長三角G60雷射聯盟導讀
東京大學開發了一種名為雷射輔助直接輥壓壓印（LADRI）的高通量制造方法，以降低大面積聚合物薄膜的奈米壓印成本。該研究以「Laser-assisted direct roller imprinting of large-area microstructured optical surfaces」為題發表在【Microsystems & Nanoengineering】上。
本研究開發了一種名為雷射輔助直接輥壓壓印（LADRI）的高通量制造方法，以降低大面積聚合物薄膜的奈米壓印成本，並解決與奈米壓印相關的問題，即微結構損傷和整個薄膜的平整度精度。利用 LADRI，雷射直接加熱滾筒模具的微結構表面，從而加熱並熔化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜表面，快速復制模具上的微結構。本研究透過實驗研究了雷射功率密度、掃描速度、微結構尺寸和接觸壓力對復制速度的影響。復制速度隨著功率和掃描速度的增加而提高。然而，由於薄膜需要加熱直至充滿整個微結構深度，因此需要適當的復制速度。利用瞬態熱傳導分析對模具和 PMMA 內部的溫度分布進行了模擬，從而證實了這一結果。為了展示LADRI的套用，研究人員復制了兩種不同的光學表面：一種是具有數百奈米錐形結構的抗反射(AR)結構，另一種是具有由10μm 透鏡組成的微透鏡陣列(MLA)的吸光結構，分別用於顯示和照明。MLA的復制程度受接觸壓力的影響。聚合物流動模擬表明，熔融的PMMA 表面的熱傳導和流動速度在幾十微米範圍內相當。此外，AR 結構的反射率從 4% 降至 0.5%，吸光結構的光強度增加了 1.47 倍。
圖 1：雷射輔助直接輥壓壓印(LADRI)。
圖 2：實驗裝置和樣品圖片。
圖 3：非穩態熱傳導結果。
圖 4：不同功率水平胡照射時間下的有限元計算和實驗結果。
圖 5：復制的AR結構。
圖 6：抗反射結構復制結果。
圖 7：MLA 復制結果。
圖 8：復制的MLA薄膜對有機電致發光的吸光演示。
該研究設計了一種新的大面積微結構復制方法LADRI，它結合了LADI和輥壓印的概念。透過復制實驗和利用繞射圖樣進行有限元熱模擬，研究了雷射功率和掃描速度對復制特性的影響。模擬結果與實驗結果一致，並成功證明了LADRI的高效性。研究發現，75 微米厚的PMMA 薄膜不會出現皺褶，因為只有表面被加熱和冷卻。由於鎳模具的熱膨脹系數與 PMMA薄膜的熱膨脹系數不同，對局部升溫和殘余應力進行了定量研究。進一步證明了抗反射和吸光結構這兩種光學套用的光學效能的提高。此外，研究還闡明了聚合物的流體動力學和壓力對 LADRI復制10 微米以下結構的復制程度的依賴性。
論文連結：
Nagato, K., Takahashi, K., Yajima, Y. et al. Laser-assisted direct roller imprinting of large-area microstructured optical surfaces. Microsyst Nanoeng 10, 9 (2024). https://doi.org/10.1038/s41378-024-00650-3
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