DE102019107090A1

DE102019107090A1 - Mikrostruktur mit thermoplastischer Prägelackschicht und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102019107090A1
Application number: DE102019107090.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Smolka; Dieter NEES; Elena GONZALEZ; Johannes Götz; Stephan RUTTLOFF
Original assignee: Joanneum Research Forschungs GmbH
Current assignee: Joanneum Research Forschungs GmbH
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-09-24
Also published as: WO2020187990A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Mikrostruktur bereit, umfassend einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge, wobei die Verbindung der Lackschicht (2) mit der Deckschicht (3) durch ein aus thermischem Bonden bestehendes Verfahren herstellbar ist und die Lackschicht (2) ein durch radikalische Polymerisation von Monomeren herstellbares Polymer enthält, wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrostruktur bereit.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrostruktur mit einem gehärteten thermoplastischen Prägelack und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Stand der Technik
In Biosensoren zur schnellen Diagnose von Keimen in Krankenhäusern oder zur schnellen Analytik von Chemikalien in der Verfahrenstechnik, Umweltanalytik und dergleichen werden häufig miniaturisierte Strukturen, sogenannte Mikrofluidik-Chips, verwendet. Bei der Herstellung von Mikrofluidik-Chips erzeugt man Mikrokanäle und Mikrokammern, in denen Flüssigkeiten aufgenommen werden können. Diese Kanäle und Kammern sind im ersten Verfahrensschritt in der Regel zunächst nach oben offen und werden erst in einem zweiten Schritt verschlossen. Der zweite Schritt kann durch Lamination, Verschweißen oder sogenanntes Bonding erfolgen.
Mikrofluidikstrukturen werden in der Regel durch ein Spritzgussverfahren gefertigt, wobei ein thermoplastisches Material im heißen Zustand in eine Form gepresst wird. Die so entstehenden Strukturen lassen sich dann mit den bekannten Verfahren mit einer ebenfalls thermoplastischen Deckschicht oder mit einer weiteren thermoplastischen Mikrofluidikebene verbinden. Die Nachteile des Spritzgussverfahrens sind der hohe Zeitaufwand für Einspritz- und Abkühlvorgänge, sowie der geringe Durchsatz der nachfolgenden Verfahrensschritte (wie Drucken von Biomolekülen oder Elektroden, Bonding einer Deckschicht), da die Mikrofluidik-Chips dabei als Einzelstücke weiterprozessiert werden müssen.
Eine alternative Möglichkeit der Herstellung von Mikrofluidik-Chips ist ein Hochdurchsatz-Produktionsverfahren, bei dem die Kanäle und Kammern auf großen Polymersubstraten im Rollenformat hergestellt werden. Damit können sehr große Flächen in kurzer Zeit strukturiert werden. Typischerweise sind diese Substrate jedoch keine thermoplastischen Polymere und somit nicht thermisch verformbar, so dass sich die hergestellten Mikrofluidikstrukturen nicht mit bekannten Verfahren schließen lassen.
Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben
Einerseits werden die Verfahren des Standes der Technik unter Verwendung von thermoplastischen Materialien mit dem zeit- und arbeitsaufwändigen Spritzgussverfahren durchgeführt, und andererseits verwenden die Hochdurchsatz-Produktionsverfahren kein Material, das auf einfache Weise verschlossen werden kann.
Der Stand der Technik offenbart somit keine Mikrostrukturen, die auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden können.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mikrostrukturen und ein verbessertes und einfaches Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Bereitstellung der anspruchsgemäßen Mikrostruktur sowie dem Verfahren zu deren Herstellung gelöst.
Genauer gesagt wird die Aufgabe durch Bereitstellen eines Verfahrens gelöst, bei dem Mikrostrukturen mit einem flüssigen, durch Polymerisation härtbaren Prägelack hergestellt werden, der nach dem Härtungsverfahren thermoplastische Eigenschaften hat. Durch die thermoplastischen Eigenschaften lassen sich die Mikrostrukturen durch bekannte Verfahren mit einer Deckschicht oder mit einer weiteren Mikrostrukturebene verbinden.
Zu den bekannten Verbindungsverfahren gehören Heißpressen, Heißlaminieren, Thermokompressionsbonden, Ultraschall- sowie Laserschweißen.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist insbesondere in den folgenden Punkten [1] bis [15] definiert:

[1] Mikrostruktur, umfassend einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge, wobei die Verbindung der Lackschicht (2) mit der Deckschicht (3) durch ein aus thermischem Bonden bestehendes Verfahren herstellbar ist und die Lackschicht (2) ein durch radikalische Polymerisation von Monomeren herstellbares Polymer enthält, wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind.
[2] Mikrostruktur nach [1], wobei die unvernetzbaren Monomere ein Gemisch von Monomeren sind, welches Monomere (a) einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm und Monomere (b) einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm enthält, wobei sich die Polarität der Monomere (a) und (b) um mindestes 1,0 × 10^-30 Cm unterscheidet.
[3] Mikrostruktur nach [1] oder [2], wobei die unvernetzbaren Monomere ein Gemisch von Monomeren unterschiedlicher Polarität sind und sich die Glasübergangstemperaturen von Homopolymeren aus den Monomeren unterschiedlicher Polarität um mindestens 30°C unterscheiden.
[4] Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Punkte, wobei die Monomere ein Molekulargewicht von weniger als 250 g/mol aufweisen.
[5] Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Punkte, wobei das Polymer auf Monomere zurückgeht, die genau einen von (Meth)Acrylsäure abgeleiteten Rest mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung enthalten.
[6] Mikrostruktur nach einem der Punkte [2] bis [5], wobei die Monomere einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm mindestens eine unter Isobornylacrylat, Trimethylcyclohexylacrylat und n-Octylmethacrylat ausgwählte Verbindung sind und die Monomere einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm Acryloylmorpholin sind.
[7] Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Punkte, wobei das Polymer auf ein Gemisch aus Monomeren mit genau zwei Thiolgruppen und Monomeren mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen zurückgeht.
[8] Mikrostruktur nach [7], wobei die Monomere mit genau zwei Thiolgruppen Glycoldi(3-mercaptopropionat) sind und die Monomere mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen geradkettige aliphatische Monomere mit endständigen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen sind.
[9] Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Punkte, wobei das Polymer keine Urethangruppen enthält.
[10] Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Punkte, wobei die Deckschicht (3) eine weitere der geprägten thermoplastischen Lackschicht enthält.
[11] Mikrostruktur, umfassend einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge und herstellbar durch ein Verfahren, das die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:
1. (a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomere enthält, auf einen Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind,
2. (b) das Prägen der Lackschicht,
3. (c) das radikalische Polymerisieren der in der geprägten Lackschicht enthaltenen Monomere zu einem Polymer unter Bildung einer thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) und
4. (d) das thermische Bonden der thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) an eine Deckschicht (3).
