CN103235483A - 大面积纳米图形化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积纳米图形化的装置和方法，该装置包括：承片台、衬底、涂布装置、模具进给装置、带形模具、脱模剂喷涂装置、模具清理装置、辅助压印装置、UV固化装置、压印装置等。基于该装置实现大面积纳图形化的方法：（1）预处理；（2）压印材料涂布；（3）压印成型；（4）模具处理。本发明实现了超大尺寸非平整刚性衬上微纳米结构高效、低成本规模化制造，为大尺寸刚性衬底大面积纳米图形化提供一种工业级的解决方案，可应用于高性能玻璃、太阳能电池板、平板显示、微光学器件、LED等行业规模化生产。

Description

大面积纳米图形化的装置和方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，尤其涉及一种适用于超大尺寸刚性衬底的大面积纳米图形化的装置和方法。

背景技术

大面积功能性表面纳米结构和纳米结构涂层能够极大的提高产品性能并改进产品品质，具有非常广泛和巨大的商业化应用前景。例如在玻璃表面或其上的透明涂层上制造出蛾眼（Moth-Eyes）结构或者纳米锥结构，玻璃则具有优良的抗反射、自清洁、抗眩光、抗雾、高透明等性能，这些高性能玻璃可广泛应用于高层建筑玻璃幕墙和汽车前挡风玻璃、太阳能电池板、平板显示（电视机屏、触摸屏、笔记本屏、智能手机屏等）、光学器件（相机镜头、显微镜头、光学透镜）等众多行业。例如太阳能电池板虽然经过疏水性涂层处理，但太阳能电池面板表面仍容易积聚灰尘和污垢，6个月后光效效率损失可达40％，如果采用纳米结构玻璃制造电池板，不但可以更有效地防水，更长久地保持面板的清洁；而且，这种低反射的纳米结构玻璃能够使更多的光线透射过其表面而不被反射掉，电池板的效率将会有非常大的改进。在液晶面板（平板显示）制造出具有蛾眼结构的涂层，不但能够将反射率降至0.1%，可视角度达到176゜；而且，这种具有蛾眼面板的电视还能够实现高对比度，使色彩更鲜艳。此外，这种新型纳米结构玻璃还可被应用于光学器件领域，采用该技术的显微镜和照相机具有高抗反射和抗雾能力，可在潮湿的环境中工作。对于触摸屏设备，采用这种纳米结构玻璃不仅可有效消除反射，提高对比度，得到清晰的画面，而且其具有的自清洁功能还能有效抵挡汗渍沾污。尤其是用于汽车的前挡风玻璃，不但可以自清洁外表面污垢和砂砾，而且能消除眩光、增强能见度，并防止内表面雾化。

然而，现有的各种微纳制造技术（如光学光刻、电子束光刻、激光干涉光刻、全息光刻等），最大图形化面积目前局限在12英寸晶圆（300mm），而且对于衬底平整度要求苛刻，尤其还面临生产成本高、效率低等挑战性的技术难题。此外，高效、低成本大面积纳米图形化工艺卷对卷纳米压印（Roll-to-roll NIL）主要针对柔性衬底大面积纳米图形化，不适用于非平整的刚性衬底图形化。传统的平板型（平压平，平板型模具压印刚性衬底）纳米压印和滚轮型（滚压平，滚轮型模具压印刚性衬底）纳米压印面临以下难题：（1）大面积均匀施压（确保压印图形和残留层厚度的一致性）；（2）模具非平整衬底大面积共形接触；（3）效率低，平板型纳米压印无法实现大面积压印和连续图形化，滚轮型纳米压印线接触固化需要的时间长；（4）大面积脱模（即使采用柔性薄膜模具和揭开式脱模的方案，对于300毫米以上大面积纳米图形化也存在气泡和缺陷等难以处理的问题）；（5）模具寿命短和模具制造困难等诸多难题，难以实现12英寸以上大面积非平整刚性衬底的纳米图形化。因此，现有的各种工艺和方法均不能满足12英寸以上非平整刚性衬底大面积图形化工业级规模化生产的要求，这已经严重制约了大面积功能性表面纳米结构和纳米结构涂层在高性能玻璃、太阳能电池板、平板显示等行业的应用和推广，成为制约该技术推广和应用的瓶颈。因此，迫切需要开发新的超大面积纳米图形化的装置和方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种适用于在超大尺寸非平整刚性衬上实现高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的装置及其方法，实现大尺寸刚性衬底的大面积纳米图形化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大面积纳米图形化的装置，它包括：承片台、衬底、涂布装置、压印材料、模具进给装置、带形模具、脱模剂喷涂装置、模具清理装置、模具导向装置、脱模辊、辅助压印装置、UV固化装置和压印装置；

