DE102008055960A1

DE102008055960A1 - Felder von Nanosticheln für Feinstdruck- und Prägeverfahren

Info

Publication number: DE102008055960A1
Application number: DE200810055960
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Beansprucht wird ein Verfahren zur Erstellung von Formen mit Hilfe einer Anzahl von Nanosticheln, wobei:
- die Nanostichel in dem Feld unabhängig voneinander Vertiefungen in eine Fläche (24) prägen, sodass eine Matrize erstellt wird, deren Vertiefungen in mindestens einer Dimension Abmessungen aufweist die kleiner als 1 Mikrometer sind, sodass ein Vertiefungsmuster erzeugt wird, und wobei
- die mit dem Vertiefungsmuster versehene Fläche abgeformt wird, und wobei
- ein derartiges Metallmuster zur Bearbeitung einer Oberfläche verwendet wird,
sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung derartiger Formen in Druck- und Prägeprozessen.

Description

1. Stand der Technik
Bekannt sind Kontaktdruckverfahren, wobei bevorzugt ein Substrat entlang einer Druck- oder Prägelinie mit einer Druckform in Berührung gebracht und dadurch ein Farbmuster auf dem Substrat aufgebracht wird.
Bekannt sind Tiefdruckverfahren, bei denen ein „Tiefdruckzylinder” mit Näpfchen versehen ist, die jeweils einen Durchmesser von ca. 30–110 μ aufweisen, wobei dieser vollflächig mit einer Druckfarbe eingefärbt und abgerakelt wird, indem die Druckfarbe von der zylindrischen Einhüllenden des Tiefdruckzylinders – d. h. überall dort, wo dieser keine Näpfchen aufweist und demzufolge keine Farbe drucken soll – entfernt wird. Das zu bedruckende Substrat, wird bevorzugt zwischen diesem Druckzylinder und einem parallel-achsig aufgehängten Presseurzylinder eingeklemmt und die Druckfarbe wird in der Drucklinie (entlang der Berührungsfläche beider Zylinder) durch kapillare Effekte aus den Näpfchen herausgezogen, was nach Stand der Technik Näpfchen von mindestens 15 μ Durchmesser erfordert, sodass die Auflösung dadurch begrenzt ist.
Bekannt ist eine feiner auflösende Variante des Tiefdrucks, der sog. Stahlstichdruck, bei dem feinste Linien in eine Stahlplatte oder in einen Stahlzylinder geritzt werden. Dort wird eine hoch pastöse Farbe verwendet, die unter Hitze aufschmilzt und in das Linienmuster der erhitzten Druckform eindringt, wobei die Restfarbe von den Flächen der Druckform weggewischt wird. In der Druckline, also bei Berührung des kühlen Substrats, erstarrt die Farbe und wird aus der Stahlstichform gezogen. Es entstehen gedruckte Linien von – im Extremfall – wenigen μ Breite, die z. B. als „Guillochen” oder „Mikroschriften” im Sicherheitsdruck (Geldscheine, Wertpapiere etc.) eingesetzt werden.
Bekannt sind Polymerflüssigkeiten, die man auf ein Substrat aufbringt und als Feinstmuster prägt, nach Art eines Hologramms, und noch im Prägestempel mit UV-Licht aushärtet. Neueren Datums sind Verfahren, die eine mit auf einem Substrat aufgebrachte und mit UV vorpolymerisierte (also eingedickte) Farbschicht mit einem Hologramm-Shim prägen, im Rolle-zu-Rolle Modus und mit bis zu 4 m/Sekunde. Die dabei geprägten Strukturbreiten können deutlich kleiner als 1 μ sein und bilden sogenannte „nanoskalige” Muster.
Da derartige Muster – geprägt oder gedruckt – in funktionellen Strukturen (optische Elemente, Sensoren, Aktoren etc.) breite Einsatzmöglichkeiten haben, bräuchte man billige, flexible Verfahren zur Herstellung der zugehörigen Formen, und zur Nutzung derselben in Labormaschinen. Nach Stand der Technik wären hierzu z. B. nutzbar: Ablation mit UV-Kurzpulslasern, reaktives Ionen-Ätzen, und Bearbeitung mit Elektronenstrahlen. Diese Verfahren sind aber mit sehr hohem Aufwand an Zeit, Personal, Platz und Geld verbunden.
