DE102004059995A1

DE102004059995A1 - Steuerbarer Sicht- und Sonnenschutz

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Publication number: DE102004059995A1
Application number: DE102004059995A
Authority: DE
Inventors: Axel R Hidde; Odo Klose
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft die Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes von Wärmestrahlung reflektierenden, für sichtbares Licht weitestgehend transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff. DOLLAR A Moderne Gehäusearchitektur zeichnet sich durch helle, mit Tageslicht gefüllte Räume sowie energiesparende Bauausführung aus; in der Vergangenheit konnten beide Forderungen gleichzeitig nicht erfüllt werden. Wurden große, helle Fensterflächen bevorzugt, erfolgt in den Sommermonaten eine derartig hohe Aufheizung des Gebäudes, daß viel Energie für die Kühlung der Räume aufgebracht werden muß. Wurden kolorierte Fenster vorgesehen, war das Sommerproblem gelöst, jedoch in den Windermonaten muß zusätzliche Energie für die Heizung und Beleuchtung der nicht mehr sonnenbeschienenen Innenräume aufgewendet werden und die Durchsicht und die Tageslichtsituation sind im Innenraum erschwert. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellenanordnung des steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes aus elektrochromischen und/oder elektrisch leitenden und/oder transparenten Schichten besteht und daß einzelne oder mehrere Schichten der Zellenanordnung als elektrisch isolierte oder elektrisch leitende, mechanisch-optische Gitter ausgeführt sind. DOLLAR A Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die elektrochromischen und/oder elektrisch leitenden Schichten der Zellenanordnung mittels eines Steuerung spannungsmäßig variabel, wie z. B. nach Amplitude und/oder ...

Description

Die Erfindung betrifft die Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes von Wärmestrahlung reflektierenden, für sichtbares Licht weitestgehend transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff.

Sicht-, Wärme- und/oder Sonnenschutzverglasungen bestehen aus Scheiben beschichteten Glases oder Kunststoffs. Vorgesehene Einsatzbereiche sind die Fassaden der Gebäudeausrüstung und die Fenster und Schiebe-/Aufstelldächer der Automobilindustrie. In dem auf das Volumen eingestrahlter Sonnenenergie eingewirkt wird, ist es möglich, im Inneren von Räumlichkeiten übermäßige Erwärmung zu verhindern, die besonders bei sommerlichen Temperaturen nachteilig wäre, um dadurch zur Begrenzung des für die Klimatisierung dieser Räume erforderlichen Energieverbrauchs beizutragen. Dieser Punkt ist um so bedeutsamer, da die Anzahl mit Glasfassaden ausgerüsteter Gebäudeflächen steigend ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung von IR-Strahlung reflektierenden, für sichtbares Licht weitestgehend transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff durch Beschichten eines Substrats mit Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO) durch Kathodenzerstäubung in oxidierender oder Inertgas-Atmosphäre und nachfolgendes Beschichten mit einem Metall aus der Gruppe Gold, Silber und Kupfer.

Scheiben für Gebäude und für Kraftfahrzeuge mit IR-Strahlung reflektierenden Eigenschaften sind in großer Zahl bekannt geworden. Im allgemeinen handelt es sich um Substrate aus durchsichtigem Werkstoff, zu dem neben Fensterglas, Hartglas, Verbundglas auch Kunststoffe wie vornehmlich Acrylglas gehören, die mit einer Schicht aus einem Metall der Gruppe Gold, Silber und Kupfer beschichtet sind.

In fast allen Fällen wird zusätzlich zwischen dem Substrat und der Metallschicht noch eine Schicht aus einem der bekannten Haftvermittler wie beispielsweise Nickel und/oder Chrom angeordnet und ggfs. auch zusätzlich noch eine oder mehrere dielektrische Schichten, welche die Reflexionseigenschaften und das farbliche Aussehen günstig beeinflussen sollen. Schließlich ist es gleichfalls bekannt, zum Schutz der Schicht oder der Schichtkombination noch eine Deckschicht aus einem resistenten Dielektrikum oder eine aufgesetzte Glasscheibe vorzusehen.

