WO2008135318A1 - Device for dynamically controlling the temperature of a mould - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an apparatus for patterning a substrate, in particular for embossing an information layer of an optical data carrier.
- the individual information layers of multilayer optical data carriers are generally produced by embossing into a polymer layer by means of a die having the information coded as pits.
- the template is pressed into the polymer layer, for example a cured or partially cured lacquer, which has previously been applied to a substrate by a spin-coating process and cured.
- a crosslinking polymerization reaction is started for this purpose, for example by UV radiation.
- the individual information layers are usually separated by separating layers which are a few micrometers thick.
- the release layers are usually prepared from a curable varnish, which is applied by spin coating on an already prepared information layer. The structure of the following information layer can then formed by a stamping process on the free surface of the cured paint.
- the template In order to be able to emboss structures into the polymers, the template must be heated to a temperature above the glass transition point TQ of the polymer before embossing. In order to maintain the embossed structure permanently, the template must be cooled to temperatures well below T Q before removal from the polymer layer. For a stamping process so a dynamic temperature of the die is necessary.
- the die is mounted on an anvil, which has a good thermal conductivity.
- the anvil can be made of copper.
- the anvil itself is tempered with water.
- the temperature of the die is effected by heat conduction and heat transfer between anvil and die. Since not only the workpiece to be tempered, namely the die, but the entire anvil is tempered, the heat capacity of the anvil must be overcome in addition to each heating and cooling cycle; this requires a relatively long time. In addition, there are the necessary switching times between cooling and heating.
- the process time of such a tempering cycle is on the whole of the order of one minute. Since the actual embossing only takes about one second, the time required solely for cooling and heating the die slows down the embossing process considerably.
- the prior art DE 197 37 471 Al has become known. It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus for patterning a substrate in which the heating and cooling times, and thus the process times are abbreviated.
- the invention is based on the basic concept of providing a device for alternately heating and cooling a component, in which the component is spaced apart from the device for cooling the component by means of a spring device.
- the device is a Structuring device, which is particularly suitable for embossing Blu-Ray dual layer discs.
- the component and in particular the die is thus separated by the spring means of the cooling device. This is preferably done by a spring-mounted storage of an internally centering die holder, as well as a spring-mounted ring that holds the die at the outer edge.
- the distance between the die and the cooling device or the anvil forming the cooling device in a relaxed state is preferably a few millimeters.
- the die holder is preferably made of a thermally insulating material, such as plastic.
- a thermally insulating material such as plastic.
- the anvil during the entire embossing process at a constant temperature, namely the cooling temperature can be maintained.
- the heating of the thermally decoupled from the anvil die is done by an additional heater.
- This can be for example an induction heater, which is pivoted in front of the die during heating.
- the inductive heating is particularly efficient for ferromagnetic materials, so that the power of the inductive heating is almost completely absorbed by the matrix. Due to the direct heating of the matrix by induction and by a sufficiently large air gap between the die and the anvil, there is no significant heating of the anvil, so that only the die and no additional parts of the device is heated.
- the die During each stamping process, the die must be cooled again after heating.
- die and anvil are thermally contacted for cooling. This happens automatically when the means for holding the substrate brings the die into contact with the substrate. Once the substrate is driven against the die, the springs are tensioned and the die pressed against the cooled anvil. Cooling therefore starts automatically at exactly the time of the process from which it is needed.
- the substrate is separated from the die.
- the springs press the die again at a distance from the anvil, so that the cooling of the die, and thus the substrate automatically takes place only up to the desired demolding temperature.
- the die is thus not unnecessarily undercooled.
- the necessary cooling time of the die can be further reduced by metallizing the layer to be embossed prior to embossing. This can be done by applying a few nanometers thick layer, such as aluminum or silver by sputtering.
- the additional metal layer can support demoulding or demoulding at higher temperatures. A higher demolding temperature reduces the necessary cooling time, thus reducing the total process time.
- the forced decoupling or contacting between the die and the anvil during the structuring process guarantees an exact dosage of the required cooling capacity, as well as an instantaneous start and stop of the cooling. Since the die shields the anvil from the inductive heater, only the die is heated. Furthermore, this shield allows the use of electrically conductive materials, such as metals, for the execution of the cooling anvil.
- the anvil is therefore preferably made of copper.
- the anvil is kept permanently at a constant temperature, preferably the cooling temperature or even below, no heating or cooling power is wasted for him.
