NANOROLL ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ NANOROLL

Μεγάλης έκτασης νανοδομημένες λειτουργικές επιφάνειες κατασκευασμένες με συνδυασμό λιθογραφίας λέιζερ και με την συνεχή νανοεκτυπωτική λιθογραφική μέθοδο (NanoRoll)

ΚΟΙΝΟΠΡΑΞΙΑ
Κωδικός έργου: Τ6ΥΒΠ-00254
Διάρκεια έργου: 36 μήνες (10/2019 – 10/2022)
Συνολικός προϋπολογισμός: 600.000 EUR
Συντονιστής: Nanotypos

Σκοπός του NanoRoll είναι η ανάπτυξη και η παραγωγή λειτουργικών επιφανειών με συνεχείς (roll- to-roll) λιθογραφικές διαδικασίες. Στόχος είναι η μεταστροφή της παραγωγικής διαδικασίας από διακοπτόμενη (batch-to-batch) σε συνεχή συνδυάζοντας την λιθογραφία με χρήση δέσμης λέιζερ και της κυλινδρικής νανοεκτυπωτικής λιθογραφικής μεθόδου (R2RNIL). Η πρόσβαση σε υψηλή συχνότητα/παλμό και ενέργειας λέιζερ και ο συγχρονισμός για τη λιθογραφία σε κυλινδρικά μεταλλικά υποστρώματα (μήτρες/καλούπια) προσφέρεται ως μια εναλλακτική μέθοδος για την παραγωγή μητρών συμβατών με τη νανοεκτυπωτική λιθογραφική μέθοδο. Έτσι, η μαζική παραγωγή πολλών προϊόντων με λειτουργικές επιφάνειες (προσωποποιημένες πλαστικές επιφάνειες, εύκαμπτες ηλεκτρονικές συσκευές, οθόνες, φωτοβολταϊκά πάνελ, λειτουργικά υφάσματα κ.α.) απλουστεύεται, γίνεται οικονομικά βιώσιμη και αποκτά μεγαλύτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον.




Εικόνα 1: Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας παραγωγής της μήτρας εργασίας NanoRoll. Η δέσμη λέιζερ μορφοποιεί απευθείας τον μεταλλικό κύλινδρο, μικροδομώντας την επιφάνειά του. Καταλήγουμε απευθείας στην κυλινδρική μήτρα που χρησιμοποιείται στη συνεχόμενη νανοεκτυπωτική λιθογραφική μέθοδο για μαζική παραγωγή λειτουργικών επιφανειών

Η λιθογραφία NIL βρίσκεται στον οδικό χάρτη των ημιαγωγών (ITRS roadmap) ως μια ανερχόμενη και πολλά υποσχόμενη λιθογραφική μέθοδος για την επίτευξη (υπο-10 nm) υψηλής λιθογραφικής ευκρίνειας. Το 2015 η παγκόσμια αγορά νανο-σχηματομόρφωσης ανήλθε στα 1,9 Β$ και υπολογίζεται ότι θα φτάσει τα 19.1 Β$ μέχρι το 2020. Η τεχνολογία NIL αντιπροσωπεύει το 82,9% της συνολικής αγοράς νανο-σχηματομορφωτικών διαδικασιών καθώς το 72.8% αυτή ανήκει στην τεχνολογία UV-NIL. Το 2020 προβλέπεται ότι η τεχνολογία UV-NIL θα ξεπεράσει τα 1.4 Β$.

Πρόκληση αποτελεί η δημιουργία ιεραρχημένων δομών συνδυάζοντας μίκρο και νάνο δομές στην ίδια επιφάνεια προσδίδοντας ένα συγκριτικό πλεονέκτημα για παραγωγή φθηνών και εύκαμπτων λειτουργικών επιφανειών.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη βιο-μιμητικών επιφανειών με ελεγχόμενες ιδιότητες. Μεταξύ άλλων φυσικών φαινομένων, τα φύλλα ενός νούφαρου αποτελούν ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα φυσικής επιφάνειας η οποία χαρακτηρίζεται ως υπερ-υδροφοβική και ταυτόχρονα αυτό-καθαριζόμενη. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά μιας τέτοιας επιφάνειας προέρχονται τόσο από την τοπογραφία της επιφάνειας όσο και από τη χημική σύνθεσή της. Η δημιουργία μεγάλης κλίμακας τεχνητών βιο-μιμητικών επιφανειών αποτελεί μια τεχνολογική πρόκληση. Παρότι τα τελευταία χρόνια υπάρχουν πολλές αναφορές για τη δημιουργία εργαστηριακής κλίμακας (τετραγωνικά εκατοστά) βιο-μιμητικών επιφανειών, παραμένει υπό έρευνα ο τρόπος δημιουργίας χαμηλού κόστους (<10 €/m2) και μεγάλης έκτασης (m2) επιφανειών με ελεγχόμενες επιφανειακές ιδιότητες. Η ανάγκη αυτή για μεγάλης κλίμακας αναπαραγωγή μίκρο ή/και νάνο δομημένων επιφανειών έχει φέρει στην επιφάνεια νέες μεθόδους κατασκευής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας τεχνολογίας αποτελεί η κατασκευαστική μέθοδος συνεχούς (roll-to-roll) νανοεκτυπωτικής λιθογραφίας (nanoimprint lithography, NIL).

