20.09.2022

Digitale Fertigung maßgeschneiderter Spiegel

Bragg-Spiegel erstmals in hoher Qualität in Tintenstrahldrucker gefertigt.

Dielektrische Spiegel, auch Bragg-Spiegel genannt, können Licht fast vollständig reflektieren. Damit eignen sie sich für zahllose Anwendungen, etwa in Kamera­systemen, in der Mikroskopie, in der Medizin­technik oder in Sensorsystemen. Bisher mussten diese Spiegel aufwendig in teuren Vakuum­apparaturen hergestellt werden. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun erstmalig Bragg-Spiegel in hoher Qualität mit Tintenstrahl­druckern gedruckt. Das Verfahren könnte den Weg zu einer digitalen Fertigung von maßgeschneiderten Spiegeln eröffnen.

 

Abb.: Farbige, gedruckte Spiegel­schicht auf einer Folie. Der...
Abb.: Farbige, gedruckte Spiegel­schicht auf einer Folie. Der Tinten­strahl­druck erlaubt die Strukturierung, sodass auch groß­flächige Logos gedruckt werden können (Bild: Q. Jin, KIT)

Für Bragg-Spiegel werden mehrere Materialschichten dünn auf einen Träger aufgebracht. Diese Spiegel, die aus einer Vielzahl von dünnen Schichten bestehen, bilden einen optischen Spiegel, der dafür sorgt, dass Licht bestimmter Wellenlänge gezielt reflektiert wird. Wie stark Bragg-Spiegel reflektieren, hängt von den Materialien ab, aber auch davon, wie viele Schichten man aufbringt und wie dick diese sind. Bisher mussten Bragg-Spiegel mit kost­spieligen Vakuum-Produktions­anlagen hergestellt werden. Dem Karlsruher Team ist es erstmals gelungen, sie auf verschiedene Träger zu drucken. Damit lässt sich die Produktion erheblich vereinfachen.

„Es war eine große Herausforderung, geeignete Tinten zu entwickeln und ein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung mehrerer Schichten zu etablieren“, so  Uli Lemmer vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, der das Projekt im Rahmen des Exzellenz­clusters „3D Matter Made to Order“ leitet. Die Bestandteile der Tinten müssen passende optische Eigenschaften haben und außerdem löslich sein. Darüber hinaus sollte jede Schicht so gleichmäßig wie möglich sein, um einen einheitlichen Stapel an Schichten zu gewährleisten.

Außerdem muss sich der Druck genau steuern lassen und die Ergebnisse müssen reproduzierbar sein, um verlässlich hervorragende optische Eigenschaften, das heißt ein hohes Reflektions­vermögen der Bragg-Spiegel, zu garantieren. Das Forschungsteam setzte dabei auf Nanopartikel: „Aufgrund der rasanten Entwicklung in der Nanochemie werden Nanopartikel immer preiswerter und vielfältiger“, so Lemmer. Sein Team verwendete als optisch wirksame Bestandteile der Tinten einen Mix zweier unterschiedlicher Materialien, Titandioxid und Polymethyl­methacrylat. Mit diesen Tinten gelang es ihnen, die optischen Eigenschaften und die Dicke einer einzelnen Schicht mit extremer Präzision im Tintenstrahl­druck zu erzeugen. „Wir haben einen ultrahohen Reflektionsgrad von 99 Prozent mit nur zehn Doppelschichten erreicht“, sagt Lemmer.

Die von den Forschern am LTI entwickelte Herstellungs­methode kann einerseits auf sehr kleine Flächen bis hinab in Bereiche von einigen Mikro­metern angewendet werden, sodass zum Beispiel optische Komponenten für die Mikro­system­technik oder für Kamerasysteme einfach hergestellt werden können. Andererseits können auch große Flächen wie Solar­module, Fassaden­elemente oder Werbe­displays von einigen Quadratmetern bedruckt werden. Sogar auf flexible Kunststoff­folien konnten die Spiegel bereits gedruckt werden. „Das komplett digitale Herstellungs­verfahren erlaubt die Herstellung von Spiegel­schichten exakt angepasst auf die Anwendung. Dies ist gegenüber den bisherigen Fertigungs­verfahren ein immenser Vorteil“, so Lemmer.

KIT / DE

 

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