DE102009053465A1 - Verbundscheiben mit integrierten elektronischen Funktionselementen und hoher Transparenz - Google Patents

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Rüdiger Dr. Braun
Simon Meisel
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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Funktionsscheibe bestehend aus zwei transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff 1 mit dazwischenliegenden elektrischd mit einem transparenten Kunststoff 3 miteinander verklebt. Die elektrischen Funktionselemente 2 sind untereinander mit elektrischen Leitungen 4 verbunden. Die Funktionselemente 2 bestehen aus Leiterplatten, auf denen z.B. Leuchtdioden, piezoelektrische Generatoren, Temperatur-, Druck- und andere Sensoren zusammen mit anderen elektronischen Bauteilen aufgebracht sind. Durch geeignete elektronische Maßnahmen wird die Anzahl der elektrischen Zuleitungen 4 auf wenigstens zwei (Fig. 1) für alle Funktionselemente der Funktionsscheibe reduziert. Außerdem werden eine Ausgestaltung der Zuleitungen und der Funktionselemente und eine Herstellungsmethode beschrieben, die diese vorteilhaft in die transparenten Scheiben integriert und dabei deren Transparenz gegenüber herkömmlichen Methoden verbessert.

Description

  • Stand der Technik
  • Es ist zweckmäßig, gewisse elektrische Funktionselemente in eine transparente Scheibe aus Glas und Kunststoff zu integrieren, um die Funktion Platz sparend und geschützt z. B. in einem Fahrzeug- oder Gebäudefenster, einer Glasfassade oder in Glasmöbeln unterzubringen. Beispiele hierfür sind Glasscheiben mit integrierten Leuchtdioden, Scheiben mit vielen Druck- oder Temperatursensoren, Scheiben mit integrierten Schallgebern und anderes.
  • Diese elektrische Funktion sollte möglichst unauffällig sein, um die Transparenz der Glasscheibe bestmöglich zu erhalten. Elektrische Schaltkreise und Verbindungen sind abgesehen von wenigen Ausnahmen aus nicht transparenten Materialien gefertigt und können daher nur durch Miniaturisierung so klein ausgeführt werden, dass sie in einer Scheibe unauffällig bleiben.
  • Als Herstellverfahren werden häufig zwei Glas- oder Kunststoffscheiben mit einem geeigneten Klebstoff miteinander verbunden, wobei die elektrischen Funktionselemente in den Klebstoff eingebettet oder zuvor auf die Glasfläche zur Klebeseite hin aufgebaut werden. Elektrische Leiterbahnen und Heizleiter werden dafür in Form dünner Drähte oder als Leiterbahnen ausgeführt. Eine besondere Variante ist die Herstellung durchsichtiger Leiterbahnen auf der Glasoberfläche, die praktisch unsichtbar bleiben. Diese Leiterbahnen sind seit langem bekannt und bestehen aus Materialien wie z. B. Zinnoxid oder Indium-Zinnoxid.
  • Komplexere elektrische Funktionen, die über eine Scheibe verteilt sind und individuell angesteuert werden sollen, wie z. B. LED Lichtpunkte, Temperatur- und Lichtsensoren, akustische Schallgeber und vieles mehr, benötigen zum Betrieb eine entsprechend hohe Anzahl von elektrischen Zuleitungen. Diese Zuleitungen können, wenn nur wenig elektrische Leistung transportiert werden muss, auch als transparente Leiterbahnen geringer Länge und ausreichender Breite ausgeführt werden. Transparente Leiterbahnen können heutzutage mit typischen Schichtwiderständen von 1 bis 100 Ohm realisiert werden. Für größere Leistungen und Leitungslängen ist die Leitfähigkeit transparenter Leiter unzureichend und würde im Betrieb zu hohen Verlusten in Form von Wärme führen. Daher kommen für Anwendungen mit höheren Verbrauchsleistungen von über 100 W/m2 nur metallische Leiter in Frage.