- heating the matrix by means of induction can also be used. This can be used, for example, if the die consists of electrically non-conductive substances.
- Figure 1 shows schematically a preferred embodiment of a device according to the present invention.
- the die 1 is held by a die holder 2.
- the die holder 2 is spring mounted in the embodiment shown in Fig. 1.
- an anvil 3 is arranged to the die holder 2 .
- the anvil 3 is cooled by a cooling device (not shown). This can be realized, for example, by providing cooling channels in the anvil 3.
- a spring-mounted ring 6 is provided which holds the die 1 at the outer edge.
- Fig. 1 indicates the movement of the press 4 during the patterning operation, wherein the left side of the figure shows the state during pressing, and the right side shows the state in which the press 4 is separated from the die hardner 2. On the right side of Fig. 1 is thus seen that the die 1 is held in the relaxed state at a certain distance from the anvil 3. If the press 4 presses the substrate against the die I 3, as shown in the left-hand part of FIG. 1, the die 1 and the anvil 3 come into contact and the cooling of the die 1 and thus also of the substrate 5 begins.
- the device for holding the die 1 can be designed to be movable, so that it is pressed against the substrate 5 when pressed, which is arranged on a (stationary) substrate holder.
- a heating device For heating the die 1 in the relaxed state, ie in the state shown on the right side of FIG. 1, a heating device is additionally provided, which is not shown in FIG.
- an induction heater for heating is pivoted in front of the die 1, so that the die 1 is located between the heater and the anvil 3.
- the device according to the invention can thus be used for embossing a large number of fusible materials.
- any nano or microstructures can be embossed. The use is therefore not limited to the embossing by means of cylindrically symmetric matrices, as is the case with the embossing of optical data carriers.
- By a corresponding geometric design of the inductor also arbitrarily shaped workpieces can be heated.
- the device according to the present invention can be used in addition to the embossing for other methods of surface structuring, if they require dynamic temperature control in a short cycle time.
- examples include the injection molding of small structures or structures of high aspect ratio, or the injection molding of thin-walled bodies having a high ratio of the areas to the wall thicknesses.
- the use of the device according to the invention for structuring the information layer of Blu-Ray dual-layer discs is preferred. However, the method also allows the construction of optical data storage with any number of layers.
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Abstract
The invention relates to a device for the alternate heating and cooling of a component. The device has a unit for holding a component, a unit for cooling said component by means of a cooling surface that is in thermal contact with the component, the latter being held at a distance from the cooling unit by a spring unit, and a heating unit for heating the component.
Description
Vorrichtung zum dynamischen Temperieren einer Matrize Device for the dynamic tempering of a die
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats, insbesondere zum Prägen einer Informationsschicht eines optischen Datenträgers.The present invention relates to an apparatus for patterning a substrate, in particular for embossing an information layer of an optical data carrier.
Die einzelnen Informationsschichten mehrlagiger optischer Datenträger, insbesondere BIu- Ray Dual Layer Discs (BD DL) werden im Allgemeinen durch Prägen mittels einer Matrize, die die als Pits codierte Information aufweist, in eine Polymerschicht hergestellt.The individual information layers of multilayer optical data carriers, in particular BIUrray Dual Layer Discs (BD DL), are generally produced by embossing into a polymer layer by means of a die having the information coded as pits.
Zum Prägen der Struktur wird die Matrize in die Polymerschicht, beispielsweise ein gehärteter oder teilweise gehärteter Lack, gedrückt, die zuvor durch ein Spincoating- Verfahren auf ein Substrat aufgebracht und gehärtet wurde. Im Falle eines UV-härtbaren Lacks wird hierzu beispielsweise durch UV-Strahlung eine vernetzende Polymerisationsreaktion gestartet. In mehrlagigen optischen Datenträgern sind die einzelnen Informationsschichten in der Regel durch Trennschichten separiert, die einige Mikrometer dick sind. Auch die Trennschichten werden üblicherweise aus einem aushärtbaren Lack hergestellt, der durch ein Spincoating-Verfahren auf eine bereits gefertigte Informationsschicht aufgetragen wird. Die Struktur der folgenden Informationsschicht kann
dann durch ein Prägeverfahren auf der freien Oberfläche des gehärteten Lackes gebildet werden.For embossing the structure, the template is pressed into the polymer layer, for example a cured or partially cured lacquer, which has previously been applied to a substrate by a spin-coating process and cured. In the case of a UV-curable lacquer, a crosslinking polymerization reaction is started for this purpose, for example by UV radiation. In multilayer optical data carriers, the individual information layers are usually separated by separating layers which are a few micrometers thick. Also, the release layers are usually prepared from a curable varnish, which is applied by spin coating on an already prepared information layer. The structure of the following information layer can then formed by a stamping process on the free surface of the cured paint.
