Brechzahländerung durch Ionenaustausch in strukturierten Glasbauteilen

Hecht-Mijic, Stephan

Change of refractive index by ion exchange in structured glass parts Abstract The materialscientific fundamentals of refactive index change based on ion exchange in a structurable glass (FS21) were established. Decreasing the refractive index was favoured and investigated in detail. The production of small light guiding glass parts with complex geometry is possible by two technologies following one after the other: first fotostructuring and second refractive index change by ion exchange. Coming from the fundamentals investigated in this work new applications in microsystems technology can be found, for example grippers and springs with an integrated sensor function that is based on light guidance. For the ion exchange a salt melt of 100 % NaNO3 is used. Low cost equipment was developed and process parameters were defined in order to guarantee reproduceability of the results of the ion exchange. Extensive studies were made on the diffusion profiles made by ion exchange and their dependence on ion exchange parameters. Experimentally found correlations between diffusion coefficients and profile depths on the one hand and ion exchange temperature and time on the other show behaviour as may be expected from theory. Compressive stress resulting from the ion exchange was proven and measured. The change in refractive index was calculated from the diffusion profiles, e.g. profiles of chemical composition. The comparison with measured profiles of refractive index allowed an interpretation of the mechanism of the refractive index decrease. The production of refractive index profiles was also investigated depending on ion exchange temperature and time. These results were in agreement with those from the diffusion profiles. Simple light guide parts were produced and the parameters light guidance diameter, ion exchange temperature and time were varied. The light intensity at the exit of such light guide parts was characterized and maxima were found. U- shaped parts and light splitter parts were investigated in principle. This work can be the starting point for applications research and for glass basic research and contains corresponding proposals.

Die werkstofftechnischen Grundlagen für die Brechzahländerung durch Ionenaustausch in einem nach einem speziellen Prozess (Fotostrukturierung) strukturierbaren Glas (FS21) wurden geschaffen. Die Brechzahlreduzierung wurde favorisiert und im Detail untersucht. Durch die nacheinanderfolgende Bearbeitung des Glases mit den Technologien Fotostrukturierung und Brechzahländerung durch Ionenaustausch ist die Herstellung von filigranen lichtleitenden Glasbauteilen möglich. Davon ausgehend können Anwendungen in der Mikrosystem- oder Feinwerktechnik erschlossen werden. Denkbar sind u.a. Greifer und Federn mit integrierter auf Lichtleitung basierender Sensorfunktion und die Ausnutzung der Lichtleitung für spezielle Messtechnikaufgaben. Für den Ionenaustausch wird eine Salzschmelze der Zusammensetzung 100 % NaNO3 verwendet. Ein kostengünstiger Versuchsaufbau wurde entwickelt und die Prozessparameter so entworfen, dass der Ionenaustausch reproduzierbar durchgeführt werden kann und dennoch über die Änderung von Ionenaustauschtemperatur und -dauer gesteuert werden kann. Die Arbeit behandelt ausführlich die durch den Ionenaustausch hergestellten Diffusionsprofile in Glas FS21 und deren Abhängigkeit von den Ionenaustauschparametern. Theoretisch zu erwartende Zusammenhänge zwischen Diffusionskoeffizienten sowie Profiltiefen und der Ionenaustauschtemperatur sowie -dauer wurden experimentell gefunden. Außerdem wird auf Besonderheiten im Zusammenhang mit den drei im Glas vorliegenden Ionen Li+, Na+ und K+ eingegangen. Mechanische Druckspannungen infolge Ionenaustausch werden in speziell entworfenen Ionenaustauschexperimenten nachgewiesen und durch Messung des Gangunterschiedes genauer beschrieben. Die zu erwartende Brechzahländerung wird aus den Diffusionsprofilen (Profile der chemischen Zusammensetzung) voraus berechnet. Der Vergleich mit gemessenen Brechzahlprofilen erlaubt die Interpretation des Mechanismus der Brechzahlreduzierung. Ebenso wie für die Diffusionsprofile wird auch die Ausbildung der Brechzahlprofile in Abhängigkeit von Ionenaustauschtemperatur und -dauer untersucht. Diese Ergebnisse stimmen mit denen der Diffusionsprofile überein. Einfache Lichtleiterelemente wurden hergestellt und in ihnen die Parameter lichtleitender Bauteilquerschnitt, Ionenaustauschtemperatur und -dauer variiert. Die Lichtintensität am Austritt dieser Lichtleiterelemente wird bezüglich der genannten Parameter charakterisiert und Maxima werden gefunden. An U-förmigen und Lichtteilerelementen wurde in Prinzipversuchen die lichtleitende Funktion nachgewiesen und somit Hinweise auf die Möglichkeiten der geometrischen Vielfalt der Lichtleiterbauteile gegeben. Die Arbeit kann Ausgangspunkt sowohl für Anwendungsforschung als auch Glasgrundlagenforschung sein und enthält entsprechende Vorschläge.

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Hecht-Mijic, Stephan: Brechzahländerung durch Ionenaustausch in strukturierten Glasbauteilen. 2004.

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