[12] Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur, die einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:
1. (a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomere enthält, auf einen Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind,
2. (b) das Prägen der Lackschicht,
3. (c) das Polymerisieren der in der geprägten Lackschicht enthaltenen Monomere zu einem Polymer unter Bildung einer thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) und
4. (d) das thermische Bonden der thermoplastischen geprägten Lackschicht an eine Deckschicht (3).
[13] Verfahren nach [12], wobei eine Mikrostruktur nach einem der Punkte [1] bis [11] erhalten wird.
[14] Verfahren nach [12] oder [13], welches kontinuierlich durchgeführt wird.
[15] Verfahren nach einem der Punkte [12] bis [14], wobei der Schritt (b) als Rolle-zu-Rolle-Prägen durchgeführt wird.

Vorteile der Erfindung
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrostruktur ist es, dass ein Verfahren eingesetzt werden kann, mit dem bei Verwendung des Rolle-zu-Rolle-Prägens Mikrostrukturen auf großer Fläche und in hohem Durchsatz hergestellt werden können und diese gleichzeitig durch Lamination einer Deckschicht mit bekannten Verfahren verschlossen werden können. Damit lassen sich die im Einsatz für Biosensoren nötigen geschlossenen Kanalnetzwerke erzeugen.
Durch thermoplastisches Verschweißen kann die Lackschicht an eine Deckschicht aus beliebigem Material gebunden werden. Die Deckschickt kann beispielsweise eine weitere Mikrostruktur oder ein Spritzgussteil wie eine Mikrotiterplatte sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber einem Heißprägeverfahren vorteilhaft. Wenn das Prägeverfahren bzw. das Rolle-zu-Rolle-Prägeverfahren als Heißprägeverfahren erfolgt, wird ein erhitzter Stempel in eine thermoplastische Folie gedrückt. Die erzeugten Strukturen sind aus thermoplastischem Material und können mit einer Deckschicht verbunden werden. Die Technik hat jedoch die Nachteile, dass der Prozessaufwand durch den Heizvorgang weit höher ist und laut wissenschaftlichen Veröffentlichungen nur eine Strukturtiefe bis 50 µm erreichbar ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die für bestimmte Anwendungen, z. B. in der Mikrofluidik, nötige Strukturtiefe von bis über 100 µm erreichbar. Außerdem ist das Verhältnis von Substratdicke zu Strukturtiefe nicht beschränkt, so dass diese Technik bei Sensoren, die nur eine dünne Schicht unter den Kanälen aufweisen dürfen, z. B. bei kapazitiv gekoppelter Messtechnik, einsetzbar ist.
Die Herstellung von Mikrostrukturen in Chipform mittels Chip-Bonding-Technologie unter Einsatz einer standardisierten Rolle-zu-Rolle-Fertigungslinie ist wegen der geringeren Produktionskosten von Vorteil. Das bisherige Problem beim Verschließen der Mikrostrukturkanäle wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise gelöst.
Da der erfindungsgemäße Prägelack das einfache thermoplastische Verbinden ermöglicht, wird so der Weg zu einer Hochdurchsatztechnologie erleichtert.
Beschreibung der Figur
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Mikrostruktur.
Ausführungsformen der Erfindung
In der vorliegenden Erfindung bedeutet das Verb „enthalten“ bzw. „enthält“ oder andere abgeleitete Formen davon, dass in einer Zusammensetzung die genannte Komponente bevorzugt in einer Menge von 1 bis 100 Gew.-% enthalten ist. Es umfasst also die Bedeutung, dass die Zusammensetzung aus der genannten Komponente besteht. Vorzugsweise ist die Komponente die Hauptkomponente und somit in einer Menge von über 50 Gew.-% enthalten.
Die Mikrostruktur
Die erfindungsgemäße Mikrostruktur kann beispielsweise eine Mikrofluidikstruktur oder Mikrooptikstruktur oder eine Kombination aus beiden sein.
Die in der vorliegenden Beschreibung beispielhafte Erläuterung von Mikrofluidikstrukturen gilt gleichermaßen für jede andere Art von Mikrostrukturen, beispielsweise Mikrooptikstrukturen.
Der Träger
Der Träger (1) liegt vorzugsweise als Trägerschicht vor. Er kann ein Polymersubstrat sein.
Hinsichtlich des Materials des Trägers gibt es keine besondere Einschränkung. In einer Ausführungsform muss jedoch darauf geachtet werden, dass es gegenüber einer hohen Strahlendosis, z. B. UV-Strahlung, unempfindlich ist.
In einer Ausführungsform unterscheidet sich das Material des Trägers vom Material der Lackschicht (2).
Die Oberfläche des Trägers (1) kann Funktionalisierungen aufweisen, beispielsweise Hydroxy-, Thio- oder Amingruppen. Alternativ dazu können die Funktionalisierungen der Schicht (1) mit Schutzgruppen geschützt sein, welche nach der Prägung und Polymerisierung des Ausgangsmaterials der Schicht (2) entfernt werden. Der Schutz der Funktionalisierungen kann auch zur Hydrophobierung der Oberfläche betragen, so dass die Materialien der Schichten (1) und (2) kompatibler werden und damit die nichtkovalente Anhaftung verstärkt wird.
Diese können, wie weiter unten beschrieben, zur kovalenten Anbindung der Polymere der Schicht (2) dienen.
Sie können, wie weiter unter in Bezug auf eine Prägungstiefe von 100% der Dicke von Schicht (2) beschrieben, auch dazu dienen, gewünschte Verbindungen für beispielsweise diagnostische Zwecke kovalent anzubinden. Solche Verbindungen können Biomoleküle sein, beispielsweise Nukleinsäuren, Proteine, wie Antikörper, Lipide oder Kohlenhydrate sein. Außerdem können über diese Funktionalisierungen Moleküle mit zwei reaktiven Gruppen angebunden werden, wobei eine reaktive Gruppe mit der Funktionalisierung der Schicht (1) eine kovalente Bindung eingeht und die andere reaktive Gruppea mit einer Zielsubstanz reagieren kann.
Die geprägte und polymerisierte thermoplastische Lackschicht
Diese Schicht wird in der vorliegenden Anmeldung auch als „Schicht (2)“ bezeichnet. Sie weist die Merkmale auf, dass (i) es sich um eine Lackschicht handelt, die (ii) thermoplastisch, (iii) geprägt und (iv) radikalisch polymerisiert ist, wobei (v) der Vernetzungsgrad gering ist. Sie ist (vi) optional metallisiert.
(i)
Die Schicht (2) befindet sich auf dem Träger. Sie hat eine Dicke, also ein Ausmaß senkrecht zur Kontaktfläche mit dem Träger, von vorzugsweise 10 nm bis 1000 µm, stärker bevorzugt 50 nm bis 500 µm, noch stärker bevorzugt 100 nm bis 100 µm.
