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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler
Strukturen nanometrischer oder mikrometrischer Abmessungen.
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Auf
bestimmten Technologiegebieten werden derzeit Bauelemente verwendet,
die mit Oberflächenvorsprüngen versehen
sind, die eine Höhe
von bis zu 500 Mikron aufweisen, und die entsprechend definitiven
Geometrien angeordnet sind, beispielsweise um Kanäle zu bilden.
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Bauelemente,
die durch dreidimensionale Oberflächenstrukturen der genannten
Art gekennzeichnet sind, werden üblicherweise
in mikroelektronischen mechanischen Systemen (MEMS) verwendet, zum
Zweck der Herstellung von Beleuchtungsvorrichtungen, mikromechanischen
Vorrichtungen und Mikrofluid-Vorrichtungen, beispielsweise zur Herstellung
von diffraktiven optischen Geräten,
medizinischen Geräten,
Mikroturbinen und dergleichen.
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Nach
dem Stand der Technik können
die genannten Oberflächen
mit Vorsprüngen
nanometrischer oder mikrometischer Abmessungen, die gemäß vorgegebenen
Mustern angeordnet sind, nicht durch maschinelle Arbeitsprozesse
erhalten werden. Um diese dreidimensionalen Strukturen zu erhalten, werden
infolgedessen mehr oder weniger herkömmliche photolithographische
Technologien verwendet, je nach der Höhe und der Art der gewünschten
Vorsprünge.
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Die
zu diesem Zweck verwendeten photolithographischen Verfahren sind
außerordentlich
komplex und kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil der photolithographischen
Verfahren besteht darin, dass sie keine dreidimensionalen Strukturen
mit einem hohen Aspektverhältnis
ermöglichen,
worunter das Verhältnis
zwischen der Höhe
eines Vorsprungs und dem Abstand desselben von einem benachbarten Vorsprung
zu verstehen ist.
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EP-A-710508 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit dreidimensionalen
optischen Effekten. Das Verfahren umfasst Pigmente in der noch flüssigen Beschichtung,
die durch das Magnetfeld eines vorher magnetisch konfigurierten
flachen Übertragungsmediums
ausgerichtet werden. Dieses kann aus einem harte, magnetische Teilchen
enthaltenen Plastikfilm bestehen, der auf einen zusätzlichen
Träger
aufgebracht wird. Die magnetische Konfiguration des Transfermediums
wird, nach dessen gleichförmiger
Magnetisierung, unter Verwendung eines stiftförmigen, einseitigen Elektromagneten
und einer weichmagnetischen Basis ausgeführt.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung ist das Aufzeigen eines neuen Verfahrens,
das die Herstellung dreidimensionaler nanometrischer oder mikrometischer
Strukturen ermöglicht,
die Eigenschaften ähnlich
denjenigen aufweisen, die unter Verwendung photolithographischer
Technologien erhalten werden können,
jedoch mit beträchtlich
weniger Kostenaufwand und Komplexität im Vergleich zu Letzteren.
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Die
oben genannten sowie weitere Zwecke werden gemäß der vorliegenden Erfindung
durch ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen
nanometrischer oder mikrometischer Abmessungen erzielt, insbesondere
von Oberflächen,
aus denen sich Vorsprünge
mit einer Höhe
von bis zu 500 Mikron erheben, die entsprechend definitiven Geometrien
angeordnet sind, wobei das Verfahren das Merkmal aus Anspruch 1
aufweist.
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Bevorzugte
Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den abhängigen
Ansprüchen 2
bis 15 dargestellt.