  • Wird eine Vielzahl elektronischer Funktionselemente in eine Scheibe integriert, ist schnell eine Grenze erreicht, ab der eine einzelne Verdrahtung jedes Funktionselementes nicht mehr möglich ist, insbesondere, wenn neben der Energieversorgung auch Daten und Steuersignale zu und von den Funktionselementen gebracht werden müssen. Eine vereinfachende Möglichkeit ist die Verknüpfung der Funktionselemente in einer Matrix, wobei durch Ansteuerung jedes Matrixknotens das dort befindliche Funktionselement eingeschaltet und betrieben werden kann. Es ist aber nur die individuelle Ansteuerung eines einzelnen Funktionselementes im Array möglich, alle anderen Elemente bleiben solange passiv. Durch schnelles Abtasten kann beispielsweise mit Leuchtdioden ein visuell quasi kontinuierlicher Betrieb ermöglicht werden. Aber bei hoher Elementdichte scheidet auch dieses Verfahren aus, da die Anzahl der Zuleitungen die Transparenz der Scheibe stark beeinträchtigt wird. Werden z. B. für jedes Funktionselement 4 Zuleitungen verwendet, sind bei 500 Elementen/m2 bereits 2000 Zuleitungen/m2 erforderlich, die bei einer mittleren Länge von 50 cm und einem Durchmesser von 0,5 mm bereits einen halben Quadratmeter Fläche beanspruchen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung beschreibt eine Funktionsscheibe 10 (3) bestehend aus zwei transparenten Scheiben aus Glas oder Kunststoff 1 (1) mit dazwischen liegenden elektrischen Funktionselementen 2. Die beiden Scheiben 1 sind mit einem transparenten Kunststoff 3 miteinander verklebt. Die elektrischen Funktionselemente 2 sind untereinender mit elektrischen Leitungen 4 verbunden. Die Funktionselemente 2 bestehen aus Leiterplatten 9 (5) auf denen z. B. Leuchtdioden, piezoelektrische Generatoren, Temperatur-, Druck- und andere Sensoren zusammen mit anderen elektronischen Bauteilen aufgebracht sind.
  • Durch geeignete elektronische Maßnahmen wird die Anzahl der elektrischen Zuleitungen 4 auf wenigstens zwei (1) und maximal vier gemeinsame Leitungen 4, 6 (2) für alle Funktionselemente der Funktionsscheibe reduziert. Außerdem werden eine Ausgestaltung der Zuleitungen und der Funktionselemente und eine Herstellungsmethode beschrieben, die diese vorteilhaft in die transparenten Scheiben integriert und dabei deren Transparenz gegenüber herkömmlichen Methoden verbessert.
  • In einer weiteren Ausführung werden statt Drähten 4, 6 auf eine oder beide Scheiben 1 gedruckte Leiterbahnen 7 (4) verwendet.
  • Alle Funktionselemente 2 werden in einer Reihe mit einem einzelnen Paar (1) elektrischer Leitungen 4 mit Strom versorgt. Der Querschnitt der Zuleitung wird bestimmt von der Anzahl der Funktionselemente 2, deren maximalem Stromverbrauch, der Gesamtlänge der Zuleitung, dem Material der Leitung und der maximal zulässigen Verlustleistung in den Leitungen. Werden die Funktionselemente regelmäßig in einem Array 3 in der Scheibe verteilt, ist es vorteilhaft alle Elemente 2 in der Richtung der kürzeren Seite (= Zeile) mit jeweils zwei Zuleitungen 4 zu verbinden und die einzelnen Zeilen am Rand oder außerhalb der Scheibe mit einer zusätzlichen Leitung 5 zu verbinden. Dadurch kann der Maximalquer schnitt der Zuleitung auf den Leistungsbedarf einer Zeile begrenzt werden.
  • Für die Übertragung der Daten von und zu jedem Funktionselement 2 werden zwei zusätzliche Leitungen 6 (2) benötigt, mit denen jedes Funktionselement 2 verbunden ist. Auch hier werden vorteilhafterweise alle Elemente einer Zeile miteinander verbunden und die einzelnen Zeilen am Rand oder außerhalb der Scheibe mit einer zusätzlichen Leitung verbunden.
  • Damit das Funktionselement 2 die für sich gültige Information zuordnen kann, bzw. seine Information eindeutig zugeordnet senden kann, besitzt es eine einmalige elektronische Adresse. Ein Mikrocontroller auf jedem Funktionselement mit Coder bzw Decoder Software filtert die für sich gültigen Daten auf der Datenleitung bzw. fügt seine Adresse der gesendeten Information zu. Diese Verfahren sind hinreichend bekannt und werden u. a. unter den Bezeichnungen CAN Bus oder I2C beschrieben.
  • Um die Anzahl auf nur drei gemeinsamen Leitungen 4, 6 zu reduzieren, kann das Bezugspotential von Daten und Stromversorgung zusammengelegt werden. Eine weitere Reduzierung auf zwei Leitungen 4 ist möglich, wenn die Informationen auf die Stromversorgung aufmoduliert werden. Dies kann durch Amplitudenmodulation der Versorgungsspannung ermöglicht werden oder durch Frequenzmodulation, wobei zwei oder mehrere digitale Zustände durch jeweils eine zugeordnete Frequenz beschrieben werden. Diese Information wird von dem Mikrocontroller auf dem Funktionselement von der Versorgungsspannung demoduliert bzw. auf die Versorgungsspannung aufmoduliert. Diese Verfahren sind unter den Bezeichnungen ASK (amplitude shift keying) und FSK (frequency shift keying) hinreichend bekannt.
