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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von optischen Wellenleitern auf flexiblen Substraten z. B. aus polymeren Werkstoffen, aus Textilien, aus Papier oder aus Dünnblech, unter Anwendung eines für die Massenfertigung anwendbaren Druckverfahrens. Die Erfindung betrifft die drucktechnische Erzeugung von Wellenleitern mit einem Stufenindex- oder einem Gradientenindexprofil.
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Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, dass Lichtwellenleiter zum Einen in Form einer Faser als Endlosprofil von der Rolle und zum Anderen als integrierte Lösung in feste Bauteilträger oder auf deren Oberfläche hergestellt werden können. Im Wesentlichen stellt diese Erfindung eine Neuentwicklung der Fertigungsprozesse auf dem Gebiet der optischen Wellenleiter dar.
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Der Stand der Technik innerhalb der Wellenleiterfertigung wird u. a. nach fotochemischer Strukturierung wie z. B. Fotolocking, Fotopolymerisation sowie Fotolyse, auf- bzw. abtragende Verfahren wie z. B. das Dispensieren, der Laserabtrag oder das reaktive Ionenätzen und Replikationsverfahren wie z. B. das Spritzgießen, das Heißprägen oder das Spritzprägen unterschieden [vgl.
P Henzi, Dissertationsschrift, UV-induzierte Herstellung monomodiger Wellenleiter in Polymeren, Karlsruhe, ISSN 0947-8620]. Bei der fotochemischen Strukturierung wird z. B. durch eine lokale Belichtung von fotosensitiven Materialien eine lokale Änderung des Brechungsindexes erzeugt. Replikations-verfahren wie z. B. der Spritzguß, werden in
„Fabrication of Low Loss Polymer Waveguides Using Injection Moulding Technology" von A. Neger et al. (Electronics Letters, Vol. 29 No.4 1993) erläutert. Das Heißprägen wird z. B. in
„Heißgeprägte Polymerwellenleiter für elektrisch-optische Schaltungsträger (EOCB) – Technologie und Charakterisierung" von H. Schröder et al. (DVS/GMM-Tagung "Elektronische Baugruppen – Aufbau und Fertigungstechnik", 2002) beschrieben. Ein weiteres Verfahren zur Integration optischer Wellenleiter unter Anwendung mit Glaspartikeln angereicherter Pasten wird in dem Patent
WO 02/095459 A1 „Verfahren zur Herstellung planarer optischer Wellenleiter” von F.-P. Schiefelbein dargestellt. Das Patent
EP 0 322 744 A2 „Optical waveguide device” von I. Katsuyuki beschreibt die Grenzflächen integrierter, planarer optischer Wellenleiter im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten.
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Die beschriebenen Verfahren und Fertigungsprozesse bedürfen u. a. einer aufwendigen Prozesstechnik, die es nicht erlaubt mit einem sehr hohen Durchsatz bei gleichzeitig geringen Kosten zu fertigen. Des Weiteren ist es nicht möglich nach dem Stand der Technik, großflächige Substrate aus polymeren Werkstoffen, aus Textilien, aus Papier oder aus Dünnblech im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu verarbeiten und optische Wellenleiter auf deren Oberfläche mit vertretbarem Aufwand zu erzeugen. Weiterhin ist es ein Nachteil der bisherigen Verfahren auch zur Agglomeration neigende, z. B. mit Glas gefüllte Polymere, zur Erzeugung von optischen Wellenleitern anzuwenden, die keine einfache Handhabung und Verarbeitung erlauben.