In einzelnen Ausführungsformen kann die Dicke 100 nm bis 50 µm sein.
Die Lackschicht, also die Schicht (2), ist flächig mit Ausmaßen in x- und y-Richtung, welche die Kontaktfläche mit dem Träger definieren, und z-Richtung, welche der vorstehend genannten Lackschichtdicke entspricht. Die Ausmaße in x- und y-Richtung sind jeweils mindestens das Zehnfache, vorzugsweise mindestens das Zwanzigfache, stärker bevorzugt mindestens das Fünfzigfache des Ausmaßes in z-Richtung. Die Lackschicht ist also für sich genommen eine dünne Folie.
Die Lackschicht umfasst einen oder besteht aus einem Lack. Der Lack ist ebenfalls thermoplastisch. Der Lack ist ein Polymer.
Das Lackschichtausgangsmaterial ist nicht oder nicht vollständig polymerisiert und wird durch radikalische Polymerisation, vorzugsweise Photopolymerisation oder thermische Polymerisation, stärker bevorzugt Photopolymerisation, in den Lack überführt. Es handelt sich dabei also um Monomere oder Oligomere. Es kann auch ein Präpolymer und ein Kettenverlängerer eingesetzt werden.
Das Lackschichtausgangsmaterial wird auf eine Trägerschicht, z. B. ein Polymersubstrat, aufgetragen. Dadurch, dass das Lackschichtausgangsmaterial nicht gehärtet, also nicht polymerisiert ist, weist es eine gewünschte Viskosität auf, so dass es z. B. durch Streichen aufgetragen werden kann. Vorzugsweise ist das Material flüssig und kann somit durch Gießen aufgetragen werden. Im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt das Auftragen des Lackes auf den Träger beispielsweise mittels einer Schlitzdüse oder durch Tiefdruck mit einer Gravurwalze.
Die Viskosität wird so eingestellt, dass das Material leicht aufgetragen werden kann. Andererseits muss es so viskos sein, dass die beim Prägen gebildete Struktur erhalten bleibt. Um beide Erfordernisse zu erfüllen, kann das auf den Träger aufgebrachte Material zunächst moderat bestrahlt werden, so dass eine Teilpolymerisation und damit Viskositätserhöhung erfolgt. Nach dem Prägen kann dann die vollständige Polymerisation erfolgen.
Diese gewünschte niedrige Viskosität bzw. flüssige Eigenschaft weist das Lackschichtausgangsmaterial vorzugsweise bei Raumtemperatur auf. Dadurch kann das Auftragen des Lackschichtausgangsmaterials bei niedrigen Temperaturen, wie Raumtemperatur, erfolgen.
(ii)
Die Schicht (2) ist thermoplastisch. Erfindungsgemäß wird eine Lackschicht verwendet, die bei der Polymerisation, z. B. bei Bestrahlung mit UV-Licht, nur oder im Wesentlichen nur lineare Polymerketten bildet. Diese Ketten vernetzen untereinander nicht oder kaum, so dass keine oder nur eine geringe Quervernetzung entsteht. Eine solche Lackschicht zeigt thermoplastisches Verhalten und ist damit thermisch verformbar.
(iii)
Die Schicht (2) ist auf der der Deckschicht zugewandten Seite geprägt. Vorzugsweise befindet sich die Deckschicht unmittelbar auf der Lackschicht. Stärker bevorzugt wird die Prägeseite der Lackschicht mit Ausnahme der Vertiefungen der Prägung vollflächig und unmittelbar von der Deckschicht abgedeckt. In den Vertiefungen der Prägung befindet sich vorzugsweise als weder Lackschichtmaterial noch Deckschichtmaterial, so dass Hohlräume entstehen. Der Ausdruck „unmittelbar“ bedeutet, dass kein weiteres Material, beispielsweise ein Kleber, zwischen der Lackschicht und der Deckschicht vorhanden ist.
Die Tiefe der Prägung hängt von der Dicke der Lackschicht und der Tiefe der Stempelstrukturen ab. Die Prägungstiefe kann 1 bis weniger als 100 % oder sogar 1 bis 100 % der Dicke der Schicht (2) sein. Vorzugsweise ist sie 50 bis 100 % , stärker bevorzugt 80 bis 100 %der Dicke der Schicht (2). Die Kombination der Dicke der Schicht (2) (in µm) und der Prägungstiefe (in %) kann vorzugsweise 0,1 bis 500 µm und 10 bis 100 %, stärker bevorzugt 0,1 bis 100 µm und 70 bis 100 % oder 0,1 bis 50 µm und 30 bis 100 % sein.
In einzelnen Ausführungsformen kann die Prägungstiefe 50 bis 200 µm sein und dabei 50 bis 100 % der Dicke der Schicht (2) sein.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Prägungstiefe 100 % der Dicke der Schicht (2) sein, das heißt, es ist innerhalb der Prägung ein Bereich vorhanden, in dem kein Lackschichtmaterial auf dem Träger verbleibt. In diesem Fall ist die Schicht (2) keine durchgehende, sondern eine unterbrochene Schicht. Generell machen diese Unterbrechungen der Schicht (2) an der Kontaktfläche zum Träger (1) vorzugsweise 1 bis 90 %, stärker bevorzugt 5 bis 70 %, noch stärker bevorzugt 10 bis 60 % der Gesamtfläche der Schicht (2) aus.
Wenn die Prägungstiefe 100 % der Dicke der Schicht (2) ist, befindet sich in dem geprägten Bereich eine von Schicht (2) freie, also zugängliche Oberfläche des Trägers (1), die sich von der Oberfläche der Schicht (2) unterscheiden kann. Diese Unterschiede können beispielsweise darin bestehen, dass die Oberfläche des Trägers (1) Funktionalisierungen aufweist, beispielsweise Hydroxy-, Thio- oder Amingruppen. werden.
Die in dem geprägten Bereich der Schicht (2) freiliegenden Funktionalisierungen auf der Oberfläche der Schicht (1) können wie weiter oben beschrieben dazu genutzt werden, gewünschte Verbindungen vorzugsweise kovalent an die Schicht (1) zu binden. Auf diese Weise können in die geprägten Bereiche der Schicht (2) gezielt Verbindungen eingeführt werden, ohne dass eine Anbindungsmöglichkeit an die Schicht (2) bestehen muss. Dadurch besteht eine größere Freiheit bei der Auswahl der Ausgangsmaterialien der Schicht (2).
In einer besonderen Ausführungsform ist das Prägewerkzeug V-förmig, so dass an der unteren Spitze der Prägung, also an der Kontaktfläche zu Träger (1), ein kleiner Bereich entsteht, an dem kein Lackschichtmaterial vorhanden ist. In diesem Fall machen die Unterbrechungen der Schicht (2) an der Kontaktfläche zum Träger (1) vorzugsweise weniger als 10 %, stärker bevorzugt weniger als 5 %, noch stärker bevorzugt weniger als 1 der Gesamtfläche der Schicht (2) aus.
