JP6633842B2 - 多孔性基板内に疎水性構造を形成するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して、多孔性基板における疎水性材料の堆積を制御するためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、紙を通じた流体の拡散を制御するための、化学分析デバイスの一部として紙の中に疎水性材料を形成するためのシステムおよび方法に関する。

紙ベースの化学分析デバイスは、紙基板と、紙の中に流体チャネルおよび他の流体構造を形成するワックスと、１つまたは複数の試薬とを含む。紙ベースの化学分析デバイスの一般的な例は、紙から作成され、血液、尿および唾液のような試験流体における生化学分析および診断を実施する生物医学的試験デバイスを含む。これらのデバイスは小さく、軽量で低コストであり、少し例を挙げるだけでも健康管理、軍事および国土安全保障における診断デバイスとしての潜在的な用途を有する。現行の技術水準の紙診断デバイスは、ワックスが紙上に印刷された後にワックスチャネルのリフローを制御することができないことに起因して、流体特徴分解能および製造適合性に関して制約される。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、リフロー炉内で紙基板上に形成されるワックスを溶融するための従来技術の過程を示す。溶融過程は、ワックスが紙の表面上の層内に残るのではなく、紙の中に浸透することが必要とされる。図１０Ａにおいて、リフロー炉が、固化したワックスを有する紙基板を約１５０℃の温度まで加熱する。紙およびワックスの全体が等方性方法で同じ温度まで加熱される。図１０Ｂに示すように、ワックスは溶融して、概ね均一に、多孔性紙の中および紙の表面にわたっての両方で拡散する。従来技術のリフロー炉は、溶融ワックスの流れの方向を制御することができず、溶融ワックスは、所望されるよりも大きい度合いまで紙の表面にわたって拡散する傾向にある。生物医学的試験デバイスにおいて、ワックスは、複数の列を成して、紙基板を通じて拡散する流体に対するバリアおよびチャネルとして機能する他の構造内に形成される。ワックスの拡散が制御されないことで、精密な形状を有するバリアおよび液体チャネルを形成する上で問題が生じる。それゆえ、多孔性基板上に堆積される疎水性材料の流れの制御に対する改善が有益である。

一実施形態において、基板内に疎水性材料を分散させる装置が開発されている。装置は、第１のローラと、第１のローラに係合してニップを形成するように構成されている第２のローラと、第１のローラに動作可能に接続されており、第１のローラを、第２のローラの第２の温度よりも高い第１の温度まで加熱するように構成されている第１のヒータと、第１のローラが基板の第１の面に係合することを可能にし、第２のローラが基板の第２の面に係合することを可能にするために、所定の速度においてニップを通じて基板を移動させるように構成されている基板搬送装置であって、基板の第２の面は、第１のローラと第２のローラとの間のニップにおける温度勾配に応答して基板内に浸透する疎水性材料を有する、基板搬送装置とを含む。

別の実施形態において、基板内に疎水性材料を分散させるための方法が開発されている。方法は、ニップを形成するために第１のローラを第２のローラと係合させるステップと、第１のローラを、第２のローラの第２の温度よりも高い第１の温度まで加熱するために、第１のローラに動作可能に接続されている第１のヒータを用いて第１のローラを加熱するステップと、第１の面および第２の面を有する基板を、第１のローラが基板の第１の面に係合することを可能にし、第２のローラが基板の第２の面に係合することを可能にするために、基板搬送装置を用いて所定の速度においてニップを通じて移動させるステップであって、基板の第２の面は、第１のローラと第２のローラとの間のニップにおける温度勾配に応答して基板内に浸透する疎水性材料を有する、移動させるステップとを含む。

基板上での疎水性材料の分散を制御する装置の上記の態様および他の特徴は、添付の図面とともに取り上げられる、以下の記載において説明される。

図１は、基板の表面上の疎水性材料に熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板に浸透することを可能にする装置を含むインクジェットプリンタの図である。 図２は、基板の表面上の疎水性材料に熱および圧力を加える装置の別の実施形態の図である。 図３は、疎水性材料が基板に浸透するのを促すための、図１または図２の装置において形成される温度勾配を示す図である。 図４は、図１または図２の装置が熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板に浸透することを可能にする前に、基板の表面に複数層の疎水性材料を被着させるインクジェットプリンタ構成の別の実施形態の図である。 図５は、図１または図２の装置が熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板に浸透することを可能にする前に、基板の表面に複数層の疎水性材料を被着させるインクジェットプリンタ構成の別の実施形態の図である。 図６は、第１のドラムに複数層の疎水性材料を被着させ、疎水性材料および基板に熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板に浸透することを可能にするインクジェットプリンタの図である。 図７は、試薬または他の化学物質を含む液滴を、基板内の疎水性材料によって画定される基板内の流体チャネル上に吐出するインクジェットプリンタの図である。 図８は、疎水性材料によって形成される基板内の流体チャネルを用いた、基板内に形成される生物医学的試験デバイスの断面図および平面図である。 図９は、基板の表面上に形成される疎水性材料に熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板に浸透することを可能にするための過程のブロック図である。 基板の表面上に形成される疎水性材料を溶融させる従来技術のリフロー炉の図である。 従来技術の拡散過程における、図１０Ａのリフロー炉における基板上の疎水性材料の拡散を示す図である。

