CN101043953A - 带有压力控制的辊子微接触印刷机 - Google Patents

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Abstract

微接触印刷设备包括带有充气体积(220、320)的辊子(100、200、300)，充气体积(220、320)变形以为可变形印模辊子表面(240、340)提供更均匀且更好地控制的表面压力。在一个解决方法中，充气体积(220)提供在圆柱形支撑件(210)内的可变形气密性材料(225)内。例如销的机械支撑件(230、234、241、246、251)将印模辊子表面(240)联接到可变形气密性材料(225)。或充气体积(320)可以提供在气密性圆柱形支撑件(310)和印模辊子表面(340)之间。例如折叠刀片的机械支撑件(330、332)将印模辊子表面(340)联接到圆柱形支撑件(310)而防止印模辊子表面相对于圆柱形支撑件的侧向运动。也可以提供充气体积内的压力的主动控制(130)。

Description

带有压力控制的辊子微接触印刷机
本发明一般地涉及微接触印刷，且更特定地涉及用于以压力控制进行微接触印刷的技术。
微接触印刷是用于印刷非常精细的线图案，直至低到大约200nm的精细的线图案的技术。基本上它是“高压(Hochdruck)”技术，其中在橡胶印模(stamp)上的图案在基底上被复制。迄今为止，主要地印刷单层阻质；然而，直接印刷其他材料/功能也在研究中。本技术的缺点是印刷应以施加非常低的压力(例如大约0.1巴)完成，以保证不仅印刷要求的图像，而且也将中间区压为与基底接触。例如见A.Bietsch和B.Michel的“Conformal contact and pattern stability of stamps usedfor soft lithography”，J.Appl.Phys.，88(7)，4310-4318(2000)，和C.Y.Hui等的“Constraints on microcontact printing imposed by stampdeformation”，Langmuir 18(4)，1394-1407(2002)。最近，引入了称为波印刷(wave printing)的此技术的新形式。见2003年12月4日公开的名为“Method And Device For Transferring A Pattern From AStamp To A Substrate”的PCT公开WO 03/099463，(律师案卷号ID606046/9188)。此技术使得能受控的施加这样的非常低的压力。然而缺点是此技术不适合于连续的流水生产，如在当前和今后的卷对卷类处理中所要求的。
本发明解决了以上的和其他的问题。特别地，本发明的目的是通过修改更通用的印刷辊子类型(例如，如应用于柔性版印刷)到微接触印刷的特定要求，使得能进行这样的连续处理。在常规的柔性版印刷中，以橡胶印模覆盖的辊子与基底接触，基底以直线运动在辊子下传送。辊子的旋转与基底的直线运动同步以防止滑动。在印模上的印刷压力通过将辊子压缩向基底实现。然而以此方式得到了强地非均匀的印刷压力分布，其中最大压力出现在辊子下的中心接触区(压缩得最强)，而在接触区的开始和最后部分处压力下降为低的值。这使得难于精确地控制和维持此压力为低的值。在实践中，寻求所谓的“吻印刷”条件，其中使用非常轻的压力使得印模刚好接触表面。然而，此条件难于维持，因为它要求了非常精确的基底和印刷辊子的表面平整度。
本发明通过提供带有充气体积的辊子而提供了对上述限制的解决方案，此辊子变形来为可变形印模辊子表面提供更均匀和更好地控制的表面压力。
在本发明的一个方面中，微接触印刷设备包括圆柱形支撑件、在圆柱形支撑件内限定了充气体积的可变形气密性材料、在其上承载微接触印模的可变形印模辊子表面和多个提供在印模辊子表面和可变形气密性材料之间的机械支撑件，用于在印刷期间从印模辊子表面向可变形气密性材料传递变形力。