  • Zur Verbindung der Funktionselemente werden typischerweise Drähte 4, 6 aus gut leitfähigem Material oder entsprechend dimensionierte z. B. siebgedruckte, metallische Leiterbahnen 7 auf Glas verwendet. Die Leitungsquerschnitte sind so optimiert, dass der maximal erforderliche Strom ohne unzulässige Erwärmung der Leitungen transportiert wird. Für viele Kunststoffe und Verbundmaterialien für Glas hat sich eine Temperatur von etwa 60°C als zulässige Dauer-Höchsttemperatur erwiesen. Kunststoffe wie Polyacrylglas, Polycarbonat und Verbundmaterialien wie Polyurethan, Polyacrylate, Polyvinylbutyral und Ethylenvinylace tat sind typische Vertreter dieser Kunststoffe. Aus dieser Anforderung, der Wärmeableitfähigkeit des umgebenden Materialien 3, 1 und der Umgebungstemperatur der Scheibe lässt sich der minimale Leiterquerschnitt ermitteln.
  • Die Zuleitungen 4, 6 oder 7 werden vorteilhafterweise dunkel getönt, um die Auffälligkeit durch den metallischen Glanz herabzusetzen. Bei Siebdruckleiterbahnen 7 ist dies durch einen dunklen Untergrunddruck vor dem eigentlichen Leiterbahndruck realisierbar, bei Drahten 4, 6 kann dies durch dunkles Isolationsmaterial oder bei blanken Drähten durch z. B. chemische Schwärzung der Drahtoberfläche erreicht werden.
  • Um die Funktionselemente 2, die sich im Allgemeinen zusammen mit diversen elektronischen Bauelementen 8 auf einer Leiterplatte 9 befinden, möglichst unauffällig zu gestalten, werden die Leiterplatten 9 aus transparentem Material wie z. B. Glas, Polycarbonat, Polyacrylat oder Polyimid hergestellt. Dadurch wird der opake Anteil der Funktionsscheibe 2 weiter herabgesetzt.
  • Um die Funktionselemente 2 in der Funktionsscheibe 10 zu verdrahten, werden die blanken Drähte 4, 6 vor der Herstellung der Scheibe in einem steifen Hilfsrahmen 11 in geeignetem Abstand gespannt 6. Dann werden die Funktionselemente 2 in gewünschtem Abstand auf die Drähte gesetzt und mit ihnen elektrisch verbunden. Als Verbindungsverfahren eignen sich Löten oder mechanische Klemmverfahren. Der Rahmen wird zwischen zwei Scheiben aus Glas oder Kunststoff platziert und der Zwischenraum mit flüssigem Kunststoff aufgefüllt. Dies kann z. B. bei Raumtemperatur aushärtende 2-Komponeten Vergussmasse sein oder thermisch verflüssigender Verbundklebstoff, der bei erhöhten Temperaturen und Druck um die Funktionselemente fließt. Nach dem Aushärten wird der Spannrahmen entfernt und die Leitungen mit der Ansteuerung elektrisch verbunden.
  • Entsprechend wird bei der Verwendung metallischer Siebdruck Leiterbahnen vorgegangen: Die Funktionselemente werden durch Löten elektrisch mit den Leiterbahnen verbunden, die Scheiben mit Vergussmasse miteinander verbunden.
  • Ein Anwendungsbeispiel:
  • Für die Darstellung von Videobildern in Gebäudefassaden (Medienfassade) existieren inzwischen eine Reihe von technischen Lösungen wie z. B. Projektionsflächen oder aktiv leuchtende Flächen. Selbstleuchtenden aktiven Fassaden ist gemeinsam, dass alle eine verteilte Matrix von einfarbigen oder mehrfarbigen Leuchtelementen (Pixel) aufweisen. Leuchtdioden (LED) sind bevorzugte Bauelemente für diese Pixel, da sie eine große Lebensdauer aufweisen und hohe Strahlungseffizienz aufweisen. Bei Verwendung der Grundfarben Rot, Grün und Blau für jedes Pixel lassen sich alle Farben durch Farbmischung realisieren, wie dies von Fernsehbildschirmen her bekannt ist. Durch Integration der LEDs in die Fassadenverglasung wird die Außenhaut des Gebäudes zugleich zum Bildschirm.
  • Die Vorteile liegen in der Kombination der Eigenschaften von Glasfassade und Bildschirm:
    Wetterschutz von Fassade und Bildschirm,
    modularer Aufbau des Bildschirms,
    keine zusätzliche Haltekonstruktion für den Bildschirm,
    Fassadenprofile können zur verdeckten Verkabelung des Bildschirms genutzt werden,
    hohe visuelle Transparenz von Innen nach Außen auch bei Bildschirmbetrieb,
    steuerbarer Einblickschutz in das Gebäude nachts bei hell geschaltetem Bildschirm,
    dynamische Gestaltung der Außenfassade.
