Die Technischen Universität München hatn eine neue Generation von Bildsensoren entwickelt: Sie sind lichtempfindlicher als herkömmliche Silizium-Sensoren, dabei ist ihre Herstellung einfach und kostengünstig. Die neuen organischen Sensoren können klein- und grossflächig auf Kunststoff-Folien oder auf Glas aufgebracht werden.
Die neuartigen Sensoren bestehen aus elektrisch leitenden Kunststoffen, die als hauchdünner Film aufgesprüht werden. Die chemische Zusammensetzung der Kunststoff-Schicht lässt sich zudem gezielt verändern, so dass auch unsichtbare Bereiche des Lichtspektrums abgedeckt werden können. Der nächste Schritt: Günstige Infrarotlicht-Sensoren für Kompaktkameras oder Smartphones (Nature Communications).
Bildsensoren sind das Herzstück jeder Digitalkamera. Bevor ein Schnappschuss auf dem Display erscheint, wandeln sie das Licht aus dem Objektiv in elektrische Signale um. Daraus berechnet der Bildprozessor das fertige Foto.
Viele Kompakt- und Handykameras arbeiten mit siliziumbasierten Bildsensoren, die mit CMOS-Technologie (complementary metal oxide semiconductor) hergestellt sind. Prof. Paolo Lugli und Dr. Daniela Baierl von der Technischen Universität München (TUM) haben ein Verfahren entwickelt, um diese CMOS-Sensoren auf günstige Weise leistungsfähiger zu machen. Dazu setzen sie auf einen hauchdünnen Film aus organischen Verbindungen, also aus Kunststoffen.
Hauchdünn: Organische Sensoren können klein- und grossflächig auf CMOS-Chips aufgebracht werden, aber auch auf biegsame Kunststoff-Folien oder wie hier Glas. Foto: U. Benz / TUM
Aufgebracht wird die Kunststoff-Lösung auf die Oberfläche der Bildsensoren. Die Wissenschaftler haben Rotations- und Sprühverfahren getestet, um den Kunststoff in seiner flüssigen, gelösten Form präzise und kostengünstig aufzubringen. Nur wenige hundert Nanometer dünn und ohne Makel muss der Kunststoff-Film sein. Als beste Lösung hat sich die Sprühbeschichtung erwiesen, ob mithilfe eines einfachen Farbsprühgerätes oder eines Sprühroboters.
Dünne Schicht mit hoher Lichtempfindlichkeit
Im Test haben die organischen Sensoren bereits ihre Überlegenheit bewiesen: Sie sind bis zu dreimal lichtempfindlicher als herkömmliche CMOS-Sensoren, bei denen elektronische Bauteile einen Teil der Pixel und damit der lichtaktiven Siliziumfläche verdecken.
Bei der Herstellung der organischen Sensoren entfällt die sonst übliche, teure Nachbearbeitung des CMOS-Sensors, z.B das Aufbringen von Mikrolinsen zur Verstärkung des Lichteinfalls. Jeder Pixel wird vollständig, inklusive seiner Elektronik, mit der flüssigen Kunststoff-Lösung besprüht und erhält so eine zu 100 Prozent lichtempfindliche Oberfläche. Für den Einsatz in Kameras sind die organischen Sensoren auch durch ihr geringes Bildrauschen und die hohe Bildrate gut geeignet.
Leistungsstark: Im Test haben sich die organischen Sensoren bewährt: Bis zu dreimal höher ist ihre Lichtempfindlichkeit gegenüber herkömmlichen CMOS-Sensoren. Foto: A. Heddergott / TUM
Potenzial für günstige Infrarot-Sensoren
Ein weiterer Vorteil des Kunststoff-Sensors: Je nachdem, welche chemischen Verbindungen verwendet werden, ändert sich das erfassbare Lichtspektrum. Eine Mischung der Polymere PCBM und P3HT eignet sich, um sichtbares Licht aufzufangen. Andere organische Verbindungen, zum Beispiel Squarainfarbstoffe, sind hingegen empfindlich für nahes Infrarotlicht.
«Mit geeigneten organischen Verbindungen können wir neue Anwendungsgebiete erschliessen, die bislang mit hohen Kosten verbunden waren», erklärt Prof. Paolo Lugli, der den TUM-Lehrstuhl für Nanoelektronik innehat. «Mit organischen Infrarot-Sensoren lassen sich künftig zum Beispiel Nachtsicht-Fahrassistenten ausstatten, aber auch ganz normale Kompakt- oder Handykameras. Bislang fehlen dafür auf dem Markt aber noch die geeigneten Polymere.
(Pressetext der Technischen Universität München)
Publikation: Daniela Baierl, Lucio Pancheri, Morten Schmidt, David Stoppa, Gian-Franco Dalla Betta, Giuseppe Scarpa, Paolo Lugli, 2012: A hybrid CMOS-imager with a solution-processable polymer as photoactive layer, Nature Communications, doi:10.1038/ncomms2180,