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Weitere
Zwecke, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlich
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung sowie aus den angehängten
Zeichnungen hervor, die einzig als erklärendes und nicht beschränkendes
Beispiel bereitgestellt werden, und in denen
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1 eine
schematische Darstellung eines Mikroteilchens aus einer Mischung
von Fotopolymeren ist, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
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2 und 3 schematische
Darstellungen des Verhaltens von Mikroteilchen des in 1 dargestellten
Typs sind, jeweils in Abwesenheit und in Anwesenheit eines externen
magnetischen Feldes;
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4 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung ist, die zur Ausbildung
von dreidimensionalen mikrometrischen Strukturen gemäß der Erfindung
verwendet wird;
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5 und 6 schematische
Darstellungen eines ersten möglichen
Ausführungsbeispiels und
eines zweiten möglichen
Ausführungsbeispiels eines
Teils der Vorrichtung aus 4 sind;
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7 eine
schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Vorrichtung
ist, die zur Ausbildung von dreidimensionalen nanometrischen Strukturen
gemäß der Erfindung
verwendet wird;
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8 und 9 schematische
Darstellungen, jeweils in Draufsicht und in Seitenansicht, eines ersten
Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung gemäß 7 sind;
und
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10 und 11 schematische
Darstellungen, jeweils in Draufsicht und in Seitenansicht, eines
zweiten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung gemäß 7 sind.
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Wie
zuvor erwähnt,
besteht die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee darin,
zum Zwecke der Herstellung dreidimensionaler nanometrischer oder
mikrometrischer Strukturen Fotopolymere in Verbindung mit Nanoteilchen
zu verwenden, die mittels eines magnetischen oder elektrischen Feldes im
Raum ausgerichtet werden können.
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Gemäß der Erfindung
werden dann in eine Fotopolymer- oder UV-Mischung eine oder mehrere ausrichtbare
Substanzen eingebracht, die die Mischung selbst für die Wirkung
einer äußeren Kraft, insbesondere
eines elektrischen oder magnetischen Feldes, empfindlich machen.
Das genannte äußere Feld
wird außerhalb
des Systems angemessen moduliert, um das Höhenwachstum der gewünschten Oberflächenvorsprünge zu ermöglichen,
und die Steuerung ihrer geometrischen Definition zu verbessern.
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Die
zum Zwecke der Umsetzung der Erfindung verwendeten UV-Mischungen
können
von einer Art sein, die per se bekannt ist, und aus acrylisierten Oligomeren
und Monomeren zusammengesetzt sein. Andererseits können die
Substanzen, die Eigenschaften aufweisen, dass sie in Anwesenheit
von elektrischen oder magnetischen Feldern ausge richtet werden können, aus
Ferrofluiden, elektrorheologischen Materialien, Flüssigkritallen,
oder magnetorheologischen Materialien bestehen, die per se ebenso bekannt
sind.
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Um
das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, in schematischer Form
darzustellen, ist 1 eine schematische Darstellung
eines Mikroteilchens 1 in einer Fotopolymer-Matrix einer in dem
erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Mischung, die Nanoteilchen 2 enthält, die
ausgerichtet werden können,
die hier Nanomagneten sein sollen. In 2 ist eine
Fotopolymer-Mischung M, die die Nanoteilchen 1 enthält, schematisch
in Abwesenheit eines magnetischen Feldes dargestellt, während in 3 dieselbe
Mischung M in Anwesenheit eines magnetischen Feldes dargestellt
ist. Wie aus dem Vergleich zwischen 2 und 3 hervorgeht,
ermöglicht
es das Anlegen eines angemessen polarisierten magnetischen Feldes,
dass die gewünschte
Ausrichtung der Nanoteilchen 1 auf Grund des Vorhandenseins der
Nanomagneten 2 darin erzielt werden kann.
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Gemäß der Erfindung
können
zwei unterschiedliche Funktionsverfahren in Betracht gezogen werden,
die je nach den nanometrischen und mikrometrischen Abmessungen der
Oberflächenvorsprünge, die
erzielt werden sollen, eingesetzt werden können, und insbesondere zur
Ausbildung von mikrometrischen Strukturen mit Vorsprungsabmessungen
von ungefähr
50 bis ungefähr
500 Mikron, und zur Ausbildung von nanometrischen Strukturen mit
Vorsprungsabmessungen von ungefähr
50 Nanometer bis 1 Mikron.
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Die
zur Erzeugung dreidimensionaler mikrometrischer Strukturen mit einem
hohen Aspekt-Verhältnis
gemäß der Erfindung
verwendete Methodik kann die folgenden Schritte beinhalten:
- 1) Solubilisierung der ausrichtbaren Nanoteilchen in
der Fotopolymer- oder UV-Mischung;
- 2) Aufbringen der UV-Mischung in Form eines viskosen, flüssigen Films
auf eine Binär-
oder Halbtonmaske;
- 3) Aussetzen der Mischung gegenüber der UV-Strahlung durch
die vorgenannte Maske und in Anwesenheit eines elektrischen und/oder
magnetischen Feldes zur Bestimmung des gewünschten Wachstums der Oberflächenvorsprünge mit der
Steuerung des Polymerisationszustandes der Mischung; und
- 4) endgültige
Polymerisation der Mischung.
