INVISIBLE

Im Rahmen des Projekts wurde eine Strategie für die Herstellung neuartiger, großflächiger, plasmonischer Pixel-Arrays mittels R2R-UV-Nanoimprint-Lithografie entwickelt. Der Prozess basiert auf 2.5D Multi-Level-Pixelstrukturen auf einem kleinflächigen Master, die durch nahtloses Aneinanderreihen mittels eines Step&Repeat-Prägeprozesses zu einem großflächigen Prägestempel hochskaliert werden.

Ausgangssituation 

Das nahtlose Aneinanderreihen mit unsichtbaren (INVISIBLE) Stoßlinien eröffnet eine Fülle neuer Möglichkeiten für die Industrialisierung großflächiger photonischer Anwendungen. Plasmonische Pixel-Arrays bieten enormes Potential für den Ersatz pigmentbasierter Beschichtungen für hochwertige Dekoration, Sicherheitsmerkmale und Smart-Sensing-Anwendungen.

Die Entwicklung der angepeilten, nahtlosen Master-Aufskalierung für rollenbasierte, flexible NIL-Arbeitsstempel fördert die Imprint-Lithografie als Schlüsseltechnologie entscheidend: Während die Rolle-zu-Rolle-Replikation von Strukturen verschiedener Größenskalen und Geometrien mit einem Durchsatz von mehreren Quadratmetern pro Minute längst Stand der Technik ist, bleibt die Herstellung der dafür benötigten großflächigen Arbeitsstempel weiterhin ein technologischer Flaschenhals. 

Lösung

Das Projekt INVISIBLE bietet eine wegweisende Strategie zur Lösung dieser Hürde durch einen hochexakten Step&Repeat-UV-NIL-Prozess. Aufgrund ihrer Brillanz und Stabilität gelten plasmonisch generierte Farben als vielversprechende Alternative zu pigment-basierten Farben. In Metallpartikeln oder isolierten Metallstrukturen mit Größen im Bereich kleiner der Lichtwellenlänge können sogenannte lokalisierte Oberflächenplasmonen angeregt werden. Es handelt sich dabei um Oszillationen der Elektronendichte gegenüber dem starren Ionen-Gitter des Metalls, wobei die resultierende Plasmonen-Resonanz-Frequenz für Edelmetall-Partikel oder –Strukturen im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt.

Die Form und Anordnung dieser Metallstrukturen kann zur Feinabstimmung dieser Resonanzfrequenz und damit des erzeugten Farbeindrucks verwendet werden. Die Herstellung solcher plasmonischer Nanostrukturen erfordert allerdings komplexe Prozesse, welche bislang die Industrialisierung von auf plasmonischen Farben basierenden Anwendungen verhindert haben.

Eine mögliche Strategie zur Steuerung der Resonanzfrequenz von lokalisierten Oberflächenplasmonen ist die Positionierung einer glatten Metalloberfläche mit definiertem Abstand in der Nähe von metallischen Inseln – sogenannten Metall-Isolator-Metall (MIM)-Anordnungen. Die beobachtete Frequenz-Verschiebung in solchen Systemen beruht auf der Kopplung der Oberflächenplasmonen-Dipole mit ihrem eigenen Spiegelbild in der Metallschicht. Das Reflexionsspektrum wird durch die Dicke der Isolatorschicht zwischen Metall-Nanostruktur und Metallschicht bestimmt. Dieses Konzept benötigt keine aufwändige Herstellung komplexer 3D-Nanostrukturen und bildet die Grundlage für eine effizente Fertigung plasmonischer Pixel-Arrays in einem großflächigen Prozess im Rahmen des Projekts INVISIBLE.

Ein metallischer Inselfilm wird rollenbasiert auf eine flexible Polymerfolie aufgebracht und mit einem funktionellen UV-härtbaren Prägelack beschichtet. Eine 2.5D Multi- Level-Pixelstruktur wird – ebenso rollenbasiert – in diesen isolierenden Lack geprägt und die Struktur schließlich flächig metallisiert. So entstehen Mikro-Pixel mit diskreten dielektrischen Lack-Schichtdicken zwischen den Metallinseln und der flächigen Metallschicht und damit exakter Einstellbarkeit des Farbeindrucks.