Für die Herstellung derartiger Scheiben sind auch eine Vielzahl von Verfahren bekannt geworden, die teils von den Prinzipien des Vakuumaufdampfens, des Kathodenzerstäubens, teils aber auch von der galvanischen Abscheidung Gebrauch machen. Die meisten der durch die bekannten Verfahren hergestellten Scheiben haben brauchbare, IR-Strahlung reflektierende Eigenschaften, d.h. sie lassen Licht des sichtbaren Spektralbereichs weitgehend durch, reflektieren jedoch den größten Teil der IR-Strahlung. Fragen hinsichtlich einer wirtschaftlichen Fertigung sowie der Haltbarkeit sind noch zu behandeln.

Im folgenden wird der Stand der Technik bezüglich Wärmeisolation und Sonnenschutz bei geschichtetem, transparentem Material gewürdigt.

Das europäische Patent EP 0 783 961 B1 / DE 697 22 831 T2 stellt eine Verbundglasscheibe für Sonnenschutz, mechanischen Schutz und Feuerschutz vor. Die Veröffentlichung beschreibt ein Verbundglas, das aus mindestens zwei transparenten Scheiben besteht, die durch einen Komplex auf der Basis eines Harzes voneinander getrennt sind bzw. die durch ein im allgemeinen transparentes Harz miteinander verbunden sind. Außerdem ist in dem Komplex auf der Basis von Harz eine Abschirmung eingebettet, die gegebenenfalls ein durchlöchertes Metallblech umfaßt, dessen wenigstens einseitiger Überstand umgebogen ist.

Das entstandene Produkt weist eine höhere Beständigkeit auf, besticht durch seine ästhetischen Charakteristika und zeichnet sich durch stabilen Produktionsdurchlauf aus. Es besitzt keine steuerbaren Funktionen.

Das Patent EP 0 844 219 B1 / DE 697 07 396 T2 behandelt Glassubstrate, beschichtet mit einem Dünnschichtaufbau für Sonnenschutz und/oder thermische Isolierung. Die Anmeldung betrifft transparente Substrate, die aus einem starren anorganischen Material wie Glas oder einem organischen Material wie einem starren, halbstarren oder nachgiebigen Polymer des Typs PMMA oder PET bestehen, wobei die Substrate mit einem Aufbau aus dünnen Schichten überzogen sind, der mindestens eine Schicht mit metallischem Verhalten enthält, die auf Sonneneinstrahlung und/oder langwellige Infrarot (IR)-Strahlung einwirken kann. Die Verwendung dieser Substrate zielt auf die Ausrüstung von Gebäuden und auch von Fahrzeugen.

Ziel der vorgestellten Erfindung ist die Senkung des Energiedurchlaßgrads g < 30% bei gleichzeitiger Beibehaltung eines sehr neutralen und bei Reflexion angenehmen Farbtons und einem guten Kompromiß zwischen thermischen und optischen Eigenschaften.

In der europäischen Patentschrift EP 0 638 528 B1 / DE 694 04 006 T2 werden transparente Substrate mit einem Dünnschichtstapel mit mindestens einer Metallschicht, die auf die Sonnenstrahlung und/oder die Infrarotstrahlung mit großer Wellenlänge einwirken kann, zur Verwendung in Verglasungen für thermische Isolation und/oder Sonnenschutz. Ein Schichtaufbau, der Substraten solche Eigenschaften verleiht, besteht aus mindestens einer Metallschicht, wie einer Silberschicht, die zwischen zwei Schichten aus einem dielektrischen Material, wie einem Metalloxid, angeordnet ist. Dieser Aufbau wird durch eine Abfolge von Beschichtungen hergestellt, die durch ein Vakuumverfahren, wie die magnetfeldgestützte Kathodenzerstäubung, aufgebracht werden.

Die hier vorgestellte Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Dicke der ersten Schicht mit Reflexionsvermögen im Infrarot (IR), d.h. der dem Trägersubstrat am nächsten liegenden Schicht, 50% ... 70% und insbesondere 65% derjenigen der zweiten Schicht mit Reflexionsvermögen im IR derart entspricht, daß das optische Erscheinungsbild der Verglasung unter von außen auffallendem reflektiertem Licht unabhängig vom Einfallswinkel gleich bleibt.

Patentschrift EP 0 678 483 B1 / DE 692 28 007 T2 stellt ein Glassubstrat mit einer dünnen Mehrschichtbekleidung für Sonnenschutz vor, bei dem das mit dünnen Schichten überzogene Substrat ggfs. auch als Einscheiben-Verglasung verwendbar ist. Es wird ein Substrat mit mehreren dünnen Schichten vorgestellt, welches auf effiziente Weise eine Sonnenschutzfunktion ausübt, auf der beschichteten Seite sowohl mechanisch als auch chemisch sehr widerstandsfähig ist und auf der Glasseite unter reflektiertem Licht eine Palette an Färbungen und spektralen Farbanteilen bietet.

