CN101943859A - 一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法 - Google Patents

一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法，该装置包括传输装置、涂布装置、预固化装置、压印装置和强固化装置，该涂布装置将紫外光胶均匀的涂布于由传输装置传输的待压印材料上，经预固化装置流平和半固化之后，送至压印装置进行压印，最后通过强固化装置硬化成型。相对于现有的纳米压印技术，本发明的压印装置具有更高的生产效率和良率。本发明还揭示了一种利用上述装置实现卷对卷紫外纳米压印的方法。

Description

一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法
技术领域
本发明涉及一种紫外纳米压印装置及方法，尤其是一种卷对卷紫外纳米压印装置及方法。
背景技术
自1995年纳米压印技术提出以来，人们希望通过该技术实现低成本、高分辨率、高效率、大面积的批量制备纳米结构。但是，传统的热压印技术需要加热、高压环节，从而造成压印环节复杂、难于控制。1999年，美国得克萨斯州大学的研究小组提出一种在室温、低压环境下利用紫外光(UV)固化聚合物的紫外纳米压印技术。
目前纳米压印技术主要包括以下几种：
(1)热压印。首先采用坚硬的压模毛坯加工成压模，然后在基片上旋涂高分子聚合物材料，将其放入压印机加热并把压模压在基片上的聚合物层上，紧接着把温度降低至聚合物凝固点附近并且把压模和聚合物层相分离，聚合物层上就留下了与压模互补的微纳米结构，可以用作进一步的图形转移处理。
(2)紫外压印。紫外压印的过程基本与热压印相同，只不过采用可在紫外光照射下固化的聚合物作为压印层材料，无需采用加热的方式，但是要求压模材料(或基板材料)对紫外波段透明。
(3)微接触压印。微接触压印技术中首先得到压印模版，模具材料的化学前体在模版中固化，聚合成型后从模版中脱离，得到压印模具。然后将模具浸入特定的化学试剂中，最后取出压在基板上。该方法能够实现有机分子的自组装，在生物传感器领域有着广泛的用途。
紫外压印相对于热压印来和微接触压印说，不需要高温、高压的条件，它可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形。
本发明提出了一种卷对卷UV纳米压印装置和方法。由于既采用了紫外压印技术，即不需要高温、高压的条件，可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形，同时又采用卷对卷技术提高了生产效率，降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种卷对卷UV纳米压印装置和方法，以克服现有紫外平压设备低效率高成本的缺陷；同时也克服了现有热压设备，利用压力及温度的作用方式复制模具上图案的纹路，其复制效果受到材料受热及受压力时其形变极限的限制的缺陷。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，包括传输装置，至少包括一放料辊和一收料辊，用以将待压印材料沿规定路线传输；涂布装置，设置于所述放料辊后，包括点胶机、网纹辊和衬辊，该衬辊配合该网纹辊将该点胶机里的液态紫外光胶涂布于上述待压印材料上；预固化装置，设置于所述涂布装置后，包括流平烘道和紫外预固化设备，该流平烘道加热并使该紫外光胶平整地分布于待压印材料，该紫外预固化设备使该液态紫外光胶变为半固态；压印装置，设置于所述预固化装置后，包括至少一压辊和一版辊，所述版辊的表面具有纳米结构的图案，所述压辊配合该版辊将该纳米结构的图案压印到该待压印材料的紫外光胶上；以及强固化装置，位于该压印装置后，用以将紫外光胶硬化。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中所述涂布装置还包括刮刀，作用于网纹辊上，用以刮除该网纹辊上多余的紫外光胶。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中所述网纹辊表面具有凹凸的网纹图案，通过控制该网纹目数及该衬辊的压力，实现控制该紫外光胶的涂布厚度。