DE102011015948A1

DE102011015948A1 - Optisches Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011015948A1
Application number: DE102011015948A
Authority: DE
Inventors: Aline Desjean
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil (1), welches in seiner Transparenz durch ein elektrisches Potenzial reversibel veränderbar ist, mit einer ersten transparenten Trägerschicht (2), einer darauf angeordneten ersten Elektrode (4), einer darauf angeordneten Fluidschicht (6) mit darin suspendierten Schwebeteilchen, einer darauf angeordneten zweiten Elektrode (5) und einer darauf angeordneten zweiten Trägerschicht (3). Das Bauteil (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (4, 5) als inertes metallisches Gitter ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil, welches in seiner Transparenz durch ein elektrisches Potenzial reversibel veränderbar ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.
Sogenannte Smart-Windows sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Smart-Windows oder Smart-Glasses bestehen im Wesentlichen aus zwei transparenten Trägerschichten sowie zwei darauf angeordneten transparenten Elektroden sowie einem dazwischen angeordneten aktiven Bereich. Dieser aktive Bereich kann vorzugsweise als fluide Schicht oder Polymermatrix mit darin suspendierten Schwebeteilchen ausgebildet sein. Wird an die Elektroden nun ein entsprechendes Potenzial angelegt, so kommt es zu einer Ausrichtung der suspendierten Schwebeteilchen und damit zu einer Transparenz des Bauteils. Reduziert man das elektrische Potenzial oder schaltet dies ganz ab, so werden die suspendierten Schwebeteilchen sich statistisch verteilt ausrichten, wodurch durch die Trägerschichten eintretendes Licht entsprechend absorbiert und das Bauteil dunkel wird. Über derartige Aufbauten lassen sich beispielsweise Fensterscheiben oder andere optische Bauteile elektrisch zwischen voller Transparenz und einem dunklen (z. B. dunkelblau) Zustand schalten. Damit kann z. B. verhindert werden, dass Wärmestrahlung eine Scheibe passiert und beispielsweise ein mit derartigen Scheiben ausgerüstetes Fahrzeug unnötig stark aufheizt.
Die Problematik bei derartigen optischen Bauteilen liegt nun darin, dass die üblicherweise verwendeten transparenten Elektroden sehr empfindlich sind. Insbesondere reicht bereits ein leichtes Durchbiegen des Bauteils aus, um Risse in der transparenten Elektrode zu erzeugen und so die Funktionalität nachteilig zu beeinflussen. Ein solches Durchbiegen und die damit verbundene Gefahr der Rissbildung kann einerseits bereits durch ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten der verschiedenen Materialien bei Erwärmung oder Abkühlung des Bauteils erfolgen und andererseits bei der Montage auftreten. Aufgrund dieser Bruchempfindlichkeit der transparenten Elektroden werden meist vergleichsweise stabile und damit schwere und teure Trägerschichten aus Glas verwendet, um den Gesamtaufbau für Lagerung und Montage so weit handhabbar zu machen, dass dieser, ohne die unmittelbar Gefahr der Beschädigung, bewegt und montiert werden kann. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Glas besteht darin, dass die transparenten Elektroden üblicherweise durch temperaturintensive Verfahren – z. B. Sputtern – auf das Substrat aufgetragen werden und viele Kunststoffe dafür nicht ausreichend temperaturbeständig sind. Aufgrund der vorgenannten materialspezifischen Anforderungen ist auch eine Umformung eines Bauteil-Halbzeuges nur in sehr engen Grenzen möglich, so dass derartige Bauteile üblicherweise planar ausgestaltet sind.
