非接觸式滾壓印技術(shù)及其動(dòng)態(tài)壓模機(jī)理研究結(jié)題摘要

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(zhǎng)且成本高，已成為滾壓印技術(shù)的主要制約因素之一。針對(duì)上述不足，本項(xiàng)目提出了實(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(jì)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(wú)掩膜光刻系統(tǒng)和R2R滾動(dòng)壓印系統(tǒng)，利用具有靈活的圖形復(fù)刻能力的無(wú)掩膜光刻系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸式滾動(dòng)壓印系統(tǒng)中的壓輥，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的非接觸式滾動(dòng)壓印過(guò)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(guò)大量調(diào)研對(duì)比，為非接觸式滾壓系統(tǒng)確定了合適的光固化材料；同時(shí)研究了在動(dòng)態(tài)光刻過(guò)程中的圖案拼接算法。（4）對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(guò)程中圖案可實(shí)時(shí)變換，配合基底的運(yùn)動(dòng)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(duì)氣泡缺陷的影響。本項(xiàng)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(qǐng)發(fā)明專利共計(jì)6項(xiàng)，已授權(quán)1項(xiàng)。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(zhǎng)且成本高，已成為滾壓印技術(shù)的主要制約因素之一。針對(duì)上述不足，本項(xiàng)目提出了實(shí)時(shí)動(dòng)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?jī)?nèi)容包括動(dòng)態(tài)虛擬壓輥模具的生成原理與構(gòu)造機(jī)制，以及非接觸式滾壓印工藝過(guò)程的理論建模，計(jì)算和優(yōu)化。本項(xiàng)目擬采用DMD動(dòng)態(tài)掩膜光刻與滾壓印技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)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(shì)，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(guò)程以及壓模使用中的磨損和脫模困難等系列問(wèn)題，節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本；而動(dòng)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(gè)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(shí)也被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)納米壓印技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)重要突破口。開(kāi)展?jié)L型納米壓印過(guò)程中模具變形機(jī)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(jī)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(diǎn)。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(guò)程為線接觸模式。線接觸模式具有突出的優(yōu)點(diǎn)：①解決了壓印過(guò)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(shí)現(xiàn)大面積納米壓??；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(guò)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(jī)理(壓印過(guò)程和脫模過(guò)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(jī)制。

壓印模具柔性接觸模具變形規(guī)律

對(duì)壓印力和特征結(jié)構(gòu)深寬比對(duì)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(shì)不斷增大，為了實(shí)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(guò)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(shí)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(duì)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(dòng)力學(xué)、納尺度流體、納米摩擦學(xué)、多尺度模擬等工具開(kāi)展研究。 2100433B