-
1. Stand der Technik
-
Bekannt
sind Kontaktdruckverfahren, wobei bevorzugt ein Substrat entlang
einer Druck- oder Prägelinie
mit einer Druckform in Berührung
gebracht und dadurch ein Farbmuster auf dem Substrat aufgebracht
wird.
-
Bekannt
sind Tiefdruckverfahren, bei denen ein „Tiefdruckzylinder” mit Näpfchen versehen
ist, die jeweils einen Durchmesser von ca. 30–110 μ aufweisen, wobei dieser vollflächig mit
einer Druckfarbe eingefärbt
und abgerakelt wird, indem die Druckfarbe von der zylindrischen
Einhüllenden
des Tiefdruckzylinders – d.
h. überall
dort, wo dieser keine Näpfchen aufweist
und demzufolge keine Farbe drucken soll – entfernt wird. Das zu bedruckende
Substrat, wird bevorzugt zwischen diesem Druckzylinder und einem parallel-achsig
aufgehängten
Presseurzylinder eingeklemmt und die Druckfarbe wird in der Drucklinie (entlang
der Berührungsfläche beider
Zylinder) durch kapillare Effekte aus den Näpfchen herausgezogen, was nach
Stand der Technik Näpfchen
von mindestens 15 μ Durchmesser
erfordert, sodass die Auflösung
dadurch begrenzt ist.
-
Bekannt
ist eine feiner auflösende
Variante des Tiefdrucks, der sog. Stahlstichdruck, bei dem feinste
Linien in eine Stahlplatte oder in einen Stahlzylinder geritzt werden.
Dort wird eine hoch pastöse Farbe
verwendet, die unter Hitze aufschmilzt und in das Linienmuster der
erhitzten Druckform eindringt, wobei die Restfarbe von den Flächen der
Druckform weggewischt wird. In der Druckline, also bei Berührung des
kühlen
Substrats, erstarrt die Farbe und wird aus der Stahlstichform gezogen.
Es entstehen gedruckte Linien von – im Extremfall – wenigen μ Breite,
die z. B. als „Guillochen” oder „Mikroschriften” im Sicherheitsdruck
(Geldscheine, Wertpapiere etc.) eingesetzt werden.
-
Bekannt
sind Polymerflüssigkeiten,
die man auf ein Substrat aufbringt und als Feinstmuster prägt, nach
Art eines Hologramms, und noch im Prägestempel mit UV-Licht aushärtet. Neueren
Datums sind Verfahren, die eine mit auf einem Substrat aufgebrachte
und mit UV vorpolymerisierte (also eingedickte) Farbschicht mit
einem Hologramm-Shim prägen,
im Rolle-zu-Rolle Modus und mit bis zu 4 m/Sekunde. Die dabei geprägten Strukturbreiten
können deutlich
kleiner als 1 μ sein
und bilden sogenannte „nanoskalige” Muster.
-
Da
derartige Muster – geprägt oder
gedruckt – in
funktionellen Strukturen (optische Elemente, Sensoren, Aktoren etc.)
breite Einsatzmöglichkeiten haben,
bräuchte
man billige, flexible Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Formen,
und zur Nutzung derselben in Labormaschinen. Nach Stand der Technik
wären hierzu
z. B. nutzbar: Ablation mit UV-Kurzpulslasern, reaktives Ionen-Ätzen, und
Bearbeitung mit Elektronenstrahlen. Diese Verfahren sind aber mit
sehr hohem Aufwand an Zeit, Personal, Platz und Geld verbunden.
-
Bekannt
sind nun von der IBM unter dem Namen „Millipede” (= „Tausendfüssler”) entwickelte Techniken zur
Datenspeicherung. Dabei werden mittels einer Anzahl an extrem fein
gespitzten, geheizten Sticheln (hinfort auch „Nanostichel” genannt),
wie in 1 skizziert, Löcher
(23) in eine geeignete Polymerfolie (24) gebrannt,
wobei das überschüssige Material
am Rande des Loches aufwellt (22). Die in die Folie „gestichelten” Löcher (23)
können
sehr klein sein, bis hinunter zu 20 nm Durchmesser, und sind als
als Datenspeicher intendiert, d. h. dass ein gesticheltes Loch z.
B. einem auf „1” gesetzten
Bit enstpricht, während
ein an der erwarteten Stelle fehlendes Loch eine „0” bedeutet,
wie in Bild 1 für
eine Zelle mit 2 mal 3 Speicherfeldern skizziert. Des Weiteren lassen
sich durch lineare Bewegung eines Millipede-Stichels entsprechend
feine Graben in die Oberfläche
der Polymerfolie ziehen, bevorzugt auch mehrere Graben parallel.