Das Prägen erfolgt durch Behandeln des auf die Trägerschicht aufgebrachten Lackschichtausgangsmaterials mit einem Prägemittel, z. B. einem Stempel. Das Prägen kann durch Aufdrücken eines Stempels erfolgen. Bei Einsatz eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens ist der Stempel Teil einer Rolle. In einer Ausführungsform wird ein nanostrukturierter oder mikrostrukturierter Stempel mit dem invertierten Profil der Mikrofluidik-Strukturen als Negativform eingesetzt und in diesen Prägelack gepresst, in dem dann die gewünschte Struktur als Positivform eingeprägt ist. Da dieses Prägen mit der noch nicht polymerisierten Lackschicht durchgeführt wird, kann es ohne hohe Kräfte und ohne aufwändige Temperaturschritte erfolgen. Nach Trennen des Stempels von dem geprägten Muster wird das Profil des Stempels in invertierter Form repliziert.
Dieses Verfahren lässt sich bei Verwendung eines zylindrischen Stempels in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren umsetzen. Damit können sehr große Flächen in kurzer Zeit strukturiert werden.
(iv)
Die Schicht (2) ist vollständig polymerisiert. Das auf die Trägerschicht aufgebrachte und geprägte polymerisierbare Lackschichtausgangsmaterial ist vollständig polymerisiert worden. Die Polymerisation ist vorzugsweise eine Photopolymerisation und erfolgt durch Einwirken einer Strahlung. Diese Strahlung ist vorzugsweise Licht geeigneter Wellenlänge, beispielsweise UV-Licht. Die Dosis der Strahlung ist so hoch, dass eine vollständige Polymerisierung des Ausgangsmaterials sichergestellt wird. Vorzugsweise wird eine Überdosis eingesetzt, um die Vollständigkeit der Polymerisation sicherzustellen.
Die Schicht (2) kann durch radikalische Polymerisation von Monomeren hergestellt werden, wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind.
Die unvernetzbaren Monomere können aus einer einzigen Monomerenart bestehen. Sie können auch ein Gemisch von Monomeren sein, welches Monomere (a) einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm und Monomere (b) einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm enthält, wobei sich die Polarität der Monomere (a) und (b) um mindestes 1,0 × 10^-30 Cm unterscheidet. Stärker bevorzugt unterscheidet sich die Polarität der Monomere (a) und (b) um mindestes 2,0 × 10^-30 Cm. In einer Ausführungsform sind die unvernetzbaren Monomere ein Gemisch von Monomeren, welches Monomere (a) einer Polarität von weniger als 4,5 × 10^-30 Cm und Monomere (b) einer Polarität von mehr als 5,5 × 10^-30 Cm enthält, wobei sich die Polarität der Monomere (a) und (b) um mindestes 2,0 × 10^-30 Cm, stärker bevorzugt 3,0 × 10^-30 Cm unterscheidet.
Durch geeignete Mischungsverhältnisse der Komponenten lassen sich gewünschte Oberflächenenergien einstellen. Beispielsweise können Oberflächen mit gewünschter Hydrophilie erhalten werden, welche durch Kapillarsaugwirkungen das Befüllen der Mikrostrukturen erleichtern.
Die unvernetzbaren Monomere können ein Gemisch von Monomeren unterschiedlicher Polarität sein, wobei sich die Glasübergangstemperaturen von Homopolymeren aus den Monomeren unterschiedlicher Polarität um mindestens 30°C unterscheiden. Durch geeignete Mischungsverhältnisse der Komponenten lassen sich gewünschte Temperaturstabilitäten einstellen. Auf diese Weise können Mikrostrukturen hergestellt werden, die hohe Temperaturen ohne Beschädigung überstehen, z. B. Mikrostrukturen, die für Polymerasekettenreaktionen eingesetzt werden. Es können auch Strukturen erzeugt werden, welche sich bei geringen Temperaturen laminieren lassen. Damit kann man beispielswiese Mikrofluidik-Chips erzeugen, deren Kanalinnenseiten temperaturempfindliche Moleküle, wie z.B. Proteine enthalten.
Damit die Polarität der Monomere leichter variiert werden kann und stärker ausgeprägt ist, weisen die Monomere vorzugsweise ein Molekulargewicht von weniger als 250 g/mol und stärker bevorzugt von weniger als 200 g/mol auf.
Das Polymer kann auf Monomere zurückgehen, die genau einen von (Meth)Acrylat abgeleiteten Rest mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung enthalten. Damit kann eine unvernetzbare Polymerkette entstehen. Der Ausdruck (Meth)Acrylat bedeutet in der vorliegenden Anmeldung Acrylat oder Methacrylat oder ein Gemisch davon. Beispiele solcher Verbindungen sind Isobornylacrylat (Glasübergangstemperatur: 86 °C), Trimethylcyclohexylacrylat (Glasübergangstemperatur: 29 °C), n-Octylmethacrylat (Glasübergangstemperatur: -45 °C) und Acryloylmorpholin (Glasübergangstemperatur: 145 °C).
Monomere einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm sind beispielsweise Isobornylacrylat (IBOA), Trimethylcyclohexylacrylat und n-Octylmethacrylat. Ein Monomer einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm ist beispielsweise Acryloylmorpholin (ACMO).
Die Monomere einer bestimmten Polarität können aus einer einzigen Monomerenart oder einem Gemisch unterschiedlicher Monomerenarten bestehen.
Um wasserunlösliche Polymere herzustellen, können Monomere eingesetzt werden, deren Wasserlöslichkeit bei Raumtemperatur unter 30 g/l, insbesondere unter 20 g/l, liegt. Beispiele sind C₁-C₂₀-Alkylester der (Meth)acrylsäure, insbesondere Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat, Benzyl(meth)acrylat, Isobornyl(meth)acrylat und kurzkettige Alkylglykol(meth)acrylate wie Ethoxy- oder Butoxyethylmethacrylat oder Ethyltriglykolmethacrylat.
Um wasserlösliche Polymere herzustellen, können Monomere eingesetzt werden, deren Wasserlöslichkeit bei Raumtemperatur höher ist als 30 g/l, insbesondere als 20 g/l. Beispiele für solche Monomere sind (Meth)acrylsäure, Hydroxyalkyl(meth)acrylate, Glycerinmonomethacrylat, Glycidylmethacrylat, (Meth)acrylamid, N-Methylolmethacrylamid und dessen Ether, Alkoxypolyalkylenglykol(meth)acrylate, Dimethylaminoethyl(meth)acrylat, Dimethylaminopropyl(meth)acrylamid und ungesättigte Ethylenharnstoffderivate wie N-(2-Methacryloyloxyethyl)ethylenharnstoff.
