CN101687409A

CN101687409A - 通过纳米压印和电成型来复制物体表面上的纳米图案纹理的方法

Info

Publication number: CN101687409A
Application number: CN200780053474A
Authority: CN
Inventors: 李京旭; 李景烈; 郑准相
Original assignee: EF TECH Co Ltd
Current assignee: Three yuan ACT Corporation
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: PL2164703T3; EP2164703B1; US9845543B2; US20150108000A1; US20100101961A1; ES2701723T3; EP2164703A4; WO2009001976A1; KR100874492B1; CN101687409B; US20130192994A9; EP2164703A1

Abstract

公开了一种使用压印模具通过电成型来复制物体表面的纳米图案纹理的方法，包括：选择具有待复制的表面纹理的物体；放置所选定物体并预处理其表面；纳米压印经预处理的物体的表面，由此将该表面复制在塑料模具上；通过气相沉积来金属化该塑料模具的表面并执行电成型，由此制造金属模块主模；修整所述金属模块主模的边缘，执行微加工，连接所述金属模块主模，并然后执行电成型，由此制造大面积金属单元主模；以及，电成型所述金属单元主模，由此生产具有所述表面纹理的复制品，从而展示能够将所选定的天然物体的表皮复制在具有均匀厚度的金属上的效果。

Description

通过纳米压印和电成型来复制物体表面上的纳米图案纹理的方法

技术领域

本发明涉及物体表面的纳米复制，更具体地，涉及一种通过使用纳米压印和电成型来复制物体的待复制的精细美观表面，由此复制物体表面的纳米图案从而获得原始纹理的方法。

背景技术

通常，在自然界中自然存在的诸如植物、昆虫、皮革、矿物、树、纤维和织物的物体的表皮或表面具有非常美观而柔软的结构和纹理并且呈现天然的颜色，因此，对于其应用于装饰大规模生产的工业产品的外观的研究和开发正在进行中。特别地，由于昂贵且制造得较奢华的移动通信便携式终端、PDA或笔记本电脑应该随身携带，所以需要其表面具有低磨损并且易于维护，此外，因为它们被展示给其它人员，所以需要其外观具有柔软而奢华的纹理或感觉。

通常，使用金属材料来减少表面磨损并使用天然材料来赋予柔软的感觉。因此，为了使用具有低磨损的金属材料来开发赋予柔软感觉的外观或表面，投入了大量的时间和金钱。同时，正在开发塑料中的复制方法。

由于具有待复制的预定图案的物体是柔软的，使得能够进行复杂而精细的表面复制但又难以制造用于这种复制的模具。此外，虽然蚀刻工艺、包括光刻和化学蚀刻可以应用于生产复杂而精细的图案，但它不适用于大规模生产。

在塑料玩偶、有线电话、汽车等的情形中，使用压机在高压下应用模制技术从而大规模复制出相同的形状或外观，然而，在昆虫、植物、经处理的皮革、矿物、纤维和织物的表皮的情形中，无法通过压机的压力水平来实现对精细表面纹理的纳米级的重复复制，因此，必须通过另外的表面处理来实现所期颜色和图案。

然而，这种另外的表面处理也是有问题的，该问题在于：如在昆虫、植物、经处理的皮革、矿物、纤维和织物的表皮中，难以实现良好的纹理和结构。

发明内容

技术问题

据此，本发明提供一种在金属或塑料上复制诸如动物、植物、矿物、织物或木材的物体的表面纹理从而实现相同纹理的方法，具体地，提供一种使用纳米压印塑料模具和电成型主模来复制物体表面的纳米图案从而为金属或塑料赋有选定物体的表面纹理的方法。

另外，本发明提供一种通过如下步骤来复制物体表面的纳米图案的方法：扫描待复制的物体表面；执行二维(2D)或三维(3D)微技术或纳米技术，从而形成标准图案；并且连接纳米压印模块主模(mastermold)的边缘以赋予标准图案，从而形成具有所期尺寸的大面积主模。

