DE102007049936A1 - Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat - Google Patents

Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat Download PDF

Info

Publication number
DE102007049936A1
DE102007049936A1 DE102007049936A DE102007049936A DE102007049936A1 DE 102007049936 A1 DE102007049936 A1 DE 102007049936A1 DE 102007049936 A DE102007049936 A DE 102007049936A DE 102007049936 A DE102007049936 A DE 102007049936A DE 102007049936 A1 DE102007049936 A1 DE 102007049936A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
toner particles
functionalized
toner
particles
surface substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007049936A
Other languages
English (en)
Inventor
Achim Dr. Weber
Guenter Dr. Tovar
Kirsten Dr. Borchers
Stefan Dr. Güttler
Andrzej Grzesiak
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102007049936A priority Critical patent/DE102007049936A1/de
Priority to EP20080018317 priority patent/EP2051147B1/de
Publication of DE102007049936A1 publication Critical patent/DE102007049936A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03GELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/14Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base
    • G03G15/16Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base of a toner pattern, e.g. a powder pattern, e.g. magnetic transfer
    • G03G15/1625Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base of a toner pattern, e.g. a powder pattern, e.g. magnetic transfer on a base other than paper
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03GELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/22Apparatus for electrographic processes using a charge pattern involving the combination of more than one step according to groups G03G13/02 - G03G13/20
    • G03G15/225Apparatus for electrographic processes using a charge pattern involving the combination of more than one step according to groups G03G13/02 - G03G13/20 using contact-printing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Developing Agents For Electrophotography (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat. Das Verfahren zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte aus: Bereitstellen von mit Funktionspartikeln, die einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 5 µm aufweisen, versehenen Tonerpartikeln, die wenigstens aus einem Trockenlösungsmittel bestehen und über einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm verfügen, im Weiteren als funktionalisierte Tonerpartikel bezeichnet, Aufbringen der funktionalisierten Tonerpartikel auf das Flächensubstrat im Wege eines Laserdruckverfahrens, bei dem die lokal an einer Fotowalze anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikel im Wege eines Rollendruckes auf lokale Oberflächenbereiche des Flächensubstrats übertragen werden, und Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederrverfestigtem, funktionellen Toner.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat.
  • Stand der Technik
  • Die Laserdrucktechnik, die auf dem Prinzip der Xerographie basiert, stellt eine weit verbreitete Drucktechnik dar, mit der technische Oberflächen, zumeist in Form von Papier- oder Folienoberflächen mit in Pulverform vorliegenden Substanzen bedruckt werden können. Grundsätzlich wird beim Laserdruckverfahren eine rotierende Fotowalze, die mit einem Fotohalbleitermaterial beschichtet ist, elektrostatisch aufgeladen, beispielsweise mit Hilfe einer Vorladungswalze oder einer Corona, und anschließend mittels einer Laseranordnung oder einem LED-Array an lokalen Stellen belichtet, wodurch sie an diesen belichteten Bereichen zumindest teilweise elektrisch entladen wird. Alle übrigen, unbelichteten Bereiche der Fotowalze bleiben elektrisch geladen und entsprechen dem Negativabbild der zu druckenden zweidimensionalen Strukturen, beispielsweise in Form von Texten, Bildern etc.. Auf die belichtete Fotowalze wird in einem anschließenden Schritt pulverförmiger Toner übertragen, wobei der Toner durch Reibung im Druckwerk elektrostatisch aufgeladen wird und sich deshalb nur auf den entladenen Bereichen der Fotowalze anzuhaften vermag. Zur Beeinflussung der elektrostatischen Aufladung des Toners enthalten heutige kommerziell erhältliche Toner zu etwa 2 bis 4 Vol.% Ladungssteuerungszusätze. Der überwiegende Bestandteil des Toners, d. h. ca. 80 bis 90 Vol.% besteht aus einem Trockenlösungsmittel, der sogenannten Matrix, die typischerweise aus einem Gemisch aus Kunstharz und Wachs besteht. Etwa zu einem Anteil von 5 bis 18 Vol.% enthält der Toner einen Farbstoffanteil, beispielsweise in Form von Ruß.
  • Für den Tonertransfer von der Fotowalze auf das Papier wird ein elektrostatisches Transferfeld angelegt, das der elektrostatischen Aufladung des Toners entgegengesetzt ist, wofür unterhalb des zu bedruckenden Mediums, beispielsweise des Papiers, eine Elektrode angeordnet ist, die beispielsweise als Walze aus leitfähigem Schaumstoff ausgeführt sein kann. Der Tonerübertrag auf das Papier basiert physikalisch, neben den herrschenden elektrostatischen Anziehungskräften zwischen den aufgeladenen Tonerpartikeln und der Elektrode, bzw. dem durch die Elektrode elektrostatisch aufgeladenen Papier, zudem auch auf Adhäsionskräften, d. h. auf molekularen Anziehungskräften, die zwischen den einzelnen Tonerpartikeln und der Papieroberfläche wirken. So vermag der Toner nach dem Druckvorgang letztlich nur aufgrund von Adhäsionskräften auf dem Papier zu haften, jedoch bedarf es zur endgültigen Fixierung des Toners einer gezielten Wärmeeinwirkung, durch die der Toner geschmolzen wird und auf diese Weise in die Faserstruktur des Papiers einzudringen vermag.
