TWI631424B - 用於製造微型圖案化的結構的系統 - Google Patents

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TWI631424B
TWI631424B TW103124243A TW103124243A TWI631424B TW I631424 B TWI631424 B TW I631424B TW 103124243 A TW103124243 A TW 103124243A TW 103124243 A TW103124243 A TW 103124243A TW I631424 B TWI631424 B TW I631424B
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大衛馬修 強森
阿敏Ｒ 佛克
約翰 帕斯奇克威茲
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帕洛阿爾托研究中心公司
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Abstract

一塗布機構將一液體(例如，聚合物)薄膜配置到一輸送帶表面(例如，滾輪或帶)上，該輸送帶表面係藉由一適當的馬達移動，以輸送該薄膜進入一精確受控的間隙(或夾持)區域，在其中施加電位產生一電場，其導致該液體遭受電流體動力(EHD)圖案化變形，藉此該液體形成圖案化微型特徵。使用一固化機構(例如，紫外線雷射)使該圖案化液體特徵在該間隙區域內側或緊接在退出該間隙區域後立即固化(例如，交聯)，從而形成微型圖案化結構，其係藉由作為一薄板的一部分之一插入網來連接或者分開為分離的微型結構。設置在該液體中的奈米結構(例如，奈米管或奈米線)在該EHD圖案化製程期間變為垂直定向。利用節段電極及圖案化電荷來提供數位圖案化控制。

Description

用於製造微型圖案化的結構的系統
此發明係關於微型圖案化結構，且更特別地係關於用於製造微型圖案化的結構的系統。
本發明係關於實施改善的電流體動力(Electrohydrodynamic；EHD)薄膜圖案化技術以及提供連續製造微型圖案化結構之切實可行又經濟的製造技術的系統，該等微型圖案化結構係整體地連接至薄聚合物薄膜或彼此分開。該等系統利用兩個彎曲的輸送帶(例如，兩個滾輪或兩個帶)，其具有在間隙(或夾持)區域之兩側上隔開相對大距離的相對表面。藉由一適當的塗布機構將一含有聚合物、聚合物前驅物或另一適當材料的液體薄膜塗布或以其他方式設置到一輸送帶表面上(例如，「下部」滾輪或帶)，以致該液體薄膜隨後係輸送進入該間隙區域，其中該兩輸送帶表面間的最小間隙距離係經過設定，以致在該上部膜表面及該相對的輸送帶表面間提供一小間隙。在通過該間隙區域時，該液體薄膜係遭 受在該兩輸送帶間產生之一電場，其中該電場強度及液體薄膜特性(例如，黏度或介電常數)係經過設定，以致該液體薄膜遭受EHD圖案化(亦即，拉向該上部輸送帶的該液體聚合物的部分，從而形成圖案化微型液體聚合物特徵，其自該下部輸送帶延伸進入以空氣或另一流體填充的小間隙中)。在遭受EHD圖案化(例如，在間隙區域內側或者立即在間隙區域外側)的同時，利用適當的固化機構(例如，紫外線雷射或熱處理)來交聯(固化)聚合物薄膜，藉此使該液體微型聚合物特徵變硬(hardened)(固化(solidified))，以形成具有與在該液體聚合物中藉由電場產生之圖案形狀實質上相同之圖案形狀的微型圖案化結構。之後自該下部輸送帶移除該固態微型圖案化結構及任何鄰接的聚合物薄膜材料。本發明因而提供一低成本又有效率的系統，以用於連續地製造可用在各種各樣的商業應用中的數位微型聚合物結構。
根據一特定實施例，該聚合物薄膜含有奈米結構(例如，奈米線或奈米管)，其在該微型結構內變為垂直定向。舉體而言，該奈米結構在薄膜形成期間具有初始(例如，隨機)定向，但響應該施加電場以及與微型特徵之EHD圖案化形成相關聯之所得的流體動力而在該微型圖案化結構內變為以相對於該下方輸送帶表面為實質上垂直的定向對準。此屬性使得本發明對特定裝置的大規模製造而言具有高度價值，該等特定裝置含有專門的奈米結構(例如，用於製造可撓式電子互連或感測器陣列的碳奈米管)。
根據本發明之一替代實施例，製造分離(分開)的微型圖案化結構，其可例如用於產生在藥物遞送中具有增加之專一性的微米尺寸粒子。該製程包含形成一聚合物薄膜，以便該薄膜完全形成為特徵，並在該施加電場導致該微型特徵之垂直生長時分裂成為分離的液體聚合物「島狀物」(亦即，若不足量的液體聚合物環繞該柱狀微型特徵，則該特徵變為彼此分開)。後續的固化「凝固(freezes)」(固化)該分離的特徵，以在該下部輸送帶表面上形成以一隔開配置的方式設置的複數個該固態微型圖案化結構。接著使用一分開機構自該輸送帶表面移除該微型圖案化結構，以便該微型圖案化結構可併入一靶材料中。