Ferner ist aus der US 5,903,382 ein Aufbau bekannt, bei welchem zwischen zwei Trägerschichten und Elektroden und ein Elektrolyt eingebracht ist. Bei entsprechender Spannung beziehungsweise entsprechendem Potenzial zwischen den Elektroden kommt es zu einer aktiven Ablagerung von Teilchen an einer der Elektroden, wodurch eine Veränderung der Farbe und/oder der Transparenz des Aufbaus erreicht wird. Dieser Aufbau ist insoweit reversibel, dass die Teilchen, welche eine chemische Bindung an der Elektrode eingegangenen sind, durch eine Umkehr des Potenzials wieder in die Lösung zurückwandern und so Farbe und Transparenz des Aufbaus wieder ändern. Die Problematik bei diesem Aufbau, welcher ein metallisches Gitter als eine der Elektroden nutzt, besteht im Wesentlichen darin, dass die Elektrode aktiv mit in den elektrochemischen Prozess eingebunden ist und dadurch eine gewisse Abnutzung der Elektrode im Laufe der Zeit auftritt. Die elektrochemische Systematik hinter diesem Aufbau verursacht außerdem im Vergleich zu den oben beschriebenen Bauteilen mit einer Fluidschicht mit darin suspendierten Schwebeteilchen ein sehr langsames Ansprechen, da die elektrochemischen Vorgänge zum Anlagern der Stoffe an die Elektrodengitter und zum erneuten Dispergieren derselben in die Lösung vergleichsweise langwierig sind und so sehr lange Schaltdauern verursachen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und ein derartiges optisches Bauteil anzugeben, welches einfach und sicher zu handhaben ist, und welches eine hohe mechanische Flexibilität aufweist. Darüber hinaus sollte auch eine komplexere, insbesondere nicht-planare Bauweise möglich sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, die bisher übliche transparente Elektrode durch eine Elektrode zu ersetzen, welche aus einem inerten metallischen Gitter gebildet ist. Unter inert im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird dabei ein metallisches Gitter verstanden, welches nicht in elektrochemische Prozesse in dem optischen Bauteil involviert ist, welches also lediglich die Funktionalität einer Elektrode eines Kondensators erfüllt und nicht, wie beim zuletzt genannten Stand der Technik, als elektrochemisch aktive Komponente miteingebunden ist. Dieser Aufbau mit einer Elektrode aus einem inerten metallischen Gitter hat dabei den Vorteil, dass das metallische Gitter, beispielsweise auf der Basis von Silber oder Kupfer, mit hoher Leitfähigkeit hergestellt werden kann. Es kann außerordentlich dünn realisiert werden, sodass keine optische Beeinträchtigung durch das metallische Gitter gegeben ist. Dennoch weist es eine sehr hohe Leitfähigkeit auf und kann in seiner Maschengröße den entsprechenden Anforderungen leicht und einfach angepasst werden. Das metallische Gitter ist im Vergleich zu einer leitfähigen transparenten Schicht sehr flexibel, was den entscheidenden Vorteil ermöglicht, dass die Trägerschichten entsprechend dünner und flexibler ausgelegt werden können. Insbesondere ist es durch das erfindungsgemäße Bauteil erstmals möglich, die Trägerschichten aus einem flexiblen umformbaren Kunststoffmaterial herzustellen, und so eine hohe Flexibilität der Vorrichtung bei der Montage zu erzielen. Insbesondere lassen sich auch während der Montage gebogene Aufbauten mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Bauteil realisieren.
Das metallische Gitter als Elektrode erlaubt außerdem eine bessere Leitfähigkeit als die bisher üblichen transparenten elektrisch leitenden Schichten. Damit lässt sich als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils eine bessere Schaltbarkeit zwischen den einzelnen Zuständen realisieren. Insbesondere lässt sich der Grad der Transparenz sehr viel einfacher einstellen. Zum Schalten zwischen voller Transparenz und einem dunklen (z. B. dunkelblau) Zustand ist eine relativ hohe Spannung notwendig, um die Schwebeteilchen auszurichten (elektrisches Feld).
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Widerstand in dem metallischen Gitter der Elektrode eine elektrische Beheizung des Aufbaus realisiert werden kann. Insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Dächern von Fahrzeugen bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen auftreten können, ist dies ein entscheidender Vorteil, da durch die Aufheizung des erfindungsgemäßen Bauteils ein sehr viel schnelleres Schalten realisiert werden kann, als bei den bisherigen Bauteilen, welche bei niedrigen Umgebungstemperaturen sehr träge reagieren. Dies kann auch zur Entfrostung der Scheibe genutzt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ist es außerdem vorgesehen, dass die wenigstens eine Elektrode als auf eine der Trägerschichten aufgedrucktes Gitter ausgebildet ist. Dieser bevorzugte Aufbau ermöglicht ein sehr einfaches Herstellen des erfindungsgemäßen Bauteils, da die Elektrode beispielsweise über Siebdruckverfahren oder ähnliches auf eine oder beide der Trägerschichten aufgebracht werden kann. So lassen sich Trägerschichten mit Elektroden vorfertigen, welche dann über die Schicht aus suspendierten Schwebeteilchen miteinander zu dem endgültigen Bauteil einfach und effizient verbunden werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus in einem ersten Schaltzustand; und
2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus in einem zweiten Schaltzustand;
In der Darstellung der 1 ist eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen optischen Bauteils 1 zu erkennen. Dieses soll als sogenanntes Smart-Glass oder Smart-Window ausgebildet sein. Der in 1 dargestellte Ausschnitt besteht dabei aus einer ersten Trägerschicht 2 sowie einer zweiten Trägerschicht 3. Diese Trägerschichten 2, 3 sind als transparente Trägerschichten 2, 3 ausgebildet und können beispielsweise aus Glas, insbesondere jedoch aus Kunststoffmaterialien, wie Polycarbonat (PC), Polymethylmetacrylat (PMMA), Polyethylenterephthalat (PET) oder ähnlichem hergestellt sein. Auf diese beiden Trägerschichten 2, 3 ist jeweils eine Elektrode 4, 5 aufgebracht. Diese kann aufgeklebt, aufgedampft oder besonders bevorzugt über ein Siebdruckverfahren aufgedruckt werden. Die Elektroden 4, 5 bestehen dabei aus metallischen Gittern, welche mit einem gut leitenden metallischen Werkstoff, beispielsweise Silber, Kupfer oder ähnlichem, auf die Trägerschichten 2, 3 aufgebracht sind. Die Elektroden 4, 5 sind dabei in der Maschengröße und der Stärke der einzelnen Stränge des Gitters so ausgebildet, dass diese eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit gewährleisten und außerdem die optische Transparenz des Bauteils 1 nicht nachteilig beeinflussen. Zwischen diesen beiden Elektroden ist dann eine Fluidschicht 6 mit darin suspendierten Schwebeteilchen angeordnet. Diese ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt, beispielhaft wird hierzu auf die DE 102008030441 B3 der Anmelderin verwiesen, welche eine derartige Schicht beispielhaft beschreibt.