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Weiterhin ist es nachteilig, dass bestehende Fertigungsverfahren sich vorrangig mit der Integration und nicht mit der großflächigen Oberflächenapplikation von Wellenleitern befassen [vgl. O. Ziemann et al., POF-Handbuch Optische Kurzstrecken – Übertragungssysteme, ISBN 978-3-540-49093-7]. Die Erfindung betrifft dem gegenüber ein Trägersubstrat mit flexiblen Material-eigenschaften. Hierdurch erschließen sich neue, breitere Anwendungsfelder wie großflächige optische Sensoren, die z. B. im „Structural Health Monitoring” zur Anwendung gelangen können. Nach dem Stand der Technik werden hier bisher konventionell hergestellte polymeroptische Fasern oder Glasfasern eingesetzt, deren Integration in und auf Oberflächen mit sehr hohem Aufwand verbunden ist [vgl. F. Berghmans et al., Photonic Skins for Optical Sensing – highlights of the PHOSFOS Project, 20th International Conference an Optical Fibre Sensors; vgl. W. Nabel, Complex measurement system for long-term monitoring of prestressed railway bridges of the new Lehrter Bahnhof in Berlin, Proc. SPIE, Vol. 4694, 236 (2002)].
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Nachteile bestehender Verfahren hinsichtlich einer unzureichenden Eignung zum Einsatz als Massenproduktionsverfahren mit sehr hoher Stückzahl bei geringen Kosten, der Verarbeitung von großflächigen flexiblen Substraten im Rolle-zu-Rolle- oder Bogenverfahren sowie der Anwendung geeigneter Materialien für einfache Handhabung und Verarbeitung aufzuheben.
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Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 optische Wellenleiter auf flexiblen, großflächigen Substraten erzeugt werden können. Dieses kann in Abhängigkeit von der Maschinenkonfiguration im Rolle-zu-Rolle Verfahren („endlos”) oder im Bogenverfahren (> 10.000 Stück/h) geschehen. Durch die gleichzeitige Möglichkeit Materialien zu verwenden, die sowohl einfach handhabbar als auch einfach zu verarbeiten sind, wird die Eignung des Verfahrens als Massen-produktionsverfahren in besonderer Weise genüge getan. Weiterhin sind nur geringe Aufwendungen notwendig, um eine Rekonfiguration des Verfahrens und somit der Wellenleiterstruktur zu realisieren. Dieses bedeutet einen Vorteil gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik aufgrund einer höheren Flexibilität bei der Ausführung der Wellenleiter und gleichzeitig realisierbarem sehr hohen Durchsatz.
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Von Vorteil ist es insbesondere auch, dass eine kontinuierliche Zuführung der Substrate möglich ist. Aufgrund der Automatisierung dieses Vorganges sind die benannten Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 6 für die Produktion großer Stückzahlen einsetzbar. Somit besteht die Eignung dieser Verfahren kostengünstig in großen Losgrößen zu produzieren.
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Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit im Unterschied zu selektiven Verfahren wie z. B. das Dispensieren [vgl. T. Fahlbusch, Dispensieren polymerer Wllenleiter, ISSN 1864-9122] großflächig auf das Substrat aufzutragen. Somit werden parallel identische Wellenleitergeometrien z. B. als Stufen- oder Gradientenindexprofil in einem Arbeitsschritt auf das zu bedruckende Medium übertragen. Im besonderen Maße ist hierbei die Größe „erzeugte Wellenleiter pro Zeiteinheit” zu erwähnen, welche die Eignung der beanspruchten Verfahren zur kostengünstigen Reproduktion der Wellenleitergeometrie in hoher Auflage unterstreicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist u. a. in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben. Die Weiterbildung nach dem Patentanspruch 2 ermöglicht den ange-strebten hohen Durchsatz und eine reproduzierbar sehr hohe Abbildungsqualität. Auf diese Weise können für das Drucken von Texten und Graphiken nach dem Stand der Technik verwendete Maschinensysteme und Verfahren zukünftig durch die Erfindung weiter entwickelt werden, um großflächig aufgetragene Wellenleiterstrukturen z. B. zur Erzeugung von großflächigen Sensorfolien nach z. B. 1 in hohen Losgrößen herzustellen (Pos. 1 optisches Sendeelement, Pos. 2 integriertes Sensorprinzip, Pos. 3 optisches Empfangselement, Pos. 4 gedruckter Wellenleiter, Pos. 5 flexibles Trägersubstrat). Weitere von Vorteil behaftete Weiter-bildungen sind in weiteren Unteransprüchen festgelegt.