本明細書に開示するシステムおよび方法に関する環境ならびにシステムおよび方法に関する詳細の全般的な理解のために、図面を参照する。図面において、同様の参照符号は全体を通じて同様の要素を指定するために使用されている。本明細書において使用される場合、「プリンタ」という単語は、デジタル複写機、製本機、ファクシミリ装置、多機能機などのような、媒体上の樹脂または着色剤を用いて画像を生成する任意の装置を包含する。下記の記載において、プリンタは、溶融ワックス、相変化インク、または他の疎水性材料を、紙のような多孔性基板上に堆積するようにさらに構成される。下記に記載するプリンタはインクジェットプリンタであり、疎水性相変化材料はいくつかの実施形態において相変化インクであり得るが、いくつかの構成において、疎水性材料は、光学的に透明なワックス、または、特定の色を有しない他の材料である。疎水性材料の視覚的表現は、下記において例示のみを目的として提示されており、下記に記載する複数の異なる実施形態は、着色を有しない疎水性材料、または、化学分析デバイスとともに使用するのに適している任意の着色を有する疎水性材料を使用する。

プリンタは任意選択的に、基板に温度勾配および圧力を加えるように構成されており、これによって、疎水性材料が拡散し、疎水性材料が多孔性基板内に浸透して、水を含む液体の基板を通じた毛細管流動を制御するチャネルおよびバリアを含む疎水性構造を形成することが可能になる。

本明細書において使用される場合、「親水性材料」および「親水性基板」という用語は、水を吸収し、毛細管作用を介して材料を通じて水が拡散することを可能にする材料を指す。親水性基板の１つの一般的な例が、セルロースろ紙、クロマトグラフィ紙、または任意の他の適切なタイプの紙のような、紙である。親水性基板は、水、ならびに、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む他の生体液が、基板内に拡散することを可能にする多孔性材料から形成される。下記に記載するように、疎水性材料が親水性基板に埋め込まれて、親水性基板を通じた流体の拡散を制御する流体チャネルバリアおよび他の疎水性構造を形成する。

本明細書において使用される場合、「疎水性材料」という用語は、水に対する癒着に抵抗し、毛細管運動を通じた水の流れに対して実質的に不浸透性である任意の材料を指す。紙のような多孔性基板に埋め込まれると、疎水性材料は、基板の、疎水性材料を含む部分を通じた水の拡散を阻害するためのバリアとして作用する。疎水性材料はまた、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む多くの流体に対するバリアとしても作用する。下記に記載するように、疎水性材料が多孔性基板に埋め込まれて、基板を通じた流体の毛細管拡散を制御するチャネル壁および他の疎水性構造を形成する。一実施形態において、基板はまた、流体試料の様々な特性を試験するのに使用される生化学試薬をも含む。疎水性材料は、化学試薬の堆積物を有する、基板の複数の異なる箇所に流体を導くためのチャネルを形成する。疎水性材料はまた、疎水性材料と流体との間の化学反応を低減するかまたはなくすために、チャネル内の流体に対して実質的に、化学的に不活性でもある。単一の流体試料に対する複数の生化学的試験を実施するための単純で低コストなデバイスを提供するために、単一の流体試料が基板内のチャネルを通じて拡散して、基板の複数の異なる箇所にある複数の異なる試薬と反応する。

本明細書において使用される場合、「相変化材料」という用語は、室温および標準気圧（たとえば、２０℃および１気圧）において固相を有し、上昇した温度および／または気圧レベルにおいて液相を有する疎水性材料を指す。本明細書において使用される疎水性相変化材料の例は、ワックスおよび相変化インクを含む。本明細書において使用される場合、「相変化インク」という用語は、室温においては実質的に固体であるが、上昇した温度においては軟化および液化するタイプのインクを指す。いくつかのインクジェットプリンタは、相変化インクの液化した滴を、回転ドラムまたはエンドレスベルトのような間接受像面上に吐出して、インク潜像を形成する。インク潜像は、紙シートのような基板に転写される。他のインクジェットプリンタは、インク液滴を、紙シートまたは長いロール紙のような印刷媒体上に直接吐出する。液体状態において、相変化材料は、紙のような多孔性基板に浸透することができる。

従来のインクジェットプリンタにおいて、相変化インクは基板の片面に転写され、オプションとして、両面印刷動作において、複数の異なる相変化インク画像が基板の両面に転写される。プリンタは基板の表面上に相変化インク液滴を拡散させ、相変化インク画像は印刷媒体の表面上で冷却および固化して印刷画像が形成される。一方、下記に記載する実施形態は、基板の表面上の相変化インクまたは別の疎水性材料に熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板内の多孔性材料を通じて浸透することを可能にして、基板の厚さを通じて、基板を通じた流体の拡散を制御する三次元バリアを形成する。

図１は、熱勾配および圧力を紙のような親水性基板に加えて、基板の細孔内への疎水性材料の流れが、親水性基板を通じた流体の拡散を制御するバリアおよびチャネルを形成することを可能にするための装置１８０を含むインクジェットプリンタ１００を示す。本明細書において使用される場合に、「装置」という用語が参照されている場合、これは、別途明示的に参照されていない限り、熱勾配および圧力を基板に加えて、基板の表面上に形成される疎水性材料が、異方性拡散パターンを有して基板内に浸透することを可能にするデバイスを指す。装置は任意選択的に、インクジェットプリンタのようなプリンタに組み込まれてもよい。下記に記載するように、装置１８０は図１において間接インクジェットプリンタ１００の一部として示されているが、装置１８０は、他の印刷デバイスに組み込むことができ、または、インクジェットプリンタもしくは任意の他の適切な被着デバイスを使用して、表面上に形成される疎水性材料を有する基板を処理するように構成されている独立したデバイスとすることができる。