Um Strukturen in die Polymere einprägen zu können, muss die Matrize vor dem Prägen auf eine Temperatur oberhalb des Glasiibergangspunkts TQ des Polymers geheizt werden. Um die eingeprägte Struktur dauerhaft zu erhalten, muss die Matrize vor der Entfernung aus der Polymerschicht wieder auf Temperaturen deutlich unter TQ gekühlt werden. Für einen Prägevorgang ist also eine dynamische Temperierung der Matrize notwendig.In order to be able to emboss structures into the polymers, the template must be heated to a temperature above the glass transition point TQ of the polymer before embossing. In order to maintain the embossed structure permanently, the template must be cooled to temperatures well below T Q before removal from the polymer layer. For a stamping process so a dynamic temperature of the die is necessary.
hi bekannten Prägevorrichtungen ist die Matrize auf einen Amboss montiert, der eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann der Amboss aus Kupfer gefertigt sein. Der Amboss selbst wird mit Wasser temperiert. Die Temperierung der Matrize erfolgt durch Wärmeleitung und Wärmeübergang zwischen Amboss und Matrize. Da also nicht nur das zu temperierende Werkstück, nämlich die Matrize, sondern der gesamte Amboss temperiert wird, muss die Wärmekapazität des Amboss bei jedem Heiz- und Kühlzyklus zusätzlich überwunden werden; hierfür ist eine relativ lange Zeit erforderlich. Hinzu kommen die nötigen Umschaltzeiten zwischen dem Kühlen und Heizen. Die Prozesszeit eines derartigen Temperierzyklusses liegt insgesamt in der Größenordnung von einer Minute. Da das eigentliche Prägen nur ca. eine Sekunde benötigt, verlangsamt die allein für das Kühlen und Heizen der Matrize benötigte Zeit den Prägeprozess erheblich.hi known embossing devices, the die is mounted on an anvil, which has a good thermal conductivity. For example, the anvil can be made of copper. The anvil itself is tempered with water. The temperature of the die is effected by heat conduction and heat transfer between anvil and die. Since not only the workpiece to be tempered, namely the die, but the entire anvil is tempered, the heat capacity of the anvil must be overcome in addition to each heating and cooling cycle; this requires a relatively long time. In addition, there are the necessary switching times between cooling and heating. The process time of such a tempering cycle is on the whole of the order of one minute. Since the actual embossing only takes about one second, the time required solely for cooling and heating the die slows down the embossing process considerably.
Zum Stand der Technik ist die DE 197 37 471 Al bekannt geworden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats bereitzustellen, bei der die Heiz- und Kühlzeiten, und damit die Prozesszeiten abgekürzt werden.The prior art DE 197 37 471 Al has become known. It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus for patterning a substrate in which the heating and cooling times, and thus the process times are abbreviated.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.This object is solved by the features of the claims.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum abwechselnden Heizen und Kühlen eines Bauelementes eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der das Bauelement mittels einer Federeinrichtung von der Einrichtung zum Kühlen des Bauelementes beabstandet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung eine
Strukturierungsvorrichtung, die insbesondere zum Prägen von Blu-Ray Dual Layer Discs geeignet ist. Das Bauelement und insbesondere die Matrize wird somit durch die Federeinrichtung von der Kühleinrichtung getrennt. Dies geschieht vorzugsweise durch eine gefederte Lagerung eines innen zentrierenden Matrizenhalters, sowie einem gefedert gelagerten Ring, der die Matrize am Außenrand hält. Der Abstand zwischen der Matrize und der Kühleinrichtung bzw. dem die Kühleinrichtung bildenden Amboss in entspanntem Zustand beträgt vorzugsweise einige Millimeter. Um eine gute thermische Entkopplung der Matrize vom Amboss zu gewährleisten, ist die Matrizenhalterung vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff gefertigt. So kann der Amboss während des gesamten Prägevorgangs auf einer konstanten Temperatur, nämlich der Kühltemperatur gehalten werden. Das Heizen der thermisch vom Amboss entkoppelten Matrize geschieht durch eine zusätzliche Heizeinrichtung. Dies kann beispielsweise eine Induktionsheizung sein, die während des Heizens vor die Matrize geschwenkt wird. Die induktive Heizung ist für ferromagnetische Materialien besonders effizient, so dass die Leistung der