CN103373094A - 微接触印刷设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度微接触印刷设备以及印刷方法。所述印刷设备包括：印刷室，其为一外壳界定而成的封闭空间；固定装置，其设置于所述印刷室的内侧壁上用以固定印章，当所述印章被固定于所述印刷室内后，所述印章将所述印刷室分隔为第一室和第二室；支撑件，其设置于所述印刷室底部，用以将具有至少一个印刷表面的待印刷物体固定在所述第二室内；以及第一通路和第二通路，其分别与所述第一室和第二室相连通并与真空泵相连接，所述第一通路和第二通路上分别设置有控制阀。

Description

微接触印刷设备及方法

技术领域

本发明涉及一种微接触印刷技术，具体涉及一种高精度的微接触印刷设备以及印刷方法。

背景技术

微接触印刷是应用于图案化学中的一种技术，其可用于在平面或非平面的表面上形成具有微米和亚微米级尺寸的有机单分子层图案。现有技术中，通常采用橡胶等弹性材料制成柔性的印章(stamp)，然后通过印章将图案转移并印刷在非平面的表面上。通常的方式是，在印章的一侧增加压力从而使印章膨胀和变形以适应于待印刷的曲面形状，然后使印章与曲面相接触从而实现在曲面上的印刷。

然而，现有技术的方法通常都缺乏精度和良好的再现性等问题。通过有限元模型可以看出，柔性的印章在大的形变期间会产生应力集中的现象，这将引起空气或灰尘颗粒被夹(trapped)在印章和印刷基底之间，使图案不能完整清晰地转移到印刷基底上，从而导致了不令人满意的印刷效果。

发明内容

为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种新的、具有开拓性的微印刷设备和方法，其将显著地提高采用柔性印章印刷的精度和可行性。

本发明的第一目的在于提供一种微接触印刷设备，其包括：

印刷室，其为一外壳界定而成的封闭空间；

固定装置，其设置于所述印刷室的内侧壁上用以固定印章，当所述印章被固定于所述印刷室内后，所述印章将所述印刷室分隔为第一室和第二室；

支撑件，其设置于所述印刷室底部，用以将具有至少一个印刷表面的待印刷物体固定在所述第二室内；以及

第一通路和第二通路，其分别与所述第一室和第二室相连通并与真空泵相连接，所述第一通路和第二通路上分别设置有控制阀。

本发明所述的微接触印刷设备中，优选地，所述固定装置与所述支撑件之间的距离是可调节的。调节的方式包括但不限于，将所述固定装置可移动地设置在所述印刷室的内侧壁上，通过调节所述固定装置的高度来调节所述固定装置与所述支撑件之间的距离；将所述支撑件设置为高度可调节的，通过调节所述支撑件的高度来调节所述固定装置与所述支撑件之间的距离。

根据本发明的一个实施方案，所述第一通路与所述第二通路各自独立地分别与两个真空泵相连接；所述第一通路与所述第二通路上还分别设置有压力计，用以监测所述第一室与所述第二室内的压强。

根据本发明的另一个实施方案，所述第一通路与所述第二通路与一个真空泵相连接；所述第一通路上还设置有压力计，用以监测第一室内的压强。

优选地，所述微接触印刷设备进一步包括数据采集及控制系统，用以精确控制所述第一室和所述第二室内的压强变化。

本发明的第二目的在于提供一种微接触印刷方法，其包括下述步骤：

利用印章将一印刷室分隔为第一室和第二室；

将第一室和第二室同时抽成真空或低压状态(压强约为1-5psi)；

控制所述第一室和所述第二室中至少一者的压强发生变化，以产生压强差并对所述印章产生作用力，从而使所述印章发生弹性形变而与所述第二室内的待印刷物体的印刷表面相接触，从而实现图案的转移印刷。

优选地，控制所述第一室内的压强增大以对所述印章产生作用力，从而使所述印章发生弹性形变而与所述待印刷物体的印刷表面相接触，从而实现图案的转移印刷。

优选地，所述印章与所述待印刷物体之间的距离是可调节的，以优化印刷效果；所述微接触印刷方法进一步包括下述步骤：调节所述印章与所述待印刷物体之间的距离，从而实现所述印章在不同尺寸的所述待印刷物体的印刷表面上的印刷。

本发明所述的微接触印刷方法中，所述印章可为圆形的弹性薄膜，所述待印刷物体的印刷表面可为任意曲面或平面。当所述印刷表面为凹曲面时，所述印章的直径小于所述印刷曲面的直径；当所述印刷表面为平面或凸曲面时，所述印章的直径等于或大于所述印刷曲面的直径。

