CN104291265A - 在薄聚合物膜上连续制造数字微米尺度图案 - Google Patents
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Abstract
液体薄膜被设置在传送器表面(例如，滚轮或带)上，传送器表面将液体薄膜移动到精确受控间隙(或辊隙)区域中，在该区域中液体薄膜受到电场作用，该电场使液体经历电流体动力(EHD)图案化变形，从而液体薄膜的一部分形成具有微米尺度图案化形状的图案化液体特征。固化机构(例如UV激光)被用于在间隙区域内部或刚离开间隙区域之后固化(例如在聚合物薄膜情况下为交联)图案化液体。图案化结构由作为聚合物片材一部分的中间网状件连接，或者分成离散微米尺度结构。设置在聚合物中的纳米结构(例如，纳米管或纳米线)在EHD图案化处理期间变成竖直取向。分段电极和图案化电荷被用于提供数字图案化控制。
Description
技术领域
本发明涉及微米尺度(micro-scale)图案化结构，更具体地涉及用于制造微米尺度图案化结构的方法。
背景技术
越来越需要用于在工业相关量下制造具有在从若干微米到厘米尺度的三维图案化的薄聚合物膜的方法。这样图案化的聚合物薄膜例如可用于光学应用(抗反射涂层和过滤器)和受控润湿应用(疏水和亲水应用)。
存在很多当前利用拓扑在从数百纳米到微米范围内制造图案化薄膜的技术，包括滚动掩模光刻(由美国加利福尼亚州Pleasanton的Rolith，Inc.研发)、纳米压印光刻(美国德克萨斯州Austin的Molecular Imprints和瑞典Lund的Obducat)、全息光刻(美国马萨诸塞州Burlington的TelAztecLLC)、和液相沉积(位于德国慕尼黑Fraunhofer Institute的“Sharkskincoater”)。所有这些方法使用基于母版的方法来产生光阻剂膜中的结构，该结构随后用于动态生成玻璃中或可以被浮凸并使用UV光进行固化的薄聚合物膜中的结构。这些技术都不能在大面积版式中或以动态数字方式生成任意变化的图案。
电流体动力(EHD)图案化是最新研发的技术，其包括通过利用在液体上的施加力和液体的表面张力的平衡来使液体聚合物膜的表面成型，将在模板上形成的微米或纳米结构电转印到薄聚合物膜上。表面不稳定性受范德华力和热力驱动，但典型地受到外力主宰(如果这些力存在的话)。在界面上引起压力梯度的所有外(例如，电或热)力会引起这种表面不稳定性。本发明聚焦于EHD图案化技术，该技术被用于高度/厚度远小于不稳定性的长度尺度的聚合物薄膜，所以聚合物薄膜的动力学完全由润滑理论来描述，并且出现的图案由增长最快的毛细波模式驱动。用于产生这样的聚合物薄膜EHD图案化的时间尺度取决于液体聚合物的介电常数、粘度、高度/厚度和表面张力、施加的电压(电场)、和用于产生电场的电极或电荷之间的距离，出现的图案的长度尺度取决于表面张力、施加的电压和聚合物膜内部的电场。这些图案在电场恒定时发生在膜特性所固有的长度尺度，或者在电场在空间中变化时被迫进入特定结构。用于EHD图案化的复制高度在之前提出的技术中被限制在纳米尺度，这是因为电场对模板的间隔物高度敏感。此外，常规EHD图案化技术没有商业价值，这是因为它们不能制造商业上可用数量的膜。
发明内容
本发明涉及实现改进电流体动力(EHD)薄膜图案化技术并提供可行经济制造技术以连续地制造一体连接到薄聚合物膜或彼此分开的微米尺度图案化结构的方法。该方法利用具有在间隙(或辊隙)区域的相对侧上分开相对大距离的相对表面的两个弯曲传送器(例如，两个滚轮或两个带)。包含聚合物、聚合物前体或其他适合材料的液体薄膜通过适合的涂覆机构被涂覆或以其他方式设置在一个传送器表面(例如，“下”滚轮或带)上，以使得该液体薄膜随后被传送到间隙区域中，其中两个传送器表面之间的最小间隙距离设置成使得如此小间隙设置在上膜表面和相对传送器表面之间。随着液体薄膜经过间隙区域，液体薄膜受到在两个传送器之间产生的电场作用，其中电场强度和液体薄膜特性(例如，粘度和介电常数)设置成使得液体薄膜经历EHD图案化(即，液体聚合物的一部分被朝向上传送器拉动，从而形成从下传送器延伸到填充有空气或其他流体的小间隙中的图案化微米尺度液体聚合物特征)。适合的固化机构(例如，UV激光或热处理)用于在聚合物薄膜经历EHD图案化时(即，在间隙区域内部或刚离开间隙区域)交联(固化)聚合物薄膜，从而液体微米尺度聚合物特征硬化(固化)以形成具有与在液体聚合物中通过电场产生的图案形状基本相同的微米尺度图案化结构。固体微米尺度图案化结构和任意相连聚合物薄膜材料然后被从下传送器移除。本发明因此提供用于连续地制造可以用在多种商业应用中的数字微米尺度聚合物结构的低成本有效的方法。