induktiven Heizung nahezu vollständig durch die Matrize absorbiert wird. Durch die direkte Heizung der Matrize durch Induktion und durch einen ausreichend großen Luftspalt zwischen Matrize und Amboss erfolgt keine nennenswerte Erwärmung des Amboss, so dass nur die Matrize und keine zusätzlichen Teile der Vorrichtung geheizt wird.The invention is based on the basic concept of providing a device for alternately heating and cooling a component, in which the component is spaced apart from the device for cooling the component by means of a spring device. According to a preferred embodiment of the invention, the device is a Structuring device, which is particularly suitable for embossing Blu-Ray dual layer discs. The component and in particular the die is thus separated by the spring means of the cooling device. This is preferably done by a spring-mounted storage of an internally centering die holder, as well as a spring-mounted ring that holds the die at the outer edge. The distance between the die and the cooling device or the anvil forming the cooling device in a relaxed state is preferably a few millimeters. In order to ensure a good thermal decoupling of the die from the anvil, the die holder is preferably made of a thermally insulating material, such as plastic. Thus, the anvil during the entire embossing process at a constant temperature, namely the cooling temperature can be maintained. The heating of the thermally decoupled from the anvil die is done by an additional heater. This can be for example an induction heater, which is pivoted in front of the die during heating. The inductive heating is particularly efficient for ferromagnetic materials, so that the power of the inductive heating is almost completely absorbed by the matrix. Due to the direct heating of the matrix by induction and by a sufficiently large air gap between the die and the anvil, there is no significant heating of the anvil, so that only the die and no additional parts of the device is heated.
Bei jedem Prägevorgang muss nach dem Heizen die Matrize wieder gekühlt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zur Kühlung Matrize und Amboss thermisch kontaktiert. Dies geschieht automatisch, wenn die Einrichtung zum Halten des Substrats die Matrize mit dem Substrat in Kontakt bringt. Sobald das Substrat gegen die Matrize gefahren wird, werden die Federn gespannt und die Matrize gegen den gekühlten Amboss gepresst. Die Kühlung setzt also automatisch genau zu dem Zeitpunkt des Prozesses ein, ab dem sie benötigt wird.During each stamping process, the die must be cooled again after heating. According to the present invention, die and anvil are thermally contacted for cooling. This happens automatically when the means for holding the substrate brings the die into contact with the substrate. Once the substrate is driven against the die, the springs are tensioned and the die pressed against the cooled anvil. Cooling therefore starts automatically at exactly the time of the process from which it is needed.
Ist die gewünschte Entformungstemperatur erreicht, wird das Substrat von der Matrize getrennt. Die Federn drücken die Matrize wieder auf Abstand von dem Amboss, so dass die Kühlung der Matrize, und damit des Substrats automatisch nur bis zur gewünschten Entformungstemperatur erfolgt. Die Matrize wird somit nicht unnötigerweise unterkühlt.
Gegebenenfalls kann die notwendige Kühlzeit der Matrize weiter verringert werden, indem die zu prägende Schicht vor der Prägung metallisiert wird. Dies kann durch Aufbringen einer wenigen Nanometer dicken Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber durch Kathodenzerstäubung geschehen. Die zusätzliche Metallschicht kann das Entformen unterstützen bzw. Entformen bei höheren Temperaturen erlauben. Eine höhere Entformungstemperatur verringert die notwendige Kühlzeit, um damit die gesamte Prozesszeit.When the desired demolding temperature is reached, the substrate is separated from the die. The springs press the die again at a distance from the anvil, so that the cooling of the die, and thus the substrate automatically takes place only up to the desired demolding temperature. The die is thus not unnecessarily undercooled. Optionally, the necessary cooling time of the die can be further reduced by metallizing the layer to be embossed prior to embossing. This can be done by applying a few nanometers thick layer, such as aluminum or silver by sputtering. The additional metal layer can support demoulding or demoulding at higher temperatures. A higher demolding temperature reduces the necessary cooling time, thus reducing the total process time.