技术方案

根据本发明，使用压印模具来电成型物体的表面纹理的方法可以包括：选择具有待复制的表面纹理的物体；放置所选定物体并预处理其表面；纳米压印经预处理的物体的表面，由此将该表面复制在塑料模具上；通过气相沉积来金属化塑料模具的表面并执行电成型，由此制造若干金属模块主模；修整若干金属模块主模的边缘，执行微加工，连接若干金属模块主模，然后执行电成型，由此制造大面积金属单元主模；以及，电成型所述金属单元主模，由此生产具有所述表面纹理的复制品。

另外，使用压印模具来复制物体的表面纹理的方法可以包括：选择物体，预处理该物体的表面，纳米压印经预处理的表面以制造塑料模具，然后通过气相沉积来金属化该塑料模具，并且执行电成型，由此制造若干金属模块主模；修整若干金属模块主模的边缘，执行2D或3D微加工以赋予通过表面扫描设定的标准图案，连接若干金属模块主模，并且执行电成型，由此制造大面积金属单元主模；以及，从所述单元主模生产具有所述表面纹理的复制品，并且对该复制品进行着色和涂覆。

有利效果

根据本发明，所选定物体的表面的纳米图案纹理被纳米压印，由此制造模块主模，这些模块主模然后经受2D或3D边缘处理和电成型，由此制造大面积单元主模，然后，能够从所述单元主模将相同纹理复制在金属或塑料上，从而实现工业适用性。

另外，根据本发明，由于使用具有所选定物体的表面的纳米图案纹理的主模来执行电成型，所以能够将相同纹理复制在具有均匀厚度的金属上，从而实现工业适用性。

另外，根据本发明，能够对所选定物体的具有美观而柔软的纹理、结构和颜色的表面进行大规模复制和大规模生产，从而实现了工业使用便利的效果。

附图说明

图1是按顺序示出根据本发明的复制物体表面的纳米图案纹理的过程的流程图；

图2是示出大面积主模的照片，该大面积主模是通过使得根据本发明一个实施例利用天然皮革的表面压印的多个模块主模经受边缘处理而制造的；

图3是根据本发明实施例的将通过纳米压印被模制的天然皮革的前表面的放大2倍的照片；

图4是根据本发明实施例的利用天然皮革的前表面纳米压印的模具的放大2倍的照片；

图5是根据本发明实施例的将通过纳米压印被模制的天然皮革的后表面的放大2倍的照片；

图6是根据本发明实施例的利用天然皮革的后表面纳米压印的模具的放大2倍的照片；并且

图7是示出根据本发明实施例的在其上复制有物体表面的纳米图案纹理的最终产品的照片。

具体实施方式

在下文中，将参考附图给出对根据本发明使用电成型来复制物体表面的纳米图案的方法的详细描述。

在本发明中，图1是按顺序示出根据本发明的复制物体表面的纳米图案的过程的流程图，图2是示出根据本发明的一个实施例的利用天然皮革的表面纳米压印的塑料模具的照片，图3是根据本发明实施例的将通过纳米压印被模制的天然皮革的前表面的放大2倍的照片，图4是根据本发明实施例的利用天然皮革的前表面纳米压印的模具的放大2倍的照片，图5是根据本发明实施例的将通过纳米压印被模制的天然皮革的后表面的放大2倍的照片，图6是根据本发明实施例的利用天然皮革的后表面纳米压印的模具的放大2倍的照片，并且图7是示出根据本发明实施例的在其上复制有物体表面纹理的最终产品的状态的照片。

在本发明实施例的说明中，省略了与本发明并不直接相关的或者在本技术领域中众所周知的图和技术说明，以便能够清楚而明确地传达本发明的要点。

如图1所示，根据本发明实施例的复制物体表面的纳米图案纹理的方法包括：选择待复制的物体；置放并且清洗该物体；使得该物体经历纳米压印从而将它复制在塑料模具上；使得该塑料模具经历气相沉积和电成型从而制造金属模块主模；修整模块主模的边缘，执行微加工或纳米加工，连接模块主模并执行电成型，从而制造大面积金属单元主模；从单元主模生产具有纳米图案表面纹理的复制品；以及使得该具有纳米图案表面纹理的复制品经历气相沉积或者印刷和涂覆。

