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Die Erfindung betrifft ein Leuchtmittel umfassend eine Leuchtdiode, welche anregendes Licht einer ersten Wellenlänge emittiert, wenigstens einen Leuchtstoff, durch den das von der Leuchtdiode erzeugte anregende Licht hindurchtritt, wobei der Leuchtstoff das mit der ersten Wellenlänge emittierte Licht mindestens teilweise in reaktives Licht einer zweiten Wellenlänge konvertiert, sowie wenigstens eine poröse Matrix aus einem Aerogel, in das der Leuchtstoff eingebunden ist.
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Aus der
EP 1 593 165 B1 ist ein lichtemittierendes Bauelement bekannt, bei dem eine lichtemittierende Diode eine anregende Strahlung emittiert. Diese lichtemittierende Diode ist eine sogenannte LED, also eine Leuchtdiode, bei der das aktive lichtemittierende Material eine anorganische Substanz ist. Beispielsweise kann es sich um eine Laserdiode handeln. Derartige LEDs weisen in der Regel einen Chip mit einem Halbleitermaterial auf. Dieser strahlt Licht einer ersten Wellenlänge aus, beispielsweise blaues Licht, welches dann durch ein Leuchtstoffmaterial, welches den LED-Chip bedeckt in ein Licht anderer Wellenlänge, insbesondere nur teilweise umgewandelt wird. Durch Mischen dieser beiden Lichtfarben kann dann weißes Licht erzeugt und von der LED emittiert werden. In der vorgenannten
EP 1 593 165 B1 wird beschrieben, dass die lichtemittierende Diode, die die anregende Strahlung emittiert, direkt in eine poröse Matrix eingebettet sein kann. Bei dieser Matrix kann es sich auch um ein Sol-Gel, beispielsweise um ein so genanntes Aerogel handeln. Aerogele sind hochporöse Festkörper, die zu einem sehr hohen Prozentsatz, beispielsweise zu über 99 % ihres Volumens, aus Poren bestehen. Aerogele können über einen Sol-Gel-Prozess synthetisiert werden und werden bevorzugt aus Kieselsäure oder Silikaten hergestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Leuchtmittel zu schaffen, insbesondere ein Leuchtmittel, welches sich aufgrund seiner lichttechnischen Eigenschaften und seiner Geometrie dazu eignet, eine herkömmliche Glühlampe oder eine Leuchtstofflampe zu ersetzen.
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Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. alternativ mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
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Gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die das anregende Licht der ersten Wellenlänge emittierende Leuchtdiode eine organische Leuchtdiode ist. Durch die Verwendung einer OLED ergeben sich diverse Vorteile sowohl für den Aufbau eines solchen Leuchtmittels und hinsichtlich der Wellenlängen des abgestrahlten Lichts ist man nicht den typischen Einschränkungen unterworfen, die sich bei der Verwendung von LED-Chips ergeben. Grundsätzlich sind herkömmliche (anorganische) LEDs punktförmige Lichtquellen und die vorliegende Erfindung strebt die Schaffung eines Leuchtmittels an, welches eine Lichtabstrahlung über größere flächige Bereiche ermöglicht, wodurch sich erhebliche Vorteile beim Einsatz eines solchen Leuchtmittels in Leuchten ergeben. Bei den verhältnismäßig kleinen punktförmig abstrahlenden LEDs muss man in der Regel immer lichtstreuende Mittel (Diffusoren) einsetzen, um das Licht zu verteilen und eine Blendung durch direkte Einsicht in das Leuchtmittel zu vermeiden. Die Erfindung beschreitet daher einen Weg, bei dem schon durch das Leuchtmittel selbst eine Lichtstreuung und Lichtabgabe über eine größere Fläche gegeben ist und sich somit der Einsatz von lichtstreuenden Mitteln erübrigt. Dadurch wird die Konstruktion einer Leuchte mit dem Leuchtmittel vereinfacht und im Extremfall bildet bereits das Leuchtmittel selbst die Leuchte. Die Diffusormittel sind bei der erfindungsgemäßen Lösung quasi bereits in das Leuchtmittel integriert.