Bekannt sind nun von der IBM unter dem Namen „Millipede” (= „Tausendfüssler”) entwickelte Techniken zur Datenspeicherung. Dabei werden mittels einer Anzahl an extrem fein gespitzten, geheizten Sticheln (hinfort auch „Nanostichel” genannt), wie in 1 skizziert, Löcher (23) in eine geeignete Polymerfolie (24) gebrannt, wobei das überschüssige Material am Rande des Loches aufwellt (22). Die in die Folie „gestichelten” Löcher (23) können sehr klein sein, bis hinunter zu 20 nm Durchmesser, und sind als als Datenspeicher intendiert, d. h. dass ein gesticheltes Loch z. B. einem auf „1” gesetzten Bit enstpricht, während ein an der erwarteten Stelle fehlendes Loch eine „0” bedeutet, wie in Bild 1 für eine Zelle mit 2 mal 3 Speicherfeldern skizziert. Des Weiteren lassen sich durch lineare Bewegung eines Millipede-Stichels entsprechend feine Graben in die Oberfläche der Polymerfolie ziehen, bevorzugt auch mehrere Graben parallel.
Nun sieht das „Millipede”-Design nicht etwa einen einzigen Stichel vor, wie in 1 gezeigt, sondern eine grosse Anzahl (als „Feld” bezeichnet) solcher, bevorzugt schachbrettartig angeordeneter Stichel, die parallel arbeiten.
Diese Technik ist also vom Prinzip her schneller als die vorgenannten seriellen Strahlverfahren; ferner ist sie für den Massenmarkt intendiert, könnte sie also für Druck- und Prägeverfahren genutzt werden, so wäre sie kompakt, einfach zu bedienen und billig.
2. Beschreibung der Erfindung
Die nachstehend beschriebene Erfindung nutzt eine Anzahl mechanischer Nanostichel zur Erstellung von Formen zur Oberflächenbearbeitung mit einem Verfahren nach Anspruch 1, und einer Vorrichtung nach Anspruch 6. Weitere Eigenschaften der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
Dabei behält sich der Anmelder vor, einzelne Aspekte dieser Offenbarung in gesonderten Anmeldungen zu verfolgen.
2.1 Beschreibung einer bevorzugten Variante
Bevorzugt wird mit dem Millipede-Verfahren gem. 1 aus einer polymeren Folie eien gestichelte „Matriz” (24) – nachstehend auch „Master” genannt – erstellt; diese ist mit Vertiefungen (23), die hier als Löcher gezeigt sind, aber nach Abschnitt 1. auch als beliebig lange Rillen ausgeführt sein können, versehen. Aus (24) wird durch galvanische Abformung, nach Stand der Technik für die Herstellung von Hologramm-Shims, eine Anzahl metallischer Patrizen (25) gem. 2a gewonnen. Diese Patrizen bilden das Relief der Matriz ab, indem deren Vertiefungen (23) nun als Erhebungen (23a) abgebildet sind, und umgekehrt. Aus jeder solchen Patriz kann, bevorzugt wieder durch galvanische Abformung als Shim, eine Anzahl von Matrizen (26) gem. 2b erstellt werden, welche nun den Master (24) aus 1 detailtreu abbilden.
Sowohl die vorstehende Patrizen als auch die daraus gewonnenen Matrizen können in einer kommerziell verfügbaren Labordruck- und Laborprägemaschine genutzt werden. In den folgenden Unterabschnitten wird hierzu je ein Tiefdruck- und ein Prägeverfahren beschrieben, welches bevorzugt eine überarbeitete Version des Labratester der Fa. Norbert Schläfli Maschinen in Zofingen, Schweiz, einsetzt.
