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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
mikrostrukturierten Films und eines mikrostrukturierten Strukturträgers.
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Mikrostrukturierte
Filme werden in der Technik vielfältig eingesetzt, zum
Beispiel als Stempel oder als Master für die Herstellung
von Stempeln, als Bestandteil in Membranen und Membranprozessen, als
Lochmaske für lithografische Vorgänge oder als Bestandteil
mikrofluidischer Bauelemente. Weisen Membranen Poren auf, die kleiner
als 1 nm im Durchmesser sind, wird von dichten Membranen gesprochen,
während poröse Membranen einen Porendurchmesser
von größer als 1 nm aufweisen.
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Eine
Möglichkeit, um mikrostrukturierte Filme herzustellen,
ist die Nutzung von Templaten, um entsprechende Materialien zu formen.
Insbesondere können Flüssigkeitstropfen als Template
verwendet werden. Z. B. kann man Kondensationsmuster nutzen, um
einen Film zu strukturieren. Dabei wird eine Polymerlösung
in feuchter Atmosphäre auf ein Substrat aufgetragen. Das
Lösungsmittel verdunstet und kühlt die Oberfläche
der Polymerlösung. Flüssigkeitstropfen kondensieren
auf dieser Oberfläche und sinken in das Polymer ein. Die
Tropfen organisieren sich bei optimalen Bedingungen von selbst in
hexagonal dicht gepackte Mono- oder Multilagen. Nach Verglasen und
Trocknen des Polymers entsteht ein mikrostrukturierter Film mit
Hohlräumen in Form und Größe der Templattropfen.
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Ein
Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es sich um einen Selbstorganisationsprozess handelt,
der für die Strukturierung des Films sorgt. Daher kann
generell nur eine einzige Art der Strukturierung, nämlich
die energetisch günstigste Strukturierung erreicht werden.
Insbesondere kann die Position der Flüssigkeitstropfen
und dementsprechend die Position der Hohlräume im mikrostrukturierten Film
nicht beliebig eingestellt und variiert werden.
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In
der
DE 10 2007
001 953 A1 wird das vorgenannte Problem durch den Einsatz
der Ink-Jet-Drucktechnik zur gezielten Platzierung von Flüssigkeitstropfen
auf einem Substrat gelöst. Mit einem Ink-Jet-Drucker werden
Flüssigkeitstropfen an bestimmten Stellen auf die Oberflächen
eines Substrats gesetzt. Diese Strukturen werden mit der Lösung eines
Polymers in einem flüchtigen Lösungsmittel überschichtet.
Nach Verdunsten des Lösungsmittels, Aushärten
des Polymers und Trocknen des Films erhält man einen mikrostrukturierten
Po lymerfilm, der Hohlräume in Form und Größe
der Templattropfen an den vorgegebenen Stellen aufweist.
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Nachteilig
bei diesen Verfahren ist der erhöhte Zeitaufwand, da jeder
Tropfen einzeln auf das Substrat aufgebracht werden muss. Beim Bedrucken
von größeren Substratflächen besteht
das Problem, dass sich die zuerst gedruckten Tropfen in Form und/oder Größe
verändern (zum Beispiel durch Verdunsten), während
die letzten Tropfen noch gedruckt werden. Hierdurch ist keine zuverlässige
Abformung der anfangs gedruckten Strukturen gewährleistet.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass die gedruckten Tropfen zunächst
zwar eine Form annehmen, die dem rückziehenden Kontaktwinkel
unter Luft entspricht, sich der Kontaktwinkel nach dem Überschichten
mit der Polymerlösung jedoch verändert und so
die aufgetragenen Tropfen ihre Position verändern, zerlaufen
oder sogar zerstört werden können.
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In
der
DE 10 2006
036 863 A1 ist beschrieben, dass mittels eines Polydimethylsiloxan-Stempels
eine hydrophobe Struktur auf ein Goldsubstrat aufgestempelt wird.
Anschließend wird das Goldsubstrat in eine hydrophile,
Thiol-haltige Lösung getaucht, wodurch sogenannte self-assembled
Monolayers entstehen. Anschließend wird durch Aufbringen
von Wasser auf den hydrophilen Stellen der Oberfläche ein
Benetzungsmuster erzeugt, das mittels einer Polymerlösung
abgeformt wird.
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Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass zur Vorbereitung des eigentlichen
Stempelvorganges die Oberfläche des Substrats aufwändig
vorbehandelt werden muss, beispielsweise durch die aufeinanderfolgende
Beschichtung mit Titan und Gold und/oder durch aggressive Reinigung
mittels Peroxomonoschwefelsäure in wässriger Lösung.
