Aparato y método para la impresión directa con láser.

La invención hace referencia a la impresión directa de líquidos transparentes a,

o débilmente absorbentes de, la radiación láser sobre un sustrato receptor por medio de un pulso láser fuertemente focalizado en un punto poco profundo dentro del líquido contenido en un contenedor. La invención evita los inconvenientes de la preparación de una película líquida como la que ha sido utilizada en el estado de la técnica anterior y permite la incidencia repetida del pulso láser en la misma posición del líquido sin reducción de la reproducibilidad. La invención también hace posible la impresión de microgotas bien definidas con alta reproducibilidad.

Aparato y método para la impresión directa con láser.

El campo de la técnica se refiere a la impresión directa con láser de líquidos transparentes a, o débilmente absorbentes de, la radiación láser sobre un sustrato receptor por medio de pulsos láser focalizados en un punto poco profundo dentro del líquido contenido en un contenedor que evita los inconvenientes relacionados con la preparación de una película delgada.

Estado de la técnica

La escritura directa es un método adecuado para la realización de motivos micrométricos en aplicaciones que requieren un alto grado de flexibilidad, sin las restricciones que supone el uso de máscaras. El ejemplo más representativo de una técnica de escritura directa es la impresión por inyección de tinta, que permite depositar materiales que han sido puestos previamente en disolución o en suspensión en un líquido: se depositan gotas micrométricas cuando la tinta es forzada a atravesar un pequeño orificio.

No obstante, la obstrucción del orificio constituye un factor limitante para la impresión por inyección de tinta, especialmente cuando se desea una alta resolución espacial. Las técnicas de impresión con láser han aparecido como alternativas interesantes a la impresión por inyección de tinta. Entre ellas, la transferencia inducida por láser (LIFT, del inglés Laser Induced Forward Transfer) de líquidos ha recibido una atención especial. En la LIFT se depositan microgotas a través de la transferencia de líquido desde una película emisora, situada sobre un soporte transparente, hacia un sustrato receptor mediante el uso de un pulso láser. En este caso no se requiere orificio que limite las dimensiones de las microgotas: las dimensiones son determinadas por el diámetro del haz láser, y por el espesor de la película, típicamente de unas micras. En el caso de la LIFT, el pulso láser se focaliza con el objetivo de limitar las dimensiones de las microgotas, y es absorbido justamente en la superficie de la película.

Los primeros desarrollos de las técnicas LIFT centraron sus aplicaciones en la microelectrónica, y los materiales a imprimir eran sólidos, principalmente metales, que absorben la radiación láser. Las patentes US 3560258 y US 4970196 se refieren a la realización de motivos por depósito de material con láser desde una película delgada hacia un sustrato receptor. En esta última patente la escritura directa mediante láser se consigue atacando la película delgada de material con un pulso láser proveniente de la fuente de radiación láser pulsada, causando el arranque selectivo de material fuera del soporte ópticamente transparente y depositándolo sobre la superficie del sustrato receptor.

En un desarrollo posterior se consideró el depósito de materiales no absorbentes de la radiación láser. En esta aplicación, una capa delgada absorbente se intercala entre la película delgada del material a depositar y el soporte transparente, como se detalla en la patente US 4752455. El pulso láser es dirigido a través del soporte transparente a la capa absorbente con suficiente energía para vaporizar rápidamente una porción de la capa absorbente. El material de la película delgada es eyectado por la impulsión debida a la vaporización de la capa y la reacción de la misma contra el soporte transparente, y depositado sobre la superficie del sustrato receptor.

Las siguientes mejoras se centraron en la sustitución de las dos capas (la capa absorbente y la película delgada del material a depositar) por una única película formada por un material que actuaba de matriz con partículas del material a depositar embebidas en la matriz. La energía del pulso láser no es absorbida por las partículas embebidas sino por la matriz que las rodea. Las patentes US 6177151 y US 6766764 son buenos ejemplos de esta solución técnica.

Finalmente, para el depósito de materiales frágiles la técnica LIFT se aplicó a la transferencia de líquidos, como se detalla en la patente US 6805918. En este caso, la película delgada es una película líquida que contiene el material a depositar disuelto o en suspensión en el líquido. En muchas aplicaciones, como en la impresión de biomoléculas o de células vivas, la disolución o suspensión es transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser. En este caso, se usa una capa delgada absorbente sólida para absorber la radiación. Esta capa delgada absorbente está situada entre el soporte transparente y la película líquida. En todos los casos la absorción de la radiación genera una burbuja de vapor que provoca la emisión de una microgota o un microchorro que se deposita sobre la superficie del sustrato receptor y forma sobre ésta una microgota.

Otra técnica para la impresión con láser de materiales se describió por primera vez en la patente EP 2738. En esta técnica la radiación láser incide directamente sobre la superficie del material a imprimir y se absorbe en ella, produciendo la vaporización de una pequeña porción de este material que es emitida hacia atrás (en contraste con la LIFT, donde el material es emitido hacia adelante), y depositada por recondensación sobre el sustrato receptor, situado por encima de la superficie donde ocurre la absorción de la radiación láser. Como el haz láser atraviesa el sustrato receptor, este sustrato debe ser transparente a la radiación láser. Esta técnica se ha aplicado a la impresión de materiales inorgánicos sólidos, pero no es adecuada para materiales frágiles disueltos o en suspensión, ya que estos materiales se descompondrían irreversiblemente durante la vaporización.

Una revisión genérica de las técnicas de escritura directa se presenta en K.K.B. Hon et al., "Direct writing technology", Advances and developments, CIRP Annals - Manufacturing Technology 2008, vol. 57, pp. 601-620; y una revisión más directamente relacionada con el campo de la invención se presenta en C.B. Arnold et al., "Láser direct-write techniques for printing complex materials", MRS Bulletin 2007, vol. 32, pp. 23-31.

