TWI400165B - 用於一大型凸版三維微結構之圖案之微複製的輥輪對輥輪方法及系統 - Google Patents

用於一大型凸版三維微結構之圖案之微複製的輥輪對輥輪方法及系統 Download PDF

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Description

用於一大型凸版三維微結構之圖案之微複製的輥輪對輥輪方法及系統
本發明係關於藉由複製一母版圖案進行製造之領域。更具體而言，本發明係關於在一本文中稱為PALM之製程中高縱橫比之三維微結構自一影像滾筒圓柱至一連續可固化液體黏合劑帶上之輥輪對輥輪複製。
在本發明中塗施一液體黏合劑，將一輥輪對輥輪技術用於一具有一擬複製至一滾動著的撓性板或基板上之微結構圖案之滾筒。存在眾多揭示此類型之複製製程之先前技術專利。舉例而言，其受讓人已獲得用於複製具有淺凸版圖案之光學擴散體之美國專利第5,735,988號及第5,922,238號。其他專利已揭示用於形成用於製造LCD顯示器之微杯形圖案之類似複製製程。例如，參見美國專利第6,933,098號、第6,930,818號及第6,672,921號。亦存在眾多已頒佈之關於用於製作回復反射板及類似物之輥輪對輥輪複製製程之美國專利，諸如，5,763,049及5,691,846。然而，該先前技術一般而言係關於具有具有小於約5 μm之峰高度之結構之相對低輪廓、小凸版圖案或關於具有極規則且因而高度可預測凸版圖案之較高凸版結構。
然而，存在對採用此低成本、高良率複製來製作深凸版、大輪廓、非規則光學表面(諸如，無反射分量而僅具有擴散分量)之大角度擴散體之製程。極有利情形將係，提供一能夠製作具有自小至3 μm至大至100 μm之凸版結構 之圖案之精確複製之輥輪對輥輪微複製系統。
本發明包括一種稱為PALM(大型凸版三維微結構藉由黏合劑之圖案化)之方法、系統及器件，其中大型凸版超過1 μm且大至100 μm。該PALM製程係一複製隨機及確定性深凸版微結構兩者之捲筒微圖案化製程。該等三維微結構具有低至亞微米範圍之解析元d，但多達30 μm或更高之大RMS，其中縱橫比接近或超過1(AR~1)。該等三維微結構可存在於二維陣列(微稜鏡)及三維陣列(微透鏡)中。該等微結構可係確定性(例如，微稜鏡)或隨機(例如，擴散體)，前者藉由拷貝原始超級母版獲得，且後者藉由拷貝一雷射斑紋圖案獲得。形成母版之製程非係此發明之標的。該母版製程需要將一超級母版拷貝成在該圖案化圓柱(稱為一滾筒)上構成圖案之微結構之形式，然後在一連續輥輪對輥輪捲筒製程中在該PALM系統中連續增加該微結構。後一方法連同相關系統一起為本發明之標的。藉由"大區域微結構"，我們意指在輥輪上製成之一英尺、兩英尺或更寬(60 cm或更寬)及1000英尺、2000英尺或更長之微結構。該等輥輪藉由丙烯酸樹脂上具有大黏度之黏合劑環氧樹脂(混合)且藉由一單一製程拷貝來連續重複該母版圖案。該單一製程可使用溫度及壓力或藉由UV固化之聚合來完成。因而，我們考量三種製程：一個混合製程(丙烯酸樹脂上之黏合劑)及兩個單一製程。典型結構為36英吋(或91 cm)寬。
在該PALM(混合)製程中，將自諸如DuPont、GE或其他製造商獲得之一諸如聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)、(PE)或其他撓性材料等黏合劑濕式塗覆於膜基板上。藉由一自計量塗覆子製程將呈液體形式之黏合劑以類似於潤滑之方式塗施至該基板。此係一種類型之電流體力學潤滑，其係一發生於在正滾動接觸著的表面之間引入一潤滑劑(此處黏合劑)時的現象。在機械設計文獻(Shipley等人之機械工程設計、第4版、12-4部分)中，在一配合壓力機或滾動軸承或其他中引入此潤滑進行發動力傳送，以避免邊界潤滑。在本發明中，該黏合劑(一潤滑劑)用於形成該微結構圖案。該微結構圖案自一母版輥輪(一滾筒)傳送(複製)至一塗覆輥輪上。圖1中顯示該PALM製程之一般架構。該含有基板之展開輥輪1藉由該PALM製程3及利用一系列之傳動輥輪2轉變成一含有一具有塗覆之黏合劑、包含一複製之微結構圖案之含有一基板7的重繞輥輪6。通常，使用一如下光學黏合劑在兩個光學層之間提供光學接觸(無氣隙)：該光學黏合劑(尤其以固體形式)必須透光，且具有合意之光學性質(例如，一折射率)，該光學性質之值將通常接近該基板之值。此處，除以上性質外，該光學黏合劑應具有跟隨類似母版微圖案之能力及下文論述之其他性質(例如，高黏度及適當之表面能)。藉由"類似"結構，我們意指在理想情形中，該三維母版凸版圖案應精確地複製成三維拷貝。此係一挑戰，尤其對於接近100 μm(或4 mil)的不僅具有微或亞微解析度細節d而且具有接近或超過1-3直至50 μm或甚 至更高之縱橫比(AR)的凸版微結構而言，其中，對於一隨機微結構，如圖2中所示，此處縱橫比定義為均方根(RMS)δ與解析度細節d之比率： 其中 其中，如統計光學文獻中所定義，<...>為總體均值，且以一如下方式定義坐標z0〈z-z0〉=0 (3)