プリンタ１００は、イメージングドラム１０４と、トランスフィックスローラ１０８と、イメージングドラムヒータ１１２と、回転アクチュエータ１１６と、基板ヒータ１２０とを含む。プリンタ１００は、相変化インクまたは他の疎水性材料の液化した滴をイメージングドラム１０４の表面上に吐出する１つまたは複数のインクジェットプリントヘッド１２４を含む。イメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８は、ニップ１０６において互いに係合する。プリンタ１００内で、機械式、空気圧式、または液圧式アクチュエータが、イメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８をともに保持して、ニップ１０６を形成し、ニップ１０６を通過する基板に圧力を加える。いくつかの実施形態において、アクチュエータはまた、イメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８を動かして係合させてニップ１０６を形成するか、または係合を解除する。回転アクチュエータ１１６は、たとえば、イメージングドラム１０４を選択される速度の範囲内で回転させる電気モータである。トランスフィックスローラ１０８は、イメージングドラム１０４に係合されると、イメージングドラム１０４の動きに応答して回転する。

装置１８０において、基板搬送装置は、矢印１３０が示す方向に基板を推進して、ニップ１０６を通過させる。基板搬送装置は、１つまたは複数のアクチュエータおよびベルトと、ローラと、イメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８の動きに同期してニップ１０６を通じて基板を移動させる他の搬送デバイスとを含む。イメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８は、ニップ１０６を通じて基板を推進する基板搬送システムの一部である。装置１８０がインクジェットプリンタに組み込まれている一実施形態においては、プリンタ内の媒体搬送システムが基板を装置１８０へと搬送し、基板は、装置１８０内の第１のローラ１５４と第２のローラ１５８との間に形成されるニップ１６６を通じて移動する。

装置１８０において、相変化インクまたは他の疎水性材料を第２のローラ１５８の表面から除去するシリコーン表面層または別の表面層を有するクリーナーローラ１７４が形成される。第２のローラ１５８は一般的に、第２のローラ１５８と疎水性材料１４４との間の癒着を低減するために、ポリテトラフルオロエチレンまたは別の適切なコーティングのような、低界面エネルギー材料をコーティングされている。動作中、小部分の疎水性材料１４４が第２のローラ１５８に癒着する場合があり、クリーナーローラ１７４が残存する疎水性材料を除去してニップ１６６を通過する後続の基板の汚染を防止する。

図１は、装置１８０がインクジェットプリンタの一部分である一実施形態における装置１８０の構成を示す。図１において、コントローラ１９０として示されているデジタル電子制御ユニット（ＥＣＵ）が、基板上に形成されるべき疎水性材料の所定のパターンおよび形状に対応するデジタル画像データを受信する。装置１８０において、プリントヘッド１２４が相変化インクの液滴をイメージングドラム１０４の表面上に吐出して、インク潜像１４０を形成する。一実施形態において、イメージングドラム１０４は、プリントヘッド１２４を通過する複数回の回転を遂行し、プリントヘッド１２４は、各回転中に、基板１５２に転写される相変化インクの追加の層を形成する。プリンタ１００の一実施形態において、アクチュエータ（図示せず）がトランスフィックスローラ１０８をイメージングドラム１０４との係合から解除する。アクチュエータ１１６がイメージングドラム１０４を、プリントヘッド１２４を通過して回転させ、イメージングドラム１０４が、２回以上の回転にわたってプリントヘッド１２４からインク潜像を受け取る。一実施形態において、プリントヘッド１２４は、４層の単一のインク潜像を、イメージングドラム１０４の表面上に形成する。インク潜像がイメージングドラム１０４上に形成されると、トランスフィックスローラ１０８がイメージングドラム１０４に係合し、基板１５２がニップ１０６を通過して、複数層のインク潜像を受け取る。

図１の別の実施形態において、プリンタ１００は、基板１５２にニップ１０６を２回以上通過させて、複数層のインクから印刷画像を形成する。たとえば、図１において、第１の層の相変化インク１４２が基板１５２の表面１５６上に形成される。媒体搬送装置が基板１５２を経路１３０が示すように移動させて、イメージングドラム１０４が２回目にプリントヘッド１２４によって吐出される追加の層の相変化インク１４０を搬送するときに、ニップ１０６を通過させる。媒体経路１３０は、基板１５２の面１５６がニップ１０６の各通過の間にイメージングドラム１０４に係合することを可能にするためにプリンタにおいて両面印刷に一般的に使用される両面印刷ユニットを含まない。一構成において、コントローラ１９０は、相変化インクの単一の印刷パターンが基板の片面上に形成されるように、基板１５２の各通過の間に同じ画像を形成するようにプリントヘッド１２４を動作させる。たとえば、インク潜像１４０は、すでに基板１５２上に形成されているインク画像１４２と位置整合されて、画像１４０および１４２における組み合わされた容量の相変化インクを含む合成画像１４４が形成される。複数回通過させることによって、プリンタ１００は、従来の印刷動作に一般的に使用されるよりも大量の相変化インクを基板１５２上に堆積させることが可能になる。いくつかの実施形態において、プリンタ１００は、基板１５２にニップ１０６を４回通過させて、基板１５２の片面上に４層の相変化インクを形成する。

