Ultradünne Schichten aus Flüssigkristallen für neuartige optische Filter

BMBF-Forschungsprojekt „Chopin“ erforscht neues Verfahren: Blitzlichtverdampfung für direkt schaltbare Flüssigkristallfilme.

Aufgedampfte Flüssigkristallschicht zwischen angesprengten Bragg-Spiegeln. Bild: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik

08.12.15

BMBF-Forschungsprojekt „Chopin“

Optische Filter kommen in nahezu jeder anspruchsvollen optischen Anwendung zum Einsatz. Häufig werden diese Filtereigenschaften schaltbar benötigt. Entsprechende Elemente sind zwar verfügbar, jedoch muss es als ein Kuriosum angesehen werden, dass diese bis heute auf mechanisch bewegten Bauteilen beruhen. Dies führt zu diversen Einschränkungen, deren Anwendbarkeit, etwa im Hinblick auf die Baugröße, die Schaltgeschwindigkeit, die Robustheit und die Kosten.

Es wäre von Vorteil, wenn Filtermaterialien direkt schaltbar wären. Materialien die dafür in Frage kommen sind grundsätzlich seit langem bekannt. Zu diesen gehören beispielsweise Flüssigkristalle, wie man sie von LCD-Fernsehern her kennt. Obwohl für die Herstellung direkt schaltbarer Filter im Prinzip geeignet, stehen jedoch bisher keine Verfahren zur Verfügung, hinreichend dünne, qualitativ hochwertige Schichten aus Flüssigkristallen herzustellen.

Um als Interferenzfilter verwendet werden zu können, müssen Flüssigkristalle in Schichtdicken von etwa einem Viertel der optischen Wellenlänge, also 100 bis 200nm, hergestellt werden können. Im Vergleich dazu betragen die Dicken, wie sie bei den bekannten LCD-Fernsehern vorkommen, mehrere Mikrometer. Eine zusätzliche Herausforderung besteht in einer sehr guten Homogenität der Filme, die wenigstens 99% betragen muss.

Die Herstellung solche Filme ist aus der Flüssigphase nicht möglich. Typische Verfahren, mit denen solche Werte erreicht werden können, sind Niederdruck-Verdampfungsverfahren. Diese können jedoch nicht ohne weiteres auf technisch genutzte Flüssigkristalle angewendet werden, da es sich um vergleichsweise empfindliche Materialmischungen handelt. Gewöhnliche Verfahren schädigen entweder die Flüssigkristall-Moleküle, oder sie führen zur Entmischung der entsprechenden technischen Flüssigkristall-Formulierungen.

Das im September 2015 gestartete Forschungsprojekt „Chopin“ hat sich zum Ziel gesetzt, ein neues Verfahren zu erforschen, das die Abscheidung sehr dünner Flüssigkristallfilme erlaubt. Die in dem Projekt zu untersuchende Methode der Blitzlichtverdampfung soll schnell genug ablaufen, damit eine Entmischung vermieden wird, kommt jedoch mit vergleichsweise niederenergetischer Strahlung aus, so dass keine Schädigung der Moleküle zu befürchten ist.

Im Erfolgsfall würde die Machbarkeit solcher elektrisch schaltbaren Schichten und vor allem von mehrlagigen Schichtsystemen den Weg zu einer Vielzahl neuer Anwendungen ebnen und eine beträchtliche Einschränkung beim Design optischer Systeme beseitigen.

Das Projektakronym „Chopin“ steht für „Schaltbare optische Interferenzschichtsysteme mit dünnen Flüssigkristallschichten“. Das Vorhaben am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST läuft über zwei Jahre bis August 2017. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Chopin-Projekt im Rahmen der Initiative „Wissenschaftliche Vorprojekte“ mit rund 300.000 Euro.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Projekt Chopin (PDF)

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