的将曲面展开为平面结构是指：使用微小平面单元逼近的方法，将三维曲面受主基底曲面进行划分为若干彼此相接的多边形即微小平面单元，在部分微小平面单元的相接处进行切割剪开，部分微小平面单元的相接处则作为折痕，从而展开为平面结构；将该平面结构沿折痕进行折叠就可以实现对三维曲面受主基底的包覆。

所述的可释放胶带可以先进行折-剪纸设计，切割为可释放胶带折-剪纸后再拾取元件；也可以先拾取元件后再进行切割，获得带有元件的可释放胶带折-剪纸。

所述的可释放胶带可以是热释放胶带、水释放胶带、水溶性胶带或者是UV光解粘膜等可以在外部热/液体/光作用触发下而失去粘性的任意一种胶带。在触发前，胶带具有强粘附力，可以很容易地把元件从制备基底上剥离下来；触发后，胶带便失去粘性，可以非常可靠地把元件印刷到受主基底上。

所述的可释放胶带，为现有的低成本工业化产品，如日本Nitto公司的REVALPHA或NWS-Y5V/NWS-TS322F等热释放胶带，或3M 3841/3850水释放胶带，或3M 5414水溶性胶带，或半导体工艺中常用的UV光解粘膜。

本发明的有益效果是：本发明实施过程简单方便，成本低廉，通用性好，可以把平面上制备的元件转印到任意形状的三维复杂曲面上。

附图说明

图1是本发明中提出的适用于三维曲面的直接转印方法流程图。

图2是本发明中一个将半球形曲面分割，近似展开为平面结构实施列示意图。

图3是本发明中一个按照半球形曲面的平面展开设计切割可释放胶带实施列示意图。

图4是本发明中一个从平面基底上转移印刷元件到半球形受主基底上的实施例示意图。

图中：1-待划分三维曲面；2-微小平面单元；3-曲面展开结构；4-可释放胶带；5-曲面展开结构切痕；6-切刀/激光；7-可释放胶带折-剪纸；8-折痕；9-元件；10-平面基底；11-均匀压力；12-曲面受主基底；13-外加触发作用。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的内容。

图1是本发明中提出的适用于三维曲面的直接转印方法流程图。

如图1a所示，该转印方法包括如下步骤：1、使用微小平面单元逼近的方法，将三维受主基底曲面划分、近似展开为平面折纸剪纸结构；2、按照曲面的近似平面展开结构，设计元件分布形式并制备元件；同时切割折叠可释放胶带；3、使用可释放胶带折-剪纸将元件从平面基底上拾取；4、将带有元件的可释放胶带折-剪纸包覆在三维曲面受主基底上；5、触发可释放胶带使其失去粘性，将元件印刷到受主基底上，从而实现平面基底到任意三维复杂曲面的转移印刷。

所述的可释放胶带可以先进行折纸剪纸设计，剪切后再拾取元件；也可以先拾取元件后再进行剪切。即如图1b所示，转印流程也可为：1、使用微小平面单元逼近的方法，将三维受主基底曲面划分、近似展开为平面折纸剪纸结构；2、按照展开结构，设计元件分布形式并制备元件；3、用可释放胶带将元件从平面基底上拾取；4、将带有元件的可释放胶带按照1中展开结构设计进行切割得到可释放胶带折-剪纸；5、将带有元件的可释放胶带折-剪纸包覆在三维曲面受主基底上；6、触发可释放胶带使其失去粘性，将元件印刷到三维曲面受主基底上。

图2是本发明中一个将半球形曲面分割，近似展开为平面结构实施列示意图。

首先，对给定的待划分曲面进行分析(图2a)，使用微小平面单元逼近的方法，把曲面划分为多个小平面的近似形状，并结合现有的剪纸折纸技术，对其进行平面化分割(图2b)。本实施例中，仿照了足球的外形，将球形划分为正五边形与正六边形的拼接成的32面体(图2b)，得到了曲面的划分设计。

进一步地，将该32面体对半等分，得到半球的近似划分(图2c)，最后将曲面的划分设计进行展开，得到了半球结构的近似平面展开结构(图2d)。

展开时，切割路径的选取应使展开结构尽量紧凑，以达到材料的最大化利用。

按照在半球形曲面集成器件上的具体元件分布，在获得的平面展开结构上设计元件的分布图案，并在平面基底上按照元件分布图案制备元件。

图3是本发明中一个按照半球形曲面的平面展开设计切割可释放胶带实施列示意图。

在得到三维曲面近似展开结构后，沿展开结构外轮廓对可释放胶带进行切割(图3a)；切割后得到与展开结构相同轮廓的可释放胶带剪纸(图2b)。

所述的切割过程，可以使用常见的机械裁剪或者激光切割等设备切割。

优选地，在可释放胶带的展开结构折痕处，胶带不切透，以保持转印时候胶带的完整性。

图4是本发明中一个从平面基底上转移印刷元件到半球形曲面上的实施例示意图。其中展开结构按照图2图3设计。

首先，可释放胶带折-剪纸印章靠近平面基底(图4a)；接触到平面基底上的元件后施加均匀压力保证胶带与元件充分接触(图4b)；随后撕起可释放胶带折-剪纸印章，依靠可释放胶的强黏附力将元件从平面基底上拾取(图4c)；之后将带有元件的可释放胶带折-剪纸印章贴合到三维曲面受主基底上，施加压力，使胶带上的元件与三维曲面受主基底紧密贴合形成一定粘附(图4d)；接着施加外部作用触发可释放胶带印章，使其失去粘性(图4e)；最后剥离胶带，把元件印刷到受主基底上(图4f)。