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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schichtenanordnung, die in Abhängigkeit von ihrer Temperatur die Transmission von Licht verändert, wobei die Schichtenanordnung eine erste Polarisationsschicht, eine in Abhängigkeit von der Temperatur die Polarisationseigenschaften des Lichtes beeinflussende Schaltschicht und eine zweite Polarisationsschicht sowie eine zusätzliche NIR-transmissionshindernde Schicht aufweist.
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Die Schichtenanordnung kann erfindungsgemäß in bzw. auf Fenstern oder vergleichbaren baulichen Öffnungen zu Innenräumen Verwendung finden, wie beispielsweise verglasten Türen. Weiterhin kann die Schichtenanordnung in bzw. auf Fassaden oder Dächern eingesetzt werden.
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Im Sinne dieser Erfindung sollen unter dem Begriff Innenraum sowohl Innenräume von privaten, öffentlichen oder gewerblichen oder für Bürozwecke genutzten Gebäuden als auch Innenräume von Fahrzeugen verstanden werden. Weiterhin sollen darunter beliebige großräumige Behältnisse, beispielsweise Container, verstanden werden. Weiterhin sollen im Sinne dieser Erfindung unter dem Begriff Fenster beliebige lichtdurchlässige, mit festem Material verschlossene bauliche Öffnungen in Gebäuden oder Fahrzeugen verstanden werden.
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Unter dem Begriff einfallendes Licht wird im Sinne dieser Erfindung der Fluss von elektromagnetischer Strahlung verstanden, der von der Sonne ausgeht, nach Durchtritt durch die Atmosphäre auf der Erde auftrifft und von unbeschichteten Glasscheiben nicht oder nur geringfügig absorbiert wird, so dass einfallendes Licht von der Sonne kommend durch Glasscheiben hindurch in einen Innenraum gelangen kann. Da kurzwellige UV-Strahlung (UV-B-Licht) sowie langwellige Infrarot-Strahlung von der Atmosphäre bzw. durch Glasscheiben absorbiert wird, umfasst einfallendes Licht demzufolge im Wesentlichen einen langwelligen UV-Strahlungsbereich (UV-A-Licht), elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich (VIS-Licht) sowie den kurzwelligen Infrarot-Strahlungsbereich (NIR-Licht).
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Gemäß üblicherweise verwendeten Definitionen auf dem Gebiet der Optik wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter UV-A-Licht insbesondere Licht einer Wellenlänge von 320 bis 380 nm verstanden, unter VIS-Licht insbesondere Licht einer Wellenlänge von 380 bis 780 nm verstanden, und unter NIR-Licht insbesondere Licht einer Wellenlänge von 780 bis 3000 nm verstanden.
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Unter einer NIR-transmissionshindernden Schicht wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Schicht verstanden, welche die Intensität des durch sie durchtretenden NIR-Lichts in nennenswertem Umfang verringert. Bevorzugt liegt eine Spezifität der Transmissionshinderung für NIR-Licht gegenüber VIS-Licht vor. Besonders bevorzugte Eigenschaften und Ausführungsformen der NIR-transmissionshindernden Schicht werden in später folgenden Abschnitten beschrieben.
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Moderne Gebäude zeichnen sich durch einen hohen Anteil an Glasflächen aus, der sowohl aus ästhetischen und architektonischen Gründen als auch in Bezug auf die Helligkeit und den Komfort der Innenräume hoch erwünscht ist. Gleichermaßen bedeutend geworden ist in den vergangenen Jahren, dass Gebäude, die zu Wohn- oder Bürozwecken genutzt werden und/oder öffentlich zugänglich sind, eine möglichst hohe Energieeffizienz aufweisen sollen. Dies bedeutet, dass in gemäßigten Klimazonen in der kalten Jahreszeit möglichst wenig Energie für Heizzwecke aufgewendet werden sollte und in der warmen Jahreszeit keine oder nur wenig Klimatisierung der Innenräume notwendig sein sollte. Ausgedehnte Glasflächen wirken bei der Erreichung dieser Ziele jedoch kontraproduktiv.
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Zum einen führen Glasflächen bei warmen Außentemperaturen, wenn zusätzlich intensive Sonneneinstrahlung vorliegt, zu einer unerwünschten Aufheizung der Innenräume, da sie für Strahlung im VIS- und NIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchlässig sind. Objekte im Innenraum absorbieren die hindurchgelassene Strahlung und werden dadurch erwärmt, was zu einer Erhöhung der Raumtemperatur führt (Glashauseffekt, green house effect).
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Bei niedrigen Außentemperaturen macht sich zum anderen ein zweiter negativer Effekt großer Fensterflächen bemerkbar: sie besitzen eine hohe Emissivität.
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Unter Emissivität oder Emissionsgrad wird die Eigenschaft eines Materials verstanden, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Materialien mit einer niedrigen Emissivität (z. B. Metalloberflächen) reflektieren einen Großteil der auf sie auftreffenden Strahlung, während Materialien mit einer hohen Emissivität (Glas und insbesondere dunkle Körper) einen Großteil der Strahlung absorbieren und emittieren. Bei der absorbierten bzw. emittierten Strahlung handelt es sich gemäß den physikalischen Strahlungsgesetzen zum überwiegenden Teil um Strahlung im Infrarotbereich.
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Übliches Fensterglas, welches eine hohe Emissivität besitzt, absorbiert einen Großteil der aus dem warmen Innenraum kommenden Infrarotstrahlung und emittiert diese wiederum zu einem großen Teil. Dadurch wird Wärme in die Umgebung abgestrahlt und bei niedrigen Außentemperaturen somit permanent Wärme an die kalte Umgebung abgegeben.
