DE19840183C1

DE19840183C1 - Element mit elektrisch einstellbarer Oberflächenemissivität für Infrarotstrahlung

Info

Publication number: DE19840183C1
Application number: DE19840183A
Authority: DE
Inventors: Walter Rothmund; Katrin Ortlepp; Werner Scherber; Andreas Leupolz; Monika Golly
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: WO2000014811A3; EP1112595A2; US20010054503A1; WO2000014811A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element mit elektrisch einstellbarer Oberflächenemissivität für Infrarotstrahlung der Wellenlänge 1 mum bis 30 mum, mit folgendem Schichtaufbau: DOLLAR A - vorderes, IR-transparentes Substrat (6); DOLLAR A - Funktionsschicht (5), deren Reflektivität für IR-Strahlung durch Einlagerung von Wasserstoff geändert werden kann; DOLLAR A - wasserfreie, IR-absorptive Protonenleiterschicht (4); DOLLAR A - Wasserstoffspeicherschicht (3); DOLLAR A - Elektrodenschicht (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Element mit elektrisch einstellbarer Oberflächenemissivität für Strahlung im infraroten (IR) Strahlungsbereich. Derartige Elemente werden insbesondere zur Stabilisierung des Thermalhaushaltes von Satelliten und Raum fahrzeugen oder zum Einsatz bei der Klimaregelung in Fahrzeugen und Gebäuden verwendet.

Aus der US 5,609,315 ist eine Satellitenabdeckung aus einer kohlenstoffhaltigen Polyimidschicht bekannt, die den Satellit gegen Umwelteinflüsse im Weltraum abschirmt.

Aus der DE 36 43 692 C2 ist eine Vorrichtung zu Zwecken der IR-Tarnung bekannt, bei der die Veränderung der Oberflächenemissivität durch die elektrische Ansteue rung einer Funktionsschicht bewirkt wird. Dabei wird mit Hilfe elektrischer Span nungssignale eine reversible elektrochemische Reaktion durchgeführt, die das optische Verhalten der Funktionsschicht im infraroten Wellenlängenbereich verän dert. Als ein Anwendungsbeispiel wird eine elektrochrome IR-Absorberzelle, beste hend aus einer steuerbaren Polymerschicht, einer porösen Goldelektrode, einem lithiumleitfähigen Elektrolyten, einer Speicherschicht und einer Rückelektrode, beschrieben. Die Ladungsträger, Lithiumionen oder Protonen, welche die elektro chemische Reaktion verursachen, müssen dem System bereits bei der Herstellung in der als Reservoir vorgesehenen Speicherschicht zugegeben werden. Beim Schalten des Systems zwischen zwei unterschiedlichen ε-Werten wird dieses Reservoir abwechselnd entleert und gefüllt.

Die in der Praxis geforderte Lebensdauer von bis zu 10⁵ Schaltzyklen kann in diesem System nur über eine extrem hohe elektrochemische Stromausbeute von nahezu 100 % erreicht werden. Vorrichtungen, die diese Forderung erfüllen, sind nur mit hochge reinigten Ausgangssubstanzen sowie einer sehr aufwendig herzustellenden Elektro dengeometrie zu realisieren und deshalb praktisch nicht in eine technische Produkti on zu überführen.

Ein weiterer Nachteil dieses Elements ist seine niedrige Schaltgeschwindigkeit. Der vollständige Übergang der Anordnung von einem Emissionszustand zu einem anderen dauert, vor allem bei tiefen Temperaturen, mehrere Minuten. Verantwortlich hierfür kann sowohl die geringe ionische Leitfähigkeit des Polymerelektrolyten als auch die geringe Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen in der Funktionsschicht sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Element zu schaf fen, mit dem der Schaltvorgang zur Änderung der Oberflächenemissivität schnell und mit geringer Schaltenergie erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Element weist folgenden Schichtaufbau auf:

- vordere, IR-transparente Trägerschicht;
- Funktionsschicht, deren Reflektivität für IR-Strahlung durch Einlagerung von Wasserstoff geändert werden kann;
- wasserfreie, IR-absorptive Protonenleiterschicht;
- Wasserstoffspeicherschicht;
- Elektrodenschicht.

Für die Anwendung wird die Oberfläche, deren Emissivität gesteuert werden soll, mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Elementen belegt. Diese sind untereinan der elektrisch verbunden, und können in Form von Strings oder Arrays verschaltet werden.