  • Um Farbstoffe im Wege der Laserdrucktechnik auf Papier oder einem anderen Trägersubstrat aufzubringen, bedarf es jeweils unterschiedlich eingefärbter Tonerpartikel, die über jeweils getrennte Fotowalzen auf das Papier in der vorstehend bezeichneten Weise aufgebracht werden. Zur Herstellung unterschiedlich eingefärbter Toner werden das die Matrix der jeweiligen Tonerpartikel darstellende Trockenlösungsmittel, der Farbstoff sowie die Ladungssteuerungsmittel miteinander vermischt und bei einer Temperatur von etwa 80°C bis 150°C extrudiert. Die im Wege der Extrusion gewonnene Substanz wird zu Korngrößen von ca. 6 μm bis 10 μm gemahlen, gesiebt und gesichtet und in einem weiteren Prozessschritt beispielsweise mit Siliziumdioxid beschichtet, wodurch eine Agglomeration der einzelnen Tonerkörner verhindert werden kann und ihre Rieselfähigkeit verbessert wird.
  • Weitere Möglichkeiten zur Tonerherstellung basieren auf dem so genannten chemischen Mahlverfahren sowie der Emulsionspolymerisation. Beim chemischen Mahlverfahren werden die einzelnen Komponenten des Toners in ein flüssiges Trägermedium, beispielsweise Wasser, bei ca. 80°C bis ca. 100°C gegeben, in dem sie schmelzen sich jedoch nicht lösen. Durch rotierende Mühlräder wird die dabei erhaltene Suspension vermischt und winzige Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von 6 μm bis 10 μm erzeugt, die abgekühlt und abgesiebt werden.
  • Bei der Emulsionspolymerisation wird eine Vorstufe des Trockenlösungsmittels mit den übrigen Komponenten des Toners in einer Mühle vermischt, wobei die Bildung von Tonerpartikeln durch eine gezielt eingeleitete Polymerisationsreaktion erfolgt. Die Eigenschaften der Tonerpartikel, insbesondere ihre Größe, sind von einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Einflüssen abhängig. Auch der nach einem der beiden chemischen Verfahren hergestellte Toner kann in einem anschließenden Prozessschritt beschichtet werden.
  • Grundsätzlich ist festzustellen, dass Tonerpartikel, die chemisch hergestellt werden, im Gegensatz zu gemahlenem Toner, über runde und glatte Oberflächen verfügen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfachem und kostengünstigem Wege flächige Strukturen auf einem Flächensubstrat oder dreidimensionale, über eine Flächensubstratoberfläche erhabene Strukturen zu erzeugen, die über anwenderspezifische technisch, chemisch oder biologisch nutzbare Eigenschaften verfügen sollen.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Das lösungsgemäße Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte aus:
    In einem ersten Schritt werden Tonerpartikel zur Verfügung gestellt, die mit so genannten Funktionspartikeln versehen sind, die über einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 5 μm verfügen. Die Tonerpartikel selbst bestehen zumindest teilweise aus einem Trockenlösungsmittel, der vorstehend bezeichneten Matrix, und verfügen über einen Durchmesser typischerweise zwischen 1 μm bis 50 μm. Im Weiteren werden die mit Funktionspartikeln versehenen Tonerpartikel als funktionalisierte Tonerpartikel bezeichnet.
  • Die funktionalisierten Tonerpartikel werden nachfolgend auf ein Flächensubstrat aufgebracht und dies im Wege des Laserdruckverfahrens, bei dem die lokal an einer Fotowalze anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikel im Wege eines Rollendruckes auf lokale Oberflächenbereiche des Flächensubstrates übertragen werden. In Abhängigkeit der im Laserdruckverfahren speziell auftretenden elektrostatischen Bedingungen, die den Tonertransfer auf die belichtete Fotowalze und von der Fotowalze auf das Flächensubstrat zumindest unterstützen, werden den Tonerpartikeln bei ihrer Herstellung in gleicher Weise wie bei der Herstellung konventioneller Tonerpartikel Ladungssteuerungszusätze beigegeben. Schließlich erfolgt ein Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat bevorzugt im Wege einer Erwärmung und Aufschmelzung der funktionalisierten Tonerpartikel zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner. Weitere Möglichkeiten zur Fixierung der funktionalisierten Tonerpartikel sind das Ausüben von mechanischem Druck auf das Substrat, wodurch die Tonerpartikel in das Substrat eingewalzt werden, oder die Anwendung chemischer Lösungsmittel, welche die Tonerpartikel anlösen und nach dem Abtrocknen des Lösungsmittels zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner führen. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der verschiedenen Fixierverfahren möglich.