其中衬底置于承片台之上，涂布装置在衬底上方将液态压印材料均匀涂布到衬底上表面；带形模具缠绕在模具进给装置、模具导向装置、脱模辊、辅助压印装置和压印装置各自的辊轮上；UV固化装置置于压印装置和脱模辊之间的固化区域，并位于辅助压印装置的正上方，辅助压印装置也置于压印装置和脱模辊之间的固化区域；脱模剂喷涂装置和模具清理装置依次置于脱模辊之后的带形模具外侧；压印装置将带形模具上的特征图形复制到衬底上表面的液态压印材料上，辅助压印装置则使液态压印材料完全填充到带形模具的特征结构中并使带形模具与衬底之上的压印材料共形接触；UV固化装置固化压印后的图形；脱模辊实现固化后的特征图形与带形模具分离。

所述带形模具包括支撑层和特征结构层，其中支撑层为卷装聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，特征结构层为乙烯-四氟乙烯共聚物或者PDMS或者金属镍，特征结构层包含凸、凹微纳米结构图形；所述支撑层的厚度200微米-700微米，特征结构层厚度是20-80微米。

所述压印装置包括至少一个压印辊，它设有压印力调节装置，压印力调节装置调节压印辊与压印材料之间间隙以及压印辊施加在带形模具上压力；所述辅助压印装置包括至少一个保形辊，它设有被动适应调节装置；所述压印辊、保形辊、模具导向装置、脱模辊所使用的辊子均为柔性辊。

所述涂布装置采用微凹版辊涂布和条缝涂布精密涂布装置。

所述模具进给装置包括一对驱动辊，它们与电机、减速机和张力控制器连接，驱动辊的外表面粗化处理或者具有与模具支撑层的下表面相互配合的齿形结构。

所述模具清理装置包括喷嘴、气腔室和压缩空气管路；所述脱模剂喷涂装置包括喷枪、脱模剂和压缩空气管路。

所述压印辊施加的压力是0.1MPa-10MPa；所述衬底和带形模具以相同的线速度朝脱模辊的方向运动，均为1-5m/min；所述带形模具的运动方向与衬底的运动方向一致。

一种采用大面积纳米图形化的装置实现大面积图形化的方法，包括如下步骤：

步骤（1）：预处理；

步骤（2）：在大面积衬底上进行压印材料涂布；

步骤（3）：在大面积衬底上压印成型，并脱模；

步骤（4）：模具处理。

所述步骤（3）的工作过程为：

（3-1）首先，压印装置通过压印辊对带形模具施压，在线接触压印力的作用下将衬底之上涂布的液态压印材料挤压填充到带形模具的凹形特征中；

（3-2）随后，通过辅助压印装置的保形辊实现压印材料对带形模具凹形特征的完全填充和均匀铺展，并确保完全填充后带形模具与衬底之上的压印材料始终保持良好共形接触；并通过UV固化装置固化液态的压印材料，实现压印结构的完全固化成型；

（3-3）最后，利用脱模辊将压印固化成型的特征结构与带形模具分离，完成脱模。

所述步骤（4）的工作过程为：

（4-1）模具清理，利用模具清理装置清除带形模具表面和凹形特征结构中残留的压印材料、颗粒物污染材料；

（4-2）喷涂脱模剂，带形模具被清理后，通过脱模剂喷涂装置向带形模具表面和凹形特征结构中喷涂一层脱模剂材料。

本发明的显著优势在于：本发明结合了平板型纳米压印和滚型纳米压印的优点，采用柔性带形纳米模具，实现了大尺寸非平整刚性衬底连续大面积纳米图形化。具有效率高、生产成本低、压印图形面积大（实现刚性衬底米级尺度纳米图形化）、良好的脱模性能、模具寿命长和维护方便、压印图形一致性好和分辨率高、对于非平整刚性衬底适应性好的显著优势。克服了传统平板纳米压印效率低、压印面积小、模具使用寿命短和维护困难、以及无法实现连续图形化的缺陷。克服滚型纳米压印用于刚性衬底压印效率低（紫外固化线接触需要固化时间长）、难以实现热滚压印（Roller hot embossing）、非对于平整衬底共形接触能力差的缺点。为超大尺寸刚性衬底上大面积纳米图形化提供一种工业级的生产方案。