优选地，本发明的方法还包括使待复制的物体经历预处理，例如：清洗和干燥，然后经历用于电成型的纳米分离薄膜处理从而阻止杂质转移并使复制品容易分离。

使用是一种塑料的热塑性聚合物薄膜来执行用于复制物体表面纹理的纳米压印。

纳米压印包括PDMS模塑、UV压印、热压印和滚动压印(rollimprinting)，并且是通过铸造过程或注塑过程执行的。

纳米压印使得能够利用热塑性聚合物薄膜通过热压印在模具上进行复制。

纳米压印包括UV压印和滚动压印的组合，或者热压印和滚动压印的组合。

使用从气相沉积、喷射和湿法银固化中选出的任何一种工艺来执行模具表面的金属化。

通过电镀或化学镀来执行电成型。

通过以下步骤使单元主模形成为具有放大区域：修整模块主模的边缘；使模块主模的预定宽度的经修整部分经历2D或3D微加工或纳米加工以赋予通过对待复制的物体表面的2D或3D扫描而设计出的用于连接的预定标准图案；布置模块主模；并且通过粘结或焊接来连接所述模块主模。

复制品包括通过使完成的金属的单元主模经历金属电成型或者塑料注射或塑料挤出而获得的产品。

另外，利用压印模具来复制物体表面的纳米图案纹理的方法包括：预处理选定物体的表面，纳米压印该物体以便制造然后经受用于金属化的沉积并经受电成型的模具，由此制造金属模块主模；修整模块主模的边缘，执行2D或3D微加工以赋予标准图案，连接模块主模并执行电成型，由此制造大面积单元主模；以及对具有从单元主模生产的纳米图案表面纹理的复制品进行着色和涂覆。

下面，结合附图来具体描述根据本发明实施例的复制物体表面的纳米图案纹理的方法。

电成型工艺(电铸)是用于复制与使用电镀的图案相同的表面纹理的技术，并且通过电镀来电沉积涂覆出一层薄的金属离子膜，由此形成具有与该图案相同的表面的模型。该图案可以是非金属性的或金属性的。非金属性图案利用分离薄膜等进行预处理，在这之后利用石墨粉或铜粉或者利用由金或银制成的薄膜来涂覆其表面从而赋予其导电性。金属性图案的表面利用由氧化物或石墨粉制成的薄膜即分离薄膜进行涂覆，在这之后，将金属性图案置于电解槽中并然后在电流下利用金属元件进行电沉积。在该图案的表面上电沉积的金属被剥离，由此获得具有相反形式的阴模。用于电沉积的金属的实例包括铜、镍、铁等。该相反形式可以被原样使用，或者替代地，其表面可以反复经受分离薄膜处理和电成型，由此复制与该图案相同的产品。

通常，根据电镀层的厚度将电镀和电成型相互区分。例如，电镀产生的电镀层是0.001-0.05mm厚，而电成型产生的电镀层是0.025～25mm厚。

电成型工艺的特征在于，通过根据电解条件调节金属的类型和硬度，可以获得各种物理性质，复制品与所述图案之间的差异很小，以高保真度实现了表面复制，对复制品的尺寸和形状几乎没有任何限制，能够获得高纯度的金属产品，能够进行一次性生产和大规模生产，并且能够制造无缝管或中空产品。然而，电成型工艺的缺点是：为此需要较长一段时间，可能还会复制不必要的形状或微小的形状例如划痕，需要产品制造和图案设计方面的高级技术知识，当存在严重的粗糙度和曲率时难以获得具有均匀厚度的产品，并且产生大量费用。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种适合于模制工艺的聚合物材料，它便于在100nm或更低的纳米级上大规模生产精细的复制品。

为一种塑料的PDMS可以通过将其原材料与固化剂混合并将该混合物在具有预定形状的阳模中烧结来制造成阴模的形式。如印模与印墨之间的关系那样，当使用这种PDMS模具时，可以使用纳米压印在该模具上的纳米图案来在另一金属的表面上实现所期望的纳米图案。这种方法称作软刻印。作为对上述阳模的替代，也可以使用阴模。