図１において、基板搬送装置は、紙シートまたは長いロール紙のような基板１５２を、ニップ１０６を通じて移動させる。一実施形態において、イメージングドラムヒータ１１２がイメージングドラム１０４の表面を５７℃まで加熱し、アクチュエータ１１６がイメージングドラム１０４およびトランスフィックスローラ１０８を、５インチ毎秒（ＩＰＳ）の直線表面速度で回転させて、疎水性材料潜像１４４を基板１５２の片面１５６に転写する。代替的な実施形態において、トランスフィックス速度は、印刷媒体１５２のニップ内の「滞留時間」を調整するために、より速いか、またはより遅い。本明細書において使用される場合、「滞留時間」という用語は、印刷媒体１５２の所与の部分が、ニップを形成するローラから熱および圧力を受け取るためにニップ内で過ごす時間量を指す。滞留時間の量は、ニップを形成するローラの表面積およびニップを通じた基板の直線速度に関係する。たとえば、ニップ１６６において、滞留時間は、ローラ１５４および１５８の表面積およびニップ１６６を通じた基板１５２の直線速度に関係する。滞留時間は、疎水性材料が、基板に浸透して基板内に流体チャネルの壁および他の疎水性構造を形成することが可能になるように選択される。選択される滞留時間は、印刷媒体１５２の厚さおよび多孔率、ニップ１６６内の温度勾配、ニップ１６６内の圧力、ならびに疎水性材料の粘度特性に基づいて変化し得る。ローラが大きくなるほど、一般的により大きい表面積を有するニップが形成される。したがって、ローラ径がより大きい装置１８０の一実施形態は、ローラ径がより小さく直線速度がより遅い装置１８０の別の実施形態と同じ滞留時間を達成するのに、より速い直線速度で動作する。装置１８０の異なる動作モードにおいて、選択される滞留時間は、約０．１秒〜１０秒の範囲内である。

印刷媒体１５２の白紙面１６０は、イメージング動作中、トランスフィックスローラ１０８に係合する。ニップ１０６内の熱および圧力が基板１５２の表面上の疎水性材料１４０に拡散して、第１の面１５６上に印刷画像を形成し、図１の複数回通過実施形態においては疎水性材料１４０が疎水性材料１４２と組み合わされる。図１に示すイメージング動作の後、疎水性材料の相当部分１４４が基板１５２の表面１５６の上または付近に残っている。

プリンタ１００において、基板１５２が印刷画像１４４を受け取るために１回または複数回通過した後、媒体搬送装置が、基板１５２を装置１８０へと移動させる。媒体搬送装置は、経路１３４が示すように、基板を装置１８０へと移動させる。装置１８０は、第１のローラ１５４と、第２のローラ１５８と、任意選択の基板ヒータ１７０と、クリーナーローラ１７４とを含む。第１のローラ１５４および第２のローラ１５８は互いに係合してニップ１６６を形成する。装置１８０内で、機械式、空気圧式、または液圧式アクチュエータが、ローラ１５４および１５８をともに保持して、ニップ１６６を形成し、ニップ１６６を通過する基板に圧力を加える。第１のローラ１５４および第２のローラ１５８は、図１の実施形態において、１，０００ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）の圧力で、基板１５２および疎水性材料１４４に加圧する。他の構成において、ニップ１６６の圧力は８００ＰＳＩ〜３，０００ＰＳＩであり、基板の特性および疎水性材料の組成に基づいて選択される。ヒータ１６２は第１のローラ１５４に動作可能に接続され、第１のローラ１５４を、第２のローラ１５８よりも高い温度まで加熱するように構成されている。疎水性材料１４４が基板１５２の面１５６に転写された後、媒体搬送装置が基板１５２を、ニップ１６６を通じて移動させる。

図１の例において、第２のローラ１５８が疎水性材料１４４を有する基板１５２の印刷面１５６に係合しながら自由に回転するのと同時に、アクチュエータ１６８が第１のローラ１５４を回転させて、基板１５２が、方向１３４においてニップ１６６を通じて移動することを可能にする。第１のローラ１５４の温度の上昇がニップ１６６における温度勾配を形成し、第１のローラ１５４が基板１５２の第２の面１６０に係合する。後述するように、この温度勾配が、疎水性材料１４４の側方拡散を低減しながら、疎水性材料１４４の印刷パターンが基板１５２の厚さに浸透することを可能にする。

装置１８０において、任意選択の基板ヒータ１７０が、基板がニップ１６６を通過するときに、基板の温度を所定の温度まで上昇させる。一実施形態において、基板ヒータ１７０は、基板がニップ１６６に近づくときに基板を６０℃まで加熱する。ローラヒータ１６２が、第２のローラ１５８の表面を約６０〜７０℃のより低い温度に維持したままで、第１のローラ１５４の表面を約１００℃まで加熱する。一実施形態において、第２のローラ１５８は、第２のローラ１５８の表面が、ニップ１６６においてより高温の第１のローラ１５４に係合した後に冷却することを可能にするために、第１のローラ１５４よりも大きい直径を含む。他の実施形態において、これらのローラは実質的にサイズが等しいか、または、第１のローラ１５４が第２のローラ１５８よりも直径が大きい。ローラヒータ１６２および基板ヒータ１７０は、装置１８０内の電気放射ヒータとして具現化される。図１の実施形態において、アクチュエータ１６８は、基板１５２がニップ１６６を通過するときに、第１のローラ１５４および第２のローラヒータ１５８を約１インチ毎秒の直線速度で回転させる。基板１５２の直線速度は、ニップ１６６内の滞留時間に反比例する。滞留時間は、ローラ１５４および１５８の表面積の影響を受け、表面積はニップ１６６の物理的サイズおよび基板１５２の直線速度に影響を与える。装置１８０において、滞留時間は約０．１秒〜１０秒であり、コントローラ１９０は、ニップ１６６内の選択される滞留時間をもたらすように、基板１５２の直線速度を調整する。

代替的な実施形態において、装置１８０の動作パラメータは、基板１５２を通じた疎水性材料１４４の浸透を制御するためにニップ１６６内の温度勾配および基板１５２のニップ１６６における滞留時間を変更するように調整される。装置１８０の異なる実施形態において、ニップ１６６内の温度勾配および圧力、ならびに基板１５２のニップ１６６における滞留時間は、異なる直径を有するローラに対して、選択される滞留時間をもたらすように調整される。

