Am Karlsruher Instituts für Technologie KIT wurde ein kostengünstiges Tintenstrahldruck-Verfahren zur Herstellung von optischen Filtern und dielektrischen Spiegeln entwickelt. Denn bei herkömmlichen, energieintensiven Produktionsverfahren dampfen großen Anlagen das Material bei hohen Temperaturen großflächig auf.
Optische Filter bestehen aus vielen nanometerdünnen, übereinanderliegenden Schichten, die aus zwei Materialien mit einer unterschiedlichen Dicke und einem unterschiedlichen Brechungsindex hergestellt werden. „Optische Spiegel und Filter werden überall gebraucht, wo mit Licht gearbeitet wird“, erläutert Professor 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 aus dem Tintenstrahldrucker
Mit ihrem neuartigen im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ des KIT und der Universität Heidelberg als auch im Zuge eines Projekts der Baden-Württemberg Stiftung 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. UV-Licht härtet das Material anschließend aus. Daraufhin 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.
Passgenaue Produkte für Spezialanwendungen
Das am LTI entwickelte Verfahren eignet sich besonders für Spezialanfertigungen, die in der Regel mit hohen Kosten verbunden sind, weil es für sie bislang keine effizienten Produktionsmöglichkeiten gibt.
Eine Herausforderung ist es dabei, die Druck- und Trocknungsparameter präzise zu bestimmen, vor allem aber die Schichtdicken passgenau zu variieren. Denn die Schichtdicke entscheidet darüber, welche Eigenschaften der Filter hat.
Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts (LTI) des KIT
Einen hohen Bedarf für die Filter aus dem Laserdrucker sehen die Forschenden unter anderem bei spektroskopischen Verfahren in der Medizin, sowie messtechnischen Geräten für die Chemieindustrie. Der Einsatz eignet sich zudem bei Teleskopen mit einem hohen Reflexionsgrad, die eine große Fläche abdecken müssen.
Hochleistungsspiegel mit ultrahohem Reflexionsgrad
Das neuartige Tintenstrahldruck-Verfahren nutzen die Wissenschaftler vom LTI nicht nur zur Herstellung von optischen Filtern, sondern auch von dielektrischen Spiegeln. Diese Hightech-Spiegel, auch bekannt unter dem Namen „Bragg-Spiegel“, kommen unter anderem in Kamerasystemen, Mikroskopen oder in Sensorsystemen zum Einsat. Sie leiten dort das Licht mit der richtigen Wellenlänge genau dahin, wo es gebraucht wird. Mit ihrem entwickelten 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, 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 zum kommerziellen Erfolg führen.