Das Glassubstrat umfaßt eine Funktionsschicht, die zur Gruppe der rostfreien Stähle gehört. Alternativ wird eine Funktionsschicht aus d = 10 nm ... 100 nm starker Tantal-Basis vorgeschlagen. Die Schicht auf der Basis von rostfreiem Stahl wird auf einer Metalloxidschicht angeordnet, die im folgenden als Haftschicht bezeichnet wird und auf der Basis von Titanoxid, Zinnoxid oder Tantaloxid ist. Sie ist außerdem mit einer anderen Schicht aus einer Metallverbindung überzogen, die im folgenden als Deckschicht bezeichnet wird, bestehend aus Titanoxid, Titannitrid, und Tantaloxid. Die Funktionsschicht kann auch nitriert sein.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 200 11 057 U1 beschreibt einen steuerbaren Sicht- und Sonnenschutz, bestehend aus Schirm, Stromregler mit einer Schaltung zur Einstellung der Spannungshöhe und der Form der Einstellung der einzelnen Ausgänge, und einem stufenlosen Wählknopf, wobei der Schirm zwei durchsichtige, flach aufeinander geklebte dünne Scheiben umfaßt, wobei auf einer oder beiden der gegenüberliegenden Oberflächen der Scheiben abschnittsweise, im wesentlichen die gesamte transparente Fläche der Scheiben bedeckend, eine oder mehrere Lagen einer Beschichtung aus elektrisch leitendem, in spannungslosem Zustand durchsichtigen Kunststoff aufgebracht sind, jeder Abschnitt der Beschichtung jeweils eine Stromzuleitung hat, die einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt an den Spannungsausgang des Stromreglers angeschlossen sind, wobei mit Hilfe des Stromreglers die Ausgangsadresse einstellbar ist und ausgewählte Abschnitte der Beschichtung mit Spannung versorgt werden können und die Abschnitte mit einem Kunststoff belegt sind, der bei Anlegen einer äußeren Spannung seine Farbe und Farbdichte/Tönung verändert, wobei die spannungsversorgten Abschnitte der Beschichtung eine dunkle Tönung aufweisen.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 15 196 A1 beschreibt eine Glasscheibe als Vorprodukt für eine thermisch vorgespannte und/oder gebogene Glasscheibe mit Sonnenschutz- und/oder Low-E-Beschichtung. Die Glasscheibe weist als Vorprodukt für die Herstellung einer thermisch vorgespannten und/oder gebogenen Glasscheibe eine Beschichtung von mindestens einer lichtdurchlässigen Silberschicht, einer unter der Silberschicht angeordneten unteren Einbettungsschicht und einer über der Silberschicht angeordneten suboxidischen oberen Einbettungsschicht auf, wobei die obere Einbet tungsschicht aus mindestens d = 3 nm starkem, suboxidischem Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO) besteht.

Die eine oder mehrere Schichtfolgen umfassende Beschichtung soll besonders wirtschaftlich sein und die Herstellung von thermisch vorgespannten und/oder gebogenen Glasscheiben mit hoher Lichtdurchlässigkeit und niedriger Emission und/oder guten Sonnenschutzeigenschaften, d.h. niedriger Energiedurchlässigkeit bei gleichzeitig hoher Lichtdurchlässigkeit, ermöglichen. Dabei soll der Streulichtanteil in Transmission der beschichteten und wärmebehandelten Glasscheibe möglichst gering sein. Die Beschichtung soll außerdem mechanisch und chemisch beständig sein.

Werden mehrere solcher Schichtfolgen innerhalb einer Beschichtung verwendet, bildet die obere Einbettungsschicht einer Schichtfolge die untere Einbettungsschicht für die nächste Schichtfolge, wobei jedoch vorzugsweise zwischen diesen Schichtfolgen eine weitere dielektrische Schicht vorzusehen ist, die zusammen mit den Einbettungsschichten als entspiegelnde Fabry-Perot-Abstandsschicht zwischen den jeweiligen Silberschichten wirkt.