本发明通过精确控制第一室内和/或第二室内的压强来精确控制印章的变形，从而实现图案的高精度印刷。同时，本发明所述的印刷过程基本上是在真空状态下完成的，从而可避免在印章和印刷表面之间夹入空气和尘埃，由此提高图案的印刷精确度。并且，通过调节印章与待印刷物体之间的距离，可以优化印刷效果，并可实现采用单一的印章在不同尺寸的待印刷曲面上的印刷。

附图说明：

图1为本发明的实施例一的微接触印刷设备的示意图。

图2为图1所示的微接触印刷设备(印刷表面为凹曲面)在操作状态下的示意图。

图3为图1所示的微接触印刷设备(印刷表面为凸曲面)在操作状态下的示意图。

图4为本发明的实施例二的微接触印刷设备的示意图。

图5为图1所示的微接触印刷设备的第一室内压强对时间的示意图。

图6为图4所示的微接触印刷设备的第一室内压强对时间的示意图。

具体实施方式

以下将以实施例的方式对本发明做出进一步的详细描述，但以下实施例仅为示例，并非用以限定本发明。

请参见图1，本发明实施例一的微接触印刷设备包括一印刷室10，印刷室10由一外壳界定而成且为封闭的。在印刷室10的内侧壁上设置有一固定装置11，用以固定一印章12。所述印章12为一弹性薄膜，当印章12被固定于印刷室10内以后，其将印刷室10分隔为第一室101和第二室102。印刷室10的底部设置有一支撑件13，用以将具有至少一个印刷表面的待印刷物体14支撑并固定在第二室102内。第一室101和第二室102分别与真空泵一15a和真空泵二15b相连接，在第一室101与真空泵一15a之间的第一通路上，设置有控制阀一16a及压力计一17a；在第二室102与真空泵二15b之间的第二通路上，设置有控制阀二16b及压力计二17b。进一步地，本实施例的微接触印刷设备还包括数据采集及控制系统18，其与所述第一通路和第二通路上的元件电连接，用以精确控制第一室101和第二室102内的压强变化。

根据本实施例优选的技术方案，固定装置11与支撑件13之间的距离是可调节的，通过调节二者之间的距离，可调节印章12与待印刷物体14之间的距离，从而可获得最佳的印刷结果。调节的方式包括但不限于，将固定装置11可移动地设置在印刷室10的内侧壁上，通过调节固定装置11的高度来调节固定装置11与支撑件13之间的距离；将支撑件13设置为高度可调节的，从而通过调节支撑件13的高度来调节固定装置11与支撑件13之间的距离。

请参见图2，使用实施例一所述的微接触印刷设备时，首先通过真空泵一15a和真空泵二15b将第一室101和第二室102同时抽成真空或低压状态(压强约为1-5psi)。然后使控制阀一16a缓慢释放，并通过真空泵一15a将空气缓慢而均匀地打入第一室101内，从而允许第一室101内的压强精确地均匀增加。当第一室101内的压强达到一定数值后(具体数值视实际应用和需要而定，本实施例中压强约为10-20psi)，将对印章12产生作用力，使印章12发生弹性形变。通过精确控制第一室101内的压强，可精确控制印章12的形变量，从而使印章12尽可能地与待印刷物体14的印刷表面的形状相适应。随后印章12将与待印刷物体14的印刷表面相接触，以完成图案的转移印刷。印刷过程中，第二室102内始终保持真空或低压状态，以使图案的转移印刷基本上在真空状态下完成，从而避免空气或灰尘颗粒被夹在印章12与待印刷物体14的印刷表面之间，由此可确保更好的印章形态，使得图案可被精确、完整、清晰地转印在待印刷物体14的印刷表面上。

系统通过比较压力计一17a与压力计二17b所显示的压力差，可控制印章12的位置，以及印刷时的压力。例如，当第一室101相对于第二室102的压力差过大时，可向下调节印章12的位置。

本发明所述的印刷室10可为任意形状的封闭空间，例如可为圆柱体或立方体状的封闭空间。

本发明所述的固定装置11可为一夹具，用以夹紧印章12的边缘。如果印章12为圆形，则固定装置11可为一圆环状的夹具。

本发明所述的印章12为一弹性薄膜，其上具有图案化的墨水。墨水可为一般的感光油墨或者是自集成单分子层光致抗蚀剂。若墨水为单分子层光致抗蚀剂，则此真空印刷技术亦可应用于精密曲面软光刻(soft lithography)印刷。印章12一般可由软性高分子硅橡胶制成，如PDMS(Polydimethylsiloxane)。其制作方法与一般的软光刻的印章相同，具体可见软光刻文献(Xia，Y.；Whitesides，G.M.(1998).″Soft Lithography″.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.37(5)：551-575)。

