光固化法制备微结构聚合物器件的研究
由于聚合物材质具有价格低廉和理化性能优良等优点，使得聚合物在微细加工领域特别是在微流控芯片、微反应器件及微光学照明器件等方面显示出巨大的商业前景。而光固化法压印工艺能够在常温低压下快速成型各种微纳结构制品，具有其它方法无法比拟的优势。因而近年来，光固化法微纳压印技术成为微细加工中的一个研究热点。本文以制作具有微米和纳米阵列表面的聚合物器件为目的，对光固化微纳压印成型的工艺进行了较为系统的研究。 本文首先利用理论计算得出UV胶液滴在受压过程中主要以层流状态进行表面扩散，计算表明液体填充模腔的时间极短，而主要由UV胶的固化时间决定了微纳结构成型的快慢。建立了气液混合的多相流(VOF)流体分析模型，归纳并划分出了有利于微结构填充的有效接触角组合区域。UV胶液体与模具保持较小的锐角，而与基板则保持成钝角，能够有利于增大UV液体的填充率。增加液体表面张力系数和液体的供给率均有利于填充率的提高，而增大微结构深宽比则液体填充率有所下降。 首次建立了以弹性断裂力学为基础的内聚力模型，模拟分析得知脱模主要分为:微结构顶端能量积聚直至脱开和侧壁摩擦剪切而脱开两个阶段。侧壁上与模具接触的上下两个尖角为应力集中位置，底部尖角位置最易损坏。摩擦引起的剪切作用在局部应力的增加中所占比例较大，不容忽视。保持细微的侧壁倾角和较高弹性模量的UV胶固体有利于保证成功的脱模。 最后利用“滚对平板”(Roll-to-Plate，RTP)，也称为Roller Press Scan的压印方式，成功制备出大面积(200mm2)表面含纳米蛾眼结构的薄膜，具有良好的抗反射效果。在波长为450-600nm之间时，单面AR制品反射率仅为1％左右，双面AR制品的透射率则能达到98.3％。覆盖有AR薄膜的背景色彩还原性极佳，提高了显示的分辨率，可以与商用的抗反射涂层制品媲美。 同时分析了不同工艺对纳米结构尺寸的影响，保持“高压中速”的参数窗口设置，能够得到尺寸一致性较好的制品。文中首次提出了连续点胶式的滚对平板紫外压印工艺的概念，简化了UV胶涂布工艺，能有效提高微结构成型的效率，这将为实现规模划的生产微纳结构聚合物器件提供新的思路。
聚合物器件;光固化法压印成型;工艺参数;微纳结构
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
吴大鸣
2016
中文
TQ317
102
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）