Durch Einsatz geeigneter Mischungen von wasserlöslichen und wasserunlöslichen Monomeren können Copolymere mit gewünschter Polarität und Wasserlöslichkeit hergestellt werden. Für wasserunlösliche Polymere ist das Molverhältnis von einer oder mehreren Arten der genannten wasserunlöslichen Monomere zu einer oder mehreren Arten der genannten wasserlöslichen Monomere vorzugsweise im Bereich von 70/30 bis 99/1, stärker bevorzugt 80/20 bis 95/5. Für wasserlösliche Polymere ist diese Molverhältnis entsprechend umgekehrt. Ein Beispiel eines solchen Monomerengemisches besteht aus oder enthält IBOA und ACMO.
Das Polymer kann auch auf ein Gemisch aus Monomeren mit genau zwei Thiolgruppen und Monomeren mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen zurückgehen. Ein Monomer mit genau zwei Thiolgruppen ist beispielsweise Glycoldi(3-mercaptopropionat) (GDMP), und Monomere mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen sind beispielsweise geradkettige aliphatische Monomere mit endständigen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die geradkettigen aliphatischen Monomere können gesättigte C₁-C₂₀-Kohlenwasserstoffketten enthalten. Konkrete Beispiele solcher Monomere sind 1,4-Butandioldimethacrylat (BDDMA), Hexandioldimethacrylat (HDDMA), 1,3-Butylenglycoldimethacrylat (1,3-BGDMA), Ethylenglycoldimethacrylat (EGDMA), Dodecandioldimethacrylat (DDDMA), Trimethylolpropantrimethacrylat (TMPTMA), Trimethacrylatester (TMA-Ester) und bifunktionale Alpha,Omega-Dienes mit 6 bis 24 Kohlenstoffatomen, wobei diese Monomere einzeln oder in Kombination von zwei oder mehreren eingesetzt werden können.
Die Reaktion der Thiolgruppe mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung ist eine Thiol-En-Reaktion und kann über zwei verschiedene Mechanismen ablaufen: Radikalische Thiol-En-Reaktion und Thio-Michael-Addition. Der radikalische Mechanismus wird durch einen Radikalstarter (thermisch und/oder photoinduziert und/oder redoxinduziert) initiiert. Insbesondere nicht aktivierte C=C-Doppelbindungen (wie z. B. Vinyl-, Allyl-, Norbornenylgruppen) eignen sich für diese Art der Initiierung. Um auch eine Thiol-Michael-Addition (insbesondere bei aktivierten C=C-Doppelbindungen, wie z. B. (Meth)acrylatgruppen) örtlich und/oder zeitlich gezielt initiieren zu können, können in der Literatur beschriebene Photobasen verwendet werden, da die Thiol-Michael-Addition basenkatalysiert abläuft. Photobasen setzen bei Belichtung eine Base frei und können so die Thiol-Michael-Addition initiieren.
Die Wasserlöslichkeit der Polymere hängt auch von der Länge der Polymerkette ab. Durch Zugabe von Monomeren mit genau einer Thiolgruppe zu den Monomeren mit genau einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen oder zu einem Gemisch aus Monomeren mit genau zwei Thiolgruppen und Monomeren mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen kann die Kettenlänge bei der Polymerisation verkürzt und die Wasserlöslichkeit somit erhöht werden. Für wasserunlösliche Polymere ist es daher bevorzugt, dass solche Thiole im Reaktionsgemisch nicht enthalten sind.
Zudem kann die Kettenlänge des Polymers durch die Temperatur des Prägestempels beeinflusst werden. Wenn der Stempel während des UV-Prägens beispielsweise auf über 50°C erwärmt wird, erhöht sich die Kettenlänge des Polymers und damit dessen Wasserunlöslichkeit. Die Temperatur des Prägestempels ist vorzugsweise 30 bis 120°C, stärker bevorzugt 50 bis 150°C.
Das Polymer weist vorzugsweise keine Urethangruppen auf. Insbesondere bevorzugt enthält das Polymer keine Urethangruppen in den Quervernetzungen ausbildenden Seitenketten der Polymerketten. Sollten in dem Polymer also Quervernetzungen vorhanden sein, ist es bevorzugt, dass diese keine Urethangruppen enthalten. In einer Ausführungsform enthält das Polymer keine Urethangruppen und ist durch Polymerisation von Monomeren herstellbar, welche Acrylatgruppen und/oder Methacrylatruppen enthalten.
(v)
Das in der Schicht (2) enthaltene Polymer ist herstellbar durch radikalische Polymerisation von Monomeren, wobei 99,0 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1,0 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind. Bevorzugt sind 99,5 Gew.-% unvernetzbare und 0,5 Gew.-% vernetzbare Monomere, stärker bevorzugt 100 Gew.-% unvernetzbare und 0 Gew% vernetzbare Monomere. Vorzugsweise wird das Polymer also ausschließlich aus unvernetzbaren Monomoren hergestellt.
Unvernetzbare Monomere sind Monomere, die neben ihrer Fähigkeit, mit anderen Monomeren unter Bildung eines linearen Polymers zu reagieren, keine zusätzliche Bindungsfunktionalität aufweisen. Unvernetzbare Monomere sind also bezüglich ihrer Fähigkeit zur Reaktion mit anderen Monomoren, Oligomeren oder Polymeren bifunktionelle Monomere. Beispielsweise ist eine (Meth)Acrylatgruppe eine bifunktionelle Gruppe.
Vernetzbare Monomere sind Monomere, die neben ihrer Fähigkeit, mit anderen Monomeren unter Bildung eines linearen Polymers zu reagieren, eine zusätzliche Funktionalität aufweisen, die sie, gegebenenfalls nach der Polymerisation, zur Ausbildung einer chemischen Bindung mit einer geeigneten Gruppe derselben oder einer anderen Polymerkette befähigt. Vernetzbare Monomere sind also bezüglich ihrer Fähigkeit zur Reaktion mit anderen Monomoren, Oligomeren oder Polymeren mindestens trifunktionelle Monomere. Die Art der Reaktion zur Vernetzung der vernetzbaren Monomere ist nicht eingeschränkt, wobei eine radikalische Reaktion bevorzugt ist.
Das Polymer weist eine so geringe Vernetzung auf, dass es thermoplastisch ist.
(vi)
Die Schicht (2) ist auf der geprägten Seite optional metallisiert. Dabei ist sie mit einer bis zu 500 nm, vorzugsweise bis zu 50 nm dicken Metallschicht überzogen. Vorzugsweise weist die Metallschicht eine Dicke von 1 bis 500 nm, stärker bevorzugt 1 bis 50 nm oder 5 bis 50 nm auf. Die Schicht (2) kann mit der Metallschicht vollflächig oder teilflächig bedeckt sein. Selbst im Fall der vollflächigen Beschichtung ist ein Bonden möglich, nämlich beispielsweise mittels Laserschweißen. Es wird vermutet, dass Polymermoleküle der Schicht (2) die sehr dünne Metallschicht zumindest teilweise passieren und somit eine Bindung an die Schicht (3) ermöglichen können.
