Polymer-basierte photonische Kristalle mit durchstimmbarer Bandlücke
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ausgangspunkt des Projekts war die Frage, ob sich Quellen in lösungsmittelhaltigen Atmosphären als Mechanismus zur Durchstimmung optischer Komponenten aus quervernetzten Polymeren eignet. Dazu wurden verschiedene nanostrukturierte optische Komponenten (Beugungsgitter, photonische Kristalle) hergestellt und in eigens erstellten Laboraufbauten die optischen Auswirkungen des Quellens in gezielt eingestellten Atmosphären quantitativ gemessen. Als Materialien kamen dabei sowohl kommerzielle Silicon-Elastomere als auch von Kollegen aus der organischen Chemie speziell synthetisierte photoquervernetzbare optische Standardpolymere (Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA)) zum Einsatz. Mittels Interferenzlithographie gelang zunächst die dreidimensional-periodische Strukturierung einer 10 µm dünnen freitragenden Membran aus PMMA sowie der Nachweis ihrer Ausdehnung in allen drei Raumrichtungen in Gegenwart von Lösungsmitteln. Der Quell-Effekt konnte hierbei anhand der Beugungseffizienz von Laserlicht nachgewiesen werden. In einem zweiten Schritt wurden dünne (50 µm) freitragende Beugungsgitter aus Silicon-Elastomeren hergestellt, und zwar mit eindimensionaler und zweidimensionaler Periodizität. Ein speziell erstellten Laboraufbau erlaubte, den Partialdruck eines Lösungsmittels in der Umgebung des Gitters präzise zu messen und mit einer parallelen optischen Messung der Gitterperiode (über die Beugungswinkel) zu korrelieren. Die gemessenen Datensätze konnten durch das Flory-Huggins-Modell für das Polymer-Quellen erklärt werden. Es zeigte sich, dass der Quell-Effekt der Gitter vollkommen reversibel und reproduzierbar war. Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren nur qualitative Beobachtungen des Quellens von lateral nanostrukturierten optischen Komponenten, aber keine quantitativen Messungen berichtet worden. Das Quellen von optischen Komponenten aus quervernetzten Polymeren besitzt – entgegen dem ersten Anschein – in der Industrie enorme Bedeutung, und so etwa bei Anwendungen von Hochleistungs-LEDs und bei Zuverlässigkeitsaspekten solcher Systeme. Silicon-Elastomere, wie sie auch im Rahmen dieses Projekts verwendet wurden, stellen derzeit die einzigen optischen Polymere dar, die einer kombinierten Belastung durch Temperatur (120 °C) und kurzwelliges (420 nm) Licht hoher Intensität standhalten. Daher werden diese Materialien in Hochleistungs-LEDs für die Primäroptiken (Linsen) und für den Verguss der zur Konversion erforderlichen Phosphore eingesetzt. Wirtschaftlich bedeutende Anwendungsfelder von weißen Hochleistungs-LEDs sind der Automotive Bereich (Frontscheinwerfer, Tagfahrlicht) und die Straßenbeleuchtung. In beiden Fällen unterliegen die LEDs harschen Umgebungsbedingungen, die durch hohe Temperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie durch hohe Schadgaskonzentrationen charakterisiert sind, und dies sogar in zyklischen Belastungen. Aufgrund der Gasdurchlässigkeit und des Quellens der Polymere kann es daher im Einsatz zu merklichen Eigenschaftsänderungen (Verschiebung es Farborts, Änderung der Leuchtdichte), zu verstärkten Alterungseffekten oder gar zu Ausfällen kommen. Auch in der Allgemeinbeleuchtung geht der Trend hin zu immer höheren Lichtströmen und Lichtausbeuten. Diese können aber nur mit Konversionstechniken erreicht werden, für die nach gegenwärtigem Stand der Technik in Polymeren vergossene Phosphore verwendet werden. Prospektiv steht zu erwarten, dass künftig die Primäroptiken als nanostrukturierte optische Komponenten ausgeführt werden, um beispielsweise die Abstrahlcharakteristik nach Wunsch zu modifizieren oder die Extraktionseffizienz zu erhöhen. Zusammenfassend lässt sich daher sagen, dass das Quellen von optischen Komponenten aus quervernetzten Polymeren heute insbesondere für den LED-Bereich von großem Interesse ist, und zwar für Hochleistungs-LEDs, für Konversionslösungen mit Phosphor-Verguss, sowie für Polymer-Primäroptiken. Untersuchungen zum Quellen dieser Komponenten kommt zudem bei Fragen nach der Zuverlässigkeit, Stabilität und der Aufbau- und Verbindungstechnik optischer Systeme mit Polymer-Komponenten hohe Aufmerksamkeit zu.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Tuning of Elastomer Diffraction Gratings by Swelling in Solvents. Proceedings of the 3rd EOS Topical Meeting on Optical Microsystems, 27th-30th September 2009, Capri, Italy
Wolfgang Mönch, Christoph Schlägl, Yaxiu Sun, and Hans Zappe
-
Tunable photonic crystals on a freestanding polymer membrane. Journal of Micromechanics and Microengineering, 20 (2010) 015003 (6pp)
Yongjin Wang, Wolfgang Mönch, Bernd Aatz and Hans Zappe
-
Tunable solid-body elastomeric diffractive lens. Proceedings of Transducers 2011, Beijing, China (2011)
Yaxiu Sun, Simon Thiele, Peter Liebetraut, Wolfgang Mönch and Hans Zappe