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Mit der zunehmenden Bedeutung der Energieeffizienz von Gebäuden besteht ein wachsender Bedarf an gesonderten Vorrichtungen oder unmittelbar auf den Fensterflächen angeordneten Beschichtungen, welche den Energiefluss durch die Fenster kontrollieren. Im Hinblick auf geringe Herstellungs- und Betriebskosten sowie einen geringen Raumbedarf sind geeignete Beschichtungen vorteilhaft. Insbesondere besteht Bedarf an Beschichtungen, welche den Energiefluss durch Fenster in geeigneter Weise an die zum jeweiligen Zeitpunkt vorherrschenden Bedingungen (Hitze, Kälte, hohe Sonneneinstrahlung, niedrige Sonneneinstrahlung) anpassen können.
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Im Stand der Technik sind sowohl nicht-schaltbare Beschichtungen (Schichtenanordnungen), welche den Energiefluss limitieren, jedoch nicht variabel anpassen können, als auch schaltbare Beschichtungen bekannt, die den Energiefluss an die jeweils vorherrschenden Bedingungen anpassen können. Unter den schaltbaren Vorrichtungen können Beschichtungen, die sich nicht selbsttätig an die Umgebungsbedingungen anpassen, von Beschichtungen unterschieden werden, die sich selbsttätig an die Umgebungsbedingungen anpassen. Fenster mit letztgenannten Beschichtungen werden auch als intelligente Fenster (smart windows) bezeichnet.
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Zur Verbesserung der Wärmeisolierung von Fenstern sind seit Langem mehrfach verglaste Fenstereinheiten (Mehrscheiben-Isolierglas, insulated glass units) bekannt. Durch die Abfolge von zwei oder mehr Glasscheiben, die einen oder mehrere gasgefüllte, von der Umgebung isolierte Zwischenräume einschließen, kann die Wärmeleitung durch Fenster im Vergleich zu Einfachglasscheiben signifikant verringert werden.
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Im Stand der Technik bekannt ist weiterhin die Beschichtung von Fensterscheiben mit dünnen Metall- oder Metalloxidschichten. Die Herstellung von auf diese Weise beschichtetem Glas wird beispielsweise unter anderem in
US 3,990,784 A und
US 6,218,018 B1 offenbart. In vielen Fällen wird diese Technik bei Mehrscheiben-Isolierglasfenstern eingesetzt und verbessert die wärmedämmenden Eigenschaften dieser Fenster zusätzlich.
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Weitere Beispiele für Schichten, die den Durchtritt von NIR-Licht durch Glasscheiben verringern, sind in
DE 3721353 A1 und
EP 1363141 A2 jeweils in nicht-schaltbaren Systemen und in
US 2005/0117193 A1 jeweils in Kombination mit einem elektrochrom schaltbaren Fenster offenbart.
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Die Beschichtung kann auf zwei Arten den Strahlungsenergiefluss regulieren: Zum einen verringert sie die Durchlässigkeit des Glases für Licht und somit die Aufheizung von verglasten Räumen bei intensiver Sonneneinstrahlung, zum anderen verringert sie die Emissivität der Glasscheiben, so dass in der Heizperiode weniger Wärme nach außen abgestrahlt wird.
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Wird der Strahlungsenergiefluss ausschließlich durch die vorgestellte Beschichtungstechnik kontrolliert, so ist keine Anpassung an wechselnde Wetter- oder jahreszeitliche Bedingungen möglich. Beispielsweise wäre es von Interesse, dass Fenster in der kalten Jahreszeit für einfallendes Sonnenlicht in vollem Umfang durchlässig sind, um den Energieaufwand für die Beheizung zu verringern. Umgekehrt ist eine niedrige Emissivität der Fenster bei warmen Außentemperaturen entbehrlich bzw. nachteilig, da dadurch der oben beschriebene Glashauseffekt verstärkt wird.
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Es besteht daher Bedarf an Beschichtungen, bei denen der Strahlungsenergiefluss an die jeweils vorherrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Insbesondere besteht Bedarf an Beschichtungen, die sich selbsttätig an die Umgebungsbedingungen anpassen können.
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Im Stand der Technik bekannt sind Beschichtungen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel von einem transparenten Zustand in einen weniger transparenten, beispielsweise opaken, oder einen weitgehend intransparenten Zustand geschaltet werden können.
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Ein Beispiel für solche Beschichtungen sind elektrochrome Vorrichtungen, die unter anderem in Seeboth et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 2000, 263-277 vorgestellt werden.
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Weiterhin sind in
US 7,042,615 B2 und
US 7,099,062 B2 elektrochrome Beschichtungen beschrieben, in denen das Schalten zwischen einem transparenten und einem intransparenten Zustand durch das Anlegen einer Spannung und die dadurch verursachte Wanderung von Ionen bewirkt wird.
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Weitere im Stand der Technik bekannte elektrisch ansteuerbare Beschichtungen zur Kontrolle des Strahlungsenergieflusses sind Beschichtungen auf der Basis von suspendierten Partikeln (suspended particle devices, SPD), beispielsweise Partikeln von organischen Polyiodiden, die sich in einem elektrischen Feld ausrichten (
US 4,919,521 A ).
