Muscle-MEMS - Microsystems engineering for fabrication of liquid crystal elastomers
Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurden Prozesse entwickelt, um Flüssigkristallelastomere (LCE) als flexibles Aktormaterial für die Mikrosystemtechnik nutzbar zu machen. Dieses Vorhaben wurde als Zusammenarbeit zwischen Arbeitsgruppen an den Universitäten Freiburg und Mainz durchgeführt. Die gemeinsamen Entwicklungen wurden durch weiterführende Arbeiten an den jeweiligen Instituten ergänzt. Der Fokus in Freiburg lag dabei auf der Ausrichtung der Flüssigkristalle (LC) durch linear polarisiertes Licht (photoalignment), um Systeme mit frei definierbarer Aktuierungsrichtung zu ermöglichen. Dazu wurde ein Photoalignment-System entwickelt, mit dem eine beliebige Ausrichtung der Flüssigkristalle auf einem Wafer mit einer Auflösung von 10 μm erzielt werden kann. Weiterhin wurden optische Messverfahren entwickelt, um den linearen Dichroismus und die Doppelbrechung der Flüssigkristallschichten zu quantifizieren. Mit Hilfe dieses Systems wurde ein Prozess entwickelt, um beliebige Flüssigkristallstrukturen mit beliebiger Ausrichtung auf Wafern herzustellen. Neben dem Photoalignment wurden dazu ausschließlich Prozesse der Mikrosystemtechnik verwendet, Spin-coaten, Photolithographie und Trockenätzen. Mit weiteren Prozessen wurden zusätzlich Heizstrukturen aus Metall produziert, um den Phasenübergang der Flüssigkristallelastomere zu bewirken. Damit konnten Aktuierungszeiten in der Größenordnung von 100 ms gezeigt werden. Schließlich wurde ein LCE-aktuierter durchstimmbarer Fabry-Pérot-Filter entwickelt und evaluiert. In Mainz wurden 2 Themenbereiche behandelt. Im Zentrum stand dabei die Entwicklung eines Konzeptes zur Herstellung mechanisch aktuierender LC-Elastomere auf Substraten nur unter Verwendung von aus der Mikrosystemtechnik bekannten Arbeitsschritten, also durch Spin-coaten der verschiedenen Polymerschichten, Prozessierung durch Bestrahlung und Abtragung durch Ätzen. Als Besonderheiten wurden hier Photoorientierungsschichten verwendet, die ein lateral strukturierte Orientierung des LC-Elastomeren erlauben und es wurden perfluorierte Photoresists verwendet, um die Flüssigkristallschicht nicht anzulösen. Mit dieser Methode lassen sich unterschiedlich geformte, aktuierbare scheibenförmige LC-Elastomer Partikel mit unterschiedlicher Direktororientierung und Maßen im Bereich mehrerer 100 µm und Dicke von 0,7 – 4 µm herstellen. Parallel dazu wurden aktuierende LC-Elastomer Partikel hergestellt, die sie mit einem speziellen magnetischen Aufbau im Bereich von mehreren 10cm genau plazieren lassen und die an dieser Stelle die ihnen innewohnende Formänderung auf einen thermischen oder photochemischen Stimulus hin ausüben. Diese Partikel können aufgrund der temperatur-abhängigen Klebrigkeit der LC-Partikel auch als Carrier für andere, nicht-magnetische Partikel verwendet werden. Hinzu kamen Untersuchungen zur Auslösung der Aktuation mit sichtbaren Licht anstelle von UV-Licht.
Publications
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