Smarte Optik Optiken mit Nanostrukturen sparen Beleuchtungskosten

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Beleuchtung von Fußballstadien, Gebäuden oder anderen Örtlichkeiten verschlingt rund ein Fünftel des Energiebedarfs. Lichtlenkende Optiken könnten für ein günstigeres Lichtmanagement sorgen.

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Gut 20 Prozent des globalen Energiebedarfs schluckt die Beleuchtungstechnik. Forschende am Fraunhofer-IPT in Aachen wollen mit smarten Optiken mit Nanostrukturen dagegen etwas tun.
Gut 20 Prozent des globalen Energiebedarfs schluckt die Beleuchtungstechnik. Forschende am Fraunhofer-IPT in Aachen wollen mit smarten Optiken mit Nanostrukturen dagegen etwas tun.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Ein gutes Lichtmanagementsystem gibt nach Aussage von Forschenden am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik (IPT) Licht nur dorthin ab, wo es auch benötigt wird. Es sollte gleichzeitig auch die Beleuchtungsintensität steuern. Die Optiken entsprechender Systeme müssen das Licht also je nach Bedarf lenken und streuen können. Dabei helfen Nanostrukturen auf den optischen Komponenten, heißt es weiter. Ein Spezialisten-Team am IPT entwickelte nun ein neues Verfahren, das die Fertigung von Lichtmanagementoptiken günstiger zulässt. Auch für die Mikrofluidik und zur Herstellung antibakterieller Oberflächen sei das Verfahren geeignet.

Multifuktionale optische Strukturen günstiger fertigen

Zur Strukturierung kommen normalerweise Ätzverfahren, laserbasierte Gravuren oder Abformprozesse, wie der Spritzguss oder das hocheffiziente Präzisionsblankpressen, zum Einsatz, so die Forschenden. Eine Alternative ist aber die lithographische Strukturierung. Im Forschungsprojekt „Intense“ entstand nun gemeinsam mit Projektpartnern ein neuer Prozess. Das Ergebnis sind komplexe Nanostrukturen, die gleich mehrere Funktionen, wie etwa die Lichtstreuung bei gleichzeitiger Lenkung, übernehmen können. Durch Spritzgießen in Kunststoff lassen sich die Optiken dann günstig in Serie herstellen, erklären die Aachener.

Drei Schritte müssen bis zum Ziel gegangen werden: Zunächst erstellt man per Simulationsprogramm eine digitale Vorlage der gewünschten Nanostruktur. Mithilfe eines am IPT weiterentwickelten Algorithmus übersetzt man die digitale Masterstruktur in ein sogenanntes Phasenbild. Auf Basis dieses Phasenbildes erstellten kann dann mithilfe eines Spatial Light Modulators (SLM, etwa räumlicher Lichtmodulator) eine reale 3D-Struktur erstellt werden, die in eine Kunststoffoberfläche eingebracht wird.

Hochaufgelöste Bilder von Nanostrukturen

Ein SLM, erklären Forschenden, ist eine spezielle Art der Interferenzlithographie. Beide übertragen zwar 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, was vor allem für periodisch angeordnete Strukturen bis 100 Nanometer ideal sei.

Während bei der bekannten Interferenzlithographie also nur wenige Phasenbilder geschaffen werden, kann der SLM durch die Vielzahl an Pixel ein nahezu beliebiges Phasenbildes erzeugen. Das bedeutet, der Laser wird je nach Komplexität des Bildes millionenfach geteilt. Die Überlagerung dieser vielen Teilstrahlen sorgt für ein hochauflösendes Bild, mit dem sich sogar hochkomplexe 3D-Strukturen erzeugen lassen. Beide Verfahren haben laut Aussage der Experten den Vorteil, dass sich ganze Wafer auf einmal strukturieren lassen. So könne die Herstellung deutlich beschleunigt werden. Die Kosten bisherigen werden dabei reduziert. Flächen zwischen einem Quadratmillimeter bis zu einem Quadratzentimeter können strukturiert werden. Die Flächen können auch verschiedene Strukturen gleichzeitig haben. Per Spritzguss oder Präzisionsblankpressen können sie in Serie abgeformt werden, heißt es weiter. Auch die Kombination aus SLM und Interferenzlithographie könne man sich vorstellen.

Biotechnologie und Medizin sollen zunächst profitieren

Nach den positiven Ergebnissen plant man, den Einsatz des SLM für die Optikherstellung weiter zu optimieren. Denn mit einer noch höheren Auflösung werde diese Alternative auch für biologische Anwendungen interessant. Dazu zähle etwa die Herstellung antibakterieller oder mikrofluidischer Strukturen. 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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