Optische Spiegel und Filter aus dem Tintenstrahldrucker

Verblüffend simpel: Ein deutsches Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, um maßgeschneiderte optische Spiegel und Filter mit dem Tintenstrahldrucker herzustellen. Die in Spektroskopen, Kameras oder bei der Lasermesstechnik eingesetzten Optiken können so günstiger und einfacher produziert werden als mit der herkömmlichen Aufdampfung oder Beschichtung. Möglich wird dies durch spezielle Tinten, die zu Schichten mit spezifischem Brechungsindex aushärten.

Ob Teleskop, Lichtschranke, Kamera, Lasermesstechnik oder Smartphone: In vielen Geräten und Systemen sorgen optische Filter dafür, dass Licht abhängig von seiner Wellenlänge reflektiert oder weitergeleitet wird. Typischerweise bestehen solche Optiken aus vielen nanometerdünnen Schichten mit unterschiedlicher Dicke und abweichendem Brechungsindex. Dies sorgt für die gezielte Reflexion, Passage oder Ablenkung nur bestimmter Wellenlängen des Lichts.

„Optische Spiegel und Filter werden überall gebraucht, wo mit Licht gearbeitet wird“, erläutert Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Gefertigt werden sie bislang jedoch in komplexen Vakuumanlagen, die viel Energie und Material verbrauchen und einen vergleichsweise niedrigen Durchsatz haben.“ In solchen Anlagen wird das Material für die optisch aktiven Schichten bei hohen Temperaturen großflächig aufgedampft.

So funktioniert das Optik-Drucken

Doch Lemmer und sein Team haben nun eine einfachere und sparsamere Methode entwickelt: SIe drucken die optischen Filter einfach mit dem Tintenstrahldrucker. Für ihre „Inkjet Optical Filters“ (IJPOFs) 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.“

Auch für Bragg-Spiegel geeignet

Das Tintenstrahldruck-Verfahren eignet sich aber nicht nur für optische Filter – auch dielektrische Spiegel, sogenannte Bragg-Spiegel, lassen sich damit herstellen. Diese Hightech-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 ihrem für solche Spiegel entwickelten Druckverfahren gelang es den Forschenden bereits, Bragg-Spiegel aus Nanotinten auf unterschiedlichen Oberflächen zu drucken. Die Filter haben für die gewünschten Wellenlängen einen ultrahohen Reflexionsgrad von 99 Prozent und maßgeschneiderte optische Eigenschaften. Wie das Team erklärt, eignete sich Herstellungsmethode sowohl für optische Komponenten im Mikrometerbereich wie beispielsweise Kameras, als auch für große Flächen wie Solarmodule.

Einen hohen Bedarf für die Filter aus dem Drucker 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 neu entwickelte Verfahren eignet sich dabei besonders für Spezialanfertigungen, die in der Regel mit hohen Kosten verbunden sind, weil es für sie bislang keine effizienten Produktionsmöglichkeiten gab.

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie