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Die
Erfindung betrifft eine Lichtventilanordnung mit schaltbarer Transparenz,
umfassend eine Lichtventilschicht mit einer ersten Matrix, in der
Lichtventiltropfen mit darin suspendierten Partikeln einer ersten
Art angeordnet sind, wobei die Lichtventilschicht von zwei elektrisch
leitfähigen,
transparenten Elektrodenschichten begrenzt ist, wobei die Partikel in
einem durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten erzeugbaren
elektrischen Feld ausrichtbar sind. Die Erfindung betrifft weiter
ein Verfahren zur Herstellung der Lichtventilanordnung mit schaltbarer
Transparenz, umfassend eine Lichtventilschicht, die zwischen zwei
elektrisch leitfähigen, transparenten
Elektrodenschichten angeordnet wird, wobei die Lichtventilschicht
aus einer ersten Matrix gebildet wird, in der Lichtventiltropfen
angeordnet werden, die durch Suspendierung von Partikeln einer ersten
Art in einer Trägerflüssigkeit
gebildet werden, wobei die Elektrodenschichten aus einer zweiten
Matrix gebildet werden, in der leitfähige Partikel einer zweiten
Art angeordnet werden.
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Lichtventile
mit schaltbarer Transparenz, wie sie beispielsweise für Verglasungen
von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, sind Anordnungen aus zwei
einander gegenüberliegenden
Substratfolien mit aufgebrachten elektrisch leitfähigen Elektroden
und einer dazwischen liegenden Lichtventilschicht (auch SPD-Schicht
genannt – englisch:
Suspended Particle Device). Die Elektroden bestehen aus anorganischen
Materialien, beispielsweise transparenten, leitfähigen Oxiden. Die Substratfolien
sind Kunststofffolien. Die Lichtventilschicht umfasst eine Matrix,
in der Lichtventiltropfen verteilt sind, die in einer Trägerflüssigkeit
bewegliche Partikel umfassen, die in einem elektrischen Feld ausgerichtet
werden können.
Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Spannung zwischen
den Elektroden erzeugt. Liegt eine Spannung an, richten sich die
Partikel so aus, dass das Lichtventil eine größtmögliche Transparenz aufweist.
Ohne das elektrische Feld ist die Ausrichtung der Partikel ungeordnet,
so dass die Transparenz minimal ist.
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Aus
der
DE 696 09 275
T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines SPD-Lichtventils
bekannt, das folgende Stufen umfasst:
- (a) Gießen einer
Schicht aus einer halbfesten oder flüssigen Emulsion, umfassend
ein erstes vernetzbares Polymer, ein Vernetzungsmittel, einen Katalysator
und eine flüssige
Lichtventilsuspension, auf ein erstes Substrat;
- (b) Vernetzen und Härten
des Polymers durch Reaktion mit dem Vernetzungsmittel in Gegenwart des
Katalysators;
- (c) Bedecken der unbedeckten Oberfläche der vernetzten Schicht
mit einem zweiten Substrat;
- (d) Laminieren der Substrate an die Lichtventilschicht;
- (e) Versehen jedes der Substrate mit einer Elektrode vor oder
nach der Laminierung.
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Aus
der
US 6 114 405 A ist
eine Lichtventilanordnung mit schaltbarer Transparenz bekannt, bei der
eine Matrix mit darin suspendierten Lichtventiltropfen mit wiederum
darin suspendierten Partikeln zwischen zwei leitenden transparenten
Elektrodenschichten ausgebildet ist. Zur Herstellung der Lichtventilanordnung
werden Lichtventiltropfen in einem UV-härtenden
Siloxan suspendiert und die Suspension als dünne Schicht auf eine erste
Elektrodenschicht in Form einer mit Indiumzinnoxid beschichteten
Glasplatte oder eines Polymersubstrats gebracht. Danach wird die
Suspension mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet und unter Vakuum eine
weitere entsprechend hergestellte Elektrodenschicht aufgebracht.