根据特定实施例，薄聚合物膜包含在微米尺度结构内变成竖直取向的纳米结构(例如，纳米线或纳米管)。具体地，纳米结构在薄膜形成期间具有初始(例如随机)取向，但是响应于施加的电场而在微米尺度图案化结构内对齐为相对于下传送器表面的大致垂直取向，并且产生与微米尺度特征的EHD图案化形成相关的流体动力。这种属性使得本发明对于包含专业纳米结构(例如用于制造柔性电子器件互连或传感器阵列的碳纳米管)的某些装置的大规模制造具有很高价值。
根据本发明的替换实施例，制造例如可以用在生产微米尺寸颗粒以增加给药中的特异性中的离散(分离)纳米尺度图案化结构。该处理包括形成聚合物薄膜以使得随着施加的电场引起微米尺度特征的竖直生长(即，如果不充分的液体聚合物围绕柱状微米尺度特征，则特征变得彼此分离)，薄膜完全形成在特征中并且分解成离散液体聚合物“岛”。后续固化“固结”(固化)离散特征以形成在下传送器表面上布置在间隔结构中的多个所述固体微米尺度图案化结构。微米尺度图案化结构然后使用分离机构被从传送器表面移除，以使得它们可以被结合到目标材料中。
在实用实施例中，上和下传送器通过平行上和下圆柱滚轮实现，这些滚轮由辊隙(间隙)系统定位以限定精确辊隙距离。UV固化聚合物薄膜使用狭缝涂覆器被施加在下滚轮上，在微米尺度特征通过EHD图案化在辊隙区域中建立之后，通过UV激光执行固化。该辊对辊制造方法允许使用现有狭缝涂覆系统和精确滚轮来实现高生产输出，这使制造成本最小化。
根据另一实用实施例，两个传送器由定位成在相对水平布置的带部分之间限定细长间隙区域的带来实现。热固性或UV可固化聚合物在间隙区域上游被施加，通过加热块或传输通过透明带材料的UV光来实现固化。在特定实施例中，精确带定位使用榫槽型布置来实现，其中T型肋在每个带下方延伸并且可滑动地被接收在带支撑结构中形成的相应槽中。该带对带制造方法允许有比辊对辊方法更长的图案建立时段和更高的生成输出率。
根据另一实施例，为实现在生成和控制图案中的最大柔性，本发明利用促进对图案化处理进行数字控制的动态电荷生成装置。根据一个特点实施例，动态电荷生成装置包括布置在连续表面移动电极结构(例如，上滚轮或带)上的分段电极阵列，其中每个电极可单独寻址(即，每个分段电极通过相关寻址线路单独地访问)。在其他实施例中，电荷图案或者直接沉积或者通过光电处理生成在移动电极结构的绝缘或电介质表面上(例如通过电晕器)，这在降低EHD图案对电极距离的敏感性方面、实现薄膜图案的空间调节方面、和为连续EHD图案化方法实现薄膜图案的临时变化方面提供优点。这些数字图案化方法允许在对象上或用作被动泵的具有空间变化湿润度特性的表面上利用与各种波长EM辐射的任意相互作用来生成涂层。
附图说明
参考下面的描述、所附权利要求和附图将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中：
图1是描绘根据本发明的简化实施例的用于产生微米尺度图案化结构的方法的横截面侧视图；
图2是显示包含纳米结构的聚合物薄膜的放大横截面侧视图；
图3是根据本发明的具体实施例显示形成包含图2的纳米结构的微米尺度图案化特征的放大横截面侧视图；
图4(A)、图4(B)、图4(C)、图4(D)和图4(E)是示出根据本发明的另一具体实施例形成离散微米尺度图案化特征的放大横截面侧视图；
图5是描述根据本发明的实际实施例的用于制造微米尺度图案化结构的辊对辊型方法的透视侧视图；
图6是描述根据本发明的另一实际实施例的用于制造微米尺度图案化结构的带对带型方法的透视侧视图；
图7是示出在图6中所示的系统的一部分的横截面侧视图；
图8是示出根据本发明的另一实施例的使用分离电极制造微米尺度图案化结构的简化方法的横截面侧视图；
图9是示出图8的布置的一部分的简化透视图；和
图10是示出根据本发明的另一实施例的使用施加电荷图案制造微米尺度图案化结构的简化方法的横截面侧视图。
具体实施方式