Zwecks Verbesserung der Kratzfestigkeit der Beschichtung kann zwischen der Silberschicht und der oberen Einbettungsschicht jeweils eine dünne Haftschicht aus Cr, NiCr, Ni, Zr und/oder Ti oder Edelstahl oder deren Suboxiden vorgesehen werden; derartige Haftschichten absorbieren Licht im sichtbaren Spektralbereich, ihre Dicken betragen üblicherweise wenige Nanometer, um die Lichtdurchlässigkeit der Beschichtung möglichst wenig zu reduzieren.

Dünne, äußere Schutzschichten zwecks Verbesserung der mechanischen und/oder chemischen Beständigkeit haben ebenfalls eine Dicke von wenigen Nanometern und bestehen insbesondere aus TiO₂-, SiO₂- oder Si₃N₄-Material.

Die erzielten Ergebnisse lauten wie folgend.

Ohne thermische Behandlung, komplexer Brechungsindex n + jk
n = 2,23 (λ = 380 nm) ... n = 1,94 (λ = 780 nm)
k = 0,12 (λ = 380 nm) ... k = 0,08 (λ = 450 nm) ... k = 0,04 (λ = 780 nm)
Lichtdurchlässigkeit 78%, Flächenwiderstand R_A = 5,8 Ω.

Nach thermischer/m Behandlung/Vorspannen, komplexer Brechungsindex n + jk
k « 0,01 (λ = 450 nm)
Lichtdurchlässigkeit 84,5%, Flächenwiderstand R_A = 4,2 Ω.

Die Zunahme der Lichtdurchlässigkeit wird dabei zumindest teilweise durch das Aufoxidieren der suboxidischen Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO)-Einbettungsschicht(en) verursacht, während das Gleichbleiben bzw. die Abnahme des Flächenwiderstands der Beschichtung signalisieren, daß die Silberschicht(en) die Wärmebehandlung unzerstört übersteht (-stehen).

Die deutsche Patentschrift DE 42 39 003 C2 beschreibt einen mechanischen Sonnenschutz, wie z.B. Lamellen, mit lichtlenkenden Eigenschaften derart, daß die Lamellen einerseits eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche aufweisen und andererseits auf Ober- und/oder Unterseite der Lamellen zusätzlich eine Sägezahnstruktur im Schnitt linearer, konkaver oder konvexer Kurvenformen besitzen. Die zusätzliche Profilierung soll eine vorbestimmbare Lichtlenkung durch – u.a. mehrfacher Reflexion – diffuser Himmelsstrahlung in den Raum des Gebäudes ermöglichen.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 37 04 880 A1 beschreibt ein transparentes leitfähiges Schichtsystem insbesondere für Solarzellen oder heizbare Fensterelemente, welches eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine hohe optische Transparenz bietet, in dem zwischen zwei, je eine leitfähige Schwermetallverbindung enthaltende Halbleiterschichten eine Metallschicht angeordnet wird. Der Flächenwiderstand der Halbleiterschichten beträgt dabei weniger als R_a = 40 Ω/⎕. Transparente, leitfähige Schichten werden beispielsweise bei der Herstellung von Widerständen, heizbaren Fenstern, antistatischen Fenstern, transparenten Elektroden, Infrarot (IR)-Reflektoren, optischen Filtern und selektiven Sensoren verwendet. Eine höhere Leitfähigkeit kann mit dünnen Metallschichten erzielt werden, die bereits bei Schichtdicken von d = 10 nm einen Flächenwiderstand von R_a = 10 Ω/⎕ erreichen. Allerdings liegt die Transmission einer auf Glas aufgedampften Metallschicht mit einer Schichtdicke d < 30 nm bereits unter 50%. Halbleiterschichten wirken bei einem auf Glas oder Acrylglas als Substrat aufgebrachten Schichtsystem zugleich als reflektionsmindernde Schicht und können durch Anpassung ihrer Schichtdicke für ein bestimmtes Transmissionsmaximum optimiert werden. Dabei muß die optische Schichtdicke n·d gleich oder gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge λ des durchgelassenen Lichts sein. Für eine Wellenlänge von λ = 550 nm ergibt sich bei einer Brechzahl von n ≈ 2 eine Schichtdicke von ca. 140 nm. Wird diese Schicht in zwei Hälften von je 70 nm Stärke geteilt und dazwischen eine Metallschicht von 5 ... 30 nm Stärke angeordnet, so liegt die Transparenz dieses Schichtsystems wesentlich höher als die einer gleich starken Metallschicht ohne benachbarte Halbleiterschichten.