圖2中顯示隨機圖案之二維形式。該圖僅用於簡化，乃因真實之隨機圖案係三維，如在圖5中。在典型散射建模理論中，在粗糙表面之X射線散射中論述，由相關長度ξ替代解析元d。藉由應用所謂的遍曆假設，該總體均值可以如下形式由對單個統計實現進行積分替代： 其中，z(x)係一圖2中所示之函數。該等定義亦可應用於如圖3中之確定性(規則)圖案(例如，微稜鏡陣列)或其他具有二維陣列(微稜鏡)或三維陣列(微透鏡)之規則可重複凸版 圖案。
該等微稜鏡圖案可用作方向轉向膜(DTF)、亮度加強膜(BEF)及類似物。該等隨機結構可係郎伯擴散體或非郎伯擴散體。一般而言，在如上所述之類似微結構情形中，我們應避免圖2及3中之圓圈所標記之尖緣。然而，該PALM製程可經最佳化以複製該等尖緣之最小曲率半徑。應注意，在某些情形(例如，加強之BEF(如3M所製造之彼等BEF)中，某限定(非零)曲率半徑有利，如圖4中所示。該等結構亦可在三維陣列(類似透鏡陣列)中複製。
圖5及6提供由該PALM製成之典型非郎伯擴散體之SEM(掃描電子顯微鏡)縮微照片。在圖5中，顯示各種HMFW(半麥克斯韋全寬度)角度值之圓形擴散體。在圖6中，顯示沿垂直水平軸線具有不同HMFW角度值之橢圓擴散體10。可藉由該PALM製程製成該等擴散體之各種形式。較佳地，橢圓微結構之長軸在影像滾筒上沿一圓周方向定向。
該PALM系統之一般作業 混合PALM製程
該PALM器件之重要元件以簡化形式顯示於圖7中。為簡化起見，我們僅顯示對該器件之功能必不可少之元件。顯示兩個基本區域：塗層區域11及圖案化區域12，後者為本發明之標的。在該標示為區I之塗層區域11中，該黏合劑液體(流體)層13以3-4 mil之厚度塗覆於該連續基板帶(或 膜)上。此層約為30 μm厚且含有處於室溫之流體黏合劑13。接著該基板帶穿過區II傳送至惰輪C中，且接著穿過區III直至其接近自計量儲液坑33(區IV)，在該處引入該基板帶與圖案化或影像滾筒A14接觸。此處，其處於一渦旋混合區50(稱為儲液坑或儲液區)中，在該處流體黏合劑13以自計量方式進入區V中，且在該處在該基板膜與圖案化滾筒A14之間出現黏合劑流體耦接。在區V中，該黏合劑仍處於液體形式。在此區中，該基板帶與滾筒A14接觸(耦接)。在區VI中，壓印或軋輥輪B15以"輕觸"(或壓力)接觸形式提供一進入到滾筒A14之夾緊力。夾緊力及包角β0兩者應足以在該基板帶與滾筒A之間形成流體耦接，其由於流體耦接而具有最小內部摩擦力。圖案化滾筒A14自身無驅動力；其僅由具有與輥輪B15及基板帶大致相同之角速度ω(每分鐘10轉之範圍中)之固體(或半固體)流體黏合劑耦接驅動。
輥輪B15亦提供阻擋區V受到UV輻射之額外功能。因而，在一夾緊力作用於滾筒A14之同時，UV輻射開始使該黏合劑固化。包角值β0處於5°-70°之範圍中(圖8)。在區VII中，UV輻射以約5-10 watts/cm2之強度作業。由於圖7係真實PALM器件幾何形狀之一二維投影，故UV曝光之區VII為一具有大小△α‧R‧1之擴展之線性區域，其中R為滾筒A14之半徑，及l為其長度(寬度)。對於R=8 cm而言，△α‧R值為4 cm。在區VII中，出現液體至固體黏合劑34之變化(相變)。在夾緊力接觸後，該基板帶仍以約90°之角度△β 與滾筒A14接觸。接著在區VIII中，該包含具有複製之圖案之固體黏合劑層34之基板帶傳送至輥輪D19，且接著在區IX中，傳送至向該圖案化系統中提供運動力之雙輥輪E/E'20中。此力穿過耦接區VII驅動滾筒A14。
該PALM製程之運動學
圖9中闡述該PALM製程之動力學。作為一參考，該捲筒帶之速度V為20 ft./min或10 cm/s，此乃因出於自計量穩定性之考量其應在此範圍中。對於半徑R等於10 cm之輥輪A14，輥輪A14之角速度ω為1 rad/sec或10 rpm(每分鐘10轉)。為計算該黏合劑在具有長度s之液體包卷內時之時間t，我們假設輥輪A14之直徑D=2r=6英吋及一液體包角β0=30°，則(sRβ0)， 及，V=20 ft./min.=4 in./s=10 cm/s (6)因而，液體包卷時間t為
在另一實例中，假設：D=7英吋，β0=45°，我們獲得t=0.7 s。
