非接触式滚压印技术及其动态压模机理研究

压辊模具需在圆柱面上制作出高精度的微结构，其加工手段涉及微米及中间尺度的多种技术，工艺复杂，周期长且成本高，已成为滚压印技术的主要制约因素之一。针对上述不足，本项目提出了实时动态压模的概念并系统研究了一种非接触式滚压印的新方法，为发展高效、灵活、低成本，且具有较高制作精度的三维微结构的连续加工方法奠定了重要的基础。具体研究成果可概括如下：（1）研究了基于DMD的动态掩膜光刻原理，并提出了一系列高质量三维微结构制作方法。这些方法简单、高效、工艺稳定性好，并能以较高精度获得具有复杂型面的微结构。(2)设计和研制了非接触式滚压印系统，较好的集成了基于DMD的无掩膜光刻系统和R2R滚动压印系统，利用具有灵活的图形复刻能力的无掩膜光刻系统，代替传统接触式滚动压印系统中的压辊，可实现实时的非接触式滚动压印过程。(3) 系统研究了非接触式滚压印技术的关键技术。通过大量调研对比，为非接触式滚压系统确定了合适的光固化材料；同时研究了在动态光刻过程中的图案拼接算法。（4）对非接触式滚压印的工艺进行了系统的研究及优化，实现了图形阵列，文字，不同宽度和形状的线条等图案的连续不断的加工，实验结果表明该方法能够加工大面积的连续的精细结构，加工过程中图案可实时变换，配合基底的运动可以灵活的制作大面积的三维微结构，为精细微结构的大规模制作提供了一种新途径。（5）研究了传统滚压印技术中胶液堆积和填充角对气泡缺陷的影响。本项目已发表研究论文11篇，其中SCI检索10篇，EI检索11篇。申请发明专利共计6项，已授权1项。培养博士研究生3名、硕士研究生5名。 2100433B

压辊模具需在圆柱面上制作出高精度的微结构，其加工手段涉及微米及中间尺度的多种技术，工艺复杂，周期长且成本高，已成为滚压印技术的主要制约因素之一。针对上述不足，本项目提出了实时动态压模的概念并探索一种非接触式滚压印的新方法。主要研究内容包括动态虚拟压辊模具的生成原理与构造机制，以及非接触式滚压印工艺过程的理论建模，计算和优化。本项目拟采用DMD动态掩膜光刻与滚压印技术相结合的方法实现微结构的非接触压印。该方法充分发挥了两者各自的优势，与现有技术相比，虚拟的压模避免了压辊研制的复杂工艺过程以及压模使用中的磨损和脱模困难等系列问题，节省了时间和经济成本；而动态掩膜光刻技术则提高了该方法的灵活性和三维微结构制作能力，且不受低粘度负型压印材料的限制。本研究为滚压印技术的发展提供了一种新的思路，可望突破当前压模制作的技术瓶颈，有助于将滚压印技术提高到一个新的发展水平，具有广阔的应用前景。

滚型纳米压印是一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的方法，已经被看成是最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一，同时也被认为是实现纳米压印技术从实验室到工业化应用的一个重要突破口。开展滚型纳米压印过程中模具变形机理和规律的研究，提出滚型纳米压印两种理论模型，揭示柔性接触滚轮模具变形的机理、规律和主要影响因素，阐述硬质接触和柔性接触两种压印方式显著区别和特点。该研究为探索减小弹性滚轮模具变形策略和方法，滚型纳米压印工艺要素的优化，以及提高滚型纳米压印复型精度和压印效率奠定了理论基础。

压印模具理论模型

传统纳米压印不管是硬质模具还是软质模具被认为是一种平板型平面接触压印工艺，滚型纳米压印使用的是滚轮型模具，其压印过程为线接触模式。线接触模式具有突出的优点：①解决了压印过程中受力不均匀和衬底不平整制约大面积纳米压印的技术难题，实现大面积纳米压印；②脱模力小，减少脱模缺陷，提高了压印图形的质量；③克服传统压印过程中陷入气泡的缺陷。但是，线接触滚型纳米压印与传统平板型平面接触纳米压印具有完全不同的压印作用机理(压印过程和脱模过程)，传统平板型平面接触纳米压印所建立的理论体系已经不再适用于滚型纳米压印，需要建立新的数学模型描述滚型纳米压印工艺。

滚型纳米压印使用滚轮模具主要有两种形式：硬质滚轮模具(直接在硬质基材上形成微纳米特征结构，和弹性滚轮模具(在柔性基材形成微纳米特征结构，或者在硬质图形层和硬质基材中间包含弹性缓冲层，形成三明治结构，)。硬质滚轮模具和弹性滚轮模具在滚型纳米压印中具有不同的作用机制。

压印模具柔性接触模具变形规律

对压印力和特征结构深宽比对模具变形的影响:滚轮模具上具有W=1μm, H=1μm 的微特征结构，分别施加0.01N、0.03N、0.05N、0.07N、0.10N、0.20N压印力。随着压印力的增大，滚轮模具最大应变总趋势不断增大，为了实现高保真图形复制，在满足其他工艺因素前提下，应尽可能选用较小的压印力，以减小模具的变形。

通过深宽比与模具变形关系的研究，得到结论：随着特征结构深宽比的增加，模具的最大应变位置发生改变，应变量最初减小，随后增大，但不是呈现线性关系。另外，考虑脱模等因素的影响，滚型纳米压印难以实现大深宽比特征结构的制造。此外，考虑尺度效应，提出的理论模型和数值模拟分析的结果适用范围是在微尺度，在纳尺度下可能不再适用。对于纳尺度滚型纳米压印的研究，需要借助量子力学、纳米力学、分子动力学、纳尺度流体、纳米摩擦学、多尺度模拟等工具开展研究。 2100433B