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Weitere im Stand der Technik bekannte elektrisch ansteuerbare Beschichtungen basieren auf der Ausrichtung der Moleküle eines flüssigkristallinen Mediums bei Anlegen eines elektrischen Feldes. Solche Beschichtungen werden unter anderem in
US 4,268,126 A , in
US 4,641,922 A sowie in
US 5,940,150 A offenbart und basieren unter anderem auf dem dynamischen Lichtstreuungseffekt von flüssigkristallinen Medien (dynamic light scattering).
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Eine Übersicht über verschiedene elektrisch ansteuerbare Beschichtungen zur Kontrolle des Strahlungsenergieflusses durch Fenster wird unter anderem in der oben angegebenen Publikation von Seeboth et al. sowie in C. M. Lampert, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2003, 489-499 gegeben.
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Die genannten Beschichtungen ermöglichen zwar eine Einstellung des Strahlungsenergieflusses, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie elektrisch angesteuert werden müssen. Das Einbringen von elektrischen Komponenten wie beispielsweise von Stromzuführungen und Ansteuereinrichtungen in Fenster bringt einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung der Fenster mit sich und birgt das Risiko der Fehleranfälligkeit bzw. der geringen Haltbarkeit derartiger Beschichtungen. Weiterhin ist in vielen Fällen ein beträchtlicher baulicher Aufwand erforderlich, um einen elektrischen Anschluss der Fenster zu realisieren.
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In
US 2010/0288947 A1 ist eine Vorrichtung zur Regulierung des Strahlungsenergieflusses offenbart, die eine Schicht enthält, die Licht in einem Wellenlängenbereich A absorbiert und in einem Wellenlängenbereich B emittiert, wobei der Wellenlängenbereich B je nach Temperatur eine unterschiedliche Lage im Spektrum aufweist, so dass durch eine zusätzliche Schicht, die Licht einer bestimmten Wellenlänge am Durchtritt hindert, das emittierte Licht des Wellenlängenbereichs B je nach Temperatur entweder am Durchtritt gehindert oder nicht gehindert wird.
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In
US 2009 / 0 015 902 A1 ,
US 2009 / 0 167 971 A1 und
EP 2563875 B1 werden Schichtenanordnungen offenbart, die eine Schaltschicht zwischen zwei Polarisationsschichten aufweisen, wobei die Schaltschicht die Polarisationsebene des einfallenden Lichts bei einer ersten Temperatur dreht und bei einer zweiten Temperatur nicht oder nur unwesentlich dreht. Dadurch kann durch eine permanent vorliegende Drehung der Polarisationsebenen der Polarisationsschichten gegeneinander erreicht werden, dass die Schichtenanordnung bei der ersten Temperatur mehr einfallendes Licht hindurch lässt als bei der zweiten Temperatur. Die beiden temperaturabhängigen Zustände werden im Folgenden als transparenter Zustand bzw. als intransparenter Zustand bezeichnet. In
EP 2563875 B1 ist weiterhin eine Ausführungsform der oben genannten Schichtenanordnungen offenbart, die im VIS-Bereich schaltet und NIR-Licht permanent blockiert.
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Insbesondere werden in diesen beiden Anmeldungen
US 2009/0015902 A1 und
US 2009/0167971 A1 Schichtenanordnungen offenbart, in denen eine nematische Drehzelle (TN-Zelle, twisted nematic cell) verwendet wird. In diesem Fall wird das Schalten zwischen dem transparenten und dem intransparenten Zustand durch einen Phasenübergang des flüssigkristallinen Mediums, das in der nematischen Drehzelle enthalten ist, von einem nematischen Zustand bei einer Temperatur unterhalb des Klärpunkts zu einem isotropen Zustand oberhalb des Klärpunkts erreicht.
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Im nematischen Zustand dreht das flüssigkristalline Medium der Schaltschicht die Polarisationsebene des Lichts um einen vorgebbaren Drehwinkel. Weiterhin sind die Polarisationsebenen der Polarisationsschichten gegeneinander um einen definierten Winkel gedreht, welcher beim Schaltvorgang unverändert bleibt. Entspricht der Winkel, um den das flüssigkristalline Medium der Schaltschicht die Polarisationsebene des polarisierten Lichts dreht, dem Winkel, um den die Polarisationsebenen der Polarisationsschichten gegeneinander gedreht sind, so kann das Licht, welches die erste Polarisationsschicht und die Schaltschicht durchtritt, auch durch die zweite Polarisationsschicht gelangen. Es liegt daher, wenn der nematische Zustand des flüssigkristallinen Mediums der Schaltschicht vorliegt, der transparente Zustand der Schichtenanordnung vor. Da der nematische Zustand bei Temperaturen unterhalb des Klärpunkts vorliegt, tritt der transparente Zustand der Schichtenanordnung bei relativ gesehen niedrigeren Temperaturen auf.
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Im isotropen Zustand dreht das flüssigkristalline Medium der Schaltschicht die Polarisationsebene des Lichts nicht, so dass dieses durch die beiden Polarisationsschichten, deren Polarisationsebenen gegeneinander gedreht sind, nicht hindurchtreten kann. Es liegt daher, wenn der isotrope Zustand des flüssigkristallinen Mediums der Schaltschicht vorliegt, der weniger transparente Zustand der Schichtenanordnung vor. Da der isotrope Zustand bei Temperaturen oberhalb des Klärpunkts vorliegt, tritt der weniger transparente Zustand der Schichtenanordnung bei relativ zum transparenten Zustand höheren Temperaturen auf.