擴散體輥輪之通常有效寬度為36英吋或91 cm，為簡化起見，近似地為1 m寬。典型擴散體輥輪之有效長度為 2000英尺或600 m。假設該帶之速度V=20英尺/分鐘，則該PALM製程之通常總時間T為
假設一1 m之有效輥輪寬度及一600 m長度，並假設一16：9數位格式之擴散體網，我們獲得178 cm之網長度，且每輥輪之網數目為337。假設兩班(16小時)日作業，則此每天產生2700個網；或假設每年250日之有效捲筒作業，則對於一單個機器而言每年產生675,000個網。
該PALM製程之一般特徵
在圖10中，闡述該PALM製程，其包含流體及固體耦接，且該製程特徵在於兩個坐標系統：一如圖10中之柱面系統R,β,x，及一如圖11中之局部笛卡爾系統(x,y,z)。由於滾筒A14之柱面對稱性而引入該柱面坐標系統，其中R為滾筒半徑，且角坐標β在包捲進口中具有原點(β=0)，且β0-夾緊力P0位置處之值，及β0+△β第一(流體/固體)包卷出口處之值，而UV輻射運作於第二(固體)包卷區處在β=β0與β=β0+△α之間。在圖11中，引入第二局部笛卡爾坐標系統以顯示UV輻射曝光及自該滾筒中心至表面中之熱傳送40。基板厚度w在100 μm(4 ml)範圍中，且黏合劑之自計量厚度c(c=c1+c2)在50 μ範圍中(其包含基版(c1)及凸版(c2)。
固體/流體耦接
固體黏合劑耦接對該PALM必不可少，乃因其在滾筒A上提供一承載力，該承載力自由兩個具有強大壓印力之E及E'輥輪20所產生之運動力經由位於β0與β0+△α之間的固體包卷17傳送。此由位於β=0與β=β0之間的液體包卷16支撐。無此耦接，滾筒A14將必須由其自身之運動力驅動，此可動搖該系統運動學之穩定性。由於滾筒之摩擦及旋轉，形成致動力T且其隨著β之增加而呈指數減小；因而如在圖10中Texit30小於Tentry31。如圖10中所示，該具有角長度dθ之膜之任一元件將在該致動力之作用下處於平衡，因而產生與致動力T成正比之壓力P。包含兩個耦接力，壓力P分佈及夾緊力P0。固體包卷17形成甚強於液體包卷16之耦接。
在該PALM系統中，夾緊剪力甚強於液體包卷力。然而，對於先前技術之淺圖案凸版(例如，等效於低角度擴散體)，不使用液體包卷。與此相反，對於深圖案凸版，如在該PALM中，夾緊力為必需。然而，假設混合(亦即，非單一)製程，其僅係一"輕觸"力。
對於液體耦接，由Petroff定律或其適用於此情形之修正形式所廣泛地闡述，等於標稱壓力p乘摩擦係數f之切應力亦與黏合劑絕對黏度μ成正比。該絕對黏度係數μ(下文稱作"黏度係數")通常藉由運動學黏度量測。為了PALM目的，該(絕對)黏度頗高。對於典型黏合劑，μ=3-10 dynes-s/cm2；亦即，甚高於典型潤滑劑，諸如蓖麻油。較佳(對於流體耦接而言)夾緊力P0在30,000 dynes/cm2範圍中。由 於液體(或半液體)情形之黏合劑之大黏度及固體狀態之黏合劑之剛性模數R，包卷力(液體及固體兩者)及夾緊力兩個力提供足夠之耦接以驅動滾筒A14。應注意，根據麥克斯韋理論(Maxwell Theory)，該高黏性流體(像黏合劑)具有由黏度係數μ及剛性模數R兩者為表徵之"媒介物"性質。根據蘭道理論(Landau theory)，經過弛豫時間(麥克斯韋弛豫時間)(蘭道及李佛西茲(Lifshitz)，彈性理論，第三版，Butterworth-Heinemann(1986))，μ值與R值成正比。
有效流體耦接之另一重要需求係保持其穩定性以避免邊界潤滑；亦即，直接固體對固體接觸。此藉由維持特徵參數μω/p(此參數無量綱)之一足夠高的值來達成：其中，如在圖10中，μ-黏度，ω-角速度，及p-法向壓力。對於此參數之小值，該流體彈性動力學耦接可折疊至可破壞微結構圖案之邊界耦接(亦即，直接固體對固體接觸)。在自β=0至β=β0之所有區中必須維持此參數值。此藉由在流體仍處於液體形式時根據如下方程式調節進入捲筒張力Tentry31及離開捲筒張力Texit30加以控制。
其中，f為摩擦係數。典型Tentry/Texit比率應約為2。在f函數係μω/p參數之一線性函數時，根據修正之Pettroff定律，自方程式(9)獲得之f係數應在該範圍中。此調節難以維持，此乃因由於如圖11中所示自滾筒中心之熱傳送40，黏合劑黏度作為p之一函數不斷地減小。如圖12中所示，此 熱傳送40形成一溫度梯度，其中黏合劑溫度因p增加而增加。需要此熱傳送40(平均相對於室溫形成20°之溫度增長)來增加母版凸版之滲透度，以獲得一亞微型細節之良好保真度，此對於具有大繞射角(FWHM60°)之擴散體而言頗重要。出於相同原因，我們不能顯著增加角速度ω。因而，我們需要減小法向壓力p以保持參數μω/p足夠高；從而，維持流體彈性動力學耦接體製(以避免邊界耦接)。但是，在彼情形下，我們減小耦接力。因而，為保持總耦接力足夠高，我們需要增加夾緊力P0及/或如圖10中所示藉由增加△β值多達90°或甚至更高來保持來自β=β0與β=β0+△β之間的區之高固體包卷耦接力。此係一複雜折衷製程，其需要調節熱梯度(產生梯度dμ/dβ)及如ω、p及P0該等參數。UV輻射分佈(如在圖10中，由強度I及△α區定義)亦影響此折衷。需要此最佳化程序，尤其對於高解析度(d~1 μm)及高縱橫比(對(AR)>1)微結構而言。圖13中圖解說明一典型μ(β)關係。