在一實際實施例中，該上部及下部輸送帶係藉由平行的上部及下部圓柱形滾輪來實施，該等滾輪係藉由一夾持(間隙)系統予以定位，以界定一精確的夾持距離。使用一狹縫式塗布機(slot coater)將一紫外線固化聚合物薄膜施加至該下部滾輪上，並在藉由EHD圖案化於該夾持區域中建立微型特徵後經由紫外線雷射光執行固化。此捲繞式製造系統容許使用現存狹縫式塗布系統及精確滾輪的高製造輸出，其最小化製造成本。
根據另一實際實施例，該兩輸送帶係藉由定位為在相對水平設置的帶區段間界定一細長間隙區域的帶來實施。熱固型或可以紫外線固化的聚合物係在該間隙區域的上游施加，且固化係經由加熱塊或透過透明帶材料傳送的紫外光執行。在一特定實施例中，精確的帶 定位係使用一槽榫型配置來達成，其中T形肋狀物在每一帶的下方延伸，並可滑動地收納於形成在一帶支撐結構中的對應溝槽之中。此捲帶式(belt-to-belt)製造系統容許比捲繞式(roll-to-roll)方式更長的圖案建立週期及更高的製造輸出率。
根據另一實施例，為了在產生及控制圖案的過程中達成最大可撓性，本發明利用一動態電荷產生裝置，其促進對該圖案化製程進行數位控制。根據一特定實施例，該動態電荷產生裝置包括設置在該連續表面移動電極結構(例如，一上部滾輪或帶)上之一節段電極陣列，其中每一電極係可個別定址(亦即，每一節段電極係藉由相關聯的定址線來個別存取)。在其他實施例中，電荷圖案係直接沈積於或透過一光電製程產生在該移動電極結構之一絕緣或介電表面上(例如，經由一佈電裝置(scorotron))，其為連.續EHD圖案化方式提供下列優點：降低該EHD圖案在該電極距離上的敏感度；致能該薄膜圖案的空間調變；以及致能該薄膜圖案的時間變異。這些數位圖案化方案允許產生跨一物體與各種波長的EM輻射任意交互作用的塗層或者作為被動式泵之具有空間變化可濕性性質的表面。
100‧‧‧系統
100B‧‧‧系統
100C‧‧‧系統
100D‧‧‧系統
100E‧‧‧系統
100F‧‧‧系統
101‧‧‧間隙區域
101B‧‧‧間隙區域
101C‧‧‧間隙區域
101D‧‧‧間隙區域
101E‧‧‧間隙區域
101F‧‧‧間隙區域
110‧‧‧下部(第一)輸送帶
110B‧‧‧下部輸送帶
110C‧‧‧下部滾輪(輸送帶)
110D‧‧‧下部帶狀輸送帶
110E‧‧‧下部(第一)輸送帶
110F‧‧‧下部(第一)輸送帶
111‧‧‧下部輸送帶表面
111-1‧‧‧(第一)表面區域
111B‧‧‧表面
111C‧‧‧表面
111D‧‧‧表面
111E‧‧‧表面
112D‧‧‧載具帶部分
113D‧‧‧T形肋狀物
115E‧‧‧節段下部電極
115E-1‧‧‧下部電極
115E-2‧‧‧下部電極
115E-3‧‧‧下部電極
115E-4‧‧‧下部電極
115E-5‧‧‧下部電極
120‧‧‧上部(第二)輸送帶
120B‧‧‧上部輸送帶
120C‧‧‧上部滾輪(輸送帶)
120D‧‧‧上部帶狀輸送帶
120E‧‧‧上部(第二)輸送帶
120E-1‧‧‧滾輪型上部輸送帶
120F‧‧‧上部(第二)輸送帶
121‧‧‧上部(第二)輸送帶表面
121-1‧‧‧(第二)表面區域
121B‧‧‧表面
121C‧‧‧表面
121D‧‧‧表面
121E‧‧‧表面
123F‧‧‧絕緣或半導體材料層
125E‧‧‧節段上部電極
125E-1‧‧‧上部電極
125E-2‧‧‧上部電極
125E-3‧‧‧上部電極
125E-4‧‧‧上部電極
125E-5‧‧‧上部電極
130-1‧‧‧輸送帶驅動機構
130-2‧‧‧輸送帶驅動機構
130C-1‧‧‧馬達
130C-2‧‧‧馬達
140‧‧‧薄膜形成裝置
140A‧‧‧薄膜形成裝置
140B‧‧‧薄膜形成裝置
140C‧‧‧狹縫式塗布機
140D‧‧‧薄膜沈積裝置
140F‧‧‧裝置
141B1(t0)‧‧‧聚合物薄膜部分
141B11‧‧‧連續網狀部分
141C‧‧‧液體聚合物薄膜
141D‧‧‧液體聚合物薄膜
141E‧‧‧聚合物薄膜
141F‧‧‧聚合物薄膜
141L‧‧‧可固化的液體聚合物薄膜
141L-1A‧‧‧液體聚合物薄膜部分
141S‧‧‧固化後的聚合物薄膜
142‧‧‧上部表面
143‧‧‧圖案化液體聚合物特徵
143B(t1)‧‧‧液體微型圖案化特徵
143B(t2)‧‧‧圖案化液體聚合物特徵
143D‧‧‧圖案化液體特徵
143E‧‧‧特徵
143F‧‧‧特徵
145‧‧‧固態微型圖案化結構
145B‧‧‧固態微型圖案化粒子(結構)
145D‧‧‧固態微型圖案化結構
145E‧‧‧微型結構
145F‧‧‧微型結構
148‧‧‧奈米結構
150-1‧‧‧低電壓源
150-2‧‧‧高電壓源
150A-1‧‧‧電壓源
150A-2‧‧‧電壓源
150B-1‧‧‧供應
150B-2‧‧‧供應
150C-1‧‧‧低電壓源
150C-2‧‧‧高電壓源
150E-1‧‧‧動態低電壓源
150E-2‧‧‧動態高電壓源
160‧‧‧固化機構
160C‧‧‧紫外線(UV)固化系統
160D‧‧‧熱固化系統(加熱器塊)
161‧‧‧紫外線雷射光束
161B‧‧‧固化能量
161C‧‧‧光束
161D‧‧‧平面上部表面
163D‧‧‧細長T形溝槽
170B‧‧‧分離器裝置
180C‧‧‧夾持系統
D1‧‧‧第一距離
D11‧‧‧距離
D2‧‧‧第二距離
D21‧‧‧距離
F‧‧‧電場