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Untersuchungen, welche zur vorliegenden Erfindung führten, haben nun ergeben, dass die mit einer derartigen Schichtenanordnung erreichbare Beeinflussung des einfallenden Lichts vor allem in gemäßigten und warmen Klimaregionen nicht alle üblicherweise anfallenden Anforderungen erfüllen kann.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen, eine Schichtenanordnung der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass die für eine Steuerung der Wärmeübertragung wirksamen Eigenschaften verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung einer Schichtenanordnung, die in Abhängigkeit von ihrer Temperatur die Transmission von einfallendem Licht verändert, wobei die Schichtenanordnung
- - eine erste Polarisationsschicht,
- - eine in Abhängigkeit von der Temperatur die Polarisationseigenschaften des Lichtes beeinflussende Schaltschicht,
- - eine zweite Polarisationsschicht
- - sowie zusätzlich mindestens eine NIR-transmissionshindernde Schicht aufweist,
wobei die NIR-transmissionshindernde Schicht den NIR-Anteil des einfallenden Lichts reflektiert und auf einer dem einfallenden Licht abgewandten Außenseite der Schichtenanordnung angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltschicht ein flüssigkristallines Medium, welches in einem ersten Temperaturbereich eine nematische Phase ausbildet, und in einem zweiten Temperaturbereich eine isotrope Phase ausbildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stellt die Schaltschicht der Schichtenanordnung eine verdrillt nematische flüssigkristalline Schicht dar. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Polarisationsschichten Licht linear polarisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schichtenanordnung auf einer Glasscheibe oder einer Acrylglasscheibe als Substratschicht (5) aufgebracht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung rein temperaturgesteuert und nicht elektrisch schaltbar. Entsprechend dieser bevorzugten Ausführungsform enthält die Vorrichtung keine elektrischen Anschlüsse, Elektroden und/oder elektrische Leitungen.
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Es hat sich gezeigt, dass auf Grund der Eigenschaften der derzeit verfügbaren und wirtschaftlich sinnvoll einsetzbaren Polarisationsschichten und Schaltschichten ein erheblicher Anteil des NIR-Lichtes weitgehend unpolarisiert bleibt und unabhängig von dem Zustand der Schaltschicht weitgehend ungehindert durch die Schichtenanordnung hindurch dringen und demzufolge in den Innenraum einfallen und den Innenraum aufheizen kann. Eine Ausdehnung der Schaltwirkung der Schaltschicht auf NIR-Licht bzw. der Polarisationswirkung der beteiligten Polarisationsschichten auf den NIR-Bereich wäre mit einem erheblichen finanziellen Aufwand und zum Teil gravierenden Einschränkungen verbunden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine temperaturabhängige Beeinflussung des einfallenden Lichts im NIR-Bereich für die allermeisten Anwendungsfälle nicht notwendig ist.
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Durch eine geeignete Schicht, die vor allem Strahlung im NIR-Bereich zumindest teilweise reflektiert und gleichzeitig Strahlung im VIS-Bereich möglichst wenig beeinflusst, kann der NIR-Anteil des einfallenden Lichts bei der Transmission verringert werden, ohne dass eine ansonsten erforderliche Polarisation der Strahlung im NIR-Bereich und Beeinflussung durch die Schaltschicht notwendig wäre.
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Im Gegensatz zu den Überlegungen aus dem Stand der Technik, temperaturabhängig die Transmissionseigenschaften der Schichtenanordnung einheitlich über den gesamten Wellenlängenbereich und/oder insbesondere im VIS-Bereich des Sonnenlichts zu verändern, wird erfindungsgemäß durch eine Kombination mit einer oftmals kostengünstigen NIR-transmissionshindernden Schicht gezielt der NIR-Bereich der einfallenden Strahlung gleichbleibend beeinflusst und die Transmission von NIR-Strahlung durch die Schichtenanordnung hindurch deutlich reduziert.
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Da ein wesentlicher Anteil der Wärme durch Licht mit Wellenlängen im NIR-Bereich übertragen wird, ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass im transparenten Zustand die Reduktion der Transmission durch die Schichtenanordnung im NIR-Bereich um einen Faktor von mehr als 2, bevorzugt mehr als 2.08, besonders bevorzugt mehr als 2.2 und ganz besonders bevorzugt mehr als 2.3 größer als die Reduktion der Transmission im VIS-Bereich ist. Durch die NIR-transmissionshindernde Schicht wird ein großer Anteil des Lichts mit Wellenlängen im NIR-Bereich grundsätzlich reflektiert, bzw. daran gehindert, durch die Schichtenanordnung hindurch zu gelangen, so dass dieser Anteil des Lichts nicht zu einer unerwünschten Erwärmung des Innenraums beitragen kann. Da dieser Wellenlängenbereich nicht visuell wahrgenommen werden kann, müssen keine nachteiligen Auswirkungen auf die optisch wahrnehmbaren Eigenschaften der Schichtenanordnung befürchtet werden. Durch die Kombination einer derart effektiven NIR-transmissionshindernden Schicht, die keine Temperaturabhängigkeit aufweisen muss und deshalb handelsüblich kostengünstig erhältlich ist, kann in einfacher Weise die Gesamteffizienz der Schichtenanordnung erheblich verbessert werden und gleichzeitig die Behaglichkeit in dem Innenraum, die von dem wahrnehmbaren Anteil des einfallenden Sonnenlichts beeinflusst wird, im Wesentlichen unverändert beibehalten werden.
