Forschung: Hochreflektierende Spiegel aus dem Drucker

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Forschung: Hochreflektierende Spiegel aus dem Drucker. (Bild: KIT)
Forschung: Hochreflektierende Spiegel aus dem Drucker. (Bild: KIT)

Dielektrische Spiegel, auch Bragg-Spiegel genannt, können Licht fast vollständig reflektieren. Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise in Kamerasystemen, in Mikroskopen, in der Medizintechnik oder in Sensorsystemen. Bisher mussten diese Spiegel in teuren Vakuumanlagen hergestellt werden. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben jetzt erstmals hochwertige Bragg-Spiegel mit einem Tintenstrahldrucker gedruckt. Das Verfahren könnte den Weg für die digitale Fertigung individueller Spiegel ebnen. Die Ergebnisse sind im Fachmagazin Advanced Materials erschienen.

Für den Bragg-Spiegel werden mehrere dünne Materialschichten auf einen Träger aufgetragen. Diese aus vielen dünnen Schichten bestehenden Spiegel bilden einen optischen Spiegel, der dafür sorgt, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt reflektiert wird. Die Reflektivität von Bragg-Spiegeln hängt vom Material, aber auch von der Anzahl der aufgetragenen Schichten und deren Dicke ab. Früher mussten Bragg-Spiegel unter Verwendung teurer Vakuumherstellungsanlagen hergestellt werden. Dem Karlsruher Team ist es erstmals gelungen, sie auf unterschiedlichen Medien zu drucken. Dies vereinfacht den Produktionsprozess.

„Es war eine große Herausforderung, geeignete Tinten zu entwickeln und einen zuverlässigen Prozess für die Multilayer-Herstellung zu etablieren“, sagt Professor Uli Lemmer vom Institut für Lichttechnik (LTI) des KIT, Projektleiter im Rahmen des Kompetenzzentrums „Auf Bestellung gefertigte 3D-Materie“.

Tinten aus Nanopartikeln

Die Bestandteile der Tinte müssen geeignete optische Eigenschaften aufweisen und außerdem löslich sein. Außerdem sollte jede Schicht so gleichmäßig wie möglich sein, um einen konsistenten Schichtstapel zu gewährleisten. Zudem muss der Druck exakt steuerbar und die Ergebnisse reproduzierbar sein, um die hervorragenden optischen Eigenschaften, also die hohe Reflektivität des Bragg-Spiegels, zuverlässig zu gewährleisten.

Das Team setzt auf Nanopartikel: „Durch die rasante Entwicklung der Nanochemie werden Nanopartikel immer günstiger und vielfältiger“, sagt Lemmer. Als optisch aktive Bestandteile der Tinte verwendete sein Team eine Mischung aus zwei verschiedenen Materialien, Titandioxid und Polymethylmethacrylat. Mit diesen Tinten konnten sie die optischen Eigenschaften und die Dicke einer Schicht mit äußerster Präzision per Tintenstrahl drucken. „Wir haben mit nur zehn Doppelschichten eine extrem hohe Reflektivität von 99 % erreicht“, sagt Lemmer.

Drucken auf großen und kleinen Flächen

Das von den LTI-Forschern entwickelte Fertigungsverfahren lässt sich auf wenige Mikrometer kleine Flächen übertragen, so dass beispielsweise optische Komponenten für die industrielle Mikrosystemtechnik oder für Kamerasysteme einfach hergestellt werden können. Andererseits können auch große Flächen wie Solarmodule, Fassadenelemente oder Werbescreens mit einer Fläche von mehreren Quadratmetern bedruckt werden. Spiegel können sogar auf flexible Kunststofffolie gedruckt werden. „Der volldigitale Herstellungsprozess ermöglicht die Herstellung von Spiegelschichten, die vollständig auf die Anwendung zugeschnitten sind. Das ist ein enormer Vorteil gegenüber bisherigen Herstellungsverfahren“, sagt Lemmer abschließend.

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