Eine weitere Anwendung mit einem anderen Ansatz wird verfolgt bei der Lösung der Blendung von Spiegeln im Automobilbereich. Dort kommen überwiegend elektrochromische Lösungen zum Einsatz, wie in der europäischen Schrift EP 0 434 452 A1 dargestellt. Elektrochromische Lösungen und Einrichtungen basieren auf dem Einsatz von 5% Volumenprozenten nichtpolymerisiertem Material, wie z.B. Cyanoethylsaccharose, welches einen hohen Volumenwiderstand und eine große Dielektrizitätskonstante besitzt, um den Leckstrom klein zu halten bei nicht übermäßigem Anstieg der Viskosität der Lösung. Große Mengen dieses Materials können verwendet werden, obwohl die Viskosität der Lösung bei Raumtemperatur bis zu dem Punkt eines verhinderten Vakuumbildens steigt, im Einklang mit der Nutzung anderer Möglichkeiten dieser Lösung, wie niedriger Leckstrom und hohe Speicherzeit eines farbigen oder transparenten Zustands.

Weitergehende Beschreibungen der Anwendung werden in den europäischen Veröffentlichungen EP 0 430 686 A2 , 'Electrochemichromic Viologens', und EP 0 430 684 B1 , 'Electrochemichromic Solutions and Devices Containing such Solutions', offenbart; dort wird auch eine typische elektrochromische Zellenanordnung dargestellt. Die Zellenanordnung besteht aus einem Paar Halbwellen-Natronkalk-Glassubstrat, die auf ihren, nach Innen weisenden Oberflächen je einen Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO)-Überzug eines Flächenwiderstands von R_a = 15 Ω/⎕ tragen. Die Scheiben sind seitlich durch eine Epoxidharz-Dichtung verschlossen. Der Innenabstand der Scheiben zueinander beträgt d = 150 μm; sowohl Epoxidharz- als auch Glas-Abstandhalter werden eingesetzt. Damit diese Zellenanordnung als Spiegel eingesetzt werden kann, wird auf der rückwärtigen Oberfläche eine Reflektorschicht aus Silber aufgetragen. Die elektrisch leitenden ITO-Schichten werden mit elektrischen Anschlüssen verbunden, so daß die angelegte Spannung einen Strom durch die zwischen den Scheiben eingebrachte Lösung fließen läßt, wobei steigende Spannung den Spiegel verdunkelt. Die elektrochromische Lösung weist ein chemisches Redoxpaar auf, das abhängig von einer angelegten Spannung farbig oder farblos gemacht werden kann.

Soll die Anordnung als Fensterelement Verwendung finden, muß auf die Silber-Reflektorschicht verzichtet werden.

Eine weitergehende, sehr ausführliche Beschreibung obiger Anordnung 'Elektrochromischer Spiegel und Reflektionsschicht für diesen' ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 15 478 A1 offenbart. Die hier beschriebene Anordnung stimmt überein mit der oben offenbarten elektrochromischen Zelle und bildet einen elektrochromischen Spiegel zum Ausführen einer Farbänderung in Abhängigkeit von einer an diesen angelegten Spannung, folgendes umfassend.

Ein erstes Glassubstrat, welches lichtdurchlässig ist, ein zweites Substrat, welches im wesentlichen parallel zum ersten Substrat angeordnet und um einen vorbestimmten Abstand von dem ersten Substrat beabstandet ist, um einen Raum zwischen diesen auszubilden;
eine erste und zweite Elektrode, welche auf gegenüberliegenden Seiten des ersten und zweiten Substrats dem Raum zugewandt angeordnet sind, um eine Spannung zur Verfügung zu stellen, wobei die erste Elektrode lichtdurchlässig ist;
eine elektrochromische Verbindung, welche in dem Raum zwischen dem ersten und zweiten Substrat angeordnet ist, um eine Farbänderung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung auszuführen;
und eine Reflexionsschicht, welche aus einer Aluminium-Titan (Al/Ti)-Legierung, hergestellt und auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, um das über das erste Substrat eintretende Licht teilweise zum ersten Substrat zu reflektieren.

Weiterhin werden differente Anordnungen offenbart, bei denen im wesentlichen die Reflexionsschicht, aber auch die Basis-, Haft- und Schutzschicht in der elektrochromischen Zellenanordnung variiert.

