Forscher erstellen optische Präzisionskomponenten mit Tintenstrahldruck

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Anonim

Forscher haben eine Tintenstrahldrucktechnik entwickelt, mit der optische Komponenten wie Wellenleiter gedruckt werden können. Da der Druckansatz auch Elektronik und Mikrofluidik herstellen kann, könnte er eine Vielzahl von Geräten wie optische Sensoren für die Gesundheitsüberwachung und Lab-on-a-Chip-Geräte voranbringen, die mehrere Laborfunktionen auf einer kleinen Schaltung oder einem Chip integrieren und automatisieren.

"Der Tintenstrahldruck ist eine sehr attraktive Methode zur Herstellung optischer Komponenten, da die Positionen und Größen von Merkmalen leicht verändert werden können und praktisch kein Materialabfall entsteht", sagte Fabian Lütolf, Mitglied des Forschungsteams von Rolando Ferrini am CSEM in der Schweiz. "Die Oberflächenspannung der Tinten macht es jedoch schwierig, Linien mit einer bestimmten Höhe zu drucken, die notwendig ist, um einen Wellenleiter zu erzeugen."

Der Tintenstrahldruck ist eine additive Fertigungstechnik, bei der winzige Düsen, wie sie in Desktop-Tintenstrahldruckern zu finden sind, ein computergeneriertes Tropfenmuster (die "Tinte") auf ein Substrat auftragen, um eine Struktur aufzubauen. Die Forscher entdeckten, dass das Ablegen der Tinte in zwei Schritten anstatt des herkömmlichen Einzelschritts das Drucken von Linien mit einer bestimmten Höhe und mit viel glatteren Eigenschaften ermöglichte, als dies sonst möglich wäre. Die gedruckten Strukturen werden als 2, 5-dimensional angesehen, weil sie, obwohl sie nicht flach sind, im Vergleich zu Strukturen, die mit herkömmlichem 3D-Druck erzeugt werden, eine begrenzte Komplexität aufweisen.

In der Optical Society (OSA) Zeitschrift Optics Express zeigen die Forscher, dass ihre Technik zum Drucken von 2, 5D-Lichtwellenleitern und Tapern aus Acrylpolymeren verwendet werden kann. Das Druckkonzept kann auch mit anderen Materialien wie metallischen Tinten verwendet werden, um Elektronik- oder Saccharosemischungen für biologisch abbaubare Anwendungen herzustellen.

Lütolf weist darauf hin, dass, obwohl der Druck von Elektronik bereits kommerziell genutzt wird, Druckmikrofluidik eine größere Herausforderung darstellt und zu den gleichen Problemen neigt wie Wellenleiter. "Die Tatsache, dass unser Ansatz die Möglichkeit bietet, Komponenten mit mehreren Funktionalitäten mit einem einzigen Drucker herzustellen, ebnet den Weg für die additive Fertigung ganzer integrierter Schaltungen auf Chips", sagte Lütolf. "Dies bedeutet, dass optische Komponenten zu einer flexiblen hybriden Elektronik hinzugefügt werden könnten und dass optoelektronische Komponenten wie Lichtquellen oder Detektoren in gedruckte optische Schaltungen integriert werden könnten."

Ein Problem in eine Lösung verwandeln

Aufgrund der Oberflächenspannung neigen auf einem Substrat abgeschiedene Tinten dazu, sich auszubeulen oder zu spalten. Durch das Auftragen der Tinte in zwei Schritten konnten die Forscher die Oberflächenspannung der Flüssigkeit zum Vorteil bringen. Nach dem Abscheiden einer Reihe von Tröpfchen versucht die in dem zweiten Schritt gedruckte Tinte, ihre Oberflächenenergie durch Selbstausrichten zwischen den Tröpfchen von dem ersten Druck zu minimieren. Im Gegensatz zu früheren Inkjet-Druckverfahren mussten die Forscher das Substrat nicht vorstrukturieren, was den verfügbaren Bauraum vergrößert und die Herstellung vereinfacht.

Zur Durchführung der neuen Technik wird zuerst eine Reihe von Tröpfchen, die Pinning-Kappen genannt werden, gedruckt. Diese Kugelkappen stecken Flüssigkeitsbrücken ab, die durch die Tinte von dem zweiten Druck gebildet werden, wobei sie eine Konfiguration bilden, die die Tinte immobilisiert und die Bildung von Ausbuchtungen in der gedruckten Linie verhindert. Zusätzlich zu geraden Linien zwischen zwei Punkten kann die Technik verwendet werden, um drei oder mehr Verbindungen zu verbinden, um Ecken oder scharfe Kanten zu erzeugen.

Die neue Technik bietet einige Vorteile gegenüber der klassischen Photolithographie, die typischerweise verwendet wird, um winzige Komponenten auf Chips herzustellen. "Der Tintenstrahldruck erfordert keine physikalische Maske wie die Photolithographie und es ist einfacher, Komponenten zu verbinden", sagt Lütolf. "Auch wenn Sie nur eine Idee schnell testen oder einen Parameter variieren möchten, erfordern additive Fertigungsverfahren wie das Tintenstrahldrucken nur die Anpassung des digitalen Designs."

Um die neue Druckmethode zu bewerten, entwickelten die Forscher einen Polymer-Wellenleiter, der 120 Mikrometer breit und 31 Mikrometer hoch war und eine Verjüngung aufwies, bei der Licht von einer externen Laserquelle in den Wellenleiter eindringen konnte. Sie maßen den optischen Verlust innerhalb des Wellenleiters mit 0, 19 dB / cm, nur eine Größenordnung höher als bei Wellenleitern nach dem Stand der Technik, die unter Verwendung von Photolithographie erzeugt wurden.

"In der Arbeit berichten wir über die ersten mit Inkjet gedruckten Wellenleiter mit Verlustcharakterisierung", sagte Lütolf. "Für die Anwendungen, die wir uns vorstellen, würden die Wellenleiter Licht für kurze Distanzen transportieren und nicht über ganze Netzwerke. Das aktuelle Niveau der Verluste kann für solche Anwendungen toleriert werden."

Den Wissenschaftlern zufolge besteht der kleinstmögliche Wellenleiter aus einem einzigen Tintentropfen, dessen Größe durch die Düse des Tintenstrahldruckers begrenzt wird. Für den in der Studie verwendeten Drucker würden die schmalsten Wellenleiter im Bereich von 40 Mikrometern mit einer Höhe von etwa 10 Mikrometern liegen. Typische industrielle Tintenstrahldrucker haben ähnliche Grenzen.

"Mit unserer aktuellen Kombination aus Material und Hardware ist es nicht möglich, Wellenleiter unter 10 Mikrometer herzustellen, wie sie typischerweise für den Single-Mode-Betrieb benötigt werden. Aber wir sind nah dran", sagte Lütolf. "Es gibt jedoch keine grundlegende physikalische Grenze, die uns daran hindern würde, Singlemode-Wellenleiter zu drucken."

Er fügt hinzu, dass mehrere Gruppen Drucktechniken im Submikron-Bereich mit Techniken wie dem elektrohydrodynamischen Drucken (E-Jet) demonstriert haben. Es sollte möglich sein, solche Instrumente mit der neuen Tintenstrahldrucktechnik zu kombinieren, um Einmodenwellenleiter zu erzeugen.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Druckmethode und die Tinte zu optimieren, um die Lichtmenge, die durch den Wellenleiter verloren geht, weiter zu verringern. Sie arbeiten auch daran, den Inkjet-Prozess für die Herstellung im großen Maßstab und schließlich für die kommerzielle Implementierung anwendbar zu machen.

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