  • In Abhängigkeit der gewählten Funktionspartikel lassen sich auf die vorstehend beschriebene Weise auf die Oberfläche eines Flächensubstrates kleinste Strukturen, sowohl flächige als auch dreidimensionale Strukturen aufdrucken, die über vielfältige jeweils anwenderspezifische, technisch funktionalisierte Eigenschaften verfügen. Durch die Laserdrucktechnik ist es möglich, die funktionalisierten Tonerpartikel in einer beliebigen räumlichen Anordnung auf der Oberfläche des Flächensubstrates abzuscheiden. Hiermit können räumliche Strukturen wie bspw. Punkte, Rechtecke oder Linien mit einer Ausdehnung von 100 μm und kleiner erzeugt werden. Überdies ermöglicht das Laserdruckverfahren die Ausbildung flächiger Abscheidungen aus funktionellem Toner mit einer flächig gleichmäßigen Verteilung der Funktionspartikel innerhalb des Toners. Letztere Eigenschaft spielt insbesondere in jenen Fällen eine entscheidende Rolle, in denen die Funktionspartikel zu sensorischen Zwecken, beispielsweise als Bio- oder Chemosensoren, eingesetzt werden, wie dies die weiteren Ausführungen noch zeigen werden.
  • Selbstverständlich können als Flächensubstrate sämtliche flächigen, flexiblen sowie auch flächensteifen Materialien eingesetzt werden, die für das Laserdruckverfahren geeignet sind, so beispielsweise Kunststofffolien, Glasscheiben, Scheiben aus Hartkunststoff, Gewebeflächen, Papiere um nur einige zu nennen. Üblicherweise können flexible Flächensubstrate mit einer Dicke bis zu ca. 0,5 mm mit konventionellen Laserdruckern bedruckt werden. Gilt es hingegen dickere Flächensubstrate oder gar flächensteife Flächensubstrate unter Ausnutzung der Laserdrucktechnik zu bedrucken, so bietet es sich an, eine in der DE 20 2005 018 237.0 beschriebene Vorrichtung zum Bedrucken flächensteifer Flächensubstrate einzusetzen.
  • Im Folgenden wird ein lösungsgemäßer Druckvorgang unter Bezugnahme auf in einer an sich bekannten Laserdruckeranordnung vorhandenen Komponenten beschrieben. Bei Verwendung eines konventionellen Laserdruckers wird ein mit funktionellen Tonerpartikeln zu bedruckendes Stück Papier, üblicherweise im Format DIN A 4, mittels eines Förderbandes an die Fotowalze eines Druckwerkes gefördert und über Gummi- oder Schaumstoffwalzen, die unter dem Förderband angeordnet sind, an die Fotowalze angedrückt. Die Vorschubgeschwindigkeit des zu bedruckenden Flächensubstrates ist an die Rotationsgeschwindigkeit der Fotowalze synchronisiert angepasst, so dass die Walze mit den strukturiert daran anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikeln schlupffrei auf dem zu bedruckendem Papier abrollt und der funktionalisierte Toner auf die Papieroberfläche übertragen wird. Gilt es auf ein und demselben Stück Papier mehrere unterschiedlich funktionalisierte Tonerarten abzuscheiden, so werden entsprechend viele Druckwerke mit entsprechenden Fotowalzen hintereinander längs des Förderbandes angeordnet.
  • Im drauffolgenden Schritt wird der auf der Papieroberfläche anhaftende funktionalisierte Toner angeschmolzen, wobei darauf zu achten ist, dass ein möglichst gleichmäßiges Verfließen des Toners unter dem Einfluss der Oberflächenspannung erfolgt, so dass sich eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Funktionspartikel innerhalb des verflüssigten Toners ergibt. Hierzu wird das Flächensubstrat, in diesem Fall also das Stück Papier, homogen auf eine definierte Temperatur für eine definierte Zeit erwärmt. Die hierzu erforderlichen genauen thermischen Bedingungen hängen von den jeweiligen Tonereigenschaften ab. Die Erwärmung des Flächensubstrats erfolgt bevorzugt in einem Ofen außerhalb des Druckers, da auf diese Weise eine gleichmäßige Erwärmung des Flächensubstrates einerseits sehr einfach möglich ist und andererseits dabei vermieden werden kann den Drucker selbst thermisch zu belasten. Selbstverständlich sind auch integrierte Heizungen denkbar, wobei in diesem Fall das Substrat vorzugsweise berührungslos, beispielsweise im Wege applizierter Strahlungswärme, z. B. durch IR-Strahler, zu erwärmen ist.