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Aus
der
US 2004/0217929
A1 ist eine Lichtventilanordnung mit schaltbarer Transparenz
bekannt, bei der eine erste Matrix mit darin suspendierten Lichtventiltropfen
mit wiederum darin suspendierten Partikeln zwischen einer ersten
leitenden transparenten Elektrodenschicht und einer zweiten Elektrodenschicht
aus einer zweiten Matrix mit darin enthaltenden elektrisch leitfähigen Partikeln
ausgebildet ist. Zur Herstellung der Lichtventilanordnung werden Lichtventiltropfen
in einer Polymerlösung
suspendiert und die Suspension als dünne Schicht auf eine erste Elektrodenschicht
in Form einer mit einer elektrisch leitenden Schicht versehenen
Glasplatte oder eines Polymersubstrats gebracht. Danach wird die
Suspension ausgehärtet
oder getrocknet. Schließlich wird
eine leitfähige
Partikel enthaltende Polymerlösung
auf die ausgehärtete
Suspension gegeben und ebenfalls ausgehärtet oder getrocknet, wodurch
die zweite Elektrodenschicht ausgebildet wird.
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Aus
der
JP 05257152 A ist
ein LCD-Display bekannt, bei dem eine erste Matrix aus einer Flüssigkristall/Polymer-Mischung
zwischen zwei elektrisch leitenden transparenten Elektrodenschichten
aus einer zweiten Matrix mit darin enthaltenden transparenten elektrisch
leitfähigen
Partikeln ausgebildet ist. Zur Herstellung des LCD-Displays wird
zunächst
die erste Elektrodenschicht ausgebildet, indem ein UV-härtendes
Polymer mit darin enthaltenen elektrisch leitfähigen transparenten Partikeln
auf ein Substrat aufgebracht und mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet wird.
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Danach
wird auf die erste ausgehärtete
Elektrodenschicht eine UV-härtende
Flüssigkristall/Polymer-Mischung
aufgebracht und ebenfalls mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet. In
analoger Weise wird schließlich
die abschließende
Elektrodenschicht aufgebracht.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lichtventilanordnung
mit schaltbarer Transparenz und ein verbessertes Verfahren zu deren
Herstellung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Lichtventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Lichtventilanordnung
mit schaltbarer Transparenz (auch SPD-Anordnung genannt) umfasst
eine Lichtventilschicht (auch SPD-Schicht genannt) mit einer ersten
Matrix, in der Lichtventiltropfen mit darin suspendierten Partikeln einer
ersten Art angeordnet sind. Die Lichtventilschicht ist von zwei
elektrisch leitfähigen,
transparenten Elektrodenschichten begrenzt. Die Partikel der ersten
Art sind in einem durch Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten
erzeugbaren elektrischen Feld ausrichtbar. Erfindungsgemäß umfassen
die Elektrodenschichten eine zweite Matrix, in der elektrisch leitfähige Partikel
einer zweiten Art angeordnet sind. Die erste Matrix und die zweite
Matrix sind so gewählt,
dass sie sich in einem Kontaktbereich zumindest teilweise gegenseitig
durchdringen. Dies wird durch eine Anpassung der ersten und der zweiten
Matrix aneinander, das heißt
eine geeignete Wahl der für
die erste Matrix und die zweite Matrix verwendeten Materialien erreicht.
Die erste Matrix und die zweite Matrix sind einander dabei bevorzugt chemisch ähnlich,
beispielsweise indem die erste Matrix und die zweite Matrix aus
Materialien mit ähnlicher
Molekülstruktur
gebildet sind. Auf diese Weise ist eine gute Haftung zwischen der
Lichtventilschicht und den Elektrodenschichten sichergestellt, so
dass Delaminationen vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann
die Haftung zwischen den Schichten dadurch verbessert werden, dass
die zweite Matrix aufgrund der elektrisch leitfähigen Partikel eine haftungsfördernde
Oberflächenstruktur
aufweist. Die Lichtventilanordnung lässt sich auf diese Weise besser
weiterverarbeiten und weist eine erhöhte Langzeitstabilität bei Temperaturwechseln
auf, insbesondere wenn sie bei exponierten Bauteilen, wie einer Fahrzeugverscheibung
oder -verglasung eingesetzt sind.