  • Wünschenswert für Medienfassaden sind bewegte Darstellungen in sämtlichen Farben und eine hohe Auflösung. Für die Ansteuerung von Leuchtdioden (LED) wird ein typischer Strom von 20 mA je LED benötigt. Für großflächige farbige Anzeigen z. B. in Fassadenverglasungen sind Pixelabstände von 4 cm sinnvoll, um bei angemessenen Betrachtungsabständen von 20 m bis über 100 m ein scharfes Bild zu erhalten. Dabei besteht jedes Pixel aus drei Leuchtdioden in den Grundfarben. Für Fassadeverglasungen mit einem typisches Rastermaß von 140 cm Breite sollten daher in jeder Zeile bis zu 35 Pixel in die Verglasung integriert werden können.
  • Eine typische Dimensionierung könnte in vorangegangenem Beispiel folgendermaßen aussehen: Je Quadratmeter Fläche sind bei herkömmlicher Einzelverdrahtung jeder dreifarbigen LED 625 × 4 × 70 cm (mittlere Leitungslänge) × 0,025 cm (Drahtquerschnitt) an Fläche erforderlich, was einem Flächenanteil von 43% entsprechen würde. Bei einer seriellen Verdrahtung mit 4 Leitungen, wie oben beschrieben, werden nur 35 × 4 × 140 cm × 0,025 cm an Fläche für die Verdrahtung erforderlich, was einem Flächenanteil von nur 4,9% entspricht. Bei der Verwendung von nur 2 gemeinsamen Leitungen beträgt der Flächenanteil sogar nur 2,95%.

Claims (27)

  1. Funktionsscheibe 10 bestehend aus einem Verbund von zwei Scheiben 1 aus Glas oder Kunststoff und im Verbund eingebrachten Funktionselementen 2, die jeweils aus einer Leiterplatte 9 mit elektronischen Bauteilen 8 zusammengesetzt sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 mit elektrisch leitfähigen Drähten 4 verbunden sind,
  2. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 mit aufgedruckten, elektrisch leitenden Bahnen 7 auf der Innenseite einer oder beider Scheiben 1 verbunden sind,
  3. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 untereinander mit wenigstens 2 gemeinsamen Leiterbahnen 7 oder Drähten 4 untereinander verbunden sind,
  4. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens zwei Leiterbahnen 7 oder Drähte 4 zur Versorgung der Leiterplatten mit Betriebsspannung dienen,
  5. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 jeweils ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das die Funktion eines elektronischen Adressdekoder aufweist,
  6. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 jeweils ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das die Funktion eines elektronischen Adresscodierer aufweist,
  7. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 mindestens ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das eine Leuchtdiode ist
  8. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 mindestens ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das eine Leuchtdiode ist, die mit drei getrennt steuerbaren Farben ausgerüstet ist,
  9. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten mit mindestens einem Temperatursensor bestückt sind
  10. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das ein lichtempfindlicher Sensor ist,
  11. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das ein Piezoelement ist,
  12. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 jeweils ein elektronisches Bauteil 8 besitzen, das eine geeignete elektronische Ansteuerung für Leuchtdioden ist, um deren Helligkeit zu regeln,
  13. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die Scheiben 1 mit Polyvinylbutyral verklebt sind,
  14. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die Scheiben 1 mit Polyurethan verklebt sind,
  15. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das die Scheiben 1 mit Ethylenvinylacetat verklebt sind,
  16. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 aus Glas hergestellt sind
  17. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 aus transparentem Kunststoff hergestellt sind
  18. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 16 und 16, gekennzeichnet dadurch, dass die Leiterplatten 9 und die elektronischen Bauteile 8 chemisch und thermisch kompatibel mit dem Verbundklebstoff 3 nach Anspruch 13–15 sind.
  19. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die elektrisch leitenden Leiterbahnen 7 mit silberhaltigen Siebdruckfarben hergestellt sind,
  20. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die elektrisch leitenden Leiterbahnen 7 mit goldhaltigen Siebdruckfarben hergestellt sind,
  21. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die elektrisch leitenden Leiterbahnen 7 aus transparent leitfähigem Material bestehen
  22. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Funktionselemente 2 mit einer zusätzliche Leitung 6 für die Datenkommunikation verbunden sind
  23. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Funktionselemente mit zwei zusätzlichen Zuleitungen 6 für die Datenkommunikation verbunden sind
  24. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Datenkommunikation und die Versorgungsspannung über mindestens eine gemeinsame elektrische Zuleitung erfolgt
  25. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass sie der Wiedergabe von stehenden und bewegten Bildern dient
  26. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass sie der Beleuchtung dient,
  27. Funktionsscheibe 10 nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass sie zur Verkehrsregelung dient
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