Mit der Bezeichnung "hinten", bzw. "rückwärtig" im Bezug auf die Lage einer Schicht ist in der vorliegenden Anmeldung die Seite des Elements gemeint, die zur Oberflä che (deren Emissivität gesteuert werden soll) hin liegt. Entsprechend bedeutet "vorne" die Seite des Elements, die zum Raum, in den die IR-Abstrahlung erfolgt, hin liegt.

In einer vorteilhaften Ausführung wird das erfindungsgemäße Element abgeschlos sen durch eine rückwärtige Trägerschicht, auf der die Elektrodenschicht und die Speicher schicht aufgebracht sind.

Die vordere Trägerschicht kann in einer weiteren Ausführung eine Vergütungsschicht oder ein Vergütungsschichtsystem aus mehreren Einzelschichten tragen, die den vorderen Abschluß des Elements bildet, und die im IR-Wellenlängenbereich entspie gelnd wirkt. Speziell zur Thermalsteuerung des Wärmehaushalts von Raumfahrzeu gen erfüllt die Vergütung zwei Funktionen gleichzeitig, sie wirkt nämlich im IR- Bereich (Wellenlänge typisch 10 µm) entspiegelnd und im sichtbaren Bereich bis nahen Infrarot (300 nm bis ca. 2 µm) reflektierend.

Zwischen Funktionsschicht und Protonenleiterschicht kann zusätzlich eine Schicht zum Schutz des Materials der Funktionsschicht gegen Oxidation vorhanden sein.

Das erfindungsgemäße Element gestattet es, das Emissionsvermögen einer Oberflä che für Infrarotlicht in einem Wellenlängenbereich von 1 µm bis zu 30 µm stufenlos und reversibel zu variieren. Die Regelung erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Funktionsschicht und Elektrodenschicht.

Bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Elements ist die gezielte Dosierung des Eintrags oder der Abgabe von Wärme über eine Oberfläche via Strahlung, z. B. zur leistungsarmen Stabilisierung des Thermalhaushaltes von Satelliten und Raumfahrzeugen oder zum Einsatz bei der Klimaregelung in Fahrzeu gen und Gebäuden.

Das erfindungsgemäße Element besitzt die folgenden Vorteile:

- Die Funktionsschicht mit der darauf aufgebrachten Oxidationsschutzschicht bildet zugleich die vordere Elektrode, wodurch ein homogener ganzflächiger und schneller Schaltvorgang des Elements ermöglicht wird;
- Es werden nur geringe Schaltenergien von < 1 Wh/m² benötigt;
- Die erzielbare Variation der Oberflächenemissivität der Elemente wird praktisch nur noch von der Vergütung der äußeren Oberfläche der vorderen Trägerschicht bestimmt;
- Die Vordotierung der Wasserstoffspeicherschicht mit Wasserstoff kann besonders effektiv durch elektrochemische Einlagerung erfolgen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Die beiden Fig. 1 und 2 zeigen jeweils ein konkretes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Element.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Elements. Es umfaßt folgenden Schichtaufbau:

- eine Elektrodenschicht 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Au, Al, Pt, Pd, Cu, oder einem leitfähigen Oxid wie z. B. ITO.
- eine Protonen-Speicherschicht 3, z. B. WO₃, Y, NiO, LaNi₅, FeTi, Pd usw.;
- ein wasserfreier, IR-absorptiver Protonenleiter 4; er enthält bevorzugt mobile Protonenträger wie z. B. Imidazol oder Pyrazol. Die Protonenleiterschicht kann z. B. aus sulfoniertem Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyaryletherketon (PAEK) bestehen.
- eine Funktionsschicht 5 aus Yttrium Y oder Yttrium-Dihydrid YH₂ oder dem Hydrid eines anderen Selten-Erdmetalles (z. B. Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseo dym, Neodym). Auf der Funktionsschicht ist vorteilhaft eine dünne Schicht (z. B. Pd, Pt, NbO₃, V₂O₅ usw.) zum Schutz gegen Oxidation aufgebracht (in der Fig. 1 nicht dargestellt).
- eine Trägerschicht 6 aus einem für Infrarotlicht transparenten Material, z. B. Silizium, Germanium usw..
- eine Vergütungsschicht 7 oder ein Vergütungsschichtsystem aus mehreren Einzelschichten, die im IR-Wellenlängenbereich entspiegelnd wirkt.