本发明涉及用于为各种商业目的制造微米尺度图案化结构的方法中的改进。提供下面的描述以使得本领域技术人员能够制造和使用如在具体应用和其需求背景下提供的本发明。如本文所使用，方向术语例如“上”、“下”、“上游”和“下游”旨在为描述目的提供相对位置，而非指定绝对的参照系。此外，术语“一体连接”在本文中用于描述单个结构的两个部分之间的连接关系，并且区别于术语“连接”或“联接”(没有修饰语“一体”)，后者表示两个分开的结构，它们通过例如粘结剂、紧固件、夹片或可移除接头相结合。优选实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，本文限定的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明不是限于所显示和描述的特定实施例，而是需要给予符合本文公开的原理和创新特征的最宽范围。
下面参考构造成制造EHD图案化条件的示例性方法来描述本发明。本领域技术人员将领会下面提到的参数与具体试验观测有关，因此不是限制性的。
图1描述根据本发明的实施例用于图示在薄膜上连续制造数字微米尺度图案化(聚合物)特征的方法的示例性系统100。系统100一般地包括下(第一)传送器110、上(第二)传送器120、相关传送器驱动机构130-1和130-2、薄膜形成装置140、电场发生器(由低电压源150-1和高电压源150-2表示)和可选的固化机构160。
传送器110和120由提供能够平移(移动)液体聚合物薄膜通过窄间隙区域的弯曲表面的任意传送装置(例如滚轮或带)实现。具体地，下传送器110具有被支撑和约束以沿着相应第一弯曲(例如，圆形或椭圆形)路径移动的下(第一)传送器表面111，第二传送器120具有被支撑和约束以沿着相应第二弯曲路径移动的上(第二)传送器表面121。与传送器110和120相关的弯曲路径布置成使得传送器表面111和121在间隙区域101处分开最小距离G，在间隙区域101的“上游”位置处分开相对大的第一距离D1，并且在间隙区域101的“下游”位置处分开相对大的第二距离D2，其中距离D1和D2远大于最小间隙距离G。为下文描述目的，下传送器110和上传送器120两者都包括在操作期间保持跨过间隙区域101的电势的导电或介电材料。在一个实施例中，下传送器110包括导电金属或聚合物，或者可选地被涂覆有导电透明材料，例如氧化铟锡(ITO)。上滚轮120也包括电极图案(下述)，或者包括导电金属或聚合物。
根据本发明的一个方面，下传送器110和上传送器120分别由下驱动部件130-1和上驱动部件130-2(例如，马达和/或带)驱动，以使得表面111和121以匹配的速度移动通过间隙区域101。具体地，表面111和121沿着它们各自的路径移动，以使得下传送器表面111的每个(第一)表面区域111-1与上传送器表面121的相应(第二)表面区域121-1基本同时地移动通过间隙区域101。
参考图1的左侧，薄膜形成装置140是涂覆装置或适合于在间隙区域101上游的点处将可固化液体聚合物薄膜141L设置在下传送器表面111上其他机构，从而薄膜141L随后通过下传送器110的正常移动被传送到间隙区域101中。例如，装置140在下传送器表面111的表面区域111-1上沉积液体聚合物(例如，聚苯乙烯、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯呲咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)或UV固化聚合物)的薄膜(第一)部分141-1，并且下传送器表面111随后的移动使得部分141-1移动到间隙区域101中。在一个实施例中，薄膜形成装置140通过可靠地生成具有在1至100微米范围内(从下传送器表面111测量到薄膜141的上表面142)厚度(高度)T的薄膜141L的狭缝涂覆器来实现。在其他实施例中，使用可靠地生成具有若干微米厚度的薄膜的其他涂覆装置(例如，狭缝挤压式涂覆系统、滑动涂覆系统或幕式涂覆系统)。
根据本发明的另一方面，低电压源150-1和高电压源150-2例如通过分别将低电压V1和高电压V2(例如，分别为0V和100V)施加到设置在传送器110和120上的导电材料，在下传送器110和上传送器120之间产生电场F。电场F的强度通过由电压V1和V2产生的相对低和相对高电荷之间的相对距离来确定，这些电荷在图1中仅出于描述性目的用“+”和“-”表示(例如，这些电荷中的一个可以是0V，或者电荷的极性可以相反)。即，由于弯曲路径随着传送器表面111和121，电场F在间隙区域101中(即，由于最小间隙距离G)最高(最强)，并且根据表面111和121之间相关间隔距离而在间隙区域101的任一侧上减小(变弱)。