Die vorgestellten Wärme- und Sonnenschutzverglasungen und Spiegelanordnungen eignen sich jedoch nicht für eine Applikation als steuerbare Sicht- und Sonnenschutzeinrichtung für ein Fensterelement. Die eingebrachte Wärmeisolations- und Sonnenschutzfunktion ist weitgehend fest vorgegeben und bestenfalls durch implantierte Materialien und vorgegebene Wellenlängen beeinflußbar. Weiterhin ist die Transparenz sichtbaren Lichts durch die vorgestellten Schichten der Applikationen zu verbessern. Während die erstgenannten Verfahren – ohne elektrischen Einfluß – relativ langsam ablaufen, sorgt die elektrochromische Methode für schnelle farbliche Veränderungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorgestellten Lösungen dahingehend weiter zu entwickeln, daß sie für eine Anwendung als steuerbarer Sicht- und Sonnenschutz in Frage kommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zellenanordnung des steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes aus elektrochromischen und/oder elektrisch leitenden und/oder transparenten Schichten besteht und daß einzelne oder mehrere Schichten der Zellenanordnung als elektrisch isolierte, mechanisch-optische Gitter ausgeführt sind.

Die erzielten Vorteile mit der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch das Vorhandensein von elektrochromischen Schichten mit Maschengittern innerhalb der Zellenanordnung ein flexible zu handhabendes Fensterelement geschaffen wird. Durch die Zusammensetzung der elektrochromischen Schicht kann das äußere, farbliche Erscheinungsbild der Verglasung des Gebäudes abgestimmt werden. Durch Anlegen einer minimalen Spannung läßt sich der Energiedurchlaßgrad g und der Lichtransmissionsgrad T_L händisch oder automatisiert, wie z.B. nachgeführt durch einen Helligkeitsfühler oder Sonnenstandssensor, lokal für ein Fenster oder global für eine verglaste Gebäudefront, einstellen unter Beibehaltung einer guten, optischen Transparenz im sichtbaren Bereich.

Moderne Gebäudearchitektur zeichnet sich durch helle, mit Tageslicht gefüllte Räume sowie energiesparender Bauausführung aus; in der Vergangenheit konnten beide Forderungen gleichzeitig nicht erfüllt werden. Wurden große, helle Fensterflächen bevorzugt, erfolgt in den Sommermonaten eine derartig hohe Aufheizung des Gebäudes, daß viel Energie für die Kühlung der Räume aufgebracht werden muß. Wurden kolorierte Fenster vorgesehen, war das Sommer-/Sonnenproblem gelöst, jedoch in den Wintermonaten muß zusätzliche Energie für die Heizung und Beleuchtung der nicht mehr sonnenbeschienenen Innenräume aufgewendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind den Bildern dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen wie folgend

1: Schematische Schnittansicht einer elektrochromischen Zellenanordnung

2: Perspektivischer Ausschnitt der elektrochromischen Zelle mit Maschengitter.

Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterung der Bilder.