F(t1)‧‧‧電場
F(t2)‧‧‧電場
F1‧‧‧電場部分
F2‧‧‧電場部分
F3‧‧‧電場部分
F4‧‧‧電場部分
F5‧‧‧電場部分
G‧‧‧最小距離
T‧‧‧厚度
T1‧‧‧厚度
V1‧‧‧低電壓
V2‧‧‧高電壓
W‧‧‧寬度
本發明的這些及其他特徵、態樣及優點當可由下列的敘述、附加申請專利範圍及伴隨圖式而獲得更佳了解，其中：第1圖為橫剖面側視立體圖，其繪示根據本發明之一簡化實施例之一系統； 第2圖為放大橫剖面側視圖，其顯示含有奈米結構之一聚合物薄膜；第3圖為放大橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之一特定實施例之含有第2圖的奈米結構之微型圖案化特徵的形成；第4(A)、4(B)、4(C)、4(D)及4(E)圖為放大橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之另一特定實施例之分離的微型圖案化特徵的形成；第5圖為立體側視圖，其顯示根據本發明之一實際實施例之用於製造微型圖案化結構的簡化捲繞式系統；第6圖為橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之另一實際實施例之用於製造微型圖案化結構的簡化捲帶式系統；第7圖為橫剖面側視圖，其顯示第6圖之系統的一部分；第8圖為橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之另一實施例之使用分開電極之用於製造微型圖案化結構的簡化系統；第9圖為簡化立體圖，其顯示第8圖之系統的一部分；及第10圖為橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之另一實施例之使用施加電荷圖案電極之用於製造微型圖案化結構的簡化系統。
本發明係關於用於製造針對各種商業用途之微型圖案化的結構的系統之一改善。提出下列敘述，使在此項技術中具有普通技能者能夠如一特定應用及其需求之背景中所提供般地製造及使用本發明。如此處所用，例如「上部」、「下部」、「上游」及「下游」之方向性用語係欲為了敘述的目的而提供相對位置，且並未打算標定絕對參考座標。此外，「整體地連接」一詞在此處係用於敘述單一結構之兩部分間的連接關係，並與「連接」或「耦合」(無「整體地」這個修飾詞)有所區別，後兩者指示經由例如黏著劑、扣件、卡扣或可動接點接合的兩個分開結構。那些熟悉此項技術者當明白較佳實施例的各種修改，且此處所界定的通則可應用至其他實施例。因此，本發明並未打算受限於所示及敘述的特定實施例，而是符合與此處所揭示之原理及新式特徵一致的最廣範圍。
本發明在下文係參照例示性系統進行敘述，該等例示性系統係設置為產生EHD圖案化條件。那些熟悉此項技術者當了解下文提及的參數係與特定的實驗觀察相關聯，且因此並未打算作為限制之用。
第1圖繪示根據本發明之一簡化例示性實施例之用於在一薄膜上連續地製造數位微型圖案化(聚合物)特徵的系統100。系統100通常包括下部(第一)輸送帶110、上部(第二)輸送帶120、相關聯的輸送帶驅動機構130-1及130-2、薄膜形成裝置140、電場產生器(以低 電壓源150-1及高電壓源150-2顯示)及選用的固化機構160。
輸送帶110及120係藉由任何輸送裝置(例如，滾輪或帶)來實施，其提供能夠移位(移動)液體聚合物薄膜通過窄間隙區域的曲面。具體而言，下部輸送帶110具有下部(第一)輸送帶表面111，其被支撐及約束，以沿著對應的第一彎曲(例如，圓形或長橢圓形)路徑移動，且第二輸送帶120具有上部(第二)輸送帶表面121，其被支撐及約束，以沿著對應的第二彎曲路徑移動。與輸送帶110及120相關聯的彎曲路徑係經配置，以致輸送帶表面111及121在間隙區域101處分開最小距離G，在間隙區域101的「上游」位置分開相對大的第一距離D1，並在間隙區域101的「下游」位置分開相對大的第二距離D2，其中距離D1及D2遠大於最小間隙距離G。為了下文所述的目的，下部輸送帶110及上部輸送帶120兩者均包括導電或介電材料，其在操作期間跨間隙區域101維持一電位。在一實施例中，下部輸送帶110包括導電金屬或聚合物，或者可選擇地以導電及透明材料(例如，氧化銦錫(ITO))塗布。上部滾輪120亦包括一電極圖案(在下文敘述)，或者包括導電金屬或聚合物。
根據本發明之一態樣，下部輸送帶110及上部輸送帶120係分別藉由下部驅動構件130-1及上部驅動構件130-2(例如，馬達及/或帶)來驅動，以致表面111及121以匹配的速度移動通過間隙區域101。具體而言，表面111及121係沿著其個別的路徑移動，以致下部表 面111的每一(第一)表面區域111-1實質上與上部表面121之對應(第二)表面區域121-1同時通過間隙區域101。