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Eine zweite Variante der Erfindung sieht vor, dass die das anregende Licht der ersten Wellenlänge emittierende Leuchtdiode eine anorganische Leuchtdiode (LED) ist und diese LED mit Abstand zu der porösen Matrix angeordnet ist, in die der Leuchtstoff eingebunden ist. Anders als bei herkömmlichen Leuchtmitteln, bei denen die primäre Wellenlänge einer LED über einen Leuchtstoff in eine sekundäre Wellenlänge umgewandelt wird, ist bei der erfindungsgemäßen Lösung gemäß dieser zweiten Variante der LED-Chip nicht in einen Dom mit einem Leuchtstoff eingeschlossen. Diese herkömmlichen LEDs führen letztlich zu einem Leuchtmittel von vergleichsweise geringer Größe, welches eine punktförmige Lichtquelle bildet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird hingegen zwischen der LED, die das anregende Licht der ersten Wellenlänge abstrahlt, und der Matrix, die den Leuchtstoff aufnimmt, ein Abstand vorgesehen. Die Matrix aus dem porösen Feststoff kann erheblich größer ausgebildet werden als die LED selbst. Somit verteilt sich das reaktive Licht der zweiten Wellenlänge in einem größeren Volumen, in dem es gleichzeitig eine Lichtstreuung erfährt und die Lichtabstrahlung erfolgt über eine größere Fläche, mit geringerer Intensität in dem jeweiligen Raumwinkel. Es kann so erfindungsgemäß beispielsweise ein Leuchtmittel geschaffen werden, welches in seinen Abmessungen einer Retrofit-Glühlampe entspricht und mit dieser kompatibel (gegen diese austauschbar) ist, aber gegenüber en bekannten LED-Fadenlampen in Retrofit-Ausführung den Vorteil hat, dass eine bessere Lichtverteilung und eine geringe Blendwirkung gegeben ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung emittiert die OLED oder die LED blaues Licht oder violettes Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 490 nm oder ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 315 nm bis 380 nm oder mit einer Wellenlänge im Bereich von 200 nm bis 315 nm oder mit einer Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 200 nm. Blaues Licht hat eine Wellenlänge im Bereich von 420 nm bis 490 nm. Violettes Licht umfasst Wellenlängen im Bereich von 380 nm bis 420 nm. Blaue LEDs sind kostengünstig erhältlich und weit verbreitet und können beispielsweise für die Erzeugung des anregenden Licht des Leuchtmittels verwendet werden. LEDs, die violettes Licht oder ultraviolettes Licht, insbesondere im nahen UV-Bereich von 315 nm bis 380 nm (auch als UV-A oder „Schwarzlicht“ bezeichnet) ausstrahlen, erzeugen Licht mit einer höheren Energie und eignen sich ebenfalls gut als Lichtquelle für das anregende Licht.
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Als Halbleitermaterialien für LEDs, die das anregende Licht erzeugen, eignen sich beispielsweise Substanzen wie Zinkselenid, Indiumgalliumnitrid, Siliziumkarbid, wenn es sich um eine anregende LED handelt, die blaues oder violettes Licht abstrahlt oder beispielsweise Nitride von Elementen der dritten Hauptgruppe wie Aluminiumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid, Aluminiumgalliumindiumnitrid oder Bornitrid, wenn es sich um eine anregende LED handelt, die ultraviolettes Licht abstrahlt, um nur einige der geeigneten Substanzen für das LED-Halbleitermaterial beispielhaft zu nennen.
