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Die Erfindung betrifft ein adaptives optisches Modul, insbesondere für Scheiben oder Fensteranwendungen mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten transparenten Substraten und einem Aktor, wobei der Lichtdurchfluss durch das Modul, dass heisst die Transparenz, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Lichtintensität, variabel eingestellt werden kann.
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Stand der Technik
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In der modernen Architektur werden zunehmend große verglaste Flächen als Designelemente eingesetzt. Die Steuerung des Lichtdurchflusses für solche, Fenster oder scheiben- oder fensterartigen Bauteile oder auch bei Autoscheiben ist eine wünschenswerte Funktionalität, da eine intensive direkte Sonneneinstrahlung zu unkomfortablen hohen Innenraumtemperaturen und Blendung führen kann. Neben althergebrachten und konventionellen Lösungen wie die Anbringung von Jalousien, Rollläden oder Markisen vor den Fensterflächen, gibt es mittlerweile weitere technisch aufwändige Abschattungssysteme mit optisch schaltbaren Schichten.
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Zur Umsetzung der Steuerung des Lichtdurchflusses ist unter anderem aus der Offenlegungsschrift
WO 03/098271 bekannt, eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Polarisatoren und transparenten Elektroden vorzusehen. Durch ein angelegtes elektrisches Feld werden die Flüssigkristalle gedreht und so der Lichtdurchfluss variiert. Die Integration der Flüssigkristalltechnologie in großen Flächen, wie zum Beispiel Fenstern oder gar ganzen Fensterfassaden ist jedoch aufwendig und kostenintensiv.
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Eine andere Methode die Lichtdurchlässigkeit in Scheiben oder Fenstern variabel einzustellen, ist die Verwendung so genannter elektrochromer Gläser, die zum Beispiel in der
EP 1 012 661 und der
EP 1 101 741 B1 beschrieben ist. Die Verdunkelung der Gläser beruht hierbei auf der Verfärbung von Farbstoffen aufgrund eines elektrischen Stromes.
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Des Weiteren ist es bekannt die Änderung der Transparenz mittels lichtlenkenden Strukturen zu erzielen. Es ist zum Beispiel aus der
DE 195 42 832 A1 bekannt Prismen, die auf Lamellen angeordnet werden, drehbar zu lagern. Diese können vor einzelnen Scheiben platziert werden. Die Lamellen können mechanisch angesteuert und die Ausrichtung der lichtlenkenden Strukturen und damit der Lichtdurchfluss variiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein adaptives optisches Modul, insbesondere für Scheiben und Fensteranwendungen, vorgeschlagen, welches mindestens zwei parallel übereinander gelagerte, transparente planparallele Substrate und mindestens einen Aktor umfasst, wobei auf und/oder in den Flächen der transparenten Substrate ein oder mehrere optisch wirksame Flächenstrukturelemente angeordnet sind und die Substrate durch den Aktor von einem Ausgangszustand maximaler Transparenz, bis zu einem Endzustand minimaler Transparenz, reversibel gegeneinander verschiebbar sind.
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Erfindungsgemäß wird damit ein adaptives Modul bereitgestellt, mit dem der Lichtdurchfluss, ausgehend von einer oder mehreren Lichtquellen, durch die Flächen der transparenten Substrate auf einfache Weise variabel eingestellt werden kann. Die Substrate sind dabei in einer Sandwichanordnung übereinander verschiebbar positioniert. Es können zwei aber auch mehr Substrate im optischen Modul in einer solchen Sandwichanordnung eingesetzt werden.
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Die transparenten ebenen Substrate des erfindungsgemäßen adaptiven optischen Moduls sind vorzugsweise als planparallele Bauelemente ausgestaltet und können beispielsweise eine flache Scheibe oder Platte aus Glas, Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat sein. Ein Substrat im Sinne der Erfindung kann also beispielsweise eine Glasscheibe sein.