根据本发明的一个方面，电压V1和V2选择为使得电场F足以在聚合物液体薄膜141传送到并经过间隙区域101时引起聚合物液体薄膜141L经历EHD图案化(变形)，从而在液体聚合物薄膜141L中形成图案化液体聚合物特征143。具体地，由于EHD图案化，通过从薄膜部分141的周围部分拔出的液体聚合物来形成呈凸起脊部或柱部形式的经图案化液体聚合物特征143，从而每个图案化液体聚合物特征143从传送器表面111向上延伸到间隙区域101(即，朝向上传送器120)中。通过控制电场F的强度并且通过利用适合的聚合物特征(例如，粘度)，图案化液体聚合物特征143在间隙区域101中展现出微米尺度图案化形状(即，每个图案化液体聚合物特征143的宽度和高度在1至100微米的量级)。
根据本发明的另一方面，EHD图案化液体聚合物特征143和任意周围聚合物材料在薄膜聚合物材料传送出电场F之前被固化。参考图1的右侧，固化机构160用于固化每个图案化液体聚合物特征143(即，当该特征位于间隙区域101内部时，或者在该特征刚离开间隙区域101但仍然受到电场F作用时)和周围聚合物材料，从而形成从固化聚合物薄膜141S延伸的固体微米尺度图案化结构145，其中每个微米尺度图案化结构145与其前体液体聚合物特征143具有基本相同的微米尺度图案化形状。在每个示例中使用的特定固化机构160由形成薄膜141L的聚合物材料的类型来确定(例如，如果使用UV可固化聚合物，则固化机构160通过UV固化系统来实现，例如将UV激光束161导向设置在间隙区域101中的薄膜141L的部分上的UV固化系统)。在其他实施例中，根据使用的聚合物的类型，固化机构160例如通过可见光固化系统或聚焦热固化系统来实现。
参考图1的右下部分，在固化处理之后(即，在间隙区域101的下游)，经固化聚合物薄膜141S被从间隙区域101移除以用于进一步处理。应注意微米尺度图案化结构145保持间隔开并且从经固化聚合物薄膜141S向上延伸。
图2和图3示出本发明的改进EHD图案化方法的独特属性，其中“装载的”聚合物薄膜包含在形成微米尺度聚合物结构期间固有地对齐的纳米结构，从而促进生成多种多样的高价值商业应用。
图2是显示包括纳米结构148(例如，碳纳米管或GaAs纳米线)的液体聚合物薄膜部分141L-1A的部分横截面图。在这种情况下，聚合物/纳米结构薄膜形成装置140A(例如，经优化以沉积改进聚合物/纳米结构材料的上述涂覆系统中的一个)利用与参考图1所述类似的方法在下传送器110上形成具有厚度T的液体聚合物薄膜部分141L-1A。应注意纳米结构148在沉积时以初始(例如，随机或非随机)取向分散在液体聚合物薄膜部分141L-1A中。
图3示出以与上文参照图1所述类似的方式，当液体聚合物薄膜部分141L-1A布置在下传送器110和上传送器120之间的间隙区域101中时的液体聚合物薄膜部分141L-1A。如上所述，由电压源150A-1和150A-2产生的电场F引起EHD图案化变形，从而液体聚合物材料向内和向上(如虚线箭头所示)流动以形成从液体聚合物薄膜部分141L-1A朝向上传送器120延伸的图案化液体聚合物特征143。此外，当纳米结构148对电场产生反应时(例如碳纳米管)，纳米结构148在电场F中对齐并且耦合到由图案形成所引起的流体动力，产生大致竖直取向(即，大致垂直于下传送器110的表面111)。
至此，以参考制造聚合物薄膜描述了本发明，其中微米尺度图案化结构之间的间隔通过例如图1中所示的该微米尺度图案化结构一体连接的薄聚合物材料来固定。尽管这样的一体聚合物薄膜被认为具有很多商业应用，例如上述那些应用，但是单独(分离)的微米尺度图案化结构也可用于其他商业应用(例如，医学)。
图4(A)至图4(E)是示出根据本发明的替换实施例的系统100B的简化横截面图，该系统制造分离(离散)微米尺度结构以产生在给药中特异性增加的颗粒。
图4(A)示出在初始时间段(t0)在下传送器110B的表面111B上的聚合物薄膜部分141B1(t0)。如在前面的实施例中一样，聚合物薄膜部分141B1(t0)通过狭缝涂覆器或其他薄膜形成装置140B(未示出)来形成，而表面111B与上传送器120B的表面121B分开相对大的距离D1。在本实施例中，为使聚合物薄膜分解成如下所述的离散岛，形成聚合物薄膜部分141B1(t0)的聚合物材料具有相对低的粘度，和/或聚合物薄膜部分141B1(t0)的厚度T1有意地小于在上述实施例中使用的厚度。