高凸版圖案化
對於高凸版圖案化，亦即，稜具有在5 μm至30 μm、高達100 μm範圍中之典型凸版的高凸版微結構(隨機(擴散體)及確定性(微稜鏡)兩者)之三維複製，我們需要最佳化各種各樣之機械、流體、熱及輻射(UV)參數，諸如：黏度(μ)、表面能、UV曝光分佈、致動力T、夾緊力P0、溫度梯度(dT/dP)、摩擦係數f、剛性模數(R)、滾筒角(及線)速度(ω)、包角(β0，△β)及自計量厚度(c)、部分厚度：c1及c2及 夷平時間。
多個重要因素決定確定性(例如，微稜鏡)及隨機(例如，擴散體)微結構兩者之高品質高凸版圖案，該等因素包含：
1.液體耦接(一具有角大小β0之包卷)
2.固體耦接(一具有角大小△β之包卷)
3.來自輥輪B與輥輪A之間的接觸之夾緊力
4.黏合劑儲液區(液體包卷輸入處)
5.熱傳送(液體(流體)包卷處)
6.分佈式UV輻射(具有△α之角大小)。
因素(1)、(3)、(4)及(5)定義該PALM之自計量。因素(2)及(6)定義輥輪A之基於固體/流體耦接之驅動。
另一重要因素係UV輻射分佈與耦接壓力p作為角度β之一函數單調減小之一組合。如圖14中所示，後一特點係來自機械離合器效應之簡單機械定律之一結果。致動力T以減量dθ形成反作用力dP；因而，dT=fdP (10)其中，f-摩擦係數；同樣我們有dP=Tdθ (11)將方程式(11)帶入方程式(10)中，我們獲得dT=fTdθ (12)且在積分後，我們有 T(θ)=Tentrye-fθ (13)其等效於方程式(9)。反作用力P在滾筒上形成壓力p，以如下形式作為每單位面積之一法向力P(l係滾筒A之長度)：dP=plrd6 (14)其中lrdθ為面積元。使用方程式(11)、(13)及(14)，我們獲得壓力p作為角度θ之一函數之如下關係， 其顯示壓力p作為θ之一函數沿運動方向呈指數減小。此效應連同UV輻射分佈一起形成黏合劑自母版輥輪A脫離之穩定條件。
該UV輻射沿角度β，在β=β0(夾緊力位置)與β=β0+△α之間分佈。在該三維情形下，理想情形係，其呈圓柱狀分佈於滾筒A軸線中。假設UV輻射源線性強度為300 W/in.或118 W/cm，並假設△α=90°(或π/2)及R=10 cm，故r△α=15.7 cm且源強度I為I=118W/15.7cm2=7.5W/cm2 (16)
PALM整合塗覆、自計量及複製製程。出於該等目的，我們需要針對黏合劑、基板兩者及輥輪A母版32論述表面能γ之意義，以獲得基板7及母版32之一足夠高的可濕度及塗層(黏合劑)之足夠高的黏附力。獲得良好可濕度及黏附力之習知條件為 其中指標"s"及"a"分別意指基板及黏合劑。表面活化用於增加基板之可濕度及塗層之黏著力。最普遍的為以下處理：燃燒、電漿及電暈，後者主要用於捲筒應用。應用於基板，其增加基板之表面能，一般而言，表面能具有兩個分量：分散及極性(以dynes/cm為單位之典型表面能為：18-20(適於鐵氟龍)；41-49(適於PET)；46(適於聚碳酸酯)；且47(適於玻璃)：
分散分量表示非極性範德瓦爾茲(倫敦)力，且極性分量表示與永久靜電偶極子相互作用及氫鍵力相聯繫之極性範德瓦爾茲力。例如，光暈處理改良該等相互作用；因而增加基板表面能，且因此改良黏附力方程式(17)。方程式(17)應用於液體耦接期間及固體耦接期間關於該基板且關於該母版之PALM塗覆、可濕度及黏合劑黏附力。
該PALM製程之基本步驟
如下係該PALM製程之步驟：
‧塗覆(及表面活化)(步驟1)
‧母版之濕潤(藉由儲液區)(步驟2)
‧液體耦接(及溫度處理)(步驟3)
‧夾緊力作用及自計量(步驟4)
‧UV輻射曝光及將黏合劑圖案黏附於基板上(步驟5)
‧黏合劑圖案自母版之脫離(或釋放)，及表面能相互作用(步驟6)。
PALM之該六(6)個基本步驟彼此加強且交叉相互作用。 某些步驟先前已經論述。
步驟1：此步驟雖僅輔助該PALM製程，但出於高品質PALM之目的，亦應仔細地執行。該捲筒帶(一膜)由一約100 μm厚之撓性塑膠基板(例如，聚碳酸酯)組成。其應高度均勻以避免微彎曲。其應進行預處理以達成較好黏附力及可濕度。該黏合劑應盡可能均勻地塗覆。某些黏合劑之不均勻被夾緊力所抵消，且儲液區亦使黏合劑流穩定。