纳米压印工艺是用于通过将具有纳米尺寸的表面粗糙度的印模置于涂覆有聚合物树脂的基板上并且然后在该基板上按压该印模来复制纳米图案表面的技术，并且被分类为使用热量的热压印和使用UV光线来固化基板上的聚合物树脂的UV压印。另外，为了大规模生产，使用辊形印模的滚动压印是其一个实例。例如，当诸如SU-8的光敏材料被涂覆于硅晶片上并然后使用光掩膜形成图案时，可以获得底版。当在使用该底版作为模具的情况下使PDMS经受铸造或注射并然后烧结时，可以完成起印模作用的PDMS模具。使用如此获得的PDMS印模的软刻印包括微接触印刷、复制模塑、微转移模塑、毛细微模塑等。

PDMS的优点是：它无毒、透明，并且具有非常低的自发荧光，对于要求频繁的荧光测量的生物试验来说特别有用。此外，当对已完成的PDMS的表面进行等离子体处理时，发生表面氧化，从而实现亲水表面的性质，同时，上述PDMS可以与玻璃或另一PDMS材料相结合，因此它可以广泛用于制造微流流道。

气相沉积工艺是用于使一个物体气化从而将该物体沉积在另一个物体的表面上的技术，它包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。CVD用于使用化学反应在物体表面上形成薄膜。例如，如在通过控制半导体晶片上的化学反应来形成薄膜时，可以应用CVD。

CVD的实例包括低压CVD(LPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)和常压CVD(APCVD)，而PVD的实例包括对材料施加物理冲击的利用金属蒸汽的蒸发和溅射。另外，原子层沉积(ALD)是有用的。

虽然通常难以在工业上复制在自然界中天然存在或者通过处理和工业技术以人造方式存在的物体(例如皮革、织物、植物、树、矿物或昆虫)的表皮或表面的美观柔软的纹理、结构和颜色，但是本发明旨在通过2D或3D扫描、微加工或纳米加工、布置、连接和电成型来反复复制与该图案的表面类似的纳米图案纹理。

在以上物体中，选择任何待复制的物体，例如，选择皮革(S100)，在这之后，清洗所选定物体的表面以去除杂质，并将该物体选择性地放置在平面状态或弯曲状态下，然后使该物体经受纳米分离薄膜表面处理(S110)。执行分离薄膜处理以在已清洗的物体的表面上形成薄膜，使得压印模具容易从该物体分离。

物体表面经受纳米压印，例如PDMS模塑或热压印，由此制造模具(S120)。

纳米压印包括从PDMS模塑、热压印、UV(紫外线)压印和滚动压印中选出的一种或多种，并且可以使用铸造工艺或注射工艺来执行。

例如，可以通过从如下项中选出的任何一种来执行纳米压印：PDMS模塑、利用热塑性聚合物薄膜的热压印、UV压印、滚动压印、UV压印和滚动压印的组合，以及热压印和滚动压印的组合。

纳米压印使得能够制造用于复制精细纳米图案表面的模具，并在将纳米结构图案压印在该模具表面上的方面起作用，如同压印纸的概念。除了PDMS之外，纳米压印材料还包括热塑性、热固性和UV可固化抗性材料。虽然纳米压印与聚合物模制的基本原理类似，但它与传统的压印工艺很不相同，因为当模制纳米尺寸的结构时，必须彻底考虑在传统技术中可忽略并且影响较小的微观物理现象，包括毛细管作用、电磁力、以及分子或原子之间的吸引力。

因此，根据本发明的纳米压印工艺要求考虑到这种微观物理现象来开发材料，并且要求用于管理在通常工作条件下易于出现的、具有从几十纳米到几百微米的尺寸的细尘的技术，因为模具是在纳米级上制造的。此外，存在着对用于在工作期间减小外部振动的隔振系统的基本需求。这样，根据本发明的纳米压印工艺与传统技术很不相同。

具有高精度的纳米压印模具被分离，通过气相沉积而被金属化，并然后被电成型，由此获得多个小的模块主模。

在本发明中，气相沉积主要利用CVD来执行，但也可以通过PECVD、APCVD或PVD来执行。在气相沉积之前，如果必要可以先执行纳米分离薄膜处理。气相沉积所产生的金属化模具经受电成型，由此获得多个小的模块主模(S130)。

