Применение метода наноимпринта для формирования пленочных ретрорефлекторов

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НАНОИМПРИНТА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ РЕТРОРЕФЛЕКТОРОВ

Е.Б. Шекланова Научный руководитель - д.ф.-м.н., ст.н.с. И.Ю. Денисюк

Рассматривается возможность формирования пленочных ретрорефлекторов в объеме гибкой полимерной пленки толщиной не более 100 мкм методом наноимпринта.

Введение

На сегодняшний день, пожалуй, единственным материалом для изготовления оптических микроструктур являются полимеры. Они делают возможным получение структур микро- и наноразмеров, а также позволяют подбирать физические и оптические свойства, такие как показатель преломления, жесткость и т.д., в зависимости от конкретной задачи.

Существует несколько способов получения различных полимерных микроструктур. В основном их изготовление сводится к различным способам копирования на полимер схемы с уже готовой структуры, которая в большинстве случаев не является полимерной. Как правило, это литографический шаблон, с которого впоследствии выполняется обратная копия - штамп, а затем с его помощью изготавливаются полимерные структуры. Существуют и способы «прямой записи» оптических интегральных схем -полутоновая литография, запись лазерным лучом. Эти методы позволяют создавать практически любые конфигурации электрооптических схем, но их недостатком является не слишком хорошая воспроизводимость формы поверхности. Методом, позволяющим воспроизводить формы с точностью до 1,5 нм, является метод наноимпринта.

Целью данной работы является формирование пленочных ретрорефлекторов в объеме гибкой полимерной пленки толщиной не более 100 мкм, обеспечивающих отражение света в направлении источника не зависимо от угла падения на него света (до 60°).

Метод наноимпринта

В настоящее время одним из наиболее перспективных методов в области изготовления различных микрооптических элементов является метод наноимпринта. Но сам по себе метод наноимпринта имеет ряд недостатков, например для увеличения сроков эксплуатации требуется подбирать полимеры с как можно более высокими температурами плавления, что нежелательно. Для решения этой и ряда других проблем была разработана технология soft lithography (буквальный перевод - гибкая литография), в которой используется гибкий штамп из полидиметилсилоксана и УФ-отверждаемая композиция мономеров, жидкая при комнатной температуре. В этом случае жидкая композиция затекает в штамп при комнатной температуре, а затем проводится ее УФ полимеризация с получением твердого термостойкого материала.

Технология основана и была бы невозможна без полидиметилсилоксана. Полиди-метилсилоксан (ПДМС) - новый полимерный материал, имеющий ряд необычных свойств. Он прозрачен до 250 нм, следовательно, возможно проведение УФ-полимери-зации жидкой композиции при освещении ее через готовый ПДМС штамп. Основная особенность полимера ПДМС, на которой и основано его применение - изменение адгезии при полимеризации. Исходный мономер имеет высокую адгезию к большинству материалов. Этим обеспечивается смачивание и его затекание в мельчайшие элементы формы. Малые размеры молекулы мономера обеспечивают затекание в объемы размером более 1,5 нм [1]. После полимеризации свободные связи исходного мономера замыкаются и его адгезия уменьшается почти до нуля.

Рис. 1. Последовательность стадий процесса Soft lithography

Реализация копирования различных структур включает следующие стадии (рис. 1).

1. Нанесение жидкого ПДМС с введенным инициатором на поверхность копируемого элемента - шаблона. Для изготовления гибкого штампа необходим фотолитографический шаблон определенной формы (для конкретной задачи). Поверхность шаблона должна быть чистой и свободной от загрязнений. Для этого необходимо провести предварительное очищение шаблона, поместив его в состав растворителя на несколько минут.

2. Полимеризация ПДМС в контакте с поверхностью элемента, разъединение ПДМС и элемента.

3. В полученную матрицу из ПДМС заливается жидкая УФ-полимеризуемая композиция с необходимыми оптическими свойствами.

4. УФ полимеризация жидкой композиции в матрице ПДМС. Штамп ПДМС оптически прозрачен на длине волны более 280 нм, поэтому возможно полимеризация при УФ-облучении через ПДМС на непрозрачной подложке. Затем штамп отделяют. Отделение происходит достаточно просто, так как силоксан не имеет адгезии к подложкам и является гибким и прочным. Под микроскопом видно, что силоксан полностью затекает во все мелкие элементы оригинала, и форма получаемого штампа передается с хорошей точностью (рис. 2) [1-3].

ft.

щ.