Die zwangsdurchgeführte Entkopplung bzw. Kontaktierung zwischen Matrize und Amboss während des Strukturierungsprozesses garantieren eine exakte Dosierung der benötigten Kühlleistung, sowie ein unverzögertes Starten und Stoppen der Kühlung. Da die Matrize den Amboss von der induktiven Heizung abschirmt, wird nur die Matrize geheizt. Weiterhin erlaubt diese Abschirmung die Verwendung von elektrisch leitfähigen Stoffen, wie Metallen, für die Ausführung des Kühlambosses. Der Amboss wird daher vorzugsweise aus Kupfer hergestellt.The forced decoupling or contacting between the die and the anvil during the structuring process guarantees an exact dosage of the required cooling capacity, as well as an instantaneous start and stop of the cooling. Since the die shields the anvil from the inductive heater, only the die is heated. Furthermore, this shield allows the use of electrically conductive materials, such as metals, for the execution of the cooling anvil. The anvil is therefore preferably made of copper.
Da der Amboss permanent auf einer konstanten Temperatur, vorzugsweise der Kühltemperatur oder auch darunter gehalten wird, wird für ihn keine Heiz- oder Kühlleistung verschwendet.Since the anvil is kept permanently at a constant temperature, preferably the cooling temperature or even below, no heating or cooling power is wasted for him.
Alternativ zur Heizung der Matrize mittels Induktion können auch andere Heizungsarten, beispielsweise Strahlungsheizung, verwendet werden. Diese kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn die Matrize aus elektrisch nicht leitfähigen Stoffen besteht.As an alternative to heating the matrix by means of induction, other types of heating, for example radiant heating, can also be used. This can be used, for example, if the die consists of electrically non-conductive substances.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die einzige Figur näher erläutert, wobei die Figur 1 schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.The present invention will be explained in more detail below with reference to the single figure, wherein Figure 1 shows schematically a preferred embodiment of a device according to the present invention.
Gemäß Fig. 1 wird die Matrize 1 durch einen Matrizenhalter 2 gehalten. Der Matrizenhalter 2 ist in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gefedert gelagert. Um den Matrizenhalter 2
ist ein Amboss 3 angeordnet. Der Amboss 3 wird durch eine (nicht gezeigte) Kühleinrichtung gekühlt. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen von Kühlkanälen in dem Amboss 3 verwirklicht werden. Um eine von dem Matrizenhalter 2 gehaltene Matrize 1 von dem Amboss 3 sicher zu beabstanden, ist neben der gefederten Lagerung des Matrizenhalters selbst ein gefedert gelagerter Ring 6 vorgesehen, der die Matrize 1 am Außenrand hält.According to FIG. 1, the die 1 is held by a die holder 2. The die holder 2 is spring mounted in the embodiment shown in Fig. 1. To the die holder 2 an anvil 3 is arranged. The anvil 3 is cooled by a cooling device (not shown). This can be realized, for example, by providing cooling channels in the anvil 3. In order to securely space a die 1 held by the die holder 2 from the anvil 3, in addition to the sprung mounting of the die holder itself, a spring-mounted ring 6 is provided which holds the die 1 at the outer edge.
Dem Matrizenhalter 2 gegenüber ist eine Presse 4 angeordnet, auf der sich das Substrat 5 befindet, in das die gewünschte Struktur eingeprägt werden soll. Fig. 1 deutet die Bewegung der Presse 4 während des Strukturierungsvorgangs an, wobei die linke Seite der Figur den Zustand während des Pressens zeigt, und die rechte Seite den Zustand zeigt, in dem die Presse 4 von dem Matrizenharter 2 getrennt ist. Auf der rechten Seite der Fig. 1 ist somit zu sehen, dass die Matrize 1 im entspannten Zustand in einem bestimmten Abstand vom Amboss 3 gehalten wird. Drückt die Presse 4 das Substrat gegen die Matrize I3 wie dies im linken Teil der Fig. 1 dargestellt ist, kommen die Matrize 1 und der Amboss 3 in Kontakt und die Kühlung der Matrize 1 und somit auch die des Substrats 5 setzt ein. Alternativ kann die Vorrichtung zum Halten der Matrize 1 beweglich ausgeführt sein, so dass sie beim Pressen gegen das Substrat 5 gedrückt wird, das auf einem (feststehenden) Substrathalter angeordnet ist.The die holder 2 opposite a press 4 is arranged, on which the substrate 5 is located, in which the desired structure is to be embossed. Fig. 1 indicates the movement of the press 4 during the patterning operation, wherein the left side of the figure shows the state during pressing, and the right side shows the state in which the press 4 is separated from the die hardner 2. On the right side of Fig. 1 is thus seen that the die 1 is held in the relaxed state at a certain distance from the anvil 3. If the press 4 presses the substrate against the die I 3, as shown in the left-hand part of FIG. 1, the die 1 and the anvil 3 come into contact and the cooling of the die 1 and thus also of the substrate 5 begins. Alternatively, the device for holding the die 1 can be designed to be movable, so that it is pressed against the substrate 5 when pressed, which is arranged on a (stationary) substrate holder.