Die verwendeten Stempel sind in ihrer Größe beschränkt,
da es sonst zu Instabilitäten des Stempels im Mikrometerbereich
kommen kann, wodurch eine genaue Abbildung des gewünschten
Musters nicht mehr gewährleistet werden kann. Ebenfalls
ist es von Nachteil, dass eine mehrstündige Wartezeit zur
Ausbildung der self-assembled Monolagers auf der Substratoberfläche
notwendig ist.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung eines mikrostrukturierten Films und einen mikrostrukturierten
Strukturträger anzugeben, die die Herstellung des mikrostrukturierten
Films kostengünstig und zeitsparend ermöglichen.
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Erfindungsgemäß gelöst
wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten
Films mit den folgenden Verfahrensschritten:
- – Aufbringen
einer zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen Zubereitung
auf zumindest einer Oberfläche eines Substrats,
- – Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung, wobei ein Strukturträger
mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher
Benetzbarkeit entsteht,
- – Ausbilden eines Benetzungsmusters auf dem Strukturträger,
- – Abformen des Benetzungsmusters mittels einer filmbildenden
Substanz unter Ausbildung eines mikrostrukturierten Films, und
- – Entfernen des mikrostrukturierten Films vom Substrat.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung kann auf
spezielle Substratoberflächen oder Substratbeschichtungen,
wie beispielsweise Titan-Goldbeschichtungen, verzichtet werden,
wodurch die Kosten zur Durchführung des Verfahrens verringert
werden. Durch die Verwendung einer zu strahlungsinduzierten Reaktionen
fähigen Zubereitung lassen sich ferner mikrostrukturierte
Oberflächenbereiche unterschiedlicher Benetzbarkeit in
kurzer Zeit auf großen Substratflächen ausbilden.
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Vorzugsweise
erfolgt die Bestrahlung eines Teils der zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung lateral aufgelöst.
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Vorzugsweise
wird nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung entweder der bestrahlte
oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen
fähigen Zubereitung von der Oberfläche des Substrats
durch einen nasschemischen Prozess entwickelt, wobei der Strukturträger
mit mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher
Benetzbarkeit entsteht, und danach das Benetzungsmuster auf dem
Strukturträger ausgebildet wird.
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Weiterhin
vorzugsweise wird nach dem Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung entweder der bestrahlte
oder der unbestrahlte Anteil der zu strahlungsinduzierten Reaktionen
fähigen Zubereitung von der Oberfläche des Substrats
durch einen strahlungsinduzierten Prozess entfernt, wobei der Strukturträger mit
mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher
Benetzbarkeit entsteht, und danach das Benetzungsmuster auf dem
Strukturträger ausgebildet wird.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn eine zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung als zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige
Zubereitung verwendet wird, ein Teil der zu photochemischen Reaktionen
fähigen Zubereitung belichtet wird, und vorzugsweise nach
dem Entfernen entweder des belichteten oder des unbelichteten Anteils
der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung von
der Oberfläche des Substrats durch einen nasschemischen
oder einen photochemischen Prozess der Strukturträger mit
mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher
Benetzbarkeit entsteht. Durch die Verwendung einer zu photochemischen
Reaktionen fähigen Zubereitung ist eine besonders kostengünstige
Herstellung des mikrostrukturierten Films möglich.
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Vorzugsweise
ist die Oberfläche des Substrats hydrophil, und eine hydrophobe,
zu strahlungsinduzierten photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung wird auf die hydrophile Oberfläche aufgebracht.
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Alternativ
ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche des Substrats hydrophob
ist, und eine hydrophile, zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung
auf die hydrophobe Oberfläche aufgebracht wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Zubereitung aufgebracht wird, die
ursprünglich hydrophob ist und durch Bestrahlung, vorzugsweise
Belichtung, hydrophil wird, oder wenn eine Zubereitung aufgebracht
wird, die ursprünglich hydrophil ist und durch Bestrahlung,
vorzugsweise Belichtung, hydrophob wird. In dieser bevorzugten Ausführungsvariante kann
auf ein Entfernen der bestrahlten oder unbestrahlten Bereiche, bzw.
der belichteten oder unbelichteten Bereiche, verzichtet werden.
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Vorzugsweise
wird als zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung
ein Photolack, vorzugweise ein Positivphotolack oder ein Negativphotolack,
auf das Substrat aufgebracht. Hierdurch ist es auf einfache Art
und Weise möglich, auch großflächige
Substratoberflächen zu beschichten.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Photolack
auf die Oberfläche des Substrats durch Rakeln oder Sprühen
oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Druck aufgebracht, wodurch
ein kostengünstiger Auftrag möglich ist.
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Um
den Auftrag des Photolacks gleichmäßig durchzuführen
ist es von Vorteil, wenn der Photolack durch Rotation des Substrats
auf der Oberfläche des Substrats verteilt wird.
