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Organische Sensoren machen Kameras lichtempfindlicher: Bildsensoren aus der Sprühdose

22.01.2013
Wissenschaftler der Technischen Universität München haben eine neue Generation von Bildsensoren entwickelt: Sie sind lichtempfindlicher als herkömmliche Silizium-Sensoren, dabei ist ihre Herstellung einfach und kostengünstig.

Sie bestehen aus elektrisch leitenden Kunststoffen, die als hauchdünner Film aufgesprüht werden. Die chemische Zusammensetzung der Kunststoff-Schicht lässt sich zudem gezielt verändern, so dass auch unsichtbare Bereiche des Lichtspektrums abgedeckt werden können. Der nächste Schritt: Günstige Infrarotlicht-Sensoren für Kompaktkameras oder Smartphones (Nature Communications).

Bildsensoren sind das Herzstück jeder Digitalkamera. Bevor ein Schnappschuss auf dem Display erscheint, wandeln sie das Licht aus dem Objektiv in elektrische Signale um. Daraus berechnet der Bildprozessor das fertige Foto.

Viele Kompakt- und Handykameras arbeiten mit siliziumbasierten Bildsensoren, die mit CMOS-Technologie (complementary metal oxide semiconductor) hergestellt sind. Prof. Paolo Lugli und Dr. Daniela Baierl von der Technischen Universität München (TUM) haben ein Verfahren entwickelt, um diese CMOS-Sensoren auf günstige Weise leistungsfähiger zu machen. Dazu setzen sie auf einen hauchdünnen Film aus organischen Verbindungen, also aus Kunststoffen.

Aufgebracht wird die Kunststoff-Lösung auf die Oberfläche der Bildsensoren. Die Wissenschaftler haben Rotations- und Sprühverfahren getestet, um den Kunststoff in seiner flüssigen, gelösten Form präzise und kostengünstig aufzubringen. Nur wenige hundert Nanometer dünn und ohne Makel muss der Kunststoff-Film sein. Als beste Lösung hat sich die Sprühbeschichtung erwiesen, ob mithilfe eines einfachen Farbsprühgerätes oder eines Sprühroboters.

Dünne Schicht mit hoher Lichtempfindlichkeit

Im Test haben die organischen Sensoren bereits ihre Überlegenheit bewiesen: Sie sind bis zu dreimal lichtempfindlicher als herkömmliche CMOS-Sensoren, bei denen elektronische Bauteile einen Teil der Pixel und damit der lichtaktiven Siliziumfläche verdecken.

Bei der Herstellung der organischen Sensoren entfällt die sonst übliche, teure Nachbearbeitung des CMOS-Sensors, z.B das Aufbringen von Mikrolinsen zur Verstärkung des Lichteinfalls. Jeder Pixel wird vollständig, inklusive seiner Elektronik, mit der flüssigen Kunststoff-Lösung besprüht und erhält so eine zu 100 Prozent lichtempfindliche Oberfläche. Für den Einsatz in Kameras sind die organischen Sensoren auch durch ihr geringes Bildrauschen und die hohe Bildrate gut geeignet.

Potenzial für günstige Infrarot-Sensoren

Ein weiterer Vorteil des Kunststoff-Sensors: Je nachdem, welche chemischen Verbindungen verwendet werden, ändert sich das erfassbare Lichtspektrum. Eine Mischung der Polymere PCBM und P3HT eignet sich, um sichtbares Licht aufzufangen. Andere organische Verbindungen, zum Beispiel Squarainfarbstoffe, sind hingegen empfindlich für nahes Infrarotlicht.

„Mit geeigneten organischen Verbindungen können wir neue Anwendungsgebiete erschließen, die bislang mit hohen Kosten verbunden waren“, erklärt Prof. Paolo Lugli, der den TUM-Lehrstuhl für Nanoelektronik inne hat. „Mit organischen Infrarot-Sensoren lassen sich künftig zum Beispiel Nachtsicht-Fahrassistenten ausstatten, aber auch ganz normale Kompakt- oder Handykameras. Bislang fehlen dafür auf dem Markt aber noch die geeigneten Polymere.“

Publikation:
Daniela Baierl, Lucio Pancheri, Morten Schmidt, David Stoppa, Gian-Franco Dalla Betta, Giuseppe Scarpa, Paolo Lugli, 2012: A hybrid CMOS-imager with a solution-processable polymer as photoactive layer, Nature Communications, doi:10.1038/ncomms2180

http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n10/full/ncomms2180.html

Kontakt:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Nanoelektronik
Prof. Paolo Lugli
T: +49 (0) 89 289 25333
E: lugli@tum.de
W: www.nano.ei.tum.de
Pressemitteilung und Bildmaterial im Web:
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/30292/
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 480 Professorinnen und Professoren, 9.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und 32.000 Studierenden eine der führenden technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunktfelder sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften, Medizin und Wirtschaftswissenschaften. Nach zahlreichen Auszeichnungen wurde sie 2006 und 2012 vom Wissenschaftsrat und der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Exzellenzuniversität gewählt. In nationalen und internationalen Vergleichsstudien rangiert die TUM jeweils unter den besten Universitäten Deutschlands. Die TUM ist dem Leitbild einer forschungsstarken, unternehmerischen Universität verpflichtet. Weltweit ist die TUM mit einem Forschungscampus in Singapur sowie Niederlassungen in Peking (China), Brüssel (Belgien), Kairo (Ägypten), Mumbai (Indien) und Sao Paulo (Brasilien) vertreten.

Prof. Paolo Lugli | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de
http://www.nano.ei.tum.de

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