本发明所述的支撑件13可为一支架，用以支撑并固定待印刷物体14。支架之顶端为半球体，在支撑时，半球体可与弯曲的待印刷物体形成点接触，以准确的固定印刷物体，并避免过定位(over constrained)的设计。

本发明所述的待印刷物体14可为任意形状，其具有至少一个印刷表面，印刷表面可为平面或非平面，如曲面等。例如，本实施例中，待印刷物体14大体为半球状，印刷表面为其内侧的半球面。应当理解，印刷时，薄膜被压差驱动，伸展为待印刷物体的形状，因此待印刷物体可具有不同曲率，凹曲面、平面、甚至凸曲面皆可印刷。

如图2所示，印刷表面为凹曲面，印刷时，保持第二室102处于真空或低压状态，同时控制第一室101内的压强缓慢增大，使第一室101内的压强大于第二室102内的压强，以使印章12向下膨胀并与待印刷物体14的印刷表面(凹曲面)相接触，以实现图案的转移印刷。

如图3所示，印刷表面为凸曲面，印刷时，同样保持第二室102处于真空或低压状态，同时控制第一室101内的压强缓慢增大，使第一室101内的压强大于第二室102内的压强，以使印章12向下膨胀并与待印刷物体14的印刷表面(凸曲面)相接触，以实现图案的转移印刷。

印刷表面为平面时，印刷方法与上述凹曲面和凸曲面的印刷方法相同。

根据本实施例优选的技术方案，印刷凹曲面时，印章12的大小(或其直径)应略小于待印刷物体14的大小(或其曲面直径)；印刷平面或凸曲面时，印章12的直径应相当于或略大于待印刷物体14的大小(或其曲面直径)。通过调节印章12与待印刷物体14之间的距离，可用一个单独的印章在各种尺寸的曲面上印刷。

待印刷物体14的材料不受限制，例如玻璃、金属或塑料等均可，只要是大小与印章上图案的大小相当、光滑的平面或曲面，皆可应用本技术。

若使用感光油墨印刷时，印刷后再进行固化步骤(如照射紫外线)印刷即完成。若应用本技术于软光刻，则待印刷表面可为一镀上金属(如金、或银)的曲面(或平面)，印刷后再对曲面(或平面)进行化学蚀刻，印刷即完成。

根据本实施例优选的技术方案，可根据印刷室的规格以及待印刷表面的曲率半径等，结合薄膜变形理论预测印章12所需的变形量以及第一室101内所需的压强值，然后精确控制第一室101内的压强变化，以确保印刷的精度和稳定性。依照本发明如图1所示的系统，在第二室102为真空或低压的状况下，可由数据采集及控制系统18控制与第一室101相连的真空泵一15a及控制阀一16a以准确的控制印刷时第一室101内的压强分布。

请参见图4，本发明实施例二的微接触印刷设备与实施例一的微接触印刷设备基本相同，其包括一印刷室20，印刷室20由印章22分隔成第一室201与第二室202，不同之处在于：第一室201和第二室202与同一个真空泵25相连接；且在第一室201和第二室202与真空泵25相连接的第一通路和第二通路上分别设置有控制阀一26a和控制阀二26b，同时在第一通路上还设置有压力计27。

使用实施例二所述的微接触印刷设备时，首先通过真空泵25将第一室201和第二室202同时抽成真空或低压状态(压强约为1-5psi)。然后关闭控制阀二26b，使第二室202内保持真空或低压状态。同时，使控制阀一26a缓慢释放，并通过真空泵25将空气缓慢而均匀地打入第一室201内，从而允许第一室201内的压强精确地均匀增加。当第一室201内的压强达到一定数值后，将对印章22产生作用力，使印章22发生弹性形变。通过精确控制第一室201内的压强，可精确控制印章22的形变量，从而使印章22尽可能地与待印刷物体24的印刷表面的形状相适应。随后印章22将与待印刷物体24的印刷表面相接触，以完成图案的转移印刷。通过数据采集及控制系统28可精确控制第一室201内的压强变化。