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中所述涂布装置涂布的紫外光胶的厚度在2um至50um之间。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中还包括前后二纠偏系统，所述的纠偏系统设有材料边缘感应器和传送修复装置。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中所述材料边缘感应器设置在放料辊和收料辊上，所述传送修复装置连接在放料辊和收料辊的轴上，当该材料边缘感应器感应到材料在输送过程中向内偏移时，该传送修复装置控制该放料辊或该收料辊向内移动，反之向外发生位移。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中还包括一张力控制系统，所述的张力控制系统主要由张力感应装置和磁粉离合装置组成，当张力感应装置发现材料传输时张力大于一预设值时，磁粉离合装置微动减小收卷转速，当发现张力小于该预设值时，转速控制装置微动提升收卷转速。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷UV纳米压印装置，其中还包括冷却系统，设置在该强固化装置和该收料辊之间，对固化好的紫外光胶进行冷却。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷紫外纳米压印方法，包括：提供如上所述的压印装置；将筒状卷积待压印材料设置于该放料辊上，该材料末端缠绕在该收料辊上，以相同速度转动该放料辊和收料辊，使该待压印材料沿规定路线传输；采用该涂布装置对待压印原材料进行紫外光胶均匀涂布；采用该预固化装置对涂布完的紫外光胶进行流平加热和紫外预固化，使该紫外光胶平整并呈现半固态；采用该压印装置对涂布紫外光胶的材料进行压印，将该版辊上的纳米结构的深纹图案压印至该紫外光胶上；采用该强固化装置对紫外光胶进行成型固化。
根据本发明的目的提出的一种卷对卷紫外纳米压印方法，其中还包括采用该前后二纠偏系统调整该待压印材料在传输过程中的位置。
由于上述技术方案的运用，本发明作与现有技术相比具有下列优点：
本发明采用了紫外纳米压印的方式，传统的热压利用压力及温度的作用方式复制模具上图案的纹路时，其复制效果往往受到材料受热及受压力时其形变极限的限制。而与其相比采用了紫外纳米压印的方式只需采用紫外光照射，不需要高温、高压的条件，就可以完全的复制模具上的图案的纹路；
本发明采用了卷对卷压印的方式，传统的紫外纳米压印都采用的平压的方式，其效率极低，而本发明采用卷对卷压印的方式，极大的提高了生产效率，降低了生产成本；
本发明在压印时采用了预固化装置对紫外光胶进行预固化处理，增加了UV胶的平整度和硬度，大大提高了纳米结构的图案的压印品质，为实现卷对卷紫外纳米压印的工业化生产提供了技术保障。
下面结合附图以具体实施例对本发明做详细说明。
附图说明
图1是本发明第一实施例的卷对卷紫外纳米压印装置的结构示意图；
图2是本发明的图1中压印装置装置的结构示意图；
图3是本发明的浅纹纳米结构的图案的模仁示意图；
图4是本发明的深纹纳米结构的图案的模仁示意图；
图5是本发明的第二实施例中的纠偏系统的结构示意图；
图6是本发明的第三实施例中的张力控制系统的结构示意图；
图7是采用根据本发明的上述各种实施例的卷对卷紫外纳米压印方法的流程图。
具体实施方式
实施例一：参见附图1所示，图1是本发明的一种卷对卷紫外纳米压印装置，包括：传输装置，涂布装置，预固化装置，压印装置，强固化装置和冷却装置。
其中该传输装置至少包括放料辊1和收料辊15，位于整套压印装置的两端，筒状的卷积待压印材料放置于该放料辊1上，并将其开放端缠绕至收料辊15，当压印开启后，放料辊1和收料辊15以相同的线速度朝该材料缠绕的反向转动，从而使待压印材料沿规定的路线传输。该传输装置还包括辅辊2、8、12，分别位于整个传输路线上，该些副辊可以使得材料在经过各道工序时，始终处于张紧的状态。