-
Nun
sieht das „Millipede”-Design
nicht etwa einen einzigen Stichel vor, wie in 1 gezeigt,
sondern eine grosse Anzahl (als „Feld” bezeichnet) solcher, bevorzugt
schachbrettartig angeordeneter Stichel, die parallel arbeiten.
-
Diese
Technik ist also vom Prinzip her schneller als die vorgenannten
seriellen Strahlverfahren; ferner ist sie für den Massenmarkt intendiert, könnte sie
also für
Druck- und Prägeverfahren
genutzt werden, so wäre
sie kompakt, einfach zu bedienen und billig.
-
2. Beschreibung der Erfindung
-
Die
nachstehend beschriebene Erfindung nutzt eine Anzahl mechanischer
Nanostichel zur Erstellung von Formen zur Oberflächenbearbeitung mit einem Verfahren
nach Anspruch 1, und einer Vorrichtung nach Anspruch 6. Weitere
Eigenschaften der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
-
Dabei
behält
sich der Anmelder vor, einzelne Aspekte dieser Offenbarung in gesonderten
Anmeldungen zu verfolgen.
-
2.1 Beschreibung einer bevorzugten Variante
-
Bevorzugt
wird mit dem Millipede-Verfahren gem. 1 aus einer
polymeren Folie eien gestichelte „Matriz” (24) – nachstehend
auch „Master” genannt – erstellt;
diese ist mit Vertiefungen (23), die hier als Löcher gezeigt
sind, aber nach Abschnitt 1. auch als beliebig lange Rillen
ausgeführt
sein können,
versehen. Aus (24) wird durch galvanische Abformung, nach
Stand der Technik für
die Herstellung von Hologramm-Shims, eine Anzahl metallischer Patrizen (25)
gem. 2a gewonnen. Diese Patrizen bilden das Relief
der Matriz ab, indem deren Vertiefungen (23) nun als Erhebungen
(23a) abgebildet sind, und umgekehrt. Aus jeder solchen
Patriz kann, bevorzugt wieder durch galvanische Abformung als Shim,
eine Anzahl von Matrizen (26) gem. 2b erstellt
werden, welche nun den Master (24) aus 1 detailtreu abbilden.
-
Sowohl
die vorstehende Patrizen als auch die daraus gewonnenen Matrizen
können
in einer kommerziell verfügbaren
Labordruck- und Laborprägemaschine
genutzt werden. In den folgenden Unterabschnitten wird hierzu je
ein Tiefdruck- und ein Prägeverfahren
beschrieben, welches bevorzugt eine überarbeitete Version des Labratester
der Fa. Norbert Schläfli
Maschinen in Zofingen, Schweiz, einsetzt.
-
2.1.1 Tiefdruck mit nanoskaligen Muster
-
Zum
Verständnis
des Verfahrens wird zunächst
der konventionelle Tiefdruck (mit Strukturbreiten grösser als
30 μ) mittels
des Standard-Labratesters skizziert. Wie in 2 schematisch
gezeigt, beinhaltet dieser eine verchromte, ebene Druckform (1),
die an ihrer Oberfläche
ein konventionelles Tiefdruckmuster (3) aufweist und auf
einem Schlitten (2) angebracht ist, wobei (2)
linear in der Richtung (6) bewegt wird. Dabei läuft (1)
unter einem Zylinder (10) durch, auf dem das zu bedruckende
Substrat (4) angebracht ist. (10) und (2)
werden mit einem mechatronischen Antrieb so geführt, dass die Umlaufgeschwindigkeit
an der Oberfläche
von (4) exakt der Lineargeschwindigkeit von (1)
entspricht und somit das Druckmuster (3) ohne Verschmieren
auf (4) abgebildet wird. Vor jedem Druckgang wird eine
kleine Menge (7) der zu verdruckenden Farbe, z. B. mit
einer Pipette, auf (1) aufgebracht. Wenn (1) unter
dem Rakel (5) durchläuft,
wird die Farbe von den nicht bemusterten Teilen von (1)
entfernt, und die in (3) enthaltene Farbe wird glattgestrichen,
sodass nur der Inhalt von (3) auf (4) gedruckt
wird. Dabei wird die (Bruchteile eines Millimeters breite) Berührungsfläche von
(4) und (1), oder von (4) und der Oberfläche der
Farbe in (3) als „Drucklinie” (8)
bezeichnet.
