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Dissertation
Development of Selectively Actuatable Micromirror Arrays and Scalable Lithography Processes for Large-Area Applications as Smart Window
(Entwicklung von selektiv aktuierbarer Mikrospiegelarrays und skalierbarer Lithografieverfahren für großflächige Anwendungen als Smart-Window)
Zusammenfassung
This thesis provides an extensive overview on the state-of-the-art daylighting systems for applications in buildings and subsequently addresses the implementation of subfield addressing in micromirror arrays and investigation of a potential scalable lithography process for the large-area fabrication, both have been identified as the research gap in achieving the envisioned application as smart window. The work is conducted in continuation of the optimized fabrication process and the successful fabrication of a lab demonstrator achieved in the earlier research stage.
Restricted actuation state from a single micromirror arrays module is limiting the utilization potential and hindering the tailored ambient lighting envisaged in the smart window application. The current design can only be actuated in a single state—either open, closed, or any allowed state in between—and a segmentation of a single window module into independently actuatable subgroup is necessary to allow combined actuation states of a single module. Such requirement is addressed in this work via implementation of subfield addressing. Driving schemes from the display technologies, namely the direct, passive matrix, and active matrix addressing are discussed and evaluated for potential adaptation into the micromirror arrays. Concept, design, and technological fabrication of subfield addressing in 4 × 4 and 8 × 8 passive matrix arrangements are executed on a single module with dimension of 10 × 10 cm². In addition to the functionality, subfield addressing in micromirror arrays is designed in accordance with fabrication process stability, reproducibility, and integrability with the optimized bi-layered process from previous works. Structuring of the fluorine-doped tin oxide (FTO) layer into separated column electrodes is implemented by means of metal-acid etch. Correspondingly, the micromirror layer is designed into separated row electrodes. Process parameter and optimization to achieve maximum active area out of the single module of 10 × 10 cm² are investigated and detailed. Finally, a function demonstrator consisting of four 10 × 10 cm² modules is fabricated as a proof-of-concept for the implementation of subfield addressing in micromirror arrays.
Investigation of a potentially scalable lithography process is substantiated by the limited availability of bi-layered photomask in larger size. Such limitation has halted the large-area fabrication potential and consequently the application of micromirror arrays as smart window. Therefore, a fabrication method utilizing inclined UV exposure based on roll-lithography process is proposed as an alternative to the bi-layered photomask. The required process parameters, particularly the exposure angle, UV dose, and development time, are investigated and evaluated by the resulting leading-edge and undercut structures in the sacrificial photoresist layer.
Restricted actuation state from a single micromirror arrays module is limiting the utilization potential and hindering the tailored ambient lighting envisaged in the smart window application. The current design can only be actuated in a single state—either open, closed, or any allowed state in between—and a segmentation of a single window module into independently actuatable subgroup is necessary to allow combined actuation states of a single module. Such requirement is addressed in this work via implementation of subfield addressing. Driving schemes from the display technologies, namely the direct, passive matrix, and active matrix addressing are discussed and evaluated for potential adaptation into the micromirror arrays. Concept, design, and technological fabrication of subfield addressing in 4 × 4 and 8 × 8 passive matrix arrangements are executed on a single module with dimension of 10 × 10 cm². In addition to the functionality, subfield addressing in micromirror arrays is designed in accordance with fabrication process stability, reproducibility, and integrability with the optimized bi-layered process from previous works. Structuring of the fluorine-doped tin oxide (FTO) layer into separated column electrodes is implemented by means of metal-acid etch. Correspondingly, the micromirror layer is designed into separated row electrodes. Process parameter and optimization to achieve maximum active area out of the single module of 10 × 10 cm² are investigated and detailed. Finally, a function demonstrator consisting of four 10 × 10 cm² modules is fabricated as a proof-of-concept for the implementation of subfield addressing in micromirror arrays.
Investigation of a potentially scalable lithography process is substantiated by the limited availability of bi-layered photomask in larger size. Such limitation has halted the large-area fabrication potential and consequently the application of micromirror arrays as smart window. Therefore, a fabrication method utilizing inclined UV exposure based on roll-lithography process is proposed as an alternative to the bi-layered photomask. The required process parameters, particularly the exposure angle, UV dose, and development time, are investigated and evaluated by the resulting leading-edge and undercut structures in the sacrificial photoresist layer.
