Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing

K. Hermans

    Research output: ThesisPhd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

    96 Downloads (Pure)

    Abstract

    In verschillende technologieën worden micro-oppervlaktestructuren in polymeren gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in optische dataopslag, beeldschermen, microfluidics en coatings. Met het doorzetten van de huidige trend om alles te minutiarizeren is het voor de handliggend dat micro-oppervlaktestructuren een steeds belangrijkere rol zullen gaan vervullen. Hiervoor zullen technieken ontwikkeld moeten worden om nieuwe structuren in massaproductie te kunnen maken. Vanwege de eenvoud van het proces heeft photoembossing de potentie om een dergelijke techniek te zijn. Het basismateriaal bij photoembossing is een dunne film welke bestaat uit een mengsel van een polymeer, een monomeer en een fotoinitiator. Dit mengsel wordt ook wel het fotopolymeer genoemd. Een latent beeld van het gewenste oppervlaktereliëf wordt in het fotopolymeer aangebracht door het lokaal met ultraviolet (UV) licht te belichten. Daardoor wordt de fotoninitiator geactiveerd en ontstaan er radicalen in de belichte gebieden. Het oppervlaktereliëf ontstaat door het fotopolymeer te verwarmen tot boven de glastransitietemperatuur van het mengsel. Hierdoor verhoogt de mobiliteit van het systeem en wordt de radical geïnitieerde polymerisatie doorgezet. Door het lokale verschil in compositie ontstaat diffusie van het monomeer naar de belichte gebieden. De diffusie zorgt voor de groei van oppervlaktestructuren in de belichte gebieden. De maximale aspect ratio (hoogte van de structuur gedeeld door de breedte) die momenteel met deze techniek gehaald kan worden is echter laag. Dit beperkt het aantal applicaties waar de techniek potentieel gebruikt zou kunnen worden. In dit proefschrift worden verschillende methodes gepresenteerd om de aspect ratio van de oppervlaktestructuren te verbeteren. Tevens worden nieuwe applicaties voor deze unieke techniek gedemonstreerd. Allereerst, is het ontstaan van de oppervlaktestructuren onderzocht door middel van een numeriek model. Dit model omschrijft de diffusie van het monomeer als gevolg van een lokale verandering in het chemisch potentiaal, wat ontstaat door de polymerisatiereactie in de belichte gebieden. Het effect van componenten die interfereren met de polymerisatiereactie (zoals bv. zuurstof) is meegenomen in het model. Het model laat zien dat terminatie van de radicalen, met name door trapping, een belangrijke factor is in het ontwikkelingsproces van het reliëf. Moleculen die de terminatie van radicalen bevorderen (zoals bv. zuurstof) hebben dan ook een negatief effect op de hoogte van het reliëf. Moleculen die de polymerisatiereactie herinitiëren na reactie met de radicalen (zoals bv. chain transfer agents) hebben een positief effect op de structuurgroei. De transfer/reinitiatie reactie zorgt voor ophoping van gestabiliseerde radicalen. Deze radicalen dienen als "latente initiatoren" die tijdens de verwarmingstap de polymerisatiereactie kunnen voortzetten. Door aan het fotopolymeer moleculen toe te voegen die de terminatie van radical bevorderen (inhibitors/retarders) en die de polymerisatiereactie reinitiëren (chain transfer) zijn de modelresultaten experimenteel onderzocht. Aangetoond is dat een inhibitiereactie een negatief effect heeft op de structuurgroei. Retardatie daar en tegen zorgt voor verbetering van de aspect ratio tot een factor 7. Onderzoek naar het type radicaal, de stabiliteit van de radicalen en het kinetisch effect op de reactie toont aan dat deze