柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印方法

摘要

本发明公开了一种柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印成型方法，采用逆辊压印技术和相应的套印对准工艺、紫外固化工艺，在镀有ITO薄膜的柔性塑料薄膜上制作出大面积的宏电子器件所需的三维功能性微结构。该方法消除了常规压印产生的留膜，从而免除了留膜处理所需要的附加工艺；同时，该方法所需压印力小，可有效降低薄膜基材的面内变形，减少了应力集中；并且在电子功能材料中加入光固化剂，使用冷紫外光源进行固化，减小了柔性材料的热变形。该方法适用于可展卷大幅面显示器、电子纸、OLED、薄膜RFID、柔性太阳能帆、便携式x射线成像仪、便携式雷达、太空太阳能供电系统和天线装置、附着于任意三维结构表面的机电智能蒙皮等宏电子系统的制造。

说明书

                        技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，特别涉及一种柔性基宏电子(基于薄膜晶体管(TFT)的电子器件)制造中三维功能性微结构的大面积逆压印方法。该方法主要用于可展卷大幅面显示器、电子纸、OLED、薄膜RFID、柔性太阳能帆、便携式x射线成像仪、便携式雷达、柔性太阳能供电系统和天线装置、附着于任意三维结构表面的机电智能蒙皮等宏电子系统的制造。

                        背景技术

基于薄膜晶体管(TFT：Thin-Film-Transitor)的玻璃平板基或柔性薄膜基的电子系统不断趋向大面积集成(例如单边跨度超过1米)，形成所谓的宏电子系统(Macro electronics)，典型的宏电子系统产品包括目前正广泛应用的玻璃基PDP和LCD大面积平板显示器。大面积柔性薄膜基材上构造有机或无机光电子器件被视为宏电子系统未来发展的动力，这种大面积的柔性基光电子系统目前最为突出的应用为OLED柔性显示器、应用于电子书(e-book)等的电子纸、柔性基聚合物太阳能电池等。大面积柔性基宏电子系统的突出特点为：成本低、重量轻、形状薄、有良好的柔韧性和便携性、可任意弯曲折叠。

柔性基宏电子制造的主要工艺节点包括薄膜基材(塑料薄膜或无机材料箔)制备、无机或有机电子材料制备和涂铺、微结构图型化(Micro-patterning)、联机、封装等。未来主流的宏电子系统制造工艺必须体现低温、常气压、连续制作的特征，以达到大幅面、低成本、高产能的要求。

大面积基材上的微结构图型化被认为是宏电子制造中最为关键的工艺环节。目前国际上受到较大关注的大面积图型化技术可以归成四大范畴：喷射打印技术、掩膜式光去除技术、微纳结构化无机材料转移技术和微压印成形技术。其中微压印成型技术被认为是一种高效率、低成本的微结构制作技术。为了提高微压印生产的效率和适应大幅面要求，模具制作成圆柱辊状，以实现连续辊压印成型。韩国KAIST大学与Samsung公司合作，研制了光固化电子聚合物材料，发展了光固化的连续辊压工艺，可实现常温下的大面积柔性基宏电子的制作。

但是上述微压印方法存在如下不足：

第一，该压印方法实质为机械强迫成型，需要较大的压印力，容易造成柔性基和微结构中的应力集中；

第二，该压印方法不可避免地在成形后的电子材料上形成一定厚度的“留膜”，为实现宏电子系统的功能，必须通过附加的工艺手段将“留膜”去除，例如刻蚀、化学腐蚀、离子铣削等，去除“留膜”的工艺极为复杂，尤其对于大面积的柔性基宏电子系统而言，存在设备的适用性问题，既要适于大面积的去除“留膜”，又不能损伤柔性基底和功能性三维微结构。

                        发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印方法。该方法可以消除常规压印产生的留膜，从而免除了留膜处理所需要的附加工艺，缩短了工艺流程。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印方法，该方法采用逆压印技术，采用电子材料从辊压模具表面向柔性基底的图型化转移。其主要特征在于，首先将电子材料涂布于表面雕刻有微结构的圆柱辊压模具上，在辊压模具表面上完成电子材料的图型化；然后通过连续辊压方式将模具表面已经图型化的电子材料转移到柔性基材上；该转移过程通过控制电子材料在模具表面和基材表面的流变及粘附特性来实现。