-
In
einer erfindungsgemässen
Variante zum Drucken nanoskaliger Muster wird bevorzugt ein überarbeiteter
Labratester mit wesentlich exakterem Antrieb verwendet. Dabei ist
(1) mit einer – bevorzugt aufgeklebten – Matriz
(26) versehen, welche ein Druckmuster (3) beinhaltet,
das aus einer Anzahl von Vertiefungen (23), gebildet ist. 2 zeigt rein schematisch und insbesondere
ohne Beachtung der Massstäbe,
wie das in (26) eingebrachte Druckmuster (3),
nachdem es von (5) abgerakelt wurde, von einer UV-Lichtquelle
(11) angestrahlt wird, sodass die in den Vertiefungen (23)
enthaltene Farbe vorpolymerisiert wird. Dabei ist bevorzugt der
Abstand zur Drucklinie und damit das Zeitintervall zwischen Vorpolymerisieren
und Erreichen der Drucklinie so gewählt, dass die Farbe von (4)
angenommen und aus (3) gezogen wird. Dabei werden sehr
glatte Substrate (4) verwendet. Bevorzugt wird die aufgedruckte
Farbe von einer weiteren UV-Quelle (9) nachpolymerisiert.
-
2.1.2 Prägen, bevorzugt mit nachträglichem
Drucken
-
Bevorzugt
lässt sich
der überarbeitete
Labratester zum Heissprägen
nanoskaliger Muster auf polymere Folien nutzen. Hierzu wird bevorzugt
ein erfindungsgemässes
Shim – Matriz
(26) oder Patriz (25) – auf die nun zum Prägen genutzte
Form (1) verklebt; diese wird bevozugt in einer Vorrichtung
erwärmt
und in den Labratester eingesetzt, was konstruktionsbedingt sehr
einfach und schnell geht. Die zu prägende Folie wird auf (10)
aufgebracht. Es wird das Rakel (5) entfernt. Nun fährt (1)
unter der auf (10) synchron mitdrehenden Folie durch und
prägt diese.
Nach dem Prägen
wird (1) sofort wieder entnommen, abgekühlt und gereinigt. Denkbare
Varianten beinhalten den Einsatz elektrisch oder magnetisch geheizter,
und geregelter Druckformen (1).
-
Bevorzugt
wird durch das nanoskalige Prägemuster
die Oberflächenenergie
der Folie stark erhöht,
sodass auf dieser nach Stand der Technik selbst-assemblierende Farbmuster
erstellt werden können.
-
Denkbar
ist auch, dass die geprägte
Folie vollflächig
eingefärbt,
und dann die Farbe der Folie so entfernt wird, dass sie nur noch
in den eingeprägten
Vertiefungen verbleibt. Auf diese Weise können z. B. leitende Feinstmuster
erstellt werden. Denkbar ist, dass eine derartige geprägte Folie
passergenau mit einem Farbmuster bedruckt wird, um gerade sovie Farbe
aufzutragen wie nötig,
z. B. wie für
die selbstassemblierenden Muster nötig. „Passergenau” heisst
hierbei, dass das Druckmuster innerhalb enger Toleranzen genau auf
das Prägemuster
trifft.
-
2.1.3 Mesoskaliges Nachprägen nanoskaliger
Prägemuster
-
Die
erfindungsgemässe „Master” Matriz kann
in einem weiteren Prägevorgang,
bevorzugt bei einer niedrigeren Temperatur als bei der Millipede-Prägung, mesoskalig
verformt werden. „Mesoskalige” Formen
und Muster sind in ihren kleinsten Abmessungen viel grösser als
nanoskalige Muster, bevorzugt weisen sie Strukturbreiten grösser als
10 Mikrometer auf, während
nanoskalige Muster Strukturbreiten kleiner als 1 μ aufweisen.
-
Der
so erzielte meso- und nanoskalige Master kann erfindungsgemäss galvanisch
zu einer meso- und nanoskaligen Druckform abgeformt werden.
-
Z.
B. kann so eine Stahlstich-Schrift gedruckt werden, die mesoskalig-dreidimensional
ist, jedoch winzige Näpfchen,
Beulen, oder Rillen aufweist wie in 5 schematisch
gezeigt. Bevorzugt beinhaltet dabei eine Mikroschrift mit Buchstaben,
die 100 μ hoch sind,
jeweils bis zu 200 bevorzugt „horizontale” Rillen im
Abstand von 500 nm. Diese Mikroschrift wird schillern, also als
Sicherheitsmerkmal vom Typ 1 (keine Zusatzgeräte erforderlich) einsetzbar
sein.