  • Bedarfsweise kann in einem nachfolgenden Behandlungsschritt der auf der Oberfläche des Flächensubstrates wiederverfestigte Toner einer chemischen Nachbehandlung unterworfen werden, bei der die Tonerhilfsstoffe, d. h. in erster Linie das Trockenlösungsmittel sowie gegebenenfalls vorhandene Ladungssteuerungszusätze entfernt und auf diese Weise die Funktionspartikel freigelegt werden. Ein derartiges Freilegen ist vorteilhaft, sofern die Funktionspartikel durch chemische oder biochemische Wechselwirkung mit anderen, sich in der Umgebung befindlichen Teilchen für einen entsprechend bestimmungsgemäßen Gebrauch der funktionalisierten Oberflächenbereiche reagieren sollen. Das Freilegen der zumeist als Nanoteilchen vorliegenden Funktionspartikel erfolgt vorzugsweise in Gegenwart eines chemischen Lösungsmittels, das das Trockenlösungsmittel bzw. die Matrix sowie gegebenenfalls vorhandene Hilfsstoffe des Toners auflösen und wegwaschen kann. Die Anhaftung der Funktionspartikel an der Oberfläche des Flächensubstrates gilt es dabei unbeeinträchtigt zu belassen, indem beispielsweise die zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche wirkenden Adhäsionskräfte möglichst unbeeinflusst und unbeschadet verbleiben. Alternativ oder in Kombination zu den zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche des Flächensubstrates wirkenden Adhäsionskräften können gleichwohl auch chemische Bindungen zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche herrschen. Auch derartige chemische Bindungen sind bei einer entsprechenden Freilegung der Funktionspartikel möglichst unbeschadet zu belassen.
  • Insbesondere die Verwendung einer Druckvorrichtung, die, wie vorstehend bereits erwähnt, aus der DE 20 2005 018 237 U1 zu entnehmen ist, eröffnet die Möglichkeit einer Mehrfachdruckbeschichtung eines Flächenbereiches auf dem Flächensubstrat zur Ausbildung von Vielfachschichtsystemen, beispielsweise von dreidimensional strukturierten Funktionsschichten oder von Multilayerschichten, die aus einem vielschichtigen Aufbau bestehen, bei dem jede Schicht aus unterschiedlich funktionalisierten Tonerpartikeln gebildet wird. Hierzu bietet es sich an, flächensteife Flächensubstrate zu verwenden, um die reproduzierbare Positioniergenauigkeit des Substrats im Drucker zu ermöglichen, die für mehrere Druckdurchgänge auf ein und dasselbe Substrat erforderlich ist.
  • Im Weiteren werden konkrete Anwendungsbeispiele für das lösungsgemäße Verfahren beschrieben. So handelt es sich bei den ersten beiden Fällen jeweils um die Herstellung kostengünstiger Biosensoren, der dritte Anwendungsfall bezieht sich auf die Herstellung magnetischer Barcodes und die vierte Herstellungsvariante beschreibt ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung elektrisch leitender Strukturen auf nahezu beliebig ausgebildeten Flächensubstraten.
  • Zur Herstellung sogenannter in vivo Diagnostik-Chips werden als Funktionspartikel Silika-Nanopartikel mit Durchmessern zwischen 50 nm bis 5 μm bereitgestellt, die an ihrer Oberfläche chemisch modifiziert werden, so beispielsweise unter Verwendung von Amino-, Thiol-, Epoxy-, Aldehyd- oder Carboxy-Gruppen. Die derart vorbehandelten Funktionspartikel werden in der vorstehend beschriebenen Weise Tonerpartikeln beigemengt. Die derartig funktionalisierten Tonerpartikel werden unter Verwendung des Laserdruckverfahrens auf eine Kunststofffolie oder einen Glasträger übertragen, wobei beispielsweise Partikelflächen mit der Größe 100 μm × 100 μm oder kleiner erzeugt werden. Der nach dem Druck- und Fixiervorgang auf das Substrat aufgebrachte wiederverfestigte Toner wird anschließend in der vorstehend beschriebenen Weise einer chemischen Nachbehandlung unterworfen. Hierbei wird die Oberfläche zumindest eines Teils der modifizierten Silika-Nanopartikel zumindest teilweise freigelegt. Anschließend werden die Funktionspartikel chemisch unter Beigabe von 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) aktiviert. Weiterhin werden Fängerstoffe, insbesondere Proteine, Antikörper, DNA, RNA oder andere Sondenstoffe gezielt auf die vorbehandelten Funktionspartikel aufgebracht, die an der Oberfläche der Funktionspartikel andocken.
  • Je nach Wahl der Fängermoleküle lassen sich somit biochemische Sensoroberflächen auf einem Flächensubstrat mit Hilfe der Laserdrucktechnik realisieren. Beispielsweise kann in einem einzigen Druckvorgang eine große Vielzahl einzelner, vorzugsweise arrayförmig auf dem Flächensubstrat angeordneter, Biosensorflächen hergestellt werden, die durch anschließende Dotierung mit unterschiedlichen Fängermolekülen zu Biosensoren für eine Vielzahl unterschiedlicher zu detektierender Substanzen werden.
