インクジェット印刷技術は紙を印刷するだけではない

インクジェット印刷技術は紙を印刷するだけでなく、DNAアレイ、3 D構造などを構築することができ、応用分野が広い。マイコン電気システム（MEMS）の発展により、インクジェット印刷技術はより精密で効率的になった。

1980年代初期、オフィスには金属がインクリボンを叩いたり、紙に文字を残したりする騒音があふれていた。IBM 選択的なタイプライターはカチッと音を立て、デイジーホイールプリンタは音として、ドットプリンタは耳障りな引き裂き音を出す。

今では、これらの騒音はすべて消えてしまった。私たちは今、画面で読むのにもっと時間をかけていますが、印刷用紙は歴史の舞台から退出していません。

このような静かさをもたらした主な原因は何ですか。インクジェットプリンタ。レーザープリンタはビジネス環境では大規模な印刷任務を担っていますが、インクジェットプリンタは私たちの多くが自宅やオフィスで使用しているプリンタになっています。

インクジェットプリンタの印刷ヘッドは非常に優れたタスクを実行しています。解像度が96でもdpi（インチ当たりの点数）の場合、1980年代の初期モデルではよく見られ、点中心から点中心までの距離も260ミクロンしかなかった。標準的な2.5付きの1枚を埋めるにはセンチメートル余白の便箋は、50万個を超える個別のインク滴を噴射する必要がある。これらの微小なインク滴を搬送するには非常に正確な制御が必要であり、できるだけ速い速度で大量に繰り返す必要がある。マイコン電気システム（MEMS）このプロセスに最適であり、マイクロエレクトロニクスシステムはミクロコンポーネントを利用した電子デバイスである。

ある物質を適切な流体特性で微小なインク滴にカプセル化できれば、インクジェット技術をこの物質に適応させる方法を考える人もいるだろう。

すべてのマイクロテクノロジーと同様に、インクジェットシステムの仕様は時間とともに大きく変化しています。1980年代半ば、典型的なインクジェットプリントヘッドは121秒間に最大1350個のインク滴を吐出することができる並列に動作するノズルで、毎秒150文字の英数字を印刷することができます。現在、商用印刷機で使用されているハイエンドインクジェット印刷ヘッドは21000個のノズルがあり、各ノズルは毎秒20000〜150000個のインク滴を噴射することができる。各インク滴は1.5ピコリットルだけかもしれないが、ピコリットルはリットルの1兆分の1、直径は約14ミクロンである。

インクジェットプリンタで使用されるインクジェット技術は、発明者の想像を超えており、紙にインクを吐出する点以外にも多くの応用が発見されている。これらの応用にはゲノム学のためのDNAが含まれているマイクロアレイ、プリント基板の回路引き廻し、3 Dプリント構造を構築する。将来のアプリケーションには、パーソナライズされた医療と先進的なバッテリの開発が含まれている可能性があります。

実際、インクジェットという用語を含む特許を検索すると92000を超える特許が返されますバーの結果。ある物質を適切な流体特性で微小なインク滴にカプセル化できれば、インクジェット技術をこの物質に適応させる方法を考える人もいるだろう。

MEMSがインクジェット印刷技術を変える方法

インクジェット技術の歴史は1948年にさかのぼることができ、当時スウェーデンの発明家Rune Elmqvistインクの流れを制御することで移動するテープに痕跡を残す非常に細いガラス管を用いたグラフレコーダの特許を出願した。数年後、彼はこの装置を使って心電図を記録する器具を展示した。

1965年、スタンフォード大学のRichard G.Sweetインク流を均一に帯電したインク滴流に分解するグラフ記録計を開発した。流れの両側の導流電極は、インク滴を直接紙に落とすことができ、吸収パッド上や導流溝に偏倚させて収集し再利用することもできる。

この技術は連続インクジェット印刷と呼ばれ、1976年までにIBMは商用プリンタIBM 6640に応用したに表示されています。しかし、連続インクジェットはリサイクルを用いた場合であってもインクが蒸発してインクが無駄になり、その吸引力が制限される。

連続インクジェットの浪費問題を解決するために、他の人はオンデマンドインクジェットプリンターの開発に力を入れて、印刷ヘッド上の各吐出孔は毎回1つのインク滴を吐出して、連続インク滴の流れの浪費を回避した。表面張力は、機構がインクを押してインク滴を吐出するまで、インクを微小な開放ノズルに固定する。用紙に衝突したインク滴ごとにポイントが形成され、印刷ヘッドが往復すると画像が生成されます。複数のオリフィスを有する印刷ヘッドは、複数のインク滴を同時に噴射することができるので、印刷ヘッドは、細い線だけでなく、ページを通過するたびに画像の一部を追加します。