2.1.1 Tiefdruck mit nanoskaligen Muster
Zum Verständnis des Verfahrens wird zunächst der konventionelle Tiefdruck (mit Strukturbreiten grösser als 30 μ) mittels des Standard-Labratesters skizziert. Wie in 2 schematisch gezeigt, beinhaltet dieser eine verchromte, ebene Druckform (1), die an ihrer Oberfläche ein konventionelles Tiefdruckmuster (3) aufweist und auf einem Schlitten (2) angebracht ist, wobei (2) linear in der Richtung (6) bewegt wird. Dabei läuft (1) unter einem Zylinder (10) durch, auf dem das zu bedruckende Substrat (4) angebracht ist. (10) und (2) werden mit einem mechatronischen Antrieb so geführt, dass die Umlaufgeschwindigkeit an der Oberfläche von (4) exakt der Lineargeschwindigkeit von (1) entspricht und somit das Druckmuster (3) ohne Verschmieren auf (4) abgebildet wird. Vor jedem Druckgang wird eine kleine Menge (7) der zu verdruckenden Farbe, z. B. mit einer Pipette, auf (1) aufgebracht. Wenn (1) unter dem Rakel (5) durchläuft, wird die Farbe von den nicht bemusterten Teilen von (1) entfernt, und die in (3) enthaltene Farbe wird glattgestrichen, sodass nur der Inhalt von (3) auf (4) gedruckt wird. Dabei wird die (Bruchteile eines Millimeters breite) Berührungsfläche von (4) und (1), oder von (4) und der Oberfläche der Farbe in (3) als „Drucklinie” (8) bezeichnet.
In einer erfindungsgemässen Variante zum Drucken nanoskaliger Muster wird bevorzugt ein überarbeiteter Labratester mit wesentlich exakterem Antrieb verwendet. Dabei ist (1) mit einer – bevorzugt aufgeklebten – Matriz (26) versehen, welche ein Druckmuster (3) beinhaltet, das aus einer Anzahl von Vertiefungen (23), gebildet ist. 2 zeigt rein schematisch und insbesondere ohne Beachtung der Massstäbe, wie das in (26) eingebrachte Druckmuster (3), nachdem es von (5) abgerakelt wurde, von einer UV-Lichtquelle (11) angestrahlt wird, sodass die in den Vertiefungen (23) enthaltene Farbe vorpolymerisiert wird. Dabei ist bevorzugt der Abstand zur Drucklinie und damit das Zeitintervall zwischen Vorpolymerisieren und Erreichen der Drucklinie so gewählt, dass die Farbe von (4) angenommen und aus (3) gezogen wird. Dabei werden sehr glatte Substrate (4) verwendet. Bevorzugt wird die aufgedruckte Farbe von einer weiteren UV-Quelle (9) nachpolymerisiert.
2.1.2 Prägen, bevorzugt mit nachträglichem Drucken
Bevorzugt lässt sich der überarbeitete Labratester zum Heissprägen nanoskaliger Muster auf polymere Folien nutzen. Hierzu wird bevorzugt ein erfindungsgemässes Shim – Matriz (26) oder Patriz (25) – auf die nun zum Prägen genutzte Form (1) verklebt; diese wird bevozugt in einer Vorrichtung erwärmt und in den Labratester eingesetzt, was konstruktionsbedingt sehr einfach und schnell geht. Die zu prägende Folie wird auf (10) aufgebracht. Es wird das Rakel (5) entfernt. Nun fährt (1) unter der auf (10) synchron mitdrehenden Folie durch und prägt diese. Nach dem Prägen wird (1) sofort wieder entnommen, abgekühlt und gereinigt. Denkbare Varianten beinhalten den Einsatz elektrisch oder magnetisch geheizter, und geregelter Druckformen (1).
Bevorzugt wird durch das nanoskalige Prägemuster die Oberflächenenergie der Folie stark erhöht, sodass auf dieser nach Stand der Technik selbst-assemblierende Farbmuster erstellt werden können.
Denkbar ist auch, dass die geprägte Folie vollflächig eingefärbt, und dann die Farbe der Folie so entfernt wird, dass sie nur noch in den eingeprägten Vertiefungen verbleibt. Auf diese Weise können z. B. leitende Feinstmuster erstellt werden. Denkbar ist, dass eine derartige geprägte Folie passergenau mit einem Farbmuster bedruckt wird, um gerade sovie Farbe aufzutragen wie nötig, z. B. wie für die selbstassemblierenden Muster nötig. „Passergenau” heisst hierbei, dass das Druckmuster innerhalb enger Toleranzen genau auf das Prägemuster trifft.
