印刷新视点：纳米图像印刷技术

发布时间：2012-11-6 16:37:20

 

        纳米绿色印刷技术已经延伸到电子、建材、印染等行业，通过纳米材料的创新和应用，解决行业的环境污染和高能耗问题，同时降低生产成本，形成“纳米材料绿色印刷产业技术集群”。
 

        到底什么是纳米图像印刷技术呢?所谓纳米图像印刷技，是一种新型的压印转印技术，它被广泛用于纳米凹凸图形的加工制作。
 

 

        纳米图像印刷技术就是将具有纳米凹凸图像的模具作“印版”，用预先涂有聚合物涂层的硅片或玻璃片等作基板(被印物)，在相应的设备和器具配合下，通过精确压印并定型以后，再把模具与基板分离开来。这时，存在于模具表面的纳米凹凸图像便准确无误地被转印到基板表面的聚合物膜上了。这个被转印出的图像与模具表面的凹凸图形大小相等，深浅一致。但形状正好相反(阴转阳的图像)，即前者的凸起处恰是后者凹下去的地方，反之亦然。这种利用印刷压模的原理转印出具有纳米凹凸图形的技术，就是纳米图像印刷技术。
 

        纳米图像印刷技术在包装印刷中的应用
 

        瓦楞纸箱的制造离不开包装印刷，在包装印刷行业中，纳米微粒扮演着越来越重要的作用。纳米油墨兼容各方面性能。产品(尤其是食品)包装印刷中，很多都对除菌、保鲜等都有很高的要求，而传统的油墨和包装材料在这方面是个空白。如今，纯天然的基础材料经过纳米技术的改造，再加上应用纳米油墨印刷，就能发挥惊人的杀菌效果，在保鲜包装材料中加入纳米银粉，便可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯，减少包装中乙烯含量，达到良好的保鲜效果。由于二氧化硅、二氧化钛在纳米尺度时表现出很强的抗紫外光和催化性能，经特殊加工化学反应合成的纳米改性油墨，其耐晒性一般可提高2-3个等级，耐热性和附着牢度均有明显提高。调整配方，可制成环保型油墨;加入热敏、光敏等材料，还可制成防伪油墨。
 

        为大家总结纳米图像印刷技术的应用：
 

        (1)微接触印刷技术(MCP)
 

        就是把有机高分子溶液作油墨，涂于硅橡胶印版的图像部分，通过微接触印刷的方法，将印版凸起处的有机高分子转移至被印基板表面(图1)。由于发明者的巧妙设计，有机高分子被牢牢地吸着在基板表面上，形成分子厚度的凹凸图像。人们把这种技术称为微接触印刷技术。这里需要说明的，是在早期的实验中，作为油墨用的是带巯基的有机高分子乙醇溶液，所谓的基板是指表面镀有一层金膜的硅片材。当人们将硅橡胶印版上含巯基的高分子溶液转印到金膜上，便形成了自组装式的单分子膜图像。日本产业技术综合研究所纳米工艺学研究部的水谷亘等人指出，除含巯基的有机高分子溶液可作为微接触印刷的油墨使用外，最近科学家们又发现了表面具有化学活性的氨基硅烷，也是一种性能非常好的油墨。用这种油墨印刷出的图像(基板为云母片)，经原子能显微镜(AFM)检测确认，在氨基硅烷图像的表面吸附着大量的DNA分子。人们认为，这是因为氨基硅烷表面的正电荷与具有负电荷的DNA分子相互吸引的结果。
 

        微接触印刷不但具有快速、廉价的优点，而且还不需要洁净间的苛刻条件，甚至不需要绝对平整的表面。微接触印刷还适合多种不同表面，具有操作方法灵活多变的特点。该方法的缺点是在亚微米尺度，印刷时硫醇分子的扩散将影响对比度，并使印出的图形变宽。通过优化浸墨方式、浸墨时间，尤其是控制好压模上墨量及分布，可使扩散效应下降。
 

        (2)毛细管微造型术(MIMIC)

        就是将具有纳米凹凸图像的印版置于基板表面，这时印版图像凹凸处与基板表面形成极细的缝隙(毛细管)，然后把液体聚合物滴在硅橡胶印版上。由于毛细管作用，液体聚合物便自行进入这些缝隙中。如果我们将缝隙中的聚合物固化后并将两者分离开来，即可获得精细的纳米凹凸图像。该技术可在光学组件等的制造领域获得广泛应用。
 

        (3)微转印造型术(mTM)
 