图4(B)示出在被下传送器110B移动到紧靠间隙区域的上游位置中之后，在时间t0之后的时间段(t1)中的聚合物薄膜部分141B1(t1)，其中表面111B与表面121B分开相对小的距离D11。在这时，由电压源150B-1和150B-2产生的施加电场F(t1)开始引起聚合物薄膜部分141B1(t1)的EHD图案化，从而液体聚合物的向内和向上流动产生液体微米尺度图案化特征143B(t1)。应注意，在时刻t1，由于尺寸小，足够的液体聚合物材料围绕图案化特征143B(t1)以保持连续(尽管非常薄)的网状部分141B11。
图4(C)示出当图案化特征143B1(t2)布置在间隙区域101B中时(即，最小间隙距离G分开传送器110B和120B时)，在时刻t1之后的时间段(t2)中的聚合物薄膜部分141B1(t2)。由于聚合物薄膜的低粘度和/或薄膜厚度，电场F(t2)的强度引起图案化液体聚合物特征143B(t2)与第一表面111B上的相邻聚合物特征(未示出)分开。即，因为没有额外的周围流体可用来供应图案化特征143B1(t2)的竖直生长，网状部分141B11与相邻特征断开，从而液体形成图案化特征143B1(t2)包括离散的液体聚合物“岛”。具体地，聚合物膜的间隔和厚度受控制，以使得在每个图案化特征143B1(t2)沿竖直(z)方向(即，垂直于表面111B)生长时被引入到每个图案化特征(离散液体岛)143B1(t2)中的液体聚合物的体积等于图案的负空间中的流体体积，EHD图案化处理产生作为图案的相同尺度小颗粒。
图4(D)示出当图案化特征143B1(t3)布置在紧靠间隙区域的下游时(即，当传送器110B和120B由大致等于或略大于最小间隙距离的距离D21分开时)，在时刻t2之后紧接着的时间段(t3)中的聚合物薄膜部分141B1(t3)。在这时的图案化特征143B1(t3)，固化能量161B(例如UV激光)“固结”(固化)离散特征143B1(t3)以形成固体微米尺度图案化颗粒(结构)145B。应注意，当每个离散特征通过间隙区域时，这种固化处理在每个离散特征上执行，从而产生在传送器表面111B上布置成间隔结构的多个固体微米尺度图案化颗粒。
图4(E)示出在时间段t3之后的微米尺度图案化颗粒145B。根据本发明的实施例，分离器装置170B(例如，刀刃)用于将微米尺度图案化结构145B与传送器表面111B分离。
图5是示出根据本发明的实用具体实施例的系统100C的透视图，其中上述一般化传送器通过平行的下滚轮和上滚轮(传送器)110C和120C实现，一般化薄膜形成装置通过狭缝涂覆器140C实现，一般化固化装置通过紫外(UV)光源160C实现，其中这些具体装置受控制以执行与上述一般化方法相对应的制造方法。
参考图5的下部，下滚轮110C可操作地联接到下电压源150C-1，以使得下滚轮110C用作电场电路中的地。为产生电场，下滚轮110C的外周部分由导电材料或导电聚合物制成，或外表面111C可选地涂有导电和/或透明材料，例如ITO。
上滚轮120C可操作地联接到供应一个或多个高电压信号的高电压源150C-2以产生施加电场电路。在一个实施例中，上滚轮120C的外表面121C包括在整个滚轮表面121C上具有电活性的连续导电层。在其他实施例中(下文更详细地讨论)，上滚轮120C包括电极图案或者被施加电荷图案的电介质材料。
下滚轮110C和上滚轮120C使用本领域已知技术被一个或多个马达130C-1和130C-2驱动，以使得表面111C的每个区域与表面121C的相应区域基本同时地通过辊隙型间隙区域101C(即，滚轮110C和120C以匹配的速度被驱动)。下滚轮110C和上滚轮120C被支撑结构(同样未示出)保持，以使得它们在辊隙(间隙)区域110C保持分开固定最小距离G。常规高精度辊隙系统180C可操作地连接在辊110C和120C的轴之间以促进使用已知技术来调节最小间隙G，并且用于确保高滚轮距离尺寸控制。
狭缝涂覆器140C将液体聚合物薄膜141C直接涂覆(沉积)在下滚轮110C的圆柱滚轮表面111C上，或者在设置在表面111C上方的支持板(未示出)上。能够执行这种功能的狭缝涂覆器是本领域已知的。当聚合物膜141C进入辊隙区域101C时，聚合物膜141C以下述方式复制设置在上滚轮120C上的电极的图案，或者基于上述聚合物系统的自然不稳定性来建立图案。