  • Ein weiteres Beispiel für den vorteilhaften Einsatz des lösungsgemäßen Verfahrens stellt die Herstellung von Teststreifen mit künstlichen Antikörpern für die Human-, Veterinär-, Lebensmittel- sowie auch Umweltdiagnostik dar. Ein besonders populäres Beispiel für derartige Teststreifen ist das weite Feld der Drogen- und Doping-Untersuchungen. In diesem Fall werden aus Kunststoff bestehende Funktionspartikel den Tonerpartikeln beigemengt, wobei der Kunststoff aus den nachfolgenden Stoffgruppen ausgewählt wird:
    Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamid, Methylmethacrylat, Vinylpyridin, Ethylstyrol, Vinylimidazol, Vinylpyrolidon, Ethylenglycoldimethacrylat, N'-Methylenbiacrylamid, Biphenol A, Divinylbenzol. Als Flächensubstrat dient vorzugsweise ein poröses Trägermaterial, beispielsweise eine über eine aufgeraute Oberfläche verfügende Kunststofffolie. Die Funktionspartikel verfügen über eine molekular geprägte Oberfläche (Molekular Imprinted Particles, MIP), die so strukturiert ist, dass spezifische organische Substanzen selektiv daran binden. Auch in diesem Fall wird nach dem Druck- und Fixiervorgang das im Toner befindliche Trockenlösungsmittel und weitere Hilfsstoffe von der bedruckten Oberfläche des Flächensubstrates entfernt, so dass die als Nanopartikel vorliegenden Funktionspartikel zumindest teilweise freigelegt sind, so dass eine stoffspezifische Anbindung von Substanzen an den jeweiligen Oberflächen der Funktionspartikel erfolgen kann.
  • Für den Nachweis unterschiedlicher Substanzen werden unterschiedliche Oberflächenprägungen der Funktionspartikel benötigt. Hierfür bietet das lösungsgemäße Verfahren die Möglichkeit innerhalb eines einzigen Fertigungsschrittes unter Verwendung einer Vielzahl entsprechender Druckwerke unterschiedlich funktionalisierte Tonerpartikel auf die jeweilige Substratoberfläche aufzudrucken. Beispielsweise können so an sich bekannte Teststreifen mit mehreren sensitiven Testfeldern hergestellt werden.
  • Mit Hilfe des lösungsgemäßen Verfahrens ist es neben der Herstellung der vorstehend beschriebenen Bio- oder Chemosensoren möglich, eindimensionale oder bevorzugt zweidimensionale Barcodes aus magnetischen Nanopartikeln, bzw. Funktionspartikeln herzustellen, die auf entsprechende Verbrauchsgüter, Verpackungen, Eintrittskarten, um nur einige Beispiele für unterschiedliche Flächensubstrate zu nennen, aufgedruckt werden können. Als Funktionspartikel bieten sich permanentmagnetische Magnetitpartikel an, die den Tonerpartikeln im vorstehend beschriebenen Sinne beigemengt werden. Ein derart funktionalisierter Toner, der nicht notwendigerweise farblich ist, sondern beispielsweise aus transparentem Material bestehen kann, wird unter Zugrundelegung eines Barcodemusters auf ein entsprechendes Flächensubstrat aufgebracht. Eine Entfernung des Tonermaterials nach dem Fixierschritt ist in diesem Fall nicht erforderlich, gilt es doch lediglich die in dem Barcode enthaltenen Informationen mit Hilfe geeigneter Sensoren zu lesen. Vorzugsweise bieten sich hierzu magnetoresistive Mikrosensoren an, die bereits geringste Magnetfeldänderungen detektieren und diese in elektrische, auslesbare Signal umwandeln können.
  • Derartig hergestellte magnetische Barcodes weisen gegenüber konventionellen, optischen Barcodes folgende Vorteile auf:
    • a) Ein für das Auslesen der im magnetischen Barcode enthaltenen Informationen erforderlicher Mikrosensor, der beispielsweise in CMOS-Technologie herstellbar ist, ist im Gegensatz zu optischen Barcode-Scannern kleiner und kostengünstiger realisierbar. Beispielsweise ist es denkbar, derartige Sensoren samt integrierter Signalverarbeitung in Kleingeräte, beispielsweise Handys problemlos zu integrieren. Überdies ist die Herstellung des mit Magnetitpartikeln versehenen funktionalisierten Toners einfach und günstig.
    • b) Magnetische Barcodes können unsichtbar, beispielsweise unter Verwendung transparenter Partikel an entsprechenden Flächensubstraten angebracht werden, so auch in Bildern versteckt werden.
    • c) Die Informationsdichte bei magnetischen Barcodes ist größer als bei konventionellen optischen 1D- oder 2D-Barcodes.
    • d) Magnetische Barcodes, die aus ferromagnetischen Partikeln bestehen, können durch nachträgliche Ummagnetisierung teilweise wieder beschreibbar gestaltet werden, beispielsweise zur fortlaufenden Dokumentation von logistischen Abläufen.