上述柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印方法，具体包括以下步骤：

(1)柔性基底材料的制备。柔性基底选择具有一定的抗拉强度且有透光性能的柔性塑料薄膜，在柔性塑料薄膜上蒸镀一层ITO薄膜，使塑料薄膜具有导电性，以作为宏电子器件的电极，在柔性基底的ITO薄膜上进行O₂刻蚀以增强其表面能，使电子浆料对柔性基则呈现强润湿性；

(2)辊压模具制备。辊压模具为辊筒式结构，采用金属材料制作；用激光烧结方式在辊压模具表面加工出功能性微结构，并在辊压模具上制作出相应的对准标记；加工形成微结构之后，在辊压模具表面上蒸镀一层特富龙材料，用以降低辊压模具的表面能，使得电子浆料对辊压模具表面呈现出不润湿或弱润湿性；

(3)宏电子系统中微结构大面积复型的辊压系统建立。该系统包括送料环节、辊压复型环节、收料环节。其中送料、收料环节采用印刷机械中的收、送料结构及相应的张力控制、光电纠偏结构。辊压系统的核心环节——辊压复型环节包括：模具装卡部分、布帘式铺胶部分、平台吸附部分、运动控制部分、紫外光固化部分。为实现不同长度，不同直径的模具的装卡，并利于模具的装卸，以便经常清洗模具，模具装卡部分采用三爪卡盘传动辅助以顶针定位的结构，顶针支座安装在滑移台上，以实现模具的易于装卸，在顶针支座和卡盘上方各固定一个力传感器，以检测辊压力；布帘式铺胶部分通过对连续供胶系统的参数控制，实现不同粘度的电子材料达到均匀、膜厚可控的涂铺；平台吸附部分采用真空吸附，使得柔性基平展的固定在辊压平台上；运动控制部分要保证辊压模具的转动的线速度与平动速度的匹配，以实现辊压模具上微结构与所复型的微结构之间无滑擦，避免复型缺陷，采用步进电机作为动力源，精密丝杠与直线导轨配合作为传动部分，细分后传动实现微米级精度的传动；紫外固化部分包括紫外光源、扁平的紫外光出口及相应的光路部分，以实现辊压复型区域的均匀曝光；

(4)两步式套印对准测量系统建立。采用CCD图像采集的方式对柔性基材上两侧的对准标记及辊压模具上的标记进行视觉测量，获得柔性基材与模具的相对位置参数，然后进行如下两步对准调整：第一，通过辊压平台的微驱动，进行位置校正，使得辊压模具的轴线与柔性基底的两侧的对准标记的连线平行；第二，通过对模具上的对准标记的视觉采集，并与柔性基材上对准标记的图像进行对比，调整模具的转角及水平位置，设置初始的复型位置；通过上述对准调整，可实现压印后多层微结构在基材上的精确定位。在连续辊压过程中，模具每转动一周，进行一次对准校正，重复上述两步对准调整过程。

(5)辊压过程的实现：第一，在张力控制下，送料辊转动，使柔材移动一个幅面的长度(即辊压平台的长度)，然后释放张力，使柔性基材处于接近零张力的状态；第二，辊压平台上升，与柔性基材接触并对其真空吸附固定；第三，进行如步骤(4)中所述的两步对准调整过程；第四，辊压平台带动真空吸附的柔性基材上升，压在辊压模具上，并形成一定的辊压力；第五，启动供胶系统，启动辊压系统的运动控制部分及紫外固化部分，运动控制部分保证模具转动线速度与平动线速度匹配，紫外固化部分保证模具与柔性基材接触出的电子材料均匀固化。

对于多层微结构的宏电子系统，采用步骤(5)所述的辊压过程，对于单层微结构的宏电子器件，不需要层间对准套印过程，去掉步骤(5)中的第三步对准调整过程即可。

本发明中所述的布帘式涂铺装置采用细长缝隙的容器对圆柱辊模具表面连续供胶，对于小粘度的电子浆料，通过抽真空控制容器内真空度，使得容器处于负压力状态，以平衡布帘浆料薄膜的重力作用；对大粘度的电子浆料，则启动容器底部配置的超声驱动膜，使容器中的压力动态的按超声频率变化，通过超声频率与电子浆料粘度的匹配，使容器中的大粘度电子浆料在此脉动压力下的作用下均匀从线缝中流出；布帘浆料的厚度由圆柱辊牵引线速度和容器的线缝宽度决定，容器的线缝宽度可调，以实现不同粘度的电子浆料涂铺到预定的厚度；涂铺过程中，电子材料通过电子材料补偿口进入容器，使得容器内电子材料达到动态平衡。

