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Die
Erfindung bezieht sich auf Beschichtungen, die wenigstens einseitig
auf ein optisch transparentes, flächig ausgebildetes Substrat
aufbringbar sind und zur Beeinflussung des sich durch Reflexion an
der Oberfläche
der Beschichtungen ergebenden spektralen Farbeindruckes dient.
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Die
DE 851 663 C beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächenschichten auf optisch wirksamen
Flächen,
mit dem eine Reflexionsminderung erreicht wird. Die Patentschrift
offenbart u.a., dass eine zufriedenstellende reflexionsmindernde
Wirkung auch mit Schichten erreicht wird, deren Brechungsindex sich
nur wenig vom Brechungsindex des Substrats unterscheidet.
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In
OZER, N. u.a.: „Optical
properties of sol-gel spin-coated, TiO2 films
and comparison of the properties with ion-beam-sputtered films", Applied Optics,
1991, Vol. 30, No. 25, S. 3661–3666,
wird offenbart, wie die optischen Eigenschaften von beschichteten
Substraten durch Stoffauswahl und Herstellbedingungen beeinflussbar
ist. Da die verwendeten Materialien Brechungsindices aufweisen,
die über
dem Brechungsindex des Substrats liegen, nimmt die Transmission
durch die Beschichtung ab.
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Aus
der
DE 38 06 124 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Sonnenschutzgläsern bekannt. Dabei wird die
Transmission des Substrats erheblich reduziert, u.a. weil absorbierende
Metallschichten abgeschieden werden.
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Die
gemäß der
DE 26 13 394 B hergestellten Beschichtungen
dienen ebenfalls der Reflexion von Wärmestrahlung, wobei auch die
Lichttransmission reduziert wird.
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Das
Gebrauchmuster
DE 71
41 928 U handelt Beschichtungen auf optischen Komponenten
außerhalb
des genutzten Strahlengangs. Sie sind hochabsorbierend und die nen
ausschließlich
der Unterdrückung
störender
innerer Reflexionen. Eine transmittierende Eigenschaft ist nicht
gewünscht
und für diese
Anwendung auch nicht sinnvoll.
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Die
EP 0 039 125 B1 beschreibt
eine λ/4-Schicht
auf einem Substrat zur Reflexionsminderung. Die dort verwendeten
Materialien weichen in ihrem Brechungsindex deutlich von dem Wert „Wurzel des
Brechungsindex des Substrats" ab.
Für die
Anwendung als reflexionsmindernde Schicht ist dies jedoch hinreichend.
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Vorstehend
genannte Beschichtungen werden häufig
bei Anwendungen aus der Beleuchtungstechnik, der Solartechnik oder
der Architekturverglasung, bei denen das farbige Erscheinungsbild
von Glasabdeckungen eine wichtige Rolle spielen, gewünscht und
eingesetzt. Die Farbgebung des optischen Erscheinungsbildes von
Glasabdeckungen erfolgt in der Regel durch wellenlängenselektive
Absorption bzw. durch Interferenzerscheinungen. Bei vielen Anwendungen
soll jedoch die Farbgebung nur in Reflexion sichtbar in Erscheinung
treten, wohingegen die transmittierende Strahlung von den farbgebenden
Maßnahmen
möglichst
unbeeinflusst sein soll.
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Anhand
der nachfolgenden zwei Beispiele soll dieser Umstand näher erläutert werden:
Als "All weather
H4-Lampen" werden
Kfz-Scheinwerter Halogenlampen bezeichnet, deren Glaskolben für das auf sie
einfallende Licht einen gelben Farbeindruck hervorrufen, wodurch
der Eindruck geweckt wird, dass diese Lampen für schwierige Witterungsbedingungen
besonders geeignet seien. Der gelb erscheinende Farbeindruck rührt jedoch
vorwiegend von dem in Reflexion auf die Glasoberfläche des
Glaskolbens auftreffenden Lichtstrahl her, wohingegen die Farbe des
transmittierenden Lichtes nur unwesentlich beeinflusst wird.