La patente US7438859 describe un método y un aparato para el depósito de muestras mediante impulsión con láser. La patente se centra en la manipulación de muestras de material en diversos campos, como la proteómica automatizada, la genómica, y otro tipo de investigación biotecnológica. La invención constituye un método alternativo a los aparatos de manipulación de líquidos, como pipetas, dispensadores de líquidos robotizados, dispositivos de "spotting", etc., el cual permite reducir el procesado de pequeños volúmenes de muestra.

En el estado de la técnica, por tanto, la LIFT ha sido la opción para la impresión con láser de materiales frágiles disueltos o en suspensión. En este caso, la disposición del líquido a transferir en forma de película delgada es esencial. La porción de líquido que se transfiere es determinada por las dimensiones laterales del haz láser, y por el espesor de la capa líquida existente entre la región en que la burbuja se genera y la superficie libre del líquido, la cual se encuentra encarada a la superficie del sustrato receptor.

Como esta porción debe ser pequeña, y como en todos los casos se supone que la burbuja se genera en la superficie del líquido distinta de la superficie libre, la única manera de satisfacer ambos requisitos es preparar el líquido en forma de película delgada sobre un soporte transparente a la radiación láser. De esta manera la radiación láser atraviesa el soporte transparente y se absorbe en la superficie del material adyacente a este soporte. Una vez la radiación es absorbida, se genera una burbuja que impulsa una porción del líquido existente entre la burbuja y la superficie libre del líquido hacia el sustrato receptor a imprimir.

Algunos de los inconvenientes asociados con la preparación de la película líquida son la dificultad de obtener un espesor uniforme y la reproducibilidad en el proceso de preparación: las películas líquidas tienden a encoger, incluso si la tensión superficial es baja, y la evaporación es significativa debido a su gran relación superficie-volumen.

Además, la preparación de la película líquida requiere buena mojabilidad, lo que se consigue normalmente a través de la adición de tensoactivos; no obstante, esto es perjudicial para el depósito de microgotas con diámetros muy pequeños sobre el sustrato receptor. Finalmente, se tiene que considerar que la preparación de la película constituye un paso adicional en todo el proceso de impresión, que no solamente compromete... [Seguir leyendo]

1. Aparato para la impresión directa con láser sobre un sustrato receptor (4) que comprende medios (3) para la producción de un haz láser (B) que comprenden una fuente (3.1) de haz láser (B) que es capaz de emitir pulsos láser, y medios ópticos (3.2) para focalizar el haz láser (B); un soporte que es capaz de contener un líquido (2) transparente a, o débilmente absorbente de, la radiación láser teniendo el material a imprimir disuelto o en suspensión; y medios para soportar el sustrato receptor (4) que mantienen la superficie de dicho sustrato receptor (4) a imprimir posicionada en modo operativo de forma que no está en contacto con el líquido (2), es paralela y encara una porción de la superficie libre del líquido (2), y existe una separación entre la porción de la superficie libre del líquido y la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir;

caracterizado porque el soporte que es capaz de contener el líquido (2) es un contenedor (1); los medios ópticos (3.2) para focalizar el haz láser (B) están configurados de forma que el volumen focal (A) del haz láser (B) está localizado dentro del líquido y a una corta distancia de la superficie correspondiente a la porción de la superficie libre del líquido (2) cuando el aparato está en modo operativo, y lejos de cualquier pared del contenedor (1); y los medios ópticos (3.2) están configurados con una fuerte focalización de manera que el haz láser (B) está focalizado suficientemente para causar la absorción de la energía del pulso láser principalmente en el líquido localizado en el volumen focal (A).

2. Aparato según la reivindicación 1, donde los medios (3) para la producción de un haz láser (B) comprenden además un expansor de haz localizado entre la fuente (3.1) de haz láser (B) y los medios ópticos (3.2) para focalizar el haz láser (B) a fin de incrementar la subsiguiente focalización.

3. Aparato según la reivindicación 1, donde el sustrato receptor (4) a imprimir es transparente a la radiación láser y los medios (3) para la producción de un haz láser (B) son tales que el haz láser (B) es capaz de atravesar el sustrato receptor (4) para focalizarse dentro del líquido (2).

4. Aparato según la reivindicación 1, donde el contenedor (1) es transparente a la radiación láser y los medios (3) para la producción de un haz láser (B) son tales que el haz láser (B) es capaz de atravesar el contenedor (1) para focalizarse dentro del líquido (2).

5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el contenedor (1) tiene un orificio (1.1) preferiblemente en la base del contenedor (1) cuando el aparato está en modo operativo, de forma que la porción de la superficie libre del líquido (2) en el orificio (1.1) es la porción de la superficie libre del líquido encarada a la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir.

6. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios (3) adicionales para la producción de haces láser tales que todos los haces láser están focalizados simultáneamente en el mismo volumen focal (A).

7. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sistema de visión que tiene una cámara (6) para proporcionar una imagen de la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir a fin de controlar in situ el proceso de impresión.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sustrato receptor (4) a imprimir es móvil con respecto al contenedor (1), manteniendo constante la separación entre la porción de la superficie libre del líquido y la superficie del sustrato receptor (4) a imprimir.

9. Aparato según la reivindicación 8, donde el sustrato receptor (4) móvil es desplazado por un sistema controlado por un ordenador que es capaz de sincronizar el desplazamiento y el disparo del pulso láser.

10. Método para la impresión directa con láser sobre un sustrato receptor (4) que comprende las etapas de