図１は、すでに片面１５６上に疎水性材料１４４を有する基板１５２がニップ１６６を通過するものとして装置１８０を示しており、ここで、圧力および温度勾配が基板１５２に加えられて、疎水性材料１４４が基板１５２の多孔性材料内に浸透することが可能になる。図１において、基板搬送装置が、白紙面１６０が第１のローラ１５４と係合しながら疎水性材料を有する面１５６が第２のローラ１５８と係合した状態で、ニップ１６６を通じて基板を移動させる。装置１８０はプリンタ１００内に示されており、プリンタ１００は、疎水性材料の印刷パターンを形成する。一方、別の実施形態において、装置１８０は、基板と、別個のインクジェット印刷デバイス内にて、または、基板の片面上に疎水性材料を形成する任意の適切な堆積プロセスを通じて形成される疎水性材料とを受け取る。

図２は、装置２８０の別の実施形態を示す。装置２８０は、第１のローラ１５４、第２のローラ１５８、第１のローラヒータ１６２、アクチュエータ１６８、および基板ヒータ１７０を含む、装置１８０からの構成要素のいくつかを含む。装置２８０はまた、第２のローラ１５８の表面および基板１５２の表面を、第１のローラ１５４と第２のローラ１５８との間に形成されるニップ２０６において係合させる中間ウェブ２７２をも含む。一実施形態において、中間ウェブ２７２は、基板１５２および疎水性材料１４４をニップ２０６において係合させるエンドレスまたは循環シリコーンゴムベルトから形成される。エンドレスベルト２７２は、疎水性材料１４４が第２のローラ１５８に転写されるのを防止し、ニップ２０６においてベルト２７２に転移する任意の疎水性材料を取り除くことができる。別の構成において、中間ウェブ２７２は、ニップ２０６を一度通過し、その後廃棄またはリサイクルされる、プラスチックフィルムまたはコート巻き取り紙のような犠牲材料である。図２の装置２８０は、装置１８０と同様に、疎水性材料１４４および基板１５２に圧力および温度勾配を加えて、疎水性材料が基板１５２に浸透することを可能にする。

図３は、疎水性材料１４４の基板１５２内への浸透をより詳細に示す。ニップ１０６における温度上昇および圧力によって固化疎水性材料１４４が溶融し、液化疎水性材料が基板１５２の多孔性材料内へ水平および垂直の両方向に拡散する。液化疎水性材料の拡散距離Ｌは、ウォッシュバーンの式

によって与えられ、式中、γは溶融疎水性材料１４４の表面張力であり、Ｄは基板１５２内の細孔の孔径であり、ｔは、その間ニップにおける温度勾配および圧力が疎水性材料１４４の粘度を低減する、基板のニップにおける滞留時間であり、ηは溶融疎水液の粘度である。表面張力γおよび粘度ηの項は、疎水性材料１４４の特性から経験的に求められる。孔径Ｄは、紙または基板１５２を形成する他の親水性材料のタイプから経験的に求められる。装置１８０は、ニップ１６６においてもたらされる温度勾配、および、疎水性材料がニップ１６６においてどれだけ長く液化状態のままであるかについての時間ｔによって、疎水性材料および基板が移動するときに疎水性材料の粘度ηを直接または間接的に制御する。ワックスまたは相変化インクのような疎水性材料は、材料の温度および疎水性材料に加えられる圧力に基づいて、様々な粘度レベルを有する液体状態に遷移する。液化疎水性材料の粘度は、材料の温度に逆相関する。ニップにおける温度勾配によって、面１６０およびローラ１５４付近のより高温の領域にある疎水性材料の粘度が、より低温の面１５６およびより低温のローラ１５８よりも高い度合いだけ低減する。したがって、温度勾配によって、温度勾配のより高温の領域にあるインクが、増大した温度では粘度が低減することに起因して、より低温の領域にあるインクと比較してより長い距離を浸透することが可能になる。

当該技術分野において既知であるように、ニップ１６６において加えられる圧力も、疎水性材料１４４の実効溶融温度を低減し、それによって、ニップ１６６内の疎水性材料１４４を溶融し、その粘度レベルを低減するのに必要とされる温度レベルが、標準気圧における溶融温度よりも低くなる。基板１５２の一部がニップ１６６を出ると、圧力および温度レベルは急速に降下し、それによって、疎水性材料１４４が、図１０Ａに示す従来技術のリフロー炉よりも急速に、かつ制御された様式で固化状態に戻ることが可能になる。ニップ１６６内の基板１５２の各部分の滞留時間も、疎水性材料１４４が液体状態で過ごす時間量に影響を与える。

ニップ１６６において、温度勾配は、溶融疎水性材料１４４の異方性加熱を可能にする。面１６０側の第１のローラ１５４の温度がより高いことによって、疎水性材料１４４の粘度ηが、より低温の面１５６の側よりも大きい度合いだけ低減する。したがって、温度勾配によって、疎水性材料１４４が基板１５２の多孔性材料内へ、基板１５２の長さに沿った疎水性材料１４４の水平の流れよりも、面１６０に向けてより長い距離にわたって流れることが可能になる。図３において、長い方の矢印２２０が、基板１５２の高温の面１６０に向かう基板内の多孔性材料を通じた疎水性材料１４４のより長い流れの距離Ｌを示し、一方で、短い方の矢印２２４が、基板１５２の長さに沿ったより短い流れの距離を示している。相変化インク疎水性材料について、インクが基板１５２をより高温のローラ１５４に向かって浸透するときのインクの粘度ηが低減することによって、相変化インクが、印刷面１５６から基板を通じて第２の面１６０へと浸透することが可能になり、これによって、基板１５２の厚さ全体を通じて相変化インクの層が形成される。