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Als Leuchtstoffe für die Konversion des anregenden Lichts in das reaktive Licht eignen sich verschiedenste Substanzen, was unter anderem abhängig ist von der Wellenlänge des anregenden Lichts. Beispielsweise kann Ce:YAG (mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) verwendet werden. Ebenso eignen sich mit anderen Seltenen Erden wie beispielsweise Terbium oder Europium dotierte Gläser oder keramische Materialien, insbesondere abgeleitet vom Yttrium-Aluminium-Granat Y
3Al
5O
12, wie sie beispielsweise in der
WO 2010/136116 A1 genannt werden. Weitere für den Leuchtstoff geeignete Materialien sind in der
DE 10 2015 101 413 A1 genannt, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Weiterhin kommen für den Leuchtstoff beispielsweise Oxide und Alkoxyverbindungen der Elemente Silizium, Aluminium, Bor, Titan, Zirkonium, Vanadium, Yttrium, Magnesium, Molybdän oder Eisen in Betracht, wie sie in der
EP 1 593 165 B1 genannt sind, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Besonders geeignet sind solche Leuchtstoffe, insbesondere der vorgenannten Art, die sich gut in eine Matrix aus einem Silikat-basierten Aerogel einbinden lassen. Beispielsweise ebenfalls verwendbar als Leuchtstoff sind dotierte Nitrd-Verbindungen wie Nitridosilikate oder mit Europium dotierte Erdalkaliorthosilikate, wie Bariumorthosilikat.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die OLED als ein flächiges Leuchtmittel mit einer OLED-Schichtenfolge auf einem plattenförmigen Trägersubstrat ausgebildet. In diesem Fall weist das Leuchtmittel eine ähnliche Geometrie auf wie ein herkömmliches OLED-Panel. Dieses umfasst in der Regel eine Trägerplatte, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, auf diese kann dann eine Schicht aus einer organische LED (OLED) aufgebracht werden, auf die dann erfindungsgemäß wiederum die poröse Matrix aus dem Aerogel aufgebracht ist, in die der Leuchtstoff eingebettet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die OLED nur eine einfache Schichtenfolge (stack) aufweist und das anregende Licht wird im Wesentlichen nur in einer Lichtfarbe emittiert. Dieser Aspekt verdeutlicht, dass mit der vorliegenden Erfindung anders als im Stand der Technik nicht unbedingt angestrebt wird, dass das Leuchtmittel eine maximale Lichtausbeute liefert, wozu herkömmliche OLEDs zumeist mehrere OLED-Schichtenfolgen übereinander aufweisen, sondern die Erzeugung von diffusem Licht, welches sich für eine Effektbeleuchtung eignet, steht im Vordergrund. Mit einfachen OLED-stacks lassen sich so kostengünstig großflächige Leuchtmittel mit weniger großer Lichtstärke schaffen, die diffus abstrahlen und keine zusätzlichen Diffusoren benötigen. Zudem kann in diesem Fall das Leuchtmittel selbst bereits die Beleuchtungseinrichtung bilden.
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Bislang wird hingegen im Stand der Technik ein Weg beschritten, bei dem zunächst Leuchtmittel wie LEDs mit vergleichsweise hoher Lichtstärke geschaffen werden, die punktuell kleinflächig abstrahlen und dann für die Lichtverteilung wieder Diffusoren benötigen, so dass zwei Faktoren gegeben sind, die die Kosten erhöhen. Ebenso wird bei OLEDs eine Erhöhung der Lichtstärke angestrebt, indem mehrere stacks übereinander angeordnet werden, was zu hohen Kosten für das Leuchtmittel führt. Die Erfindung strebt hingegen kostengünstige Leuchtmittel an, die bei zwar geringerer Lichtstärke sich über größere Flächen erstrecken können und gegebenenfalls keine zusätzlichen Diffusoren oder optische Bauelemente benötigen, um als Beleuchtungseinrichtung zu dienen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die poröse Matrix als dreidimensionaler Körper, insbesondere mit der Geometrie eines Rotationskörpers ausgebildet. Bei dieser alternative der Erfindung werden Leuchtmittel zur Verfügung gestellt, die beispielsweise die Geometrie einer Retrofit-Glühlampe aufweisen gegenüber dieser aber den Vorteil haben, dass sie keine zusätzlichen Elemente für die Lichtstreuung oder Entblendung benötigen, da sie bereits diffuses Licht mit nicht allzu hoher Lichtstärke und somit blendfrei abgeben. Außerdem besteht der weitere Vorteil, der die poröse Matrix einen tragenden Festkörper bildet, so dass bei Nutzung in einer Beleuchtungseinrichtung ein Glaskörper als Umhüllung des Leuchtmittels nicht unbedingt erforderlich ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die poröse Matrix zumindest bereichsweise in der Form einer Kugel, einer Teilkugel oder eines Zylinders vor, so dass sich Formen herstellen lassen, die herkömmlichen Glühbirnen, Globe-Lampen oder Leuchtstoffröhren ähnlich sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die poröse Matrix von einem Hohlkörper aus Glas oder Kunststoffglas umhüllt, welcher vorzugsweise die Geometrie eines Rotationskörpers aufweist und für das reaktive Licht der zweiten Wellenlänge weitgehend transparent ist. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist eine solche Umhüllung nicht unbedingt notwendig, da der Körper aus der porösen Matrix selbsttragend ist und weder ein Unterdruck noch Luftabschluss notwendig ist, um die Licht erzeugenden Elemente des Leuchtmittels gegen Luftsauerstoff oder Feuchtigkeit zu schätzen. Gleichwohl kann man die poröse Matrix bei Bedarf mit einem Hohlkörper aus Glas oder Kunststoff umhüllen, um beispielsweise die mechanische Stabilität zu erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die poröse Matrix in der Geometrie eines Quaders oder eines Prismas vor. Bei dieser Variante werden von der herkömmlichen Birnen-, Kugel- oder Zylinderform abweichende Geometrien geschaffen, wobei es hier im Prinzip keine Einschränkungen gibt, da sich die poröse Matrix in einfacher Weise nahezu beliebig formen lässt, wodurch sich Leuchtmittel mit neuartigem Design schaffen lassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die poröse Matrix in flächiger Form vor, insbesondere als Folie, oder Beschichtung, welche auf die Innenseite oder Außenseite eines für die Wellenlänge des reaktiven Lichts transparenten Hohlkörpers aufgebracht ist. Bei dieser Variante kann man beispielsweise zunächst einen beliebig geformten Hohlkörper aus Glas oder Kunststoff herstellen und diesen nachträglich mit dem Matrixmaterial beschichten oder mit einer Folie bekleben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Leuchtmittel eine Fassung mit Gewinde auf, die mit derjenigen einer Glühlampe kompatibel ist. Auf diese Weise wird ein Leuchtmittel geschaffen, welches gegen eine herkömmliche Glühlampe austauschbar ist, ohne dass bei der Leuchte Anpassungen notwendig sind, so dass der Verbraucher die in seinem Besitz befindlichen Leuchten weiterhin verwenden kann (Prinzip der Retrofit-Lampe).
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Leuchtmittel eine Steckfassung oder Schraubfassung auf, die mit derjenigen einer Leuchtstofflampe oder einer Halogenlampe kompatibel ist.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines Leuchtmittels gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines Leuchtmittels gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematisch vereinfachte Ansicht eines Leuchtmittels gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet. Die anhand der Ausführungsbeispiele erläuterten Einzelheiten der Erfindung können, wenn sie für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, auch bei den jeweils anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
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Die 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsvariante, bei der ein Leuchtmittel 11 in Form einer OLED in eine poröse Matrix 12 aus einem Aerogel eingebettet ist. Die Matrix 12 hat die Form eines beispielsweise ovalen, ellipsoiden oder kugelähnlichen Rotationskörpers, dessen Volumen vorzugsweise ein mehrfaches der OLED beträgt, so dass sich das von der OLED abgestrahlte anregende Licht einer ersten Wellenlänge über ein größeres Volumen in der porösen Matrix verteilt. In diese poröse Matrix 12 aus dem Aerogel sind Partikel aus einem Leuchtstoff 13 eingebettet, vorzugsweise in fein verteilter Form, so dass das von der OLED 11 eingestrahlte anregende Licht in der porösen Matrix 12 konvertiert wird in ein reaktives Licht mit einer abweichenden zweiten Wellenlänge, wobei zum Beispiel blaues oder ultraviolettes Licht in gelbes, grünes, rotes bzw. durch Mischung mit dem anregenden Licht in weißes Licht umwandelt, welches von dem aus der porösen Matrix gebildeten Körper 10 als diffuses Licht 16 gleichmäßig in alle Richtungen im Wesentlichen blendfrei abgestrahlt wird. In 1 ist eine optionale Variante gezeigt, bei der die poröse Matrix 12 von einem Hohlkörper 14 beispielsweise aus Glas umhüllt wird, welcher die Form eines Rotationskörpers entsprechend der Form der Matrix hat. Außerdem hat das Leuchtmittel in einem Endbereich eine Lampenfassung 17, die mit einer genormten Fassung einer Glühlampe kompatibel sein kann.