Η τεχνολογία NIL αποτελεί μια φασική λιθογραφική διαδικασία παραγωγής και αναπαραγωγής μίκρο/νάνο δομών και διατάξεων. Κατά τη διαδικασία της υπεριώδους φωτός νανοεκτυπωτικής λιθογραφίας (UV-NIL) η σφραγίδα/μήτρα (η οποία περιέχει εγχαραγμένα τα δομικά στοιχεία ή τις διατάξεις που θέλουμε να αποτυπώσουμε) έρχεται σε επαφή με ένα λεπτό υμένιο φωτοπολυμερούς (που βρίσκεται σε ένα υπόστρωμα) και εκτίθεται σε ακτινοβολία UV. Αρχικά η τεχνολογία NIL είχε τη μορφή φασικής λιθογραφίας, δηλαδή μια τεχνολογία αναπαραγωγής δισκίων πυριτίου με διακοπτόμενο τρόπο.

Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί μια νέα μορφή της τεχνολογίας NIL η οποία είναι συνεχής και αποτελεί την πλέον επίκαιρη και καινοτόμα μέθοδο αναπαραγωγής διατάξεων και δομών με υψηλούς ρυθμούς και με χαμηλό κόστος. Η λεγόμενη και ως συνεχής νανοεκτυπωτική λιθογραφική μέθοδος (roll-to-roll nanoimprint lithography- R2RNIL) προσφέρεται για την παραγωγή έξυπνων βιο-μιμητικών επιφανειών με συνεχή τρόπο πάνω σε εύκαμπτα πολυμερικά υλικά και με μικρό κόστος.

Η διαδικασία R2RNIL χρησιμοποιεί έναν εγχαραγμένο (αποτελούμενο από μίκρο ή/και νάνο δομές) κύλινδρο για την αναπαραγωγή των δομών αυτών σε εύκαμπτα πολυμερικά υποστρώματα. Σήμερα η παραγωγή των εγχαραγμένων κυλίνδρων έγκειται σε διαδικασίες λιθογραφίας προερχόμενες από τον χώρο της μικροηλεκτρονικής οι οποίες γίνονται σε δισκία πυριτίου. Εν συνεχεία τα λιθογραφημένα δισκία αντιγράφονται σε εύκαμπτα μεταλλικά ή πολυμερικά υποστρώματα τα οποία και προσαρμόζονται σε κύλινδρο. Συνεπώς η διαδικασία παραγωγής των κυλινδρικών μητρών είναι χρονοβόρα και αρκετά δαπανηρή. Ταυτόχρονα λόγω του τρόπου προσαρμογής των ευκάμπτων υποστρωμάτων στον κύλινδρο δημιουργείται ένα κενό (seam) και κατ’ επέκταση έχουμε μια διακοπτόμενη εικόνα/τοπογραφία κατά την αναπαραγωγή. Aπό τη διαδικασία αυτή, λοιπόν, παίρνουμε μη συνεχόμενη τοπογραφία κατά τη διαδικασία της αναπαραγωγής. Ταυτόχρονα λόγω της περιορισμένης επιφάνειας των δισκίων πυριτίου (μέγιστο μέγεθος δισκίων πυριτίου 300-450mm) η χρησιμοποίηση της λιθογραφίας αυτής δεν προσφέρεται για την παραγωγή μεγάλης έκτασης επιφανειών (πχ. >1 μέτρου) περιορίζει έτσι τη χρήση και την εφαρμογή της τεχνολογίας roll-to-roll.

Η πρόταση NanoRoll αντί της παραγωγής μήτρας πυριτίου και του πολλαπλασιασμού της και εν τέλει της προσαρμογής σε κύλινδρο θα χρησιμοποιηθεί για την τεχνολογία της λιθογραφίας λέιζερ η οποία επιτρέπει την απευθείας εγχάραξη στον μεταλλικό κύλινδρο και την αποφυγή της διακοπτόμενης εικόνας κατά την αναπαραγωγή. Πέραν του πλεονεκτήματος της συνεχούς αναπαραγωγής μη/διακοπτόμενων εικόνων/τοπογραφιών, ο συνολικός χρόνος της παραγωγικής διαδικασίας μειώνεται κάτι το οποίο είναι πολύ ελκυστικό για τη βιομηχανία.

Η ισχυρή δέσμη λέιζερ θα συνδυαστεί με ταχεία σάρωση και δέσμη διαχωρισμένη/περιθλόμενη (beam- splitting) δέσμη για την εγχάραξη μίκρο ή και νάνο δομών σε μεταλλικό κύλινδρο. Λόγω των ιεραρχημένων δομών θα χρησιμοποιήσουμε δύο δέσμες με διαφορετικό μήκος κύματος για να πετύχουμε την αναγκαία δομική ανάλυση που απαιτείται για τη δημιουργία μίκρο και νάνο δομών.

Ως τελικός στόχος της πρόσβασης και εφαρμογής της λιθογραφίας σε μεταλλικό κύλινδρο είναι η χρησιμοποίησή του σαν μήτρα εργασίας στη συνεχή αναπαραγωγική διαδικασία R2RNIL. Η εφαρμογή της τεχνολογίας θα χρησιμοποιηθεί για την πιλοτική παραγωγή λειτουργικών επιφανειών με ελεγχόμενες ιδιότητες. Συγκεκριμένα θα παραχθούν μεμβράνες με αυτό-καθαριζόμενες και αντι- ανακλαστικές ιδιότητες για την εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκά πάνελ. Απώτερος στόχος της μελέτης είναι η αύξηση της αποδοτικότητας (κατά 5%) των φωτοβολταϊκών συστημάτων με την εφαρμογή της μεμβράνης στην επιφάνεια τους.