关于模具的金属化，除了气相沉积之外，喷射和湿法银固化也是其实例，并且可以应用从上述三种方法中选出的任何一种。

待复制的物体表面的纳米图案经历2D或3D扫描，从而设计出预定的标准图案并准备进行处理。可以通过蚀刻来执行这种处理。

如此制造的模块主模的边缘被均匀修整，在这之后，所述模块主模的预定宽度的边缘经历2D或3D微加工或纳米加工以赋予所设计的标准图案，并且，经如此处理的模块主模被布置，通过粘结或焊接准确地连接，然后被电成型，由此制造金属单元主模(S140)。

如此制造的主模为阳模的形式。在需要阴主模的情形中，可以通过重复该电成型来保证。2D或3D处理是用于自然地连接具有已复制的纳米压印图案的、各个模块模具的边缘的微技术或纳米技术。

电成型工艺是使用电解原理、利用另一种金属来涂覆金属表面的技术，它还称作电镀工艺。即，将电镀金属置于阴电极处，并将电沉积金属置于阳电极处，在这之后，将电镀金属置于包含待电沉积的金属离子的电解溶液中，然后在电流下被电解，由此将金属离子电沉积在电镀金属表面上。

作为与之相应的技术，非电镀(electroless plating)、化学镀和自催化电镀是示例性的。在非电镀中，诸如福尔马林或联胺的还原剂供应用于将水溶液中的金属离子还原成金属分子的电子。这个反应发生在催化剂的表面上，并且镀剂包括铜、镍磷合金和镍硼合金。当还原剂自身被氧化时，它引起另一材料的还原，并且其实例包括氢气、碳、金属钠和亚硫酸盐。与电镀相比，非电镀使得镀层更稠密并且其厚度更均匀，并且，还可以有利地应用于包括塑料或有机物质的各种图案，因此，可以在本发明中用作替代物。

接着，使用单元主模来执行金属电成型或者塑料挤出或塑料注射，由此生产具有所选定物体的表面或表皮的纳米图案纹理的复制品(S150)。所生产的复制品进一步经历气相沉积或用于着色处理的涂饰和用于物理或化学防护的涂覆，由此完成该复制品(S160)。

根据本发明的实施例，在生产具有与物体表面相同的纳米图案纹理的复制品时，当通过铸造执行挤出工艺时，在塑料上挤压具有纳米图案表面粗糙度的单元主模，由此生产具有纳米图案纹理的复制品，在这之后，模具被分离。根据本发明的生产方法的特征在于，它要求：精确布置技术、用于最小化外部振动的隔振技术、纳米模具与塑料之间的平衡以及去除泡沫、电镀、具有微观精度或纳米精度的技术，以及在大面积上施加均匀压力的技术，因此，根据本发明的生产方法明显不同于传统技术。还可以通过电成型将所选定物体的表面的纳米图案纹理复制在金属上。

参考图2，示出了大面积模具，该大面积模具是通过使得根据本发明实施例选定的天然皮革的前表面和后表面被纳米压印的多个小的模块主模经历2D或3D处理和精确边缘处理以赋予标准图案并且连接所述模块主模而完成的。

即，具有小尺寸的天然皮革的前表面和后表面使用热塑性聚合物薄膜通过热压印而被压印，然后经受2D或3D边缘处理以赋予通过表面扫描设定的标准图案，由此完成该模具。

图3是根据本发明实施例的为表面纹理的纳米压印而选定的天然皮革的前表面的放大2倍的照片，图4是利用图3的天然皮革压印的模具的放大2倍的照片，图5是根据本发明实施例的为进行压印而选定的天然皮革的后表面的放大2倍的照片，图6是利用图5的天然皮革压印的模具的放大2倍的照片，并且图7是根据本发明实施例的在其上复制有所选定物体的表面的纳米图案纹理的最终产品的状态的照片。