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Ein Ausführungsbeispiel ist unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.
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In 2 ist an einem Ausführungsbeispiel nach dem Reproduktionsprinzip „Zylinder gegen Zylinder” das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Der nach dem Stand der Technik für Texte und Graphiken bekannte Reproduktionsvorgang erfolgt anhand dieses Ausführungsbeispiels über zwei Zylinder (Pos. 1 aus 2 Druckzylinder, Pos. 2 aus 2 Gegendruckzylinder). Die runde Druckform wird zu diesem Zweck auf dem Druckzylinder befestigt. Das Substrat (Pos. 3 aus 2) wird über den Gegendruckzylinder einzeln als Bogen oder kontinuierlich als Rollensubstrat an den Druckzylinder gepresst und so bedruckt.
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Dieses nach dem Stand der Technik bekannte Reproduktionsprinzip für die Erzeugung von Texten und Graphiken kann sowohl direkt als auch indirekt ausgeführt sein. Das direkte Reproduktionsprinzip „Zylinder gegen Zylinder” zeichnet sich im Besonderen dadurch aus, dass das Druckbild direkt vom Druckzylinder auf das Substrat übertragen wird. Aus diesem Grund wird das zu reproduzierende Druckbild seitenverkehrt auf den Druckzylinder aufgebracht. Als Beispiel für ein entsprechendes Reproduktionsverfahren ist der Flexodruck anzuführen.
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Nach dem indirekten Reproduktionsprinzip „Zylinder gegen Zylinder” wird das zu reproduzierende Druckbild auf einen Zwischenträger angebracht. Dieser ist flexibel aufgebaut und besitzt eine hohe Qualität in seinen Wiedergabeeigenschaften. Von diesem Zwischenträger wird das Druckbild dann auf das Substrat übertragen. Das Druckbild muss hierbei seitenrichtig auf den Druckzylinder aufgebracht werden. In diesem Zusammen-hang ist als Reproduktionsverfahren der Offsetdruck anzuführen.
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In 3 ist ein patentgemäßes Ausführungsbeispiel eines flexiblen Substrates (Pos. 1 aus 3) mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der optische Mantel (Pos. 2 aus 3) in Form eines drucktechnisch zu verarbeitenden optischen Polymers mit einem typischen Brechungsindex von z. B. 1,38 bis 1,49 z. B. flächig, linienförmig auf das Substrat aufgetragen.
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Anschließend wird zur Vorbereitung der Aufnahme von Kern- und Mantellagen des Wellenleiters eine Zwischenlage (Pos. 3 aus 3) zur lokalen Funktionalisierung der Oberfläche gedruckt oder anderweitig erzeugt. Durch eine derartige Funktionalisierung wird die geometrische Ausbildung des Kerns sowie des Mantels dahingehend beeinflusst, dass sich aufgrund von z. B. Adhäsionskräften an Grenzflächen oder Oberflächenspannungen durch Ab-stoßung oder Anziehung der drucktechnisch aufzutragenden Materialien von der Funktionsschicht die gewünschte Geometrie und Lage des Wellenleiters in Kern und Mantel ausbildet.
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Im nächsten Arbeitsschritt werden Zwischenlagen, die zum Einen den Kern (Pos. 4 aus 3), aus einem höher brechenden Polymer als des für den Mantel verwendeten, und zum Anderen den Mantel des Wellenleiters (Pos. 5 aus 2), aus einem niedriger brechenden Polymer als des für den Kern verwendeten, auf dieser optischen Lage aufgetragen. Zwischen den angegebenen Schichten des drucktechnisch erzeugten polymeren Wellenleiters kann z. B. eine Aushärtung der Materialien mittels UV-Bestrahlung erfolgen.