结合刻蚀或者Lift-off工艺，本发明可用于玻璃图形化、太阳能电池板、平板显示、LED图形化、各种涂层和表面结构（抗反射、自清洁、抗霜等）、大尺寸微光学器件（如光学透镜、衍射光学元件等）、微流控器件等制造。尤其适合于高性能玻璃、平板显示、太阳能电池板、大尺寸光学器件所需的纳米结构功能涂层的大批量工业级生产。

附图说明

图1是本发明大面积纳米图形化装置的结构示意图；

图2是本发明带形模具结构示意图；

图3是本发明大面积纳米图形化的工作过程流程图。

其中，1承片台；2衬底；3压印材料；4涂布装置；5、9模具进给装置；6带形模具；601支撑层；602特征结构层；60201凸微纳结构特征；60202凹微纳结构特征；7脱模剂喷涂装置；8模具清理装置；10、16模具导向装置；11压印的特征结构；12脱模辊；13辅助压印装置；14UV固化装置；15压印装置。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明以玻璃的纳米图形化为实施例，在玻璃衬底上的涂层上制造出大面积结构。

图1是本发明大面积纳米图形化装置的结构示意图，它包括：承片台1，衬底（玻璃）2，液态压印材料（透明的UV固化聚合物）3，涂布装置4，模具进给装置5和9，带形模具6，脱模剂喷涂装置7，模具清理装置8，模具导向装置10和16，压印的特征结构11，脱模辊12，辅助压印装置13，UV固化装置14，压印装置15。其中衬底2置于承片台1之上，利用涂布装置4将液态压印材料3均匀涂布到衬底2上表面，带形模具6缠绕在模具进给装置5和9、模具导向装置10和16、脱模辊12、辅助压印装置13、压印装置15各自的柔性辊轮上，UV固化装置14置于压印装置15和脱模辊12之间的固化区域，并位于带形模具6和辅助压印装置13的正上方，辅助压印装置13置于压印装置15和脱模辊12之间的区域，脱模剂喷涂装置7和模具清理装置8依次置于脱模辊12之后（模具进给方向）的带形模具6外侧面。

通过压印装置15将带形模具6上的特征图形复制到压印材料3上，利用UV固化装置14固化压印后的特征图形，辅助压印装置13确保液态压印材料3对于带形模具6凹形微纳特征结构60202的完全充填以及带形模具6与玻璃衬底2之上的压印材料3良好共形接触，脱模辊12实现固化后的压印的特征结构11与带形模具6的分离。

其中，所述玻璃衬底2所要图形化的玻璃尺寸是1mX0.3m。

压印材料3为透明液态UV固化聚合物或者树脂材料或者溶胶-凝胶材料。

涂布装置4采用微凹版辊涂布，它包括：网纹涂布辊、多头滴胶机、刮刀、支撑辊。涂布装置4将液态压印材料（UV固化聚合物）3均匀涂铺在玻璃衬底2上表面。涂布的厚度由网纹涂布辊的网线数和网孔容积来确定。网纹涂布辊表面网纹内的涂布液（压印材料3）和反向运动的玻璃衬底2一接触，液态UV固化聚合物压印材料3便转移到玻璃衬底2的上表面。多头滴胶机用于放置液态UV固化聚合物压印材料3，并利用其多个微喷头将液态UV固化聚合物压印材料3均匀涂铺在网纹涂布辊表面。所述刮刀用于除去网纹涂布辊表面多余的液态UV固化聚合物压印材料3。

模具进给装置5和9包括电机、减速机、驱动辊、张力控制器。模具进给装置5和9具有张力控制功能，利用张力控制器实现带形模具6的张力稳定。驱动辊的外表面应当被粗化或者具有与带形模具支撑层的下表面相互配合的齿形结构。电机带动驱动辊，利用驱动辊和带形模具6支撑层PET的齿形结构间的摩擦力驱动模具进给。模具进给装置5和9应保证驱动辊和带形模具6不产生相对滑动，带形模具6压印过程、脱模和运动过程中没有横向和侧向滑移。模具进给装置5和9配合实现带形模具6的张紧功能、张紧力的控制、带形模具6移动速度的控制。