步驟2：在步驟1後，該膜(帶)由塗覆有液體形式之黏合劑13之基板組成。在該PALM製程中，該膜以稱為一自計量儲液坑或儲液區33之黏合劑過剩形式在與壓印輥輪B15接觸之前與影像滾筒(輥輪A)14接觸。形成一黏合劑之儲液區33係PALM之一特點，其允許母版輥輪A14之預濕潤。此黏合劑之儲液區33應處於一渦旋(非層狀)階段以使該預濕潤製程最佳化。圖15中所示之儲液區33亦使該液體黏合劑流穩定。在一其中滾筒A14之速度大致低於10 rpm之情形中，儲液區之容積將過大；而在一滾筒A14速度過高(大致高於10 rpm)之情形中，該儲液區之容積可能幾乎為零，在輥輪A14與B15之間會形成不期望之邊界耦接。一般而言，該儲液區之存在為黏合劑流之小的不均勻性創造了條件；因而，藉由捲筒帶(膜)與母版輥輪A14之間的接觸調節其恆定容積率。
步驟3：該液體耦接對該PALM必不可少，尤其對於高凸版複製而言。其允許大致用具有一厚度為c(約30 μm)之黏合劑層52填充更高凸版母版圖案谷，如圖16中所示，對於 輥輪B/A接觸而言，該厚度c由其基版次層c1及黏合劑凸版次層c2組成。該液體耦接亦支援對輥輪A14之支承。液體包卷之存在對於高凸版微圖案之高品質複製而言必不可少。其存在亦允許自輥輪A14內部之熱傳送40，以減小黏合劑黏度，達成母版表面凸版之較好填充。為獲得一強壯"鐘乳石"型結構(與洞穴之鐘乳石相似)，具有厚度c1之實質基版次層(所謂的剩餘厚度)之存在亦必不可少。"鐘乳石"之高強度(尤其在"谷"處51，如在圖16中)對黏合劑凸版結構之總體強度而言頗重要，尤其在步驟6中之結構脫離期間。
步驟4：所有三個步驟(2)、(3)及(4)達成許該PALM之自計量。該自計量很大程度上簡化該PALM製程，此乃因不需要昂貴的預計量設備(例如，槽塗覆塗抹器)來塗施該塗覆(黏合劑)流體。因而，可使用較簡單之塗抹器將該輻射可固化塗覆流體塗施於該基板上。在將一軋輥輪用於該計量地帶中時，徑向壓力及張力自相一致地改變，由於步驟6及由於步驟2及3，使得該計量基本獨立於引入之流體容積。
總之，在滾筒A14及捲筒之包卷處，該塗層由圍繞該滾筒之捲筒帶之張力及由夾緊力進行自計量。該夾緊壓力應在1-30 lb./in.2之範圍中。另外，該夾緊力亦使基版層之厚度c1穩定，使其均勻，儘管該塗覆製程之仍存在某些不均勻性。出於總結該PALM製程之目的，在滾筒(輥輪A14)與捲筒(膜帶及輥輪B15)之界面處存在數個重要事件。其 係：
‧使該液體塗層(黏合劑)與該母版圖案32一致(步驟2、3及4)
‧由於熱梯度將該塗層之黏度自一高值改變至一較低值(步驟3)
‧該塗層之熱平衡(步驟3)
‧後跟該塗層自一液體至一固體之相變之輻射固化(步驟5)
‧已固化之塗層自該母版圖案之釋放(步驟6)。
此製程必須對該捲筒原料之整個長度連續進行。
步驟5：應將10 W/cm2範圍中之UV輻射均勻地分佈於具有在90°或π/2範圍中之角尺寸△α和線尺寸r△α及l之圓柱區域處，其中r約為10 cm且l約為1 m。此區域等於或略超過具有角尺寸△β之固體耦接(包卷)區域。曝光時間tE可根據方程式(7)計算，其中長度s由R△α取代；亦即，對於R=10 cm，△α=π/2，及V=10 cm/s而言，我們獲得 且，對於I=7.5 W/cm2而言，UV輻射之曝光為12 J/cm2。在該UV曝光製程期間，該黏合劑層被固化(硬化)成固體形式。在圖11中，以指向(z軸)輥輪A14之中心之局部笛卡爾坐標系統呈現此製程之幾何形狀。此坐標系統之原點(z=0)處於基板與黏合劑表面之間的界面處。在該曝光製程期 間，出現兩個重要效應：(1)增加該黏合劑層13(及該基板層7)之表面能γa；(2)由於相變增加黏合劑層7之透射率。此製程開始於z=0處且沿z方向進行。因而，該基板-黏合劑界面之黏度必須先驗高。UV輻射之方向亦可沿相反(對z軸)方向。然而，UV輻射之正方向(進入z>0)較佳，乃因在此情形中，該黏合劑基版層(c1)首先固化以形成黏合劑微圖案之穩定基版。
步驟6：在該PALM製程結束時，該自計量相變塗層需要附著至該基板7而非該母版圖案32。此藉由各種界面之相互作用(配合)表面能完成。兩個效應使固體黏合劑34自該母版圖案32釋放之脫離製程穩定：(1)由於UV曝光增加黏合劑之表面能，及(2)如在方程式15中隨著β角之增加減小捲筒之法向壓力p。而且，例如，藉由冷氮流冷卻固體包卷17將較佳，尤其對高表面凸版而言。
單一PALM製程