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Optisch wirksame Flächenstrukturelemente im Sinne der Erfindung sind ebene, flächige, im Wesentlichen zweidimensionale Strukturelemente, die partiell die Flächen der Substrate, beispielsweise als partielle Beschichtung, einnehmen. Die Fläche der Flächenstrukturelemente ist also kleiner als die der Substrate. Die Flächenstrukturelemente sind auf oder in den Flächen des jeweiligen Substrats stationär, also ortsfest auf- oder eingebracht. Unter optisch wirksam wird erfindungsgemäß verstanden, dass diese Elemente Licht-reflektierende, -streuende oder Licht-absorbierende Eigenschaften aufweisen.
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Durch den Aktor kann die für die Einstellung der Transparenz notwendige mechanische Verschiebung der jeweiligen beiden Substrate zueinander realisiert werden. Es ist erfindungsgemäß möglich einen oder mehrere Aktoren für ein adaptives optisches Modul einzusetzen. Es ist bevorzugt, dass ein Aktor jeweils zwei Substraten zugeordnet ist.
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Unter der Verschiebung der Substrate zueinander wird eine Bewegung verstanden, bei der die Beabstandung der parallelen Flächen der Substrate weitestgehend beibehalten wird. Die Verschiebung kann durch die Bewegung eines Substrats oder gleichermaßen bevorzugt durch die Bewegung beider, beziehungsweise aller Substrate zueinander bewerkstelligt werden. Die Bewegung des oder der Substrate kann dabei in horizontaler, vertikaler und/oder diagonaler Richtung erfolgen, wobei die hier verwendeten Richtungs-Bezeichnungen sich auf eine relativ zur Erdanziehung vertikal ausgerichtetes erfindungsgemäßes Modul beziehen. Die Richtungsbezeichungen können daher gegebenenfalls auch austauschbar verwendet werden.
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Um die Verschiebung der Substrate gegeneinander zu erleichtern können gegebenenfalls zusätzliche Hilfsmittel, zum Beispiel bewegliche oder ortsfeste Abstandshalter, eingesetzt werden.
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Die optisch wirksamen Flächenstrukturelemente können auf den Oberflächen der Substrate angeordnet sein. Sie können dabei auf der Lichtquelle zugewandten Oberflächen-Seite oder gegebenenfalls alternativ oder zusätzlich auf der der Lichtquelle abgewandten Oberflächen-Seite angeordnet sein. Die Flächenstrukturelemente können gegebenenfalls auch innerhalb der Flächen des Substrats angeordnet sein. In diesem Fall müssen die Flächenstrukturelemente bei der Herstellung der transparenten Substrate schon mit berücksichtigt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen adaptiven optischen Modul kann auf einfache und kostengünstige Weise eine schaltbare Transparenz auf sehr kleiner Tiefe und engstem Raum realisiert werden. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Moduls ist, dass die Anpassung der Transparenz auch stufenlos erfolgen kann. Insbesondere kann die Lichtquelle erfindungsgemäß beispielsweise die Sonne sein. Das erfindungsgemäße adaptive optische Modul kann vorteilhafterweise als Sonnen- oder Blendschutzeinrichtung, funktionieren. Erfindungsgemäß ist es möglich den Lichteinfall zu regulieren und eine jeweils gewünschte Abschattung zu erreichen.
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Der Aktor im erfindungsgemäßen adaptiven optischen Modul, kann bevorzugt zwischen den Substraten angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass der Aktor an einer Seite des Moduls angeordnet ist.
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Der erfindungsgemäße Aktor kann ein Piezoaktor oder ein mechanischer Aktor sein. Auch alternative Aktoren, wie ein Stellmotor mit Getriebe oder eine Pneumatik sind erfindungsgemäß einsetzbar. Durch den Aktor kann zweckmäßigerweise die gewünschte Verschiebung der jeweiligen, insbesondere zweier benachbarter, Substrate zueinander realisiert werden.