а б

Рис. 2. Получение гибкого штампа: а - шаблон; б - гибкий штамп

Уголковый отражатель, ретрорефлектор

Призменные отражатели - они же катафоты - несложны в изготовлении, способны работать при угле отклонения падающего излучения до 60° [4]. Первоначально уголковые отражатели были разработаны для радиолокационной техники. Поэтому в видимом диапазоне используется принцип работы отражателя, и теория его разработана для РЛС с учетом соответствующей длины волны света. Уголковый отражатель (УО) представляет собой пирамиду, три грани которой являются взаимно перпендикулярными зеркалами, а четвертая грань прозрачна и обращена к наблюдателю (рис. 3) [4]. и

а б

Рис. 3. Принцип работы призменного отражателя

Оптические УО получили распространение после появления лазеров. У них эффективная площадь рассеяния, представляющая себой площадь гипотетической плоской цели, имеющей коэффициент отражения в заданном направлении, что и данная цель, довольно велика за счет отношения а/Х, где X - длина волны излучения, а - размер грани. При этом величина эффективной площади рассеяния слабо зависит от угла падения на нее электромагнитных волн. Рассчитать ее можно по формуле [5]: £эф = 4ла4/3^.

Для сравнения рассчитаем эффективную площадь рассеивания для уголкового отражателя с гранью порядка 3-5 мм и точно такого же микропризменного элемента с гранью порядка 20-100 мкм при длине волны ^=650 нм.

Катафот: = 4п(310-3)4/365010-9, &ф= 1,9410-5(м2), а/Х=4615,4 Микропризменный УО: 4п.(30 10-6)4/3.650 10-9, &ф= 5,1210-13(м2), а/Х=46,154 Для классических катафотов соотношение размер/длина волны очень велико, поэтому в данной работе по исследованию микрооптических элементов их не принимают во внимание. При размере микропризмы 50-100 мкм это соотношение уже является существенным и лимитирует минимальный размер микропризмы на уровне 20-30 мкм, ниже которого не выполняются законы геометрической оптики.

Пленочные ретрорефлекторы в объеме гибкой полимерной пленки

Были изготовлены пленочные ретрорефлекторы с микропризменным рельефом при использовании двух типов штампов, которые определяли форму структур. В работе исследованы оптические характеристики как копий, так и образцов ретрорефлекторных пленок зарубежных фирм. На рис. 4 и 5 показаны графики зависимости интенсивности отраженного луча от угла падения света. Хорошо видно, что наиболее благоприятными углами являются 0° и 30°.

На рис. 6 изображена исходная пленка фирмы 3М, размер элемента составляет порядка 20 мкм, элементы ретрорефлектора являются зеркальными поверхностями, поэтому при использовании высокоапертурных объективов не удается наблюдать форму

ретрорефлектора [6]. На рис. 7 изображена другая пленка, с гораздо более крупным размером элементов, что позволяет их рассмотреть.

в.ос-

30 40

Угол поворота

-Расстояние до приемник 90см  Расстояние до приемник 60см * Расстояние до приемник 30см

Рис. 4. Интенсивность отраженного излучения в зависимости от расстояния до приемника и угла падения света на ретрорефлектор (угол поворота ретрорефлектора отсчитывается от нормали). Пленка фирмы 3М США, оригинал

Рис. 5. Интенсивность отраженного излучения в зависимости от расстояния до приемника и угла падения света на ретрорефлектор (угол поворота ретрорефлектора отсчитывается от нормали). Пленка, произведенная в Китае, оригинал

б

а

Рис. 6. Пленка фирмы 3М, США. Фотография, сделанная при помощи микроскопа (а);

внешний вид

Рис. 7. Форма элементов

Рис. 8. Копия пленки китайского производства. Свет падает под углом 0° к нормали

Рис. 9. Копия, снятая с пленки китайского производства. Свет падает под углом 30° к нормали

Как видно из рис. 8 и 9, отраженный луч после прохождения через скопированный пленочный ретрорефлектор довольно сильно рассеивается. Но при сравнении с ис-

ходными образцами видно, что рассеивание света на копии практически соответствует рассеянию света на оригинале.

Заключение

В ходе работы была исследована возможность применения метода наноимпринта, а именно технологии гибкой литографии, с использованием гибкого штампа для формирования пленочных ретрорефлекторов в объеме гибкой полимерной пленки толщиной не более 100 мкм методом наноимпринта. Были получены структуры с размером элемента порядка 20-30 мкм. Как видно, уголковые отражатели в виде микроструктуры в полимерной пленке толщиной 100 мкм легко выполнимы и имеют хорошие характеристики по отражению, близкие к оригиналу.

Литература

1. Byron D. Gates Nanofabrication with molds & stamps // Materialstoday. - Feb. 2005. - Р. 45-49.

2. L. Jay Guo Recent progress in nanoimprint technology and its applications // Jornal of Physics D: Applied Phisics. - 2004. - № 37. - Р. 123-141.

3. A. Rogers and Ralph G. Nuzzo Recent progress in soft lithography // Materialstoday. -Feb. 2005. - Р. 50-56.

4. Patent No.: US 6967053 B1. Durable, open-faced retroreflective prismatic construction.

5. БСЭ, Уголковый отражатель [Электронный ресурс]; - Режим доступа: http://bse.chemport.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.

6. MSDS, Diamond Grade™ LDP Reflective Sheeting [Электронный ресурс]; - Режим доступа: http://www.mmm.com, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. анг.