Tecnica di stampa a getto d’inchiostro 2.5D per la fabbricazione di componenti ottici di precisione
Ci sono state molte innovazioni con la stampa 3D ottica , e ora dei ricercatori svizzeri ne stanno introducendo una nuova. Il team, del Centro svizzero di elettronica e microtecnologia ( CSEM ), ha sviluppato una tecnica di stampa a getto d’inchiostro per la fabbricazione di componenti ottici di precisione, come le guide d’onda, che consentono a un segnale di propagarsi senza molta perdita di energia limitando l’espansione dell’onda.
Ma ecco una svolta: il metodo è in realtà considerato la stampa 2.5D , e non la stampa 3D, perché le strutture stampate, pur non piatte, hanno una complessità limitata rispetto a quelle stampate in 3D.
“La stampa a getto d’inchiostro è un metodo molto attraente per la fabbricazione di componenti ottici perché le posizioni e le dimensioni delle caratteristiche possono essere facilmente modificate e non c’è praticamente alcun spreco di materiale. Tuttavia, la tensione superficiale degli inchiostri rende difficile stampare linee con un’altezza specifica, necessaria per creare una guida d’onda “, ha dichiarato Fabian Lütolf, membro del team CSEM.
Una serie di goccioline chiamate tappi pinning sono stampate (bianche). I ponti liquidi tra i cappucci sono quindi formati da inchiostro depositato nella seconda stampa. I tappi immobilizzano l’inchiostro e prevengono la formazione di rigonfiamenti nella linea. Questo può anche collegare tre o più giunzioni per realizzare angoli o spigoli vivi.
La stampa a getto d’inchiostro, in genere un processo in un’unica fase, deposita un modello di gocce su un substrato attraverso piccoli ugelli. Ma il team CSEM ha scoperto che le linee potevano essere stampate con caratteristiche più uniformi e ad un’altezza specifica, depositando l’inchiostro in due passaggi. La loro tecnica può stampare guide d’onda ottiche 2.5D e coni di polimero acrilico e altri materiali come inchiostri metallici.
Pius M. Theiler, che è ora all’ETH di Zurigo, Lütolf, e il team leader Rolando Ferrini hanno pubblicato un articolo sul loro lavoro, intitolato ” Stampa senza contatto di guide d’onda ottiche utilizzando ponti capillari “, nella rivista Optics Express .
Gli inchiostri depositati su un substrato possono rompersi o rigonfiarsi a causa della tensione superficiale del liquido. Ma questo processo in due fasi può trasformare questo problema in un vantaggio: l’inchiostro stampato al punto 2 si auto-allinea tra le goccioline dalla prima stampa, al fine di abbassarne la tensione superficiale. Ciò significa anche che i ricercatori non dovevano pre-tracciare il substrato, che è necessario con altre tecniche di stampa a getto d’inchiostro; questo semplifica la fabbricazione e aumenta lo spazio di progettazione disponibile.
La nuova tecnica stampa per la prima volta una serie di goccioline sferiche, chiamate cappucci pinning, che poi fissano i ponti liquidi ricavati dall’inchiostro della seconda stampa. Questa configurazione di goccioline impedisce che l’inchiostro si sposti, impedendo la formazione di rigonfiamenti nella linea stampata. Questo metodo può anche connettere diverse giunzioni per formare spigoli vivi e angoli, e ha anche diversi vantaggi rispetto alla fotolitografia classica, spesso utilizzata per realizzare minuscole componenti su chip.
I ricercatori hanno utilizzato un metodo di stampa a getto d’inchiostro per creare questa guida d’onda. L’invio della luce laser attraverso la guida d’onda (rosso) ha permesso loro di misurare le proprietà ottiche della guida d’onda.
Lütolf ha spiegato: “La stampa a getto d’inchiostro non richiede una maschera fisica come la fotolitografia ed è più facile connettere i componenti. Inoltre, se si desidera testare rapidamente un’idea o variare un parametro, i metodi di produzione additivi come la stampa a getto d’inchiostro richiedono solo l’adattamento del progetto digitale. ”
Confronto tra le caratteristiche stampate e la stampa a getto d’inchiostro standard (a), in un’unica fase (ag), come teoricamente calcolato per il nuovo metodo di stampa a getto d’inchiostro in due fasi (hn) e la sua stampa effettiva (ou). Barra della scala = 200 micron.
Il team ha creato una guida d’onda in polimero, larga 20 micron e alta 31 micron, con un cono per consentire alla luce proveniente da un laser esterno di entrare nella guida d’onda, al fine di valutare il nuovo metodo. La perdita ottica all’interno della guida d’onda è stata misurata a 0,19 dB / cm – solo un ordine di grandezza superiore rispetto alle guide d’onda create con fotolitografia.
“Nella carta, riportiamo le prime guide d’onda stampate a getto d’inchiostro con caratterizzazione delle perdite. Per le applicazioni che immaginiamo, le guide d’onda porterebbero la luce per brevi distanze, e non attraverso intere reti “, ha detto Lütolf. “L’attuale livello di perdite può essere tollerato per tali applicazioni.”
I ricercatori affermano che le guide d’onda più piccole sono costituite da una goccia d’inchiostro solitaria e che le sue dimensioni sono limitate dall’ugello della stampante. Ma le guide d’onda più strette possibili dalla stampante nel loro studio erano nella gamma di 40 micron, con un’altezza di circa 10 micrometri – limiti simili a quelli che è possibile utilizzare con le stampanti a getto d’inchiostro industriali sul mercato.
Lütolf ha dichiarato: “Con la nostra attuale combinazione di materiali e hardware, non è possibile realizzare guide d’onda al di sotto dei 10 micrometri, come tipicamente richiesto per il funzionamento in modalità singola. Ma siamo vicini. Non esiste, tuttavia, alcun limite fisico fondamentale che ci impedisca di stampare guide d’onda monomodali. ”
Ha detto che più gruppi sono stati in grado di dimostrare capacità, usando metodi come la stampa elettroidrodinamica (E-jet), nella gamma submicronica. Quindi, in futuro, i ricercatori potrebbero combinare questi sistemi con la loro tecnica di stampa a getto d’inchiostro per realizzare guide d’onda monomodali.
Il loro nuovo metodo può anche essere utilizzato per stampare elettronica e microfluidica, che potrebbe aiutare a far avanzare più applicazioni, come dispositivi lab-on-a-chip e sensori ottici. Secondo Lütolf, mentre già vediamo la stampa commerciale di elettronica, è più difficile stampare la microfluidica.
“Il fatto che il nostro approccio possa consentire a componenti con funzionalità multiple di essere fabbricati con una singola stampante apre la strada alla produzione additiva di interi circuiti integrati su chip. Ciò significa che i componenti ottici potrebbero essere aggiunti all’elettronica ibrida flessibile e che i componenti optoelettronici come le sorgenti luminose oi rivelatori potrebbero essere integrati nei circuiti ottici stampati “, ha spiegato Lütolf.
In questo momento, il team sta lavorando per ottimizzare il nuovo metodo e l’inchiostro, al fine di ridurre la quantità di luce persa dalla guida d’onda. Inoltre, sperano di commercializzare il processo in futuro, oltre a renderlo più applicabile per la stampa su larga scala.