  • Eine weitere mögliche Anwendung des lösungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung elektrischer Leiterplatten und eröffnet hierdurch eine Alternative zu bestehenden Produktionstechniken für Leiterplatten, wie beispielsweise das Belichten von Fotoresistschichten und anschließendem chemischen Ätzen, eine Verfahrenstechnik, die mit einem vergleichsweise hohen Rohstoffverbrauch und darüber hinaus mit beträchtlichen Recyclingkosten verbunden ist. Auch hat das lösungsgemäße Laserdruckverfahren Vorteile gegenüber dem bisher bekannten Siebdruckverfahren in Bezug auf eine bessere Auflösung sowie den Verzicht auf die mit hohen Kosten verbundene Herstellung entsprechender Siebe. Für die Herstellung von auf einem Flächensubstrat abgeschiedenen Leiterbahnen im Wege der Laserdrucktechnik gilt es einen elektrisch leitfähigen Toner bereitzustellen, indem beispielsweise Metallpulver, vorzugsweise Kupfer oder Silbermetall, den Tonerpartikeln beigefügt wird. Bei der Zugabe von Metallpulvern ist nach dem Druckprozess, d. h. nach dem Aufbringen der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat ein Sinterschritt erforderlich, bei dem das im Toner enthaltene Metallpulver verbackt und sich dabei elektrisch leitende Strukturen auf dem Flächensubstrat ausbilden. Das im Toner enthaltene Trockenlösungsmittel wird durch die hohen Temperaturen während des Sinterschritts zersetzt und muss nicht chemisch entfernt werden. Auch gegebenenfalls im Toner enthaltene Hilfsstoffe müssen nicht in einem getrennten Prozessschritt entfernt werden.
  • Auch ist es möglich anstelle von Metallpulver den Tonerpartikeln Metallsalze zuzumengen, die sich erst durch einen chemischen Schritt in elektrisch leitendes Metall umwandeln. In diesem Fall bedarf es nach dem Druckprozess eines chemischen Reduktionsschrittes, um das Metallsalz in metallischer Form zu erhalten. Der chemische Reduktionsschritt kann beispielsweise in Gegenwart eines Plasmas, von Kohlenmonoxid oder von Wasserstoff erfolgen. Dieser Prozessschritt findet bei hoher Temperatur statt, so dass sich das Tonermaterial hierbei ebenfalls zersetzt. Im Weiteren ist der gleiche Sinterschritt erforderlich, bei dem das entstandene Metallpulver verbackt und sich dabei elektrisch leitende Strukturen auf dem Flächensubstrat ausbilden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Toner besteht in der Beimischung von leitfähigem Kohlenstoff zu den Tonerpartikeln, wobei in diesem Fall nach dem Druckvorgang, das bedeutet nach dem Fixieren des funktionalisierten Toners, keine weitere Behandlung mehr erforderlich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 202005018237 [0013]
    • - DE 202005018237 U1 [0017]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN A 4 [0014]

Claims (25)

  1. Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen von mit Funktionspartikeln, die einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 5 μm aufweisen, versehenen Tonerpartikel, die wenigstens aus einem Trockenlösungsmittel bestehen und über einen Durchmesser von 1 μm bis 50 μm verfügen, im Weiteren als funktionalisierte Tonerpartikel bezeichnet, – Aufbringen der funktionalisierten Tonerpartikel auf das Flächensubstrat im Wege eines Laserdruckverfahrens, bei dem die lokal an einer Fotowalze anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikel im Wege eines Rollendruckes auf lokale Oberflächenbereiche des Flächensubstrats übertragen werden, und – Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des wiederverfestigten funktionellen Toners derart nachbehandelt wird, dass zumindest ein Teil der sich im Toner befindlichen Funktionspartikel zumindest teilweise frei gelegt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung durch Zugabe eines chemischen Lösungsmittels erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen, Aufbringen und Fixieren von funktionalisierten Tonerpartikeln wenigstens zweimal hintereinander auf ein und dem gleichen Flächensubstrat ausgeführt wird zur Herstellung mehrschichtiger funktioneller Oberflächenbereiche.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der funktionalisierten Tonerpartikel Silica-Nanopartikel als Funktionspartikel in die Tonerpartikel eingebracht werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Silica-Nanopartikel an ihrer Oberfläche jeweils mit Amino-, Thiol-, Epoxy-, Aldehyd- oder Carboxy-Gruppen modifiziert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen, Fixieren und Nachbehandeln der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat die Silica-Nanopartikel chemisch aktiviert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Aktivierung mittels 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) erfolgt, und dass Fängermoleküle, insbesondere Proteine, Antikörper, DNA, RNA gezielt auf die Silica-Nanopartikel aufgebracht werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächensubstrat eine Kunststofffolie oder ein Glasträger verwendet wird und die funktionalisierten Oberflächenbereiche als Sensoroberfläche für einen in vivo Diagnostikchip dienen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der funktionalisierten Tonerpartikel aus Kunststoff bestehende Funktionspartikel mit einer molekular geprägten Oberfläche in die Tonerpartikel eingebracht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Kunststoff bestehenden Funktionspartikel aus nachfolgender Stoffgruppe ausgewählt werden: Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamid, Methylmethacrylat, Vinylpyridin, Ethylstyrol, Vinylimidazol, Vinylpyrolidon, Ethylenglycoldimethacrylat, N'-Methylenbiacrylamid, Biphenol A, Divinylbenzol.