verbetering toegeschreven kan worden aan chain transfer reacties. Het effect van de chain transfer reactie is nader onderzocht door het toevoegen van reversibele addition-fragmentation (RAFT) agents. Ook deze moleculen verbeterden de structuurhoogte van het reliëf tot een factor 7. De RAFT agents hebben het voordeel dat ze ongevoelig zijn voor de aanwezigheid van zuurstof in de omgeving, wat ideaal is voor industriële applicaties. Helaas, maakt hun intrinsieke kleur ze minder geschikt voor optische toepassingen. Om de structuurhoogte verder te verbeteren zijn er nieuwe fotopolymeren ontwikkeld. Anders dan met de conventionele systemen bevatten deze fotopolymeren geen grote hoeveelheid polymeer. Conventioneel bestaat het fotopolymeer tot wel 50 wt.-% aan polymeer om het materiaal na aanbrengen een vaste toestand te geven. Echter het polymeer kan niet diffunderen en draagt daardoor niet bij aan de uiteindelijke structuurhoogte. De nieuw ontwikkelde systemen bestaan uit mobiele monomeren die bij kamertemperatuur in een vaste staat verkeren door sterische of dipool-dipool interacties. Aangetoond is dat in deze nieuwe fotopolymeren relatief hoge structuren gemaakt kunnen worden. De verbeterde performance en warmte geïnitieerde reliëfontwikkeling maken het mogelijk om photoembossing te gebruiken voor unieke applicaties. Aangetoond wordt dat de techniek gebruikt kan worden om een array van microlenzen met een antireflectie coating te maken. De optische eigenschappen van de lenzen kunnen eenvoudig aangepast worden door de procesparameters te veranderen. Photoembossing kan ook gebruikt worden om in-situ een array van gevulde microbakjes (zoals bv. in een electroforetische display) hermetisch te sluiten. Het concept is ongevoelig voor kleine afwijkingen in de hoogte van de wanden van de bakjes, vlakheid van het dekglas en dunne vloeistoflaagjes die achterblijven tussen het dekglas en wanden van de bakjes. Een andere eigenschap van photoembossing is dat zowel de materiaal- als productiekosten laag zijn. De techniek kan hierdoor gebruikt worden om een reliëf voor het verbeteren van de kijkhoek van displays, wegwerpbare replicatiemallen of stempels te maken. Bij photoembossing wordt een reliëfstructuur gemaakt door diffusie van moleculen naar van te voren bepaalde gebieden. Het omgekeerde, reliëfstructuren die de diffusie van moleculen induceren, is ook mogelijk. Dit effect wordt gebruikt in biosensoren. Deze apparaten detecteren briomoleculaire stoffen, zoals bv DNA/RNA of proteïnen, in vloeistoffen. De huidige systemen hebben ofwel kleine volumes aan monstervloeistof nodig ofwel een hoge gevoeligheid. In dit proefschrift wordt een nieuw type sensor, welke een klein monstervolume combineert met een hoge gevoeligheid, ontworpen, gemaakt en geëvalueerd. Het apparaat is gebaseerd op een microfluidic kanaal waarin een lokaal poreus membraan is aangebracht. De sensor kan in principe hermetisch afgesloten worden door middel van photoembossing. Samengevat is er aangetoond dat het mogelijk is om reliëfstructuren met een hoge aspect ratio te krijgen door middel van photoembossing. De verbeterde performance kan gebruikt worden voor een aantal nieuwe applicaties en opent een scala aan andere mogelijke toepassing.
    Original languageEnglish
    QualificationDoctor of Philosophy
    Awarding Institution
    • Department of Chemical Engineering and Chemistry
    Supervisors/Advisors
    • Broer, Dirk J., Promotor
    • Bastiaansen, Cees W.M., Copromotor
    Award date29 Apr 2009
    Place of PublicationEindhoven
    Publisher
    Print ISBNs978-90-386-1772-5
    DOIs
    Publication statusPublished - 2009