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Die
in der Trägerflüssigkeit
beweglichen Partikel der ersten Art können in einem elektrischen
Feld ausgerichtet werden. Das elektrische Feld wird durch Anlegen
einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten erzeugt. Liegt eine
Spannung an, richten sich die Partikel der ersten Art so aus, dass
die Lichtventilanordnung eine größtmögliche Transparenz aufweist.
Ohne das elektrische Feld ist die Ausrichtung der Partikel erster
Art ungeordnet, so dass die Transparenz minimal ist.
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Alternativ
können
die erste Matrix und die zweite Matrix aus demselben Material gebildet
sein, wodurch eine besonders gute Haftung zwischen den Elektrodenschichten
und der Lichtventilschicht erreicht wird.
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Die
Elektrodenschichten sind bevorzugt auf jeweils einer Substratschicht
angeordnet. Die Elektrodenschichten können auf diese Weise sehr dünn gestaltet
werden, während
die Substratschicht die mechanische Festigkeit sicherstellt. Die
Anordnung der Elektrodenschichten auf der Substratschicht erfolgt
insbesondere durch Abscheiden, beispielsweise durch nasschemisches
Beschichten auf die Substratschicht und anschließendes zumindest partielles
Vernetzen. Alternativ kann statt des Vernetzens lediglich ein Ablüften eines
verwendeten Lösungsmittels
erfolgen. Als Substrat wird beispielsweise Polyethylenterephthalat
(PET) verwendet. Alternativ können
auch Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyvinylbutyral
(PVB) Ethylenvinylacetat (EVA) oder ein anderes thermoplastisches
Folienmaterial verwendet werden.
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Vorzugsweise
sind die leitfähigen
Partikel der zweiten Art aus Indium-Zinn-Oxid (englisch ITO – indium
tin oxide) gebildet. ITO ist ein halbleitender und dabei sehr transparenter
Stoff, so dass die Transparenz der Lichtventilanordnung nicht durch
die Partikel der zweiten Art beeinträchtigt wird.
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Als
zweite Matrix können
prinzipiell alle anorganischen, organisch modifizierten anorganischen oder
organischen Bindemittel oder Mischungen davon eingesetzt werden.
Vorzugsweise umfassen die erste Matrix und/oder die zweite Matrix
anorganische oder organisch modifizierte Bindemittel. Beispiele
für organisch
modifizierte anorganische Bindemittel sind Polyorganosiloxane oder
Siloxan-Lacke.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die erste Matrix Polydiphenyldimethylsiloxan und die zweite
Matrix 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan.
Diese Stoffe sind Polymere, die gut aneinander haften und eine hohe
Flexibilität
aufweisen.
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Die
Partikel der ersten Art können
eine Ummantelung aufweisen.
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Die
Lichtventilanordnung wird mittels eines Verfahrens hergestellt,
bei dem die Partikel der ersten Art in der Trägerflüssigkeit suspendiert werden. Die
Trägerflüssigkeit
mit den suspendierten Partikeln der ersten Art wird einer ersten
Matrix zugegeben, in der die Trägerflüssigkeit
mit den suspendierten Partikeln der ersten Art Lichtventiltropfen
bildet, innerhalb derer die Partikel der ersten Art beweglich sind.
Die Elektrodenschichten werden aus einer zweiten Matrix gebildet,
in der leitfähige
Partikel einer zweiten Art angeordnet werden. Die Lichtventilschicht
und die Elektrodenschichten werden durch Wahl der ersten Matrix
und der zweiten Matrix so gebildet, dass die erste Matrix und die
zweite Matrix sich in einem Kontaktbereich zumindest teilweise gegenseitig
durchdringen.