參照第1圖的左側，薄膜形成裝置140為適於在間隙區域101之上游的一點於下部輸送帶表面111上設置可固化的液體聚合物薄膜141L的塗布裝置或其他機構，藉此薄膜141L隨後係藉由下部輸送帶110的正規移動輸送至間隙區域101之中。舉例來說，裝置140在下部輸送帶表面111的表面區域111-1上沈積液體聚合物(例如，聚苯乙烯、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)或OrmoStamp®紫外線固化聚合物)的薄膜(第一)部分141-1，且下部輸送帶表面111的後續移動導致部分141-1移動進入間隙區域101。在一實施例中，薄膜形成裝置140係藉由狹縫式塗布機來實施，其確實地產生具有厚度(高度)T(自輸送帶表面111量測至薄膜141的上部表面142)的薄膜141L，厚度(高度)範圍係為1至100微米。在其他實施例中，所用的是確實的產生具有數微米厚度之薄膜的其他塗布裝置(例如，狹縫模具式塗布(slot die coating)系統、斜板式塗布(slide coating)系統或淋幕式塗布(curtain coating)系統)。
根據本發明之另一態樣，低電壓源150-1及高電壓源150-2例如藉由分別施加低電壓V1及高電壓V2(例如，分別為0V及100V)至設置在輸送帶110及120上的導電材料而在下部輸送帶110及上部輸送帶120之間產生電場F。電場F的強度係由電壓V1及V2所產生之相對低及相對高的電荷間的相對距離來決定，在第 1圖中僅為了敘述的目的以「+」及「-」來指示相對低及相對高的電荷(例如，電荷的其中一個可為0V或者電荷的極性可相反)。那就是說，由於輸送帶表面111及121所遵循的彎曲路徑，電場F在間隙區域101中最高(最強)(亦即，由於最小間隙距離G之故)，且根據表面111及121間之相關聯的間隔距離而在間隙區域101之任一側上減少(變弱)。根據本發明之一態樣，選擇電壓V1及V2，以致電場F足以在液體聚合物薄膜141進入並通過間隙區域101時導致液體聚合物薄膜141L經受EHD圖案化(變形)，從而在液體聚合物薄膜141L中形成圖案化液體聚合物特徵143。具體而言，由於EHD圖案化，形式為突起的脊狀物或柱狀物的圖案化液體聚合物特徵143係由汲取自薄膜部分141之周圍部分的液體聚合物形成，藉此每一圖案化液體聚合物特徵143自輸送帶表面111朝上延伸進入間隙區域101(亦即，朝向上部輸送帶120)。藉由控制電場F的強度以及藉由利用適當的聚合物特性(例如，黏度)，圖案化液體聚合物特徵143在間隙區域101中呈現微型圖案化形狀(亦即，每一圖案化液體聚合物特徵143的寬度及高度均為1至100微米的數量級)。
根據本發明的另一態樣，EHD圖案化液體聚合物特徵143及任何周圍的聚合物材料係在薄膜聚合物材料穿出電場F之前固化。參照第1圖的右側，固化機構160作用於固化每一圖案化液體聚合物特徵143(亦即，當其位於間隙區域101內側之時，或者在其退出間 隙區域101但仍遭受電場F後立即)以及周圍的聚合物材料，從而形成自固化後的聚合物薄膜141S延伸的固態微型圖案化結構145，其中每一微型圖案化結構145實質上具有與其前驅物液體聚合物特徵143相同的微型圖案化形狀。在每一例子中所用的特定固化機構160係由形成薄膜141L之聚合物材料來決定(例如，若使用可以紫外線固化的聚合物，則固化機構160係藉由紫外線固化系統來實施，例如，其引導紫外線雷射光束161至設置在間隙區域101中之部分的薄膜141L之上)。在其他實施例中，依據所用的聚合物類型，固化機構160係藉由例如可見光固化系統或聚焦熱固化系統來實施。
參照第1圖的右下部分，接續在固化製程之後(亦即，間隙區域101的下游)，自下部輸送帶110移除經固化後的聚合物薄膜141S，以用於進一步的處理。須注意微型圖案化結構145保持隔開，並自經固化後的聚合物薄膜141S朝上延伸。
第2及3圖繪示本發明之經修改的EHD圖案化方法的獨特屬性，其中「已裝載」的聚合物薄膜含有固有地在形成微型聚合物結構的期間對準之奈米結構，從而促進製造各種各樣的高價值商業應用。
第2圖為部分橫剖面圖，其顯示包括奈米結構148(例如，碳奈米管或砷化鎵(GaAs)奈米線)之液體聚合物薄膜部分141L-1A。在此情況下，聚合物/奈米結構薄膜形成裝置140A(例如，一種上文提及之經過最佳化以沈積改質聚合物/奈米結構材料的塗布系統)利用類似 上文參照第1圖所述之那些的結構在下部輸送帶110上形成具有厚度T的液體聚合物薄膜部分141L-1A。須注意奈米結構148在沈積處係以初始(例如，隨機或非隨機)定向分散在液體聚合物薄膜部分141L-1A內。
第3圖顯示以類似上文參照第1圖所述之方式設置在下部輸送帶110及上部輸送帶120間之間隙區域101中的液體聚合物薄膜部分141L-1A。如上文所述，由電壓源150A-1及150A-2所產生的電場F導致EHD圖案化變形，藉此液體聚合物材料朝內並朝上流動(如虛線箭頭所指示者)，以形成自液體聚合物薄膜部分141L-1A朝上部輸送帶120延伸的圖案化液體聚合物特徵143。此外，當奈米結構148對電場具反應性時(例如，碳奈米管)，奈米結構148沿著電場F對準，並耦合至由圖案形成所產生的流體動力，產生通常為垂直的定向(亦即，通常垂直於下部輸送帶110的表面111)。
截至目前，已參照聚合物薄膜的製造敘述本發明，其中微型圖案化結構間的間隔係藉由與微型圖案化結構整體地連接的薄膜聚合物材料來固定，例如，如第1圖所示。雖然咸信此類整體聚合物薄膜具有許多例如上文提及的那些的商業應用，但可將個別(分開)的微型圖案化結構用於其他商業應用中(例如，醫學)。
第4(A)至4(E)圖為簡化的橫剖面圖，其繪示根據本發明之一替代實施例的系統100B，該系統製造分開(分離)的微型結構，以用於產生在藥物遞送中具有增加之特性的粒子。
第4(A)圖繪示在初始時間週期(t0)位於下部 輸送帶110B之表面111B上的聚合物薄膜部分141B1(t0)。如在先前的實施例中，聚合物薄膜部分141B1(t0)係藉由狹縫式塗布機或其他薄膜形成裝置140B(未顯示)來形成，同時表面111B與上部輸送帶120B的表面121B係分開相對大的距離D1。在本實施例中，欲使聚合物薄膜分裂成為如下述之分離的島狀物，形成聚合物薄膜部分141B1(t0)的聚合物材料具有相對低的黏度及/或聚合物薄膜部分141B1(t0)的厚度T1係故意低於上述實施例中所用者。
第4(B)圖繪示於接續時間t0之時間週期(t1)，在藉由下部輸送帶110B移動進入緊接於離開間隙區域之上游的位置之後的聚合物薄膜部分141B1(t1)，其中表面111B與表面121B係分開相對小的距離D11。在這點上，由供應150B-1及150B-2所產生的施加電場F(t1)開始導致聚合物薄膜部分141B1(t1)的EHD圖案化，藉此液體聚合物之朝內及朝上的流動產生液體微型圖案化特徵143B(t1)。須注意在時間t1，由於其小尺寸，足夠的液體聚合物材料環繞圖案化特徵143B(t1)，以維持連續(雖然非常薄)的網狀部分141B11。
第4(C)圖繪示當圖案化特徵143B1(t2)設置在間隙區域101B中(亦即，在其中最小間隙距離G分開輸送帶110B及120B)時，在接續時間t1的時間週期(t2)的聚合物薄膜部分141B1(t2)。由於低黏度及/或聚合物薄膜的薄膜厚度，電場F(t2)的強度導致圖案化液體聚合物特徵143B(t2)在第一表面111B上與鄰接的聚合物特 徵(未顯示)分開。那就是說，由於沒有額外的周圍流體可用於供應圖案化特徵143B1(t2)的垂直生長，網狀部分141B11自鄰接的特徵斷開，藉此液體形成圖案化特徵143B1(t2)包括液體聚合物之分離的「島狀物」。具體而言，聚合物膜的間隔及厚度被控制，以致在每一圖案化特徵(分離的液體島狀物)143B1(t2)沿著垂直(Z)方向(亦即，垂直表面111B)生長時，汲入每一圖案化特徵(分離的液體島狀物)143B1(t2)之液體聚合物的容積等於圖案之負空間中的流體容積，EHD圖案化製程產生具有與圖案相同之尺寸級的小粒子。
第4(D)圖繪示當圖案化特徵143B1(t3)設置緊接於離開間隙區域之下游(亦即，在其中輸送帶110B及120B係藉由距離D21分開，距離D21實質上等於或稍大於最小間隙距離)時，在緊接於接續時間t2之時間週期(t3)的聚合物薄膜部分141B1(t3)。在這點上，圖案化特徵143B1(t3)，固化能量161B(例如，紫外線雷射光)「凝固」(固化)分離的特徵143B1(t3)，以形成固態微型圖案化粒子(結構)145B。須注意此固化製程係在每一分離的特徵通過間隙區域時於其上執行，從而在輸送帶表面111B上產生以隔開配置的方式設置的多個固態微型圖案化粒子。
第4(E)圖繪示接續時間週期t3的微型圖案化粒子145B。根據本發明之一實施例，分離器裝置170B(例如，刀刃)作用於分開微型圖案化結構145B與輸送帶表面111B。
第5圖為立體圖，其顯示根據本發明之一實 際特定實施例的系統100C，其中上文提及之廣義的輸送帶係藉由平行的下部及上部滾輪(輸送帶)110C及120C來實施，廣義的薄膜形成裝置係藉由狹縫式塗布機140C來實施，且廣義的固化裝置係藉由紫外線(UV)固化系統160C來實施，其中這些特定裝置被控制，以執行與上述之廣義方法一致的製造方法。
參照第5圖的下部部分，下部滾輪110C可操作地耦合至低電壓源150C-1，以致其作用如電場電路中的接地。欲產生電場，下部滾輪110C的外部周圍部分係以導電金屬或導電聚合物的任一者製成，或者外部表面111C可選擇地以導電及/或透明材料(例如，ITO)塗布。
頂部滾輪120C可操作地耦合至供應一或多個高電壓訊號的高電壓源150C-2，以產生施加電場電路。在一實施例中，頂部滾輪120C的外部表面121C包括連續的導電層，其跨滾輪表面121C的整體具電活性(electrically active)。在其他實施例(在下文額外詳細討論者)中，頂部滾輪120C包括電極圖案或介電材料的任一者，電荷圖案係施加至此處。
下部滾輪110C及上部滾輪120C係藉由一或多個馬達130C-1及130C-2使用已知的技術來驅動，以致表面111C的每一區域實質上與表面121C的對應區域同時通過夾持型間隙區域101C(亦即，滾輪110C及120C係以匹配的速度驅動)。下部滾輪110C及上部滾輪120C係藉由支撐結構(亦未顯示)來維持，以致兩者在夾持(間隙)區域101C處保持分開固定的最小距離G。習知的高 精度夾持系統180C可操作地在滾輪110C及120C的軸間連接，以促進使用已知技術調整最小距離G，並作用於保證高滾輪距離尺寸控制。