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Alternativ
ist es auch von Vorteil, als zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung eine Folie auf das Substrat aufzubringen, wodurch die
zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung ebenfalls
auf große Substratoberflächen aufgebracht werden
kann.
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Vorzugsweise
wird das Substrat mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung durch eine mikrostrukturierte
Maske bestrahlt und anschließend entwickelt. Während
für das eingangs erläuterte Stempelverfahren die
Stempel häufiger neu hergestellt werden müssen,
kann die mikrostrukturierte Maske mehrfach verwendet werden, wodurch
sich weitere Möglichkeiten zur Kosteneinsparung ergeben.
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Vorzugsweise
wird das Substrat mit der darauf aufgebrachten zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung durch UV-Licht belichtet, wodurch
auch komplizierte Mikrostrukturen der Maske detailliert auf die
zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung übertragen
werden können.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Benetzung
des Strukturträgers eine vorzugsweise zumindest teilweise
hydrophile und/oder hydrophobe Benetzungslösung auf den Strukturträger
aufgebracht, wobei als Benetzungslösung
- – eine
einzelne Flüssigkeit, oder
- – eine homogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten,
oder
- – eine heterogene Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten,
oder
- – eine homogene Mischung einer Flüssigkeit
oder mehrerer Flüssigkeiten und eines in der Flüssigkeit/den
Flüssigkeiten löslichen Feststoffes, vorzugsweise
eine anorganischen Stoffes wie insbesondere eine Salzes, oder
- – eine einzelne Flüssigkeit, die nach der
Benetzung aushärtet,
- – eine Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten,
die nach der Benetzung aushärten,
verwendet wird.
Hierdurch sind mikrostrukturierte Filme mit unterschiedlichen Eigenschaften
für verschiedene Anwendungsgebiete herstellbar.
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Vorzugsweise
wird die Benetzung des Strukturträgers durch Rakeln oder
Sprühen oder Tauchen oder Walzenauftrag oder Pipettenauftrag
oder Aufdampfen einer Benetzungslösung durchgeführt.
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Weiterhin
vorzugsweise wird zur Abformung des Benetzungsmusters eine organische
Substanz, vorzugsweise eine Monomer- oder Polymerlösung, als
filmbildende Substanz auf den benetzten Strukturträger
aufgebracht.
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Alternativ
ist es von Vorteil, wenn zur Abformung des Benetzungsmusters eine
Zubereitung, die anorganische Substanzen enthält, vorzugsweise eine
Keramik oder ein Metall oder eine metallische Verbindung oder Vorstufen
zu diesen Substanzen, als filmbildende Substanz auf den benetzten
Strukturträger aufgebracht wird.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel härtet
die filmbildende Substanz durch
- – radikalische
oder anionische oder kationische oder koordinative Polymerisation,
oder
- – Polykondensation, oder
- – Vernetzung, oder
- – Kristallisation, oder
- – Umkristallisation, oder
- – Verglasen durch Abkühlen oder durch Verdunsten
eines Lösungsmittels der filmbildenden Substanz aus.
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Hierdurch
ist es möglich, mikrostrukturierte Filme für ein
breites Anwendungsspektrum herzustellen.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die filmbildende
Substanz in einer Schichtdicke, die geringer ist als eine Strukturhöhe des
Benetzungsmusters, auf den benetzten Strukturträger aufgebracht.
Hierdurch ist es möglich, mikrostrukturierte Filme als
Mikrosiebe oder Membranen, das heißt mit durchgehenden
Poren herzustellen.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die filmbildende Substanz in einer Schichtdicke,
die größer ist als eine Strukturhöhe
des Benetzungsmusters, auf den benetzten Strukturträger
aufgebracht wird. Hierdurch werden mikrostrukturierte Filme mit nicht-durchgängigen
Poren bzw. oberflächennahen Hohlräumen hergestellt.
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Beispielsweise
unter Berücksichtigung der Verdunstung eines Lösungsmittels
ist es ebenfalls von Vorteil, wenn die Schichtdicke der filmbildenden Substanz
derart gewählt wird, dass beim Auftrag der filmbildenden
Substanz deren Schichtdicke größer ist als die
Strukturhöhe des Benetzungsmusters, und nachdem die filmbildenden
Substanz erstarrt ist, der mikrostrukturierte Film eine Schichtdicke
aufweist, die geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters.
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Vorzugsweise
werden während oder nach der Entfernung des mikrostrukturierten
Films vom Substrat darin abgeformte Bereiche des Benetzungsmusters
ausgespült.