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Alternativ
zur Wahl der ersten und der zweiten Matrix im Sinne einer chemischen Ähnlichkeit kann
zur verbesserten Haftung zwischen der ersten und der zweiten Matrix
die zweite Matrix aufgrund der elektrisch leitfähigen Partikel mit einer haftungsfördernden
Oberflächenstruktur
derart versehen werden, dass die erste Matrix und die zweite Matrix durch
physikalische Haftung miteinander verbunden werden.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Vernetzung der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix
erst nach dem Zusammenfügen
der Lichtventilschicht und der Elektrodenschichten. Zu diesem Zweck
sind/ist die erste Matrix und/oder die zweite Matrix zuvor unvernetzt
oder lediglich teilvernetzt. Alternativ kann statt des Vernetzens
lediglich ein Ablüften
eines verwendeten Lösungsmittels
erfolgen. Auf diese Weise wird eine besonders gute Haftung zwischen
den Elektrodenschichten und der Lichtventilschicht erreicht.
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Die
Vernetzung der ersten Matrix und/oder der zweiten Matrix erfolgt
bevorzugt mittels eines Photoinitiators und UV-Licht. Auf diese
Weise wird ein unkontrolliertes Vernetzen vermieden. Stattdessen
startet die Vernetzung dann, wenn die Schichten mit UV-Licht beleuchtet
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann eine thermische Vernetzung vorgesehen sein.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Lichtventilanordnung mit einer Lichtventilschicht, zwei Elektrodenschichten
und zwei Substratschichten,
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2 die
Lichtventilanordnung in einem Zustand minimaler Transparenz,
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3 die
Lichtventilanordnung in einem Zustand maximaler Transparenz,
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4 einen
Vorgang bei der Herstellung der Elektrodenschicht.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1a ist eine Lichtventilanordnung 1 mit einer
Lichtventilschicht 2, zwei elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten 3.1, 3.2 und
zwei Substratschichten 4.1, 4.2 gezeigt.
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1b zeigt einen Ausschnitt 5 der
Lichtventilanordnung 1 aus 1a,
in dem ein Kontaktbereich zwischen der Lichtventilschicht 2 und
der Elektrodenschicht 3.2 dargestellt ist. Die Lichtventilschicht 2 umfasst
eine erste Matrix 6, in der Lichtventiltropfen 7 mit
darin suspendierten Partikeln 8 einer ersten Art angeordnet
sind. Die Partikel 8 der ersten Art sind in einem durch
Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten 3.1, 3.2 erzeugbaren
elektrischen Feld ausrichtbar. Die Elektrodenschichten 3.1, 3.2 umfassen
eine zweite Matrix 9, in der elektrisch leitfähige Partikel 10 einer
zweiten Art angeordnet sind. Die erste Matrix 6 und die
zweite Matrix 9 sind so gewählt, dass sie sich im Kontaktbereich
zumindest teilweise gegenseitig durchdringen. Dies wird durch eine
Anpassung der ersten Matrix 6 und der zweiten Matrix 9 aneinander,
das heißt
eine geeignete Wahl der für
die erste Matrix 6 und die zweite Matrix 9 verwendeten
Materialien erreicht. Die erste Matrix 6 und die zweite
Matrix 9 sind einander dabei bevorzugt chemisch ähnlich,
beispielsweise indem die erste Matrix 6 und die zweite
Matrix 9 aus Materialien mit ähnlicher Molekülstruktur
gebildet sind.
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2 zeigt
die Lichtventilanordnung 1 in einem Zustand minimaler Transparenz.
Dabei liegt keine Spannung V an den Elektrodenschichten 3.1, 3.2 an,
so dass sich kein elektrisches Feld zwischen den Elektrodenschichten 3.1, 3.2 ausbildet.
Ohne das elektrische Feld ist die Ausrichtung der Partikel 8 erster
Art ungeordnet, so dass die Transparenz minimal ist.
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3 zeigt
die Lichtventilanordnung 1 in einem Zustand maximaler Transparenz.
Dabei liegt die Spannung V an den Elektrodenschichten 3.1, 3.2 an, im
vorliegenden Fall eine Wechselspannung von 100 V. Dadurch richten
sich die Partikel 8 der ersten Art so aus, dass die Lichtventilanordnung 1 eine
größtmögliche Transparenz
aufweist. Alternativ kann die Spannung V einen von 100 V abweichenden
Wert aufweisen. Ebenso kann eine Gleichspannung vorgesehen sein.