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Dieser
Lampentyp ist durch ein klassisches Mehrschicht-Interferenzsystem
auf dem Glaskolben vergütet.
Absorbierende Systeme kommen bei dieser Anwendung jedoch nicht in
Betracht, zumal durch diese Systeme die Temperatur innerhalb des
Glaskolbens der Halogenlampe im Betrieb zu stark erhöht würde.
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Damit
durch eine Interferenzbeschichtung auf der Außenseite des Glaskolbens eine ausreichende
Farbsättigung
erhalten wird, muss das Interterenzschichtsystem vier übereinander
angeordnete Schichten, typischerweise sechs bis acht Einzelschichten
aufweisen, wodurch die Herstellung derartiger Glaskolben sehr teuer
ist. Zudem ist das direkt transmittierte Licht im gelben Spektralbereich
deutlich reduziert, was einen zusätzlichen Nachteil darstellt.
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Ein
weiteres Beispiel für
die Anwendung einer farbgebenden Vergütung an lichttransparenten Oberflächen stellen
Solarfassaden dar, die an Gebäudefassaden
solare Systeme, wie beispielsweise thermische oder photovoltaische
Systeme, vorsehen und aus architektonischen Gründen eine geeignete Farbgebung
aufweisen sollen. Aus energetischen Gründen ist die Absorption der
solaren Systeme im sichtbaren Bereich optimiert.
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Es
muss also ein Kompromiss zwischen energetischen und ästhetischen
Gesichtspunkten gefunden werden, so dass im Falle von photovoltaischen
Systemen farbgebende Entspiegelungsschichten an der Oberfläche von
Solarzellen aufgebracht werden, die den Wirkungsgrad von Solarzellen
nur unwesentlich verschlechtern. Es existiert für thermische Systeme jedoch
noch keine zufriedenstellende Lösung,
da eine optische Oberflächenvergütung zugleich
auch eine Beeinträchtigung
des schwarzen Strahlers darstellt und somit seine Absorptionseigenschaft
nachhaltig beeinträchtigt.
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Die
vorstehend genannten Systeme werden in an sich bekannter Weise durch
eine Glasscheibe abgedeckt, so dass eine Beschichtung der Glasscheibe
für eine
gewünschte
Farbgebung, bei gleichzeitiger Strahlungstransmissionserhöhung, ideal
wäre. Gerade
vor dem schwarzen Hintergrund des solaren Systems wäre auf diese
Weise eine sehr gute Farbsättigung
erzielbar.
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Den
bekannten Beschichtungssystemen haftet jedoch der Nachteil an, dass
für die
Einstellung für einen
bestimmten Farbeindruck das spektrale Transmissionsvermögen, der
auf diese Weise beschichteten Glasscheiben negativ beeinflusst wird,
d. h, die Transmission ist zumindest in bestimmten Spektralbereichen
reduziert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung, die wenigstens
einseitig auf ein optisch transparentes, flächig ausgebildetes Substrat aufbringbar
ist und zur Beeinflussung des sich durch Reflexion an der Oberfläche des
Schichtsystems ergebenden spektralen Farbeindruckes dient, derart weiterzubilden,
dass der Farbeindruck, der im wesentlichen durch Interferenz der
an der Beschichtung reflektierten Strahlen erzeugbar ist, weitgehend
individuell einstellbar ist ohne dabei Einbußen im Transmissionsvermögens, wie
es durch das transparente Substrat vorgegeben ist, zu erleiden.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist eine
Beschichtung, die wenigstens einseitig auf ein optisch transparentes, flächig ausgebildetes
Substrat aufbringbar und zur Beeinflussung des sich durch Reflexion
an der Oberfläche
des Schichtsystems ergebenden spektralen Farbeindruckes dient, derart
ausgebildet, dass das Schichtsystem aus optisch transparentem Material besteht,
dessen Brechungsindex gleich der Quadratwurzel des Brechungsindexes
des Substrates ist.