涂布装置设置于该放料辊1后，其包括刮刀3、网纹辊4、衬辊5和点胶机16。该点胶机16内装有液态UV胶，其可以延网纹辊4的轴向移动，将UV胶均匀的涂布在网纹辊4的表面；该网纹辊4的表面具有凹凸的网纹图案，UV胶被吸附在该些网纹之中，通过调整该些网纹的目数来控制UV胶的带胶量；该刮刀3作用在网纹辊4上，用以刮除涂布在网纹辊4上多余的胶；该衬辊5设置在网纹辊4的相对侧，并配合网纹辊4将UV胶涂布在材料表面。上述的涂布装置，通过控制网纹辊4上的网纹目数、刮刀3与网纹辊4的距离以及衬辊5对网纹辊4的挤压压力，可以实现将UV胶的涂布厚度控制在2um-50um的范围内，以适应对于纳米级别图案的压印要求。
在涂布装置之后还设有预固化装置，该预固化装置包括流平烘道6和紫外预固化设备7。由于UV胶层在涂布时，会在表面出现高低不平的分布，而纳米压印对于平整度的要求是相当苛刻的，为了消除这种表面的不平整，让带有UV胶的原材料经过该流平烘道6，利用液体自身的重力流平，并使用红外加热装置或电阻加热装置对UV胶加热，使其内部还有的水份或酒精等成分挥发，以保存流平后的表面平整度。随后再利用紫外预固化设备7对UV胶进行初固，该紫外预固化设备7譬如是一低功率的紫外灯，可以使原本液态的UV胶变成半固体状，便于压印。
压印装置设置在所述预固化装置之后，该压印装置包括至少一压辊9和一版辊10，如图2所示。该版辊11的表面设有纳米结构的图案，该图案可以是一种浅纹图案，如图3所示；也可以是一种深纹图案，如图4所示。在压辊9的配合下，版辊11与上述的半固态的UV胶紧密接触，然后通过一紫外光灯10照射，使UV胶上图案在与版辊11剥离前成型。所述压辊9的压力控制系统可以使用液压控制或者气压控制。需要注意的是，该版辊11可以通过在其表面贴敷一张设有所需图案的模仁制得，也可以直接在版辊的表面制作所需的纳米图案，模仁或版辊的材质可以是镍、铝等材料。
最后通过强固化装置13和冷却装置14对已经印有纳米图案的UV胶进行硬化定型和冷却，并经过收料辊15回收成型的产品。该强固化装置13包括至少一套大功率的紫外灯，该冷却装置14可以为风冷装置或者水冷装置。
实施例二：实施例二是在实施例一的基础上，在放料辊1和收料辊15上设置前后二纠偏系统，如图5所示，该纠偏系统包括材料边缘感应器和传送修复装置。所述的材料边缘感应器可以是红外感应装置17，所述的传送修复装置在放料辊1和收料辊15上设有轴向位移器18，两者电性相连。当该红外感应装置17感应到材料在输送过程中向内偏移时，该轴向位移器18控制该放料辊1或该收料辊15向内移动，反之向外发生位移。该二纠偏系统使得压印材料在传输过程中，前后位移误差在30um以内，从而省去了对位的步骤，保证了压印品质。
实施例三：实施例三是在实施例一或实施例二的基础上，进一步包括张力控制系统，设置在任意个起传输作用的辊上，如图6所示。张力控制系统主要由张力感应装置19和磁粉离合装置20组成，当张力感应装置19发现材料传输时张力大于一预设值时，磁粉离合装置20微动减小收卷转速，当发现张力小于该预设值时，磁粉离合装置20微动提升收卷转速。该预定值可以是材料的变形额定值或者其他可以影响材料表面张力的数值。通过该张力控制系统，保证了材料在压印过程中始终处于张紧的状态，避免了因皱褶而导致废品的产生，提高了生产良率。
请再参见图7，图7是采用根据本发明的上述各种实施例的卷对卷UV纳米压印方法的流程图。首先将筒状卷积待压印材料设置于该放料辊上，该材料的开放端缠绕在该收料辊上，以相同速度转动该放料辊和收料辊，使该待压印材料沿规定路线传输；
出料后，采用该涂布装置对待压印原材料进行UV胶均匀涂布；
接着采用该预固化装置对涂布完的UV胶进行流平加热和紫外预固化，使该紫外光胶平整并呈现半固态；
随后利用该压印装置对涂布UV胶的材料进行压印，将该版辊上的纳米结构的图案压印至该紫外光胶上；
最后采用该强固化装置对紫外光胶进行成型固化，并将成型后的产品回收至收料辊15上。
在整个压印过程中，还可通过二纠偏系统和张力控制系统，实时地调整材料的位置以及张力，以保证压印的品质。
在本发明中，所述待压印材料可以为聚碳酸酪(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：PolyvinylChloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：polymethyl methacrylate)或聚烯(BOPP：BiaxiaI 0rlented Plypropylene)等卷状材料。