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In 2 ist eine weitere Variante dargestellt, die ein ähnliches Leuchtmittel 10 zeigt wie zuvor anhand von 1 beschrieben, mit dem Unterschied, dass in 2 eine anorganische Leuchtdiode 11 (LED) verwendet wird, um das anregende Licht der ersten Wellenlänge zu erzeugen. Diese LED 11 weist einen Abstand zu der porösen Matrix 12 aus dem Aerogel auf, so dass das anregende Licht 15 zunächst in einen Hohlraum abgestrahlt wird und erst nach Zurücklegen einer gewissen Distanz in die Matrix aus dem Aerogel 12 eintritt. In diese Mattrix sind wieder Partikel aus dem Leuchtstoff 13 eingebettet. Dadurch wird das von der LED in die Matrix eingestrahlte Licht, beispielsweise blaues Licht oder UV-Licht aus dem nahen UV, in der Matrix in reaktives Licht einer anderen Wellenlänge umgewandelt. Durch Mischung verschiedener Lichtfarben kann so in der porösen Matrix insbesondere weiße Licht erzeugt werden, welches dann von dem Hohlkörper als diffuses Licht zu allen Seiten hin abgestrahlt wird. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Aerogels als Matrix besteht darin, dass dieses Material nur ein sehr geringes Gewicht aufweist. Außerdem Lässt sich bei der Herstellung der porösen Matrix der Leuchtstoff gut in dem Aerogel gleichmäßig verteilen. Die Hülle 14, die den Rotationskörper der porösen Matrix 12 umgibt, kann auch entfallen, da das Material eigenstabil ist.
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Die 3 zeigt eine weitere alternative Variante der Erfindung, bei der die Matrix 12 aus dem Aerogel nicht als massiver Körper, sondern quasi als Schale eines Hohlkörpers 14 ausgebildet ist. Dazu kann man beispielsweise einen rotationssymmetrischen Hohlkörper 14 aus Glas oder Kunststoffglas, der für die reaktive Strahlung weitgehend transparent ist, innenseitig wie in 3 (oder alternativ gegebenenfalls auch außenseitig) mit einer Schicht aus der Matrix 12 des Aerogels beschichten, wobei man auch hier wieder den Leuchtstoff 13 in diese poröse Matrixschicht 12 einbettet. Das anregende Licht kann von einer LED 11 in dem Hohlkörper erzeugt werden und triff dann auf die Schicht aus der Matrix 12, in der es durch den Leuchtstoff 13 in das reaktive Licht der zweiten Wellenlänge umgewandelt wird, so dass das Leuchtmittel dann reaktives Licht 16 in einer anderen Lichtfarbe oder weißes Licht abstrahlt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leuchtmittel
- 11
- LED/OLED
- 12
- poröse Matrix, Aerogel
- 13
- Leuchtstoff
- 14
- Umhüllung, Hohlkörper
- 15
- anregendes Licht
- 16
- reaktives Licht
- 17
- Fassung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1593165 B1 [0002, 0009]
- WO 2010/136116 A1 [0009]
- DE 102015101413 A1 [0009]