在該用於複製一單一圖案之PALM製程之一實施例中，由於如圖11中將溫度分佈施加至幾乎該基板之熔點，因而該黏合劑層13由一部分熔化之基板層取代。由於如圖17中之沿z方向之一溫度梯度，該基板之較高z次層將具有高於較低z次層之溫度。因而，該較高z次層將較較低z次層熔化得更多。另外，我們需要施用來自張力(致動力)T及來自壓印力P0兩者之額外壓力。後一力將不再係一夾緊(或"輕觸")力，而是將係一強壓力。另外，需要較佳地藉由冷氮氣流施加該固體包卷17之加強冷卻。在此一情形中，可 有效地自該母版圖案32移除該基板單一圖案；從而形成一基板單一表面凸版圖案。
在該單一PALM製程之替代形式中，我們仍施用黏合劑，如在圖7之區III中，但該基板7之作用僅係輔助，僅係該黏合劑層之運送帶。接著，如在圖7中重複區IV、V、VI、一VII，只是基板表面能必須足夠高以運送如圖16中之具有凸版圖案之黏合劑，但不要過高以使得無法進行隨後之自黏合劑層之脫離，參見方程式(17)及(18)。必須仔細地應用該等方程式以最佳化此脫離製程，且施用冷氮流以改良區VII中之固化製程。接著，正好在脫離後，在區VIII中，應將該仍處於半固體形式之黏合劑塗覆在一出於機械穩定性目的而應用之輔助低成本保護基板上。需要此穩定性以提供所形成產品之安全運送。因而，我們獲得具有可移除保護層之單一擴散體膜。此與混合擴散體膜(亦即，如圖11中，塗覆於一基板上之擴散體)相反。
出於本發明之目的，我們提出該單一PALM製程之兩種形式：A及B。圖18中已圖解說明上述形式A。我們可見，區I至VIII與圖7中之相同，但區IX、X、XI、XII及XIII係新區(區IX不同於圖7中之區)。同樣，輥輪F64、G65、H66、K67為新輥輪。
為使基板(S)62脫離具有自圖案化輥輪A14獲得之三維微圖案之黏合劑(A)膜63，在區XI中提供熱處理61；因而，基板(S)62滾動至區XIII中之輥輪H中。並行地，將有差別的黏合劑(PSA)60自區X中之輥輪G65運送至輥輪F64。由 於此黏合劑極黏，其將吸引環氧樹脂(黏合劑A)63充當其強度保護基板，以將其運送至區XII及輥輪K67中。因而，在該單一PALM製程(MPP)之A形式中獲得之微圖案化膜將在無基板(S)62之情形下在輥輪K67上滾出。
在該單一PALM製程之形式B中，該製程進一步自該混合形式移除。如圖19中所示，替代區I及II，引入環氧樹脂罐70用於塗覆目的。由於在區XIV中使用一環形條帶72，因而形成環氧樹脂儲液區71，從而形成如圖7中之一自計量製程。接著，其被引導至圖案化輥輪A14與輥輪C73、B15與L74之間的帶之間之一空間中。如圖19中所示，在於區XV中藉由UV輻射固化後，其由於真空滾筒M75及熱處理自輥輪A15移除。因而，在該PALM製程之B形式中獲得之微圖案化膜將在無基板之情形下滾出；或在替代形式中，該膜將塗覆於微分黏合劑(PSM)上作為實現更容易運輸(至客戶)之一強度保護基板。
形式B存在兩種特定獨特態樣：(1)使用環氧樹脂，其非係自相一致材料，亦即，其由液體形式形成。與此相反，先前技術系統僅塗施諸如樹脂等自相一致材料。(2)應用一額外帶(輥輪C73、B15及L74)以形成該環氧樹脂膜76並提供本發明之自計量渦旋儲液區特點。
用於大尺度捲筒之PALM之高級設計
在具有2 m或甚至更高之輥輪寬度之大尺度PALM捲筒之情形中，不能使用該PALM器件之混合結構。藉由"混合"結構，我們意指該圖案化(鑄造)PALM器件僅構成如圖 20(三維形式)或圖21(二維形式)中之總體器件之"圖案化台"部分80，而剩餘部分係自標準印記捲筒修改。與此相反，在一大尺度PALM捲筒之一新產生之情形中，需要設計並開發所有捲筒台(不僅圖案化捲筒台)。
為減輕張力之不均勻性，本發明使用彈性體輥而非剛性輥。由於膜通常頗薄(約4密爾)，故慣性將形成額外張力，尤其在大尺度捲筒之情形中。因而，為避免過度伸展(塑性變形)，推薦一同步驅動而非單個運動力驅動，如在圖7中。此將增加該系統之複雜性，但其將減輕將損害該膜之張力不均勻性。同樣，輥之間的距離應盡可能地小以避免塑性形變。出於相同原因，使用較輕之碳複合物輥(相同強度，但較輕)以使慣性量最小化，從而使旋轉該等輥輪之驅動力最小化。所有該等適用於大尺度捲筒之改良皆應視為係其一受保護之實施例。
可藉由控制每一驅動輥或滾筒處之馬達速度來完成使驅動同步，以避免過度伸展及塑性變形。在本發明中，該速度控制較佳藉由在每一驅動輥處提供感測器以局部地感測膜張力來實施。該等感測器所產生之信號輸入至一中央處理單元，該中央處理單元接著將馬達速度控制信號發出至每一驅動輥。因而，該等感測器、中央處理單元及驅動馬達來自一基於回饋之感測器網路，該網路有效地使輥速度同步以消除任何過度之局部張力，該過度之局部張力原本可因永久變形或甚至斷裂而損壞該膜。
