Muscle-MEMS - Microsystems engineering for fabrication of liquid crystal elastomers

• Applicants: Professor Dr. Hans Zappe; Professor Dr. Rudolf Zentel
• Subject Area: Microsystems ; Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 316245751

• Final Report Year: 2021

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

• MEMS analogous micro-patterning of thermotropic nematic liquid crystalline elastomer films using a fluorinated photoresist and a hard mask process. J. Mater. Chem. C 2017, 5, 12635
  David Ditter, Wei-Liang Chen, Andreas Best, Hans Zappe, Kaloian Koynov, Christopher K. Ober and Rudolf Zentel
  
• “Tunable bandpass filter for midinfrared wavelengths using liquid crystal elastomer actuators”, in Proc. SPIE 10545, MOEMS and Miniaturized Systems XVII, 2018, p. 12
  Z. Wang, Y. Folwill, P.-H. Cu-Nguyen, and H. Zappe
  
• Microfluidic Synthesis of Liquid Crystalline Elastomer Particle Transport Systems which Can Be Remote-Controlled Magnetically. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902454
  David Ditter, Peter Blümler, Benjamin Klöckner, Jan Hilgert and Rudolf Zentel
  
• “MEMS-processed artificial muscles with freelyprogrammable actuation direction”, in 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS EUROSENSORS XXXIII), Berlin, Germany: IEEE, 2019, pp. 92–95
  Y. Folwill, S. B. Shah, and H. Zappe
  
• Influences of Ortho-Fluoroazobenzenes on Liquid Crystalline Phase Stability and 2D (Planar) Actuation Properties of Liquid Crystalline Elastomers. Macromol. Chem. Phys. 2020
  David Ditter, Lukas B. Braun and Rudolf Zentel
  
• “A practical guide to versatile photoalignment of azobenzenes”, Liquid Crystals, 2020
  Y. Folwill, Z. Zeitouny, J. Lall, and H. Zappe
  
• “Compact tunable mid-infrared Fabry– Pérot filters actuated by liquid crystal elastomers”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 30, no. 7, p. 075 002, 2020
  Z. Wang, J. K. Lall, Y. Folwill, and H. Zappe
  
• “Measuring the spatial distribution of liquid crystal alignment and retardation using stokes polarimetry”, in Optics and Photonics for Advanced Dimensional Metrology, vol. 11352, Online Only: SPIE, 2020, pp. 191–196
  Y. Folwill and H. Zappe
  
• “Quantifying spatial alignment and retardation of nematic liquid crystal films by Stokes polarimetry”, Applied Optics, vol. 59, no. 26, pp. 7968– 7974, 2020
  Y. Folwill and H. Zappe