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Der Aktor kann beispielsweise durch eine separate Steuerungseinheit angesteuert werden. Die Steuerungseinheit kann dabei zusätzlich mit einer Sensorik, beispielsweise gerichtet auf Lichtintensität und/oder Temperatur, verbunden sein und entsprechende Signale zur Verschiebung der Substrate an den Aktor senden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die optisch wirksamen Flächenstrukturelemente auf jeweils einem Substrat in gleichen oder unterschiedlichen Formen und/oder Größen ausgestaltet sein können. Die Form oder auch Querschnittsform kann ausgewählt sein aus regelmäßigen und/oder unregelmäßigen geometrischen Grundformen, zum Beispiel Polygonen, wie rechteckigen, dreieckigen, trapezförmigen, rautenförmigen, fünfeckigen und/oder sechseckigen, und/oder im Wesentlichen runden, wie kreisförmigen, elliptischen und/oder ovalen Formen oder auch Linien, wobei diese Aufzählung nur beispielhaft und nicht abschließend zu verstehen ist.
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Durch die gewählte Größe, Anzahl und Verteilung der optisch wirksamen Flächenstrukturelemente und deren Relation zur Größe der Gesamtfläche des transparenten Substrats kann der Anfangszustand der maximalen Transparenz definiert werden. Im Anfangszustand können die optischen Einrichtungen der mindestens zwei Substrate, bevorzugt so übereinanderliegend angeordnet sein, dass sie maximal überlappen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Flächenstrukturelemente der mindestens zwei Substrate im Anfangszustand nicht, oder gerade minimal überlappend angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können die Substrate mit den darauf angeordneten optisch wirksamen Flächenstrukturelementen in ihrer Form und Größe gleich ausgestaltet sein, so dass im Anfangszustand die Flächenstrukturelemente genau übereinander liegen und in einer Draufsicht bündig miteinander abschließen. Die optischen Einrichtungen können erfindungsgemäß homogen oder heterogen auf dem Substrat verteilt angeordnet sein. Die Substrate können im Anfangszustand ebenfalls bündig miteinander abschließen.
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In einer alternativen Ausgestaltung können die transparenten Substrate unterschiedliche Größe aufweisen und/oder im Anfangszustand mit einem Versatz zueinander angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäßen optisch wirksamen Flächenstrukturelemente können mindestens teilweise Beschichtungen aus reflektierendem Material oder nicht reflektierendem, gegebenenfalls Licht-absorbierendem Material sein. Reflektierende Beschichtungen können zum Beispiel Aluminium-Beschichtungen sein, die die Licht- und Wärmestrahlung reflektieren können. Werden absorbierende Materialien für die Beschichtung verwendet, kann die entstehende Wärme, beispielsweise auch zur Temperaturerhöhung in einem Raum verwendet werden.
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Die Beschichtungen können durch bekannte Beschichtungsverfahren, wie zum Beispiel physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Siebdruck erzeugt werden.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die optisch wirksamen Flächenstrukturelemente des adaptiven optischen Moduls mindestens teilweise Solarzellen sein und Photovoltaik-Bereiche bilden. Vorzugsweise sind die Photovoltaik-Bereiche untereinander elektrisch verbunden, so dass vorteilhafterweise die Leistung der gemeinsamen Photovoltaik-Fläche abgegriffen werden kann. Es können dabei sämtliche Solarzellen auf einem Substrat untereinander verbunden sein. Gleichermaßen können aber auch die Photovoltaik-Bereiche zweier oder mehrerer Substrate miteinander verbunden sein, wodurch ein höherer Strom erzielt werden kann. Die Flächen der transparenten planparallelen Substrate sind in diesem Fall also partiell mit Solarzellen bestückt. Mit dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Moduls kann vorteilhafterweise nicht nur eine schaltbare Transparenz mit einer geringen Tiefe realisiert werden, sondern es ist zusätzlich möglich, das Modul zur Stromgewinnung zu nutzen.
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Erfindungsgemäß ist es außerdem möglich, dass als optisch wirksame Flächenstrukturelemente auf dem gleichen Substrat zum Beispiel reflektierende Beschichtungen und/oder Solarzellen eingesetzt werden. Die Anordnung und Verteilung der einzelnen optischen Einrichtungen und/oder eine Bereichsbildung auf einer Substratfläche mit gleichen oder unterschiedlichen optisch wirksamen Flächenstrukturelemente kann vorteilhafterweise jeweils an spezielle Anforderungen und Anwendungen angepasst werden.