狹縫式塗布機140C直接將液體聚合物薄膜141C塗布(沈積)至下部滾輪110C的圓柱形滾輪表面111C上，或者將液體聚合物薄膜141C塗布(沈積)至設置在表面111C上方的支撐網(未顯示)上。能夠執行此功能的狹縫式塗布機在此項技術中已為人所熟知。當聚合物薄膜141C進入夾持區域101C時，其以下述方式複製設置在上部滾輪120C上的電極圖案，或者基於如上述之聚合物系統的天然不穩定性設立圖案。
為促進滾輪110C及120C之間接近夾持(間隙)區域101C處的固化，利用可以紫外線固化的聚合物，因為其具有快速的定型時間，且「定型」機構係藉由固化系統(例如紫外線(UV)固化系統160C、可見光固化系統及聚焦熱固化系統的其中一個)來實施，其引導光束161C至鄰接夾持型間隙區域101C的位置。具體而言，施加電場於液體聚合物，在通過夾持區域101C之後，施加光束161C，以致使聚合物交聯並變硬成為固態微型圖案的形狀。能夠執行此固化功能的紫外線雷射系統在此項技術中已為人所熟知。在一替代實施例中，固化系統係設置在滾輪110C及120C其中一個的內側，並透過透明的滾輪材料引導進入間隙區域101C。接著自下部滾輪110C移除固化後的聚合物薄膜(未顯示)，且使其朝下游移動以應付可能需要的任何額外步驟。
系統100C的製造輸出受限於兩個因素：滾 輪110C及120C的寬度W以及滾輪110C及120C的旋轉速度△θ。滾輪寬度W受限於在所需公差內製造及安裝滾輪110C及120C兩者的實體能力。這些公差類似於典型狹縫式塗布系統中的那些，在3.5米的範圍內可合理地預期維持0.5微米的公差。對具有2微米公差之8微米特徵的一個此類實現而言，此導致以快速紫外線固化時間得到1.3m/s的最大輸出。寬度可增加，並可藉由透過一些在下文進一步詳細解釋的電極定址方案改變施加電壓來調整薄膜圖案對機械公差的敏感度。
第6圖為簡化的橫剖面側視圖，其顯示根據本發明之另一實際實施例的系統100D。系統100D的特徵在於由下部帶狀輸送帶110D及上部帶狀輸送帶120D所形成的捲帶式配置，該等係定位為在下部帶表面111D及上部帶表面121D之相對的平面區域間界定細長間隙區域101D。薄膜沈積裝置(例如，狹縫式塗布機)140D係設置為在下部帶表面111D進入間隙區域101D之前於其上形成液體聚合物薄膜141D，並如上述般將電壓源(未顯示)連接至形成在帶上的導電材料，以在細長間隙區域101D內側產生所需的電場。
系統100D的捲帶式配置類似於100C的捲繞式配置，但系統100D提供大間隙區域來取代捲繞式配置的小夾持型間隙區域，大間隙區域容許微型圖案特徵的形成花費更多時間。此配置藉由促進熱固化(例如，經由沿著鄰接細長間隙區域101D之帶材料表面的內側設置的熱固化系統(加熱器塊)160D)來促進熱固型聚合物的 使用。為促進熱固化，舉例來說，使用導熱材料或用於容許紅外光進入細長間隙區域101D的透明材料來形成帶。
為了維持第6圖所示之捲帶式製程所需的嚴密公差，帶狀輸送帶110D及120D必須經由對準塊保持接近。此可以大量張力或使用第7圖所指示之配置滑動進出塊之互鎖零件的任一個來達成。
第7圖為立體橫剖面圖，其顯示根據一特定實施例的互鎖配置，下部帶狀輸送帶110D藉此維持相對於下方加熱器塊(或其他支撐結構)160D之上部表面的精確平面定向。如所指示，下部帶狀輸送帶110D包括載具帶部分112D，其在加熱器塊160D的平面上部表面161D上方滑動，以致圖案化液體特徵143D根據上述製程的其中一個形成在輸送帶表面111D之上。欲跨載具帶部分112D的整個寬度維持相對於平面上部表面161D的精確Z軸定位，加熱器塊160D係建構為界定沿著下部帶狀輸送帶110D之移動方向X延伸的細長T形溝槽163D，且下部帶狀輸送帶110D包括在上部帶部分112D下方延伸且係可滑動地收納於對應溝槽163D中的T形肋狀物113D。上部帶狀輸送帶120D(第6圖)係建構為具有類似配置，從而提供滑動槽榫型配置，其沿著垂直方向約束帶，並容許達成嚴密公差。
捲帶式系統100D促進較高的製造輸出速度(亦即，線性帶速度)。帶的公差在很大程度上受到輥塗布(roll coating)設備的設計中之相同公差限制的支配。 使用精密切削將使其成為可行，在一可行的實現中，於3.5米的長度範圍內達成0.5微米的公差。欲在7米乘以7米的面積範圍內產生具有2微米公差的8微米特徵，將此實現中之帶的總線性速度限制在約14m/s。因此，此實現能夠得到高出許多並與產業相關的生產量。
由於細長間隙區域101D提供較長的處理時間，捲帶式系統100D促進不需要固化裝置(亦即，系統100D)的操作。在此情況下，聚合物141D係加熱並在熔化狀態下施加至間隙區域101D上游的表面111D之上。聚合物的溫度高到足以在以上述方式由施加電場對聚合物進行圖案化時維持熔化狀態。一旦圖案已建立，便允許聚合物冷卻至低於聚合物熔點的溫度，以形成具有上述形式之一的固態微型圖案化結構145D。
