在薄聚合物膜上连续制造数字微米尺度图案制造技术

涂覆机构将液体(例如聚合物)薄膜设置在通过适当马达驱动的传送器表面(例如，滚轮或带)上，以将薄膜传送到精确受控间隙(或辊隙)区域中，其中施加的电势产生引起液体经过电流体动力(EHD)图案化变形的电场，从而液体形成图案化微米尺度特征。固化机构(例如UV激光)被用于在间隙区域内部或刚离开间隙区域之后固化(例如交联)图案化液体特征，从而形成由作为片材一部分的中间网状件连接或分成离散微米尺度结构的微米尺度图案化结构。设置在液体中的纳米结构(例如纳米管或纳米线)在EHD图案化处理期间变成竖直取向。分段电极和图案化电荷被用于提供数字图案化控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微米尺度(micro-scale)图案化结构，更具体地涉及用于制造微米尺度图案化结构的系统。
技术介绍
越来越需要用于在工业相关量下制造具有在从若干微米到厘米尺度的三维图案化的薄聚合物膜的系统。这样图案化的聚合物薄膜例如可用于光学应用(抗反射涂层和过滤器)和受控润湿应用(疏水和亲水应用)。存在很多当前利用拓扑在从数百纳米到微米范围内制造图案化薄膜的技术，包括滚动掩模光刻(由美国加利福尼亚州Pleasanton的Rolith，Inc.研发)、纳米压印光刻(美国德克萨斯州Austin的Molecular Imprints和瑞典Lund的Obducat)、全息光刻(美国马萨诸塞州Burlington的TelAztec LLC)、和液相沉积(位于德国慕尼黑Fraunhofer Institute的“Sharkskin coater”)。所有这些方法使用基于母版的方法来产生光阻剂膜中的结构，该结构随后用于动态生成玻璃中或可以被浮凸并使用UV光进行固化的薄聚合物膜中的结构。这些技术都不能在大面积版式中或以动态数字方式生成任意变化的图案。电流体动力(EHD)图案化是最新研发的技术，其包括通过利用在液体上的施加力和液体的表面张力的平衡来使液体聚合物膜的表面成型，将在模板上形成的微米或纳米结构电转印到薄聚合物膜上。表面不稳定性受范德华力和热力驱动，但典型地受到外力主宰(如果这些力存在的话)。在界面上引起压力梯度的所有外(例如，电或热)力会引起这种表面不稳定性。本专利技术聚焦于EHD图案化技术，该技术被用于高度/厚度远小于不稳定性的长度尺度的聚合物薄膜，所以聚合物薄膜的动力学完全由润滑理论来描述，并且出现的图案由增长最快的毛细波模式驱动。用于产生这样的聚合物薄膜EHD图案化的时间尺度取决于液体聚合物的介电常数、粘度、高度/厚度和表面张力、施加的电压(电场)、和用于产生电场的电极或电荷之间的距离，出现的图案的长度尺度取决于表面张力、施加的电压和聚合物膜内部的电场。这些图案在电场恒定时发生在膜特性所固有的长度尺度，或者在电场在空间中变化时被迫进入特定结构。用于EHD图案化的复制高度在之前提出的技术中被限制在纳米尺度，这是因为电场对模板的间隔物高度敏感。此外，常规EHD图案化技术没有商业价值，这是因为它们不能制造商业上可用数量的膜。
技术实现思路
本专利技术涉及实现改进电流体动力(EHD)薄膜图案化技术并提供可行经济制造技术以连续地制造一体连接到薄聚合物膜或彼此分开的微米尺度图案化结构的系统。系统利用具有在间隙(或辊隙)区域的相对侧上分开相对大距离的相对表面的两个弯曲传送器(例如，两个滚轮或两个带)。包含聚合物、聚合物前体或其他适合材料的液体薄膜通过适合的涂覆机构被涂覆或以其他方式设置在一个传送器表面(例如，“下”滚轮或带)上，以使得该液体薄膜随后被传送到间隙区域中，其中两个传送器表面之间的最小间隙距离设置成使得如此小间隙设置在上膜表面和相对传送器表面之间。随着液体薄膜经过间隙区域，液体薄膜受到在两个传送器之间产生的电场作用，其中电场强度和液体薄膜特性(例如，粘度和介电常数)设置成使得液体薄膜经历EHD图案化(即，液体聚合物的一部分被朝向上传送器拉动，从而形成从下传送器延伸到填充有空气或其他流体的小间隙中的图案化微米尺度液体聚合物特征)。适合的固化机构(例如，UV激光或热处理)用于在聚合物薄膜经历EHD图案化时(即，在间隙区域内部或刚离开间隙区域)交联(固化)聚合物薄膜，从而液体微米尺度聚合物特征硬化(固化)以形成具有与在液体聚合物中通过电场产生的图案形状基本相同的微米尺度图案化结构。固体微米尺度图案化结构和任意相连聚合物薄膜材料然后被从下传送器移除。本专利技术因此提供用于连续地制造可以用在多种商业应用中的数字微米尺度聚合物结构的低成本有效的系统。根据特定实施例，薄聚合物膜包含在微米尺度结构内变成竖直取向的纳米结构(例如，纳米线或纳米管)。具体地，纳米结构在薄膜形成期间具有初始(例如随机)取向，但是响应于施加的电场而在微米尺度图案化结构内对齐为相对于下传送器表面的大致垂直取向，并且产生与微米尺度特征的EHD图案化形成相关的流体动力。这种属性使得本专利技术对于包含专业纳米结构(例如用于制造柔性电子器件互连或传感器阵列的碳纳米管)的某些装置的大规模制造具有很高价值。