    Fingerprint

    Relief
    Sensor
    Fragmentation
    Trapping
    In Situ
    Huns
    Names

    Cite this

    Hermans, K.. / Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing. Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2009. 135 p.
    @phdthesis{2681ce1e5d9c40199743c350c607db5f,
    title = "Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing",
    abstract = "In verschillende technologie{\"e}n worden micro-oppervlaktestructuren in polymeren gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in optische dataopslag, beeldschermen, microfluidics en coatings. Met het doorzetten van de huidige trend om alles te minutiarizeren is het voor de handliggend dat micro-oppervlaktestructuren een steeds belangrijkere rol zullen gaan vervullen. Hiervoor zullen technieken ontwikkeld moeten worden om nieuwe structuren in massaproductie te kunnen maken. Vanwege de eenvoud van het proces heeft photoembossing de potentie om een dergelijke techniek te zijn. Het basismateriaal bij photoembossing is een dunne film welke bestaat uit een mengsel van een polymeer, een monomeer en een fotoinitiator. Dit mengsel wordt ook wel het fotopolymeer genoemd. Een latent beeld van het gewenste oppervlaktereli{\"e}f wordt in het fotopolymeer aangebracht door het lokaal met ultraviolet (UV) licht te belichten. Daardoor wordt de fotoninitiator geactiveerd en ontstaan er radicalen in de belichte gebieden. Het oppervlaktereli{\"e}f ontstaat door het fotopolymeer te verwarmen tot boven de glastransitietemperatuur van het mengsel. Hierdoor verhoogt de mobiliteit van het systeem en wordt de radical ge{\"i}nitieerde polymerisatie doorgezet. Door het lokale verschil in compositie ontstaat diffusie van het monomeer naar de belichte gebieden. De diffusie zorgt voor de groei van oppervlaktestructuren in de belichte gebieden. De maximale aspect ratio (hoogte van de structuur gedeeld door de breedte) die momenteel met deze techniek gehaald kan worden is echter laag. Dit beperkt het aantal applicaties waar de techniek potentieel gebruikt zou kunnen worden. In dit proefschrift worden verschillende methodes gepresenteerd om de aspect ratio van de oppervlaktestructuren te verbeteren. Tevens worden nieuwe applicaties voor deze unieke techniek gedemonstreerd. Allereerst, is het ontstaan van de oppervlaktestructuren onderzocht door middel van een numeriek model. Dit model omschrijft de diffusie van het monomeer als gevolg van een lokale verandering in het chemisch potentiaal, wat ontstaat door de polymerisatiereactie in de belichte gebieden. Het effect van componenten die interfereren met de polymerisatiereactie (zoals bv. zuurstof) is meegenomen in het model. Het model laat zien dat terminatie van de radicalen, met name door trapping, een belangrijke factor is in het ontwikkelingsproces van het reli{\"e}f. Moleculen die de terminatie van radicalen bevorderen (zoals bv. zuurstof) hebben dan ook een negatief effect op de hoogte van het reli{\"e}f. Moleculen die de polymerisatiereactie heriniti{\"e}ren na reactie met de radicalen (zoals bv. chain transfer agents) hebben een positief effect op de structuurgroei. De transfer/reinitiatie reactie zorgt voor ophoping van gestabiliseerde radicalen. Deze radicalen dienen als {"}latente initiatoren{"} die tijdens de verwarmingstap de polymerisatiereactie kunnen voortzetten. Door aan het fotopolymeer moleculen toe te voegen die de terminatie van radical bevorderen (inhibitors/retarders) en die de polymerisatiereactie reiniti{\"e}ren (chain transfer) zijn de modelresultaten experimenteel onderzocht. Aangetoond is dat een inhibitiereactie een negatief effect heeft op de structuurgroei. Retardatie daar en tegen zorgt voor verbetering