装置１８０は、異方性温度勾配、および、疎水性材料１４４が、疎水性材料１４４による印刷ラインおよび他の印刷特徴を形成するための液流パターンを生成し、これは、基板１５２の長さに沿ったより少ない拡散、および、印刷面１５６から基板１５２を通じた白紙面１６０への改善された浸透を呈する。たとえば、一実施形態において、装置１８０によって形成される印刷チャネルバリアラインの水平幅は約６５０μｍであり、一方で、図１０Ａの従来技術のリフローの炉実施形態は、同じ印刷ラインを約１０００μｍの幅まで拡散させてしまう。さらに、装置１８０における異方性温度勾配によって、疎水性材料１４４が、図１０Ｂに示す等方性温度分布を有する従来技術のリフロー炉よりも大きい度合いだけ基板１５２内に浸透することが可能になる。バリアの幅が狭くなることで、より精細な特徴詳細を有するより小さいデバイスを製造することが可能になり、基板を通じた流体の毛細管拡散を制御する流体チャネルの有効性も改善する。

図４は、疎水性材料４４４のパターンを基板４５２上に堆積させるインクジェットプリンタ４００の別の実施形態を示す。インクジェットプリンタ４００は、印刷ゾーン内の、プリントヘッド４２４Ａおよび４２４Ｂのような複数セットのプリントヘッドが、疎水性材料を基板４５２上に直接吐出するダイレクトインクジェットプリンタである。基板４５２は、長い媒体ウェブとして示されている。基板４５２が印刷ゾーンに入ると、ヒータ４２０が、基板４５２を６０℃のような所定の温度まで加熱する。図４の例において、プリントヘッド４２４Ａおよび４２４Ｂは、基板４５２上に所定のパターンの２層の疎水性材料４４４を形成するが、他のプリンタ実施形態は、追加の層の疎水性材料を有する印刷パターンを形成するための追加のプリントヘッドを含む。プリンタ４００において、ローラ４３０は、基板を矢印４３４が示すように印刷ゾーンを通じて移動させる媒体搬送装置の一部である。基板４５２はその後、疎水性材料４４４が基板４５２を通じて浸透することを可能にするための温度勾配および圧力を加える装置１８０または２８０を通じて移動する。装置１８０または２８０は、一実施形態においてはプリンタ４００内に組み込まれる。別の実施形態において、装置１８０または２８０は、仕上げ、または、プリンタ４００による印刷後に行われる他の処理の間に基板４５２を受け取る。

図５は、疎水性材料５４４のパターンを基板５５２上に堆積させるインクジェットプリンタ５００の別の構成を示す。プリンタ５００において、基板５５２は、プリントヘッド５２４Ａおよび５２４Ｂのような、印刷ゾーン内の複数のプリントヘッドを通過して、複数層の疎水性材料５４４を有する印刷パターンを受け取る、紙または別の基板材料の長いウェブである。図５は、基板５５２において２層の疎水性材料を形成する２セットのプリントヘッド５２４Ａおよび５２４Ｂを示すが、プリンタ５００の別の構成は、追加のプリントヘッドを使用して２層以上の疎水性材料を形成する。プリンタ５００は、基板５５２が印刷ゾーンに近づくときに基板５５２を加熱する基板ヒータ５２０を含む。プリンタ５００において、基板５５２は、基板５５２が印刷ゾーン内のプリントヘッド５２４Ａおよび５２４Ｂを通り過ぎるときに基板５５２を支持する回転支持ローラ５２８に係合する。支持ローラ５２８は、印刷過程の間に基板５５２の温度を所定の温度（たとえば、６０℃）に維持するためのヒータ５６２を含む。基板５５２はその後、矢印５３４が示すように印刷ゾーンを出て、装置１８０または２８０に入る。装置１８０または２８０は、一実施形態においてはプリンタ５００内に組み込まれる。別の実施形態において、装置１８０または２８０は、仕上げ、または、プリンタ５００による印刷後に行われる他の処理の間に基板４５２を受け取る。

図６は、装置１８０および２８０の機能を組み込んだインクジェットプリンタ６００の別の実施形態を示す。インクジェットプリンタは、イメージングドラム６０４と、トランスフィックスローラ６０８と、基板ヒータ６２０と、プリントヘッド６２４Ａおよび６２４Ｂと、クリーニングローラ６７４とを含む。イメージングドラム６０４はトランスフィックスローラ６０８に係合してニップ６０６を形成する。プリントヘッド６２４Ａおよび６２４Ｂは各々、相変化インクまたは他の疎水性材料の層を吐出して、イメージングドラム６０４の表面上に疎水性材料画像６４４を形成する。図４の実施形態と同様に、プリンタ６００は任意選択的に、追加の層の疎水性材料をイメージングドラム６０４上に形成するための追加のプリントヘッドを含むか、または、イメージングドラム６０４が、基板６４２を、ニップ６０６を通じて移動させる前に、１つまたは複数のプリントヘッドを通過する複数回の回転を遂行して、マルチパス印刷構成において多層印刷画像を形成する。

プリンタ６００において、イメージングドラム６０４は任意選択的に、イメージングドラム６０４がプリントヘッド６２４Ａおよび６２４Ｂを通過して回転するときにイメージングドラム６０４の表面を所定の温度（たとえば、６０℃）まで加熱するヒータ６１２を含む。プリンタ６００はまた、イメージングドラム６０４およびトランスフィックスローラ６０８をニップ６０６において、１，０００ＰＳＩ圧力レベルのような所定の圧力レベルで係合させる１つまたは複数の電気式、空気圧式、または液圧式アクチュエータをも含む。トランスフィックスローラ６０８は、トランスフィックスローラ６０８の表面を、ニップ６０６におけるイメージングドラム６０４の表面よりも高い温度まで加熱する別のヒータ６６２を含む。たとえば、一実施形態において、ニップ６０６におけるトランスフィックスローラ６０８の表面温度は約１００℃であり、一方でイメージングドラム６０４の表面温度は約６０℃〜７０℃である。

