Lichterwelt im Mikrokosmos

Fernsehbildschirme werden immer flacher – manche sind schon fast so dünn wie ein Blatt Papier. Ihre Größe nimmt beeindruckende Dimensionen an, sehr zur Freude von Heimkino-Fans. Auch Handys und Laptops haben immer hellere und brillantere Displays. Zu verdanken sind all diese Entwicklungen kleinen Leuchtdioden – LEDs – die als Hintergrundbeleuchtung in einer Vielzahl von Geräten strahlen.

Doch die LED hat einen Nachteil: Sie ist eine Punktlichtquelle. Displays aber sind flächig. Wie also verteilt man das Licht einer LED gleichmäßig auf einer möglichst großen Fläche ohne viel Energieverlust? Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen entsteht derzeit eine einzigartige Maschine. Sie wird bald Lichtleitfolien herstellen, die dieses Problem lösen und das Licht flächig verteilen. Das Besondere daran: Die Folien haben Oberflächenstrukturen im einstelligen Mikrometerbereich und eine Größe von bis zu zwei mal ein Meter. Damit sind sie EU-weit die größten ihrer Art. Zudem lassen sie sich kostengünstig und energieeffizient in der Massenreproduktion herstellen.

Dazu haben die Forscher vom IPT eine Prozesskette entwickelt, mit der sie großflächige Folien mit den nötigen Mikrostrukturen versehen können. »Das ist ein ultrapräzises Verfahren«, sagt Dr. Christian Wenzel, Oberingenieur am IPT. Zielgenau muss die Maschine kleinste Strukturen von wenigen Mikrometern Größe in periodischer Abfolge auf die Oberfläche bringen. »Um den Stempel herzustellen, nutzen wir spezielle Diamantwerkzeuge«, erklärt Wenzel. Der Stempel besteht aus einer hauchdünnen Nickelfolie und ist selbst auch winzig: Seine Fläche beträgt höchstens zwei mal zwei Millimeter. Wie ein Nadeldrucker muss er nun, gelenkt von der Ultrapräzisionsmaschine, eine zwei mal einen Meter große Oberfläche bearbeiten. »Innerhalb weniger Tage haben wir so die Oberfläche durchstrukturiert. Mit bisherigen Verfahren hätte das Wochen und Monate gedauert«, sagt Wenzel. Das vorläufige Produkt ist der Master, eine transparente und optisch leitfähige Kunststoffplatte.

Um festzustellen, ob der mikrostrukturierte Master die gewünschten Eigenschaften hat, muss er zunächst anhand einiger Parameter geprüft werden. »Diese Aufgabe erledigt ebenfalls die Maschine«, sagt Wenzel. Sind etwa 80 Prozent der Oberfläche durchstrukturiert, testet die Maschine die Eigenschaften der Folie. Entsprechen sie nicht den Wünschen des Optikdesigns, kann die Maschine noch während des Prägeprozesses die nötigen Korrekturen vornehmen. »Wir optimieren das Bauteil also noch in der Maschine«, betont Wenzel die Vorzüge. Erst wenn die Kunststoffoberfläche die gewünschten Lichtleitfähigkeiten hat, tauchen die Ingenieure den Master in ein Nickel-Bad und galvanisieren ihn. Der so enstandene Nickel-Shim kann dann in die Massenreplikation gehen.

»Mit unserer Ultrapräzisionsmaschine sind wir in der Lage, eine ganze Palette von Systemen mit Hintergrundbeleuchtung herzustellen«, sagt Wenzel. Ganz gleich, ob für Displays, Beleuchtung in der Architektur oder Innenbeleuchtung im Auto: Fast jedes Optikdesign können die IPT-Forscher dank der Maschine umsetzen und an die Maschinentechnik anpassen – zuverlässig und vor allem effizient, also massentauglich.