Deckschicht
Das Material der Deckschicht ist nicht eingeschränkt.
Beispiele sind eine Deckschicht aus einem metallbeschichteten Polymer (entweder vollflächige Metallisierung oder Metallisierung mit Strukturierung) oder aus Glas.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „thermisches Bonden“, dass eine Verbindung zwischen zwei Elementen durch ein Verfahren in der Art eines thermoplastischen Verschweißens geschaffen wird, welches das Erwärmen mindestens eines der zwei Elements umfasst. Beispiele für thermisches Bonden sind das Heißpressen, Heißlaminieren, Thermokompressionsbonden und Ultraschall- sowie Laserschweißen.
In einer Ausführungsform ist die Schicht (3) thermoplastisch.
Die Deckschicht kann ein Verbundmaterial sein, worin nur die mit der Schicht (2) direkt in Kontakt kommende Schicht eine thermoplastische Schicht, ein metallbeschichtetes Polymer oder ein Glas ist.
In einer Ausführungsform enthält die Schicht (3) eine weitere der geprägten thermoplastischen Schicht (2). Die Deckschicht kann also aus dem gleichen Material wie die Schicht (2) bestehen. Die Schicht (3) kann auf der der Schicht (2) zugewandten Seite, also auf der Kontaktfläche, eine Prägung aufweisen. Auf diese Weise können sich die Prägungen der Schicht (2) und der Schicht (3) strukturell und funktionell ergänzen und es können verschiedenste Strukturen mit Mikrokanälen und Kavitäten erhalten werden, die nicht erhältlich sind, wenn nur Schicht (2) geprägt wird.
In einer Ausführungsform ist die Deckschicht eine Mikrotiterplatte. Diese kann durch Spritzguss hergestellt worden sein und/oder thermoplastisch sein. Sie weist Öffnungen nach unten auf, die durch das thermoplastische Verschweißen mit der Schicht (2) teilweise oder ganz geschlossen werden, so dass die Schicht (2) einen Teil oder den gesamten Boden der Mikrotiterplatte darstellt. Auf diese Weise können Kavitäten in den Mikrotiterplatten entstehen, die nach oben offen sein können und nach unten mittels Schicht (2) abgeschlossen sind, deren Oberfläche mit Strukturen versehen ist. Die Kavitäten der Mikrotiterplatten können dabei Ausmaße, also Durchmesser und Tiefen, im Millimeterbereich haben, beispielsweise 1,0 bis 10 mm, während die Strukturen auf der Prägelackschicht (2) Ausmaße im Mikrometerbereich haben können, beispielsweise 1 bis weniger als 1000 µm. Die Strukturen auf der Prägelackschicht (2) kann aber auch Ausmaße im Nanometerbereich haben, beispielsweise 50 bis weniger als 1000 nm. Eine konkrete Anwendung dafür wären Schichten mit optischer Funktionalität, wie beispielsweise Gitterstrukturen.
Bindung von Schicht (2) an Schicht (3)
Schicht (2) und Schicht (3) sind unmittelbar aneinander gebunden. Das heißt, es befindet sich kein anderes Material, z. B. Klebstoff, dazwischen. Die Verbindung von Schicht (2) und Schicht (3) ist durch ein Verfahren herstellbar, das aus thermoplastischem Bonden besteht. Das heißt, dass die Verbindung erzielbar ist, wenn neben dem thermischen Bonden kein anderes Verfahren eingesetzt wird. Die Materialien der Schicht (2) und der Schicht (3) können gleich oder verschieden sein. Wenn Schicht (3) eine Abschlussschicht ist, können die Materialien von Schicht (2) und (3) verschieden sein. Wenn Schicht (3) eine weitere Mikrostrukturebene ist, kann das Material von Schicht (2) und (3) gleich sein.
Die durch die Prägung in Schicht (2) gebildete Vertiefung wird von Schicht (3) abgedeckt. Schicht (3) hat eine Prägung oder hat keine Prägung auf der Schicht (2) zugewandten Seite.
Das thermische Bonden zum Verbinden der Schicht (2) mit der Schicht (3) erfolgt bei einer Temperatur (Bonding-Temperatur), bei der die Materialien der beiden Schichten in einem Maße aufgeweicht werden, dass nach dem Abkühlen eine feste Verbindung zwischen den Schichten entsteht. Die Bonding-Temperatur wird in Abhängigkeit von den Materialien der Schichten (2) und (3) so ausgewählt, dass einerseits die gewünschte Verbindung zwischen Schicht (2) und (3) gebildet wird und andererseits die Prägung in Schicht (2) durch das Erweichen nicht beschädigt oder nachteilig verändert wird. Daher sollten die Erweichungstemperaturen der Schichten (2) und (3) vorzugsweise ähnlich sein. Am einfachsten kann dies erreicht werden, indem gleiche Materialien für die Schichten (2) und (3) mit folglich gleichen Erweichungseigenschaften verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann Schicht (2) eine etwas höhere Erweichungstemperatur als Schicht (3) aufweisen. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Schicht (3) zum Erweichen auf höchstens die gleiche Temperatur wie Schicht (2) erwärmt wird. Dies kann dazu beitragen, dass beim Erweichen und Bonden die Prägung nicht beschädigt oder verändert wird.
Schicht (3) kann auch ein metallbeschichtetes Polymer (entweder vollflächige Metallisierung oder Metallisierung mit Strukturierung) oder Glas sein. Durch das Aufschmelzen des Thermoplasten beim thermischen Bonden können auch Verbindungen zu Glas und Metall entstehen, wenn dadurch beispielsweise Mikro- und/oder Nano-Kavitäten auf der Oberfläche der Schicht (3) gefüllt werden somit eine Verankerung erfolgt.
Durch das ausschließliche thermische Bonden der Schicht (2) and Schicht (3) werden die beiden Schichten ohne Ausbilden kovalenter Bindungen verbunden, so dass sie durch Erwärmen auch wieder getrennt werden könnten.
Bindung von Schicht (2) an Träger (1)
Die Bindung der Schicht (2) an den Träger (1) entsteht durch die Verfahrensschritte (a) Auftragen der nicht ausgehärteten Lackschicht auf den Träger und (c) Polymerisieren der Lackschicht.
Der Träger (1) und die Schicht (2) sind unmittelbar aneinander gebunden. Das heißt, es befindet sich kein anderes Material, z. B. Klebstoff, dazwischen. Da Schicht (2) auch an Schicht (3) unmittelbar gebunden ist, führt dies dazu, dass Schicht (2) sowohl an den Träger (1) als auch an Schicht (3) unmittelbar gebunden ist.