-
2.2 Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
-
2.2.1 Druck- und Prägeformen
-
Denkbar
ist dass ein Master (24) auf einer bevorzugt harten Oberfläche angebracht
ist, wobei bevorzugt die Stichel (20) so geregelt sind,
dass sie knapp zu dieser Oberfläche
vorstossen, ohne beschädigt
zu werden, und bevorzugt eine chemische Nachbearbeitung erfolgt,
sodass in den gestichelten Vertiefungen die harte Oberfläche, die
bevorzugt aus Glas gebildet ist, blank liegt. Nun kann diese Oberfläche selektiv
geätzt
werden, sodass sie mit winzigen Näpfchen oder Rillen versehen
wird.
-
Denkbar
ist, in die erfindungsgemässe
Formenherstellung gezielte Abformungsfehler einzubringen, die einen
Code abbilden, sodass ein Sicherheitsmerkmal erstellt wird. Denkbar
ist die Nutzung eines erfindungsgemässen Polymer-Masters als Abformfolie
in einem Sprengprägeverfahren,
wobei bevorzugt sicherheitsrelevante, von einem Produktpiraten sehr
schwer duplizierbare Abformungsfehler entstehen.
-
Denkbar
ist auch ein Hochtemperatur-Millipede, mit dem bevorzugt auf ca.
350 Grad Celsius erhitzte Flächen
aus Materialien bearbeitet werden, welche nach Art eines Lotglases
bei dieser Temperatur aufweichen, aber nach Erkalten hart werden
und daher bevorzugt als Druck- oder Prägeformen einsetzbar sind.
-
Denkbar
ist auch, auf Matriz oder Patriz einen DLC („diamond like carbon”) Film
aufzubringen, sodass deren Oberfläche hart wird und daher zum Drucken
oder Prägen
genutzt werden kann.
-
Denkbar
ist, dass obige Glas- oder mit einer harten Oberfläche versehenen
Polymere für
photopolymerisierendes Licht durchlässig sind und somit derartiges
Licht durch die Druckform (1) und Drucklinie (8)
hindurch in die Farbe einstrahlen kann.
-
2.2.2 Druck- und Prägeverfahren
-
Denkbar
ist die Verwendung von Luftrakeln, sodass die Druckmuster nicht
mehr mechanisch gerakelt werden. Bevorzugt werden dabei die Farben und
Oberflächen
der Druckformen auf jeweils geeignete Oberflächenspannungen eingestellt,
sodass diese Farben in den Vertiefungen gut haften, nicht jedoch
auf der unbemusterten Oberfläche
der Druckform, sodass diese unbemusterten Flächen von Farbe freigeblasen
werden können.
Denkbar ist die Verwendung einer Anzahl von hintereinander geschalteten
Luft- und mechanischen Rakeln.
-
2.3. Skalierung auf Rollendruck- und Prägemaschinen
-
Das
bevorzugt beschriebene Labordruckverfahren ist auf Produktionsmaschinen
zum Prägen oder
Druck im Rollen- oder Bogenverfahren direkt übertragbar. Hierzu übernimmt
bevorzugt der vorstehend beschriebene Tiefdruck- oder Prägezylinder
die Rolle von (1) während
ein Gegendruckzylinder dem Substratzylinder (10) entspricht.
Bevorzugt ist das Substrat nicht mehr stationär auf einen Zylinder aufgewickelt,
sondern wird zwischen Gegendruckzylinder einerseits, und Präge- bzw.
Druckzylinder andererseits, durch die Maschine geführt.
-
2.4 Vorteile der Erfindung
-
Das
erfindungsgemässe
Druckverfahren kann bevorzugt zur experimentellen Herstellung feinster
Leiterbahnen, Transistoren und optoelektronischer Vorrichtungen
genutzt werden, die derzeit gestempelt werden (mit „nanoimprint
lithography”). Es
kann auch für
Sicherheitsmerkmale genutzt werden, bevorzugt für solche, die mit Hilfsgeräten decodiert
bezw. entdeckt werden.
-
Es
kann schliesslich bedruckbare Substrate mit stark lokalisierter
Oberflächenenergie
kostengünstig
bereitstellen, z. B. für
eine selbstassemblierende Bemusterung.