van de aspect ratio tot een factor 7. Onderzoek naar het type radicaal, de stabiliteit van de radicalen en het kinetisch effect op de reactie toont aan dat deze verbetering toegeschreven kan worden aan chain transfer reacties. Het effect van de chain transfer reactie is nader onderzocht door het toevoegen van reversibele addition-fragmentation (RAFT) agents. Ook deze moleculen verbeterden de structuurhoogte van het reli{\"e}f tot een factor 7. De RAFT agents hebben het voordeel dat ze ongevoelig zijn voor de aanwezigheid van zuurstof in de omgeving, wat ideaal is voor industri{\"e}le applicaties. Helaas, maakt hun intrinsieke kleur ze minder geschikt voor optische toepassingen. Om de structuurhoogte verder te verbeteren zijn er nieuwe fotopolymeren ontwikkeld. Anders dan met de conventionele systemen bevatten deze fotopolymeren geen grote hoeveelheid polymeer. Conventioneel bestaat het fotopolymeer tot wel 50 wt.-{\%} aan polymeer om het materiaal na aanbrengen een vaste toestand te geven. Echter het polymeer kan niet diffunderen en draagt daardoor niet bij aan de uiteindelijke structuurhoogte. De nieuw ontwikkelde systemen bestaan uit mobiele monomeren die bij kamertemperatuur in een vaste staat verkeren door sterische of dipool-dipool interacties. Aangetoond is dat in deze nieuwe fotopolymeren relatief hoge structuren gemaakt kunnen worden. De verbeterde performance en warmte ge{\"i}nitieerde reli{\"e}fontwikkeling maken het mogelijk om photoembossing te gebruiken voor unieke applicaties. Aangetoond wordt dat de techniek gebruikt kan worden om een array van microlenzen met een antireflectie coating te maken. De optische eigenschappen van de lenzen kunnen eenvoudig aangepast worden door de procesparameters te veranderen. Photoembossing kan ook gebruikt worden om in-situ een array van gevulde microbakjes (zoals bv. in een electroforetische display) hermetisch te sluiten. Het concept is ongevoelig voor kleine afwijkingen in de hoogte van de wanden van de bakjes, vlakheid van het dekglas en dunne vloeistoflaagjes die achterblijven tussen het dekglas en wanden van de bakjes. Een andere eigenschap van photoembossing is dat zowel de materiaal- als productiekosten laag zijn. De techniek kan hierdoor gebruikt worden om een reli{\"e}f voor het verbeteren van de kijkhoek van displays, wegwerpbare replicatiemallen of stempels te maken. Bij photoembossing wordt een reli{\"e}fstructuur gemaakt door diffusie van moleculen naar van te voren bepaalde gebieden. Het omgekeerde, reli{\"e}fstructuren die de diffusie van moleculen induceren, is ook mogelijk. Dit effect wordt gebruikt in biosensoren. Deze apparaten detecteren briomoleculaire stoffen, zoals bv DNA/RNA of prote{\"i}nen, in vloeistoffen. De huidige systemen hebben ofwel kleine volumes aan monstervloeistof nodig ofwel een hoge gevoeligheid. In dit proefschrift wordt een nieuw type sensor, welke een klein monstervolume combineert met een hoge gevoeligheid, ontworpen, gemaakt en ge{\"e}valueerd. Het apparaat is gebaseerd op een microfluidic kanaal waarin een lokaal poreus membraan is aangebracht. De sensor kan in principe hermetisch afgesloten worden door middel van photoembossing. Samengevat is er aangetoond dat het mogelijk is om reli{\"e}fstructuren met een hoge aspect ratio te krijgen door middel van photoembossing. De verbeterde performance kan gebruikt worden voor een aantal nieuwe applicaties en opent een scala aan andere mogelijke toepassing.",
    author = "K. Hermans",
    year = "2009",
    doi = "10.6100/IR642603",
    language = "English",
    isbn = "978-90-386-1772-5",
    publisher = "Technische Universiteit Eindhoven",
    school = "Department of Chemical Engineering and Chemistry",