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Die NIR-transmissionshindernde Schicht ist auf einer dem einfallenden Licht abgewandten Außenseite der Schichtenanordnung angeordnet. Da der durch die NIR-transmissionshindernde Schicht reflektierte NIR-Anteil des einfallenden Lichts zweifach die Polarisationsschichten und die Schaltschicht durchdringt und dabei aufwärmt, ist der Wechsel zwischen dem transparenten und dem intransparenten Zustand der Schichtenanordnung stärker als bei dem vorangehend geschilderten Schichtenaufbau von der Intensität des einfallenden Lichts abhängig. Die verwendete NIR-transmissionshindernde Schicht ist dadurch vor Verblassen geschützt, dass sie auf einer dem einfallenden Licht abgewandten Außenseite der Schichtenanordnung angeordnet ist.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die NIR-transmissionshindernde Schicht mindestens eine ein cholesterisches Flüssigkristallmaterial enthaltende Schicht aufweist. Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Schichten aus einem cholesterischen (chiral nematischen) Flüssigkristallmaterial können hohe Reflexionswerte für NIR-Strahlung und gleichzeitig eine gute Transmission der VIS-Strahlung erreicht werden. Beispielsweise sind bandenverbreiterte cholesterische Reflektoren, wie sie prinzipiell beispielsweise in
US 6,099,758 beschrieben werden, denkbar und geeignet, deren Schwerpunkt der Reflektion im NIR-Bereich angeordnet ist. Ebenfalls geeignet sind Schichten mit einer über den Schichtenverlauf ansteigenden oder abfallenden Helixganghöhe (Pitch).
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die NIR-transmissionshindernde Schicht mindestens eine ein keramisches Material enthaltende Schicht aufweist. Keramische Beschichtungen sind aus verschiedenen Anwendungsbereichen bereits bekannt, so dass etablierte und für die Serienanfertigung geeignete Beschichtungsverfahren bestehen. Zusätzlich zu einer gesteigerten Reflexion von NIR-Strahlung kann eine verbesserte Oberflächenvergütung, bzw. Abriebfestigkeit der Schichtenanordnung erreicht und über einen langen Zeitraum gewährleistet werden.
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Es ist ebenfalls denkbar und im Hinblick auf geringe Herstellungskosten vorteilhaft, dass die NIR-transmissionshindernde Schicht mindestens eine ein metallisches Material enthaltende Schicht aufweist.
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Eine in mehrerer Hinsicht vorteilhafte Kombination verschiedener vorangehend beschriebener Schichten besteht darin, dass die NIR-transmissionshindernde Schicht eine Kombination einer Schicht enthaltend ein metallisches Material mit einer Schicht enthaltend einen Farbstoff aufweist.
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Die NIR-transmissionshindernde Schicht kann mit Hilfe eines Dünnfilmverfahrens oder eines Druckverfahrens aufgebracht werden.
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Je nach Aufbau und Zusammensetzung der Schicht kann es vorteilhaft sein, dass die Schicht durch Sputtern oder pyrolytisches Sprühen aufgebracht ist. Die Aufbringung von metallischen, bzw, metalloxidhaltigen Schichten mittels Sputtern und pyrolytischem Sprühen ist aus anderen Anwendungsbereichen und beispielsweise bei der Herstellung von wärmedämmenden Isolierglasscheiben bereits bekannt.
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Es hat sich gezeigt, dass eine in geeigneter Weise angeordnete und aufgebrachte mehrfache Schichtenfolge von Metallschichten und Metalloxidschichten besonders gute transmissionshindernde Eigenschaften im NIR-Bereich aufweisen kann. Vorzugsweise besteht die NIR-transmissionshindernde Schicht aus einer Abfolge von drei bis fünf abwechselnd angeordneten Metalloxidschichten und Metallschichten. Es können jedoch auch mehr Schichten vorhanden sein.
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Es entspricht ebenfalls einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dass die NIR-transmissionshindernde Schicht durch thermische Bedampfung aufgebracht ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens besteht die NIR-transmissionshindernde Schicht (
4) aus einer NIR-reflektierenden Folie mit einem mehrschichtigen Aufbau, wobei die einzelnen Schichten typischerweise aus mindestens zwei Materialien mit einem unterschiedlichen Brechungsindex bestehen. Derartige NIR-reflektierende Folien werden beispielsweise in
US 7,236,296 B2 beschrieben oder sind zum Beispiel unter der Bezeichnung „Prestige PR 70“ von 3M erhältlich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die NIR-transmissionshindernde Schicht (
4) einen NIR-Polarisator dar, bevorzugt eine NIR-polarisierende Folie. Der NIR-Polarisator kann im NIR-Bereich des Spektrums teilweise polarisierend sein. Es kann ein beliebiger NIR-Polarisator verwendet werden, beispielsweise der in
US 5882774 A offenbarte Polarisator.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Schichtenanordnung,
- 2 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Schichtenanordnung, die auf einer Oberfläche einer Glasscheibe angeordnet ist,
- 3 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften im transparenten Zustand bei einer Schichtenanordnung gemäß einem bereits bekannten Stand der Technik (nematische Drehzelle mit reflektiven bzw. absorptiven Polarisatoren), wobei die Kurve 1 die Transmission mit reflektiven Polarisatoren zeigt, und die Kurve 2 die Transmission mit absorptiven Polarisatoren zeigt,
- 4 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften betreffend linear polarisiertes Licht eines absorptiven Polarisators gemäß dem Stand der Technik, wobei das mit 1 markierte Spektrum die Transmission von parallel zur Polarisationsebene des Polarisators polarisiertem Licht zeigt, und das mit 2 markierte Spektrum die Transmission von senkrecht zur Polarisationsebene des Polarisators polarisiertem Licht zeigt,
- 5 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung im transparenten Zustand unter Verwendung einer handelsüblichen Isolierglasscheibe mit Wärmeschutzbeschichtung, wobei das mit 1 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von absorptiven Polarisatoren zeigt, und das mit 2 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von reflektiven Polarisatoren zeigt,
- 6 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften im transparenten Zustand einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung, die eine handelsübliche Wärmeschutzfolie mit einer metallischen Beschichtung enthält, wobei das mit 1 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von absorptiven Polarisatoren zeigt, und das mit 2 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von reflektiven Polarisatoren zeigt,
- 7 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften im transparenten Zustand einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung, die eine handelsübliche Wärmeschutzfolie mit einer keramischen Beschichtung enthält, wobei das mit 1 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von absorptiven Polarisatoren zeigt, und das mit 2 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von reflektiven Polarisatoren zeigt,
- 8 ein Diagramm mit den Ergebnissen von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung im transparenten Zustand, welche eine NIR-Reflexionsfolie enthält, wobei das mit 1 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von absorptiven Polarisatoren zeigt, und das mit 2 markierte Spektrum die Transmission bei Verwendung von reflektiven Polarisatoren zeigt.
