Применение метода наноимпринта для единичного копирования полимерной френелевской и микрооптики

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НАНОИМПРИНТА ДЛЯ ЕДИНИЧНОГО КОПИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ФРЕНЕЛЕВСКОЙ И МИКРООПТИКИ Н.Н. Арефьева Научный руководитель - д.ф.-м.н., с.н.с. И.Ю. Денисюк

Исследовано применение метода наноимпринта для единичного копирования полимерной френелевской и микрооптики. Определены условия проведения процесса, обеспечивающие наилучшую точность передачи мелких деталей, в частности, вакуумирование силоксана и УФ-отверждаемого акрилата при затекании в матрицу. Проведена оценка точности передачи формы оптической поверхности при копировании.

Введение

Технология изготовления полимерной френелевской оптики известна и базируется на использовании процесса горячего прессования термопластиков, таких как поли-метилметакрилат и поликарбонат. Технология предполагает изготовление первичного оригинала линзы методом токарной обработки ПММА. Затем на оригинал напыляется в вакууме металл, далее металл гальванически наращивается до толщины 0,5-1 мм, и затем металлическая «зеркальная» матрица используется для горячего прессования [1].

В последнее время при использовании светодиодов в железнодорожных светофорах и необходимости обеспечения высокой яркости были разработаны и изготовлены френелеские линзы для получения излучения в конусе 1,5 градусов. При испытании линз оказалось, что одна центральная индикатриса сопровождается появлением шести паразитных индикатрис по шести углам шестиугольной линзы. В результате потери света на паразитных индикатрисах оказались значительны, и это существенно ухудшало энергетику светофора. Таким образом, при уменьшении ширины индикатрисы до 1,5 градуса разработчики столкнулись с физическими ограничениями процесса горячего прессования.

В настоящей работе проведено исследование, направленное на поиск альтернативных методов изготовления френелевской оптики, свободных от вышеуказанных недостатков и обеспечивающих возможность изготовления единичных копий.

Метод наноимпринта

В работе в качестве основного оптического материала используются УФ-полимеризуемые композиции [2]. УФ-отверждаемые композиции - это новый тип материала, разработанный за рубежом в начале 90-х годов. Композиция обычно состоит из олигомера, мономера и фотоинициатора. Преимуществами УФ-полимеризуемых мономерных композиций являются: быстрое отверждение, обеспечивающее высокую производительность, отсутствие растворителей и выделяющихся летучих органических соединений.

Использованные компоненты УФ-отверждаемой композиции:

1. феноксиэтилакрилат (мономер);

2. бисфенол А глицеролат диакрилат (бифункциональный мономер, поперечно-сшивающий агент);

3. диметоксифенилацетофенон (инициатор).

Основной метод изготовления френелевской линзы, использованный в работе -метод наноимпринта, основанный на процессе двукратного копирования оригинала с получением промежуточной «зеркальной» копии на ПДМС гибком штампе и второй копии на УФ-акрилате. Метод наноимпринта литографии предложен в 1995 г. По существу наноимпринт заключается в передаче топологической формы требуемой детали

от образца к копии [3, 4]. Относительная дешевизна метода вместе с возможностью получения пространственного разрешения ~ 1,5 нм делают его перспективным для копирования необходимой детали с большой точностью и минимальными затратами. Низкая адгезия отвержденного ПДМС обеспечивает возможность использования оригинала линзы, изготовленного на полиметилметакрилате методом токарной обработки. Поскольку ПДМС легко снимается с оригинала линзы без повреждения ее поверхности, оригинал можно использовать многократно, и получаемые копии будут идентичны друг другу.

Таким образом, для изготовления небольшой или штучной партии деталей целесообразно применить технологию наноимпринта.

Для эксперимента в качестве образца была использована линза Френеля, изготовленная методом литья под давлением поликарбоната по стандартной технологии. Суть эксперимента заключается в создании копии данной линзы с помощью метода наноим-принта и измерении ее оптических характеристик.

Технологический процесс

В качестве полимера для изготовления штампа использовался силоксан Т-4 [5]. Этот полимер по своим свойствам наиболее подходит для наноимпринта и подобен си-локсанам, используемым в зарубежных работах. Силоксан Т-4 легко отделяется от любой поверхности, не повреждая ее, поэтому форма поверхности передается с большой точностью и процесс копирования может быть повторен многократно.

Изготовление гибкого штампа. На рис. 1 в схематичном виде представлен процесс изготовления гибкого штампа, который заключается в заполнении формы поверхности образца силоксаном Т-4 с последующим обезгаживанием в вакууме.

силоксан Т-4 линза Френеля

Рис. 1. Заливка силоксана Т-4 на линзу Френеля (оригинал). Справа - фотография поверхности оригинала

силоксан Т-4

/........

линза Френеля

Рис. 2. Снятие гибкого штампа. Справа - фотография поверхности гибкого штампа

Проведенные эксперименты показали необходимость проведения обезгаживания силоксана, залитого на матрицу. При отсутствии обезгаживания в вакууме в силоксане остаются пузырьки воздуха, а также, вероятно, и растворенный воздух. В результате мелкие канавки и острые углы не прорабатываются. Напротив, при обезгаживании в вакууме 10 мм.рт.ст. в течение 30-40 минут жидкий силоксан кипит, что свидетельствует о выходе воздуха. После этого штамп полимеризуется в течение 18-24 часов и, как показано на рис. 2, отделяется от образца. Рассматривание отвердевшей силоксановой

копии в микроскоп показывает, что в этом случае обеспечивается затекание силоксана во все мелкие элементы оригинала, а форма передается правильно.