        就是将预聚物当做油墨，施涂于硅橡胶印版的凹陷处，通过转印方式，把预聚物转移到基板表面，再加热固化，形成纳米凹凸图像。我们把这种印刷方法称为微转印造型术。
 

        (4)近场相位转换印刷术(PSL)
 

        就是在基板上涂布光致抗蚀剂涂层后，再用硅橡胶模具在抗蚀剂涂膜上转印图像，并把它作为接触曝光的掩膜，如用紫外光对其接触曝光。由于硅橡胶模具转印的凹凸图形引发相位转换，从而有可能形成图像。不过，前提条件是图像凹凸部位的尺寸大小要比紫外光的波长还小，近场光的作用才能使图像转印成为现实。最近有文献报导，用此种技术可在球面上形成纳米图像。
 

        除此之外，还有纳米化学平板印刷术。它是纳米材料自装配技术的最新类型之一。在科学家的演示中，这一工艺能够有效地形成非常稳定的纳米粒子周期队列，而不被先前平板印刷术(例如原子显微镜浸沾印刷术、激光平板印刷术、电子束平板印刷术、轧压印刷术等)中的很多瑕疵和局限所限制。纳米化学平板印刷术包括制作纳米尺寸的周期模板技术，要求对大小、尺寸、空间分布及功能的绝对控制。纳米化学平板印刷术是一个多种技术的结合体，其中粒子的排列是通过反映活性的不同来控制，反映活性则由粒子及其表面暴露于何种类型的化学处理中来决定。
 

        科学家利用聚合在硅芯片上的石榴红发光钇铝(YAG)纳米粒子，向其中合成添加剂粒子并结晶来测定他们的形状和成分。在将纳米粒子聚合在硅芯片上之前，科学家利用一种基于「原子步移」现象的蚀刻技术，预先在硅芯片上雕刻模板。由于硅芯片表面自然存在的原子高位的步伐，科学家能够通过处理来移动这些原子，从而制造出所需的模板。化学反应(硅、氮、氧之间)所形成的氮化物薄层相应地形成于原子步移的边界上，从而预先雕刻模板于芯片上。为了使颗粒沿着芯片上的模板排列起来，科学家将样品置于一个超高真空室中退火处理几个小时。经过摄氏500-850度的处理，不仅获得了基于范本精确排列的纳米粒子，而且还获得了另一个优点。使用这一技术测量淬火处理后，纳米材料的排列还可以显示其强度。一般来说，很多纳米粒子都承受于光子漂白作用之下，这一损伤是由于暴露在高强光下引起;而另一方面，这些粒子却在科学家荧光成像测量技术中的延长照明中保持着它们的初始状态。
 

        纳米图像印刷技术作为一门实用性很强的应用技术，它在纳米电子器件、纳米光学元件、纳米生物传感器及其他具有纳米结构的功能图形制作方面，将显现出其独特的技术优势。今天，人们也毫不怀疑纳米图像印刷技术，将为IT与微电子产业、生物与生命科学、环境与新能源技术等领域的加速发展带来重大的影响。
 

        这项技术吸纳了纳米技术、精细加工技术、接触印刷技术、界面科学及新材料等众多科学技术之精华，并深入研究才开发出来的。这项技术最初看起来与CD、DVD制作中的热压印技术十分相似。然而，经仔细比较后，人们又不难看出，两者有明显的不同。前者仅仅是微米级的加工技术，而后者在许多方面显现出的却是通过原子、分子级别的转移(移位)而形成图像的;前者属一般意义的精细加工，而后者是运用纳米制造学原理，获取超精细图形的加工技术。如果我们把前者称为20世纪的技术的话，那么，后者无疑是21世纪的新兴技术了。

        纳米图像印刷技术的研究与开发，始于20世纪90年代中后期，它是由美国普林士顿大学的Chou教授首先开创的，经过近10年的研究、深化和技术配套，目前，该技术正进入初步的实用化阶段。与此同时，Chou教授又亲自出马组织策划，并相继(或计划)召开一系列相关国际会议(InternotionalConferenceonNanoimprintNanoprintTechnology)，以促使该技术提升并向全球拓展开来。第1届、第2届国际会议分别于2002年12月和2003年12月在美国本土的波士顿等地召开。只过了1年，即2004年12月,又在奥地利的维也纳召开了第3届国际会议。紧接着，计划中的第4届大会将于2005年10月在日本的奈良召开。
 

        总之，纳米图像印刷技术，由此从理论到实践、从研发到初步实用化，都已迈出了坚实的步伐，其影响也已波及世界各地。

 

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