- 9 zeigt ein Diagramm mit spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung, die einen NIR-Polarisator als NIR-transmissionshindernde Schicht aufweist. Das mit 1 markierte Spektrum entspricht dem intransparenten Zustand der Vorrichtung, und das mit 2 markierte Spektrum entspricht dem transparenten Zustand der Vorrichtung.
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In den 1 und 2 sind exemplarisch und schematisch mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung (1) dargestellt.
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Die in 1 gezeigte Schichtenanordnung (1) weist eine in Abhängigkeit von der Temperatur die Polarisationseigenschaften des Lichts beeinflussende Schaltschicht (2) auf. Die Schaltschicht (2) umfasst bevorzugt ein flüssigkristallines Medium, welches in einem ersten Temperaturbereich eine nematische Phase ausbildet, und in einem zweiten Temperaturbereich eine isotrope Phase ausbildet. Besonders bevorzugt stellt die Anordnung umfassend die beiden Polarisationsschichten (3a) und (3b) sowie die Schaltschicht (2) eine nematische Drehzelle dar.
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Die Polarisationseigenschaften eines durch die Schaltschicht hindurchtretenden Lichtstrahls werden abhängig von der Temperatur unterschiedlich beeinflusst. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Schaltschicht (2) liegt ein erster tieferer Temperaturbereich vor, bei dem die Polarisationseigenschaften des Lichts durch die Schaltschicht (2) geändert werden, und es liegt ein zweiter höherer Temperaturbereich vor, bei dem die Polarisationseigenschaften des Lichts nicht oder nur geringfügig geändert werden.
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Auf beiden Seiten der Schaltschicht (2) ist jeweils eine Polarisationsschicht (3a) bzw. (3b) angeordnet, die im Wesentlichen ausschließlich Licht mit einer vorgegebenen Polarisation transmittiert und Licht mit einer abweichenden Polarisation entweder reflektiert (reflektierende Polarisationsschichten) oder absorbiert (absorbierende Polarisationsschichten). Die Polarisationsebenen der beiden Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um einen bestimmten Winkel gegeneinander gedreht, so dass bei einer ersten Temperatur die durch die erste Polarisationsschicht (3a) vorgegebene Polarisationsebene des Lichts durch die Schaltschicht (2) gedreht wird und das Licht daher anschließend im Wesentlichen ungehindert durch die zweite Polarisationsschicht (3b) hindurchtreten kann (transparenter Zustand), während bei einer zweiten Temperatur die Schaltschicht (2) die Polarisationsebene des Lichts nicht ändert und das Licht daher kaum oder gar nicht durch die zweite Polarisationsschicht (3b) hindurchtreten kann (intransparenter Zustand).
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Bei der ersten Temperatur liegt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein flüssigkristalliner Zustand des flüssigkristallinen Mediums, welches in der Schaltschicht vorhanden ist, vor. Besonders bevorzugt liegt ein nematischer Zustand des flüssigkristallinen Mediums vor. Bei der zweiten Temperatur liegt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein isotroper Zustand des flüssigkristallinen Mediums, welches in der Schaltschicht vorhanden ist, vor.
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Die in den 1 und 2 exemplarisch dargestellte Schichtenanordnung (1) weist zusätzlich zu den Polarisationsschichten (3a) und (3b) und der Schaltschicht (2) eine NIR-transmissionshindernde Schicht (4) auf. Die NIR-transmissionshindernde Schicht (4) ist bei den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils an einer Außenseite der Schichtenabfolge Polarisationsschicht (3a), Schaltschicht (2) und Polarisationsschicht (3b) angeordnet.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schichtenanordnung (1) auf einer Glasscheibe (5) angeordnet. Bei der Glasscheibe (5) kann es sich um eine einzelne Glasscheibe handeln, die eine Öffnung in einem Bauwerk oder in einem Fahrzeug bedeckt. Es kann sich aber auch in vorteilhafter Weise um eine Glasscheibe von mehreren Glasscheiben handeln, aus denen eine Isolierglasscheibe zusammengesetzt ist. Die Schichtenanordnung (1) ist in derartigen Fällen zweckmäßigerweise an einer Innenseite der äußeren, dem einfallenden Licht zugewandten Glasscheibe der Isolierglasscheibe angeordnet, da diese äußere Glasscheibe thermisch in Kontakt mit der Außentemperatur steht und bei starkem Lichteinfall und hohen Außentemperaturen eine rasche Schaltwirkung der Schaltschicht (2) zwischen den beiden Polarisationsschichten (3a) und (3b) begünstigt. Wenn die Schichtenanordnung (1) an einer dem Innenraum zugewandten Glasscheibe angeordnet wird, wird die Schaltschicht (2) maßgeblich in Abhängigkeit von der Innenraumtemperatur das einfallende Licht beeinflussen, so dass die temperaturabhängige Abschattung von der Innenraumtemperatur und nicht von der Außentemperatur dominiert wird. Bei einer Abfolge von drei oder mehr Glasscheiben kann die Schichtenanordnung (1) auch an innenliegenden Glasscheiben auf einer dem einfallenden Licht zugewandten oder abgewandten Oberfläche angeordnet sein. Weiterhin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Glasschicht durch eine beliebige andere transparente Trägerschicht ersetzt ist, beispielsweise eine Kunststoffschicht.
