Mechanisch flexible Wellenleitermaterialien für die 3D-Strukturierung mit 2-Photonen-Polymerisation

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung von Materialien, die es ermöglichen, Lichtwellenleiter mittels Laserstrukturierungstechniken in flexible Silikonschichten einzuschreiben. Eine Anwendung des entwickelten Verfahrens ist die Verbindung optischer Bauteile auf flexiblen Leiterplatten.<br />Das Grundprinzip beruht auf dem Anquellen von vorgehärteten Silikonschichten mit photoreaktiven Monomerformulierungen und der anschließenden Strukturierung von Lichtwellenleitern mit 2-Photonen-Polymerisation. Die verwendeten Monomere mussten den Brechungsindex der Silikone in bestrahlten Bereichen erhöhen, geeignete Quelleigenschaften besitzen, wenig flüchtig sein und nach der Strukturierung bei erhöhter Temperatur entfernbar sein.<br />Durch Anquellen von Silikon-Prüfkörpern mit unterschiedlichen Monomeren und Lösungsmitteln wurde der Einfluss auf die Quellung unterschiedlicher Silikone untersucht. Es zeigte sich, dass Acrylsäureisobornylester Silikone stark anquoll und geeignete Verdampfungseigenschaften zeigte.<br />Um die Quellung zu steuern eigneten sich Butandioldiacrylat sowie Decanol als Comonomere, da beide Silikone nur wenig anquollen.<br />Gleichzeitig konnte durch die vernetzenden Eigenschaften von Butandioldiacrylat die thermische Stabilität der resultierenden Polymere erhöht werden, was besonders für Anwendungen in der Leiterplattenproduktion wichtig ist.<br />Durch die Steuerung der Quellung konnte der resultierende Polymergehalt der Silikone und damit der Brechungsindexhub kontrolliert werden. Neben der gravimetrischen Bestimmung wurde ATR-IR-Spektroskopie zur Kontrolle des Monomer- bzw. Polymergehaltes eingesetzt.<br />In die auf diese Weise hergestellten Silikon-Monomer-Hybridmaterialien konnten erfolgreich funktionsfähige Lichtwellenleiter sowohl mit µ-Stereolithographie als auch mit 2-Photonen-Polymerisation eingeschrieben werden.<br />

The aim of this PhD thesis was the development of materials for writing optical waveguides into flexible silicone layers by means of laser structuring techniques. An important application would be the connection of optical components on flexible circuit boards.<br />The basic principle is based on the swelling of precured silicone layers by photoreactive monomer mixtures and the subsequent writing of waveguides by means of 2-photon polymerization. Suitable monomers had to increase the refractive index of irradiated areas and should swell silicones sufficiently. They should not be too volatile but had to be removable at elevated temperature after structuring.<br />By swelling silicone specimens by different monomers and solvents, the influence on the swelling properties of various silicones was examined.<br />Isobornyl acrylate did swell silicones well and its volatility was suitable. To control the degree of swelling butandiol diacrylate and decanol were used as comonomer. It reduced swelling and increased the thermal stability of formed polymers, which is an important issue for potential use in circuit board applications.<br />By controlling the swelling it was possible to tailor the resulting polymer content of silicones and the refractive index change, respectively. In addition to gravimetric measurement of monomer- and polymer content of silicones, ATR-IR spectroscopy was used for monitoring polymer contents of silicone specimens.<br />Functional optical waveguides were written into the obtained silicone-monomer hybrid materials both by µ-stereolithography and 2-photon polymerization.