Smarte Optiken mit Nanostrukturen für kostengünstiges Lichtmanagement

Rund ein Fünftel des weltweiten Energieverbrauchs entfällt auf die
Beleuchtung. Ob in Fußballstadien, öffentlichen und privaten Gebäuden oder
Fahrzeugen – gefragt sind smarte, kostengünstige Lichtmanagementsysteme,
die den Beleuchtungsbedarf erkennen und darauf reagieren. In solchen
Systemen werden lichtlenkende Optiken verwendet, die über komplexe,
dreidimensionale Oberflächenstrukturen verfügen. Ein Team am Fraunhofer-
Institut für Produktionstechnologie IPT entwickelte nun ein neues
Verfahren, das die Fertigung von Lichtmanagement-Optiken deutlich
kostengünstiger macht. Auch in der Mikrofluidik und zur Herstellung
antibakterieller Oberflächen ist die Anwendung des Verfahrens möglich.

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
hocheffiziente Verfahren des Präzisionsblankpressens, mit dem sich in
kurzer Zeit hohe Stückzahlen herstellen lassen. Eine weitere Methode ist
die lithographische Strukturierung einzelner Optiken mit Hilfe eines
Lasers.

Optiken mit multifunktionalen Nanostrukturen zur Lichtlenkung und
-streuung

Im Forschungsprojekt »INTENSE« entwickelte ein Team des Fraunhofer IPT
gemeinsam mit Projektpartnern einen neuen Prozess zur Herstellung von
Optiken mit solchen Nanostrukturen für den Einsatz in
Lichtmanagementsystemen. Das Ergebnis am Ende des Projekts waren komplexen
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 Forscherinnen und Forscher gingen in drei Schritten vor: Zunächst
erstellten sie mithilfe eines Simulations-Programms 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.

Spatial Light Modulator (SLM) ermöglicht hochauflösendes Bild der
Nanostrukturen

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 Phasenbildes 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 dreidimensionalen Strukturen erzeugen lassen. Beide Verfahren
haben den Vorteil, dass sich ganze Wafer auf einmal strukturieren lassen.
Dadurch kann die Herstellung deutlich beschleunigt werden, und Kosten
werden eingespart.

Strukturflächen zwischen einem Quadratmillimeter und einem
Quadratdezimeter möglich

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 Forscherinnen und 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 dem. 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 Forscherinnen und 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.

Anwendung des SLM in der Biotechnologie und Medizin geplant

Nach den positiven Ergebnissen planen die Forscherinnen und 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 anti-bakterieller 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.