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Die elektrische Verbindung zwischen den Photovoltaik-Bereichen kann in einer bevorzugten Ausgestaltung durch transparente Leiterbahnen aus leitenden Oxiden realisiert werden. Die transparenten Leiterbahnen können beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO) oder Aluminium-Zink-Oxid (AZO) bestehen. Diese transparenten Leiterbahnen aus leitenden Oxiden haben den Vorteil, dass sie in einem Prozess-Schritt hergestellt werden können und keine zusätzliche Strukturierung mehr notwendig ist. Es ist erfindungsgemäß auch möglich als kostengünstigere Alternative gewöhnliche elektrische Leiterbahnen, beispielsweise aus Kupfer zu verwenden.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen adaptiven optischen Moduls sieht vor, dass der Aktor ein Piezoaktor ist und die Photovoltaik-Bereiche mit dem Aktor verbunden sind. Erfindungsgemäß ist es hierdurch vorteilhafterweise möglich eine integrierte Steuerung des Moduls durch die mit der Photovoltaik erzeugte Spannung und/oder Strom und eine automatische Anpassung der Verschiebung der Substrate zueinander an die Lichtsituation zu erzielen. Mit anderen Worten kann durch die bei erhöhtem Lichteinfall erhöhte Spannung und Strom die Auslenkung zwischen den beiden Substraten vergrößert und der Lichtdurchfluß verringert, gegebenenfalls minimiert werden. Die Regelung kann bevorzugt nach dem Strom aufgebaut werden, da sich dieser proportional zur Lichteinstrahlung ändert. Die in dieser Ausführungsform integrierte Steuerung kann alternativ oder zusätzlich zu einer separaten Steuerung für das erfindungsgemäße Modul eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße adaptive optische Modul kann beispielsweise als Fenster Fensterscheibe oder Fassadenbauteil für Gebäude verwendet werden. Die Erfindung betrifft daher weiterhin eine Scheibe, ein Fenster oder ein Fassadenbauteil enthaltend ein vorstehend beschriebenes adaptives optisches Modul, wobei gegebenenfalls die beschriebenen Varianten der Ausgestaltung einzeln oder in Kombination miteinander realisiert werden können. Darüber hinaus kann, insbesondere beim Einsatz in oder an Gebäuden vorteilhafterweise auch der Einsatz von Rollläden oder Jalousien oder anderer Verdunkelungseinrichtungen entfalten.
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Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung eines vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen adaptiven optischen Moduls in der Automobiltechnik oder der Gebäudetechnik. Beispielsweise kann das adaptive optische Modul als Autoscheibe eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Figuren näher erläutert, ohne auf die gezeigten Ausgestaltungen beschränkt zu sein. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein transparentes Substrat mit darauf aufgebrachten optisch wirksamen Flächenstrukturen;
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2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes adaptives optisches Modul und
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3 eine seitlich perspektivische Ansicht des adaptiven optischen Moduls aus 2.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein transparentes planparalleles Substrat 2 eines erfindungsgemäßen optischen Moduls 1. Das gezeigte Substrat 2 hat eine rechteckige Grundfläche. Auf dem Substrat 2, das zum Beispiel eine Glasscheibe sein kann, sind in im Wesentlichen regelmäßigen Abständen optisch wirksame Flächenstrukturelemente 3 mit quadratischer Grundfläche aufgebracht. Nur der Übersichtlichkeit halber sind jeweils nur vier quadratische Flächenstrukturelemente in einer Reihe nebeneinander und neun Flächenstrukturelemente 3 untereinander gezeigt. Es können erfindungsgemäß jedoch deutlich mehr aber auch weniger Flächenstrukturelemente 3 verwendet werden. Auch sind wie in der vorstehenden Beschreibung schon beschrieben alle möglichen Formen für die Flächenstrukturelemente möglich. Über die Größe, Form, Anzahl und Verteilung der Flächenstrukturelemente 3 auf den Substraten 2 kann in einem adaptiven optischen Modul 1 die Transparenz im Anfangszustand eingestellt werden. Die Flächenstrukturelemente 3 können zum Beispiel Licht-reflektierende partielle Beschichtungen des Substrats 2 sein. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung können die Flächenstrukturelemente 3 Solarzellen sein. Dies hat den Vorteil, dass neben der variablen Einstellung der Transparenz zusätzlich die Erzeugung von Strom möglich ist.