脱模剂喷涂装置7包括喷枪、脱模剂和压缩空气管路。脱模剂采用特氟龙（聚四氟乙烯，PTFE）。

模具清理装置8包括喷嘴、气腔室和压缩空气管路。

辅助压印装置13包括被动适应调节装置和保形辊。辅助压印装置13确保液态UV固化聚合物液态压印材料3对于带形模具6凹形特征结构60202的完全充填以及带形模具6与玻璃衬底2之上的液态UV固化聚合物压印材料3良好共形接触。

UV固化装置14采用大功率紫外LED灯模组。

压印装置15包括压印力调节装置和压印辊。压印力调节装置实现压印辊和压印材料3之间间隙调整以及施加在带形模具6上压力的调节。

模具导向装置10、16实现带形模具6走向的改变。

脱模辊12实现固化后的压印的特征结构11与带形模具6的分离。

图2是本发明带形模具6结构示意图，所述带形模具6包括支撑层601和特征结构层602，其中特征结构层602采用ETFE，特征结构层包含凸、凹微纳结构特征60201、60202，特征结构层602位于支撑层之上。支撑层601采用PET，支撑层位于特征结构层602之上，对特征结构层602起到支撑作用，并增加带形模具的强度。支撑层601的厚度200微米，特征结构层602厚度50微米。

图3是本发明大面积纳米图形化的工作过程流程图，它包括如下工艺步骤：

（1）预处理

将需要图形化的玻璃衬底2放置到承片台1上，并通过真空吸附方式予以固定。

开启模具进给装置5和9；将液态UV固化压印材料3放到涂布装置4的多头滴胶机的储液罐中；开启模具清理装置8；开启脱模剂喷涂装置7（使用聚四氟乙烯为脱模剂）。

（2）压印材料涂布

①开启承片台1，承片台1和其上的玻璃衬底2向涂布装置4方向移动；

②利用涂布装置4的多头滴胶机将UV固化压印材料3均匀的涂布到网纹涂布辊的网孔中（使用四棱柱凹版涂布辊），并使用刮刀将网纹辊表面多余的UV固化压印材料3刮去；

③网纹涂布辊表面网纹内的涂布液和反向运动的玻璃衬底2一接触，UV固化压印材料3便转移到玻璃衬底2的上表面，实现将网纹辊凹槽中的UV固化压印材料3均匀涂布到玻璃衬底2上。涂布UV固化压印材料3的厚度是10微米。

（3）压印成型

①首先，压印装置15通过压印辊对带形模具6施压，在线接触压印力的作用下将玻璃衬底2之上涂布的UV固化压印材料3挤压填充到带形模具6的凹形微纳结构特征60202中；

②随后，模具进给装置5和9带动带形模具6向脱模辊12方向运动，同时承片台1载着玻璃衬底2与带形模具6同方向运动，通过辅助压印装置13的保形辊实现UV固化压印材料3对带形模具6凹形微纳结构特征60202的完全填充和均匀铺展，确保完全填充后带形模具6与玻璃衬底2之上的UV固化压印材料3始终保持良好共形接触。并利用UV固化装置14固化液态的UV固化压印材料3，实现压印结构的完全充分固化成型；

③最后，利用脱模辊12将压印固化成型的压印的特征结构11与带形模具6相互分离，完成脱模。

（4）模具处理

①利用模具清理装置8清除带形模具6表面和凹形微纳特征结构60202中残留的压印材料、颗物粒等状污材料。

②带形模具6被清理干净后，通过脱模剂喷涂装置7向带形模具6表面和凹形特征结构60202中喷涂3-5nm厚的聚四氟乙烯脱模剂。

所述玻璃衬底2和带形模具6以相同的线速度朝脱模辊12的方向运动，速度为1-5m/min。所述涂布装置4网纹涂布辊与玻璃衬底2的运动方向相反。所述模具进给装置5和9带动带形模具6的运动方向与玻璃衬底2的运动方向一致。压印辊施加的压力是0.1MPa-10Mpa。

