17.04.2023

Spiegel aus dem Tintenstrahldrucker

Günstiges Verfahren soll Eigenschaften flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen.

Teleskop, Lichtschranke, Kamera, Lasermess­technik oder Smartphone: In vielen Geräten und Systemen sorgen optische Filter dafür, dass abhängig von der Wellenlänge Licht reflektiert oder trans­mittiert wird. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie haben neue Materialien und eine neue Prozess­technik entwickelt, um solche Filter mit dem Tintenstrahl­drucker herzustellen. 

Abb.: Mit optischen Filtern aus dem Tintenstrahl­drucker lassen sich optische...
Abb.: Mit optischen Filtern aus dem Tintenstrahl­drucker lassen sich optische Eigenschaften präzise steuern. (Bild: LTI, KIT)

„Optische Spiegel und Filter werden überall gebraucht, wo mit Licht gearbeitet wird“, erläutert Uli Lemmer, Leiter des Licht­technischen Instituts (LTI) des KIT. „Gefertigt werden sie bislang jedoch in komplexen Vakuumanlagen, die viel Energie und Material verbrauchen und einen vergleichsweise niedrigen Durchsatz haben.“ Optische Filter bestehen aus vielen nanometer­dünnen, übereinander­liegenden Schichten, die aus zwei Materialien mit einer unterschiedlichen Dicke und einem unterschiedlichen Brechungsindex hergestellt werden. Bei herkömmlichen Produktions­verfahren wird das Material in großen Anlagen bei hohen Temperaturen großflächig aufgedampft – ein Prozess, der energie­intensiv ist und bei dem viel Material verloren geht.

Mit ihrem neuartigen im Rahmen des Exzellenz­clusters „3D Matter Made to Order“ entwickelten Verfahren wollen Lemmer und sein Team die Herstellungs­kosten senken und die Eigenschaften des Produkts flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen. Deswegen stellen die Forschenden die Inkjet Optical Filters (IJPOFs) im Tintenstrahldrucker her. Hierbei nutzen sie zwei unterschiedliche und speziell für diesen Prozess entwickelte Tinten. Die erste wird tropfenweise aufgedruckt, bis die Schicht die gewünschte Dicke hat. Dann wird das Material mittels UV-Licht ausgehärtet. Anschließend wird aus der zweiten Tinte die nächste Schicht nach dem gleichen Verfahren hergestellt. So entsteht der optische Filter aus dem Tintenstrahl­drucker Schicht für Schicht aus zwei Materialien, die abwechselnd zum Einsatz kommen.

„Eine Herausforderung ist es dabei, die Druck- und Trocknungs­parameter präzise zu bestimmen, vor allem aber die Schichtdicken passgenau zu variieren“, erklärt Lemmer. „Denn die Schichtdicke entscheidet darüber, welche Eigen­schaften der Filter hat.“ Das Verfahren eignet sich besonders für Spezial­anfertigungen, die in der Regel mit hohen Kosten verbunden sind, weil es für sie bislang keine effizienten Produktions­möglichkeiten gibt. Einen hohen Bedarf für die Filter aus dem Laserdrucker sehen die Forschenden unter anderem bei spektro­skopischen Verfahren in der Medizin, messtechnischen Geräten für die Chemieindustrie oder auch Teleskopen mit einem hohen Reflexions­grad, die eine große Fläche abdecken müssen.

Das neuartige Tinten­strahldruck-Verfahren nutzen die Wissenschaftler nicht nur zur Herstellung von optischen Filtern, sondern auch von dielektrischen Spiegeln. Diese Bragg-Spiegel kommen unter anderem in Kamera­systemen, Mikroskopen oder in Sensor­systemen zum Einsatz und leiten dort das Licht mit der richtigen Wellenlänge genau dorthin, wo es gebraucht wird. Mit Druck­verfahren gelingt es den Forschenden, Bragg-Spiegel aus Nanotinten auf unter­schiedlichen Oberflächen zu drucken. Die Filter haben einen ultrahohen Reflexions­grad von 99 Prozent und maß­geschneiderte optische Eigenschaften. Die Herstellungs­methode eignet sich sowohl für optische Komponenten im Mikrometer­bereich, zum Beispiel für Kameras, als auch für große Flächen wie Solarmodule. Gemeinsam mit seinen Promo­vierenden will Lemmer die innovative Techno­logie für die Herstellung einer neuen Generation von optischen Filtern und Spiegeln mit einer Ausgründung auf den Markt bringen.

KIT / JOL

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