Wissenschaft & Forschung
Licht 9 | 2021

Kosten sparen beim Lichtmanagement

Fraunhofer IPT entwickelt smarte Optiken mit Nanostrukturen

Rund ein Fünftel des weltweiten Energieverbrauchs entfällt auf die Beleuchtung. Gefragt sind deshalb smarte, kostengünstige Lichtmanagementsysteme. In solchen Systemen werden lichtlenkende Optiken verwendet, die über komplexe, dreidimensionale Oberflächenstrukturen verfügen. Ein neues Verfahren soll nun ihre Fertigung deutlich günstiger machen.

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Die Optiken von Lichtmanagementsystemen müssen das Licht je nach Bedarf lenken und streuen. Dazu werden die Optikoberflächen üblicherweise mit Nanostrukturen versehen. Zur Strukturierung kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. Im Forschungsprojekt »INTENSE« entwickelte ein Team des Fraunhofer IPT gemeinsam mit Projektpartnern einen neuen Prozess. Sie erstellten mithilfe eines Simulations-Programms eine digitale Nanostrukturvorlage. Mit einem am Fraunhofer IPT weiterentwickelten Algorithmus übersetzten sie diese digitale Masterstruktur in ein sogenanntes Phasenbild, auf dessen Basis sie mithilfe eines Spatial Light Modulators (SLM) eine reale 3D-Struktur erstellten.

Ein SLM ist eine spezielle Art der Interferenzlithographie. Das 3D-Phasenbild wird in reale dreidimensionale Strukturen übertragen, indem ein Laserstrahl aufgespalten wird und die Strahlen überlagert werden. Während der Laserstrahl bei der Interferenzlithographie nur wenige Male aufgespalten wird, kann der SLM durch die Vielzahl an Pixeln ein nahezu beliebiges Phasenbild erzeugen – der Laser wird je nach Komplexität des Bildes millionenfach geteilt. Die Überlagerung der Teilstrahlen sorgt für ein hochauflösendes Bild, mit dem sich selbst hochkomplexe dreidimensionalen Strukturen erzeugen lassen. Beide Verfahren haben den Vorteil, dass sich ganze Wafer auf einmal strukturieren lassen. Dadurch kann die Herstellung deutlich beschleunigt werden, und Kosten werden eingespart.

Abb.: Mit dem INTENSE-Verfahren lassen sich unterschiedliche Strukturen wie Mikropyramiden oder auch Schriftzüge in nur einem Belichtungsschritt erzeugen. Fraunhofer IPT
Abb.: Mithilfe von Optiken wird bei Interferenzlithographie und SLM die Form des Laserstrahls so angepasst, dass eine homogene Beleuchtung gewährleistet wird. Fraunhofer IPT

Das Phasenbild wird in echte dreidimensionale Strukturen übertragen, indem es mit dem SLM in die Oberfläche eines Polymers eingebracht wird. In ihrer Testumgebung strukturierten die Forschenden Flächen in der Größe zwischen einem Quadratmillimeter und einem Quadratdezimeter. Das Ergebnis sind komplexen Nanostrukturen, die mehrere Funktionen, etwa Streuung bei gleichzeitiger Lenkung, übernehmen können. Durch Spritzguss lassen sich die Optiken kostengünstig und in Serie herstellen. Auch die Kombination von SLM und klassischer Interferenzlithographie konnten die Forschenden erfolgreich testen. So können sowohl die kleinen Merkmalgrößen der Interferenzlithographie als auch die Formflexibilität des SLM gleichzeitig genutzt werden.

Weitere Informationen:

Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT, www.ipt.fraunhofer.de

Foto: Fraunhofer IPT

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Licht 9 | 2021

Erschienen am 25. November 2021