Die Reihenfolge der Schritte (a) und (c) führt auch dazu, dass die Struktur der Lackschicht durchgehend homogen ist, das heißt, dass sie an der Kontaktfläche zum Träger und im Rest der Schicht gleich ist.
Dadurch unterscheidet sich der Verbund aus Träger (1) und Schicht (2) auch von einem Verbund, der entsteht, wenn man eine thermoplastische Schicht (2) an der Fläche, die mit dem Träger (1) verbunden werden soll, unter lokalem Schmelzen erwärmt und die Schicht (2) dann unter Anpressen auf den Träger (1) gibt und schließlich abkühlen lässt. Da sich die lokal aufgeschmolzene Struktur der Schicht (2) an der Kontaktfläche zum Träger (1) mikroskopisch von der restlichen Struktur der Schicht (2) unterscheidet, kann daraus auf das Verbindungsverfahren geschlossen werden. Beispielsweise weist ein thermoplastischer Kunststoff, der durch Spritzgießen in einen Körper geformt wird, aufgrund von Reibungseinflüssen beim Gießen eine bestimmte Orientierung der Moleküle auf. Diese Orientierung wird beim lokalen Schmelzen und Wiederabkühlen verändert, so dass die Struktur des geformten Körpers im Querschnitt nicht mehr durchgehend gleich ist.
In der erfindungsgemäßen Mikrostruktur ist die Bindung zwischen dem Träger (1) und der Schicht (2), die eine thermoplastische Lackschicht ist und ein durch radikalische Polymerisation herstellbares Polymer enthält, durch ein Verfahren herstellbar, welches umfasst: (a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomore enthält, auf den Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind, und (c) das Polymerisieren der in der Lackschicht enthaltenen radikalisch polymerisierbaren Monomore zu einem Polymer unter Bildung der thermoplastischen Lackschicht (2). In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwischen Schritt (a) und Schritt (c) der Schritt (b) des Prägens durchgeführt, der jedoch auf die Mikrostruktur keinen Einfluss hat.
Mit anderen Worten umfasst die erfindungsgemäße Mikrostruktur nach Anspruch 1 einen Träger (1) und eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2), wobei eine unmittelbare Bindung zwischen (1) und (2) durch die radikalische Polymerisation des in Anspruch 1 genannten Polymers herstellbar ist.
Die Materialien des Trägers (1) und der Schicht (2) können gleich oder verschieden sein. Wenn sie gleich sind, kann der Träger (1) von der Schicht (2) mikroskopisch durch die beim thermischen Bonden an der Kontaktfläche entstehenden Strukturen unterschieden werden. Außerdem kann der Träger (1) eine Folie mit einer aufgrund des Herstellungsverfahrens speziellen Kristallorientierung sein. In der Regel bestehen der Träger (1) und die Schicht (2) jedoch aus voneinander verschiedenen Materialien. In einer Ausführungsform unterscheidet sich zumindest das Material des Trägers (1) an seiner Kontaktfläche zu der Schicht (2) von dem Material der Schicht (2). Wenn sich das Material des Trägers (1) bzw. seiner Kontaktfläche von dem Material der Schicht (2) unterscheidet, kann es thermoplastisch oder nicht thermoplastisch sein.
Wenn der Träger (1) keine thermoplastischen Eigenschaften hat und beispielsweise Glas oder Metall ist, kann das nicht gehärtete Polymermaterial der Schicht (2) in Mikro- und/oder Nano-Kavitäten auf der Oberfläche des Trägers (1) eindringen und diese füllen. Auf diese Weise kann beim nachfolgenden Polymerisieren eine Verankerung erfolgen.
Wie oben beschrieben kann die Oberfläche des Trägers (1) Funktionalisierungen aufweisen. In einer Ausführungsform können diese funktionellen Gruppen bei der Polymerisation des Ausgangsmaterials der Schicht (2) mit diesem Ausgangsmaterial umgesetzt werden und kovalente Bindungen ausbilden. Auf diese Weise kann die Bindung zwischen Schicht (1) und Schicht (2) verstärkt werden. Ist eine kovalente Bindung nicht gewünscht, können das Ausgangsmaterial für Schicht (2) und die Funktionalisierungen der Schicht (1) so gewählt werden, dass sie bei der Polymerisierung nicht miteinander reagieren. Alternativ dazu können die Funktionalisierungen der Schicht (1) mit Schutzgruppen geschützt sein, welche nach der Prägung und Polymerisierung des Ausgangsmaterials der Schicht (2) entfernt werden. Der Schutz der Funktionalisierungen kann auch zur Hydrophobierung der Oberfläche betragen, so dass die Materialien der Schichten (1) und (2) kompatibler werden und damit die nichtkovalente Anhaftung verstärkt wird.
Mehrere Schichten (2) aufweisende Mikrostrukturen oder Mehrschichtmikrostrukturen
In einer Ausführungsform kann der Träger (1) auf beiden Seiten eine Schicht (2) aufweisen, wobei jede der beiden Schichten (2) ihre Prägung auf der dem Träger abgewandten Seite, also außen, aufweist, so dass eine beidseitig geprägte Mikrostruktur erhalten werden kann. Dies kann z. B. durch einen zweimaligen Durchlauf im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Träger (1) eine in der vorliegenden Erfindung definierte Deckschicht (3) sein. Diese Schicht kann als Träger (1)/Deckschicht (3) bezeichnet werden. Auf diese Weise können Mehrschichtmikrostrukturen erhalten werden, die zwei, drei oder mehr Einheiten enthalten, in denen jeweils eine geprägte Schicht (2) und eine Träger (1)/Deckschicht (3) einander abwechseln. Träger (1)/Deckschicht (3) kann dabei eine Zusammensetzung und Eigenschaften aufweisen, wie sie im Rahmen dieser Erfindung für die Deckschicht (3) beschrieben sind. Träger (1)/Deckschicht (3) kann aber auch eine Verbundschicht sein, worin auf der ersten Außenseite eine im Rahmen dieser Erfindung für den Träger (1) beschriebene Schicht angeordnet ist und auf der zweiten Außenseite eine im Rahmen dieser Erfindung für die Deckschicht (3) beschriebene Schicht angeordnet ist. In diesem Fall kann jeweils die erste Außenseite an die ungeprägte Seite einer Schicht (2) und die zweite Außenseite an die geprägte Seite einer Schicht (2) gebunden sein. Es ist vorstellbar, dass diese Mehrschichtmikrostrukturen durch mehrere Durchgänge eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung der Mikrostruktur
Die erfindungsgemäße Mikrostruktur kann mit einem Verfahren hergestellt werden, welches die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:

(a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomere enthält, auf einen Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind,
(b) das Prägen der Lackschicht,
(c) das Polymerisieren der in der geprägten Lackschicht enthaltenen Monomere zu einem Polymer unter Bildung einer thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) und
(d) das thermische Bonden der thermoplastischen geprägten Lackschicht an eine Deckschicht (3).