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Vorzugsweise
wird ein nach einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele
hergestellter mikrostrukturierter Film als Membran oder Filtrationsmedium
oder zur kontrollierten Freisetzung von vorzugsweise medizinischen
Wirkstoffen oder zur Herstellung reibungsreduzierender oder anhaftungsreduzierender
Oberflächen verwendet.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß gelöst
durch einen mikrostrukturierten Strukturträger bestehend
aus einem Substrat, das zumindest eine Oberfläche aufweist,
die teilweise durch eine zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige
Zubereitung bedeckt ist, wobei die Oberfläche des Substrats
und die zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung
eine unterschiedliche Benetzbarkeit aufweisen. Derartige Strukturträger können
kostengünstig im industriellen Maßstab hergestellt
werden.
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Vorzugsweise
ist die zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung
eine zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung,
vorzugsweise ein Photolack.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn der Photolack ein Positivphotolack oder
ein Negativphotolack ist.
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Alternativ
ist es von Vorteil, wenn die zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung eine Photofolie ist.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche
des Substrats hydrophil und die zu strahlungsinduzierten Reaktionen
fähige Zubereitung hydrophob.
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Alternativ
ist es von Vorteil, wenn die Oberfläche des Substrats hydrophob
und die zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung
hydrophil ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher
erläutert. In diesen zeigen:
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1 eine
Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung eines mikrostrukturierten
Films, und
-
2 einen
mikrostrukturierten Film.
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In
diesen Figuren werden die folgenden Bezugszeichen verwendet:
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- 1
- Substrat,
- 2
- zu
photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung,
- 3
- mikrostrukturierte
Maske,
- 4
- Strukturträger,
- 5
- Benetzungslösung,
- 6
- Benetzungsmuster,
- 7
- filmbildende
Substanz,
- 8
- mikrostrukturierter
Film,
- 9
- oberflächennahe
mikrometergroße Poren bzw. Hohlräume.
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In 1 ist
eine beispielhafte Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung
eines mikrostrukturierten Films 8 dargestellt.
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Ein
Substrat 1 ist mit einer zu photochemischen Reaktionen
fähigen Zubereitung 2 teilweise oder vollständig
beschichtet. Diese zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung 2 kann eine oder mehrere flüssige,
feste oder auch gasförmige Phasen aufweisen, wobei diese
Phasen auch in Kombination vorliegen können. Insbesondere
kann es sich bei der zu photochemischen Reaktionen fähigen
Zubereitung 2 um einen Photolack, vorzugsweise einen Positivphotolack
oder einen Negativphotolack, handeln, wobei ein photochemischer
Prozeß durch Belichtung des Photolacks ausgelöst
wird.
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Als
Substrat 1 kann beispielsweise eine ein- oder mehrschichtige
gläserne, keramische oder metallische Substanz zum Einsatz
kommen. Auch Kombinationen von gläsernen, keramischen und
metallischen Schichten sind möglich. Aufgrund ihrer guten Verfügbarkeit
bieten sich insbesondere Glas oder Aluminiumfolie als Substrat 1 an.
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Durch
Rakeln kann der Photolack gleichmäßig auf die
Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht werden.
Jedoch sind auch andere Auftragsverfahren möglich, wie
beispielsweise Sprühen, Tauchen, Walzenauftrag oder Druck.
Wird das Substrat 1 während oder nach dem Auftrag
des Photolacks in Rotation gesetzt, ermöglicht die Rotation
eine gleichmäßige Verteilung des Photolacks auf
der gesamten Oberfläche des Substrats 1.
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Alternativ
ist es beispielsweise möglich, die zu photochemischen Reaktionen
fähige Zubereitung 2 in Form einer Photofolie
auf das Substrat 1 aufzubringen. Die Photofolie kann ebenfalls
als Positiv- oder Negativphotofolie aufgebracht werden.
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Über
der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 wird
eine mikrostrukturierte Maske 3 angeordnet und vorzugsweise
direkt auf die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 aufgelegt.
Die gesamte Anordnung wird mittels einer UV-Strahlungsquelle belichtet.
Jedoch sind auch andere Strahlungsquellen denkbar, die die gewünschte
Reaktion auslösen, um einen genauen Übertrag der
Mikrostruktur der Maske 3 auf die zu photochemischen Reaktionen
fähige Zubereitung 2 zu ermöglichen.
Ebenfalls ist es denkbar, die zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung 2 ohne Verwendung einer mikrostrukturierten
Maske 3 durch direkte Beeinflussung des Strahlenganges,
wie beispielsweise sequentielles Schreiben mit einem dünnen
Strahl, zu belichten und mit einem Mikrostrukturmuster zu versehen.