2.1.3 Mesoskaliges Nachprägen nanoskaliger Prägemuster
Die erfindungsgemässe „Master” Matriz kann in einem weiteren Prägevorgang, bevorzugt bei einer niedrigeren Temperatur als bei der Millipede-Prägung, mesoskalig verformt werden. „Mesoskalige” Formen und Muster sind in ihren kleinsten Abmessungen viel grösser als nanoskalige Muster, bevorzugt weisen sie Strukturbreiten grösser als 10 Mikrometer auf, während nanoskalige Muster Strukturbreiten kleiner als 1 μ aufweisen.
Der so erzielte meso- und nanoskalige Master kann erfindungsgemäss galvanisch zu einer meso- und nanoskaligen Druckform abgeformt werden.
Z. B. kann so eine Stahlstich-Schrift gedruckt werden, die mesoskalig-dreidimensional ist, jedoch winzige Näpfchen, Beulen, oder Rillen aufweist wie in 5 schematisch gezeigt. Bevorzugt beinhaltet dabei eine Mikroschrift mit Buchstaben, die 100 μ hoch sind, jeweils bis zu 200 bevorzugt „horizontale” Rillen im Abstand von 500 nm. Diese Mikroschrift wird schillern, also als Sicherheitsmerkmal vom Typ 1 (keine Zusatzgeräte erforderlich) einsetzbar sein.
2.2 Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
2.2.1 Druck- und Prägeformen
Denkbar ist dass ein Master (24) auf einer bevorzugt harten Oberfläche angebracht ist, wobei bevorzugt die Stichel (20) so geregelt sind, dass sie knapp zu dieser Oberfläche vorstossen, ohne beschädigt zu werden, und bevorzugt eine chemische Nachbearbeitung erfolgt, sodass in den gestichelten Vertiefungen die harte Oberfläche, die bevorzugt aus Glas gebildet ist, blank liegt. Nun kann diese Oberfläche selektiv geätzt werden, sodass sie mit winzigen Näpfchen oder Rillen versehen wird.
Denkbar ist, in die erfindungsgemässe Formenherstellung gezielte Abformungsfehler einzubringen, die einen Code abbilden, sodass ein Sicherheitsmerkmal erstellt wird. Denkbar ist die Nutzung eines erfindungsgemässen Polymer-Masters als Abformfolie in einem Sprengprägeverfahren, wobei bevorzugt sicherheitsrelevante, von einem Produktpiraten sehr schwer duplizierbare Abformungsfehler entstehen.
Denkbar ist auch ein Hochtemperatur-Millipede, mit dem bevorzugt auf ca. 350 Grad Celsius erhitzte Flächen aus Materialien bearbeitet werden, welche nach Art eines Lotglases bei dieser Temperatur aufweichen, aber nach Erkalten hart werden und daher bevorzugt als Druck- oder Prägeformen einsetzbar sind.
Denkbar ist auch, auf Matriz oder Patriz einen DLC („diamond like carbon”) Film aufzubringen, sodass deren Oberfläche hart wird und daher zum Drucken oder Prägen genutzt werden kann.
Denkbar ist, dass obige Glas- oder mit einer harten Oberfläche versehenen Polymere für photopolymerisierendes Licht durchlässig sind und somit derartiges Licht durch die Druckform (1) und Drucklinie (8) hindurch in die Farbe einstrahlen kann.
2.2.2 Druck- und Prägeverfahren
Denkbar ist die Verwendung von Luftrakeln, sodass die Druckmuster nicht mehr mechanisch gerakelt werden. Bevorzugt werden dabei die Farben und Oberflächen der Druckformen auf jeweils geeignete Oberflächenspannungen eingestellt, sodass diese Farben in den Vertiefungen gut haften, nicht jedoch auf der unbemusterten Oberfläche der Druckform, sodass diese unbemusterten Flächen von Farbe freigeblasen werden können. Denkbar ist die Verwendung einer Anzahl von hintereinander geschalteten Luft- und mechanischen Rakeln.