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In den folgenden patengemäßen Ausführungsbeispielen 4 bis 8 gilt für alle beschrieben optischen Mantel- und Kernpolymere, dass der Brechungsindex der lichtführenden Kernschicht des optischen Wellenleiters gegenüber dem verwendeten Mantelmaterial höher brechend ist und somit dem Prinzip der Totalreflexion für optische Wellenleiter genüge getan wird.
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In 4 ist ein patentgemäßes Aus-führungsbeispiel eines flexiblen Substrates (Pos. 1 aus 4) mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der optische Mantel (Pos. 2 aus 4) in Form eines drucktechnisch zu verarbeitenden optischen Polymers z. B. flächig, linienförmig auf das Substrat aufgetragen.
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Diese optische Mantellage entspricht einer lokalen Funktionalisierung der Oberfläche. Diese Funktionalisierung wiederum erlaubt es, den in einem weiteren Arbeitsschritt drucktechnisch aufgetragenen optischen Kern (Pos. 4 aus 4), sich entlang dieser Mantelstruktur aufgrund von z. B. Adhäsionskräften an Grenzflächen oder Oberflächenspannungen in der gewünschten Geometrie und Lage des Wellenleiters auszubilden.
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In einem weiteren Arbeitsschritt wird der optische Mantel (Pos. 3 aus 4) u. a. drucktechnisch aufgetragen.
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Zwischen den auf dem flexiblen Trägersubstrat aufgetragenen optischen Wellenleitern können sogenannte Filler (Pos. 6 aus 4) u. a. drucktechnisch aufgebracht werden. Somit können u. a. die seitlichen Zwischenräume der optischen Wellenleiter zueinander mit einem kostengünstigen Material ausgefüllt werden. Dies erlaubt auch z. B. einen lateralen Schutz der erzeugten optischen Wellenleiter.
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In 5 ist ein patentgemäßes Ausführungsbeispiel eines flexiblen Substrates (Pos. 1 aus 5) mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Lage (Pos. 3 aus 5) zur lokalen Funktionalisierung der Oberfläche gedruckt oder anderweitig erzeugt. Diese Lage besitzt einen lateralen Abstand, dieser bestimmt die laterale Ausdehnung des zu erzeugenden optischen Wellenleiters.
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In einem nächsten Arbeitsschritt wird der optische Mantel (Pos. 2 aus 5) gemäß des patentgemäßen Ausführungsbeispiels auf das flexible Trägersubstrat drucktechnisch aufgebracht. In Folge von Adhäsionskräften an Grenzflächen oder Oberflächenspannungen bildet sich diese optische Mantellage mit einem für die Lichtführung begünstigenden Wellenleiterquerschnitt aus.
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Im folgenden Arbeitsschritt wird der optische Kern (Pos. 4 aus 5) des Wellenleiters auf den optischen Mantel (Pos. 2 aus 5) drucktechnisch aufgetragen. Abschließend wird eine weitere optische Mantellage (Pos. 5 aus 5) entsprechend dem patentgemäßen Ausführungsbeispiel u. a. drucktechnisch aufgetragen.
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In 6 ist ein patentgemäßes Aus-führungsbeispiel eines flexiblen Substrates mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird als flexibles Trägersubstrat (Pos. 1 aus 6) ein optisch transmissives Material mit einem definierten Brechungsindex von z. B. 1,38 bis 1,49 verwendet. Dieses optisch transmissive, flexible Trägersubstrat dient als optische Mantellage.
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Auf dieses flexible, optisch transmissive Trägersubstrat wird eine Lage (Pos. 2 aus 6) zur lokalen Funktionalisierung der Oberfläche gedruckt oder anderweitig erzeugt. Der laterale Abstand dieser Lage bestimmt die laterale Ausdehnung des optischen Wellenleiters.