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Handelsüblich erhältliche Polarisationsschichten (3a) und (3b) weisen beispielsweise Transmissionseigenschaften gemäß den exemplarisch in 4 gezeigten Messwerten auf. Die beiden Messkurven repräsentieren übliche Transmissionseigenschaften von absorbierenden Polarisationsschichten bei Messung mit linear polarisiertem Licht. Für reflektierende Polarisationsschichten werden ähnliche Ergebnisse erhalten. Während die Polarisationsschichten (3a) und (3b) in einem Bereich zwischen 400 nm und etwa 800 nm bei unpolarisiertem Licht nur etwa die Hälfte des Lichts, nämlich den Anteil mit einer durch die Polarisationsschicht (3a) bzw. (3b) vorgegebenen Polarisationsebene hindurchlassen, ist die Effizienz bei höheren Wellenlängen, insbesondere im NIR-Bereich, gering. Die von idealen Werten wie beispielsweise 100% Transmission abweichenden Messwerte sind auf in der Praxis unvermeidbare Randeffekte und Beeinträchtigungen einer idealerweise 100% Transmission einer Schicht zurückzuführen.
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Es wird weiterhin anhand der mit absorptiven bzw. reflektiven Polarisatoren in Kombination mit einer verdrillt nematischen flüssigkristallinen Schicht erhaltenen Messergebnisse von 3 deutlich, dass zwei Polarisationsschichten (3a) und (3b) mit um 90° gegeneinander gedrehter Polarisationsebene einfallendes Licht mit Wellenlängen oberhalb von etwa 800 nm nur in geringem Umfang polarisieren, so dass die Vorrichtung gemäß 3 nur einen geringen Schalteffekt auf Licht mit einer Wellenlänge oberhalb der genannten 800 nm ausüben kann.
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Dies wird durch die in 4 dargestellten Messergebnisse verständlich. Eine Polarisationsschicht wie (3a) und (3b) gemäß 4 zeigt für polarisiertes Licht, das mit einem Glan-Thompson-Prisma polarisiert wurde und nahezu ideale Polarisationseigenschaften über den gesamten relevanten Wellenlängenbereich aufweist, für Wellenlängen unterhalb von etwa 800 nm den gewünschten Effekt, so dass je nach Polarisation entweder das einfallende Licht blockiert oder weitgehend durchgelassen wird. Für Wellenlängen oberhalb von etwa 800 nm hingegen, insbesondere für Wellenlängen im NIR-Bereich erfolgt jedoch nahezu keine Polarisation des einfallenden Lichts.
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Gemäß dem oben dargestellten Wirkungsprinzip der Schichtenanordnung, insbesondere der Schaltschicht, weist daher eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung einer Schaltschicht (2) zwischen zwei Polarisationsschichten (3a) und (3b) im NIR-Bereich nahezu keinen Schalteffekt auf.
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Es sind keine derzeit kommerziell vertriebenen Polarisationsschichten bekannt, die über den gesamten relevanten Wellenlängenbereich zwischen etwa 250 nm und 1500 nm geeignete Polarisationseigenschaften aufweisen und für eine Schichtenanordnung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, über den gesamten relevanten Wellenlängenbereich den gewünschten Schalteffekt auf die Transmission ermöglichen. Insbesondere sind solche Polarisationsschichten aktuell technisch nicht realisierbar für Schichtenanordnungen, welche größere Flächen als einige wenige Quadratzentimeter umfassen sollen.
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Um eine kostengünstige Herstellung einer Schichtenanordnung (1) zu ermöglichen, die nicht nur im VIS-Bereich, sondern insbesondere auch im NIR-Bereich die angestrebten Eigenschaften aufweist, werden erfindungsgemäß die beiden die Schaltschicht (2) umgebenden Polarisationsschichten (3a) und (3b) mit einer Schicht (4) kombiniert, die NIR-transmissionshindernde Eigenschaften aufweist. Da Licht mit Wellenlängen im NIR-Bereich nicht visuell wahrgenommen werden kann, bewirkt die Schicht (4) keine nennenswerte Beeinträchtigung des visuell wahrgenommenen Lichteinfalls. Geeignete Schichten (4) sind in unterschiedlicher Zusammensetzung und mit verschiedenen Eigenschaften bereits bekannt und oftmals handelsüblich und kostengünstig erhältlich.
