Ein neues Verfahren zum Drucken von Spiegeln variabler Größe mit einem Reflexionsgrad von mehr als 99 %

Dielektrische Spiegel, auch Bragg-Spiegel genannt, reflektieren Licht nahezu vollständig. Sie eignen sich daher für verschiedene Anwendungen, wie Kamerasysteme und Sensorsysteme für Mikroskopie und Medizintechnik. Bisher werden solche Spiegel durch aufwendige Prozesse in teuren Vakuumanlagen hergestellt.

Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es nun erstmals gelungen, hochwertige Bragg-Spiegel mit Tintenstrahldruckern zu drucken. Dies könnte den Weg zur digitalen Fertigung individueller Spiegel ebnen. Die Forschungsergebnisse werden in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

Bragg-Spiegel werden hergestellt, indem mehrere dünne Materialschichten auf einen Träger aufgebracht werden. Der entstehende optische Spiegel reflektiert gezielt das Licht einer bestimmten Wellenlänge. Das Reflexionsvermögen eines Bragg-Spiegels hängt von den Materialien, der Anzahl der aufgebrachten Schichten und deren Dicke ab. KIT-Forscher haben sie erstmals auf unterschiedliche Träger gedruckt. Dies erleichtert die Produktion erheblich.

Tinten aus Nanopartikeln

„Es war eine große Herausforderung, geeignete Tinten zu entwickeln und einen zuverlässigen Prozess zur Herstellung mehrerer dünner Schichten zu etablieren“, sagt Professor Uli Lemmer vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, der das Projekt leitet, das Teil des „3D Matter Exzellenzcluster Made to Order“.

Die Bestandteile der Tinten müssen geeignete optische Eigenschaften aufweisen und löslich sein. Außerdem sollte jede Schicht möglichst homogen sein, um einen einheitlichen Schichtstapel zu erhalten. Der Druck muss präzise kontrolliert und die Ergebnisse reproduzierbar sein, um hervorragende optische Eigenschaften und eine hohe Reflektivität der Bragg-Spiegel zu gewährleisten.

Das Forschungsteam entschied sich für den Einsatz von Nanopartikeln. „Dank der rasanten Entwicklung der Nanochemie werden Nanopartikel billiger und vielfältiger“, sagt Lemmer. Als optische Komponenten der Tinten verwendete sein Team eine Mischung aus zwei verschiedenen Materialien, Titanoxid und Polymethylmethacrylat. Mit den Tinten gelang es den Forschern, optische Eigenschaften und Dicken der Schichten äußerst präzise herzustellen. „Wir haben mit nur zehn Doppelschichten eine sehr hohe Reflektivität von 99 % erreicht“, sagt Lemmer.

Drucken auf großen und kleinen Flächen

Das von den LTI-Forschern entwickelte Verfahren lässt sich auf kleinsten Flächen bis in den Bereich von wenigen Mikrometern anwenden und ermöglicht so die Fertigung optischer Komponenten für die Mikrosystemtechnik oder Kamerasysteme. Andererseits können große Flächen von einigen Quadratmetern für Solarmodule, Fassaden und Werbedisplays bedruckt werden.

Solche Spiegel wurden sogar auf flexible Kunststofffolien gedruckt. „Der vollständig digitale Prozess ermöglicht die Herstellung von Spiegelschichten, die genau auf die Anwendung abgestimmt sind. Das ist ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren“, sagt Lemmer.