Hochreflektierende Spiegel aus dem Tintenstrahldrucker

Farbige, gedruckte Spiegelschicht auf einer Folie. Der Tintenstrahldruck erlaubt die Strukturierung, sodass auch großflächige Logos gedruckt werden können (Foto: Qihao Jin, KIT; DOI: 10.1002/adma.202201348)
Foto: Qihao Jin, KIT

Dielektrische Spiegel, auch Bragg-Spiegel genannt, können Licht fast vollständig reflektieren.

Damit eignen sie sich für zahllose Anwendungen, etwa in Kamerasystemen, in der Mikroskopie, in der Medizintechnik oder in Sensorsystemen. Bisher mussten diese Spiegel aufwendig in teuren Vakuumapparaturen hergestellt werden. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun erstmalig Bragg-Spiegel in hoher Qualität mit Tintenstrahldruckern gedruckt. Das Verfahren könnte den Weg zu einer digitalen Fertigung von maßgeschneiderten Spiegeln eröffnen. Die Ergebnisse erschienen in Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202201348).

Für Bragg-Spiegel werden mehrere Materialschichten dünn auf einen Träger aufgebracht. Diese Spiegel, die aus einer Vielzahl von dünnen Schichten bestehen, bilden einen optischen Spiegel, der dafür sorgt, dass Licht bestimmter Wellenlänge gezielt reflektiert wird. Wie stark Bragg-Spiegel reflektieren, hängt von den Materialien ab, aber auch davon, wie viele Schichten man aufbringt und wie dick diese sind. Bisher mussten Bragg-Spiegel mit kostspieligen Vakuum-Produktionsanlagen hergestellt werden. Dem Karlsruher Team ist es erstmals gelungen, sie auf verschiedene Träger zu drucken. Damit lässt sich die Produktion erheblich vereinfachen.

Tinten aus Nanopartikeln

„Es war eine große Herausforderung, geeignete Tinten zu entwickeln und ein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung mehrerer Schichten zu etablieren“, so Professor Uli Lemmer vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, der das Projekt im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ leitet. Die Bestandteile der Tinten müssen passende optische Eigenschaften haben und außerdem löslich sein. Darüber hinaus sollte jede Schicht so gleichmäßig wie möglich sein, um einen einheitlichen Stapel an Schichten zu gewährleisten. Außerdem muss sich der Druck genau steuern lassen und die Ergebnisse müssen reproduzierbar sein, um verlässlich hervorragende optische Eigenschaften, das heißt ein hohes Reflektionsvermögen der Bragg-Spiegel, zu garantieren. Das Forschungsteam setzte dabei auf Nanopartikel: „Aufgrund der rasanten Entwicklung in der Nanochemie werden Nanopartikel immer preiswerter und vielfältiger“, so Lemmer. Sein Team verwendete als optisch wirksame Bestandteile der Tinten einen Mix zweier unterschiedlicher Materialien, Titandioxid und Polymethylmethacrylat. Mit diesen Tinten gelang es ihnen, die optischen Eigenschaften und die Dicke einer einzelnen Schicht mit extremer Präzision im Tintenstrahldruck zu erzeugen. „Wir haben einen ultrahohen Reflektionsgrad von 99 Prozent mit nur zehn Doppelschichten erreicht“, sagt Lemmer.

Drucken auf großen und kleinen Flächen

Die von den Forschenden am LTI entwickelte Herstellungsmethode kann einerseits auf sehr kleine Flächen bis hinab in Bereiche von einigen Mikrometern angewendet werden, sodass zum Beispiel optische Komponenten für die Mikrosystemtechnik oder für Kamerasysteme einfach hergestellt werden können. Andererseits können auch große Flächen wie Solarmodule, Fassadenelemente oder Werbedisplays von einigen Quadratmetern bedruckt werden. Sogar auf flexible Kunststofffolien konnten die Spiegel bereits gedruckt werden. „Das komplett digitale Herstellungsverfahren erlaubt die Herstellung von Spiegelschichten exakt angepasst auf die Anwendung. Dies ist gegenüber den bisherigen Fertigungsverfahren ein immenser Vorteil“, so Lemmer.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: https://www.kit.edu/kit/presseinformationen.php

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Regina Link, Pressereferentin, Tel.: +49 721 608-41158, E-Mail: regina.link@kit.edu

Originalpublikation:

Q. Zhang, Q. Jin, Q. A. Mertens, C. Rainer, R. Huber, J. Fessler, G. Hernandez-Sosa, U.Lemmer, “Fabrication of Bragg Mirrors by Multilayer Inkjet Printing”. Advanced Materials 34, 2201348 (2022). DOI: 10.1002/adma.202201348

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202201348

Weitere Informationen:

Details zum KIT-Zentrum Materialien: https://www.kit.edu/themen/materialien.php

Media Contact

Monika Landgraf Strategische Entwicklung und Kommunikation - Gesamtkommunikation
Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Artikel über die Materialentwicklung und deren Anwendungen, sowie über die Struktur und Eigenschaften neuer Werkstoffe.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Multifunktionales Werkzeug für Antifouling-Beschichtungen

– niederenergetischer Elektronenstrahl. Mit der Elektronenstrahltechnologie können Oberflächen zuverlässig behandelt und funktionalisiert werden. Jetzt gelang am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP die Erzeugung von Antihaftbeschichtungen auf Kunststofffolien…

Industrielle Produktion mit KI optimieren

Karlsruher Forschungsfabrik: Immer kürzere Produktlebenszyklen und volatile Märkte zwingen Unternehmen, qualitativ hochwertige Produkte schnell mit neuen, unreifen Prozessen herzustellen. Vergleichbar mit einer Software, die während der Anwendung durch Updates stetig…

Mechanismus für Internet-Sicherheit gebrochen

Das Team der ATHENE-Wissenschaftlerin Prof. Dr. Haya Shulman hat einen Weg gefunden, wie einer der grundlegenden Mechanismen zur Absicherung des Internet-Verkehrs ausgehebelt werden kann. Der Mechanismus, genannt RPKI, soll eigentlich…

Partner & Förderer