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Es
ist erfindungsgemäß erkannt
worden, dass sich Farbsättigungseffekte
an Substratoberflächen,
an denen Strahlung reflektiert wird, dann ohne Einbußen im Transmissionsgrad
erzielt werden können,
wenn das Substrat vorzugsweise beidseitig mit einer Beschichtung überzogen
ist, deren Brechungsindex der Quadratwurzel des Brechungsindex des Substrates
entspricht.
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Für normales
Silikatglas, das als Substrat dient, und einen Brechungsindex von
n = 1,5 aufweist, sollte daher der Brechungsindex für das Schichtsystem
n = 1,22 betragen.
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Für Materialien
mit einem derart geringen Brechungsindex eignen sich vorzugsweise
mit Luft vermischte Festkörper
zu einem porösen
Material. Derartig poröse
Mischungen stellen beispielsweise Sol-Gel-Schichten dar, die beispielsweise
durch Sputterverfah ren oder Bedampfungsverfahren im Vakuum auf die
flächig
ausgebildeten, optisch transparenten Glassubstrate aufgebracht werden
können.
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Ebenso
dienen periodisch strukturierte Rechteckgitter für derartige Schichtsysteme,
deren Periodenlänge
im Subwellenlängenbereich
liegt. Derartige periodisch strukturierte Rechteckgitter können auf
eine auf das Glassubstrat aufgebrachte Beschichtung durch Prägeprozesse übertragen
werden und wirken in der Reflexion optisch weitgehend wie eine homogene
Beschichtung.
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Ebenso
können
derartige periodisch strukturierte Rechteckgitter auf Folien übertragen
werden, die wiederum auf das Glassubstrat laminierbar sind.
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Vorzugsweise
ist das Glassubstrat beidseits mit der vorstehend beschriebenen
Beschichtung zu versehen.
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Typische
Schichtdicken liegen zwischen 80 und 700 nm, so dass Licht durch
Interferenz, das senkrecht auf eine derartige Beschichtung einfällt, bei
bestimmten Wellenlängen
nicht reflektiert, sondern ausschließlich die Beschichtung sowie
das Glassubstrat unbeeinträchtigt
transmittiert. In bestimmten spektralen Bereichen kann auf diese
Weise sogar eine Transmissionserhöhung erreicht werden, verglichen
mit dem Zustand eines unbeschichteten Glassubstrates.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren ohne Einschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben werden. Es zeigen:
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1 Diagrammdarstellung
zum Vergleich einer unbeschichteten und beschichteten, absorptionsfreien
Glasscheibe,
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2 Farbdiagrammdarstellung
nach DIN 5033 sowie
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3 Diagramm
zur Reflexionsdarstellung niederbrechender Beschichtungen auf Glasscheiben am
Beispiel einer porösen
Sol-Gel-Beschichtung.
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In 1 ist
das Reflexionsvermögen
eines Glassubstrates mit einem Brechungsindex von 1,5, das mit einer
erfindungsgemäßen Beschichtung
mit einem Brechungsindex n = 1,22 beidseitig beschichtet ist, dargestellt.
Auf der Abszisse ist hierzu der Wellenlängenbereich 0,2 bis 2,0 Mikrometer
sowie auf der Ordinate Reflexionswerte von 0 bis 10% aufgetragen.
