Hochreflektierende Spiegel aus dem Tintenstrahldrucker

Der Spiegel lügt nicht, heißt es. Um allerdings ein verzerrungsfreies Abbild zu erreichen, ist bei der Spiegelherstellung einiges an Aufwand und Know-how vonnöten. Historisch ging es wahrscheinlich vor fünf Jahrtausenden los – auf der Grundlage von polierten Metallen. Anders als bei modernen Haushaltsspiegeln ist hier der reflektierende Bereich die Vorderseite. Man spricht von Oberflächenspiegeln. Der Spiegel an der Garderobe oder im Bad hingegen wird bekanntlich durch die Beschichtung der Rückseite erzeugt. Der Vorteil ist hierbei der Schutz der hauchdünnen aufgedampften Schicht. Nachteilig ist dabei im Prinzip, dass das Licht die Glasschicht gleich zweimal passieren muss. Es gibt beispielsweise mit Kamerasystemen, medizintechnischen Geräten oder Sensorsystemen zahlreiche Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, dass das auftreffende Licht möglichst vollständig reflektiert wird. Hierfür verwendet man dielektrische Spiegel – auch Bragg-Spiegel genannt. Bislang musste man sie aufwendig in teuren Vakuumapparaturen herstellen. Das könnte sich dank aktueller Forschungsergebnisse des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) bald ändern.

Bragg-Spiegel in hoher Qualität aus dem Tintenstrahldrucker

Zur Herstellung von Bragg-Spiegeln bringt man mehrere Materialschichten dünn auf einen Träger auf. Wie stark Bragg-Spiegel reflektieren, hängt von den Materialien ab, aber auch davon, aus wie vielen Schichten er aufgebaut ist und wie dick die Schichten sind. Dem Karlsruher Team ist es jetzt erstmals gelungen, sie in hoher Qualität mit Tintenstrahldruckern zu produzieren. Durch das Verfahren ließen sich künftig sehr viel einfacher maßgeschneiderte Spiegel fertigen.

„Es war eine große Herausforderung, geeignete Tinten zu entwickeln und ein zuverlässiges Verfahren zur Herstellung mehrerer Schichten zu etablieren“, erläutert 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 löslich sein. Die Schichten wiederum sollten so gleichmäßig wie möglich sein, um den Aufbau eines einheitlichen Stapels zu garantieren. Das Forschungsteam setzte auf Nanopartikel: „Aufgrund der rasanten Entwicklung in der Nanochemie werden Nanopartikel immer preiswerter und vielfältiger“, so Lemmer. Er und sein Team verwendeten als optisch wirksame Bestandteile der Tinten einen Mix zweier unterschiedlicher Substanzen: Titandioxid und Polymethylmethacrylat. Mit ihnen gelang es, 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 neu entwickelte Herstellungsmethode ist äußerst vielseitig. Sie kann auf kleine Flächen angewendet werden, bis hinab in Bereiche von einigen Mikrometern. Das ist zum Beispiel wichtig für optische Komponenten in der Mikrosystemtechnik oder für Kamerasysteme. Ebenso lassen sich große Flächen wie Solarmodule, Fassadenelemente oder Werbedisplays von mehreren Quadratmetern bedrucken. Selbst flexible Kunststofffolien konnten die Forschenden des LTI bereits erfolgreich bedrucken. „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.

Die genauen Ergebnisse sind erschienen in Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202201348).

Weitere Informationen:
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
www.kit.edu

Bildhinweis:
Das Titelbild zeigt eine farbige, gedruckte Spiegelschicht auf einer Folie. Der Tintenstrahldruck erlaubt die Strukturierung, sodass auch großflächige Logos gedruckt werden können. (Foto: Qihao Jin, KIT)