为促进在滚轮110C和120C之间的辊隙(间隙)区域101C附近的固化，UV可固化聚合物由于它们快速固定时间而被使用，“固定”机构通过将束161C引导至与辊隙型间隙区域101C相邻的位置上的系统160C(例如，紫外线(UV)固化系统、可见光固化系统和聚焦热固化系统中的一种)来实现。具体地，在经过辊隙区域101C之后，施加束161C以通过施加的电场使得聚合物交联并硬化成强加于液体聚合物上的固体微米尺度图案形状。能够执行这种固化功能的UV激光系统是本领域公知的。在替换实施例中，固化系统布置在滚轮110C和120C中的一个的内部，并且被引导通过透明滚轮材料到达间隙区域101C中。经固化的聚合物膜(未示出)然后被从下滚轮110C移除并且移动到下游以用于可能需要的任意附加步骤。
系统100C的生产量受限于两个因素：滚轮110C和120C的宽度W，和滚轮110C和120C的旋转速度Δθ。滚轮宽度W受限于将在需要的公差内制造并安装滚轮110C和120C的物理能力。这些公差类似于典型狭缝涂覆系统中的公差，并且合理地期望在3.5米内保持0.5微米公差。对于8微米特征具有2微米公差的一个这样的实现形式，这导致快速UV固化时间的最大输出为1.3m/s。宽度可以增大，通过下文详细描述的多个电极寻址方案来改变施加的电压，膜图案对机器公差的敏感性可以受调节。
图6是示出根据本发明的另一实际实施例的系统100D的简化横截面侧视图。系统100D的特征在于通过下带状传送器110D和上带状传送器120D形成的带对带布置，下带状传送器110D和上带状传送器120D定位成在下带表面111D和上带表面121D的相对平坦区域之间限定细长间隙区域101D。薄膜沉积装置(例如狭缝涂覆器)140D设置成在进入间隙区域101D之前在下带表面111D上形成液体聚合物薄膜141D，电压源(未示出)如上所述连接到在带上形成的导电材料以在细长间隙区域101D内部产生期望的电场。
系统100D的带对带布置类似于系统100C的辊对辊布置，但是取代辊对辊布置的小辊隙型间隙区域，系统100D提供允许更长时间来形成微米尺度图案特征的大间隙区域。这种布置通过促进热固化(例如，通过沿着与细长间隙区域101D相邻的带材料的内表面设置的热固化系统(加热器模块)160D)而促进使用热固性聚合物。为促进热固化，例如使用热传导材料或允许IR光进入细长间隙区域101D的透明材料来形成带。
为保持图6中所示带对带处理所需的紧密公差，带状传送器110D和120D必须通过对准块保持接近。这可以利用大量张力或使用图7所示的布置滑动进出该块的互锁部件来实现。
图7是根据具体实施例示出互锁布置的透视横截面图，下带状传送器110D通过该互锁布置被保持为相对于下加热器块(或其他支撑结构)160D的上表面处于精确平坦取向。如图所示，下带状传送器110D包括传送带部分112D，传送带部分112D在加热器块160D的平坦上表面161D上滑动以使得图案化液体特征143D根据上述其中一个处理在传送器表面111D上形成。为保持在传送带部分112D的整个宽度上相对于平坦上表面161D的精确Z轴定位，加热器块160D构造成限定沿下带状传送器110D的移动方向X延伸的细长T型槽163D，下带状传送器110D包括在上带部分112D下方延伸并且可滑动地容纳在相应槽163D中的T型肋113D。上带状传送器120D(图6)利用类似布置构造，从而提供沿竖直方向约束带并能够实现紧密公差的滑动榫槽型布置。
带对带系统100D促进更高生产输出速度(即，线性带速度)。带的公差主要地由滚轮涂覆设备的设计中的相同公差限制表示。采用精确加工，可以在一个可能的实现形式中在3.5米长度达到0.5微米公差。为产生在7米乘7米面积中具有2微米公差的8微米特征，在这种实现形式中带的总线性速度被限制到约14m/s。这种实现形式因此能够具有更高的工业相关生产量。
由于细长间隙区域101D提供更长的处理时间，带对带系统100D促进不需要固化装置的操作(即，系统100D)。在这种情况下，聚合物141D被加热并在间隙区域101D的上游以熔化状态被施加到表面111D上。聚合物温度足够高以在按照上述方式通过施加的电场对聚合物进行图案化时保持熔化状态。一旦图案被建立，则聚合物允许被冷却到低于聚合物的熔点温度，以形成具有上述其中一种形式的固体微米尺度图案化结构145D。
根据优选方法，为实现在生成和控制微米尺度图案中的最大柔性，上述各种系统(包括带和滚轮实施例)被修改以包括数字图案控制，这使用通过在至少一个传送器表面上生成动态(可变)电荷图案来促进EHD图案化(即，电场产生)的动态电荷生成机构来实现，从而限定电场的电荷图案可动态改变以补偿系统变化。如下面的示例性实施例中所述，这样的动态电荷生成是使用分段电极或电荷图案化方案来实现。