根據一較佳方法，為了在產生及控制微型圖案的過程中達成最大可撓性，修改上述各種系統(包括帶及滾輪之實施例)，使之包括數位圖案化控制，其係使用藉由在至少一個輸送帶表面上製造動態(可變)電荷圖案來促進EHD圖案化(亦即，電場產生)的動態電荷產生機構來實施，藉此界定電場的電荷圖案為動態可變的，以補償系統變異。如下列之例示性實施例所提出的，此類動態電荷產生係使用節段電極或電荷圖案化方案的任一者來達成。
第8圖為簡化示意圖，其繪示系統100E包括下部(第一)輸送帶110E及上部(第二)輸送帶120E，該等係建構並配置為輸送聚合物薄膜141E通過間隙區域 101E，其中薄膜141E係藉由適當的裝置150E在下部輸送帶表面111E上產生，並藉由電場F將其圖案化，以形成特徵143E，特徵143E隨後固化(例如，經由紫外光161E)，以類似於上述的方式形成微型結構145E。
系統100E的特徵在於至少一個輸送帶110E及120E包括節段電極，該等可藉由動態電壓源(電場產生器)數位定址，以致每一個別的電極接收相關聯的電荷(電壓)，該相關聯的電荷(電壓)具有例如藉由在製造操作前執行之實驗測量所決定的值。具體而言，上部輸送帶120E包括節段上部電極125E，其可藉由動態高電壓源(電場產生器)150E-2個別定址，以致每一個別的上部電極(例如，電極125E-1至125E-5)接收相關聯(例如，獨特/不同或共用/相同)的電壓值。或者(或此外)，下部輸送帶110E包括節段下部電極115E，其可藉由動態低電壓源(電場產生器)150E-1數位定址，以致每一個別的下部電極(例如，電極115E-1至115E-5)接收相關聯的電壓值。源150E-1及150E-2係根據已知技術製造的電子電路，以產生及傳送相關聯的電壓值，以致每一節段電極(或每一上部/下部電極對)產生具有相關聯的場強度之電場F的相關聯部分。舉例來說，上部電極125E-1(或由上部電極125E-1及下部電極115E-1形成的對)在輸送帶110E及120E間的區域中產生電場部分F1。類似地，電極125E-2至125E-5(或對125E-2/115E-2、125E-3/115E-3、125E-4/115E-4及125E-5/115E-5)分別產生電場部分F2至F5。
第9圖為立體圖，其顯示滾輪型上部輸送帶 120E-1，其代表系統100E中所用的一類型上部輸送帶120E(亦即，輸送帶120E亦可使用帶型輸送帶來實施)。如輸送帶120E-1所指示的，節段上部電極125E既是沿著旋轉(圓周)方向配置(亦即，如第8圖所指示者)，且亦是沿著圓柱形軸配置。那就是說，雖然與第8圖相關的敘述提及可變電荷圖案沿著滾輪行輸送帶120E-1的旋轉方向發生，須了解此處討論的可變電荷圖案亦沿著圓周軸的方向改變。那就是說，滾輪型上部輸送帶120E-1的所有電極125E係可獨立定址，以致每一電極接收相關聯的電荷值。
再次參照第8圖，節段電極125E藉由促進傳輸預定的獨特(不同)或相同電壓值至每一電極而允許在EHD圖案化期間對間隙區域101E中產生的電場進行數位控制，從而允許針對不可避免地發生於需要精確公差之大系統(例如，系統100E)中的實體變異進行電氣校正(若有需要)。那就是說，可由鄰接電極125E-1至125E-5間或跨間隙區域101E之成對電極(例如，電極115E-1及125E-1)間的電極距離變異而導致之局部電場值F1至F5中的差值可藉由傳輸預定的獨特「高」電壓至每一電極125E-1至125E-5來予以校正。舉例來說，每一電極125E-1至125E-5係藉由動態高電壓源150E-2個別定址，並接收相關聯的電壓，該電壓的值經過設定，以致每一電場部分F1至F5具有均勻的場強度。須注意沿著圓柱形軸方向配置的電極125E(亦即，如第9圖所示)亦藉由動態高電壓源150E-2個別定址並接收相關聯的電 壓，該電壓的值經過設定，以致每一相關聯的電場部分亦具有均勻的場強度。具有個別定址方案之適於實施電極115E及125E的例示性節段電極係在發明名稱為生物製劑及微米尺寸粒子使用行波格柵之集中及聚焦(CONCENTRATION AND FOCUSING OF BIO-AGENTS AND MICRON-SIZED PARTICLES USING TRAVELING WAVE GRIDS)之共有的美國專利第7,163,611號中揭示，其全文係併入於此以供參照。
在替代實施例中，至少一些節段電極125E具有修改過(不同)的形狀(例如，線或點電極)，其依據所需圖案覆蓋「相反」表面的不同部分。線或點電極的可行範例係在美國專利第7,163,611號(上文提及)中揭示。其他電極形狀(例如，六邊形或圓形)亦為可行，例如，用於製造訂做形狀的微型粒子。
在替代實施例中，改變電極間的尺寸及距離，以製造所需的EHD圖案。舉例來說，雖然第8圖指示每一電極對製造單一分開的微型結構145E，在其他實施例中，每一電極可依大小排列，以產生多個特徵/結構。藉由控制電極的形狀，將具競爭力的長度規模引入固有的λ max，其可支配2D平面上的圖案形成尺寸或者為內在柱狀圖案界定面積。
在其他替代實施例中，隨時間改變(亦即，增加或減少)傳輸至每一節段電極的電壓(電荷)，容許訂做圖案的生長及或補償整個圖案化面積的製造變異。可對這些電壓進行動態調整，以在薄膜中達成特定的品質度 量，或者隨著處理條件改變進行調整來導致極度穩固的製程。