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächensubstrat ein über eine poröse Oberfläche verfügendes Flächensubstrat verwendet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedlich funktionalisierte Tonerpartikel auf einem Flächensubstrat nebeneinander aufgebracht werden, und dass das Flächensubstrat als Teststreifen ausgebildet wird zum Einsatz in der Human-, Veterinär-, Lebensmittel- oder Umweltdiagnostik.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der funktionalisierten Tonerpartikel aus magnetischem Material bestehende Nanopartikel als Funktionspartikel in die Tonerpartikel eingebracht werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Nanopartikel permanentmagnetische Magnetitpartikel sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der magnetisch funktionalisierten Tonerpartikel auf das Flächensubstrat in Form eines 1D- oder 2D-Barcode durchgeführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der funktionalisierten Tonerpartikel Partikel aus elektrisch leitendem Material oder aus einem Material, welches durch einen chemischen Schritt leitend wird, in die Tonerpartikel eingebracht werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes Material Metallpulver, bevorzugt Kupfer- oder Silberpulver, den Tonerpartikeln beigefügt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat ein Sinterschritt durchgeführt wird, bei dem das Metallpulver verbackt und sich dabei elektrisch leitende Strukturen auf dem Flächensubstrat ausbilden.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes Material Metallsalze, die durch einen nachfolgenden chemischen Reduktionsschritt in metallische Form überführt werden, den Tonerpartikeln beigefügt werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallsalze Kupferoxid oder Silberchlorid verwendet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat ein chemischer Reduktionsschritt an den Metallsalzen durchgeführt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung der chemischen Reduktion ein Sinterschritt durchgeführt wird, bei dem das entstandene Metallpulver verbackt und sich dabei elektrisch leitende Strukturen auf dem Flächensubstrat ausbilden.
  24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes Material leitfähiger Kohlenstoff den Tonerpartikeln beigefügt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren im Wege einer Erwärmung und Aufschmelzung der funktionalisierten Tonerpartikel erfolgt.
DE102007049936A 2007-10-18 2007-10-18 Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat Withdrawn DE102007049936A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007049936A DE102007049936A1 (de) 2007-10-18 2007-10-18 Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat
EP20080018317 EP2051147B1 (de) 2007-10-18 2008-10-20 Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007049936A DE102007049936A1 (de) 2007-10-18 2007-10-18 Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007049936A1 true DE102007049936A1 (de) 2009-04-30

Family

ID=40230017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007049936A Withdrawn DE102007049936A1 (de) 2007-10-18 2007-10-18 Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2051147B1 (de)
DE (1) DE102007049936A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010049807A1 (de) 2010-10-27 2012-05-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Immobilisierung mindestens einer Substanz auf Oberflächen

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1941241B2 (de) * 1968-08-15 1977-03-24 Dai Nippon Insatsu KX., Tokio Elektrisch leitender toner zur entwicklung von elektrostatischen ladungsbildern
DE2907633A1 (de) * 1978-02-28 1979-09-06 Canon Kk Trockener toner fuer die entwicklung von ladungsbildern
DE19620201A1 (de) * 1995-11-07 1997-05-15 Samsung Display Devices Co Ltd Scharzmatrix und Leuchtstoffraster für eine Farbbildröhre und Verfahren zur Herstellung derselben
DE19907522A1 (de) * 1998-03-03 1999-09-23 Murata Manufacturing Co Toner zur Herstellung von gedruckten Schaltungsmustern und unter Verwendung dieses Toners gedruckte Mehrlagenschaltungsplatte
DE10039832A1 (de) * 2000-08-16 2002-04-25 Schott Glas Verfahren zur Veränderung der chemischen, elektrischen oder physikalischen Oberflächeneigenschaft eines Werkstückes
EP1615079A2 (de) * 2004-06-28 2006-01-11 Xerox Corporation Toner hergestellt in einem Emulgierungs-Aggregierungsprozess