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In
an sich bekannter Weise beträgt
der Reflexionsgrad an einer unbeschichteten Glasoberfläche weitgehend
unabhängig
von der Wellenlänge
etwa 8%. Im Unterschied hierzu weist eine erfindungsgemäß beschichtete
Glasoberfläche
Interferenzmaxima in der Reflexion auf, deren Maximalwerte nicht
höher als
die Reflexionswerte der unbeschichteten Glasscheibe liegen. Dies
jedoch stellt einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtung
gegenüber
klassischen Interferenz- Schichtsystemen dar, die wenigstens eine
Schicht mit einem höherem
Brechungsindex als denjenigen des Glassubstrates aufweisen und dadurch
in den Frequenzbereichen, in denen jeweils Reflexionsmaxima auftreten
auch deutliche Reflexionsüberhöhungen aufweisen.
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Neben
der genauen Einstellung des Brechungsindexes der erfindungsgemäßen Beschichtung
auf den Wert der Quadratwurzel des Brechungsindexes des flächig ausgebildeten
Substrates, spielt die Einstellung der Schichtdicke eine den Farbton
in Reflexion bestimmende Rolle. Durch die genaue Einstellung der
beiden vorgenannten Parameter können bestimmte
Farben bei optimierter Farbsättigung
erreicht werden.
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In 2 sind
die Farborte einer Glasscheibe, deren Brechungsindex 1,5 beträgt und eine
beidseitige Beschichtung mit einem Brechungsindex von n = 1,22 aufweist,
in CIE-Farbkoordinaten
gemäß dem CIE
(1931-Diagramm) dargestellt. Der sogenannte Unbuntpunkt ist durch
ein schwarzes eingetragenes Dreieck dargestellt, Ausschnitte des
Spektralfarbenzuges sind hingegen strichliert in das Diagramm eingetragen.
Die Kurve des Farbortes beginnt bei der Schichtdicke 0 am Unbuntpunkt.
Mit zunehmender Schichtdicke folgen die Farborte der eingezeichneten Kurve.
Die Schichtdicken 100 nm bis 600 nm sind zu jedem vollen Hunderter
ausgewiesen. Aus dem Diagramm kann entnommen werden, dass alle Farben dargestellt
werden können,
dass jedoch ausschließlich
für Blau-,
Purpur- und Gelbtöne
eine sehr gute Farbsättigung,
d. h. geringster Abstand zum Spektralfarbenzug, erzielbar ist. Gerade
für diese
Farben kann auch der inhärente
Nachteil, der Interferenzbeschichtungen anhaftet, die sogenannte
Winkelabhängigkeit,
weitgehend minimiert werden.
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In 3 sind
gemessene Spektren dreier unterschiedlicher Schichtsysteme auf der
Basis poröser
Sol-Gel-Beschichtungen dargestellt. Aus den Minima und Maxima aufweisenden
Diagrammzügen kann
entnommen werden, dass durch geeignete Wahl von porösen Sol-Gel-Beschichtungen
Glasscheiben individuell eingefärbt
werden können.
Je nach Mischungsverhältnis,
bzw. Porösität kann das Reflexionsvermögen, bei
weitgehend unbeeinträchtigten
Transmissionseigenschaften über
weite Bereiche des Spektralbereiches eingestellt werden.
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Ein
weiterer Vorteil von porösen
Sol-Gel-Beschichtungen liegt in ihrer anorganischen Natur, die eine
hohe Witterungs- und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften
machen das erfindungsgemäße Schichtsystem
besonders interessant für
die Vergütung
von Außenfassaden
und all jene Oberflächen,
die der atmosphärischen
Witterung frei ausgesetzt sind.
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Zusammenfassend
kann festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Schichtsystem besonders
geeignet ist, großflächige Farbeindrücke zu definieren,
die insbesondere für
Blau-, Purpur- und Gelbtöne
geeignet sind. Überdies
stellt die Beschichtung eine preisgünstige Einschicht-Beschichtung
dar, die verglichen mit an sich bekannten Schichtsystemen transmissionserhöhende Eigenschaften
aufweist. Aufgrund der anorganischen Natur von besonders geeigneten
porösen
Sol-Gel-Schichten vermag die Schicht Temperaturen bis zu 1000°C standzuhalten.