非接觸式滾壓印技術(shù)及其動態(tài)壓模機理研究

壓輥模具需在圓柱面上制作出高精度的微結(jié)構(gòu)，其加工手段涉及微米及中間尺度的多種技術(shù)，工藝復(fù)雜，周期長且成本高，已成為滾壓印技術(shù)的主要制約因素之一。針對上述不足，本項目提出了實時動態(tài)壓模的概念并系統(tǒng)研究了一種非接觸式滾壓印的新方法，為發(fā)展高效、靈活、低成本，且具有較高制作精度的三維微結(jié)構(gòu)的連續(xù)加工方法奠定了重要的基礎(chǔ)。具體研究成果可概括如下：（1）研究了基于DMD的動態(tài)掩膜光刻原理，并提出了一系列高質(zhì)量三維微結(jié)構(gòu)制作方法。這些方法簡單、高效、工藝穩(wěn)定性好，并能以較高精度獲得具有復(fù)雜型面的微結(jié)構(gòu)。(2)設(shè)計和研制了非接觸式滾壓印系統(tǒng)，較好的集成了基于DMD的無掩膜光刻系統(tǒng)和R2R滾動壓印系統(tǒng)，利用具有靈活的圖形復(fù)刻能力的無掩膜光刻系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式滾動壓印系統(tǒng)中的壓輥，可實現(xiàn)實時的非接觸式滾動壓印過程。(3) 系統(tǒng)研究了非接觸式滾壓印技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。通過大量調(diào)研對比，為非接觸式滾壓系統(tǒng)確定了合適的光固化材料；同時研究了在動態(tài)光刻過程中的圖案拼接算法。（4）對非接觸式滾壓印的工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究及優(yōu)化，實現(xiàn)了圖形陣列，文字，不同寬度和形狀的線條等圖案的連續(xù)不斷的加工，實驗結(jié)果表明該方法能夠加工大面積的連續(xù)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，加工過程中圖案可實時變換，配合基底的運動可以靈活的制作大面積的三維微結(jié)構(gòu)，為精細(xì)微結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制作提供了一種新途徑。（5）研究了傳統(tǒng)滾壓印技術(shù)中膠液堆積和填充角對氣泡缺陷的影響。本項目已發(fā)表研究論文11篇，其中SCI檢索10篇，EI檢索11篇。申請發(fā)明專利共計6項，已授權(quán)1項。培養(yǎng)博士研究生3名、碩士研究生5名。 2100433B

壓輥模具需在圓柱面上制作出高精度的微結(jié)構(gòu)，其加工手段涉及微米及中間尺度的多種技術(shù)，工藝復(fù)雜，周期長且成本高，已成為滾壓印技術(shù)的主要制約因素之一。針對上述不足，本項目提出了實時動態(tài)壓模的概念并探索一種非接觸式滾壓印的新方法。主要研究內(nèi)容包括動態(tài)虛擬壓輥模具的生成原理與構(gòu)造機制，以及非接觸式滾壓印工藝過程的理論建模，計算和優(yōu)化。本項目擬采用DMD動態(tài)掩膜光刻與滾壓印技術(shù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的非接觸壓印。該方法充分發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)勢，與現(xiàn)有技術(shù)相比，虛擬的壓模避免了壓輥研制的復(fù)雜工藝過程以及壓模使用中的磨損和脫模困難等系列問題，節(jié)省了時間和經(jīng)濟成本；而動態(tài)掩膜光刻技術(shù)則提高了該方法的靈活性和三維微結(jié)構(gòu)制作能力，且不受低粘度負(fù)型壓印材料的限制。本研究為滾壓印技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路，可望突破當(dāng)前壓模制作的技術(shù)瓶頸，有助于將滾壓印技術(shù)提高到一個新的發(fā)展水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

滾型納米壓印是一種高效、低成本批量化制造大面積微納米結(jié)構(gòu)的方法，已經(jīng)被看成是最具有工業(yè)化應(yīng)用前景的微納米制造方法之一，同時也被認(rèn)為是實現(xiàn)納米壓印技術(shù)從實驗室到工業(yè)化應(yīng)用的一個重要突破口。開展?jié)L型納米壓印過程中模具變形機理和規(guī)律的研究，提出滾型納米壓印兩種理論模型，揭示柔性接觸滾輪模具變形的機理、規(guī)律和主要影響因素，闡述硬質(zhì)接觸和柔性接觸兩種壓印方式顯著區(qū)別和特點。該研究為探索減小彈性滾輪模具變形策略和方法，滾型納米壓印工藝要素的優(yōu)化，以及提高滾型納米壓印復(fù)型精度和壓印效率奠定了理論基礎(chǔ)。

壓印模具理論模型

傳統(tǒng)納米壓印不管是硬質(zhì)模具還是軟質(zhì)模具被認(rèn)為是一種平板型平面接觸壓印工藝，滾型納米壓印使用的是滾輪型模具，其壓印過程為線接觸模式。線接觸模式具有突出的優(yōu)點：①解決了壓印過程中受力不均勻和襯底不平整制約大面積納米壓印的技術(shù)難題，實現(xiàn)大面積納米壓印；②脫模力小，減少脫模缺陷，提高了壓印圖形的質(zhì)量；③克服傳統(tǒng)壓印過程中陷入氣泡的缺陷。但是，線接觸滾型納米壓印與傳統(tǒng)平板型平面接觸納米壓印具有完全不同的壓印作用機理(壓印過程和脫模過程)，傳統(tǒng)平板型平面接觸納米壓印所建立的理論體系已經(jīng)不再適用于滾型納米壓印，需要建立新的數(shù)學(xué)模型描述滾型納米壓印工藝。

滾型納米壓印使用滾輪模具主要有兩種形式：硬質(zhì)滾輪模具(直接在硬質(zhì)基材上形成微納米特征結(jié)構(gòu)，和彈性滾輪模具(在柔性基材形成微納米特征結(jié)構(gòu)，或者在硬質(zhì)圖形層和硬質(zhì)基材中間包含彈性緩沖層，形成三明治結(jié)構(gòu)，)。硬質(zhì)滾輪模具和彈性滾輪模具在滾型納米壓印中具有不同的作用機制。

壓印模具柔性接觸模具變形規(guī)律

對壓印力和特征結(jié)構(gòu)深寬比對模具變形的影響:滾輪模具上具有W=1μm, H=1μm 的微特征結(jié)構(gòu)，分別施加0.01N、0.03N、0.05N、0.07N、0.10N、0.20N壓印力。隨著壓印力的增大，滾輪模具最大應(yīng)變總趨勢不斷增大，為了實現(xiàn)高保真圖形復(fù)制，在滿足其他工藝因素前提下，應(yīng)盡可能選用較小的壓印力，以減小模具的變形。

通過深寬比與模具變形關(guān)系的研究，得到結(jié)論：隨著特征結(jié)構(gòu)深寬比的增加，模具的最大應(yīng)變位置發(fā)生改變，應(yīng)變量最初減小，隨后增大，但不是呈現(xiàn)線性關(guān)系。另外，考慮脫模等因素的影響，滾型納米壓印難以實現(xiàn)大深寬比特征結(jié)構(gòu)的制造。此外，考慮尺度效應(yīng)，提出的理論模型和數(shù)值模擬分析的結(jié)果適用范圍是在微尺度，在納尺度下可能不再適用。對于納尺度滾型納米壓印的研究，需要借助量子力學(xué)、納米力學(xué)、分子動力學(xué)、納尺度流體、納米摩擦學(xué)、多尺度模擬等工具開展研究。 2100433B