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Die
Funktionsschritte 1) und 2) können
unter Verwendung von Techniken durchgeführt werden, die per se bekannt
sind, und werden daher hier nicht beschrieben; dasselbe gilt hinsichtlich
der Herstellung der Maske, auf die in Schritt 2) Bezug genommen wird.
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4 stellt
ein mögliches
Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung dar, die zur Ausführung des Schrittes 3) geeignet
ist.
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In 4 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 eine allgemeine UV-Strahlungsquelle,
wie beispielsweise eine UV-Lampe, der ein IR-Filter nachgeschaltet
ist, der mit 11 bezeichnet ist.
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Die
Bezugszeichen 12, 13 und 14 bezeichnen
jeweils einen ersten dichroistischen Spiegel, einen zweiten dichroistischen
Spiegel und einen schwarzen Schirm. Die Bauelemente 12, 13 und 14 werden
dazu verwendet, einen mit F bezeichneten Strahl UV-Strahlung, der durch
die Lampe 10 erzeugt wird, auf eine Binärmaske oder eine Halbtonmaske, die
mit 15 bezeichnet ist, zu richten. Auf Letzterer wird mit
Modalitäten,
die per se bekannt sind, die Mischung M in Form eines viskosen,
flüssigen
Films aufgebracht.
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Mit 16 wird
ein Personalcomputer bezeichnet, der dazu dient, außer der
Lampe 10 auch die Stromversorgung 17 eines Elektromagneten 18 zu steuern,
wobei Letzterer dazu verwendet wird, während des Aussetzens gegenüber UV-Strahlung
ein elektrisches oder magnetisches Feld an die Mischung M anzulegen.
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Das
System zur Steuerung der Polymerisation der Mischung M mittels UV-Strahlung
gewährleistet
in Echtzeit die Änderung
des Brechungsindex der flüssigen
Mischung M in den Bereichen mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden
und die Modifizierung der Intensität des von dem Elektromagneten 18 erzeugten
Feldes. Zu diesem Zweck ist es mittels eines mit 19 bezeichneten
Lasers möglich,
die Verteilung der Intensität
in Echtzeit in der Reihenfolge der Brechung zu steuern, die sich
aus der Überlagerung des
auf der Maske befindlichen Gitters und des aus der UV-Mischung in
dem Polymerisationsschritt bestehenden Gitters ergibt. Die genannte
Verteilung der Intensität
in der Reihen folge der Brechung wird von einer Fernsehkamera erfasst,
die mit 20 bezeichnet ist und sich einige Zentimeter von
der Maske 15 entfernt befindet.
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Die
UV-Strahlung F wird beim Durchtritt durch das Gitter der Maske 15 moduliert
und erzeugt rechtzeitig eine Modulation des Brechungsindex der Fotopolymermischung
M. Diese Modulation ist mit dem unterschiedlichen Vernetzungszustand
verbunden, der durch die mit unterschiedlichen Intensitäten beleuchteten
Bereiche erreicht wurde.
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Die
Mischung M wird gleichzeitig der UV-Strahlung F und dem externen
magnetischen oder elektrischen Feld ausgesetzt, das von dem Elektromagneten 18 in
einer inerten Umgebung erzeugt wird, um die hemmende Wirkung von
Sauerstoff zu verhindern. In dem Beispiel aus 4 wird diese
inerte Umgebung durch eine Stickstoff enthaltende Kammer 21 bereitgestellt.
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Das
Zusammenwirken des externen, von dem Elektromagneten 18 erzeugten
Feldes und der UV-Strahlung mittels Ausrichtung der Feldlinien des Strahls
F und der Maske 15 ermöglicht
es, dreidimensionale Strukturen mit einem hohen Aspektverhältnis zu
erhalten.