请参见图5和图6，其分别为实施例一和实施例二的微接触印刷设备的第一室内压强随时间变化的示意图。由于实施例一的微接触印刷设备的第一室和第二室分别与两个独立的真空泵相连接，因此可以实现更为灵活的压力控制方式；如图5所示，当第一室内的压强逐渐增加到一定值后，进行反复增压减压的步骤可以帮助第二室内仍然没有被抽离系统的空气加速离开，从而实现更理想的印刷效果。实施例二的微接触印刷设备的第一室和第二室与一个真空泵相连接，因此压力控制方式较为简单；如图6所示，当第一室内的压强逐渐增加到一定值后，即保持恒定，直到完成整个印刷过程。实施例二的微接触印刷设备同样可以实现理想的印刷效果。在实现预期印刷效果的情况下，由于实施例二的微接触印刷设备结构更为简单，易于操作，从而更适于实际应用。

另外，需要强调的是，图5和图6仅是本发明的微接触印刷设备的压力控制的两个示例，而不应作为对本发明的限制性理解。实践中，本发明的微接触印刷设备可根据实际需要自由设计第一室内压强与时间的关系，以优化印刷过程，实现特定的印刷效果。

本发明所述真空泵、压力计以及控制阀可依照印刷室以及待印刷物体的大小加以选配。接触印刷的时间可依照印刷类型的不同加以调整，比如应用于软光刻印刷时，印刷时间可控制在小于50秒；应用于感光油墨印刷时，印刷时间可控制在小于30秒。印刷室(第二室)的压强，依照不同的印刷种类，可以控制在约1-5psi之间。

应当理解，本领域技术人员还可以其他等同方式实现本发明所述的微接触印刷方法，这些等同方式均应包括在本发明的保护范围内。例如，第一室和第二室可通过除采用真空泵以外的其他方式形成真空状态；除了向第一室和/或第二室内打入空气等气体来增大压强以外，还可向第一室和/或第二室内注入液体等来增大压强。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种微接触印刷设备，其包括：

印刷室，其为一外壳界定而成的封闭空间；

固定装置，其设置于所述印刷室的内侧壁上用以固定印章，当所述印章被固定于所述印刷室内后，所述印章将所述印刷室分隔为第一室和第二室；

支撑件，其设置于所述印刷室底部，用以将具有至少一个印刷表面的待印刷物体固定在所述第二室内；以及

第一通路和第二通路，其分别与所述第一室和第二室相连通并与真空泵相连接，所述第一通路和第二通路上分别设置有控制阀。

2.如权利要求1所述的微接触印刷设备，其中所述固定装置与所述支撑件之间的距离是可调节的。

3.如权利要求2所述的微接触印刷设备，其中所述固定装置可移动地设置在所述印刷室的内侧壁上，通过调节所述固定装置的高度来调节所述固定装置与所述支撑件之间的距离。

4.如权利要求2所述的微接触印刷设备，其中所述支撑件的高度是可调节的，通过调节所述支撑件的高度来调节所述固定装置与所述支撑件之间的距离。

5.如权利要求1所述的微接触印刷设备，其中所述第一通路与所述第二通路各自独立地分别与两个真空泵相连接。

6.如权利要求5所述的微接触印刷设备，其中所述第一通路与所述第二通路上还分别设置有压力计。

7.如权利要求1所述的微接触印刷设备，其中所述第一通路与所述第二通路与一个真空泵相连接。

8.如权利要求7所述的微接触印刷设备，其中所述第一通路上还设置有压力计。

9.如权利要求1所述的微接触印刷设备，其进一步包括数据采集及控制系统，用以精确控制所述第一室和所述第二室内的压强变化。

10.一种微接触印刷方法，其包括下述步骤：

利用印章将一印刷室分隔为第一室和第二室；

将第一室和第二室同时抽成真空或低压状态；

控制所述第一室和所述第二室中至少一者的压强发生变化，以产生压强差并对所述印章产生作用力，从而使所述印章发生弹性形变而与所述第二室内的待印刷物体的印刷表面相接触，从而实现图案的转移印刷。

11.如权利要求10所述的微接触印刷方法，其中所述印章与所述待印刷物体之间的距离是可调节的；所述微接触印刷方法进一步包括下述步骤：

调节所述印章与所述待印刷物体之间的距离，从而实现所述印章在不同尺寸的所述待印刷物体的印刷表面上的印刷。

12.如权利要求10所述的微接触印刷方法，其中所述印章为圆形弹性薄膜，所述印刷表面为曲面或平面；当所述印刷表面为凹曲面时，所述印章的直径小于所述印刷曲面的直径；当所述印刷表面为平面或凸曲面时，所述印章的直径等于或大于所述印刷曲面的直径。

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