2.3. Skalierung auf Rollendruck- und Prägemaschinen
Das bevorzugt beschriebene Labordruckverfahren ist auf Produktionsmaschinen zum Prägen oder Druck im Rollen- oder Bogenverfahren direkt übertragbar. Hierzu übernimmt bevorzugt der vorstehend beschriebene Tiefdruck- oder Prägezylinder die Rolle von (1) während ein Gegendruckzylinder dem Substratzylinder (10) entspricht. Bevorzugt ist das Substrat nicht mehr stationär auf einen Zylinder aufgewickelt, sondern wird zwischen Gegendruckzylinder einerseits, und Präge- bzw. Druckzylinder andererseits, durch die Maschine geführt.
2.4 Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemässe Druckverfahren kann bevorzugt zur experimentellen Herstellung feinster Leiterbahnen, Transistoren und optoelektronischer Vorrichtungen genutzt werden, die derzeit gestempelt werden (mit „nanoimprint lithography”). Es kann auch für Sicherheitsmerkmale genutzt werden, bevorzugt für solche, die mit Hilfsgeräten decodiert bezw. entdeckt werden.
Es kann schliesslich bedruckbare Substrate mit stark lokalisierter Oberflächenenergie kostengünstig bereitstellen, z. B. für eine selbstassemblierende Bemusterung.

Claims

Verfahren zur Erstellung von Formen mit Hilfe einer Anzahl von Nanosticheln, wobei: – die Nanostichel in dem Feld unabhängig voneinander Vertiefungen in eine Fläche (24) prägen, sodass eine Matrize erstellt wird, deren Vertiefungen in mindestens einer Dimension Abmessungen aufweist die kleiner als 1 Mikrometer sind, sodass ein Vertiefungsmuster erzeugt wird, und wobei – die mit dem Vertiefungsmuster versehene Fläche abgeformt wird, und wobei – ein derartiges Metallmuster zur Bearbeitung einer Oberfläche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einer Anzahl von Abformungsschritten jeweils aus einer Matrize eine Patrize abgeformt wird oder aus eine Patrize wieder eine Matrize, und wobei die Abformung bevorzugt galvanisch erfolgt.
Verfahren zur Nutzung einer Patrize oder Matrize nach Anspruch 2, wobei damit ein Substrat derart geprägt wird, dass dessen Oberflächenenergie an vorbestimmten Stellen seiner Oberfläche gesteigert wird, sodass bevorzugt eine Druckfarbe sich jeweils an diesen Stellen sammeln kann.
Tiefdruckverfahren zur Nutzung einer Matrize nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei bevorzugt die mit Drucktinte versehene Matrize mit einem geregelten Rakel abgerakelt wird, und wobei dieses Rakel als Luftrakel ausgeführt sein kann.
Tiefdruckverfahren zur Nutzung einer Matrize nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei bevorzugt das erzeugte Druckmuster durch Einstrahlung von Energie in der Nähe der Drucklinie verfestigt wird.
Verfahren zur Erstellung einer Druck- oder Prägeform, bei dem eine polymere Fläche auf einer bevorzugt harten Oberfläche angebracht wird, und diese polymere Fläche unter Nutzung einer Anzahl von Nanosticheln nach Anspruch 1 so bearbeitet wird, dass die Oberfläche in einem Ätzprozess bemustert werden kann.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Vorrichtung nach Anspruch 7 zur lokalen Erhöhung der Oberflächenenergie in einem Substrat nach Anspruch 3, und bevorzugt zum Aufbringen eines Farbmusters auf ein derartiges Substrat, wobei dieses Aufbringen passergenau sein kann.
Als Tiefdruckmaschine realisiserte Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, die eine Verfestigung der Drucktinte in der Nähe der Drucklinie beinhaltet, bevorzugt durch Photopolymerisation.
Tiefdruckmaschine, nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche eine Anzahl von Rakeln beinhaltet, die bevorzugt durch Auswertung des Druckmusters geregelt werden, wobei diese Rakel als Luftrakel ausgeführt sein können.
Tiefdruckform zur Verwendung in einem Verfahren und einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Tiefdruckform einem nanoskaligen Druckmuster ein mesoskaliges Druckmuster überlagert, sodass bevorzugt bemusterte Stahlstichschriftlinien gedruckt werden können.