Laserstrukturierung von PMMA- basierten Lichtleitern - Laser Magazin

Laserstrukturierung von PMMA-
basierten Lichtleitern
Glas und Silizium sind historisch gesehen aufgrund der schon in der Halbleiterindustrie
etablierten Technologien die bevorzugten Materialien für Oberflächenstrukturierung
im Nano- und Mikrometerbereich. Kunststoffe werden
jedoch immer häufiger eingesetzt, da sie viele der Herstellungsprozesse erheblich
vereinfachen und wirtschaftlicher machen. Zusätzlich stellen Kunststoffe
eine große Vielfalt an Eigenschaften und Formen bereit, die jeder Anwendung
speziell angepasst werden können.
Anfänglich wurden Mikrostrukturen in
Polymeroberflächen mittels computergesteuertem
(CNC) Fräsen (Strukturgröße
ca. 800 μm) hergestellt.
Heute steht eine breite Palette von
Technologien zur Oberflächenstrukturierung
zur Verfügung. Diese können
in zwei Klassen aufgeteilt werden: Die
Replikationstechniken und die direkten
Techniken, bei denen jedes Bauteil
individuell bearbeitet wird. Hierzu
gehört auch die Laserbearbeitung.
Diese Methode ist zur Bearbeitung
polymerer Werkstoffe vielversprechend,
da sie hochpräzise, schnell
und kontaktlos ist und somit eine
Alternative zu klassischen Oberflächentechniken
bietet. Zur Laserstrukturierung
können UV- oder CO 2-Laser
verwendet werden, die sich hauptsächlich
in der emittierten Wellenlänge
des Lichtes unterscheiden. CO 2-
Laser werden auch zum Schneiden
von Kunststoffen eingesetzt.
Die Oberflächenstrukturierung wird
durch Materialabtrag erreicht: Dort wo
der Laser auftrifft, wird der Kunststoff
quasi lokal 'verdampft'. Der zugrunde
liegende Mechanismus dieser so-
genannten Laserablation ist auf eine
komplexe Kombination von photochemischen
und photothermischen Prozessen
zurückzuführen: Einerseits
werden durch die direkte Photonenabsorption
einige der chemischen
Bindungen gebrochen, andererseits
werden während dieses Prozesses
andere Bindungen thermisch getrennt:
Die photothermisch stabileren Moleküle
werden in Bewegung versetzt;
deren kinetische Energie wiederum
kann Bindungen anderer Moleküle
gewissermaßen 'sprengen'. Die benötigte
Energie für die Ablation von Teflon
ist beispielsweise größer als die
für Polymethylmethacrylat (PMMA).
Somit ist PMMA ein Material, das einfach
mittels Laser bearbeitet werden
kann. Die Abtragsrate ist vom Molekulargewicht
und der genauen Polymerzusammensetzung
abhängig, das
Hauptabbauprodukt ist das Monomer
MMA, das zurückgewonnen werden
kann. Ein großer potenzieller Anwendungsbereich
von laserstrukturierten
PMMA-Platten liegt im Bereich der
Lichtleitplatten (engl. light guide plates)
für optoelektronische Flüssigkristallbildschirme
(engl. liquid
crystal display,
kurz LCD). Eine
Hauptkomponente
dieser Geräte
ist die sogenannte
Hinterleuchtungseinheit
(engl. back
light unit, kurz
BLU), die das notwendige
Licht für
das Flüssigkristall-
Panel (LCD) liefert,
um eine
gleichmäßige flä-
chenhafteBildausleuchtungsicher- LASERANWENDUNGEN
zustellen. Im bisherigen Aufbau wurden
in der BLU Leuchtstoffröhren
(engl. Cold Cathode fluorescent lamp,
kurz CCFL) verwendet. Diese werden
zunehmend durch Leuchtdioden
(engl. light emitting diode, kurz LED)
ersetzt, da LEDs heute relativ kostengünstig
in großer Stückzahl und guter
Qualität hergestellt werden können.
Außerdem arbeiten LEDs mit einer
deutlich verbesserten Energieeffizienz
im Vergleich zu CCFLs und werden
deswegen für den Einsatz in
Monitoren und Fernsehgeräten bevorzugt.
Es wird erwartet, dass bis in 5
Jahren ca. 80 % der jährlich produzierten
mehr als 200 Mio. LCD Fernsehgeräte
auf LED-Beleuchtung umgestellt
werden.
Der Einsatz von LEDs bringt auch große
Vorteile für das Design, da die Bautiefe
von BLUs um mehr als 50 % verringert
wird. Dies führt zu einer starken
Verschlankung des gesamten
Fernsehgeräts. Eine besonders reduzierte
Bautiefe wird durch das Kantenbeleuchtungsverfahren
(engl. edge-
oder side-lit-Verfahren) ermöglicht.
Dabei wird das Licht der LED über die
▲ Schematische Darstellung einer Hinterleuchtungseinheit
eines Flüssigkristallbildschirms.
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LASERANWENDUNGEN
Kante in eine Lichtleitplatte (engl.
Light Guide Plate, kurz LGP) eingebracht
und anschießend über die Vorderfläche
des Lichtleiters ausgekoppelt.