根据本发明的所选定物体的表面的纳米图案纹理可以复制在金属或塑料上。因此，如上所述的本发明的技术是有利的，因为所选定物体的表皮或表面的纳米图案纹理被纳米压印，由此制造出模具并且该模具然后被反复电成型，从而将该纳米图案纹理复制在金属或塑料上。

出于示例目的阐述了本发明的优选实施例，但这些实施例不应理解成限制本发明，而是可以在不偏离本发明技术精神的范围内作出各种修改。因此，在本发明中公开的示例性实施例并不限制本发明的技术精神而是旨在对其进行解释，并且本发明的技术精神不限于此。本发明的范围应该由所附权利要求限定，并且，落入与所附权利要求等同的范围内的所有技术变化都应视为包括在本发明的范围内。

Claims

1.一种使用压印模具通过电成型来复制物体表面的纳米图案纹理的方法，包括：

选择具有待复制的表面纹理的物体；

放置所选定物体并预处理其表面；

纳米压印经预处理的物体的所述表面，由此将所述表面复制在塑料模具上；

通过气相沉积来金属化所述塑料模具的表面并执行电成型，由此制造若干金属模块主模；

修整所述若干金属模块主模的边缘，执行微加工，连接所述若干金属模块主模，然后执行电成型，由此制造大面积金属单元主模；以及

电成型所述金属单元主模，由此生产具有所述表面纹理的复制品。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括使得具有所述表面纹理的所述复制品经历气相沉积或用于着色处理的涂饰，以及涂覆保护性薄膜。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述物体选自天然材料和人造材料，所述天然材料包括动物、植物、昆虫和矿物，所述人造材料包括经处理的材料、纺织织物和艺术品。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预处理包括：使所选定物体的表面经历清洗和干燥，然后进行纳米薄膜处理以阻止杂质转移从而便于纳米压印模具的分离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米压印包括：使得已经历薄膜处理的所述物体的表面经历PDMS模塑，以在所述模具上实现复制。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述纳米压印还包括利用热塑性聚合物薄膜的热压印，以在所述模具上实现复制。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述纳米压印还包括UV压印或滚动压印。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米压印包括UV压印和滚动压印的组合。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米压印包括热压印和滚动压印的组合。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属化还包括使所述模具的表面经历喷射或湿法银固化。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述微加工包括：扫描待复制的所述物体的表面以设定用于所述若干模具连接的预定标准图案；然后执行二维或三维微加工。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述微加工还包括纳米加工。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电成型通过电镀或非电镀来执行。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述电镀或非电镀便于通过薄膜处理来分离所述复制品。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过如下步骤来制造所述大面积单元主模：修整所述若干模块主模的边缘；执行二维或三维加工以赋予标准图案；以及连接所述若干模块主模的经修整的部分。

16.根据权利要求15所述的方法，其中连接所述若干模块主模是通过粘结或焊接所述若干模块主模来执行的。

17.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述若干模块主模已连接从而形成大面积的状态下执行电成型来制造所述单元主模，由此获得金属单元主模。

18.根据权利要求1或2所述的方法，其中生产所述复制品包括电成型所述金属单元主模，由此生产由具有所述表面纹理的金属制成的复制品。

19.一种使用压印模具来复制物体表面的纳米图案纹理的方法，包括：

选择所述物体，预处理所述物体的表面，执行纳米压印以制造塑料模具，通过气相沉积来金属化所述模具，并且执行电成型，由此制造若干金属模块主模；

修整所述若干金属模块主模的边缘，执行二维或三维微加工以赋予通过表面扫描设定的标准图案，连接所述若干金属模块主模，并且执行电成型，由此制造大面积金属单元主模；以及

从所述单元主模生产具有所述表面纹理的复制品，并且对所述复制品进行着色和涂覆。

20.根据权利要求19所述的方法，其中通过扫描所选定物体的表面并且使所述模具经历二维或三维微加工，所述标准图案呈现为与所述物体的所述表面类似。

21.根据权利要求19所述的方法，其中在塑料中复制所述复制品。

22.根据权利要求17所述的方法，其中所述物体选自以下材料：天然材料，经加工的天然材料，经加工的材料，艺术品和人造材料。