在本发明的另一个方面中，微接触印刷设备包括气密性圆柱形支撑件、在其上承载微接触印模的印模辊子表面、提供在圆柱形支撑件和印模辊子表面之间的充气体积和多个提供在圆柱形支撑件和印模辊子表面之间的弹性机械支撑件，用于防止印模辊子表面相对于圆柱形支撑件的侧向运动。
在附图中：
在所有图中，相应的零件具有相同的参考数字。
图1图示了根据本发明的带有微接触印刷印模的充气印刷辊子；
图2图示了根据本发明的带有硬圆柱形支撑件和中心充气体积的辊子结构的示意性视图；和
图3图示了根据本发明的带有硬圆柱形支撑件和在圆柱形支撑件和辊子表面之间的充气壳的辊子结构的示意性视图。
在本发明的一个方面中，充气辊子用于提供更均匀的和更好地控制的印刷压力。特别地，图1示出了覆盖有微接触印刷印模110的充气印刷辊子100，用于在表面或基底120上印刷。虽然为简化起见仅图示了部分，但印模110可以围绕辊子100延伸。印模包括多个单独的段112。接触区的尺寸不按比例示出，但为清晰示出为远远大于实际情况。充气辊子100可以类比于自行车轮胎，它与待印刷表面120接触。作为结果获得了相对印刷压力ΔP，该印刷压力ΔP在接触区上是近似地均匀的。此特定的利益基本上是引入大空气室的结果，这在印刷领域中是新构思。特别地，当印模接触待在其上印刷的表面120时，充气体积的形状变形为均衡了印模110的接触区上的压力。
印刷压力的值由辊子内的净压力(相对于环境压力)给出，净压力可以调节为获得要求的低印刷压力。另外，可以对此压力主动控制且将它保持为调节到要求的印刷压力值。此解决方法的主要利益是印刷压力值以此方式独立于接触表面120的尺寸和辊子相对于表面的相应的垂直位置设定。
特别地，试验工作示出，取决于在印模上的图案的形状和开/关比，对于表面上的印模的净压力低到大约0.1巴可能发生印模的坍陷。这是对于在平表面上的平印模的。在辊子形式中要求的压力因此高到高于环境压力大约0.1巴的量级。关于主动控制，如果辊子包括被密封的体积，则如果辊子压在待印刷的表面上则压力也也增加。作为结果，表面上的印模的(局部)压力值增加。然而，此体积可以连接到压力传感器和泵130，使得在体积内的压力可以维持在设定值。特别地，当在印刷期间压缩体积100时，压力传感器和泵130从体积100中放出气体以避免压力的增加。气体可以是空气或其他合适的气体。此外，注意到，如果流体压力保持恒定，例如由连接到分开的外部压力控制单元的管保持恒定，则可以使用流体填充的体积来替代气体。
当印刷完成且辊子100不再接触基底120时，气体被泵入到体积内以维持希望的压力。压力也可以为不同的印刷压力而调节。此外，当环境压力增加时，也可以通过添加气体而修正环境压力变化。压力传感器和泵130的实现可以使用多种本领域技术人员已知的技术获得。
与轮胎的例子的差异是，在辊子100内的空气压力不需要设定为高的值，因为它不需要支撑辊子100的重量。此重量例如可以由沿辊子的旋转轴线的轴支撑。例如如以下将结合图2和图3进一步讨论，可以由沿旋转轴线的轴支撑硬圆柱形支撑件。此轴支撑整个辊子的重量，因为否则此重量可能容易地导致印模和表面之间的大的总接触区。相反，在给定的空气压力下对于重的车辆的自行车轮胎比对于轻的车辆的自行车轮胎具有更大的与道路的接触区。
本发明实现了数个利益，包括：(1)印刷压力在辊子和基底之间的接触区上是均匀的；(2)辊子的垂直位置不太关键，例如在以上描述的吻印刷情况下；和(3)如果防止了印模表面的伸展，则可将被印刷图像中的失真保持为最小。
然而，在实践中，无附加的措施则以上的情形不能实现。例如要求在印模表面和辊子轴之间的机械接触。这可以使用多种解决方法来实现。一个可能的解决方法在图2中示意性地图示，图2中提供了辊子200的示意图，辊子200带有微接触印模表面240、硬的不可变形的圆柱形支撑件210和中心充气体积或容器220。接触区未按比例示出。圆柱形支撑件210不需要准确地是圆柱体，而是例如可以包括多个平的表面。体积220可以由例如橡胶的可变形的气密性材料225形成，用作球囊的。体积220可以成形为环形以容纳中心轴。