本实施例所述压印装置15向压印辊施加的压力是0.2MPa，带形模具6的移动速度是1m/min，玻璃衬底2的移动速度是1m/min。

本实施为了提高玻璃衬底2与液态的UV固化压印材料3之间的粘附性，对于玻璃衬底2需要进行表面处理。首先进行等离子体表面处理，工艺参数：100w，250mTorr，10min；随后热沉积助粘剂Sliquest187(GE)，工艺参数：140℃，10分钟。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.大面积纳米图形化的装置，其特征是，它包括：承片台、衬底、涂布装置、压印材料、模具进给装置、带形模具、脱模剂喷涂装置、模具清理装置、模具导向装置、脱模辊、辅助压印装置、UV固化装置和压印装置；

其中衬底置于承片台之上，涂布装置在衬底上方将液态压印材料均匀涂布到衬底上表面；带形模具缠绕在模具进给装置、模具导向装置、脱模辊、辅助压印装置和压印装置各自的辊轮上；UV固化装置置于压印装置和脱模辊之间的固化区域，并位于辅助压印装置的上方，辅助压印装置也置于压印装置和脱模辊之间的固化区域；脱模剂喷涂装置和模具清理装置依次置于脱模辊之后的带形模具外侧；压印装置将带形模具上的特征图形复制到衬底上表面的液态压印材料上，辅助压印装置则使液态压印材料完全填充到带形模具的特征结构中并使带形模具与衬底之上的压印材料共形接触；UV固化装置固化压印后的图形；脱模辊实现固化后的特征图形与带形模具分离。

2.如权利要求1所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述带形模具包括支撑层和特征结构层，其中支撑层为卷装聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，特征结构层为乙烯-四氟乙烯共聚物或者PDMS或者金属镍，特征结构层包含凸、凹微纳米结构图形；所述支撑层的厚度200微米-700微米，特征结构层厚度是20-80微米。

3.如权利要求1所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述压印装置包括至少一个压印辊，它设有压印力调节装置，压印力调节装置调节压印辊与压印材料之间间隙以及压印辊施加在带形模具上压力；所述辅助压印装置包括至少一个保形辊，它设有被动适应调节装置；所述压印辊、保形辊、模具导向装置、脱模辊所使用的辊子均为柔性辊。

4.如权利要求1所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述涂布装置采用微凹版辊涂布和条缝涂布精密涂布装置。

5.如权利要求1或2所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述模具进给装置包括一对驱动辊，它们与电机、减速机和张力控制器连接，驱动辊的外表面粗化处理或者具有与模具支撑层的下表面相互配合的齿形结构。

6.如权利要求1所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述模具清理装置包括喷嘴、气腔室和压缩空气管路；所述脱模剂喷涂装置包括喷枪、脱模剂和压缩空气管路。

7.如权利要求3所述的大面积纳米图形化的装置，其特征是，所述压印辊施加的压力是0.1MPa-10MPa；所述衬底和带形模具以相同的线速度朝脱模辊的方向运动，均为1-5m/min；所述带形模具的运动方向与衬底的运动方向一致。

8.一种采用权利要求1所述的大面积纳米图形化的装置实现大面积图形化的方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤（1）：预处理；

步骤（2）：在大面积衬底上进行压印材料涂布；

步骤（3）：在大面积衬底上压印成型，并脱模；

步骤（4）：模具处理。

9.如权利要求8所述实现大面积图形化的方法，其特征是，所述步骤（3）的工作过程为：

（3-1）首先，压印装置通过压印辊对带形模具施压，在线接触压印力的作用下将衬底之上涂布的液态压印材料挤压填充到带形模具的凹形特征中；

（3-2）随后，通过辅助压印装置的保形辊实现压印材料对带形模具凹形特征的完全填充和均匀铺展，并确保完全填充后带形模具与衬底之上的压印材料始终保持良好共形接触；并通过UV固化装置固化液态的压印材料，实现压印结构的完全固化成型；

（3-3）最后，利用脱模辊将压印固化成型的特征结构与带形模具分离，完成脱模。

10.如权利要求8所述实现大面积图形化的方法，其特征是，所述步骤（4）的工作过程为：

（4-1）模具清理，利用模具清理装置清除带形模具表面和凹形特征结构中残留的压印材料、颗粒物污染材料；

（4-2）喷涂脱模剂，带形模具被清理后，通过脱模剂喷涂装置向带形模具表面和凹形特征结构中喷涂一层脱模剂材料。

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