第10圖為簡化示意圖，其繪示另一系統100F，系統100F包括下部(第一)輸送帶110F及上部(第二)輸送帶120F，該等係建構並配置為輸送聚合物薄膜141F通過間隙區域101F，其中薄膜141F係由裝置140F沈積並由電場F進行圖案化，以形成特徵143F，特徵143F隨後以類似上述的方式固化形成微型結構145F。系統100F與先前實施例的不同之處在於使用界定明確的電荷圖案來達成動態電荷產生，該電荷圖案係形成在設置於上部輸送帶120F的表面121F上之適當的絕緣或半導體材料層123F上。在一例示性實施例中，藉由間隙區域101F上游之第一(例如，正)電荷產生裝置150F(例如，如具網狀電極之佈電裝置(scorotron)的電漿產生裝置)在層123F上以預定圖案選擇性地施加第一(例如，正)電荷，藉此第一電荷以類似上述之關於節段電極方法的方式產生電場F的對應部分。在其他實施例中，將相對高的電荷施加至位於下部輸送帶110F上的電極，並將相對低的電荷施加至上部輸送帶120F的電極。在一些實施例中，電荷圖案係藉由遮罩製程或者藉由具有所需尺寸的一組電漿產生裝置來達成。在其他實施例中，在上部輸送帶上設置感光性材料(例如，類似雷射印表機中所用者的光受體薄膜)，並藉由傳輸至感光性材料上的光來產生電荷圖案，其中一或多個雷射光束係用於在光受體上寫入電荷圖案。電荷圖案化方法在後續的製造步驟中需要 不同EHD圖案的應用中或者在連續圖案化系統(亦即，每一薄板或薄膜區段具有不同圖案)中提供一優點。電荷圖案化方法在定址電極上給予最大的可變性，因為可自一步驟至下一步驟輕易地改變電荷圖案，特別是針對光學電荷產生(類似於靜電印刷)的情況。
雖然本發明已針對某些特定實施例敘述，那些熟悉此項技術者當明白本發明的發明特徵亦可應用至其他實施例，其所有均旨在落入本發明的範圍之內。舉例來說，雖然各種範例敘述將相對高(例如，正)的電荷施加至上部輸送帶，並將相對低(例如，負)的電荷施加至下部輸送帶，在其他實施例中，相關聯的電場係藉由使施加電荷相反(亦即，將相對高(例如，正)的電荷施加至下部輸送帶，並將相對低(例如，負)的電荷施加至上部輸送帶)來產生。

Claims (3)

  1. 一種用於製造固態微型圖案化結構的系統，該系統包含：一第一輸送帶，其具有被約束沿著第一路徑移動的第一表面；一第二輸送帶，其具有被約束沿著第二路徑移動的第二表面，該第一及第二路徑係配置成使得在該第一及第二表面之間界定之最小距離發生在一間隙區域中；一用於使該第一及第二輸送帶以相匹配的速度移動的裝置，以使得該第一表面之第一表面區域與該第二表面之相對應第二表面區域實質地同時通過該間隙區域；一用於在該第一表面區域上配置一可固化的液體薄膜的裝置，以使得當該第一表面區域位於該間隙區域的上游時，該可固化的液體薄膜之第一部分係配置在該第一表面區域上；一用於在該第一輸送帶及該第二輸送帶之間產生一電場的裝置，以使得在該第一表面區域通過該間隙區域期間，配置在該第一表面區域上之該液體薄膜的第一部分承受電流體動力(EHD)圖案化變形，藉此使經變形的第一部分形成具有微型圖案化形狀的圖案化液體特徵；及一用於固化該圖案化液體特徵的裝置，以形成具有該微型圖案化形狀的固態微型圖案化結構。
  2. 一種用於製造複數個固態微型圖案化結構的系統，該系統包含：一第一輸送帶，其具有被約束沿著第一路徑移動的第一表面；一第二輸送帶，其具有被約束沿著第二路徑移動的第二表面，該第一及第二路徑配置成使得在該第一及第二表面之間界定之最小距離發生在一細長間隙區域中；一用於在該細長間隙區域上游的一點處，將一已熔化的聚合物薄膜設置在該第一表面上的裝置，以使得該第一表面後續的移動將該聚合物薄膜輸送通過該細長間隙區域；及一用於在該第一輸送帶及該第二輸送帶之間的該間隙區域中產生一電場的裝置，以使得該已熔化的聚合物薄膜在通過該間隙區域期間承受電流體動力(EHD)圖案化變形，從而形成具有微型圖案化形狀的複數個圖案化液體聚合物特徵，其中在位於該細長間隙區域下游之一點處，該圖案化液體聚合物特徵的後續冷卻導致該複數個圖案化液體聚合物特徵之固化，從而形成具有該微型圖案化形狀的該複數個固態微型圖案化結構。
  3. 一種用於製造複數個微型圖案化結構的系統，該系統包含：一第一輸送帶，其具有被約束沿著第一路徑移動的第一表面；一第二輸送帶，其具有被約束沿著第二路徑移動的第二表面，該第一及第二路徑配置成使得在該第一及第二表面間界定之最小距離發生在一間隙區域中；一用於在該間隙區域上游的一點處，將一液體聚合物薄膜設置在該第一表面上的裝置，以使得該第一表面後續的移動將該聚合物薄膜輸送通過該間隙區域；一動態電荷產生機構，其在該第一表面及該第二表面的至少一個上產生一可變電荷圖案，以使得該可變電荷圖案在該間隙區域中於該第一輸送帶及該第二輸送帶之間產生一電場，該電場使該液體聚合物薄膜承受電流體動力(EHD)圖案化變形，以形成具有一微型圖案化形狀的複數個圖案化液體聚合物特徵；及一用於在該液體聚合物薄膜承受電流體動力(EHD)圖案化變形後將其固化，以形成具有該微型圖案化形狀的該複數個微型圖案化結構。
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