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Die
Belichtung erfolgt somit vorzugsweise selektiv und lateral aufgelöst,
wobei entweder der Strahlengang an sich (z. B. durch eine bewegliche Linse
oder Bewegung der Strahlungsquelle) beeinflußt wird, oder
die Belichtung erfolgt, indem bestimmte Bereiche der zu photochemischen
Reaktionen fähigen Zubereitung 2 z. B. durch die
mikro-strukturierten Maske 3 von der flächigen
Belichtung ausgenommen werden (hierbei kann die Bestrahlung flächig
oder ebenfalls selektiv erfolgen). Auch Kombinationen dieser Verfahren
sind möglich.
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Obwohl
in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine zu photochemischen
Reaktionen fähige Zubereitung 2 verwendet wird,
ist die vorliegende technischen Lehre nicht auf derartige Zubereitungen beschränkt.
Insgesamt kann eine zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige
Zubereitung verwendet werden, bei der ein chemischer Prozess durch
Strahlung induziert bzw. gestartet wird. Neben dem zuvor erwähnten
Licht, vorzugsweise UV-Licht, kann es sich bei solcher Strahlung
auch um Wärmestrahlung oder Partikel- oder Elektronenstrahlung
handeln. Für die Aufbringung einer solchen zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung auf das Substrat 1 gelten
die gleichen Verfahrensvarianten wie für die Aufbringung
der zuvor beschriebenen zu photochemischen Reaktionen fähigen
Zubereitung 2.
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Nach
Abnahme der mikrostrukturierten Maske 3 wird im nachfolgenden
Schritt die zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 auf
dem Substrat 1 entwickelt. Die Entwicklung der zu strahlungsinduzierten
bzw. photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 kann
durch einen nasschemischen Prozess, beispielsweise mittels einer
wässrigen NaOH-Lösung erfolgen. Handelt es sich
bei der zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 um
einen Positivphotolack oder eine Positivphotofolie, werden die belichteten
Bereiche durch die Entwicklung entfernt. Handelt es sich bei der
zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 um einen
Negativphotolack oder eine Negativphotofolie, werden die unbelichteten
Bereiche durch die Entwicklung entfernt.
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Nach
der Entwicklung bilden das Substrat 1 und die entwickelte
zu photochemischen Reaktionen fähige Zubereitung 2 einen
Strukturträger 4, der mikrostrukturierte Oberflächenbereiche
unterschiedlicher Benetzbarkeit aufweist. Insbesondere ist es von Vorteil,
wenn die Oberfläche des Substrats 1 hydrophil
ist und die entwickelte zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung 2 hydrophob ist. Jedoch ist es auch denkbar,
wenn die Oberfläche des Substrats 1 hydrophob
ist und die entwickelte zu photochemischen Reaktionen fähige
Zubereitung 2 hydrophil ist.
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Besonders
von Vorteil ist es, wenn die zu strahlungsinduzierten bzw. photochemischen
Reaktionen fähige Zubereitung 2 ursprünglich
hydrophob ist und durch Bestrahlung, bzw. Belichtung, erst hydrophil
wird. Umgekehrt ist es ebenso von Vorteil, wenn die Zubereitung 2 ursprünglich
hydrophil ist und erst durch Bestrahlung, bzw. Belichtung, hydrophob wird.
Bei solchen Zubereitungen 2 kann auf die Entfernung bestrahlter
oder unbestrahlter Bereiche, bzw. belichteter oder unbelichteter
Bereiche verzichtet werden, wodurch sich die Effizienz des Verfahrens weiter
steigert.
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Anschließend
wird der Strukturträger 4 mit einer Benetzungslösung 5 als
Flüssigkeit überschichtet. Die Benetzungslösung 5 kann
flächig auf die entwickelte Mikrostruktur des Strukturträgers 4 aufgetragen
werden, kann beispielsweise jedoch auch aufgedampft werden. Darüber
hinaus ist es möglich, dass die Benetzung des Strukturträgers 4 durch
Rakeln, Sprühen, Tauchen, Walzauftrag oder Pipettenauftrag der
Benetzungslösung 5 erfolgt. Bei der Benetzungslösung 5 handelt
es sich vorzugsweise um eine polare Flüssigkeit und insbesondere
vorzugsweise um eine polare, hygroskopische Flüssigkeit.
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Kommt
eine zumindest teilweise hydrophile Benetzungslösung 5 zum
Einsatz, lagert sich diese Lösung von selbst an die hydrophilen
Stellen der Mikrostruktur des Strukturträgers 4 an.
In Abhängigkeit des verwendeten Substrats 1 und
der verwendeten zu photochemischen Reaktionen fähigen Zubereitung 2 können
diese Anlagerungsstellen entweder Oberflächenbereiche des
Substrats 1 oder Oberflächenbereiche der zu photochemischen
Reaktionen fähigen Zubereitung 2 sein.