Die elektrochromische Zellenanordnung des steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes zum Erzielen einer Farbänderung in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung umfaßt folgendes, 1, ein erstes Substrat 11, ein zweites Substrat 12, eine erste Elektrode 13 und eine zweite Elektrode 14 und ein elektrochromisches Elektrolyt 15. Da die Zellenanordnung als Fensterelement Verwendung finden soll, müssen alle Schichten hoch- bis mindestens transparent sein. Das zweite Substrat 12 ist im wesentlichen parallel zum ersten Substrat 11 angeordnet und von dem ersten um einen vorbestimmten Abstand von ca. 150 μm zum Ausbilden eines Zwischenraums beabstandet. Die erste 13 und zweite Elektrode 14 sind jeweils an gegenüberliegenden Flächen des ersten 11 und zweiten Substrats 12, welche dem Zwischenraum zugewandt sind, angeordnet, um eine Spannung zur Verfügung zu stellen. Die elektrochromische Verbindung 15 ist in dem Zwischenraum zwischen der ersten 13 und zweiten Elektrode 14 angeordnet, um in Abhängigkeit der angelegten Spannung eine Farbänderung auszuführen. Der durch das elektrochromische Elektrolyt 15 gefüllte Zwischenraum ist mit einer Dichtung 16 aus inertem Werkstoff abgeschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste 11 und zweite Substrat 12 aus Glas hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausprägung sind die erste 13 und zweite Elektrode 14 aus Indium-Zinn-Oxide (Indium Tin Oxid – ITO) hergestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführung ist die Schicht 14 als Schutzschicht ausgeführt und die für gute Anhaftung an dem Glassubstrat sorgende Basisschicht 17 bildet dann die Elektrode aus Indium-Zinn-Oxide (Indium Tin Oxid – ITO). Schutzschicht 14 als Zwischenschicht und Elektrode 17 können die nach Außen wirkende, farbliche Gestaltung beeinflussen.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht eine Schutzschicht 18 jenseits der Elektrode 12 vor; die Schutzschicht in Verbindung mit der Elektrode gereicht ebenfalls zur Farbgebung nach Außen.
Um dem Nachteil der elektrochromischen Methode, die mangelnde Transparenz im sichtbaren Bereich nach erfolgter Verdunkelung, zu begegnen, sind die Schichten der erfindungsgemäßen Anordnung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 ausgebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. 2 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Ausführung in perspektivischer Darstellung mit der Schicht 15 als Maschengitter 25; der sonstige Aufbau 21...24 und 26...28 entspricht dem von 1. Die hier äquidistant angenommenen Maschenweiten werden durch die Abstände a·b gebildet und die Maschenöffnung durch die Abmessungen e·f; die Maschengeometrie des Gitters muß weder quadratisch noch rechteckig sein, sondern ist nach Aufgabenstellung ausgeprägt.
Weiterhin ist hier die Gitterbildung beispielhaft auf die Schicht 15 angewendet worden; es ist ebenfalls möglich, andere und/oder weitere Schichten ebenfalls mit einem Maschengitter zu versehen.
Auch ist vorgesehen, zusätzlich zu den vorhandenen Schichten ein elektrisch leitendes oder nicht leitendes Maschengitter 25 aus inertem Werkstoff einzubringen; das elektrisch leitende Gitter kann darüber hinaus elektrisch gesteuert sein.
Mit der Öffnung der Schichten der Zellenanordnung werden zwei Ziele verfolgt. Zum einen soll die Öffnung helfen, die Transparenz der Zellenanordnung im sichtbaren Bereich für den künftigen Einsatz als Fensterelement zu verbessern. Die Aufgabe besteht in der Optimierung der Lichtdurchlässigkeit, Transparenz im sichtbaren Bereich, durch die Zellenanordnung bei gleichzeitiger, möglichst gleichverteilter Verdunklung bei starker Einstrahlung. Trotz Verdunkelung der Scheiben im IR- und/oder UV-Bereich, soll eine gute Durchsicht und eine tageslichtähnliche Situation im Innenraum erhalten bleiben.
Im zweiten Fall handelt es sich um die Anwendung des Huygens-Fresnelschen Prinzips, der Beschreibung der Wellenausbreitung durch Elementarwellen. Das Huygens-Fresnelsche Prinzip gilt nicht nur elastische Wellen, sondern allgemein für jede Wellen ausbreitung, wie z.B. für Oberflächenwellen, Lichtwellen, Materiewellen, etc., und beschreibt eine Ersatzanordnung für den Ausbreitungsvorgang für eine Welle durch eine neue, kugelförmige Elementarwelle (Stand: H. Vogel: Physik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York).
Trifft eine Welle auf einen Schirm, in dem sich eine Öffnung befindet, deren Durchmesser klein gegenüber der Wellenlänge ist, so breitet sich hinter dem Schirm um die Öffnung als Zentrum eine Kugelwelle aus; sie rührt von den Elementarwellen her, die von dem Ausschnitt der primären Welle ausgehen, der in die Öffnung eintritt. Diese Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung beim Durchgang durch eine Öffnung oder einen Spalt heißt Beugung. Ein Beugungsgitter weist parallele Spalte auf einem Schirm aus, der Abstand d heißt Gitterkonstante. Der Gangunterschied h zwischen parallelen Strahlen der Elementarwellen benachbarter Gitterspalten ist h = d·sin α; maximale Erregung findet man in allen Richtungen d·sin α = z·λ, denn dort überlagern sich die Elementarwellen gleicher Phase. Zwischen diesen Richtungen löschen sich bei sehr vielen Spalten die Wellen praktisch aus. z = 0, 1, 2, 3 ... heißt Ordnungszahl der Interferenz, h = z·λ. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch das partielle Abdunkeln des immateriellen, elektrochromischen Gitters die Durchsicht und die Tageslichtsituation im Innenraum erhalten bleiben.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß Gitterpunkte der Schichten der Zellenanordnung des steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes elektrisch leitend und daß elektrisch leitende Gitterpunkte teilweise und/oder ganz elektrisch miteinander verbunden sind und die Gitterpunkte mittels einer Steuerung spannungsmäßig variabel, wie z.B. nach Amplitude und/oder Frequenz, versorgt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich dadurch, daß die Maschenweiten und die -öffnungen in beiden Koordinaten des Gitternetzes der Zellenanordnung in Abhängigkeit zu einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich stehen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind teilweise oben offenbart. Die dargestellten Ausprägungen bieten Möglichkeiten des Aufbaus eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes mit steuerbarer Sichteinschränkung, wie z.B. Abdunkelung mit Durchsicht, einstellbarem Blendschutz, wie z.B. Anti-Blendung und Reflektion, und Wärmeisolation nach Vorgabe.
Die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzansprüche wider.