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In einem weiteren Arbeitsschritt wird der optische Kern (Pos. 3 aus 6) des Wellenleiters gemäß dem Ausführungsbeispiel drucktechnisch aufgetragen. In einem folgenden Arbeitsschritt wird der optische Mantel (Pos. 4 aus 6) u. a. drucktechnisch aufgetragen.
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In 7 ist ein patentgemäßes Aus-führungsbeispiel eines flexiblen Substrates (Pos. 1 aus 7) mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf das flexible Trägersubstrat eine optische Mantellage flächig drucktechnisch aufgetragen. Die lokale Funktionalisierung der Oberfläche (Pos. 2 aus 7) kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel z. B. durch photoinizierte Prozesse erfolgen.
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In einem weiteren Arbeitsschritt wird auf dem Bereich der lokal funktionalisierten Oberfläche (Pos. 2 aus 7) das optische Kernmaterial (Pos. 4 aus 7) drucktechnisch aufgetragen. In einem folgenden Arbeitsschritt kann der optische Mantel (Pos. 5 aus 7) des patengemäßen Ausführungsbeispiels u. a. drucktechnisch aufgetragen werden.
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In 8 ist ein patentgemäßes Aus-führungsbeispiel eines flexiblen Substrates (Pos. 1 aus 8) mit einer auf diesem aufgebrachten optischen Wellenleiterstruktur, nach Anspruch 1 des Verfahrens gekennzeichnet, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird als flexibles Trägersubstrat (Pos. 1 aus 6) ein optisch transmissives Material mit einem definierten Brechungsindex von z. B. 1,38 bis 1,49 verwendet. Das optisch transmissive, flexible Trägersubstrat dient als optische Mantellage.
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In einem Arbeitsschritt wird die lokale Funktionalisierung der Oberfläche z. B. über ein Prägeverfahren derart erzielt, dass in das flexible Trägermaterial (Pos. 1 aus 8) flächig, linienförmig eine definierte Vertiefung zur weiterführenden Ausbildung der optischen Wellenleiterstruktur eingebracht wird. Auf diese funktionalisierte Oberfläche wird in einem weiteren Arbeitsschritt der optische Kern (Pos. 2 aus 8) drucktechnisch aufgebracht. In einem folgenden Arbeitsschritt wird der optische Mantel (Pos. 3 aus 8) des Wellenleiters u. a. drucktechnisch aufgetragen.
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Eine Kombination der einzelnen in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merk-malen sowie weitere Ausführungsformen gemäß den angegebenen Patentansprüchen sind denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 02/095459 A1 [0003]
- EP 0322744 A2 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- P Henzi, Dissertationsschrift, UV-induzierte Herstellung monomodiger Wellenleiter in Polymeren, Karlsruhe, ISSN 0947-8620 [0003]
- „Fabrication of Low Loss Polymer Waveguides Using Injection Moulding Technology” von A. Neger et al. (Electronics Letters, Vol. 29 No.4 1993) [0003]
- „Heißgeprägte Polymerwellenleiter für elektrisch-optische Schaltungsträger (EOCB) – Technologie und Charakterisierung” von H. Schröder et al. (DVS/GMM-Tagung ”Elektronische Baugruppen – Aufbau und Fertigungstechnik”, 2002) [0003]
- O. Ziemann et al., POF-Handbuch Optische Kurzstrecken – Übertragungssysteme, ISBN 978-3-540-49093-7 [0005]
- F. Berghmans et al., Photonic Skins for Optical Sensing – highlights of the PHOSFOS Project, 20th International Conference an Optical Fibre Sensors [0005]
- W. Nabel, Complex measurement system for long-term monitoring of prestressed railway bridges of the new Lehrter Bahnhof in Berlin, Proc. SPIE, Vol. 4694, 236 (2002) [0005]
- T. Fahlbusch, Dispensieren polymerer Wllenleiter, ISSN 1864-9122 [0010]