本发明中所述的电子浆料使用聚酯多元醇类为基体，在其中添加阳离子聚合光引发剂，赋予其紫外光固化特性，同时在原电子材料基体中添加附着力促进剂，并调整其物理粘度。

本发明的方法成形的宏电子微结构，其结构特征完全取决于辊压模具上的三维微结构特征；对多层宏电子系统而言，层间套印精度取决于光学测量系统精度及辊压平台微驱动控制、模具转角控制的精度；形成的宏电子器件幅面取决于辊压平台的尺寸。

本发明的方法消除了常规压印产生的留膜，从而免除了留膜处理所需要的附加工艺；同时，该方法所需压印力小，可有效降低薄膜基材的面内变形，减少了应力集中；并且在电子功能材料中加入光固化剂，使用冷紫外光源进行固化，减小了柔性材料的热变形。

                        附图说明

附图1～图7为柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆压印工艺流程图。图中的标号分别表示：1、柔性基底，2、ITO薄膜，3、用于增强表面能的活性分子，4、辊压模具，5、辊压模具上的凸起部分，6、特富龙薄膜，7、柔性基底储存辊，8、柔性基底收集辊，9、定型后的微结构，10、紫外光固化光源，11、布帘式电子浆料薄膜，12、布帘式铺胶装置，13、匀胶后图型化的电子浆料，14、模具旋转方向，15、基材收集辊旋转方向，16、模具转动的驱动电机，17、三爪卡盘，18、辊压平台，19、系统底座，20、光电纠偏系统，21、系统支架，22、直线导轨，23、滚珠丝杠，24、模具平动的驱动电机，25、抽真空口，26、布帘式铺胶的滴胶嘴，27、超声波震荡膜，28、电子材料补偿口，29、辊压模具的对准标记，30、柔性基底上的对准标记，31、半透半反透镜，32、CCD摄像机，33、全反镜。

附图中，图1为在柔性基底上制备电极及表面处理，图2为辊压模具进行表面处理后的结构，图3是逆辊压复型过程示意图，图4为逆辊压系统的三维结构图，图5为布帘式铺胶系统结构，图6为两步式套印对准测量系统原理图，图7为大面积套印的对准标记布置图。

以下结合附图对本发明的工艺流程作进一步的详细说明。

                      具体实施方式

参见附图，图1～图7分别表示了柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆压印工艺流程图。

本发明的基本工作原理为：将电子材料涂布于刻有微结构的模具表面，完成电子材料的图型化，然后通过连续辊压方式将模具表面已经图型化的电子材料转移到柔性基材上。在电子功能材料中加入光固化剂，使用冷紫外光源进行逆压印后的固化。模具辊匀速回转的同时平动，转动的线速度与平动速度相匹配，以实现模具上微结构与所复型的微结构之间无滑擦。印制多层电路图型时，模具上的图型与薄膜基材上已有的电路特征图型先进行光学对准调整，然后进行套印。

柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆辊压印技术主要的工艺要素包括：辊压模具4的制备、柔性基底1(表面已制备ITO电极)的表面处理、电子材料13在辊压模具4上的填充涂铺过程、辊压过程中的辊压力及辊压模具转动速度与水平运动的速度的匹配、障壁材料的紫外固化、多层套印对准过程。其中，电子材料13的布帘式涂铺、辊压过程中辊压力的设置、辊压模具4转动与平动速度的匹配及多层套印过程是微结构辊压复型的关键工艺要素。电子材料13的涂铺厚度及辊压力的设置与所要复型的微结构高度有关，必须保证足够的电子材料图型化并转移到柔性基底1上；辊压过程中辊压模具转动与水平运动的速度匹配直接影响复型后微结构的侧壁形貌；多层套印精度直接影响功能性宏电子器件的成品率。