Zum Heizen der Matrize 1 im entspannten Zustand, also in dem auf der rechten Seite der Fig. 1 gezeigten Zustand, ist zusätzlich eine Heizvorrichtung vorgesehen, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist. Vorzugsweise wird im Fall einer elektrisch leitenden, insbesondere ferromagnetischen Matrize 1 eine Induktionsheizung zum Heizen vor die Matrize 1 geschwenkt, so dass die Matrize 1 sich zwischen der Heizung und dem Amboss 3 befindet.For heating the die 1 in the relaxed state, ie in the state shown on the right side of FIG. 1, a heating device is additionally provided, which is not shown in FIG. Preferably, in the case of an electrically conductive, in particular ferromagnetic die 1, an induction heater for heating is pivoted in front of the die 1, so that the die 1 is located between the heater and the anvil 3.
Durch das direkte Heizen der Matrize 1, ohne daß der Amboss 3 mitgeheizt werden muss, kann eine Heizzeit von etwa 0,5 s erreicht werden. Da weiterhin die Kühlung der Matrize 1 durch den Amboss 3 automatisch einsetzt, sobald sie benötigt wird, wird die Zeit, die für das Strukturieren eines Substrats 5 benötigt wird, gegenüber bekannten Vorrichtungen stark verkürzt.
Durch eine entsprechende Auslegung der Induktorleistung können nahezu beliebige Prägetemperaturen in Heizzeiten von weniger als 1 s erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit für das Prägen einer Vielzahl von schmelzbaren Materialien einsetzbar. Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige Nano- oder Mikrostrukturen geprägt werden. Der Einsatz ist also nicht auf das Prägen mittels zylindersymmetrischer Matrizen beschränkt, wie dies bei dem Prägen optischer Datenträger der Fall ist. Durch eine entsprechende geometrische Auslegung des Induktors können auch beliebig ausgeformte Werkstücke geheizt werden.Due to the direct heating of the die 1, without the anvil 3 must be mitgesheizt, a heating time of about 0.5 s can be achieved. Further, since the cooling of the die 1 by the anvil 3 automatically starts as needed, the time required for patterning a substrate 5 is greatly shortened over known devices. By appropriate design of the inductor power almost any embossing temperatures can be achieved in heating times of less than 1 s. The device according to the invention can thus be used for embossing a large number of fusible materials. With the device according to the present invention, any nano or microstructures can be embossed. The use is therefore not limited to the embossing by means of cylindrically symmetric matrices, as is the case with the embossing of optical data carriers. By a corresponding geometric design of the inductor also arbitrarily shaped workpieces can be heated.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann neben dem Prägen auch für andere Verfahren der Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden, sofern diese eine dynamische Temperierung in kurzer Zykluszeit erfordern. Als Beispiele sind das Spritzgießen von kleinen Strukturen oder Strukturen von hohem Aspektverhältnis genannt, oder das Spritzgießen von dünnwandigen Körpern, die ein hohes Verhältnis der Flächen zu den Wandstärken aufweisen. Bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Strukturierung der Informationsschicht von Blu-Ray Dual Layer Discs. Das Verfahren erlaubt jedoch auch den Aufbau optischer Datenspeicher mit beliebig vielen Layern.
The device according to the present invention can be used in addition to the embossing for other methods of surface structuring, if they require dynamic temperature control in a short cycle time. Examples include the injection molding of small structures or structures of high aspect ratio, or the injection molding of thin-walled bodies having a high ratio of the areas to the wall thicknesses. The use of the device according to the invention for structuring the information layer of Blu-Ray dual-layer discs is preferred. However, the method also allows the construction of optical data storage with any number of layers.