图8(A)是示出系统100E的简化图，该系统包括构造和布置成传送聚合物薄膜141E通过间隙区域101E的下(第一)传送器110E和上(第二)传送器120E，其中薄膜141E通过适当的装置150E在下传送器表面111E上生成并且通过电场F被图案化以形成特征143E，该特征143E随后被固化(例如，通过UV光161E)以按照与上述类似的方式形成微米尺度结构145E。
系统100E的特征在于传送器110E和120E中的至少一个包括可由动态电压源(电场发生器)数字寻址的分段电极，以使得每个单独电极接收相关电荷(电压)，该相关电荷具有例如通过在生产操作之前执行的试验测量确定的值。具体地，上传送器120E包括可由动态高电压源(电场发生器)150E-2单独寻址的分段上电极125E，以使得每个单独上电极(例如电极125E-1至125E-5)接收相关(例如，独特/不同或共用/相同)电压值。可替换地(或附加地)，下传送器110E包括可由动态下电压源(电场发生器)150E-2动态寻址的分段下电极115E，以使得每个单独下电极(例如电极115E-1至115E-5)接收相关电压值。电压源150E-1和150E-2是根据已知技术制造的电路以产生和传送相关电压值，以使得每个分段电极(或每个上/下电极对)产生具有相关电场强度的电场F的相关部分。例如，上电极125E-1(或由上电极125E-1和下电极115E-1形成的对)在传送器110E和120E之间的区域中产生电场部分F1。类似地，电极125E-2至125E-5(或对125E-2/115E-2、125E-3/115E-3、125E-4/115E-4和125E-5/115E-5)分别产生电场部分F2至F5。
图9是示出表示在系统100E中使用的一种类型上传送器120E的滚轮型上传送器120E-1的透视图(即，传送器120E还可以使用带型传送器实现)。如传送器120E-1所示，分段上电极125E既沿着旋转(周向)方向(即，如图8中所示)布置，还沿着圆柱轴线布置。即，尽管与图8相关的描述表示可变电荷图案沿着滚轮型传送器120E-1的旋转方向发生，但是应当理解本文讨论的可变电荷图案还沿着周向轴线方向变化。即，滚轮型上传送器120E-1的所有电极125E独立地可寻址，以使得每个电极接收相关电荷值。
再次参考图8，分段电极125E允许在EHD图案化期间通过促进预定独特(不同)或相同电压值传送到每个电极，而对在间隙区域101E中产生的电场进行数字控制，从而允许用于在需要精确公差的大型系统(例如系统100E)中不可避免地产生的物理变化的电校正(如需要)。即，在间隙区域101E中可能由相邻电极125E-1至125E-5之间或成对电极(例如，电极115E-1和125E-1)之间的电极距离引起的本地电场值F1至F5的差别，可以通过将预定独特“高”电压传送到每个电极125E-1至125E-5来校正。例如，每个电极125E-1至125E-5通过动态高电压源150E-2单独地寻址，并且接收相关电压，该相关电压的值设置成使得每个电场部分F1至F5具有统一电场强度。应注意在圆柱轴线方向上布置的电极125E(即，如图9所示)也可通过动态高电压源150E-2单独地寻址，并且接收相关电压，该相关电压的值设置成使得每个相关电场部分也具有统一电场强度。适合于实现电极115E和125E的利用单独寻址方案的示例性分段电极在名称为“CONCENTRATION AND FOCUSING OF BIO-AGENTS ANDMICRON-SIZED PARTICLES USING TRAVELING WAVE GRIDS”的共同拥有美国专利7,163,611中公开，该专利通过引用整体结合于本文中。
在替换实施例中，至少某些分段电极125E具有根据需要的图案覆盖“相对”表面的不同部分的修改(不同)的形状(例如线或点电极)。线或点电极的可能示例在美国专利7,163,611(上文引用)中公开。其他电极形状(例如六边形或圆形)也可以，例如用于制造定制形状的微米尺度颗粒。
在替换实施例中，电极之间的尺寸和距离改变以产生期望的EHD图案。例如，尽管图8示出每个电极对产生单个分离微米尺度结构145E，但是在其他实施例中，每个电极的尺寸可以经调节以产生多个特征/结构。通过控制电极的形状，引入与固有)λmax相美(competing)的长度尺度，这可以控制2D平面上的图案形成尺寸，或限定用于固有柱图案的区域。
