Digital fabrication of optical elements through inkjet printing of direct photocurable hybrid inks
La tecnología de impresión inkjet permite eyección controlada de gotas de tinta de volumen definido y su posicionamiento preciso en un sustrato. Esta tecnología, entre otras virtudes, ofrece una gran flexibilidad para la preparación de estructuras en superficies gracias a su carácter digital, siendo...
| Autores: | , |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2020 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Zaragoza |
| Repositorio: | Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza |
| OAI Identifier: | oai:zaguan.unizar.es:99679 |
| Acceso en línea: | http://zaguan.unizar.es/record/99679 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | ciencias tecnologicas fisica fisica de polimeros tecnologia de materiales |
| Sumario: | La tecnología de impresión inkjet permite eyección controlada de gotas de tinta de volumen definido y su posicionamiento preciso en un sustrato. Esta tecnología, entre otras virtudes, ofrece una gran flexibilidad para la preparación de estructuras en superficies gracias a su carácter digital, siendo además un proceso fácilmente escalable a nivel industrial, distinguiéndose en estos aspectos de otras técnicas comúnmente utilizadas como, por ejemplo, la fotolitografía. Ya es posible, de hecho, encontrar la tecnología inkjet en aplicaciones de fabricación masiva como la impresión de cartelería o de elementos decorativos. Más allá de la impresión de texto y trabajos gráficos, la capacidad de depositar una gran variedad de materiales de manera digital en forma de recubrimientos homogéneos y patrones en superficies ha despertado gran interés para la preparación de superficies y dispositivos funcionales. Pese a ello, la penetración del inkjet en entornos industriales para la implementación de este tipo de aplicaciones es todavía muy limitada. Entre otras cosas, esto se debe a que los materiales a depositar requieren unas propiedades muy exigentes para poder ser eyectados en condiciones óptimas por los cabezales de impresión, lo que limita la disponibilidad de fluidos compatibles con esta tecnología. Por ello, se hace preciso una adaptación de la viscosidad de los fluidos para poder ser impresos sin que ello reduzca su estabilidad a lo largo de su vida útil ni se vea penalizada la funcionalidad de los depósitos finales, que han de cumplir unos requerimientos específicos, generalmente muy exigentes, para cada aplicación. Por ejemplo, en aplicaciones de micro-óptica u óptica integrada suele ser necesario que los materiales finales tengan buena transparencia y propiedades ópticas adecuadas como alto índice de refracción o luminiscencia según el caso de uso y que estas propiedades no se vean mermadas por el uso o el paso del tiempo.<br />En este ámbito concreto de las aplicaciones de micro-óptica u óptica integrada, se encuentran en la literatura diversas aproximaciones para el desarrollo de tintas inkjet con las que implementar guías de luz o microlentes. Una de las más prometedoras consiste en la preparación de tintas basadas en materiales híbridos orgánico-inorgánicos que ofrecen una gran flexibilidad para funcionalizar el material gracias a su componente orgánica, a la vez que presentan gran resistencia mecánica y química debido a la red inorgánica. Típicamente, se lleva a cabo la hidrólisis y condensación de un organosilano y se añade un disolvente para ajustar la viscosidad de modo que la formulación sea eyectable. Una vez depositada se elimina el disolvente y se cura la parte orgánica. La necesidad de eliminar el disolvente añade complejidad al proceso. Por otro lado, los procesos de hidrólisis y condensación previos a la impresión del fluido suelen penalizar la estabilidad de las tintas. Asimismo, también es frecuente la combinación del inkjet con el uso de tecnologías adicionales como la fotolitografía para el acondicionamiento de la superficie, previo a la impresión, o procesos térmicos para la posterior fijación de la tinta en el sustrato. Si bien se ha demostrado en la literatura el desarrollo de depósitos y dispositivos de buena calidad óptica con estos materiales híbridos, la falta de estabilidad de las tintas y la complejidad de los procesos envueltos para implementar estos dispositivos ópticos limitan la integración de la tecnología inkjet a nivel industrial en estos ámbitos de aplicación.<br />Buscando superar estas limitaciones, este trabajo se ha centrado en el desarrollo de tintas funcionales y la implementación con ellas, mediante impresión por tecnología inkjet, de elementos de micro-óptica y óptica integrada. Para ello, más allá de la formulación de tintas funcionales, se ha trabajado en la definición y optimización de todo el proceso, abordando desde la preparación de la superficie hasta el proceso de impresión y fijación de la tinta al sustrato. Con esto, se ha perseguido conseguir depósitos funcionales mediante un proceso económico y viable en un entorno industrial.<br />Para ello, las tintas desarrolladas se han basado en precursores híbridos orgánico-inorgánicos comerciales y ampliamente empleados en la literatura. De manera distintiva, con el fin de mejorar la estabilidad de las tintas y controlar los procesos de impresión y fijación, se ha perseguido que las tintas desarrolladas no empleen disolventes y sea posible el curado simultáneo de ambas redes (orgánica e inorgánica) únicamente mediante la exposición a luz UV tras el proceso de impresión. Para ello se han incorporado en las formulaciones fotogeneradores de ácido. Además, se han incluido en las tintas los aditivos necesarios para implementar las funcionalidades deseadas y controlar su viscosidad y tensión superficial, lo que permite una adecuada eyección y mojado de las superficies, así como unas prestaciones satisfactorias para las aplicaciones perseguidas.<br />Siguiendo esta directriz, a lo largo de esta tesis se han desarrollado diferentes tintas inkjet, libres de disolventes y de curado directo. La primera de ellas, una tinta modelo eyectable sobre la cual se han incorporado posteriormente las funcionalidades deseadas. Así, se ha preparado otra tinta que resulta en depósitos de un elevado índice de refracción que ha permitido, por un lado, la fabricación de guías de luz planares cuando se imprime como un depósito homogéneo y, por otro lado, la preparación de microlentes cuando la tinta se imprime como gotas aisladas con geometrías controladas. Finalmente, también se han formulado dos tintas luminiscentes que permiten la preparación de elementos emisores de luz.<br />Además del diseño y formulación de las tintas, se han diseñado y optimizado los procesos que intervienen en la preparación de los depósitos con el fin de desarrollar un sistema integral viable a nivel industrial. Por un lado, se han desarrollado diferentes protocolos de preparación de superficies con el fin de controlar la mojabilidad de estas y conseguir, desde gotas aisladas con geometrías controladas y patrones de gotas, hasta líneas continuas o depósitos homogéneos. Por otro lado, el propio proceso de impresión también ha sido optimizado, ajustando la configuración correspondiente para eyectar cada una de las tintas en las condiciones deseadas. Por último, como se ha remarcado anteriormente, el proceso de fijación de la tinta sobre el sustrato también ha sido llevado a cabo exclusivamente por activación mediante luz actínica.<br />Para poner en valor la funcionalidad de las tintas y los procesos desarrollados, se han diseñado y preparado diferentes sistemas demostradores de casos de uso en micro-óptica y óptica integrada. Por ejemplo, como se ha mencionado con anterioridad, se ha llevado a cabo la impresión de guías de luz planares sobre diferentes sustratos, incluso flexibles, patrones de microlentes con geometrías controladas y un sensor óptico de temperatura planar con indicadores luminiscentes.<br /> |
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