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Projekte - Detailansicht

B01 - Flexo- und Tintenstrahl-Drucken von Multimode-Wellenleitern

Leitung:Prof. Overmeyer und Prof. Korvink
Bearbeitung:Tim Wolfer und Patrick Bollgrün
Laufzeit:2013-2016
Förderung durch:DFG

Um Licht durch ein planares optronisches System zu führen, benötigt man Lichtwellenleiter. Während in anderen Fällen Glas als Material verwendet wird (daher die Bezeichnung Glasfaser), werden im Forschungsprojekt PlanOS speziell angepasste Polymermaterialien verwendet.

Der gesamte Projektbereich B beschäftigt sich mit der Herstellung von Lichtwellenleitern verschiedener Größen. Teilprojekt B01 hat hierbei die Herstellung von vergleichsweise breiten Wellenleiterstrukturen (etwa 1 Haardurchmesser) zur Aufgabe. Lichtwellenleiter mit dieser Breite können viel Licht führen und bilden deshalb die Basis für das optronische System. Für die Herstellung kommen zwei Techniken zum Einsatz: Für großflächige Folien der Flexodruck, für kleinere Abschnitte der Tintenstrahldruck.

Tintenstrahldruck

Bei der Herstellung von Lichtwellenleitern ist es von zentraler Bedeutung, dass die Oberflächen der Strukturen von optischer Qualität, d.h. sehr glatt, sind. Zu große Rauigkeiten der Oberflächen führen dazu, dass der Lichtstrahl nicht sauber in dem Wellenleiter geführt, sondern in die Umgebung gestreut wird. Beim Tintenstrahldruck werden kleinste Mengen (wenige Picoliter) einer Flüssigkeit Tropfen für Tropfen auf eine Oberfläche aufgebracht. Nach dem Auftreffen haben die Tropfen Zeit, sich zu einer zusammenhängenden Struktur mit perfekt glatter Oberfläche zusammenfügen, wie sie auch ein Regentropfen zeigt. Deshalb ist diese Herstellungstechnologie sehr gut geeignet für die Herstellung von Lichtwellenleitern. Sobald das Material auf dem Substrat zur Ruhe kommt, kann die Tinte durch Wärme getrocknet werden, oder die Molekülstruktur des Materials wird durch UV-Strahlung so verändert, dass es härtet.

Da die einzige Bedingung an die Herstellungstechnologie die passende Viskosität ist, können vielerlei Materialien per Tintenstrahldruck verarbeitet werden, sofern sie in flüssiger Form verfügbar sind. Außerdem sind nur geringe Mengen einer Tinte nötig, um den Druckprozess zu beginnen, das erleichtert die Arbeit im experimentellen Stadium, wo oft nur geringe Tintenmengen zur Verfügung stehen. Allerdings basiert die Technik auf dem Ausstoß vieler einzelner Tropfen nacheinander. Obwohl dies sehr schnell geschieht (mehrere tausend Tropfen pro Sekunde), ist die Herstellungstechnologie vergleichsweise langsam. Für die Herstellung großflächiger Strukturen ist deshalb eine andere Herstellungstechnik geeigneter.

Flexodruck

Um eine kostengünstige Produktion von planaren optronischen Systemen mit hohem Durchsatz zu ermöglichen, erfolgt die Anwendung des Flexodrucks. Die Idee ist, dass mittels Flexodruck ein Großteil der optischen Strukturen erzeugt wird, die anschließend mittels Tintenstrahldruck individuell ergänzt werden. Auf diese Weise nutzt man eine Kombination der Stärken beider Druckprozesse.

Der Flexodruck ist ein Hochdruckverfahren, das üblicherweise für das Bedrucken von Verpackungen eingesetzt wird. Eine Druckplatte, die auf einem Zylinder aufgespannt ist, funktioniert dabei ähnlich wie ein Stempel. Die erhabenen Strukturen, die entsprechend des gewünschten Druckmotivs strukturiert wurden, werden zunächst mit Lack benetzt. Das anschließende Abrollen hinterlässt dann die gewünschte Beschichtung mit Lack auf dem Substrat. In letzter Zeit wurde die Möglichkeit untersucht, elektronische Schaltungen drucktechnisch herzustellen. In diesem Teilprojekt wird der Flexodruck nun verwendet, um zusätzlich die Realisierung optischer Funktionen zu erforschen.

Der Flexodruck bietet die Vorteile, dass der Prozess einen sehr großen Durchsatz hat (bis zu 15.000 Bögen pro Stunde) und dadurch sehr niedrige Kosten pro Bogen realisiert werden können. Zudem stehen Flexodruck-Maschinen weltweit in großer Stückzahl zur Verfügung, so dass ein erprobter Produktionsprozess industriell realisierbar wäre.

Nachteilig ist im Vergleich zum Tintenstrahldruck, dass für den Druckprozess strukturierte Druckplatten benötigt werden. Dadurch ist die Variabilität des Prozesses geringer, da für eine Änderung des Druckmotivs eine neue Druckplatte erstellt werden muss. Zudem steht bei derzeitigen Prozessen noch nicht die benötigte Auflösung zur Verfügung, um die geringen Strukturbreiten der Lichtwellenleiter zu realisieren.

Die Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Realisierung von Lichtwellenleitern, die eine geringe Dämpfung haben und die Anforderungen der Partnerprojekte erfüllen. Hierzu erfolgt beispielsweise eine Auswahl und Anpassung von flüssigen Polymeren, die mit UV-Licht ausgehärtet werden. Ebenso wird erforscht, wie eine hohe Auflösung und die gewünschte Querschnittsform der Lichtwellenleiter erzeugt werden können.

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