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Die 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen adaptiven optischen Moduls 1 mit zwei übereinander gelagerten transparenten Substraten 2a, 2b wie in 1 dargestellt. Die beiden Substrate 2a, 2b mit den darauf angeordneten optisch wirksamen Flächenstrukturelementen 3a, 3b sind in vertikaler Richtung gegeneinander verschoben. In dieser Position kann das Modul 1 eine reduzierte Transparenz aufweisen. Die vertikale Verschiebungsrichtung ist mit dem Pfeil A angezeigt. Es ist ebenso möglich, dass die Substrate 2a, 2b in horizontaler Richtung, dargestellt mit dem Pfeil B oder in einer diagonalen Richtung, dargestellt mit den Pfeilen C und D, gegeneinander verschoben werden können. Die erfindungsgemäß mögliche diagonale Verschiebung der Substrate 2a, 2b zueinander ist nicht auf einen bestimmten Winkel festgelegt. Bevorzugt zwischen den beiden Substraten 2a, 2b ist ein Aktor 4 angeordnet, mit dem deren mechanische Verschiebung zueinander bewerkstelligt wird. Dieser Aktor 4 kann dabei teilweise oder vollständig als Aktorschicht 4 zwischen den Substraten 2a, 2b angeordnet sein. Der Aktor 4 kann beispielsweise ein Piezoaktor sein. Dieser Aktor 4 kann mit einer, nicht dargestellten, separaten Steuerungseinheit verbunden sein. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung können die Flächenstrukturelemente 3a, 3b Solarzellen sein, die mit einem Piezoaktor 4 verbunden sind. Die mit der Photovoltaik erzeugte Spannung und Strom kann vorteilhafterweise genutzt werden, um eine automatische und integrierte Steuerung der Verschiebung der Substrate 2a, 2b zueinander in einem adaptiven optischen Modul 1 zu realisieren.
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3 eine seitlich perspektivische Ansicht des adaptiven optischen Moduls 1 aus 2 jedoch ohne Auslenkung, dass heißt ohne Verschiebung der Substrate 2a und 2b zueinander. Die optisch wirksamen Flächenstrukturelemente 3 sind in dieser Darstellung nicht gezeigt.
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Zusammenfassend wird ein adaptives optisches Modul bereitgestellt, mit dem auf geringer Tiefe und engstem Raum auf einfache Weise eine schaltbare Transparenz, insbesondere für Scheiben oder Fensteranwendungen, erzielt werden kann. Zusätzlich kann erfindungsgemäß durch eine Kombination mit Solarzellen als Flächenstrukturelemente das adaptive optische Modul gleichzeitig zur Erzeugung von Strom genutzt werden. In dieser Ausgestaltung mit einer adaptiven Photovoltaik ist ein weiterer Vorteil, dass eine integrierte Steuerung der Verschiebung der Substrate zueinander im Modul, durch die mit der erfindungsgemäßen Photovoltaik erzeugte Spannung und Strom realisiert werden kann. Dies kann zum Beispiel für adaptive Fenster, die sich je nach Lichtintensität und Lichteinfall automatisch anpassen Verwendung finden.
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Das erfindungsgemäße adaptive optische Modul kann überall dort eingesetzt werden, wo ein variabler Lichtdurchfluss und/oder eine Stromgewinnung durch Photovoltaik erwünscht ist. Die Erfindung kann insbesondere in Bereichen der Gebäude- und Automobiltechnik, beispielsweise als Fenster- oder Fassadenbauteil oder als Autoscheibe eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/098271 [0003]
- EP 1012661 [0004]
- EP 1101741 B1 [0004]
- DE 19542832 A1 [0005]
