Forschung

Elektrisch schaltbarer Lichtfilter

28.11.2019 - Elektrochromes Material kann die Durchlässigkeit von Optiken in Sekundenschnelle verändern.

In der Mittagssonne ein gutes Foto zu machen, ist auch für geübte Fotografen eine Herausforderung. Helfen kann hier ein elektrisch steuerbarer Filter, den Kaisers­lauterer Physiker mit Partnern entwickelt haben. Die durch­gelassene Lichtmenge wird dabei durch das Einstellen des Färbegrads angepasst. Zum Einsatz kommen elektro­chrome (EC) Moleküle auf Nanopartikeln, die ihre optischen Eigenschaften in weniger als einer Sekunde verändern, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Bei EC-Filtern ist er damit das kontrast­reichste und schnellste Bauelement. Interessant ist er etwa für Mikro­optiken im Smartphone. 
 

Die Forscher um Egbert Oesterschulze, Carsten Kortz und Alexander Hein von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) haben einen neuartigen Filter entwickelt, der diese Durchlässigkeit in weniger als einer Sekunde verändern kann. „Bei unserer Technik kommen zwei aufeinander abgestimmte Elektroden zum Einsatz, die ihre Färbung bestmöglich verstärken“, sagt Oesterschulze, der an der TUK den Lehrstuhl für Physik und Technologie der Nanostrukturen leitet. 

Das Besondere hierbei: Auf den Elektroden befinden sich Nanopartikelschichten mit speziell angepassten Molekülen. Diese haben ganz besondere Eigenschaften: Sie sind elektrochrom. Das heißt, sie verändern ihre optischen Eigenschaften, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt beziehungs­weise diese verändert wird. „Bei der einen Elektrode findet dann eine Oxidation statt, bei der anderen kommt es gleichzeitig zur Reduktion“, sagt der Kaiserslauterer Professor. „Dabei wandern Elektronen von einer Elektrode zur anderen.“ In der Folge färben sich die Moleküle auf den Nanopartikeln. Dieser Färbungs­zustand verbleibt ohne weitere Energie­zufuhr und kann durch Umpolen der Spannung wieder restlos entfärbt werden.

Den Forschern ist es bei ihrem Filter gelungen, diesen elektrochemischen Prozess für diese Art der Materialien schnell ablaufen zu lassen und gleichzeitig einen sehr guten Färbekontrast zu erzielen. „Es dauert weniger als eine Sekunde“, fährt er fort. „Das ist im Bereich dieser Bauteile das bislang schnellste, was erreicht werden konnte.“

Diese Bauteile beziehungsweise die verwendeten Materialien sind nicht nur für Fotokameras und Kameras in Smartphones interessant; sie ließen sich auch im Bereich dimmbarer Fensterscheiben einsetzen. Dabei kann nicht nur sichtbares Licht heraus­gefiltert werden, sondern material­abhängig auch Infrarot­strahlung, die besonders im Sommer Innenräume eines Gebäudes aufheizt. Zudem könnten die vorgestellten Filter auch bei Kameras Verwendung finden, die in sicherheits­relevanten Anwendungen zum Einsatz kommen, etwa beim Überwachen von Geländen. Eine Überbelichtung durch die Sonnen­einstrahlung kann dabei verhindert werden. Die Kaiserslauterer Wissenschaftler haben das System gemeinsam mit ihren Kollegen Marius Ciobanu und Lorenz Walder von der Universität Osnabrück entwickelt. 

TU Kaiserslautern / DE
 

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