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4 zeigt
schematisch einen Vorgang bei der Herstellung der Elektrodenschicht 3.1.
Auf die Substratschicht 4.1 wird in einem Beschichtungsschritt 20 eine
Elektrodenschichtsuspension 21, umfassend die zweite Matrix 9 mit
den darin suspendierten leitfähigen
Partikeln 10 der zweiten Art und einen Photoinitiator aufgebracht,
beispielsweise mittels Gravurdruck, Siebdruck oder mittels eines Roll-to-Roll-Verfahrens. Die leitfähigen Partikel 10 der
zweiten Art sind insbesondere aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) gebildet.
In einem Vernetzungsschritt 22 wird die Elektrodenschicht 3.1 durch UV-Beleuchtung
aus einer UV-Lichtquelle 18 vernetzt. Alternativ oder zusätzlich kann
auch eine thermische Vernetzung (insbesondere mit Hilfe einer Wärmequelle)
vorgesehen sein. Es kann eine lediglich partielle Vernetzung durchgeführt werden
um die Elektrodenschicht 3.1 beim Einbringen der Lichtventilschicht 2 zusammen
mit dieser vollständig
zu vernetzen. Statt des Vernetzens kann ein Ablüften vorgesehen sein.
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Die
Herstellung der Elektrodenschicht 3.2 auf der Substratschicht 4.2 erfolgt
auf gleiche Weise.
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Für die Vernetzung
der ersten Matrix 6 und der zweiten Matrix 9 kann
ein Photoinitiator, insbesondere für beide der gleiche Fotoinitiator
verwendet werden.
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Die
erste Matrix 6 und die zweite Matrix 9 können aus
demselben Material gebildet sein.
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Als
Substrat wird beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET) verwendet.
Alternativ kann auch Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC),
Polyvinylbutyral (PVB) Ethylenvinylacetat (EVA) oder ein anderes
thermoplastisches Folienmaterial verwendet werden.
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Als
zweite Matrix 9 können
prinzipiell alle anorganischen, organisch modifizierten anorganischen oder
organischen Bindemittel oder Mischungen davon eingesetzt werden.
Vorzugsweise umfassen die erste Matrix 6 und/oder die zweite
Matrix 9 anorganische oder organisch modifizierte Bindemittel.
Beispiele für
organisch modifizierte anorganische Bindemittel sind Polyorganosiloxane
oder Siloxan-Lacke.
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Insbesondere
umfasst die erste Matrix 6 Polydiphenyldimethylsiloxan
und die zweite Matrix 9 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan. Als
vernetzendes Monomer für
Polydiphenyldimethylsiloxan kann 3-Acryloxypropylmethyldimethoxysilan verwendet werden.
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Die
Lichtventilschicht 2 kann zumindest partiell vernetzt und
mit den Elektrodenschichten 3.1, 3.2 zusammen
vernetzt werden.
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Die
Partikel 8 erster Art und/oder die Partikel 10 zweiter
Art sind vorzugsweise Nanopartikel.
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Die
Elektrodenschichtsuspension 21 wird bevorzugt durch Vermengen
von 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan mit einer Indium-Zinn-Oxid-Paste, dem
Photoinitiator und Lösen
des dabei entstehenden Gemenges in 1-Propanol hergestellt.
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- 1
- Lichtventilanordnung
- 2
- Lichtventilschicht
- 3.1,
3.2
- Elektrodenschicht
- 4.1,
4.2
- Substratschicht
- 5
- Ausschnitt
- 6
- erste
Matrix
- 7
- Lichtventiltropfen
- 8
- Partikel
erster Art
- 9
- zweite
Matrix
- 10
- Partikel
der zweiten Art
- 18
- UV-Lichtquelle
- 20
- Beschichtungsschritt
- 21
- Elektrodenschichtsuspension
- 22
- Vernetzungsschritt
- V
- Spannung