Diese Arbeit gibt einen umfassenden Überblick der Stand der Technik über Tageslichtlenkungs-Syste-men für Anwendungen in Gebäuden und befasst sich speziell mit MEMS basierten Mikrospiegelarrays. Der Fokus liegt dabei auf der Implementierung einer Subfeldadressierung in Mikrospiegelarrays und der Untersuchung eines potenziell skalierbaren Lithografieverfahrens für großflächige Herstellung der MEMS-Arrays, die als Forschungslücken für die geplante Anwendung der Arrays in intelligenten Fens-tern identifiziert wurden. Die Arbeit wird in Fortsetzung der erfolgreichen Prozessoptimierung und Her-stellung eines Labordemonstrators durchgeführt, die in der früheren Forschungsphase erreicht wurden. Der eingeschränkte Ansteuerungszustand eines Mikrospiegelmoduls beschränkt das Nutzungspotenzial und behindert die maßgeschneiderte Umgebungsbeleuchtung in Räumen, die in der Anwendung der Mikrospiegelarrays als Smart-Window (Smart Glass) vorgesehen ist. Das derzeitige Design der Mikro-spiegelarray kann nur als Gesamtheit (Gesamtmodul) entweder in einen offenen, geschlossenen oder gewünschten Zwischenzustand gesteuert werden. Aus diesem Grund ist eine Segmentierung eines ein-zelnen Fenstermoduls in selektiv ansteuerbare Untergruppen notwendig, um kombinierte Ansteuerungs-zustände in einem Fenstermodul zu ermöglichen. Diese Anforderung wird in dieser Arbeit durch die Implementierung einer Subfeldadressierung erfüllt. Mögliche Ansteuerungsschemata aus der Display-technologie, nämlich die direkte, passive und aktive Matrixadressierung, werden diskutiert und für eine mögliche Integration in die Mikrospiegelarrays bewertet. Konzept, Design und technologische Herstel-lung der Subfeldadressierung in 4 × 4 und 8 × 8 Passivmatrix-Anordnungen werden auf 10 × 10 cm² Glassubstraten durchgeführt. Dabei wird das Design der Subfeldadressierung unter Berücksichtigung der Stabilität des Herstellungsprozesses, der Reproduzierbarkeit und der Integrierbarkeit mit dem opti-mierten Herstellungsprozess aus früheren Arbeiten durchgeführt. Die Strukturierung der fluordotierten Zinnoxid-Schicht in getrennte Spaltenelektroden wird mittels eines Metall-Säure-Ätzprozesses realisiert. Dementsprechend wird die Mikrospiegelschicht streifenartig als getrennte Zeilenelektroden gestaltet. Die Prozessparameter werden zur Erzielung einer maximalen aktiven Fläche aus dem Einzelmodul von 10 × 10 cm² untersucht, optimiert und detailliert beschrieben. Schließlich wird ein Funktionsdemonst-rator, bestehend aus vier 10 × 10 cm² Modulen, als Konzeptnachweis für die Implementierung der Subfeldadressierung in Mikrospiegelarrays hergestellt und charakterisiert. Die Untersuchung eines potenziell skalierbaren Lithografieverfahrens wird gerechtfertigt durch die Grö-ßenbeschränkung der bisher verwendeten Bilayered-Fotomasken, die eine großflächige Herstellung und folglich die Anwendung von Mikrospiegel-Arrays als Smart-Windows bisher verhindert hat. Daher wird als Alternative zur Bilayered-Fotomaske eine Herstellungsmethode vorgeschlagen, bei der eine schräge UV-Belichtung auf der Grundlage eines Rollenlithografie-Verfahren erfolgt. Die erforderlichen Pro-zessparameter, insbesondere der Belichtungswinkel, die UV-Dosis und die Entwicklungszeit, werden untersucht und anhand der resultierenden Leading-Edge- und Undercut-Strukturen der Fotolackschicht bewertet.
Zitieren
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-202304047765,
author={Iskhandar, Mustaqim Siddi Que Bin},
title={Development of Selectively Actuatable Micromirror Arrays and Scalable Lithography Processes for Large-Area Applications as Smart Window},
school={Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik},
year={2023}
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:Entwicklung von selektiv aktuierbarer Mikrospiegelarrays und skalierbarer Lithografieverfahren für großflächige Anwendungen als Smart-Window / Iskhandar, Mustaqim Siddi Que Bin
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The work is conducted in continuation of the optimized fabrication process and the successful fabrication of a lab demonstrator achieved in the earlier research stage. Restricted actuation state from a single micromirror arrays module is limiting the utilization potential and hindering the tailored ambient lighting envisaged in the smart window application. The current design can only be actuated in a single state—either open, closed, or any allowed state in between—and a segmentation of a single window module into independently actuatable subgroup is necessary to allow combined actuation states of a single module. Such requirement is addressed in this work via implementation of subfield addressing. Driving schemes from the display technologies, namely the direct, passive matrix, and active matrix addressing are discussed and evaluated for potential adaptation into the micromirror arrays. Concept, design, and technological fabrication of subfield addressing in 4 × 4 and 8 × 8 passive matrix arrangements are executed on a single module with dimension of 10 × 10 cm². In addition to the functionality, subfield addressing in micromirror arrays is designed