11, 21: Glassubstrat, hochtransparent
12, 22: Glassubstrat, hochtransparent
13, 23: Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO), transparent
14, 24: Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO), transparent, oder Schutzschicht
15: Elektrolyt, elektrochromische Verbindung
25: Elektrolyt, elektrochromische Verbindung, als Maschengitter
16, 26: Dichtung aus inertem Werkstoff
17, 27: Basisschicht oder Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO), transparent
18, 28: Schutzschicht
a, b: Maschenweite a·b
d: Schichtdicke, Spaltabstand
e, f: Maschenöffnung e·f
g: Energiedurchlaßgrad
h: Gangunterschied
ITO: Indium Tin Oxid/Indium-Zinn-Oxid
IR: Infrarot
n: Brechzahl
n + jk: Komplexer Brechungsindex
PET: Polyethylenterphthalat
PMMA: Polymethylmetacrylat
R_A: Flächenwiderstand
R_a: Spezifischer Flächenwiderstand
T_L: Lichtransmissionsgrad
UV: Ultraviolett
z: Ordnungszahl der Interferenz 0, 1, 2, 3, ...
α: Beugungswinkel
λ: Wellenlänge
⎕: Flächenelement
⇐: Lichteinfall
Al: Aluminium
Cr: Chrom
Ni: Nickel
SiO₂: Siliziumdioxid
Si₃N₄: Metalloxinitrid, Metallnitrid
Ti: Titan
TiO₂: Titandioxid
Zr: Zirkonium
Å: Ångström, m^–7
nm: Nanometer, m^–9
μm: Mikrometer, m^–6
V: Volt
Ω: Ohm
%: Prozent

Claims

Die Erfindung betrifft die Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes von Wärmestrahlung reflektierenden, für sichtbares Licht weitestgehend transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenanordnung des steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes aus elektrochromischen und/oder elektrisch leitenden und/oder transparenten Schichten besteht und daß einzelne oder mehrere Schichten der Zellenanordnung als elektrisch isolierte, mechanisch-optische Gitter ausgeführt sind.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gitterpunkte der Schichten der Zellenanordnung elektrisch leitend ausgeführt sind.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitende Gitterpunkte der Schichten der Zellenanordnung teilweise und/oder ganz elektrisch miteinander verbunden sind.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenweiten in beiden Koordinaten des Gitternetzes der Schichten der Zellenanordnung in Abhängigkeit zu einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich stehen.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenöffnungen in beiden Koordinaten des Gitternetzes der Schichten der Zellenanordnung in Abhängigkeit zu einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich stehen.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Gitterpunkte bzw. die Maschenöffnungen der Schichten der Zellenanordnung derart gestaltet werden, daß die Transparenz im sichtbaren Bereich geringste Verluste aufweist.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere Koordinatenpunkte des elektrisch leitenden Gitternetzes der Schichten der Zellenanordnung mittels einer Steuerung spannungsmäßig variabel, wie z.B. nach Amplitude und/oder Frequenz, versorgt werden können.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Farbgebung und/oder die Farberscheinung aus der elektrochromischen und/oder chemischen Materialzusammensetzung der Schichten ergibt.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zellenanordnung durch Gitternetze mehrerer Schichten, auch z.B. versetzt und mit unterschiedlichen Maschenweiten und -öffnungen, als mechanische und/oder elektrische Ausführung, auszeichnet.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschengitter in den Indium-Zinn-Oxid (Indium Tin Oxid – ITO)-Schichten durch mechanische oder chemische Bearbeitung hergestellt wird.
Einrichtung eines steuerbaren Sicht- und Sonnenschutzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschengitter in den Schichten nach druck- und galvanotechnischen Verfahren hergestellt wird.