Schwerpunkte

Multifunktionale Nanostrukturen

Neuer Ansatz für Lichtmanagement

26. August 2021, 09:07 Uhr   |  Nicole Wörner

Neuer Ansatz für Lichtmanagement
© Fraunhofer IPT

Mithilfe von Optiken wird bei Interferenzlithographie und SLM die Form des Laserstrahls so angepasst, dass eine homogene Beleuchtung gewährleistet wird. Bild: Fraunhofer IPT

Lichtmanagementsysteme nutzen lichtlenkende Optiken mit komplexen 3D-Oberflächenstrukturen, um situativ den Beleuchtungsbedarf zu erkennen und darauf zu reagieren. Ein neues Fertigungsverfahren soll die Produktion der Optiken künftig deutlich kostengünstiger gestalten als bisher.

Ein gutes Lichtmanagementsystem gibt Licht nur dorthin ab, wo es tatsächlich benötigt wird und steuert gleichzeitig auch die Beleuchtungsintensität. Die Optiken solcher Systeme müssen das Licht je nach Bedarf lenken und streuen. Dazu werden die Optikoberflächen üblicherweise mit Nanostrukturen versehen, die das Licht in gewünschter Weise leiten.

Zur Strukturierung kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, beispielweise Ätzverfahren, laserbasierte Technologien oder replikative Verfahren wie der Spritzguss oder das moderne und hocheffi- ziente Verfahren des Präzisionsblankpressens, mit dem sich in kurzer Zeit hohe Stückzahlen herstellen lassen. Eine weitere Methode ist die lithographische Strukturierung einzelner Optiken mithilfe eines Lasers.Im Forschungsprojekt »INTENSE« hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT gemeinsam mit Projektpartnern einen neuen Prozess zur Herstellung von Optiken mit solchen Nanostrukturen für den Einsatz in Lichtmanagementsystemen entwickelt.

Das Ergebnis waren komplexe Nanostrukturen, die gleich mehrere Funktionen, etwa Streuung bei gleichzeitiger Lenkung, übernehmen können. Durch Spritzguss lassen sich die Optiken auch kostengünstig und in Serie herstellen.

Die Forscher gingen in drei Schritten vor: Zunächst erstellten sie mithilfe eines Simulationsprogramms eine digitale Nanostrukturvorlage. Mithilfe eines am Fraunhofer IPT weiterentwickelten Algorithmus übersetzten sie diese digitale Masterstruktur in ein sogenanntes Phasenbild. Auf Basis dieses Phasenbildes erstellten sie im dritten Schritt mithilfe eines Spatial Light Modulators (SLM) eine reale 3D-Struktur.

Mit dem INTENSE-Verfahren lassen sich unterschiedliche Strukturen wie Mikropyramiden oder auch Schriftzüge in nur einem Belichtungsschritt erzeugen
© Fraunhofer IPT

Mit dem INTENSE-Verfahren lassen sich unterschiedliche Strukturen wie Mikropyramiden oder auch Schriftzüge in nur einem Belichtungsschritt erzeugen.

Spatial Light Modulator für hochauflösende Bilder

Ein Spatial Light Modulator (SLM) ist eine spezielle Art der Interferenzlithographie. Beide übertragen ein 3D-Phasenbild in reale dreidimensionale Strukturen, indem ein Laserstrahl aufgespalten wird und die Strahlen überlagert werden. Allerdings wird der Laserstrahl bei der Interferenzlithographie nur wenige Male aufgespalten, womit sich vor allem periodische Strukturen mit Strukturgrößen bis zu 100 Nanometer erzeugen lassen.

Während bei der Interferenzlithographie nur wenige Phasenbilder realisiert werden können, kann der SLM durch die Vielzahl an Pixel ein nahezu beliebiges Phasenbild erzeugen, d.h. der Laser wird je nach Komplexität des Bildes millionenfach geteilt. Die Überlagerung dieser vielen Teilstrahlen sorgt für ein hochauflösendes Bild, mit dem sich selbst hochkomplexe dreidimensionale Strukturen erzeugen lassen. Beide Verfahren haben den Vorteil, dass sich ganze Wafer auf einmal strukturieren lassen. Das beschleunigt die Herstellung deutlich – und spart immens Kosten.

Flexible Strukturflächengrößen

Das Phasenbild wird in echte dreidimensionale Strukturen übertragen, indem es mit dem SLM in die Oberfläche eines Polymers eingebracht wird. In ihrer Testumgebung strukturierten die Forscher Flächen in der Größe zwischen einem Quadratmillimeter und einem Quadratdezimeter.

Das Ergebnis waren Oberflächen mit kombinierten Nanostrukturen, die nun für die Abformung in Spritzguss oder mittels Präzisionsblankpressen eingesetzt werden können. »Durch die Kombination aus Blazegitter und Diffusor konnten wir eine Kombination lichtmanipulierender Eigenschaften erzielen«, sagt Projektleiterin Cornelia Rojacher. »Damit lassen sich nun erstmals multifunktionale Oberflächen mit nur einem Herstellungsschritt erzeugen.«

Auch die Kombination von SLM und klassischer Interferenzlithographie konnten die Forscher erfolgreich testen. »Die Kombination der Verfahren ist interessant, weil auf diese Weise sowohl die kleinen Merkmalgrößen der Interferenzlithographie als auch die Formflexibilität des SLM gleichzeitig genutzt werden können«, erläutert Cornelia Rojacher.

SLM auch für Biotechnologie und Medizin geplant

Nach den positiven Ergebnissen planen die Forscher, den Einsatz des SLM weiter für die Optikherstellung zu optimieren. Denn mit einer noch höheren Auflösung wird die Technologie auch für biologische Anwendungen interessant, etwa zur Herstellung antibakterieller oder mikrofluidischer Strukturen. Durch eine reduzierte Formabweichung sollen die Strukturen noch kleiner und formgetreuer werden. Ein weiteres Ziel ist es, das Verfahren auch auf gekrümmte Oberflächen abzubilden, um beispielsweise Zellgerüste für die Differenzierung von Stammzellen herzustellen.

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