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5 ist
eine schematische Darstellung des Falles einer Maske, die zur Ausbildung
von dreidimensionalen Strukturen mit der kombinierten Wirkung von
UV-Strahlung und magnetischem Feld verwendet wird. In dieser Figur
bezeichnet die Ziffer 15 eine Binärmaske, der Buchstabe M bezeichnet
die Mischung aus Fotopolymer und magnetischen Nanoteilchen, in der
Vorsprünge
R definiert sind. Das Bezugszeichen 18A bezeichnet eine
obere magnetische Stütze,
und F bezeichnet den Strahl der UV-Strahlung. In diesem Fall führt die
magnetische Stütze 18A die
Funktion des Elektromagneten 18 aus 4 aus.
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In
dem Fall der 6 wird stattdessen ein elektrisches
Feld verwendet, um die Ausrichtung der Nanoteilchen der Mischung
M zu erreichen, das beispielsweise aus elektrorheologischen Materialien oder
Flüssigkristallen
besteht. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall zwischen
der Binärmaske 15 und
der Mischung M, aus der die Vorsprünge R ausgebildet werden sollen,
ein leitender Film 22 zum Anlegen des elektrischen Felds,
das zur Ausrichtung der Nanoteilchen notwendig ist, bereitgestellt
ist.
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Unabhängig von
der Art des angelegten externen Feldes wird das anfängliche „Anschwellen" einiger Bereiche
des Polymerfilms M bei der hier vorgeschlagenen Methodik dadurch
erzielt, dass diese uneinheitlicher UV-Strahlung ausgesetzt werden, beispielsweise
durch Verwendung einer Halbtonmaske 15, die in der Lage
ist, einen Teil der einfallenden Intensität gemäß dem bestimmten, vorgegebenen Muster
zu absorbieren.
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Die
oben genannte Art der Bestrahlung ist in Verbindung mit der Steuerung
in Echtzeit der Änderung
des Brechungsindex in der Lage, eine Uneinheitlichkeit in der Ausbildung
des Polymergitters zwischen den hellsten Bereichen, also denjenigen,
die am meisten angestrahlt werden, und den dunkelsten Bereichen,
also denjenigen, die am wenigsten angestrahlt werden, zu erzeugen,
wobei die Vorsprünge
R anfänglich
durch ein Phenomen des Transfers von Material von den dunklen Bereichen
zu den hellen Bereichen wachsen.
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Das
Anlegen des elektrischen oder magnetischen Feldes ermöglicht dann
weiteres „Wachstum" der genannten hellen
Bereiche, um die gewünschte Höhe und geometrische
Definition für
die Vorsprünge R
zu erreichen. Nach Ausbildung der Vorsprünge R auf die oben beschriebene
Weise wird der Film M vollständiger
UV-Strahlung ausgesetzt, um die endgültige Polymerisation der Mischung
zu erreichen. Aus den durchgeführten
praktischen Versuchen ergab sich, dass die Kombination von UV-Strahlen
und externem elektrischem und/oder magnetischem Feld eine deutliche
Wirkung auf die Höhe
der erreichbaren Vorsprünge
hat, und damit auf das Aspektverhältnis der dreidimensionalen
Struktur.
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Die
zur Erzeugung dreidimensionaler nanometrischer Strukturen verwendete
Methodik kann stattdessen die folgenden Schritte aufweisen:
- 1) Solubilisierung der Nanopartikel, die ausgerichtet
werden können,
in der Fotopolymer-Mischung;
- 2) Aufbringen der Mischung in der Form eines flüssigen Films
auf ein transparentes Substrat;
- 3) Prepolymerisation der Mischung, also ihre Umformung von flüssiger Mischung
in Gel, durch Aussetzen gegenüber
UV-Strahlen;
- 4) Wachsen der Vorsprünge
mittels einer nanometrischen Spitze; und
- 5) endgültige
Polymerisation der Mischung.
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Auch
in diesem Fall können
die Arbeitsschritte 1) und 2) unter Verwendung von Techniken durchgeführt werden,
die per se bekannt sind, und die daher hier nicht beschrieben werden;
dasselbe gilt für die
Herstellung des transparenten Substrats, auf das in Schritt 2) Bezug
genommen wird.
