基于選擇性紫外光刻的光纖微圖案化

由聚合物、金屬和半導(dǎo)體組成的復(fù)合纖維材料將光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍進一步擴大到傳感器，電子學(xué)生物醫(yī)學(xué)和智能紡織品等領(lǐng)域。復(fù)合纖維材料能夠在單個燈絲內(nèi)集成多種功能元件，如電極、二極管、微流控通道、光波和壓電傳感器，同時保留纖維固有的優(yōu)勢，包括高通量生產(chǎn)、微米到納米級特性和機械柔韌性。然而，光纖與其他系統(tǒng)的接口在很大程度上僅限于它們的尖端，這阻礙了它們在大面積應(yīng)用中的應(yīng)用。雖然纖維中的縱向?qū)ΨQ性可以通過選擇性毛細管斷裂來打破，但是獲得嵌入光纖包層內(nèi)的裝置的電氣、光學(xué)或流體通路往往依賴于低通量消融方法。

來自MIT的Li group結(jié)合了熱拉伸和光纖內(nèi)光刻，以創(chuàng)建沿表面具有微尺度圖案的數(shù)米長的光纖。他們開發(fā)了一種基于具有熱聚合和光聚合特性的硫醇-環(huán)氧樹脂/硫醇-烯網(wǎng)絡(luò)的高通量熱拉伸光刻膠，能夠確定性地打破光纖中傳統(tǒng)的縱向?qū)ΨQ性，并為光纖內(nèi)嵌入高密度的功能元件。

圖1?復(fù)合材料纖維結(jié)構(gòu)

首先，沿光纖長度的任意點進行光刻圖案化的光纖必須滿足兩個材料標準。

1.?具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。當溫度 T > T g，光敏聚合物可以沿拉伸方向?qū)R和拉伸，同時避免在纖維制造過程中完全交聯(lián)。

2.?拉伸纖維成分的光刻圖案化（這里稱為“纖維內(nèi)光刻”）有利于負光致抗蝕劑，負光致抗蝕劑的不完整或非交聯(lián)結(jié)構(gòu)允許其纖維加工。

他們設(shè)計了硫醇-環(huán)氧樹脂/硫醇-烯聚合物網(wǎng)絡(luò)以滿足熱拉伸光刻膠設(shè)計標準。硫醇-烯聚合物對氧的抑制力低，且聚合過程中的機械變形最小，環(huán)氧官能團單體提供Tg（圖1）。

圖2?復(fù)合纖維材料的熱固化和紫外固化過程

硫醇-環(huán)氧/硫醇-烯基可拉伸光刻膠選擇三[2-（3-巰基丙酰氧基）乙基]異氰尿酸酯（TMICN），雙酚A二縮水甘油醚（BADGE）和1，3，5-三烯丙基-1，3，5-三嗪-2，4，6（1H，3H，5H）-三酮（TATATO）分別作為具有硫醇，環(huán)氧和烯烴官能團的單體（圖1）。在熱固化過程中，交替的硫醇三官能團TMICN和環(huán)氧雙官能團BADGE形成與熱拉伸兼容的線性或支化熱塑性聚合物。在紫外（UV）光固化過程中，TMICN的剩余硫醇官能團和TATATO的烯烴三官能團之間的硫醇-烯反應(yīng)進行交聯(lián)（圖2）。

圖3?復(fù)合纖維材料的熱拉伸和紫外固化過程

硫醇-環(huán)氧樹脂/硫醇-烯光敏聚合物可以與其他具有相似熱機械性能的材料一起通過一步制造工藝制成長達數(shù)米的集成纖維（圖 3）。在預(yù)制棒（纖維的宏觀前體）中，由碳負載聚乙烯（CPE）組成的單根導(dǎo)體嵌入在光敏聚合物和環(huán)烯烴共聚物（COC）的絕緣基材之間。相對于預(yù)制棒中的原始縱橫比，光纖中光敏聚合物層的厚度變得更薄。在所得纖維中，導(dǎo)體沿其整個長度完全涂覆了超過9μm的光敏聚合物層。為了減少熱拉伸過程中硫醇-環(huán)氧樹脂/硫醇-烯混合物的流動，可以對纖維預(yù)制棒進行預(yù)固化，從而增加混合物粘度并導(dǎo)致更大的光敏聚合物厚度。因此，在拉絲之后，可以直接對纖維進行光刻。

圖4?顯微化圖案的復(fù)合纖維材料

為了對熱拉纖維進行光刻圖案化，它們通過掩模暴露在302 nm的光下，并浸入丙酮中超過10分鐘進行顯影。與未應(yīng)變獨立薄膜上的光刻類似，直接在熱拉制光敏聚合物上開發(fā)了分辨率至少為1μm的圖案，首次展示了帶有熱塑性光刻膠的纖維內(nèi)光刻（圖4）。這些光纖與平面市售光掩模、彎曲或柔性光掩模兼容同樣允許傳統(tǒng)圓柱形纖維以及具有更復(fù)雜橫截面結(jié)構(gòu)的纖維的圖案化。

該研究小組將光刻和熱拉伸相結(jié)合，用于在沿長度的任意位置進行顯微鏡圖案化的纖維的高產(chǎn)量加工。熱拉伸光刻膠由三官能團硫醇、雙官能環(huán)氧樹脂和三官能烯烴單體的混合物組成。在熱固化過程中，硫醇與環(huán)氧基團的部分聚合產(chǎn)生了熱塑性塑料。將所得纖維暴露在紫外線下導(dǎo)致剩余的硫醇基團和三官能團烯烴分子之間的光聚合形成不溶性網(wǎng)絡(luò)。這種方法打破了纖維的縱向?qū)ΨQ特性，同時利用了宏觀預(yù)制棒的微米級和納米結(jié)構(gòu)特征的公里級生產(chǎn)。通過在多個指定位置提供對光纖內(nèi)功能元件的訪問，這種方法可以擴展這些多功能多材料結(jié)構(gòu)在柔性大面積器件中的應(yīng)用，從而推動紡織、傳感和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)的發(fā)展。

虹科紫外光源方案

虹科ALE/1 UV-LED

ALE/1能夠?qū)崿F(xiàn)最高光強的光譜模塊化，輸出光強不超過 95000 mW/cm2，輸出功率高達30W。輸出365nm 385nm 405nm 435nm等多個波段的紫外線，其余波段可以進行光譜定制。閉環(huán)控制輸出、以實現(xiàn)最大過程穩(wěn)定性，提高光源輸出穩(wěn)定性。ALE/1易于集成到新的和現(xiàn)有設(shè)置中、無需外部冷卻，是一款適應(yīng)未來需求且具備顯著所有權(quán)成本優(yōu)勢的無汞光源。

虹科superlite I05

SUPERLITE I 05光源傳統(tǒng)上可滿足所有光固化膠粘劑的要求，特別提供受控的 UV?光輸出，可選擇低至 320 nm?以下的短波光譜。該光源將較短的曝光時間與高紫外線輸出相結(jié)合，可在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)更高的循環(huán)速率。SUPERLITE I 05是同類產(chǎn)品中最強大、用途最廣的點光源，同時價格實惠，是小批量生產(chǎn)的最優(yōu)選擇。提供UVC版本，可實現(xiàn)深紫外光輸出。

審核編輯 黃昊宇