Temperaturbeständige elektrochrome Mikro-Iriden mit farbneutralem Spektralverhalten zur schnellen Bildadaption in Miniaturkameras für medizintechnische Applikationen

• Antragsteller: Professor Dr. Egbert Oesterschulze; Professor Dr. Lorenz Walder
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317515858

Ziel des Projekts ist die technische Umsetzung und wissenschaftliche Untersuchung einer mehrstufigen, elektrisch schaltbaren elektrochromen Iris. Sie soll visionär als Aperturblende in das optische Abbildungssystem eines Humanendoskops mit Chip-on-the-Tip Technologie integriert werden, was ihren Durchmesser auf nur 5 mm begrenzt. Dem Chirurgen soll mit der im Endoskop integrierten Iris erstmals die Möglichkeit geboten werden, wichtige Parameter wie die Schärfentiefe oder den Kontrast während des operativen Eingriffs einstellen zu können. Durch die geplante Integration, muss die Iris allen Anforderungen der endoskopischen Medizintechnik genügen. Dabei sind vor allem das geringe Bauvolumen, die herausfordernde Temperaturstabilität bis 140°C (Sterilisationsbedingungen ohne Irisbetrieb) und schnelle Reaktionszeiten < 0,5 s maßgeblich. Die einzelnen Irissegmente sollen zusätzlich einen optischen Kontrast von mind. 85%, eine geringe optische Streuung und eine möglichst farbneutrale Absorptionscharakteristik aufweisen. Die deutliche Reduktion der elektrischen Schaltzeiten kann nur durch die chemische Ankopplung elektrochromer Moleküle an Festkörperelektroden erzielt werden. Damit die optische Absorption ausreichend hoch ist, müssen hochporöse Elektroden auf Basis von Nanopartikeln eingesetzt werden, wobei die Materialwahl von der jeweiligen Red/Ox-Elektrode abhängt. Die Synthese der EC-Moleküle und ihrer Ankergruppen muss demnach auf eine effiziente elektronische Kopplung an die Nanopartikel zur Reduktion der Schaltzeiten bei maximalem Absorptionshub und zweitens durch Wahl komplementärer EC-Moleküle auf die Farbneutralität der Gesamtzelle im opaken Zustand abzielen. Neben den chemisch orientierten Aufgaben sind verschiedene technologische Herausforderungen zu lösen. Die Deposition hochporöser Nanoelektroden soll durch homogenen Auftrag von Nanopartikelemulsionen durch Rakeln, anschließende Kalzinierung und Sinterung erfolgen. Dazu werden die ITO-beschichteten Substrate vorher mikrotechnisch strukturiert und mit den nötigen Elektroden versehen. Die Fertigung der planparallelen Zelle stellt die wesentliche Herausforderung dar. Einerseits müssen die Glassubstrate, beispielsweise durch einen Photoresist-Schicht als Abstandshalter, parallel ausgerichtet und verbunden werden. Andererseits muss z.B. durch einen geeigneten UV-Kleber eine Diffusionsbarriere nach außen aufgebaut werden, um den Eintrag von Sauerstoff/Feuchte in den Elektrolyten zu vermeiden. Dieser Füge- und Montageprozess muss unter Stickstoffatmosphäre erfolgen. Weiterhin müssen Reflexionsverluste minimiert und die Streuung reduziert werden. Dazu soll die Brechzahl des Elektrolyten an die der Nanopartikel angepasst werden. Alle Materialien müssen den hohen Temperaturen der Sterilisierung widerstehen. Schließlich müssen die Iriden beim Industriepartner durch Kernbohren vereinzelt, auf kleinstmöglichen Raum kontaktiert und in einem endoskopischen Demonstrator integriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: KARL STORZ GmbH & Co. KG