    }

    Hermans, K 2009, 'Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing', Doctor of Philosophy, Department of Chemical Engineering and Chemistry, Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR642603

    Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing. / Hermans, K.

    Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2009. 135 p.

    Research output: ThesisPhd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

    TY - THES

    T1 - Latent structured thermally developed reliefs : principles and applications of photoembossing

    AU - Hermans, K.

    PY - 2009

    Y1 - 2009

    N2 - In verschillende technologieën worden micro-oppervlaktestructuren in polymeren gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in optische dataopslag, beeldschermen, microfluidics en coatings. Met het doorzetten van de huidige trend om alles te minutiarizeren is het voor de handliggend dat micro-oppervlaktestructuren een steeds belangrijkere rol zullen gaan vervullen. Hiervoor zullen technieken ontwikkeld moeten worden om nieuwe structuren in massaproductie te kunnen maken. Vanwege de eenvoud van het proces heeft photoembossing de potentie om een dergelijke techniek te zijn. Het basismateriaal bij photoembossing is een dunne film welke bestaat uit een mengsel van een polymeer, een monomeer en een fotoinitiator. Dit mengsel wordt ook wel het fotopolymeer genoemd. Een latent beeld van het gewenste oppervlaktereliëf wordt in het fotopolymeer aangebracht door het lokaal met ultraviolet (UV) licht te belichten. Daardoor wordt de fotoninitiator geactiveerd en ontstaan er radicalen in de belichte gebieden. Het oppervlaktereliëf ontstaat door het fotopolymeer te verwarmen tot boven de glastransitietemperatuur van het mengsel. Hierdoor verhoogt de mobiliteit van het systeem en wordt de radical geïnitieerde polymerisatie doorgezet. Door het lokale verschil in compositie ontstaat diffusie van het monomeer naar de belichte gebieden. De diffusie zorgt voor de groei van oppervlaktestructuren in de belichte gebieden. De maximale aspect ratio (hoogte van de structuur gedeeld door de breedte) die momenteel met deze techniek gehaald kan worden is echter laag. Dit beperkt het aantal applicaties waar de techniek potentieel gebruikt zou kunnen worden. In dit proefschrift worden verschillende methodes gepresenteerd om de aspect ratio van de oppervlaktestructuren te verbeteren. Tevens worden nieuwe applicaties voor deze unieke techniek gedemonstreerd. Allereerst, is het ontstaan van de oppervlaktestructuren onderzocht door middel van een numeriek model. Dit model omschrijft de diffusie van het monomeer als gevolg van een lokale verandering in het chemisch potentiaal, wat ontstaat door de polymerisatiereactie in de belichte gebieden. Het effect van componenten die interfereren met de polymerisatiereactie (zoals bv. zuurstof) is meegenomen in het model. Het model laat zien dat terminatie van de radicalen, met name door trapping, een belangrijke factor is in het ontwikkelingsproces van het reliëf. Moleculen die de terminatie van radicalen bevorderen (zoals bv. zuurstof) hebben dan ook een negatief effect op de hoogte van het reliëf. Moleculen die de polymerisatiereactie herinitiëren na reactie met de radicalen (zoals bv. chain transfer agents) hebben een positief effect op de structuurgroei. De transfer/reinitiatie reactie zorgt voor ophoping van gestabiliseerde radicalen. Deze radicalen dienen als "latente initiatoren" die tijdens de verwarmingstap de polymerisatiereactie kunnen voortzetten. Door aan het fotopolymeer moleculen toe te voegen die de terminatie van radical bevorderen (inhibitors/retarders) en