Ink-jet printing for additive manufacturing of optical waveguides on polymer foil substrates
Creators: name: Bollgrün, Patrick
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Ink-jet
Tintenstrahl
Drucken
Lichtwellenleiter
Optical Waveguides
Additive
Foils
Folien

description: Elektronik stößt immer öfter an die Grenzen der möglichen Band-breite und Anwendungskompatibilität. Um diese Grenzen zu überwinden, sind Lichtwellenleiter eine mögliche Alternative -- aber diese werden nach wie vor als individuelle Kabel verwendet, und erreichen noch nicht den Integrationsgrad, welcher in Herstellung und Anwendung bei Elektronik üblich ist. Hier ist eine Technologie nötig, welche die Herstellung integrierter Lichtwellenleiter auf planaren Substraten in einer technologisch und industriell sinnvollen Weise ermöglicht. In dieser Dissertation werden mehrere vielversprechende Technologien, welche diese Anforderungen erfüllen können, verglichen, und Tintenstrahldruck als vielversprechendste ausgewählt. Mehrere optisch transparente Tinten wurden untersucht -- zwei kommerziell verfügbare, lösungsmittelbasierte Tinten, und eine lösungsmittelfreie Formulierung, welche am Institut entwickelt wurde. Hier wird die für Tintenstrahldruck nötige Viskosität mittels einem Reaktivverdünner erreicht. Zwei der Tinten wurden zum Drucken von Linien verwendet, welche dann auf ihre lichtleitenden Fähigkeiten hin untersucht wurden. Das lösungsmittelfreie Material wurde für weitere Experimente ausgesucht, da es sich als geeigneter für das gewählte PMMA-Substrat herausstellte. Nachdem ungeschirmte Lichtleiter erfolgreich hergestellt werden konnten, wurden mehrere Konzepte für eine gedruckte untere und obere Mantellage evaluiert. Eine Ausführung mit tintenstrahlgedrucktem Kern, tintenstrahlgedruckter oberer Mantellage, aber der Substratfolie als untere Mantellage zeigte sich hier am geeignetsten. Testmuster unterschiedlicher Längen wurden hergestellt, und die Licht-leitungseigenschaften gemessen. Die Ergebnisse zeigen eine relativ hohe Dämpfung von 1.4 dB/cm, mit der Volumendämpfung der ge-wählten Tinte als Hauptursache. Anders als elektrische Leiterbahnen benötigen Lichtwellenleiter eine gewisse Höhe, um Licht zu führen und das Ein- und Auskoppeln zu ermöglichen. Mit Tintenstrahldruck ist diese Anforderung nicht leicht zu erfüllen, da mehrere übereinandergedruckte, flüssige Schichten die Tendenz haben, zu zerfließen, und sich auf dem Substrat auszu-breiten. Zwei Methoden, um das Verhalten der Tinten auf der Substratfolie zu steuern, wurden erarbeitet und untersucht: Thermisch induziertes Pinning, und die sogenannte $\textit{Lightplate}$. Die erste Methode nutzt Wärme und Zeit, um Pinning an der Kante einer gedruckten Linie zu erzeugen. Indem eine gewisse Zeit zwi-schen dem Drucken einzelner Schichten abgewartet wird, breitet sich die Kante einer gedruckten, mehrlagigen Linie weniger weit auf dem Substrat aus. Im Ergebnis zeigen nacheinander gedruckte Schichten ein höheres Aspektverhältnis. Die Zweite Methode, die $\textit{Lightplate}$, ist ein Gerät, bei der eine transparente Substratplatte verwendet wird, um UV-Licht durch Totalreflexion an der Oberfläche und metallischer Reflexion an den Kanten zu sammeln. Wenn ein Tropfen einer UV-polymerisierbaren Flüssigkeit auf der Oberfläche der $\textit{Lightplate}$ landet, wird die Totalreflexion gebrochen, und das Licht koppelt in den Tropfen ein, wo es eine Polymerisationsreaktion auslöst. Ein Prototyp wurde gebaut, um zu evaluieren, ob das Konzept fähig ist, die Form von gedruckten Strukturen zu beeinflussen. Polymerisation konnte gezeigt werden, ein Einfluss auf die Form allerdings nicht. Um den ersten Schritt zu einem Netzwerk von Lichtwellenleitern mit integrierten funktionalen Elementen zu machen, wurde eine Licht-quelle entwickelt. Nachdem das Konzept einer chipbasierten, wellenleiterintegrierten Diode wegen zu hoher Komplexität in Herstellung und der nötigen Versorgung mit elektrischem Strom auf dem Polymersubstrat verworfen wurde, trat eine viel einfachere Lösung hervor. Indem ein fluoreszentes Material auf gedruckte Lichtwellenleiter aufgebracht wurde, konnte eine Lichtquelle realisiert werden, die weder elektrische Energie noch präzise Ausrichtung benötigt. Tinten mit roten und blauen Fluorophoren wurden charakterisiert, und das rote Material wurde verwendet, um einen robusten Prototypen eines Lichtwellenleiters mit integrierter Lichtquelle vollständig mittels Tintenstrahldruck herzustellen.