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Wird
andererseits eine zumindest teilweise hydrophobe Benetzungslösung 5 auf
den Strukturträger 4 aufgebracht, ordnet sich
die hydrophobe Benetzungslösung 5 dementsprechend
an den hydrophoben Stellen des mikrostrukturierten Strukturträgers 4 an.
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Insgesamt
führt diese vorbestimmte Anordnung der Flüssigkeit
bzw. der Benetzungslösung 5 dazu, dass die Benetzungslösung 5 aufreißt
und an den vorbestimmten Stellen ein Benetzungsmuster 6 ausbildet.
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Als
Benetzungslösung 5 kann eine einzelne Flüssigkeit
verwendet werden. Alternativ kann eine homogene oder heterogene
Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zum Einsatz
kommen. Ebenfalls ist es möglich, eine homogene Mischung
einer Flüssigkeit oder mehrerer Flüssigkeiten
und eines in der Flüssigkeit/den Flüssigkeiten
löslichen Feststoffs zu verwenden. Vorzugsweise kann es
sich hierbei um einen anorganischen Stoff, wie beispielsweise ein Salz,
handeln. Ebenfalls ist es möglich, eine Flüssigkeit
oder eine Mischung zweier oder mehrerer Flüssigkeiten zu
verwenden, die nach der Benetzung aushärten.
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Im
nachfolgenden Schritt wird das Benetzungsmuster 6 mittels
einer filmbildenden Substanz 7 unter Ausbildung eines mikrostrukturierten
Films 8 abgeformt. Hierzu wird beispielsweise eine organische
Substanz, vorzugsweise eine Monomer- oder Polymerlösung,
als filmbildende Substanz 7 auf den benetzten Strukturträger 4 aufgebracht.
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Zur
Herstellung hierarchischer Membranen kann die überschichtende
Polymerlösung zusätzlich Partikel, beispielsweise
Kieselgelpartikel enthalten, die nach dem Verglasen aus dem so hergestellten mikrostrukturierten
Film 8 entfernt werden. Eine solche Membran enthält
mikrometergroße Poren 9 in Größe
der Tropfen der Benetzungslösung 5 und weitere
Poren in Größe der Partikel, beispielsweise der Kieselgelpartikel.
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Alternativ
ist es auch möglich, dass zur Abformung des Benetzungsmusters 6 eine
Zubereitung, die anorganische Substanzen beinhaltet, vorzugsweise
eine Keramik, ein Metall oder eine metallische Verbindung oder Vorstufen
zu diesen Stoffen, als filmbildende Substanz 7 auf den
benetzten Strukturträger 4 aufgebracht wird.
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Die
filmbildende Substanz 7 kann in einer Schichtdicke, die
geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6,
auf den benetzten Strukturträger 4 aufgebracht
werden. Der so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 weist
durchgehende mikrometergroße Poren 9 auf und kann
beispielsweise als Mikrosieb zur Filtration verwendet werden.
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Alternativ
ist es auch möglich, die filmbildende Substanz 7 in
einer Schichtdicke, die größer ist als die Strukturhöhe
des Benetzungsmusters 6, auf den benetzten Strukturträger 4 aufzubringen.
Hierdurch entstehen oberflächennahe mikrometergroße
Poren 9 bzw. Hohlräume an der Oberfläche
des mikrostrukturierten Films 8, um beispielsweise anhaftungs- oder
reibungsverringernde Oberflächeneffekte zu erzielen.
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Es
ist jedoch auch möglich, die Schichtdicke der filmbildenden
Substanz 7 derart zu wählen, dass beim Auftrag
der filmbildenden Substanz 7 deren Schichtdicke größer
ist als die die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6,
und nachdem die filmbildende Substanz 7 erstarrt ist, der
mikrostrukturierte Film 8 eine Schichtdicke aufweist, die
geringer ist als die Strukturhöhe des Benetzungsmusters 6.
Auch hierdurch können siebartige Strukturen hergestellt
werden.
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Da
durch die Fixierung an den hydrophilen oder hydrophoben Stellen
des Strukturträgers 4 beim Überschichten
der Benetzungslösung 5 die Flüssigkeitstropfen
ihre Position nicht verändern, ist es generell möglich,
auch komplexere Strukturen herzustellen. Beispielsweise kann die Überschichtung
des Benetzungsmusters 6 dünnschichtig mit mehreren filmbildenden
Substanzen 7 der vorgenannten Art, beispielsweise mit verschiedenen
Polymerlösungen, erfolgen.