Claims
1. Vorrichtung zum abwechselnden Heizen und Kühlen einer Matrize (1) zum Strukturieren eines Substrats (5), mit (a) einer Halteeinrichtung (2) zum Halten der Matrize (1),Anspruch [en] An apparatus for alternately heating and cooling a die (1) for patterning a substrate (5), comprising (a) holding means (2) for holding the die (1),
(b) einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Matrize (1) über eine mit der Matrize (1) in Wärmekontakt stehenden Kühlfläche, wobei die Matrize (1) mittels einer Federeinrichtung (6) von der Kühleinrichtung beabstandet ist, und(b) cooling means for cooling the die (1) via a cooling surface in thermal contact with the die (1), the die (1) being spaced from the cooling means by spring means (6), and
(c) einer Heizeinrichtung zum Heizen der Matrize (1).(c) a heater for heating the die (1).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühleinrichtung einen Amboss (3) aufweist.2. Device according to claim 1, wherein the cooling device comprises an anvil (3).
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner mit einer Halteeinrichtung (4) zum Halten des Substrats (5) und zum Bringen des Substrats (5) in Kontakt mit der Matrize (1).A device according to any one of claims 1 or 2, further comprising holding means (4) for holding the substrate (5) and bringing the substrate (5) into contact with the die (1).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Halteeinrichtung (4) zum Halten des Substrats (5) geeignet ist, das Substrat (5) gegen die Matrize zu pressen und so die Struktur in das Substrat (5) zu prägen.4. The device according to claim 3, wherein the holding device (4) for holding the substrate (5) is adapted to press the substrate (5) against the die and thus to emboss the structure in the substrate (5).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halteeinrichtung (2) zum Halten der Matrize (1) gefedert ist, und die Federeinrichtung (6) einen gefedert gelagerten Ring aufweist, der die Matrize (1) an deren Außenrand hält.5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the holding device (2) for holding the die (1) is spring-loaded, and the spring means (6) has a spring-mounted ring which holds the die (1) at its outer edge.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Federeinrichtung (6) die Matrize (1) in einem Abstand von weniger als 10 mm, vorzugsweise 2-7 mm von der Kühleinrichtung hält. 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the spring means (6) holds the die (1) at a distance of less than 10 mm, preferably 2-7 mm from the cooling device.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühleinrichtung mittels Kühlwasser gekühlt wird.7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein the cooling device is cooled by means of cooling water.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Halteeinrichtung (2) zum Halten der Matrize (1) aus einem thermisch isolierenden Material ist.8. Device according to one of the preceding claims, wherein the holding device (2) for holding the die (1) is made of a thermally insulating material.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Matrize (1) aus einem ferromagnetischen Material ist und die Heizeinrichtung die Matrize (1) mittels Induktion heizt.9. Device according to one of the preceding claims, wherein the die (1) is made of a ferromagnetic material and the heating means heats the die (1) by means of induction.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung zum Heizen der Matrize (1) vor die Matrize (1) geschwenkt werden kann.10. Device according to one of the preceding claims, wherein the heating device for heating the die (1) in front of the die (1) can be pivoted.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (5) ein Rohling zur Herstellung eines optischen Datenträgers, insbesondere einer Blu-Ray11. Device according to one of the preceding claims, wherein the substrate (5) is a blank for producing an optical data carrier, in particular a Blu-Ray
Dual Layer Disc ist.Dual Layer Disc is.
12. Verfahren zum Strukturieren eines Substrats (5) mittels der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: - Heizen der Matrize (1) mittels der Heizeinrichtung;12. A method of structuring a substrate (5) by means of the device according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - heating the die (1) by means of the heating device;
- Pressen des Substrats (5) gegen die Matrize (1) und dadurch Kühlen der Matrize (1) durch Bringen der Kühlfläche in Wärmekontakt mit der Matrize (1) durch Bringen der Kühlfläche in Wärmekontakt mit der Matrize (1), so dass das Substrat (5) durch den Kontakt mit der Matrize (1) gekühlt wird.- Pressing the substrate (5) against the die (1) and thereby cooling the die (1) by bringing the cooling surface in thermal contact with the die (1) by bringing the cooling surface in thermal contact with the die (1), so that the substrate (5) is cooled by contact with the die (1).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Substrat (5) vor dem Strukturierungsvorgang metallisiert wird.The method of claim 12, wherein the substrate (5) is metallized prior to the patterning process.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei durch das Verfahren eine Informationsschicht in einen Rohling zur Herstellung eines optischen Datenträgers geprägt wird. 14. The method of claim 12 or 13, wherein by the method, an information layer is embossed in a blank for producing an optical data carrier.
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