die de polymerisatiereactie reinitiëren (chain transfer) zijn de modelresultaten experimenteel onderzocht. Aangetoond is dat een inhibitiereactie een negatief effect heeft op de structuurgroei. Retardatie daar en tegen zorgt voor verbetering van de aspect ratio tot een factor 7. Onderzoek naar het type radicaal, de stabiliteit van de radicalen en het kinetisch effect op de reactie toont aan dat deze verbetering toegeschreven kan worden aan chain transfer reacties. Het effect van de chain transfer reactie is nader onderzocht door het toevoegen van reversibele addition-fragmentation (RAFT) agents. Ook deze moleculen verbeterden de structuurhoogte van het reliëf tot een factor 7. De RAFT agents hebben het voordeel dat ze ongevoelig zijn voor de aanwezigheid van zuurstof in de omgeving, wat ideaal is voor industriële applicaties. Helaas, maakt hun intrinsieke kleur ze minder geschikt voor optische toepassingen. Om de structuurhoogte verder te verbeteren zijn er nieuwe fotopolymeren ontwikkeld. Anders dan met de conventionele systemen bevatten deze fotopolymeren geen grote hoeveelheid polymeer. Conventioneel bestaat het fotopolymeer tot wel 50 wt.-% aan polymeer om het materiaal na aanbrengen een vaste toestand te geven. Echter het polymeer kan niet diffunderen en draagt daardoor niet bij aan de uiteindelijke structuurhoogte. De nieuw ontwikkelde systemen bestaan uit mobiele monomeren die bij kamertemperatuur in een vaste staat verkeren door sterische of dipool-dipool interacties. Aangetoond is dat in deze nieuwe fotopolymeren relatief hoge structuren gemaakt kunnen worden. De verbeterde performance en warmte geïnitieerde reliëfontwikkeling maken het mogelijk om photoembossing te gebruiken voor unieke applicaties. Aangetoond wordt dat de techniek gebruikt kan worden om een array van microlenzen met een antireflectie coating te maken. De optische eigenschappen van de lenzen kunnen eenvoudig aangepast worden door de procesparameters te veranderen. Photoembossing kan ook gebruikt worden om in-situ een array van gevulde microbakjes (zoals bv. in een electroforetische display) hermetisch te sluiten. Het concept is ongevoelig voor kleine afwijkingen in de hoogte van de wanden van de bakjes, vlakheid van het dekglas en dunne vloeistoflaagjes die achterblijven tussen het dekglas en wanden van de bakjes. Een andere eigenschap van photoembossing is dat zowel de materiaal- als productiekosten laag zijn. De techniek kan hierdoor gebruikt worden om een reliëf voor het verbeteren van de kijkhoek van displays, wegwerpbare replicatiemallen of stempels te maken. Bij photoembossing wordt een reliëfstructuur gemaakt door diffusie van moleculen naar van te voren bepaalde gebieden. Het omgekeerde, reliëfstructuren die de diffusie van moleculen induceren, is ook mogelijk. Dit effect wordt gebruikt in biosensoren. Deze apparaten detecteren briomoleculaire stoffen, zoals bv DNA/RNA of proteïnen, in vloeistoffen. De huidige systemen hebben ofwel kleine volumes aan monstervloeistof nodig ofwel een hoge gevoeligheid. In dit proefschrift wordt een nieuw type sensor, welke een klein monstervolume combineert met een hoge gevoeligheid, ontworpen, gemaakt en geëvalueerd. Het apparaat is gebaseerd op een microfluidic kanaal waarin een lokaal poreus membraan is aangebracht. De sensor kan in principe hermetisch afgesloten worden door middel van photoembossing. Samengevat is er aangetoond dat het mogelijk is om reliëfstructuren met een hoge aspect ratio te krijgen door middel van photoembossing. De verbeterde performance kan gebruikt worden voor een aantal nieuwe applicaties en opent een scala aan andere mogelijke toepassing.