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Die
filmbildende Substanz 7 bzw. die verschiedenen filmbildenden
Substanzen 7 härten durch radikalische oder anionische
oder kationische oder koordinative Polymerisation aus. Eine Polykondensation
oder Vernetzung der Polymere ist ebenso möglich. Ebenfalls
kann es zu einer Kristallisation oder Umkristallisation der filmbildenden
Substanz 7 kommen. Auch kann die filmbildende Substanz 7 verglasen,
indem sie abkühlt oder indem eines oder mehrere Lösungsmittel
der filmbildenden Substanz 7 verdunsten.
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Kommt
ein Lösungsmittel zum Einsatz, sollte es flüchtig,
vorzugsweise leicht flüchtig, sein. Bei der Auswahl der
Benetzungslösung 5 und der filmbildenden Substanz 7,
bzw. des Lösungsmittels der filmbildenden Substanz 7 ist
es von Vorteil, wenn die Benetzungslösung 5 und
die filmbildende Substanz 7, bzw. die Benetzungslösung 5 und
das Lösungsmittel der filmbildenden Substanz 7 nicht
miteinander mischbar sind.
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Anschließend
wird der so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 vom
Substrat 1 bzw. vom Strukturträger 4 gelöst.
Der mikrostrukturierte Film 8 kann durch physikalische
und/oder chemische Lösungsvorgänge vom Substrat 1 bzw.
vom Strukturträger 4 gelöst werden. Beispiele
hierfür sind Abziehen, Lösen in einer wässrigen
Lösung oder Ätzen.
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Reste
der Benetzungslösung 5 können aus den
abgeformten Bereichen des Benetzungsmusters 6, das heißt
den mikrometergroße Poren 9 ausgespült
werden, bevor, während oder nachdem der mikrostrukturierte
Film 8 vom Substrat 1 entfernt worden ist. Beispielsweise
kann das Benetzungsmuster 6 aus den mikrometergroßen
Poren 9 durch mechanische Deformation entfernt werden.
Ebenso kann das Benetzungsmuster 6 durch chemische Reaktionen,
auch in Verbindung mit dem Auflösen und/oder Verflüchtigen
der gebildeten Reaktionsprodukte und/oder durch Verdunsten entfernt
werden. Physikalisches Auflösen oder eine Kombination der
zuvor genannten Verfahren zur Entfernung sind ebenso möglich.
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Der
so hergestellte mikrostrukturierte Film 8 weist mikrometergroße
Poren 9 mit Durchmessern von 1 bis 1000 μm, vorzugsweise
5 bis 500 μm, insbesondere vorzugsweise von 10 bis 100 μm
auf.
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Derart
hergestellte mikrostrukturierte Filme 8 können
in Mikroreaktionssystemen, zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen,
als Stempel oder Master zur Herstellung von Stempeln oder als Filtrationsmedien
bzw. Membranen zum Einsatz kommen. In der Umwelttechnik kommen mikrostrukturierte
Membranen zur Sickerwasseraufbereitung in Kombination mit biologischen
Verfahren oder zur Vorreinigung von Umkehrosmose-Anlagen zum Einsatz.
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In
der metallverarbeitenden Industrie finden sich Anwendungsgebiete
für derartige mikrostrukturierte Membranen zur Standzeitverlängerung
von Elektrotauchlackbädern, zur Aufkonzentrierung von Öl/Wasser-Emulsionen
und zur Aufarbeitung von Entfettungsbädern. in der pharmazeutischen
Industrie ist es mit derart mikrostrukturierten Membranen möglich,
Bakterien, Viren, Antibiotika, Impfstoffe und Enzyme zu reinigen,
konzentrieren und zu separieren, und abzufiltern. In der Lebensmittelindustrie
ermöglichen mikrostrukturierte Membranen die Konzentrierung
von Gelatine und Hühnereiweiß, die Konzentrierung
von Fruchtsäften und die Klärfiltration von Weinen
und Bieren.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Substrat 1 ein
Glasobjektträger verwendet. Dieser wird mit einem Geschirrspülmittel
(fit, fit GmbH, Am Werk 9, 02788 Hirschfelde) versetztem Wasser,
klarem Leitungswasser, destilliertem Wasser und Aceton gereinigt
und in einem Trockenschrank bei 120°C getrocknet. Nach
dem Abkühlen des Glasobjektträgers auf Raumtemperatur
wird dieser mit einem positiv arbeitenden Photolack (Positiv 20,
Conrad Electronic, Klaus-Conrad-Straße 1, 92240 Hirschau,
vom Hersteller in Sprühdose ausgeliefert, Zusammensetzung
gemäß Sicherheitsdatenblatt des Herstellers: 1-Methoxy-2-propanol
5–10 Gew.-%, 2-Methoxy-1-methylethylacetat (Xi) 5–10 Gew.-%,
Dimethylether (F+) 30–60 Gew.-%, n-Butylacetat 1–5
Gew.-%, Aceton (F, Xi) 30–60 Gew.-%) aus zirka 20 cm Entfernung
besprüht und im Trockenschrank bei 60°C für
zwei Stunden getrocknet. Die Prozedur erfolgt bei gedämpftem
Tageslicht (0,06 μW/cm2).