Für diesen Lichtleiter ist PLEXI-
GLAS ® das bevorzugte Material, da es
sich um ein hoch transparentes amorphes
Polymer handelt, das nur sehr
geringe Verluste durch interne Absorption
und Fresnel-Grenzflächenreflexionen
zeigt. Auf eine der Plattenseiten
wird zusätzlich ein Punktmuster
mit einem Gradientenverlauf durch
Siebdruckverfahren aufgebracht.
Dabei nimmt die Flächenbelegungsdichte
vom Rand zur Mitte hin deutlich
zu. Dieses Muster gewährleistet
eine gleichmäßige Lichtauskopplung
über die gesamte Fläche, was essentiell
für die Qualität einer Hinterleuchtungseinheit
ist. Das Siebdruckverfahren
stößt jedoch bei der Entwicklung
von dünneren und effizienteren Lichtleitern
an seine Grenzen. Insbesondere
die Größe der Einzelpunkte kann in
serientechnischen Verfahren 250 µm
nicht wesentlich unterschreiten. Das
Lichtauskopplungsverhalten durch
diese Art der Bedruckung lässt sich
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nicht wirkungsvollkontrollieren,
da an der
weißen Punktfarbe
eine LambertscheStreuung
stattfindet.
Mit der Laserstrukturierung
eröffnen sich andereMöglichkeiten:
So könnten
durch den Energieeintrag auf kleine
Flächen hochpräzise kleinste
Vertiefungen auf der Platte erzeugt
werden. Diese haben Dimensionen
von 250 µm und kleiner und sind somit
in extrem dünnen LCDs nicht mehr
sichtbar. Durch die eingebrachte Laserenergie,
die durch die Pulsdauer
und Laserleistung eingestellt wird,
und den Fokus des Laserlichtes lässt
sich die Geometrie der Oberflächenstrukturen
dem gewünschten Lichtauskopplungsverhalten
für die entsprechende
Applikation anpassen.
Über die Strahlgeometrie kann hier
die Form der Kavitäten beeinflusst
werden, die wiederum das Lichtlenkverhalten
im Lichtleiter maßgeblich
steuern.
Die gewünschte Homogenität der
Lichtauskopplung über die gesamte
Fläche des LGP wird sowohl über die
variierende Flächenbelegung des
Punktmusters als auch über die Mikrostruktur
der Punkte für die jeweilige
Bildschirmgröße eingestellt. Die Art
der Bearbeitung ist sehr präzise und
sauber, sodass exakte Geometrien
entstehen. Aufgrund der klar definier-
▲ Schematische Darstellung eines PMMA-basierten Lichtleiters
mit laserstrukturierten Vertiefungen in der Oberfläche für Kantenbeleuchtung.
▲ Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen eines laserstrukturierten PMMA-basierten
Lichtleiters in Seitenansicht (a) und Querschnitt (b)
ten Streubedingungen dieser Laserlöcher
werden so die optimale Struktur
und das effizienteste Punktmuster
mithilfe von Simulationen berechnet.
Dies vereinfacht eine Optimierung
der Lichtleiter ganz wesentlich.
Um eine nochmals verbesserte Ortsauflösung
und Reproduzierbarkeit
während der Oberflächenstrukturierung
zu erreichen, können (Ultra)Kurzpulslaser
von großem Vorteil sein.
Durch die erzeugten Strukturen, deren
Größenordnung dann im Sub-Mikrometerbereich
liegt, entstehen neuartige
Anwendungsmöglichkeiten für
PMMA in photonischen Applikationen
als Wellenleiter oder holografischer
Speicher. Während der Bearbeitung
mit ultrakurzen, hochintensiven Laserpulsen,
die auf das Material treffen,
wird die Substanz ionisiert. Somit entsteht
ein Plasma, wodurch der Festkörper
explosionsartig verdampft.
Durch die Tiefe der Oberflächenstrukturen
wird der Brechungsindex verändert,
was wiederum von Pulsenergie
und Anzahl der Pulse abhängig ist.
Somit lässt sich ein breites Spektrum
an unterschiedlichsten Bauelementen
herstellen, die nicht nur in der Optoelektronik
ihren Einsatz finden, wie
z. B. auch in Anti-Reflex-Strukturen auf
Mottenaugen-Prinzip, selbstreinigende
Oberflächen, Mikrofluidik-Kanalstrukturen
und transparenten Lichtleitern.
■ INFO
Autoren:
■ Dr. Alexander Laschitsch, Leiter des Industriesegments
Optically Functional Materials
im Bereich Business Development
des Geschäftsgebiets Acrylic Polymers bei
Evonik
■ Dr. Wojciech Pisula, Projektleiter 'Strukturierte
funktionale Obflächen' im Servicebereich
Verfahrenstechnik & Engineering
bei Evonik
Kontakt:
Alexander Laschitsch
Evonik Röhm GmbH
Kirschenallee · 64293 Darmstadt
Tel.: 06151 18-3687 · Fax: 06151 18-843687
E-Mail: alexander.laschitsch@evonik.com
www.evonik.de