1970年代末、シーメンス社はオンデマンドインクジェットプリンタを先行販売した。現代のデスクトッププリンタのような独立したデバイスではなく、シーメンスPT 80 i（印刷端末80インクジェット）コンピュータ端末の構成要素。このプリンタは、12本のインクチューブを囲む圧電アクチュエータを使用して、12個のノズルにインクを供給し、インク滴を噴射し、毎秒270文字を印刷する。

圧電素子は、セラミックジルコニウムチタン酸鉛（PZT）などの電圧印加時に形状が変化する材料に依存している。この効果はMEMSでは、命令に基づいて正確な力と運動を生成するために非常に有用であることが証明されています。PZTを非圧電材料に層が接着され、いわゆる二重圧電素子が形成されると、電圧印加時に屈曲する。圧電インクジェットノズルでは、二重圧電素子の湾曲によりインクが吐出孔から押し出される。

しかし、この新しい印刷技術は1970年代に年代はまだ成熟したプリンタを打つほど信頼性が高くなく、プリンタが故障するとシーメンス端末全体が使用できなくなるため、流行していない。

一方、HPとキヤノンの研究者は、こてなどの熱素子に接触するとインクが沸騰してスパッタリングされることに気づき、このスパッタリングを有用なインクジェット印刷メカニズムに変換することにした。彼らは抵抗器が加熱素子として使用できることを知っており、集積回路と同じ技術を用いて小型化することができる。彼らが構築したプリンタでは、各インクノズルには圧電アクチュエータではなく抵抗が含まれています。電気パルス加熱抵抗器は、インクの薄層を急速に沸騰させ、急速に膨張した気泡を形成し、インク滴を吐出孔に押し出す。

この作業により、2つの競合する熱インクジェット技術が40年前にほぼ同時に発売された。（同年、1984年、エプソンは独立した圧電インクジェットプリンタを発売した。）

HPのHP ThinkJetは、パーソナルコンピュータに接続して日常的に印刷することを目的とした、熱技術に基づく初のデスクトップインクジェットプリンタです。最近開発されたレーザープリンタと比較すると、はるかに安いという直接的な利点があります。HPのデスクトップレーザープリンタ1台の販売価格3500ドル（今日の10500ドルに相当）、HPの2225 A ThinkJetは495ドル（今日の1500ドル相当）ドル）。インクジェットプリンタの消費電力もレーザープリンタよりはるかに低く、ノイズも少ない。インクジェットプリンタの解像度は高くないことは否めません。初期には、インクジェットプリンタの解像度は96 dpiで、レーザープリンタの解像度は300 dpi-しかも速度が遅い。

しかし、インクジェットプリンタの優位性は劣勢を上回っており（技術の改善に伴い、優位性がさらに明らかになった）、インクジェットプリンタはデスクトップと家庭用プリンタ市場を主導し始めた。現在、20を超える同社はインクジェットプリンターを生産し、年間市場規模は1000億ドルを超え、毎年8%を超えるペースで成長を続けている。

インクジェットを用いたDNAマイクロアレイの印刷

インクジェットプリンターの製造業務が成熟し、成長するにつれて、一部の会社はインクジェットプリンターでどの他のタイプの「インク」を輸送できるかを模索し始めた。その中の1軒がAgilentTechnologies，HP社の分社会社であり、ライフサイエンスと化学分析技術に専念しています。Agilentは、4種類の核酸塩基であるシトシン（C）、グアニン(G)、アデニン（A）とチミン（T）にDNA鎖を印刷する。具体的には、同社は既存のDNA化学法とインクジェット印刷技術を組み合わせ、ガラススライド上にDNAを構築している異なる条件下で生体がどの遺伝子を発現するかを測定するなど、ゲノム学的な動作に使用されるマイクロアレイ。学術研究者は、既存のインクジェットプリンタを独自のマイクロアレイを構築するために改造するオープンソース方法を共有しているが、それらの規格はビジネスシステムよりもはるかに高い。

インクジェット印刷技術は紙を印刷するだけではない

インクジェットノズルの静止状態（上部）では、表面張力によりインクが適切な位置に保持される。熱インクジェットノズル（左）では、加熱抵抗器に印加された電圧パルスにより薄層のインクが急速に蒸発し、膨張した蒸気泡（左、中）が発生し、インク液滴を孔（左、下）から押し出す。1ミリ秒未満で蒸気が再凝縮し、チャンバが冷却され、インクが再充填され、ノズルが静止状態に戻る。圧電インクジェットノズル（右）は圧電2ウエハによって駆動され、電圧（右、中）が印加されると、圧電2ウエハは屈曲してインク滴（右、下）を押し出す。

DNAマイクロアレイは基質（通常はガラス）からなり、斑点と呼ばれる微小な領域が配列され、DNA鎖がこれらの領域に付着している。Agilentは1つの2.5 cm x 7.6センチのスライドガラスに最大100万個の斑点を生産することができる。オープンソースシステムは、わずかな領域に10,000個まで配置されています。各DNA鎖は塩基C、G、A、Tの配列からなる。二重鎖DNAの中で、鎖は相補的な配列を持ち、それらははしごの横段のように接続され、CはGに接続され、AはTに接続されている。