Der Aufbau, insbesondere wenn er mit Trägerschichten 2, 3 aus flexiblen Kunststoffmaterialien ausgebildet ist, ist dabei sehr flexibel und leicht zu handhaben und zu montieren. Die bei den Aufbauten aus dem Stand der Technik bestehende Gefahr, dass die Elektrode beim Durchbiegen des Aufbaus beschädigt wird, ist hier weitgehend ausgeschlossen. Die hohe Flexibilität der Elektroden 4, 5 erlaubt so beispielsweise einen Aufbau des Bauteils 1, welcher während der Montage auch in eine gebogene Form gebracht werden kann. Außerdem ist er im Vergleich zum Einsatz von relativ schweren und bruchempfindlichen Gläsern als Trägerschichten 2, 3 besonders leicht. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen entsteht durch die flexiblen Trägerschichten 2, 3 außerdem ein entscheidender Sicherheitsvorteil, da im Falle eines Unfalls nicht mit Glassplittern gerechnet werden muss.
Die Elektroden 4, 5 lassen sich mit einem elektrischen Potenzial, welches hier durch eine Spannung U symbolisiert ist, ansteuern. In der Fluidschicht 6 sind Schwebeteilchen suspendiert, die im spannungslosen Zustand der Elektroden 4, 5 mit gleichmäßig in alle Raumrichtungen verteilten Ausrichtungen angeordnet sind, wie dies in 1 dargestellt ist. Das Bauteil 1 absorbiert daher durch die transparenten Trägerschichten 2, 3 hineinfallendes Licht, sodass es dunkel erscheint. In diesem Zustand kann das optische Bauteil 1 als Sichtschutz genutzt werden und verhindert außerdem das Einfallen von Wärmestrahlung, beispielsweise in ein mit einem solchen Bauteil 1 ausgestattetes Fahrzeug, sodass ein thermisches Aufheizen desselben deutlich reduziert werden kann.
Durch Anlegen eines Potenzials U werden die in der Fluidschicht 6 suspendierten Schwebeteilchen mit zunehmendem Potenzial zunehmend ausgerichtet, sodass diese alle in eine Raumrichtung weisen, so wie dies in 2 angedeutet ist. Das einfallende Licht wird dann nicht mehr absorbiert, sondern gelangt durch das Bauteil 1 hindurch, sodass bei vollem Potenzial ein vollständiges oder annähernd vollständig transparentes Bauteil 1 entsteht.
Das optische Bauteil 1 ist also durch ein geeignetes Potenzial hinsichtlich seiner Transparenz schaltbar. Da mit steigerndem Potenzial die suspendierten Schwebeteilchen stärker ausgerichtet werden, lässt sich der Aufbau in seiner Transparenz annähernd beliebig beeinflussen, sodass nicht nur zwischen einem volltransparenten und einem dunklen Zustand hin- und hergeschaltet werden kann, sondern idealerweise auch zwischen dazwischenliegenden Zuständen, bei denen die suspendierten Schwebeteilchen unterschiedlich stark ausgerichtet vorliegen, d. h. der Grad ihrer Ausrichtung variiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5903382 [0004]
DE 102008030441 B3 [0015]

Claims

Optisches Bauteil (1), welches in seiner Transparenz durch ein elektrisches Potenzial reversibel veränderbar ist, mit einer ersten transparenten Trägerschicht (2), einer darauf angeordneten ersten Elektrode (4), einer darauf angeordneten Fluidschicht (6) mit darin suspendierten Schwebeteilchen, einer darauf angeordneten zweiten Elektrode (5) und einer darauf angeordneten zweiten Trägerschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (4, 5) als inertes metallisches Gitter ausgebildet ist.
Optisches Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (4, 5) Silber und/oder Kupfer aufweist.
Optisches als inertes metallisches Gitter ausgebildetes Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (4, 5) als inertes metallisches Gitter ausgebildet sind.
Optisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Trägerschichten (2, 3) aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere aus PC, PMMA oder PET, besteht oder aus Glas besteht.
Optisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (4, 5) als auf eine der Trägerschichten (2, 3) aufgedrucktes Gitter ausgebildet ist.
Optisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden (4, 5) als reflektierende Schicht ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) auf die jeweilige Trägerschicht (2, 3) aufgedruckt werden, die beiden beschichteten Trägerschichten (2, 3) mit den Elektroden (4, 5) mit der darauf angeordneten Fluidschicht (6) mit darin suspendierten Schwebeteilchen zusammengefügt und verbunden werden, vorzugsweise durch Roll-Kalendrierung.