Los investigadores desarrollaron una técnica de impresión por inyección de tinta de dos pasos que puede producir componentes ópticos conocidos como guías de ondas (a). Primero se imprime una serie de gotas llamadas tapas de fijación (blancas). A continuación, se forman puentes de líquido entre las tapas de fijación mediante la tinta depositada en la segunda impresión. Los tapones de fijación inmovilizan la tinta y evitan la formación de protuberancias en la línea impresa. Además de hacer líneas rectas entre dos puntos, la técnica se puede utilizar para conectar tres o más uniones para hacer esquinas o bordes afilados (b). Crédito:Fabian Lütolf, CSEM
Los investigadores han desarrollado una técnica de impresión por inyección de tinta que se puede utilizar para imprimir componentes ópticos como guías de ondas. Dado que el método de impresión también puede fabricar productos electrónicos y microfluídicos, podría hacer avanzar una variedad de dispositivos, como sensores ópticos utilizados para el monitoreo de la salud y dispositivos de laboratorio en un chip que integran y automatizan múltiples funciones de laboratorio en un circuito pequeño, o chip.
"La impresión por inyección de tinta es un método muy atractivo para fabricar componentes ópticos porque las posiciones y los tamaños de las características se pueden modificar fácilmente y prácticamente no hay desperdicio de material, "dijo Fabian Lütolf, miembro del equipo de investigación dirigido por Rolando Ferrini en CSEM en Suiza. "Sin embargo, la tensión superficial de las tintas dificulta la impresión de líneas con una altura determinada, que es necesario para crear una guía de ondas ".
La impresión por inyección de tinta es una técnica de fabricación aditiva que utiliza boquillas diminutas como las que se encuentran en las impresoras de inyección de tinta de escritorio para depositar un patrón de gotas generado por computadora (la "tinta") sobre un sustrato para construir una estructura. Los investigadores descubrieron que depositando la tinta en dos pasos, en lugar del tradicional paso único, permitió la impresión de líneas con una altura específica y con características mucho más suaves de lo que sería posible de otra manera. Se considera que las estructuras impresas tienen 2,5 dimensiones porque aunque no son planas, su complejidad es limitada en comparación con las estructuras creadas con la impresión 3D tradicional.
En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , Los investigadores muestran que su técnica se puede utilizar para imprimir guías de ondas ópticas 2.5D y conos hechos de polímero acrílico. El concepto de impresión también se puede utilizar con otros materiales como tintas metálicas para fabricar productos electrónicos o mezclas de sacarosa para aplicaciones biodegradables.
Lütolf señala que aunque la impresión de productos electrónicos ya se utiliza comercialmente, la impresión de microfluidos es más desafiante y propensa a los mismos problemas que las guías de onda. "El hecho de que nuestro enfoque pueda permitir la fabricación de componentes con múltiples funcionalidades con una sola impresora allana el camino hacia la fabricación aditiva de circuitos integrados completos en chips, ", dijo Lütolf." Esto significa que los componentes ópticos podrían agregarse a la electrónica híbrida flexible y que los componentes optoelectrónicos, como fuentes de luz o detectores, podrían integrarse en circuitos ópticos impresos ".
Los investigadores utilizaron un método de impresión por inyección de tinta para crear la guía de ondas que se muestra aquí. El envío de luz láser a través de la guía de ondas (rojo) les permitió medir las propiedades ópticas de la guía de ondas. Crédito:Fabian Lütolf, CSEM
Convertir un problema en una solución
Debido a la tensión superficial, las tintas depositadas sobre un sustrato tienden a abultarse o partirse. Depositar la tinta en dos pasos permitió a los investigadores convertir la tensión superficial del líquido en una ventaja. Después de depositar una serie de gotitas, la tinta impresa en el segundo paso busca minimizar su energía superficial autoalineándose entre las gotas de la primera impresión. A diferencia de los enfoques anteriores de impresión por inyección de tinta, los investigadores no tuvieron que modelar previamente el sustrato, lo que aumenta el espacio de diseño disponible y simplifica la fabricación.
Para llevar a cabo la nueva técnica, En primer lugar, se imprime una serie de gotas llamadas tapas de fijación. Estas tapas esféricas fijan puentes líquidos formados por la tinta de la segunda impresión, formando una configuración que inmoviliza la tinta y evita la formación de protuberancias en la línea impresa. Además de hacer líneas rectas entre dos puntos, la técnica se puede utilizar para conectar tres o más uniones para hacer esquinas o bordes afilados.
La nueva técnica ofrece varias ventajas sobre la fotolitografía clásica, que se utiliza normalmente para fabricar pequeños componentes en chips. "La impresión por inyección de tinta no requiere una máscara física como la fotolitografía y es más fácil conectar los componentes, "dijo Lütolf." Además, si solo desea probar rápidamente una idea o variar un parámetro, Los métodos de fabricación aditiva, como la impresión por inyección de tinta, solo requieren la adaptación del diseño digital ".
Para evaluar el nuevo método de impresión, los investigadores crearon una guía de ondas de polímero que tenía 120 micrones de ancho y 31 micrones de alto con una forma cónica que permitía que la luz de una fuente láser externa entrara en la guía de ondas. Midieron la pérdida óptica dentro de la guía de ondas en 0,19 dB / cm, sólo un orden de magnitud superior a las guías de ondas de última generación creadas mediante fotolitografía.
Una comparación de características impresas con el estándar, impresión de inyección de tinta en un solo paso (a-g), calculado teóricamente para el nuevo método de impresión por inyección de tinta en dos pasos (h-n) y la impresión real del mismo (o-u). Barra de escala =200 micrones. Crédito:Fabian Lütolf, CSEM
"En el papel, presentamos las primeras guías de onda impresas por inyección de tinta con caracterización de pérdidas, ", dijo Lütolf." Para las aplicaciones que imaginamos, las guías de ondas llevarían luz a distancias cortas, y no en redes enteras. El nivel actual de pérdidas puede tolerarse para tales aplicaciones ".
Según los investigadores, las guías de onda más pequeñas posibles consisten en una sola gota de tinta, cuyo tamaño está limitado por la boquilla de la impresora de inyección de tinta. Para la impresora utilizada en el estudio, las guías de ondas más estrechas estarían en el rango de 40 micrones con una altura de alrededor de 10 micrómetros. Las impresoras de inyección de tinta industriales típicas también tienen límites similares.
"Con nuestra combinación actual de materiales y hardware, no es posible hacer guías de ondas por debajo de 10 micrómetros, como se requiere normalmente para la operación monomodo. Pero estamos cerca "dijo Lütolf." Hay, sin embargo, ningún límite físico fundamental que nos impida imprimir guías de onda monomodo ".
Agrega que varios grupos han demostrado capacidades de impresión en el rango submicrónico con técnicas como la impresión electrohidrodinámica (E-jet). Debería ser posible combinar tales instrumentos con la nueva técnica de impresión por chorro de tinta para crear guías de ondas de modo único.
Los investigadores ahora están trabajando para optimizar el método de impresión y la tinta para reducir aún más la cantidad de luz perdida por la guía de ondas. También están trabajando para hacer que el proceso de inyección de tinta sea más aplicable para la fabricación a gran escala y, finalmente, Implementación comercial.