動作中、プリンタ６００は、装置１８０および２８０の構成と同様に、ニップ６０６における温度勾配を形成する。より低温のイメージングドラム６０４上の疎水性材料パターン６４４がニップ６０６における基板６４２の片面６４６に転写され、ニップ６０６における温度勾配が、疎水性材料６４４が基板６４２を通じてより高温のトランスフィックスローラ６０８に係合する面６５０に向かって浸透することを可能にする。プリント６００のこの構成において、トランスフィックスローラ６０８は装置１８０および２８０からのより高温の第１のローラとして機能し、イメージングドラム６０４は装置１８０および２８０内のより低温の第２のローラとして機能する。イメージングドラム６０４はニップ６０６を通じて回転し続けてクリーニングローラ６７４を通過し、クリーニングローラ６７４は、残存する相変化インクまたは他の疎水性材料をイメージングドラム６０４の表面から除去する。

インクジェットプリンタおよび上述の装置は、紙のような親水性基板上に疎水性材料の所定のパターンを形成して、流体チャネル、および、基板を通じた液体の拡散を制御する他の特徴を形成する。上述のように、化学分析デバイスは、疎水性材料によって形成される流体チャネルを有する基板を含む１クラスのデバイスの一例である。化学分析デバイスの選択される領域は、生物医学的試験デバイスとともに使用される試薬、触媒、指示薬、緩衝液などを含む様々な化学薬品を含む。いくつかの実施形態において、インクジェットプリンタは、疎水性材料が基板に加えられて流体チャネルが形成された後に、化学薬品を基板の種々の領域に加える。

図７は、プリントヘッド７２４Ａ〜７２４Ｃを有するインクジェットプリンタ７００の一実施形態を示す。図７の構成において、プリントヘッド７２４Ａ〜７２４Ｃの各々は、基板７４２から形成される生物医学的センサとして構成される化学分析デバイスとともに使用するための化学薬品を含む液滴を吐出する。別の構成において、プリンタは、異なる組み合わせの化学薬品を印刷するための異なる数のプリントヘッドを含むか、または、プリントヘッドの各々が、単一のプリントヘッドにおける異なるグループのインクジェットから異なるタイプの化学薬品を吐出することを可能にする複数の液体リザーバを有して構成される。基板７４２において、領域７４４は、実質的に基板７４２の厚さ全体に浸透して、領域７０４Ａ、７０４Ｂ、および７０４Ｃのような、基板７４２の露出領域によって吸収される液体に対するバリアおよび流体チャネルを含む疎水性構造を形成する疎水性材料から形成される。プリントヘッド７２４Ａ〜７２４Ｃは、１つまたは複数の選択される化学薬品を含む液滴を、基板７４２内の種々の露出領域上に吐出する。たとえば、プリントヘッド７２４Ａ〜７２４Ｃは、種々の化学薬品を有する液滴を、それぞれ、図７の構成にある領域７０４Ａ〜７０４Ｃ内に吐出する。液滴は、水、アルコール、または、溶液もしくは懸濁液として化学薬品を担持する別の溶媒のような担体化学薬品を含む。プリントヘッド７２４Ａ〜７２４Ｃを通過した後、液体担体は基板７４２から乾燥し、化学分析または生物医学的試験デバイスにおいて後に使用するための化学薬品が、基板７４２内に堆積されて残る。

図８は、堆積箇所、および、化学試薬が流体と反応する種々の箇所に流体を導くために基板内の疎水性材料から形成される流体チャネルを含む生物医学的試験デバイス８５０内の印刷パターンの一例を示す。基板１５２は、疎水性材料１４４から形成されるバリア８２４および８２８を含む。装置１８０は、バリア疎水性構造８２４および８２８内の疎水性材料が、面１５６と１６０との間の基板１５２の厚さを通じて浸透して流体チャネル８０８を完全に包囲することを可能にする。親水性基板１５２は流体試料を吸収し、流体は毛細管拡散によってチャネル８０８を通じて移動するが、バリア８２４および８２８は流体がチャネル８０８から出るのを妨げる。生物医学的検出デバイス８５０は、基板１５２と、流体の拡散を制御するために基板内に形成される疎水性バリアと、堆積部位８５４と、反応部位８５８および８６２のような反応部位のセットとを含む。動作中、流体試料は中心堆積部位８５４に堆積される。図８には示されていないが、流体試料が堆積部位８５４のみにおいて吸収されることを保証するために、一般的に、印刷デバイス８５０の上にマスク層が形成される。流体試料は、疎水性材料によって形成されるチャネルを通じて反応部位のアレイまで、親水性基板１５２を通じて伝播する。反応部位の各々は、基板１５２に埋め込まれている化学試薬を含む。化学試薬は、流体試料中の種々の化合物と反応し、色が変化するか、または、流体試料を分析するのに使用することができる別の指標を生成する。たとえば、堆積部位８５４内に置かれた単一の血液試料において、反応部位８５８は貧血症について試験し、一方で反応部位８６２はブドウ糖（血糖）レベルについて試験する。

図９は、疎水性材料を加え基板を通じて拡散させるための過程９００のブロック図を示す。過程９００は、例示を目的として、図１の装置１８０、図２の装置２８０、図３のニップおよび温度勾配の図解例、ならびに図８の生物医学的試験デバイス８５０に関連して説明される。

過程９００は、基板の表面上に疎水性材料を形成する任意選択の過程によって開始する（ブロック図９０４）。上述のように、一実施形態において、装置１８０がインクジェットプリンタ内に組み込まれ、インクジェットプリントヘッド１２４が、生物医学的試験デバイス８５０に示すパターンのような所定のパターンにおいて、疎水性材料の液滴を吐出する。基板搬送装置が白紙の基板をニップを通じて移動させ、疎水性材料が基板の印刷面に転写される。