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Auf
der Lackseite des mit Positiv 20 beschichten Glasobjektträgers
wird ein Transmissionselektronenmikroskopiegitter (Athene, old 400
mesh, 45 μm square, copper, TEM-Gitter, PIANO GmbH, Ernst-Befort-Straße
12, 35578 Wetzlar) als Maske 3 gelegt und mit einer Glasplatte
und Gewichten beschwert. Aus zirka 7 cm Entfernung wird dieser Aufbau
senkrecht zwölf Minuten mit UV-Strahlung (λ = 366
nm, 320 μW/cm2 unter Abdeckglas,
UV-Handlampe, NU-6, KL, Benda Konrad, Laborgeräte und Ultraviolettstrahler,
Ulmenweg 13, 69168 Wiesloch) belichtet. Der belichtete Glasträger
wird für zirka zwei Minuten zum Entwickeln in 50 ml einer
wässrigen NaOH-Lösung (0,7 g/ml) gelegt und leicht
geschwenkt, anschließend mit destilliertem Wasser gespült
und getrocknet. Andere nasschemische Entwicklungslösungen
sind ebenfalls möglich. Die gesamte Prozedur erfolgt bei
gedämpftem Tageslicht.
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Der
so hergestellte mikrostrukturierte Strukturträger 4 wird
mit einer gesättigten Lösung von Kalziumchlorid
(CaCl2) in Wasser (7,4 g/ml) selektiv an seinen
hydrophilen Stellen, das heißt auf dem Glasobjektträger,
benetzt. Dies geschieht, indem der Strukturträger 4 bei
einer konstanten Geschwindigkeit von zirka 11,6 mm/min senkrecht
aus der Benetzungslösung gezogen wird.
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Der
benetzte Strukturträger 4 wird mit einer Lösung
von Polymethylmethacrylat in Chloroform (0,1 g/ml) überschichtet.
Ein bis zwei Tropfen der Polymerlösung werden mit einer
Eppendorfpipette senkrecht auf den benetzten Strukturträger 4 aufgetropft.
Nach vollständigem Verglasen des Polymers wird der Strukturträger 4 mit
dem daran anhaftenden so hergestellten mikrostrukturierten Film 8 für
zehn Minuten in destilliertes Wasser gelegt, wobei sich der Polymerfilm
vom Glasobjektträger löst und mit einer Pinzette
von der Wasseroberfläche abgehoben werden kann.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel eines so hergestellten mikrostrukturierten
Films 8 gezeigt. Die mikrometergroßen Poren 9 sind
in einem regelmäßigen Gitter an der Oberfläche
des mikrostrukturierten Films 8 ausgebildet und weisen
im Wesentlichen halbkugelförmige Hohlräume auf.
Wie bereits zuvor erläutert, können diese mikrometergroßen
Poren 9 beispielsweise jedoch auch als durchgehende Kanäle
ausgebildet sein. Der bei diesem Ausführungsbeispiel erzielte
Durchmesser der mikrometergroßen Poren 9 beträgt
ca. 30 μm.
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Die
vorangegangene Beschreibung offenbart ein Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Herstellung eines mikrostrukturierten Films 8 mit
den folgenden Verfahrensschritten: Aufbringen einer zu strahlungsinduzierten
fähigen Zubereitung auf zumindest einer Oberfläche
eines Substrats 1, Bestrahlen eines Teils der zu strahlungsinduzierten
Reaktionen fähigen Zubereitung, wobei ein Strukturträger 4 mit
mikrostrukturierten Oberflächenbereichen unterschiedlicher
Benetzbarkeit entsteht, Ausbilden eines Benetzungsmusters 6 auf
dem Strukturträger 4, Abformen des Benetzungsmusters 6 mittels
einer filmbildenden Substanz 7 unter Ausbildung eines mikrostrukturierten
Films 8, und Entfernen des mikrostrukturierten Films 8 vom
Substrat 1.
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Ebenfalls
ist ein Ausführungsbeispiel eines mikrostrukturierten Strukturträgers 4 mit
einem Substrat 1 beschrieben, das zumindest eine Oberfläche aufweist,
die teilweise durch eine zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähigen
Zubereitung bedeckt ist, wobei die Oberfläche des Substrats 1 und
die zu strahlungsinduzierten Reaktionen fähige Zubereitung eine
unterschiedliche Benetzbarkeit aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007001953
A1 [0005]
- - DE 102006036863 A1 [0008]