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7 ist
eine schematische Darstellung der Funktionsweise einer Vorrichtung,
die zum Zwecke der Ausbildung von dreidimensionalen nanometrischen
Strukturen gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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In 7 bezeichnet
das Bezugszeichen 30 ein transparentes Substrat, auf dem
ein Film aus Fotopolymer-Mischung M aufgebracht ist, die Nanomagneten
enthält.
Nach diesem Aufbringen wird ein Strahl UV-Strahlung erzeugt, der
mit F1 bezeichnet ist, der das transparente Substrat 30 durchdringt
und auf dem Film M auftrifft, wie aus dem oberen Teil a) von 7 ersichtlich.
Dadurch wird eine Prepolymerisation der Mischung erzielt, das heißt, ihre
Umwandlung von einem flüssigen
Zustand in einen gelatinösen
Zustand.
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Sobald
die Mischung in ein Gel umgewandelt wurde, wird eine magnetische
Spitze 31 neben dem Film M positioniert, wie aus dem mittleren
Teil b) von 7 ersichtlich. Die Spitze 31,
die nanometrische Abmessungen hat (sie hat einen Enddurchmesser von
20–30
nm), kann aus Silizium hergestellt sein und mit einem magnetischen
Film beschichtet sein. Die Positionierung der Spitze 31,
die von einem entsprechenden mobilen Schlitten 32 gestützt wird,
wird über
Software (beispielsweise durch einen Personalcomputer) zur Erzeugung
der Vorsprünge
R gesteuert. Auf diese Weise wird der Film M, örtlich begrenzt, gemäß dem eingestellten
Muster dem von der Spitze 31 erzeugten magnetischen Feld
ausgesetzt, um die Nanomagneten, die Teil der Mischung M sind, gemäß einem ähnlichen
Prinzip wie dem oben beschriebenen nach oben anzuziehen. Auch in
diesem Fall kann nachfolgend das Wachstum der Vorsprünge R aus dem
Film M in Richtung der Spitze 31 beobachtet werden.
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Wie
schließlich
aus dem unteren Teil c) der 7 ersichtlich,
ist eine optische Faser 33 mit dem Arm verbunden, der die
Spitze 31 trägt,
um einen UV-Strahl, der mit F2 be zeichnet ist, in der Nähe der Spitze
selbst zu fokussieren und dadurch die vorher ausgebildete dreidimensionale
Struktur zu vernetzen, also ihre endgültige Polymerisation zu erreichen.
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Aus
dem oben Gesagten wird deutlich, wie es durch Steuern des Schlittens 32 auf
geeignete Weise und damit durch Positionieren der Spitze 31 und
der optischen Faser 33 möglich ist, verschiedene Arten
von Vorsprüngen
R zu erzeugen.
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8 bis 11 stellen
rein beispielhaft einige mögliche
Formen von Vorsprüngen
R dar, die mit dem beschriebenen Verfahren erhalten werden können, wobei
insbesondere in den 8 und 9 der Fall
von punktartigen Vorsprüngen
R gezeigt wird, während
in 10 und 11 der
Fall von durchgehenden Vorsprüngen
R dargestellt wird.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung gehen die Eigenschaften und Vorteile
der Erfindung deutlich hervor. Wie gezeigt wurde, wird insbesondere
ein neues Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen
nanometrischer oder mikrometrischer Abmessungen unter Verwendung
bestimmter Fotopolymer-Mischungen mit ausrichtbaren Nano-Einschlüssen beschrieben,
die unter dem Einfluss von UV-Strahlung in Kombination mit einem elektrischen
oder magnetischen Feld in der Lage sind, sich zu vernetzen.
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Die
Vorrichtung zur Steuerung des Polymerisationszustands, die einen
festen Bestandteil der Erfindung bildet, ermöglicht ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit
der Höhe,
der Präzision
und des Aspektverhältnisses
der erhaltenen Vorsprünge.
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Selbstverständlich können die
baulichen Details und die Ausführungsbeispiele
hinsichtlich des hier rein beispielhaft Beschriebenen und Dargestellten
variieren, ohne das Prinzip der Erfindung zu beeinträchtigen.