例如连接销的机械支撑件230将体积220与接触印模表面240和微接触印模110连接。机械支撑件230在圆柱形支撑件210和可变形气密性材料225之间周向间隔开。机械支撑件230可径向地垂直于圆柱形表面240自由移动，但不可侧向地自由移动，使得防止了侧向滑动。在连接器销230和印模110的内表面之间提供了机械接触，使得在印刷期间在接触印模表面240处发生的变形力传递到气密性材料225和体积220。存在多种结合可能性，例如包括简单地将它们粘合在一起或在印模背侧的锥形孔内提供锥形销。
每个销的一端可以固定到接触印模表面240，而另一端可以具有接触可变形材料225的平的表面，以将变形力从接触印模表面240传递到气密性材料225和充气的可变形体积220。机械支撑件的例子234在其径向内端连接到一般地平面的表面232，以在可变形材料225上施加力。径向外端连接到接触印模表面240或与接触印模表面240接触。一般地平面的表面也可以提供在径向外端处。
此外，机械支撑件230可以包括在圆柱形支撑件210内的孔口内。可以使用多种解决方法。例如，与机械支撑件230的长度相比圆柱形支撑件210可以相对地薄，如以例如通孔的孔口242的例子指示，通过通孔提供了支撑件241。或可以提供例如管的导向结构245的例子，以更好地导向支撑件246的运动，使得仅允许径向运动。或与机械支撑件230的长度相比圆柱形支撑件210可以相对地厚，如以圆柱形支撑壁250的例子指示。在此情况下，在支撑壁250内例如通孔的孔口足够厚，以导向机械支撑件251的运动，使得仅允许径向运动。对于本领域技术人员多种其他的解决方法是显见的。此外，可以沿辊子200的长度平行于其旋转轴线提供多个机械支撑件。
当接触印模表面240在印刷过程期间因与基底120接触而变形时，在可变形材料225中通过在接触区域附近的销230的径向向内运动产生了相应的变形。此变形由图2中的材料225的平的底区域指示。特别地，当印刷期间变形力从印模辊子表面240传递到可变形气密性材料225时，在充气体积220内的气体压缩。此压缩均衡了印刷期间微接触印模110的接触区上的压力。圆柱形支撑件210不弯曲，因为弯曲可能导致变形力和图像失真。与图3中的情况不同，在图2中假定气体仅存在于中间充气体积220中。然而作为图2中实施例的替代，也可以将辊子200内的整个体积充气。可以在圆柱形支撑件210内提供附加的孔以允许气体通过。
在图3中图示了另一个可能的解决方法。图3提供了辊子结构300的示意图，辊子结构300带有硬的气密性圆柱形支撑件310和在圆柱形支撑件310和微接触印模110之间的包括气体的壳或体积320。接触区再次未按比例示出。带有例如刀片的折叠的机械支撑件330的连接“刀片”结构防止微接触印模110和印模表面340相对于圆柱体310的侧向运动。机械支撑件330在圆柱形支撑件310和印模辊子表面340之间周向间隔开。支撑件330可以是穿孔的，以允许气体自由地流动。可以提供带有穿孔334的支撑件332的例子。只要气体在硬圆柱体310和印模辊子表面340之间设法可自由流动，则不要求穿孔。在支撑件330中提供一些孔或将支撑件构造为使得它们不完全地沿完整轴线方向延伸，例如通过将支撑件以交错的位置放置，则可以留下充分的敞开的通道以允许空气的此自由流动。另一方面，支撑件330内的多孔性必须不能过大而使得支撑件330不再沿刀片方向充分地刚硬。这可能导致在侧向方向上的滑动。
机械支撑件330防止了印模表面340和印模110相对于硬的不可变形的圆柱形支撑件310的侧向滑动。然而，它们在实践中通过与基底120的接触允许了印模表面340的小的凹入。刀片330可以例如由薄的折叠金属的片制成，当它们被折叠时展示了最小的弹性，使得在变形或压缩后印模上的空气压力可以将它们返回到它们的原位。在实践中，当印刷期间印模辊子表面340变形时，充气体积320内的气体被压缩。此压缩均衡了印刷期间微接触印模110的接触区上的压力。
对于本领域普通技术人员显见可以使用多种其他的机械支撑结构以满足最小化印模表面的侧向移位的目标，而仍允许印模表面340的几乎自由的垂直运动。