本发明中，所有的控制都通过PLC(三菱FX2N-48)控制，Proface(GP-3600T)的人机界面。
综上所述，本发明利用一种卷对卷纳米压印装置，结合紫外压印的技术，实现了纳米图案的快速压印。通过本发明压印装置中的涂布装置，实现胶层厚度达到纳米压印的涂布厚度；通过本发明压印装置中的预固化装置，实现胶层表面平整度以及压印前硬度达到纳米压印的要求。另外使用二纠偏系统和张力控制系统，保证了材料在压印过程中不因歪斜和褶皱而产生废品。相比现有的纳米压印手段，本发明不仅大大的提高了生产效率，还保证了较高的生产品质。
由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的权利要求范围加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：该压印装置包括：
传输装置，至少包括一放料辊和一收料辊，用以将待压印材料沿规定路线传输；
涂布装置，设置于所述放料辊后，包括点胶机、网纹辊和衬辊，该衬辊配合该网纹辊将该点胶机里的液态紫外光胶涂布于上述待压印材料上；
预固化装置，设置于所述涂布装置后，包括流平烘道和紫外预固化设备，该流平烘道加热并使该紫外光胶平整地分布于待压印材料，该紫外预固化设备使该液态紫外光胶变为半固态；
压印装置，设置于所述预固化装置后，包括至少一压辊和一版辊，所述版辊的表面具有纳米结构的图案，所述压辊配合该版辊将该纳米结构的图案压印到该待压印材料的紫外光胶上；以及
强固化装置，位于该压印装置后，用以将紫外光胶硬化。
2.如权利要求1所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：所述涂布装置还包括刮刀，作用于网纹辊上，用以刮除该网纹辊上多余的紫外光胶。
3.如权利要求1所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：所述网纹辊表面具有凹凸的网纹图案，通过控制该网纹目数及该衬辊的压力，实现控制该紫外光胶的涂布厚度。
4.如权利要求1所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：所述涂布装置涂布的紫外光胶的厚度在2um至50um之间。
5.如权利要求1所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：还包括前后二纠偏系统，所述的纠偏系统设有材料边缘感应器和传送修复装置。
6.如权利要求5所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：所述材料边缘感应器设置在放料辊和收料辊上，所述传送修复装置连接在放料辊和收料辊的轴上，当该材料边缘感应器感应到材料在输送过程中向内偏移时，该传送修复装置控制该放料辊或该收料辊向内移动，反之向外发生位移。
7.如权利要求1或6所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：还包括张力控制系统，所述的张力控制系统主要由张力感应装置和磁粉离合装置组成，当张力感应装置发现材料传输时张力大于一预设值时，磁粉离合装置微动减小收卷转速，当发现张力小于该预设值时，转速控制装置微动提升收卷转速。
8.如权利要求1所述的卷对卷紫外纳米压印装置，其特征在于：还包括冷却系统，设置在该强固化装置和该收料辊之间，对固化好的紫外光胶进行冷却。
9.一种卷对卷紫外纳米压印方法，其特征在于：该方法包括：
提供如权利要求1至8任意一项所述的压印装置；
将筒状卷积待压印材料设置于该放料辊上，该材料的开放端缠绕在该收料辊上，以相同速度转动该放料辊和收料辊，使该待压印材料沿规定路线传输；
采用该涂布装置对待压印原材料进行紫外光胶均匀涂布；
采用该预固化装置对涂布完的紫外光胶进行流平加热和紫外预固化，使该紫外光胶平整并呈现半固态；
采用该压印装置对涂布紫外光胶的材料进行压印，将该版辊上的纳米结构的图案压印至该紫外光胶上；
采用该强固化装置对紫外光胶进行成型固化。
10.如权利要求9所述的卷对卷紫外纳米压印方法，其特征在于：还包括采用该前后二纠偏系统调整该待压印材料在传输过程中的位置。
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