DE202005018237U1 (de) 2005-11-22 2006-03-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Bedrucken eines flächensteifen Flächensubstrats
DE102006014043A1 (de) * 2006-03-27 2007-10-04 OCé PRINTING SYSTEMS GMBH Verfahren und Vorrichtung zum Archivieren von Druckbildern

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6074725A (en) * 1997-12-10 2000-06-13 Caliper Technologies Corp. Fabrication of microfluidic circuits by printing techniques
US7384722B2 (en) * 2003-06-23 2008-06-10 Ricoh Company Limited Method for preparing functional particulate organic material, toner using the functional particulate organic material, and image forming method and apparatus using the toner
JP4292386B2 (ja) * 2003-07-16 2009-07-08 セイコーエプソン株式会社 負帯電性トナー、その製造方法およびその負帯電性トナーを用いたフルカラー画像形成装置
JP4268179B2 (ja) * 2006-09-08 2009-05-27 シャープ株式会社 機能性粒子およびその製造方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1941241B2 (de) * 1968-08-15 1977-03-24 Dai Nippon Insatsu KX., Tokio Elektrisch leitender toner zur entwicklung von elektrostatischen ladungsbildern
DE2907633A1 (de) * 1978-02-28 1979-09-06 Canon Kk Trockener toner fuer die entwicklung von ladungsbildern
DE19620201A1 (de) * 1995-11-07 1997-05-15 Samsung Display Devices Co Ltd Scharzmatrix und Leuchtstoffraster für eine Farbbildröhre und Verfahren zur Herstellung derselben
DE19907522A1 (de) * 1998-03-03 1999-09-23 Murata Manufacturing Co Toner zur Herstellung von gedruckten Schaltungsmustern und unter Verwendung dieses Toners gedruckte Mehrlagenschaltungsplatte
DE10039832A1 (de) * 2000-08-16 2002-04-25 Schott Glas Verfahren zur Veränderung der chemischen, elektrischen oder physikalischen Oberflächeneigenschaft eines Werkstückes
EP1615079A2 (de) * 2004-06-28 2006-01-11 Xerox Corporation Toner hergestellt in einem Emulgierungs-Aggregierungsprozess
DE202005018237U1 (de) 2005-11-22 2006-03-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum Bedrucken eines flächensteifen Flächensubstrats
DE102006014043A1 (de) * 2006-03-27 2007-10-04 OCé PRINTING SYSTEMS GMBH Verfahren und Vorrichtung zum Archivieren von Druckbildern

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DIN A 4

Also Published As

Publication number Publication date
EP2051147A2 (de) 2009-04-22
EP2051147B1 (de) 2013-05-22
EP2051147A3 (de) 2011-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Prabakaran et al. Nanomaterials for latent fingerprint detection: a review
DE69730149T2 (de) Kontaktkopierverfahren auf einem mit gold beschichteten film
DE69823767T2 (de) Herstellung eines Mikrosensors
EP1972463B1 (de) Sicherheitselement
DE112005003134B4 (de) Elektrisch aktiver kombinatorisch-chemischer (electrically-active combinatorial-chemical; eacc) Chip zur biochemischen Analytbestimmung
US8243271B2 (en) Methods for fabricating analytical substrates using metallic nanoparticles
Chen et al. A magnetic phosphorescence molecularly imprinted polymers probe based on manganese-doped ZnS quantum dots for rapid detection of trace norfloxacin residual in food
DE102007052477B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitsmediums und Sicherheitsmedium
Park et al. 3D-assembled Ag nanowires for use in plasmon-enhanced spectroscopic sensors
WO2005083528A1 (de) Verfahren zum bedrucken eines aufzeichnungsträgers
Meyerbröker et al. Hydrogel nanomembranes as templates for patterned deposition of nanoparticles on arbitrary substrates
JP5455923B2 (ja) 粒子の部分的誘導体化
DE102007049936A1 (de) Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat
DE102004027865A1 (de) Leitende Kohlenstoff-Nanotubes, dotiert mit einem Metall, und Verfahren zur Herstellung eines Biosensors, der diese benutzt
DE3249443C2 (de) Magnetischer Aufzeichnungsträger zur Unterstützung des Löschens eines latenten Magnetbildes
Dehlinger et al. Electric‐Field‐Directed Assembly of Biomolecular‐Derivatized Nanoparticles into Higher‐Order Structures
DE112007001503T5 (de) Kügelchen-Immobilisierungsverfahren und dadurch gebildete Kügelchen-Arrays
EP1663473A2 (de) Molekül-arrays und verfahren zu deren herstellung
DE102011077907A1 (de) Verfahren zur herstellung von gedruckten magnetischen funktionselementen für widerstandssensoren und gedruckte magnetische funktionselemente
Tisserant et al. Water-mediated assembly of gold nanoparticles into aligned one-dimensional superstructures
DE102019211970A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines gedruckten magnetischen Funktionselements und gedrucktes magnetisches Funktionselement
US11499893B2 (en) Method and device for transferring nanoparticle monolayer by using capillary tube
Ha et al. Multifunctional guest–host particles engineered by reversal nanoimprint lithography
AT405767B (de) Verfahren zur herstellung eines optischen sensors sowie schichtstruktur zur verwendung in analytischen prozessen
Tran Development of Nanofiber and Surface Plasmon Resonance Sensors for VOCs, Biochemical, and Bacterial Analysis

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20140501