根据本专利技术的替换实施例，制造例如可以用在生产微米尺寸颗粒以增加给药中的特异性中的离散(分离)纳米尺度图案化结构。该处理包括形成聚合物薄膜以使得随着施加的电场引起微米尺度特征的竖直生长(即，如果不充分的液体聚合物围绕柱状微米尺度特征，则特征变得彼此分离)，薄膜完全形成在特征中并且分解成离散液体聚合物“岛”。后续固化“固结”(固化)离散特征以形成在下传送器表面上布置在间隔结构中的多个所述固体微米尺度图案化结构。微米尺度图案化结构然后使用分离机构被从传送器表面移除，以使得它们可以被结合到目标材料中。在实用实施例中，上和下传送器通过平行上和下圆柱滚轮实现，这些滚轮由辊隙(间隙)系统定位以限定精确辊隙距离。UV固化聚合物薄膜使用狭缝涂覆器被施加在下滚轮上，在微米尺度特征通过EHD图案化在辊隙区域中建立之后，通过UV激光执行固化。该辊对辊制造系统允许使用现有狭缝涂覆系统和精确滚轮来实现高生产输出，这使制造成本最小化。根据另一实用实施例，两个传送器由定位成在相对水平布置的带部分之间限定细长间隙区域的带来实现。热固性或UV可固化聚合物在间隙区域上游被施加，通过加热块或传输通过透明带材料的UV光来实现固化。在特定实施例中，精确带定位使用榫槽型布置来实现，其中T型肋在每个带下方延伸并且可滑动地被接收在带支撑结构中形成的相应槽中。该带对带制造系统允许有比辊对辊方法更长的图案建立时段和更高的生成输出率。根据另一实施例，为实现在生成和控制图案中的最大柔性，本专利技术利用促进对图案化处理进行数字控制的动态电荷生成装置。根据一个特点实施例，动态电荷生成装置包括布置在连续表面移动电极结构(例如，上滚轮或带)上的分段电极阵列，其中每个电极可单独寻址(即，每个分段电极通过相关寻址线路单独地访问)。在其他实施例中，电荷图案或者直接沉积或者通过光电处理生成在移动电极结构的绝缘或电介质表面上(例如通过电晕器)，这在降低EHD图案对电极距离的敏感性方面、实现薄膜图案的空间调节方面、和为连续EHD图案化方法实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造微米尺度图案化结构的系统，所述系统包括：第一传送器，所述第一传送器具有被约束为沿第一路径移动的第一表面；第二传送器，所述第二传送器具有被约束为沿第二路径移动的第二表面，所述第一路径和所述第二路径布置成使得在所述第一表面和所述第二表面之间限定的最小距离发生在间隙区域中；用于使所述第一传送器和所述第二传送器以匹配速度移动的装置，以使得所述第一表面的第一表面区域与所述第二表面的相应第二表面区域基本同时地经过所述间隙区域；用于将可固化液体薄膜设置在所述第一表面区域上的装置，以使得当所述第一表面区域定位在所述间隙区域上游时所述可固化液体薄膜的第一部分设置在所述第一表面区域上；用于在所述第一传送器和所述第二传送器之间产生电场的装置，以使得在所述第一区域通过所述间隙区域过程中设置在所述第一表面区域上的液体薄膜的所述第一部分经历电流体动力(EHD)图案化变形，从而经变形的第一部分形成具有微米尺度图案化形状的图案化液体特征；和用于固化所述图案化液体特征以形成具有所述微米尺度图案化形状的所述固体微米尺度图案化结构的装置。

【技术特征摘要】
2013.07.17 US 13/9448431.一种用于制造微米尺度图案化结构的系统，所述系统包括：
第一传送器，所述第一传送器具有被约束为沿第一路径移动的第一表
面；
第二传送器，所述第二传送器具有被约束为沿第二路径移动的第二表
面，所述第一路径和所述第二路径布置成使得在所述第一表面和所述第二
表面之间限定的最小距离发生在间隙区域中；
用于使所述第一传送器和所述第二传送器以匹配速度移动的装置，以
使得所述第一表面的第一表面区域与所述第二表面的相应第二表面区域
基本同时地经过所述间隙区域；
用于将可固化液体薄膜设置在所述第一表面区域上的装置，以使得当
所述第一表面区域定位在所述间隙区域上游时所述可固化液体薄膜的第
一部分设置在所述第一表面区域上；
用于在所述第一传送器和所述第二传送器之间产生电场的装置，以使
得在所述第一区域通过所述间隙区域过程中设置在所述第一表面区域上
的液体薄膜的所述第一部分经历电流体动力(EHD)图案化变形，从而经
变形的第一部分形成具有微米尺度图案化形状的图案化液体特征；和
用于固化所述图案化液体特征以形成具有所述微米尺度图案化形状
的所述固体微米尺度图案化结构的装置。
2.一种用于制造多个微米尺度图案化结构的系统，所述系统包括：
第一传送器，所述第一传送器具有被约束为沿第一路径移动的第一表
面；
第二传送器，所述第二传送器具有被约束为沿第二路径移动的第二表
面，所述第一路径和所述第二路径布置成使得在所述第一表面和所述第二
表面之间限定的最小距离发生在细长间隙区域中；
用于在所述细长间隙区域上游的点处将熔化聚合物薄膜设置在所述
第...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·M·约翰逊，A·R·沃尔克尔，J·S·帕施科维茨，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US