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In 5 sind die Ergebnisse einer spektralen Transmissionsmessung einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung (1) im transparenten Zustand abgebildet. Die NIR-transmissionhindernde Schicht (4) stellt hier eine handelsübliche Isolierglasscheibe mit Wärmeschutzbeschichtung dar. Sowohl bei reflektierenden Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) als auch bei absorbierenden Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) wird im transparenten Zustand die Transmission im VIS-Bereich auf etwa 20 % bis 30 % reduziert, während durch die Kombination mit der NIR-transmissionshindernden Schicht (4) im NIR-Bereich eine nahezu vollständige Blockade für einfallendes Licht erzeugt wird. Im nichttransparenten Zustand (nicht gezeigt) wird die Transmission durch die Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) in Kombination mit der Schicht (4) nahezu vollständig verhindert. Da das menschliche Auge keine proportionale, sondern eine logarithmische Lichtstärkenwahrnehmung aufweist, wird auch die hier im transparenten Fall vorliegende Reduzierung der Transmission im VIS-Bereich auf 20 % bis 30 % noch als akzeptabel empfunden.
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In
6 sind inhaltlich vergleichbare Ergebnisse einer spektralen Transmissionsmessung einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung (
1) abgebildet, wobei als Schicht (
4) eine metallische Folie verwendet wurde. Eine derartige metallische Folie wird beispielsweise in
US 4,973,511 beschrieben und ist beispielsweise als metallische Folie „V-Kool 70“ bei der V-KOOL, Inc. (www.v-kool.com) erhältlich. Diese metallische Folie weist eine Transmission im VIS-Bereich von etwa 70 % auf, während die Transmission im NIR-Bereich vergleichsweise gering ist. Andere kommerziell erhältliche metallische Folien können auch eine etwas geringere oder eine etwas höhere Transmission im VIS-Bereich von bis zu 77 % aufweisen.
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Wie bei den vorangehend beschriebenen Messungen wird deshalb sowohl bei reflektierenden Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) als auch bei absorbierenden Polarisationsschichten (3a) bzw. (3b) im transparenten Zustand die Transmission im VIS-Bereich auf etwa 20 % bis 30 % reduziert, während durch die Kombination mit der metallischen Folie im NIR-Bereich eine nahezu vollständige Blockade für einfallendes Licht erzeugt wird. Im intransparenten Zustand wird die Transmission sowohl im VIS- als auch im NIR-Bereich durch die Polarisationsschichten (3a) und (3b) in Kombination mit der NIR-transmissionshindernden Schicht (4) nahezu vollständig verhindert.
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Es können auch Folien mit keramischen Bestandteilen als NIR-transmissionshindernde Schicht (4) verwendet werden. Die in 7 exemplarisch gezeigten Transmissionsmessungen wurden mit einer Folie MAC 6000 der Madico, Inc. (www.madico.com) durchgeführt. Während die Transmission für Wellenlängen unterhalb von etwa 800 nm vergleichbar mit der Transmission der vorangehend beschriebenen Schichten (4) ist, ist die Transmission oberhalb von etwa 800 nm weniger reduziert, jedoch über den gesamten relevanten Wellenlängenbereich deutlich geringer als 50%, was gegenüber einer Anordnung von Schichten ohne Schicht (4) eine deutliche Reduzierung von einfallender Wärmestrahlung im NIR-Bereich darstellt.
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Es können auch Folien als NIR-transmissionshindernde Schicht (4) verwendet werden, die eine Mehrfachbeschichtung (Multi-Layer-Beschichtung) aufweisen. Eine derartige Schicht (4) kann im Wesentlichen aus einer NIR-reflektierenden Folie mit einem mehrschichtigen Aufbau bestehen, wobei die einzelnen Schichten typischerweise aus mindestens zwei Materialien mit einem unterschiedlichen Brechungsindex bestehen.
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In 8 werden die Ergebnisse von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung (1) unter Verwendung einer NIR-Reflexionsfolie (3M Sonnenschutzfolie Prestige 70) als NIR-transmissionshindernde Schicht gezeigt, wobei die Messungen jeweils im transparenten Zustand der Schichtenanordnung durchgeführt wurden. Insbesondere im Bereich zwischen 850 nm und 1150 nm ergibt sich durch die NIR-Reflektionsfolie eine hoch effektive Blockierung von hindurchtretendem Licht. Ab 1150 nm Wellenlänge ist die NIR-Reduktion nicht mehr so stark wie im Bereich 850-1150 nm, aber dennoch noch deutlich sichtbar im Vergleich zu der Anordnung ohne NIR-transmissionshindernde Schicht (vgl. 3).
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9 zeigt die Ergebnisse von spektralen Messungen der Transmissionseigenschaften einer erfindungsgemäßen Schichtenanordnung, welche eine NIR-Polarisatorfolie als NIR-transmissionshindernde Schicht aufweist, im transparenten (Kurve
2) und im intransparenten Zustand (Kurve
1). Der Aufbau der Schichtenanordnung ist wie folgt: erste Polarisationsschicht - Schaltschicht - zweite Polarisationsschicht, wobei die NIR-Polarisatorfolie entweder zwischen der Schaltschicht und einer der Polarisationsschichten oder außen auf einer der Polarisationsschichten angeordnet ist. Die verwendete NIR-Polarisatorfolie ist diejenige, die in
US 5882774 A offenbart ist. Mit der Schichtenanordnung gemäß
9 wird die Gesamttransmission im NIR-Bereich deutlich reduziert, sowohl im transparenten als auch im intransparenten Zustand.
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Die Messungen der 3 bis 8 wurden bei Raumtemperatur (20 °C) mit einem Lambda 1050 UV / VIS / NIR-Spektrometer des Herstellers Perkin Elmer durchgeführt.