Dieses Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Insbesondere kann der Schritt (b) als Rolle-zu-Rolle-Prägen durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrostruktur die Ultraviolett-Nanoprägelithografie (Englisch: ultraviolett nanoimprint lithography, kurz UV-NIL) eingesetzt. Dabei wird ein flüssiger Prägelack im kalten Zustand auf ein Polymersubstrat aufgetragen. Ein nanostrukturierter Stempel mit dem invertierten Profil der Mikrofluidik-Strukturen wird als Negativform eingesetzt und in den Prägelack gepresst, in dem dann die gewünschte Struktur als Positivform eingeprägt ist. Dies ist im Gegensatz zu den bekannten Spritzgussverfahren ohne hohe Kräfte und ohne aufwändige Temperaturschritte realisierbar. Durch Bestrahlung mit UV-Licht polymerisiert der Prägelack und wird fest. Nach Trennen des Stempels von dem geprägten Muster wird das Profil des Stempels in invertierter Form repliziert. Dieses Verfahren lässt sich bei Verwendung eines zylindrischen Stempels in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahren umsetzen. Damit können sehr große Flächen in kurzer Zeit strukturiert werden.
Um in den Schritten (b) und (c) ein Anhaften des Prägelacks an das Prägewerkzeug zu verringern oder ganz zu verhindern, kann dem als Ausgangsmaterial eingesetzten Lack ein oberflächenaktives Antihaftadditiv zugesetzt werden, welches silikonhaltig oder fluorhaltig sein kann. Insbesondere ist das Additiv mindestens ein aus der Gruppe ausgewähltes Mitglied, die silikonhaltige oder fluorhaltige Additive umfasst. Spezielle Beispiele sind nicht-ionische Tenside wie Polyether-Siloxane, Fettalkoholethoxylate wie Polyoxyethylen-(9)-laurylether, monofunktionelle Polydimethylsiloxan(meth)acrylate, Perfluor-n-alkyl-(meth)acrylate und Perfluorpolyether(meth)acrylate. Silikonhaltige oder fluorhaltige Additive tragen zur Verringerung der Adhäsion und zur Erleichterung der Ablösung des Prägelacks von dem Prägewerkzeug bei, wobei sich insbesondere die perfluorierten Additive als besonders günstig erwiesen haben und eine Mehrzahl von Abformungen eines Musters zuverlässig ermöglichen. Das mindestens eine Additiv kann in dem Ausgangslack in einer Menge von 0,1 bis 3 Gew.-% enthalten sein.
Die genannten Antihaftadditive können nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest teilweise in der thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) enthalten sein, beispielsweise in einer Menge von 0,1 bis 1 Gew.-%.
Das Anhaften des Prägelacks an das Prägewerkzeug kann auch dadurch verhindert werden, dass die Oberfläche des Prägewerkzeugs, insbesondere des Prägestempels, hinsichtlich ihrer Hydrophobizität modifiziert wird.
In den Schritten (b) und (c) kann ein Anhaften des Prägelacks an das Prägewerkzeug verringert werden, indem ein oberflächenaktives Antihaftadditiv und/oder ein oberflächenhydrophobizitätsmodifiziertes Prägewerkzeug eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

(1): Träger
(2): geprägte thermoplastische Lackschicht
(3): Deckschicht
(4): Prägung

Claims

Mikrostruktur, umfassend einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge, wobei die Verbindung der Lackschicht (2) mit der Deckschicht (3) durch ein aus thermischem Bonden bestehendes Verfahren herstellbar ist und die Lackschicht (2) ein durch radikalische Polymerisation von Monomeren herstellbares Polymer enthält, wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind.
Mikrostruktur nach Anspruch 1, wobei die unvernetzbaren Monomere ein Gemisch von Monomeren sind, welches Monomere (a) einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm und Monomere (b) einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm enthält, wobei sich die Polarität der Monomere (a) und (b) um mindestes 1,0 × 10^-30 Cm unterscheidet.
Mikrostruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die unvernetzbaren Monomere ein Gemisch von Monomeren unterschiedlicher Polarität sind und sich die Glasübergangstemperaturen von Homopolymeren aus den Monomeren unterschiedlicher Polarität um mindestens 30°C unterscheiden.
Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Monomere ein Molekulargewicht von weniger als 250 g/mol aufweisen.
Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polymer auf Monomere zurückgeht, die genau einen von (Meth)Acrylsäure abgeleiteten Rest mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung enthalten.
Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Monomere einer Polarität von weniger als 5,0 × 10^-30 Cm mindestens eine unter Isobornylacrylat, Trimethylcyclohexylacrylat und n-Octylmethacrylat ausgwählte Verbindung sind und die Monomere einer Polarität von mehr als 5,0 × 10^-30 Cm Acryloylmorpholin sind.
Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polymer auf ein Gemisch aus Monomeren mit genau zwei Thiolgruppen und Monomeren mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen zurückgeht.
Mikrostruktur nach Anspruch 7, wobei die Monomere mit genau zwei Thiolgruppen Glycoldi(3-mercaptopropionat) sind und die Monomere mit genau zwei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen geradkettige aliphatische Monomere mit endständigen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen sind.
Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Polymer keine Urethangruppen enthält.
Mikrostruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Deckschicht (3) eine weitere der geprägten thermoplastischen Lackschicht enthält.
Mikrostruktur, umfassend einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge und herstellbar durch ein Verfahren, das die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: (a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomere enthält, auf einen Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind, (b) das Prägen der Lackschicht, (c) das radikalische Polymerisieren der in der geprägten Lackschicht enthaltenen Monomere zu einem Polymer unter Bildung einer thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) und (d) das thermische Bonden der thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) an eine Deckschicht (3).
Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur, die einen Träger (1), eine geprägte thermoplastische Lackschicht (2) und eine Deckschicht (3) in dieser Reihenfolge aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: (a) das Auftragen einer Schicht eines Lacks, der zu einem Polymer radikalisch polymerisierbare Monomere enthält, auf einen Träger (1), wobei 99 bis 100 Gew.-% der Monomere unvernetzbar und 0 bis 1 Gew.-% der Monomere vernetzbar sind, (b) das Prägen der Lackschicht, (c) das Polymerisieren der in der geprägten Lackschicht enthaltenen Monomere zu einem Polymer unter Bildung einer thermoplastischen geprägten Lackschicht (2) und (d) das thermische Bonden der thermoplastischen geprägten Lackschicht an eine Deckschicht (3).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, welches kontinuierlich durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Schritt (b) als Rolle-zu-Rolle-Prägen durchgeführt wird.