在其他替换实施例中，传递到每个分段电极的电压(电荷)随时间改变(即，增大或减小)，使得定制图案生长或者补偿在图案化区域上的制造变化。这些电压可以动态地调节以实现在膜中的特定质量度量，或者随着处理条件改变进行调节以实现极度稳定的处理。
图10是示出另一系统100F的简化图，系统100F包括构造和布置成传送聚合物薄膜141F通过间隙区域101F的下(第一)传送器110F和上(第二)传送器120F的简化图，其中薄膜141F通过装置140F沉积并且通过电场F被图案化以形成特征143F，该特征143F随后被固化以按照与上述类似的方式形成微米尺度结构145F。系统100F与前一实施例的不同之处在于，动态电荷生成是使用在沉积在上传送器120F的表面121F上的适当绝缘或半导体材料层123F上形成的明确限定电荷图案实现。在示例性实施例中，第一(例如正)电荷通过间隙区域101F上游的第一(例如正)电荷产生装置150F(例如，等离子体发生装置，例如电晕器)以预定图案被选择性施加在层123F上，从而第一电荷以与上述参照分段电极方法类似的方式产生电场F的相应部分。在其他实施例中，相对高的电荷被施加到下传送器110F上的电极，相对低的电荷被施加到上传送器120F的电极。在某些实施例中，电荷图案通过掩模处理或通过需要尺寸的一组等离子体发生装置来实现。在其他实施例中，光敏材料(例如与在激光打印机中使用的类似的光感受器膜)设置在上传送器上，电荷图案通过传递到光敏材料上的光来产生，其中(多个)激光束用于在光感受器上写出电荷图案。电荷图案化方法在后续制造步骤中需要不同EHD图案的应用中或在连续图案化系统(即，其中薄膜的每片或每个分段具有不同图案)具有优势。电荷图案化方法在寻址电极上给出最大变化性，因为电荷图案可以容易地从一个步骤到下一步骤改变，特别是对于光电荷产生的情况(类似于静电复印)。
尽管参照具体实施例描述本发明，但是本领域技术人员很清楚本发明的创新特征也可应用于其他实施例，所有这些应用都落在本发明的范围内。例如，尽管各种示例描述相对高(例如正)电荷施加到上传送器并且相对低(例如负)电荷施加到下传送器，但是在其他实施例中，相关电场通过反转施加的电荷来产生(即，相对高(例如正)电荷施加到下传送器，并且相对低(例如负)电荷施加到上传送器)。
Claims (3)
1.一种用于连续制造多个微米尺度图案化结构的方法，所述方法包括：
将液体薄膜设置在第一表面上；
移动所述第一表面以使得所述液体薄膜通过在所述第一表面和相对第二表面之间限定的间隙区域；
在所述间隙区域中产生电场，以使得所述液体薄膜在通过所述间隙区域过程中经历电流体动力(EHD)图案化变形，从而所述液体薄膜的一部分形成具有微米尺度图案化形状的多个图案化液体特征；和
固化所述多个图案化液体特征以使得所述多个图案化液体特征中的每一个都形成具有所述微米尺度图案化形状的相关固体微米尺度图案化结构。
2.一种用于制造多个分离微米尺度图案化颗粒的方法，所述方法包括：
将液体薄膜设置在第一表面上；
移动所述第一表面以使得所述液体薄膜通过在所述第一表面和相对第二表面之间限定的间隙区域；
在所述间隙区域中产生电场，以使得所述液体薄膜在通过所述间隙区域过程中经历电流体动力(EHD)图案化变形，其中所述电流体动力(EHD)图案化变形使所述液体薄膜分解成多个离散液体岛；和
固化所述多个离散液体岛以使得所述多个离散液体岛中的每一个形成相关固体微米尺度图案化颗粒。
3.一种用于连续制造多个微米尺度图案化结构的方法，所述方法包括：
在第一移动表面和第二移动表面中的至少一个上生成可变电荷图案，以使得所述可变电荷图案在于所述第一移动表面和所述第二移动表面之间限定的间隙区域中产生电场，所述电场的强度足以使设置在所述第一移动表面上的液体薄膜在通过所述间隙区域过程中经历电流体动力(EHD)图案化变形，从而所述液体薄膜的一部分形成具有微米尺度图案化形状的多个图案化液体特征；和
固化所述多个图案化液体特征以使得所述多个图案化液体特征中的每一个都形成具有所述微米尺度图案化形状的相关固体微米尺度图案化结构。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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