DNAマイクロアレイは単鎖を用いているDNA，斑点ごとに数百万個の共通配列を持つ鎖がある。相補鎖を含む試料が斑点を洗い流すと、これらの鎖は斑点に固定された鎖と結合する。サンプルチェーンには蛍光分子が標識されており、ユーザーはどの斑点が点灯しているかを検査することでサンプル中にどのようなものが存在するかを知ることができるDNA配列。

Agilentによるマイクロアレイの製造方法では、プリンタは基質を複数回スキャンし、スキャンごとにスポット中の鎖に1塩基を追加し、次のスキャンに備えて中間ステップを行う。

インクジェット印刷技術は紙を印刷するだけではない

インクジェットシステムを用いてアレイの各点にカスタム設計DNA鎖を構築してDNAマイクロアレイを製造することができる。印字ヘッドは、ヌクレオチド［G、C、AまたはT］を含む修飾モノマーの「インク」（左）液滴を各点に搬送する。最初の印刷サイクルでは、これらのモノマーは化学処理されたガラス表面に付着した。その後の印刷中、モノマーは成長し続けるDNA鎖のそれぞれの末端に接続された。各モノマーは、他のモノマーの添加を防止するための保護キャップを含む。追加のプロセス（ここでは説明していない）は、ヌクレオチドインクを洗い流し、モノマー結合を完了するために触媒を塗布し、次の印刷ステップの準備のために保護キャップをはく離する。

塩基添加は実際には3段階のプロセスである。マイクロアレイ斑点には成長した鎖の末端ごとに分子「キャップ」があり、より多くの塩基の無秩序な添加を防ぐことができる。したがって、第1のステップは、洗浄溶液によるキャップの除去または不動態化である。ステップ2は印刷ページに似ています：マイクロアレイ上の各スポットで、インクジェットプリンタはチェーンの末端に追加する次のモノマー分子（C、G、AまたはT)を使用して変更できます。これらのモノマーにはそれぞれ新しいキャップが含まれており、チェーンごとに分子を追加することができるようになっています。新たに添加された単量体は鎖に付着しているが、結合はまだ完全に安定していないため、第3段階では酸化剤溶液を用いて結合を修飾し、新しい単量体を完全に統合するDNA構造中。洗い流して繰り返します。

オープンソースインクジェット構築の汎用性により、研究者は自分が試したい配列を持つプロトタイプアレイを迅速に構築することができます。新しいアレイは1日で設計、合成、分析に使用できますDNA。研究者のグループは、彼らのシステムを使用して、各塩基の追加サイクル時間は10 ~ 20分、または約13時間でアレイを製造することができ、各アレイは約10,00040個の塩基鎖を含む斑点がある。対照的に、Agilentの商業マイクロアレイは通常、60塩基までの鎖を有する。

　　Agilent また、そのインクジェットシステムを用いてオリゴヌクレオチドライブラリーと呼ばれる別のゲノム学的ツールを合成する。このプロセスはマイクロアレイの製造と同じですが、最終的にはすべてのチェーンが基質から切断され、乾燥して梱包され、お客様に使用されます。Agilent のインクジェット印刷ライブラリーの鎖長は230塩基に達することができる。

2種類のインクジェットインクを用いた3 D印刷

2次元ページの印刷や1次元分子鎖の構築に加えて、インクジェット技術は長年にわたって3次元物体の製造に使用されてきた。1つの方法は粉末ベッド3 D印刷のバリエーションであり、目的のパターンに粉末層を溶着または接着することによって物体を構築する。インクジェットプリントヘッドは、最終的な3 D物品が形成される領域において、粉末の各層に液体接着剤を滴下する。

HP Multi Jet Fusion（MJF）シリーズ3 Dプリンタは、2種類のインクを堆積することによって、この方法を拡張します：1つは接着剤促進剤で、もう1つは細分化剤で、促進剤が周囲の粉末に浸透するのを防ぐためにパターンの縁に適用します。大量のインクジェットノズルを搬送する印刷ヘッドは、これらのインクを分配し、その後、照明バーが粉末を急速に加熱し、接着剤促進剤が存在する領域で溶着する。その後、新鮮な粉末層を上部に敷設し、構築が完了するまでこのプロセスを繰り返した。MJF プリンタは、微細な特徴や内部構造を持つオブジェクトなど、複雑な3 Dオブジェクトをすばやく作成できます。

インクジェット印刷技術の将来は希望に満ちている。研究者は、組織工学のための生体材料、電子機器のための導電性材料、電池のための新しい電極など、インクジェットプリンタを用いて様々な新しい材料や製品を製造する可能性を模索している。

インクジェット印刷の未来は紙だけではない。この技術は印刷方式を完全に変更し、さまざまなものを作る方法を変える可能性があります。