以塑料薄膜PET材料作为柔性基底1，柔性基宏电子制造中微结构的大面积逆压印工艺包括以下几个阶段：

(1)辊压模具4及柔性基材1(表面已制备ITO电极2)的表面处理：如图1，图2所示：辊压模具4为辊筒式结构，采用金属材料制作，外径加工出辊压模具上的凸起部分5。用超快激光或湿法刻蚀方法在辊压模具4的表面加工出微结构特征。为便于辊压复型过程中的定位对准要求，制作辊压模具4的对准标记29。在辊压模具4上形成微结构特征之后，在辊压模具4的外表面上蒸镀一层特富龙(Teflon)材料层6，以降低其表面能，使得电子浆料对辊压模具4表面呈现出不浸润或或弱润湿性；而对柔性基底PET表面的ITO薄膜2进行O₂刻蚀或其它化学处理，以增强其表面能，使电子浆料对柔性基底1呈现强润湿性；通过对辊压模具4及柔性基1的表面处理，使二者的表面性能相配，以便电子材料能够顺利从辊压模具4的表面转移到柔性基底1上。

(2)圆柱辊模具表面连续供胶系统——布帘式铺胶系统12的建立，如图5所示。采用细长缝隙的容器对圆柱辊模具表面连续供胶。对于小粘度的电子浆料，抽真空口25工作，以控制容器内的真空度，使容器处于负压力状态，以平衡布帘浆料薄膜的重力作用；对大粘度的电子浆料，则启动容器底部配置的超声振动膜27，产生频率可调的超声波，使容器滴胶嘴26处的压力动态地按超声频率变化，通过超声频率与电子材料粘度的匹配，使容器中的大粘度电子浆料在此脉动压力下的作用下均匀从滴胶嘴26中流出；通过电子材料补偿口28，使得电子材料不断补充到容器内，建立容器内电子材料的动态平衡；这样布帘浆料的厚度由圆柱辊牵引线速度和滴胶嘴26宽度决定。滴胶嘴26的宽度可调，可实现不同粘度的电子浆料涂铺到预定的厚度。

(3)套印对准过程，如图6、图7所示：在套印时，首先将前次压印的柔性基底1用基材收集辊8拖至辊压平台18上用真空吸附固定。前次压印时已将辊压模具4上的对准标记29转移至柔性基底1上，形成柔性基底上的对准标记30。采用CCD显微镜32和CCD光路透镜31组成的CCD图像采集系统，对辊压模具4上的对准标记29及柔性基底1两侧的对准标记30进行视觉测量，获得两者的位置参数，通过微驱动使辊压平台沿y向、绕z轴的转动θ进行调整，实现位置校正，使得辊压模具轴线与柔性基底两侧的对准标记的连线平行；通过对辊压模具上对准标记29的视觉采集，并与柔性基底1上标记的图像进行对比，调整压模具4的转角及水平位置，设置初始的复型位置；通过上述两步调整，可实现套印多层微结构在基材上的精确定位。在连续压印过程中，可以在模具每行进一个圆周后进行一次套印对准，即分段对准套印。

(4)辊压复型过程，如图3、图4所示：第一，在张力控制下，基材收集辊8转动，使柔性基材移动一个幅面的长度(即辊压平台18的幅面长度)，然后释放张力，使柔性基材处于接近零张力的状态；第二，辊压平台18上升，与柔性基材接触并对其进行真空吸附固定(图4)；第三，对多层宏电子系统，进行上述(3)中的套印对准过程；第四，辊压平台带动真空吸附的柔性基材上升，使辊压模具4与柔性基底1接触，并在柔性基底1上施加一定的辊压力；第五，启动布帘式铺胶装置12，开始辊压复型过程。辊压模具4在沿柔性基底收集辊8的旋转方向15所示的方向转动，同时进行水平方向的运动，控制保证辊压模具4转动的线速度与水平运动速度一致，避免辊压模具4与柔性基底1之间的相对滑动。在辊压模具4与柔性基底1的接触处，附着在辊压模具4上的电子浆料13经过紫外光光源10照射，使电子浆料13中的光敏材料被固化，附着在柔性基底1上，实现了图型转移，即将辊压模具4上的微结构复型在柔性基底1上。