    AB - In verschillende technologieën worden micro-oppervlaktestructuren in polymeren gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in optische dataopslag, beeldschermen, microfluidics en coatings. Met het doorzetten van de huidige trend om alles te minutiarizeren is het voor de handliggend dat micro-oppervlaktestructuren een steeds belangrijkere rol zullen gaan vervullen. Hiervoor zullen technieken ontwikkeld moeten worden om nieuwe structuren in massaproductie te kunnen maken. Vanwege de eenvoud van het proces heeft photoembossing de potentie om een dergelijke techniek te zijn. Het basismateriaal bij photoembossing is een dunne film welke bestaat uit een mengsel van een polymeer, een monomeer en een fotoinitiator. Dit mengsel wordt ook wel het fotopolymeer genoemd. Een latent beeld van het gewenste oppervlaktereliëf wordt in het fotopolymeer aangebracht door het lokaal met ultraviolet (UV) licht te belichten. Daardoor wordt de fotoninitiator geactiveerd en ontstaan er radicalen in de belichte gebieden. Het oppervlaktereliëf ontstaat door het fotopolymeer te verwarmen tot boven de glastransitietemperatuur van het mengsel. Hierdoor verhoogt de mobiliteit van het systeem en wordt de radical geïnitieerde polymerisatie doorgezet. Door het lokale verschil in compositie ontstaat diffusie van het monomeer naar de belichte gebieden. De diffusie zorgt voor de groei van oppervlaktestructuren in de belichte gebieden. De maximale aspect ratio (hoogte van de structuur gedeeld door de breedte) die momenteel met deze techniek gehaald kan worden is echter laag. Dit beperkt het aantal applicaties waar de techniek potentieel gebruikt zou kunnen worden. In dit proefschrift worden verschillende methodes gepresenteerd om de aspect ratio van de oppervlaktestructuren te verbeteren. Tevens worden nieuwe applicaties voor deze unieke techniek gedemonstreerd. Allereerst, is het ontstaan van de oppervlaktestructuren onderzocht door middel van een numeriek model. Dit model omschrijft de diffusie van het monomeer als gevolg van een lokale verandering in het chemisch potentiaal, wat ontstaat door de polymerisatiereactie in de belichte gebieden. Het effect van componenten die interfereren met de polymerisatiereactie (zoals bv. zuurstof) is meegenomen in het model. Het model laat zien dat terminatie van de radicalen, met name door trapping, een belangrijke factor is in het ontwikkelingsproces van het reliëf. Moleculen die de terminatie van radicalen bevorderen (zoals bv. zuurstof) hebben dan ook een negatief effect op de hoogte van het reliëf. Moleculen die de polymerisatiereactie herinitiëren na reactie met de radicalen (zoals bv. chain transfer agents) hebben een positief effect op de structuurgroei. De transfer/reinitiatie reactie zorgt voor ophoping van gestabiliseerde radicalen. Deze radicalen dienen als "latente initiatoren" die tijdens de verwarmingstap de polymerisatiereactie kunnen voortzetten. Door aan het fotopolymeer moleculen toe te voegen die de terminatie van radical bevorderen (inhibitors/retarders) en die de polymerisatiereactie reinitiëren (chain transfer) zijn de modelresultaten experimenteel onderzocht. Aangetoond is dat een inhibitiereactie een negatief effect heeft op de structuurgroei. Retardatie daar en tegen zorgt voor verbetering van de aspect ratio tot een factor 7. Onderzoek naar het type radicaal, de stabiliteit van de radicalen en het kinetisch effect op de reactie toont aan dat deze verbetering toegeschreven kan worden aan chain transfer reacties. Het effect van de chain transfer reactie is nader onderzocht door het toevoegen van reversibele addition-fragmentation (RAFT) agents. Ook deze moleculen verbeterden de structuurhoogte van het reliëf tot een factor 7. De RAFT agents hebben het voordeel dat ze ongevoelig zijn voor de aanwezigheid van zuurstof in de omgeving, wat ideaal is voor industriële applicaties. Helaas, maakt hun intrinsieke kleur ze minder geschikt voor optische toepassingen. Om de structuurhoogte verder te verbeteren zijn er nieuwe fotopolymeren ontwikkeld. Anders dan met de conventionele systemen bevatten deze fotopolymeren geen grote hoeveelheid polymeer. Conventioneel bestaat het fotopolymeer tot wel 50 wt.-% aan polymeer om het materiaal na aanbrengen een vaste toestand te geven. Echter het polymeer kan niet diffunderen en draagt daardoor niet bij aan de uiteindelijke structuurhoogte. De nieuw ontwikkelde systemen bestaan uit mobiele monomeren die bij kamertemperatuur in een vaste staat verkeren door sterische of dipool-dipool interacties. Aangetoond is dat in deze nieuwe fotopolymeren relatief hoge structuren gemaakt kunnen worden. De verbeterde performance en warmte geïnitieerde reliëfontwikkeling maken het mogelijk om photoembossing te gebruiken voor unieke applicaties. Aangetoond wordt dat de techniek gebruikt kan worden om een array van microlenzen met een antireflectie coating te maken. De optische eigenschappen van de lenzen kunnen eenvoudig aangepast worden door de procesparameters te veranderen. Photoembossing kan ook gebruikt worden om in-situ een array van gevulde microbakjes (zoals bv. in een electroforetische display) hermetisch te sluiten. Het concept is ongevoelig voor kleine afwijkingen in de hoogte van de wanden van de bakjes, vlakheid van het dekglas en dunne vloeistoflaagjes die achterblijven tussen het dekglas en wanden van de bakjes. Een andere eigenschap van photoembossing is dat zowel de materiaal- als productiekosten laag zijn. De techniek kan hierdoor gebruikt worden om een reliëf voor het verbeteren van de kijkhoek van displays, wegwerpbare replicatiemallen of stempels te maken. Bij photoembossing wordt een reliëfstructuur gemaakt door diffusie van moleculen naar van te voren bepaalde gebieden. Het omgekeerde, reliëfstructuren die de diffusie van moleculen induceren, is ook mogelijk. Dit effect wordt gebruikt in biosensoren. Deze apparaten detecteren briomoleculaire stoffen, zoals bv DNA/RNA of proteïnen, in vloeistoffen. De huidige systemen hebben ofwel kleine volumes aan monstervloeistof nodig ofwel een hoge gevoeligheid. In dit proefschrift wordt een nieuw type sensor, welke een klein monstervolume combineert met een hoge gevoeligheid, ontworpen, gemaakt en geëvalueerd. Het apparaat is gebaseerd op een microfluidic kanaal waarin een lokaal poreus membraan is aangebracht. De sensor kan in principe hermetisch afgesloten worden door middel van photoembossing. Samengevat is er aangetoond dat het mogelijk is om reliëfstructuren met een hoge aspect ratio te krijgen door middel van photoembossing. De verbeterde performance kan gebruikt worden voor een aantal nieuwe applicaties en opent een scala aan andere mogelijke toepassing.

    U2 - 10.6100/IR642603

    DO - 10.6100/IR642603

    M3 - Phd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

    SN - 978-90-386-1772-5

    PB - Technische Universiteit Eindhoven

    CY - Eindhoven

    ER -