過程９００は、疎水性材料を有する基板が、異なる温度まで加熱される２つのローラから形成されるニップを通過するものとして継続し、基板の白紙面がより高温のローラと係合し、疎水性材料を有する基板の面がより低温のローラと係合する（ブロック９０８）。図１において上記に示したように、一構成において、ヒータ１６２が第１のローラ１５４を１００℃まで加熱し、一方で、第２のローラ１５８は約６０〜７０℃のより低温のままである。代替的な構成において、ヒータ１６２は、第１のローラ１５４を７０℃〜１４０℃の上昇した温度まで加熱する。第２のローラ１５８は、ニップ１６６において温度勾配をもたらすために第１のローラ１５４よりも低い温度のままである。基板がニップ１６６を通じて移動すると、ローラ１５４と１５８との間の温度勾配に起因して、白紙面１６０がより高温まで加熱され、印刷面１５６がより低温まで加熱される。図３に示すように、疎水性材料は液化して基板１５２の厚さを通じて流れる。ニップ１６６における温度勾配によって、疎水性材料が、液体流のより大きい部分が印刷面１５６から基板内に白紙面１６０へと導かれる異方性方法で流れることが可能になって、基板１５２内の親水性材料を通じた流体の拡散を制御するバリアおよびチャネルが形成される。

過程９００は、疎水性流体チャネルバリアによって画定される親水性基板の領域に試薬または他の化学薬品を任意選択的に加えることによって継続する（ブロック９１２）。図７を参照して上記に示したように、インクジェットプリンタは、様々な化学薬品を含む液滴を、疎水性材料によって画定される基板の領域上に吐出することができる。単一の化学分析または生物医学的試験デバイスが、基板の異なる領域内に堆積されて、疎水性材料によって形成される流体チャネルによって互いから分離される複数の化学薬品を含むことができる。過程９００において、疎水性材料が基板に浸透することを可能にするために熱および圧力を加えることによって化学センサまたは生物医学的試験デバイスにおいて使用される多くの化学薬品との望ましくない反応を生じる場合があるため、化学薬品は、単一の基板上に吐出される複数の異なる化学薬品間の交差汚染を防止するために疎水性材料を用いて流体チャネルが形成された後、基板上に形成される。

Claims (10)

1. 基板内に疎水性材料を分散させるための装置であって、
   第１のローラと、
   前記第１のローラに係合してニップを形成するように構成されている第２のローラと、
   前記第１のローラに動作可能に接続されており、前記第１のローラを、前記第２のローラの第２の温度よりも高い第１の温度まで加熱するように構成されている第１のヒータと、
   前記第２のローラ上に所定のパターンで、疎水性材料の液滴を噴出するように構成された複数のインクジェットを有するプリントヘッドと、
   １２７ｍｍ毎秒の所定の線速度において少なくとも２回前記ニップを通じて基板を移動させることにより、前記第１のローラが前記基板の第１面と係合し、前記第２のローラが前記基板の第２の面に係合して、前記疎水性材料の所定のパターンが少なくとも２層堆積した堆積物を前記基板の第２の面に形成することができ、且つ前記第１のローラと前記第２のローラとの間の前記ニップにおける温度勾配に応答して前記基板の第２の面内に前記疎水性材料の所定のパターンが少なくとも２層堆積した堆積物を浸透させることができるように構成されている、基板搬送装置と
   を備え、前記基板は紙である、装置。
2. 前記疎水性材料はワックスを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記疎水性材料は相変化インクを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記基板搬送装置上で前記ニップの前に位置付けられ、前記基板を所定の温度まで加熱するように構成されている第２のヒータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記基板搬送装置は、前記第１のローラおよび前記第２のローラを前記所定の速度において回転させるように構成されているアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の温度は約７０℃〜１４０℃の範囲内である、請求項１に記載の装置。
7. 前記所定の速度は、前記基板の所定の部分が、約０．１秒〜１０秒の範囲内でニップ内に残ることを可能にする、請求項１に記載の装置。
8. 前記第２のローラは、所定の圧力で前記第１のローラに係合して、前記ニップが、前記疎水性材料に強制的に前記基板内に入るようにすることを可能にするように構成されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記所定の圧力は、約５，５１５，８０８Ｐａ〜２０，６８４，２８０Ｐａの範囲内である、請求項８に記載の装置。
10. 基板内に疎水性材料を分散させるための方法であって、
    第１のローラを第２のローラと係合させて、ニップを形成するステップと、
    前記第１のローラに動作可能に接続されている第１のヒータを用いて前記第１のローラを加熱して、前記第１のローラを、前記第２のローラの第２の温度よりも高い第１の温度まで加熱するステップと、
    プリントヘッドの複数のインクジェットを作動させて、前記第２のローラ上に疎水性材料の液滴を噴出し、前記第２のローラ上に前記疎水性材料の所定のパターンを形成するステップと、
    第１の面および第２の面を有する基板を、基板搬送装置を用いて１２７ｍｍ毎秒の所定の線速度において少なくとも２回ニップを通じて移動させることにより、前記第１のローラが前記基板の前記第１の面に係合し、前記第２のローラが前記基板の前記第２の面に係合して、前記疎水性材料の所定のパターンが少なくとも２層堆積した堆積物を前記基板の第２の面に形成し、且つ前記第１のローラと前記第２のローラとの間の前記ニップにおける温度勾配に応答して前記基板の第２の面内に前記疎水性材料の所定のパターンが少なくとも２層堆積した堆積物を浸透させるステップと
    を含み、前記基板は紙である、方法。
    
    

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