一高級PALM系統之一重要特點作為將提供一最佳化液 體包角β0之一可調節位置之惰輪C73顯示於圖22中。此參數將經選擇以提供所涉及之特定微結構圖案之最佳複製結果，此將我們引入如下討論：
關於包角作為凸版圖案大小之一函數之最佳化程序
自計量及黏合劑儲液區之存在對諸如擴散體等隨機結構尤其重要，此乃因其達成獨立於δ-局部值(見圖2)之液體黏合劑流之自穩定性。其亦可用於如圖3及4中之確定性(週期性)結構。因而，如表1中所示，在δ-r.m.s增長時，β0-最佳值亦增長，其中，針對具體圖案化輥輪(A)半徑R10 cm已給出最佳β0值。
我們可見，高品質捲筒作業僅在該範圍內可行。
其中(β0)max及(β0)min為上限及下限。最佳(β0)值介於方程式(20)所確定之範圍內。我們可見，雖然下限增加δ值，但上限不能超過70°。否則，儲液區容積Ωr太小而不能保持自發動。
在表1中，呈現自(β0)值之改變所獲得之實驗值(參見圖7)。圖8中亦對其進行圖解說明。舉例而言，對於δ=2-5 μm(大角度擴散體之臨界r.m.s值(見圖5)，其中δ5 μm，對於圖5(g)，對於R=10 cm(如圖5中，圖案化A輥輪之半徑)，我們有(β0)opt~30°。R值及β0值存在多種組合；因而，該實驗程序(嘗試多個具有不同(R,β0)組合之原型)可極昂貴且耗時。
因而，應給出理論最佳化程序，以識別tw之感興趣區(ROI)及Ωr值，其中Ωr為儲液區容積(Ωr=l‧Ar；Ar-儲液區區域)且tw為包卷時間，其形式如下： 其中，V為線性輥輪速度，如方程式(6)中之V=10 cm/s。該最佳化程序應自開發適當之輥輪速度值開始。此乃因該UV源之幾何形狀係由圖7中之△α．R及黏合劑所需之UV曝光E及該UV源之強度I確定，因而，可由如下關係獲得所需之曝光時間：
舉例而言，對於我們的黏合劑而言，所需之UV輻射曝光為12 J/cm2(此係一相當高值，但該黏合劑層相當厚)，且UV源強度為7.5 W/cm2；因而，tE=1.6 s(參見方程式(16))。然而，亦已知s=△α．R，此乃因已知源分散區(例如，s16 cm)；因而，自 我們可獲得輥輪速度：，如方程式(16)中。因而，輥輪速度係藉由黏合劑材料之感光度(E)、UV源強度(I)及源分散線性區域(s)確定。具有V值，我們可使用方程式(21)。一般而言，包卷時間tW必須隨著δ值增加而增長，此乃因對於較大大小之凸版圖案而言，需要更多時間來填充圖案化凹槽(參見圖15)，從而如表1中，引起β0值增加。對於特定速度(V)及特定R值，包卷時間tW與β0值成正比，如方程式(22)中。然而，儲液區容積Ωr亦將增加。其在圖23中圖解說明為：Ωr=ΩT-Ωo-Ω' (24) 其中，ΩT為包含總橫截面(三角形ABC)及輥輪長度l之空間之容積，其形式如下 其中，AT-橫截面面積(ΩT=lAT)；因而，替代方程式(24)，我們可寫出Ar=AT-Ao-A' (26)其中 因而， 或，標準化儲液區面積為 為檢查方程式(29)之正確性，我們獲得
第二限制解釋如在表1中為什麼β0值之上限不能達到90%。對於小β0值，我們有： 故，實際上，在β0=0之限制中，我們獲得方程式(30)；類似於β0=π/2。圖24及25中已顯示一般關係方程式(29)及(31)。
我們可見，由方程式(21)及(29)，我們有 其中，a為一比例常數，且 其中，f(β0)係由方程式(29)確定。由該等方程式消除R值，我們獲得 此圖解說明於圖26及27中。
我們可見，對於固定R而言，為增加tW(o)值，如在表1中，我們確實需要增加β0值。另一方面，對於較大β0值(為較大表面凸版所需要)，我們需要增加R值以提供較大tw值，同時亦保持合理之大-值。
因而，在已如此揭示本發明之較佳實施例後，應理解，本發明涵蓋各種修改及增加。從而，其範疇擬僅限於於此隨附之申請專利範圍及其等價物。
1‧‧‧展開輥輪
2‧‧‧傳動輥輪
3‧‧‧PALM製程
6‧‧‧重繞輥輪
7‧‧‧基板
10‧‧‧橢圓擴散體
11‧‧‧塗層區域
12‧‧‧圖案化區域
13‧‧‧黏合劑液體(流體)層
14‧‧‧滾筒(輥輪)A
15‧‧‧滾筒(輥輪)B
16‧‧‧液體包卷
17‧‧‧固體包卷
19‧‧‧滾筒(輥輪)D
20‧‧‧滾筒(輥輪)E/E'
30‧‧‧Texit
31‧‧‧Tentry
32‧‧‧母版圖案
33‧‧‧自計量儲液坑
34‧‧‧固體黏合劑
35‧‧‧半固體(液體/固體)黏合劑
40‧‧‧熱傳送
50‧‧‧渦旋混合區(儲液坑或儲液區)
51‧‧‧谷
52‧‧‧黏合劑層
60‧‧‧差別的黏合劑(PSA)