Изготовление акриловой копии. На рис. 3 и рис. 4 приведена последовательность операций при получении акриловой копии с гибкого штампа.

УФ

L

К Л/ ^ J

штамп

Рис. 3. Заполнение гибкого штампа жидкой акриловой композицией и ее полимеризация УФ-излучением

Рис. 4. Снятие гибкого штампа с готовой линзы.

Справа - фотография поверхности копии линзы

После заполнения объема штампа акриловой композицией в течение 45 минут акрилат обезгаживали в вакууме, чтобы уменьшить возникновение пузырей воздуха в копии. Кроме того, силоксан прозрачен для кислорода. В результате в работе обнаружено, что без вакуумирования акрилат вовсе не полимеризуется на силоксане, что может быть объяснено следующим образом. Известно, что УФ-отверждаемые акрилаты инги-бируются кислородом воздуха, и на воздухе реакция полимеризации не проходит [6]. Обычно для УФ-полимеризации без использования вакуума или аргона процесс проводят в закрытом объеме. Здесь силоксан мог бы являться одной из поверхностей этого объема. Однако оказалось, что силоксан прозрачен для кислорода, а его емкость по кислороду столь значительна, что УФ-отверждение акрилата, контактирующего с силок-саном Т-4, не начинается даже через 30 минут после начала экспонирования. Только вакуумирование или напуск аргона позволяет начаться процессу фотополимеризации.

Штамп из силоксана оптически прозрачен на длине волны более 280 нм, поэтому возможна полимеризация УФ-излучением при экспонировании через него. Реакцию полимеризации обеспечивает фотоинициатор, входящий в состав акриловой композиции, который активизируется под действием энергии фотонов и, расщепляясь, вступает в химическую реакцию с олигомерами и мономерами, сшивая их в длинные трехмерные цепочки полимера. Сравнение спектров пропускания силоксановой композиции, через которую проводится полимеризация, спектра поглощения фотоинициатора и спектра излучения ртутной лампы показывает возможность фотоотверждения с использованием излучения линий 313 и 365 нм. В данной работе фотоотверждение проводилось на длине волны 365 нм. Для этого использовалась лампа OSRAM OSW 125 с УФ-люминофором, т.е. ее люминофор поглощал жесткий ультрафиолет и излучал его на длине волны 365 нм. Мощность УФ света 365 нм составляла 5 Вт. Результаты эксперимента приведены на рис. 5.

Рис. 5. Фотографии линзы оригинала

и копии

Для контроля формы поверхности гибкий штамп был разрезан и разрез сфотографирован. Как видно из таблицы, сравнение полученных углов структуры с рассчитанными на чертеже показало их идентичность с точностью 5-10 минут. Следовательно, данный метод позволяет копировать микрооптику.

N aN aN N aN aN N aN aN N aN aN

теор. практ. теор. практ. теор. практ. теор. практ.

1 1°20' 1°20' 14 37°40' 37°35' 27 60°20' 60°15' 40 72°40' 72°40'

2 4° 4° 15 39°50' 39°50' 28 61°10' 61°10' 41 73°20' 73°20'

3 7°30' 7°35' 16 42° 42° 29 62°45' 62°40' 42 74° 74°

4 10°50' 10°55' 17 44° 10' 44° 10' 30 63°50' 63°50' 43 74°40' 74°40'

5 13°30' 13°30' 18 46° 10' 46° 10' 31 64°55' 64°55' 44 75°17' 75°20'

6 16°30' 16°30' 19 48°10' 48°10' 32 66° 10' 66°20' 45 75°55' 75°50'

7 19°30' 19°30' 20 50° 50° 33 67° 67° 46 76°33' 76°35'

8 22°30' 22°30' 21 52°10' 52°10' 34 67°50' 67°50' 47 77°12' 77°12'

9 25°30' 25°25' 22 54° 54° 35 68°45' 68°45' 48 78°05' 78°10'

10 28°10' 28°10' 23 55°20' 55°20' 36 69°40' 69°40' 49 79° 10' 79° 10'

11 30°30' 30°35' 24 56°30' 56°30' 37 70°40' 70°45' 50 80°05' 80°05'

12 32°50' 32°40' 25 57°50' 57°50' 38 71°20' 71°15'

13 35°10' 35°10' 26 59°10' 59°10' 39 72°05' 72°05'

Таблица. Сравнение углов гибкого штампа с расчетом Заключение

С помощью метода наноимпринта была получена копия линзы Френеля. Процесс не требует применения дорогостоящего оборудования и экономически оправдан даже при изготовлении одиночных копий. В связи с отсутствием необходимости нагрева (например, метод литья под давлением) в полимерной копии линзы Френеля не возникают деформации и напряжения, а это, в свою очередь, позволяет изготавливать линзы с большой толщиной, не изменяя их оптических характеристик. В ходе эксперимента была установлена необходимость вакуумирования как силоксана, так и акриловой композиции.

Данная работа выполнялась при поддержке по гранту РФФИ № 05-02-08048.

Литература

1. Окатов А.М., Антонов Э.А., Байгожин А. и др. Справочник технолога - оптика. СПб: Политехника, 2004. 679 с.

2. http://www.tanzor.ru/polygraphmats/

3. Gates D. Nanofabrication with molds and stamps. // Materials today. 2005, February. Р.44-49.

4. Sotomayor Torres C.M., Zankovych S. Nanoimprint lithography: an alternative nanofabrication approach. // Materials Science and Engineering. 2003. №23. P. 23-31.

5. http://www.penta-91.ru

6. Andrejewska E. Photopolymerization kinetics of multifunctional monomers. // Progress in polymer science. 2001. №26. P. 605-665.