本发明的应用包括在大面积精细线图案形成区上印刷，例如显示器(有源和无源板)和在(聚合物)电子器件中等。
因此，可见本发明提供了微接触印模印刷机，此印刷机在接触区提供了均匀的低印刷压力以及印刷表面的最小的侧向位移以避免扭曲。本发明也避免在被印刷图像中的侧向滑动。此外，在印模和圆柱形支撑件之间的柔性联结允许了垂直运动，以允许印模局部地跟随其上待印刷的表面。
虽然已示出且描述了被考虑为本发明的优选实施例，当然将理解的是在形式或细节上的多种修改和变化也可以容易地完成而不偏离本发明的精神。因此，意图于本发明不限制于已描述的和已图示的严格的形式，而应该解释为覆盖所有可以落入附带的权利要求书的范围的修改。

Claims (16)

1.一种微接触印刷设备，其包括：
圆柱形支撑件(210)；
在圆柱形支撑件内限定了充气体积(220)的可变形气密性材料(225)；
其上承载微接触印模(110)的可变形印模辊子表面(240)；和
提供在印模辊子表面和可变形气密性材料之间用于在印刷期间将变形力从印模辊子表面传递到可变形气密性材料的多个机械支撑件(230、234、241、246、251)。
2.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，其中：圆柱形支撑件是不可变形的。
3.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，其中：多个机械支撑件在圆柱形支撑件和可变形气密性材料之间周向地间隔开。
4.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，其中：多个机械支撑件包括径向可移动的销。
5.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，其中：圆柱形支撑件包括孔口(242)，多个机械支撑件通过孔口(242)。
6.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，进一步包括用于主动地控制充气体积内的压力的装置(130)。
7.根据权利要求1所述的微接触印刷设备，其中：在印刷期间当变形力从印模辊子表面传递到可变形气密性材料时，充气体积内的气体压缩。
8.根据权利要求7所述的微接触印刷设备，其中：在印刷期间充气体积内的气体的压缩均衡了微接触印模的接触区上的压力。
9.一种微接触印刷设备，其包括：
气密性圆柱形支撑件(310)；
其上承载微接触印模(110)的印模辊子表面(340)；
提供在圆柱形支撑件和印模辊子表面之间的充气体积(320)；和
提供在圆柱形支撑件和印模辊子表面之间的多个机械支撑件(330、332)，用于防止印模辊子表面相对于圆柱形支撑件的侧向运动。
10.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，其中：圆柱形支撑件是不可变形的。
11.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，其中：多个机械支撑件在圆柱形支撑件和印模辊子表面之间周向地间隔开。
12.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，其中：多个机械支撑件包括折叠刀片。
13.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，其中：多个机械支撑件包括穿孔(334)。
14.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，进一步包括用于主动地控制充气体积内的压力的装置(130)。
15.根据权利要求9所述的微接触印刷设备，其中：在印刷期间当印模辊子表面变形时，充气体积内的气体压缩。
16.根据权利要求15所述的微接触印刷设备，其中：在印刷期间充气体积中的气体的压缩均衡了微接触印模的接触区上的压力。
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