61‧‧‧熱(釋放或處理)
62‧‧‧基板(S)
63‧‧‧黏合劑(A)
64‧‧‧滾筒(輥輪)F
65‧‧‧滾筒(輥輪)G
66‧‧‧滾筒(輥輪)H
67‧‧‧滾筒(輥輪)K
70‧‧‧環氧樹脂罐
71‧‧‧環氧樹脂儲液區
72‧‧‧條帶
73‧‧‧滾筒(輥輪)C
74‧‧‧滾筒(輥輪)L
75‧‧‧滾筒(輥輪)M
76‧‧‧環氧樹脂膜
80‧‧‧"圖案化台"部分
本文在結合以下圖式對一較佳實施例進行詳細闡述之後，作為一結果，將更全面理解本發明之上述目標及優點及其額外目標及優點，該等圖式中：圖1係該PALM系統之一架構之一簡化表示；圖2係一隨機圖案之一二維投影之一圖解說明；圖3係一確定性(可重複)圖案之一二維投影之一圖解說明；圖4係一可藉由PALM複製之具有倒圓邊(有限曲率半徑)之高級BEF微結構之一二維投影；圖5A至5H係具有(A)5°；(B)10°；(C)20°；(D)40°；(E)50°；(F)60°；(G)70°；(H)80°之FWHM角度之圓形擴散體之SEM縮微照片(標度：20 μm)之圖；圖6A及6B係橢圓擴散體之SEM縮微照片視圖； 圖7係PALM器件幾何形狀之一二維投影(不成比例)，其包含兩個區域：表示為I至IX之塗覆及圖案化及製程區；圖8係不同液體包角β0之一圖解說明；圖9係該PALM製程之動力學之一圖解說明；圖10係該PALM製程之一圖解說明(不成比例)，其強調流體耦接；圖11係針對該PALM製程闡述之一局部笛卡爾坐標系統(x,y,z)之一圖解說明(不成比例)，其包含熱傳送及基板厚度w及自計量厚度c；圖12係黏度係數(以對數標尺)作為該黏合劑之溫度T之一函數之一曲線圖；圖13顯示作為β(T)梯度之一結果的μ-黏度係數對角度β之相依性，其中μ呈對數比例；圖14係一施用至輥輪A之機械離合器之一圖解說明；圖15係用於該PALM製程中儲液區並顯示該塗層自一液體(淺陰影)至一固體(較深陰影)之轉變的黏合劑儲液區之一圖解說明；圖16係輥輪B(具有夾緊力P0)與輥輪A之間接觸處之該基板及黏合劑層之一圖解說明；圖17係該PALM改良之單一製程中進入z方向之一縱向溫度梯度；圖18係該單一PALM製程之一第一實施例之一表示；圖19係該單一PALM製程之一第二實施例之一表示；圖20係該PALM混合系統之一三維圖解說明，其包含一 創新之圖案化部分及標準塗覆部分；圖21係該PALM系統之二維圖解說明；圖22係一PALM系統之一高級形式；及圖23至27用於解釋一針對不同凸版圖案大小最佳化包角之程序。
11‧‧‧塗層區域
12‧‧‧圖案化區域
13‧‧‧黏合劑液體(流體)層
14‧‧‧滾筒(輥輪)A
15‧‧‧滾筒(輥輪)B
16‧‧‧液體包卷
17‧‧‧固體包卷
19‧‧‧滾筒(輥輪)D
20‧‧‧滾筒(輥輪)E/E'

Claims (3)

  1. 一種用於複製三維微結構的方法，其將微結構的母版圖案複製至連續滾動之撓性平坦材料的基板帶上，該基板帶具有寬度、塗覆有可固化塗層液體的影像表面、和相反表面，該方法包括如下步驟：提供一設備，該設備包含影像滾筒、惰輪、軋輥、紫外光輻射源；該影像滾筒在周圍表面上具有微結構的該母版圖案，該軋輥設置成相對於影像滾筒幾近平行；將該連續滾動之撓性平坦材料的基板帶繞著該惰輪傳送；將該撓性平坦材料的該影像表面帶至該影像滾筒之該周圍表面的進入點；在該進入點的位置，於該影像表面和該影像滾筒的該周圍表面之間提供可固化塗層液體的儲液坑，且該儲液坑接觸該影像表面和該周圍表面；施加壓力於該撓性平坦材料之相反表面的全部寬度，以使該塗層液體貫穿該影像表面和該影像滾筒的該周圍表面之間，進入該影像滾筒之該周圍表面的微結構；其中，在該軋輥的壓力是p=(T/lr)=(Tentrye-fθ /lr)，此處的p是壓力，T是致動力，l是影像滾筒的長度，r是影像滾筒的半徑，而θ是在運動方向中對該影像滾筒的選定角度； 在該影像表面到達離開點之前實質地固化該塗層液體，且在該影像表面上保留該影像滾筒之該周圍表面上的微結構之壓印；在該離開點，從該影像滾筒之該周圍表面分離該撓性平坦材料之該影像表面上的已實質固化的該塗層液體。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於複製三維微結構的方法，其中該連續滾動的基板帶在到達該軋輥之前，以一自5°至70°之選定角度包捲於該影像滾筒上。
  3. 如申請專利範圍第2項之用於複製三維微結構的方法，其中該連續滾動的基板帶在越過該軋輥之後，以一超過90°之選定角度包捲於該影像滾筒上。
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