Die In Fig. 2 gezeigte Ausführung des erfindungsgemäßen Elements unterscheidet sich von der der Fig. 1 durch eine zweite Trägerschicht 1 aus einem - hinsichtlich der IR- Transparenz - beliebigen Material als Träger für die hintere Zellhälfte. Bei der Herstellung des Elements wird auf die vordere Trägerschicht 6 die Funktionsschicht 5 und auf die rückwärtige Trägerschicht 1 die Elektrodenschicht 2 sowie darauf die Wasser stoffspeicherschicht 3 aufgebracht. Die beiden so beschichteten Trägerschichten können dann mittels des Protonenleiters 4, der gleichzeitig als Klebematerial dient, verbun den werden. Als Materialien für den Protonenleiter eignen sich hierfür insbesondere sulfoniertes Polyetherketon (PEK) oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyaryl etherketon (PAEK) mit mobilen Protonenträgern wie z. B. Imidazol oder Pyrazol.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ausführungen ist in beiden Fällen dieselbe. Legt man an die beiden Elektroden 2 und 5 eine elektrische Spannung von typischerweise 2 V so an, daß an der Funktionsschicht 5 aus z. B. YH₂ der Minuspol der Spannungsquelle liegt, so wandern positiv geladene Protonen durch den Proto nenleiter aus der Speicherschicht in die Funktionsschicht und werden dort neutrali siert. Diese wandelt sich bei Einlagerung einer genügend großen Anzahl Wasser stoffatome in YH₃ um, das halbleitende Eigenschaften besitzt und für Infrarotlicht transparent ist. In diesem Falle kann einfallendes IR-Licht bis zum Protonenleiter 4 durchdringen, der eine Absorption von praktisch 100% besitzt. Die Oberfläche des Elementes ist mithin hochemittierend.

Polt man die elektrische Spannung um, so daß der Pluspol an der Funktionsschicht 5 anliegt, so wandern Protonen durch den Protonenleiter 4 zurück in die Speicher schicht und die Funktionsschicht 5 wird wieder zu dem stabilen YH₂ umgewandelt, welches metallischen Charakter hat und für Infrarotlicht einen breitbandigen Spiegel darstellt. Die Oberfläche des Elementes ist in diesem Zustand niedrigemittierend.

Claims

1. Element mit elektrisch einstellbarer Oberflächenemissivität für Infrarotstrahlung der Wellenlänge 1 µm bis 30 µm, mit folgendem Schichtaufbau:

1. vordere, IR-transparente Trägerschicht (6);
2. Funktionsschicht (5) aus einem Material, das durch Reaktion mit Wasserstoff mindestens zwei verschieden wertige Hydride mit unterschiedlicher Reflektivität für IR-Strahlung bilden kann;
3. wasserfreie, IR-absorptive Protonenleiterschicht (4);
4. Wasserstoffspeicherschicht (3);
5. Elektrodenschicht (2);
6. Mittel zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Funktionsschicht (5) und Elektrodenschicht (2).

2. Element nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht (2) auf einer rückwärtigen Trägerschicht (1) aufgebracht ist.

3. Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Funktionsschicht (5) und Protonenleiterschicht (4) eine Oxidations schutzschicht vorhanden ist.

4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsschutz schicht aus Pd, Pt, NbO₃ oder V₂O₅ besteht.

5. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, z. B. Au, Pt, Al, Pd, Cu, ITO.

6. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffspeicherschicht (3) aus WO₃, Y, NiO, LaNi₅, FeTi oder Pd besteht.

7. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonenleiterschicht (4) mobile Protonenträger wie z. B. Imidazol oder Pyrazol enthält.

8. Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Protonenleiter schicht (4) aus sulfoniertem Polyetherketon oder Polyetheretherketon oder Po lyaryletherketon besteht.

9. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (5) aus einem Hydrid eines Seltenerdmetalls, z. B. Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym oder Legierungen aus mindestens zwei dieser Verbindungen besteht.

10. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Trägerschicht (6) aus Silizium oder Germanium besteht.

11. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß die vordere Trägerschicht (6) eine Vergütungsschicht oder ein Vergütungs schichtsystem trägt, welche im IR-Wellenlängenbereich entspiegelnd wirkt.