in accordance with fabrication process stability, reproducibility, and integrability with the optimized bi-layered process from previous works. Structuring of the fluorine-doped tin oxide (FTO) layer into separated column electrodes is implemented by means of metal-acid etch. Correspondingly, the micromirror layer is designed into separated row electrodes. Process parameter and optimization to achieve maximum active area out of the single module of 10 × 10 cm² are investigated and detailed. Finally, a function demonstrator consisting of four 10 × 10 cm² modules is fabricated as a proof-of-concept for the implementation of subfield addressing in micromirror arrays. Investigation of a potentially scalable lithography process is substantiated by the limited availability of bi-layered photomask in larger size. Such limitation has halted the large-area fabrication potential and consequently the application of micromirror arrays as smart window. Therefore, a fabrication method utilizing inclined UV exposure based on roll-lithography process is proposed as an alternative to the bi-layered photomask. The required process parameters, particularly the exposure angle, UV dose, and development time, are investigated and evaluated by the resulting leading-edge and undercut structures in the sacrificial photoresist layer. Diese Arbeit gibt einen umfassenden Überblick der Stand der Technik über Tageslichtlenkungs-Syste-men für Anwendungen in Gebäuden und befasst sich speziell mit MEMS basierten Mikrospiegelarrays. Der Fokus liegt dabei auf der Implementierung einer Subfeldadressierung in Mikrospiegelarrays und der Untersuchung eines potenziell skalierbaren Lithografieverfahrens für großflächige Herstellung der MEMS-Arrays, die als Forschungslücken für die geplante Anwendung der Arrays in intelligenten Fens-tern identifiziert wurden. Die Arbeit wird in Fortsetzung der erfolgreichen Prozessoptimierung und Her-stellung eines Labordemonstrators durchgeführt, die in der früheren Forschungsphase erreicht wurden. Der eingeschränkte Ansteuerungszustand eines Mikrospiegelmoduls beschränkt das Nutzungspotenzial und behindert die maßgeschneiderte Umgebungsbeleuchtung in Räumen, die in der Anwendung der Mikrospiegelarrays als Smart-Window (Smart Glass) vorgesehen ist. Das derzeitige Design der Mikro-spiegelarray kann nur als Gesamtheit (Gesamtmodul) entweder in einen offenen, geschlossenen oder gewünschten Zwischenzustand gesteuert werden. Aus diesem Grund ist eine Segmentierung eines ein-zelnen Fenstermoduls in selektiv ansteuerbare Untergruppen notwendig, um kombinierte Ansteuerungs-zustände in einem Fenstermodul zu ermöglichen. Diese Anforderung wird in dieser Arbeit durch die Implementierung einer Subfeldadressierung erfüllt. Mögliche Ansteuerungsschemata aus der Display-technologie, nämlich die direkte, passive und aktive Matrixadressierung, werden diskutiert und für eine mögliche Integration in die Mikrospiegelarrays bewertet. Konzept, Design und technologische Herstel-lung der Subfeldadressierung in 4 × 4 und 8 × 8 Passivmatrix-Anordnungen werden auf 10 × 10 cm² Glassubstraten durchgeführt. Dabei wird das Design der Subfeldadressierung unter Berücksichtigung der Stabilität des Herstellungsprozesses, der Reproduzierbarkeit und der Integrierbarkeit mit dem opti-mierten Herstellungsprozess aus früheren Arbeiten durchgeführt. Die Strukturierung der fluordotierten Zinnoxid-Schicht in getrennte Spaltenelektroden wird mittels eines Metall-Säure-Ätzprozesses realisiert. Dementsprechend wird die Mikrospiegelschicht streifenartig als getrennte Zeilenelektroden gestaltet. Die Prozessparameter werden zur Erzielung einer maximalen aktiven Fläche aus dem Einzelmodul von 10 × 10 cm² untersucht, optimiert und detailliert beschrieben. Schließlich wird ein Funktionsdemonst-rator, bestehend aus vier 10 × 10 cm² Modulen, als Konzeptnachweis für die Implementierung der Subfeldadressierung in Mikrospiegelarrays hergestellt und charakterisiert. Die Untersuchung eines potenziell skalierbaren Lithografieverfahrens wird gerechtfertigt durch die Grö-ßenbeschränkung der bisher verwendeten Bilayered-Fotomasken, die eine großflächige Herstellung und folglich die Anwendung von Mikrospiegel-Arrays als Smart-Windows bisher verhindert hat. Daher wird als Alternative zur Bilayered-Fotomaske eine Herstellungsmethode vorgeschlagen, bei der eine schräge UV-Belichtung auf der Grundlage eines Rollenlithografie-Verfahren erfolgt. Die erforderlichen Pro-zessparameter, insbesondere der Belichtungswinkel, die UV-Dosis und die Entwicklungszeit, werden untersucht und anhand der resultierenden Leading-Edge- und Undercut-Strukturen der Fotolackschicht bewertet. restricted access Entwicklung von selektiv aktuierbarer Mikrospiegelarrays und skalierbarer Lithografieverfahren für großflächige Anwendungen als Smart-Window Iskhandar, Mustaqim Siddi Que Bin 2022-07-08 Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik Hillmer, Hartmut (Prof. Dr.) Bangert, Axel (Prof. Dr.) Lithografie Tageslicht Beleuchtung publishedVersion 2024-07-08 2024-07-08 false true </resource>
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