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Die
Erfindung betrifft Schichten, insbesondere photonische Schichten,
enthaltend thermochrome Verbindungen, auf Glas- oder Glaskeramiksubstraten.
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Hintergrund und Stand der
Technik
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Als
Thermochromie bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter Substanzen,
bei Erwärmung die Farbe zu ändern. Dieser Vorgang
ist reversibel, d. h. nach dem Abkühlen nehmen sie wieder
ihre ursprüngliche Farbe an. Grund für diese Farbveränderungen
sind bei einigen Materialien Änderungen in der Kristallstruktur. Bekannt
ist dieses Verhalten unter anderem bei den anorganischen Verbindungen
Rutil und Zinkoxid, die ihre Farbe bei starkem Erhitzen von weiss
nach gelb ändern. Thermochromie ist bei organischen Verbindungen noch
häufiger als bei anorganischen Verbindungen anzutreffen.
Anwendung findet dieser Effekt beispielsweise bei Thermolacken.
So kann anhand einer Farbskala aufgrund der Verfärbung
des Lackes die Oberflächentemperatur eines Gegenstandes
abgeschätzt werden. Üblich sind solche Sicherheitsanstriche
in der Chemieindustrie. Es gibt auch bekannte Anwendungsbeispiele
aus dem Haushalt, wie Tassen, die je nach Temperatur des Getränks
ein aufgetragenes Motiv verändern oder Breilöffel
für Kleinkinder, die als Warnsignal bei zu heißer Kost
ihre Farbe wechseln.
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Nicht
bekannt ist bislang der Einsatz derartiger thermochromer Verbindungen
auf Glas- oder Glaskeramiksubstraten, wie beispielsweise Kochfeldern.
Gängige Temperaturanzeigesysteme in Kochfeldern basieren
auf der Messung der Temperatur durch Thermosensoren, die an der
Unterseite zwischen Glaskeramik und Heizer angebracht sind. Die
Anzeige erfolgt dann in der Regel mittels Leuchtdioden (LEDs). Diese
im Stand der Technik übliche Umsetzung nutzt einen separaten
Temperatursensor und ist somit unabhängig von der Glaskeramikkochfläche.
Dies bedeutet, dass die technische Realisierung aufwendig und schwierig
ist. Weiterhin wird mit diesen Systemen lediglich die Temperatur
in Form von Zahlen oder Buchstaben angezeigt oder es erfolgt lediglich
eine relativ undifferenzierte Anzeige.
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Aus
dem Stand der Technik sind bislang einige Anwendungen von thermochromen
Oxiden bekannt geworden:
So beschreibt beispielsweise die
WO 2006/097160 A1 ein
schaltbares Infrarotfilter, bestehend aus einem Trägermaterial,
das Diamant umfasst, auf welchem zumindest einseitig eine Filterschicht
aus einem thermochromen Material angeordnet ist, und welches mit
einer Heizeinrichtung verbindbar ist. Das thermochrome Material umfasst
vorzugsweise Vanadiumoxid, insbesondere VO
2 oder
V
2O
3.
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Weiterhin
beschäftigt sich die
WO 01/14498 A1 mit einem Substrat in Form
eines Partikels, der mit einer Schicht aus thermochromem Oxid versehen
ist, wobei der Partikel einen Durchmesser < 200 μm aufweist und die Schicht
aus kristallinem thermochromem Oxid eine Dicke von < 150 nm und einen
Phasenübergang bei einer Temperatur unterhalb 150°C
aufweist. Bevorzugt ist das thermochrome Oxid VO
2.
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Ferner
beschreibt die
US 4 598 395 ein
löschbares optisches Lese-/Schreib-Datenspeichersystem,
in dem eine temperaturempfindliche Datenspeicherdisk verwendet wird,
die einen Film aus thermochromem Material, das eine Phasenänderung
eingeht, verwendet. Beispielhaft genannte thermochrome Materialien
sind VO
2 oder Cu
2HgI
4.
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Die
EP 1 491 515 A1 offenbart
ein Material, gebildet aus einem Substrat, das insgesamt oder teilweise mit
einer Schicht bedeckt ist, die thermochromes Vanadiumdioxid aufweist,
wobei das Substrat eine Dicke < 200 μm
aufweist.
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Schließlich
beschreibt das
US-Patent 4 393
095 ein Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung von Vanadiumoxidfilm
auf Glassubstrate unter Verwendung flüssiger Vanadiumverbindungen.
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Weiterhin
bekannt sind sogenannte photonische Kristalle. Photonische Kristalle
stellen eine neue Materialklasse dar, bei der die Wechselwirkung
mit beliebiger elekromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, durch
eine periodische Anordnung des Materials zu völlig neuen
Eigenschaften und Anwendungen führt. Beispielsweise lässt
sich wellenlängenabhängig ein perfekter Spiegel
oder Filter realisieren, oder Licht lässt sich in geeigneten
Anordungen quasi um die Ecke führen. Beispielsweise seien
in diesem Zusammenhang auf die Farbeffekt-Schichtsystemen auf Basis
von photonischen Kristallen gemäß der
DE 10 2006 011 154 verwiesen, deren
Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme hier vollumfänglich
umfasst sein soll.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein oder
mehrere Schichten bereitzustellen, welche die geschilderten Nachteile
des Standes der Technik vermeiden und eine Visualisierung des Temperaturzustandes
je nach Erwärmungsgrad eines Substrats aus Glas oder Glaskeramik
für entsprechende Anwendungsbereiche ermöglicht.
Die Schicht(en) soll(en) hierbei insbesondere für die Anwendung
auf großflächigen und beliebig geformten Substraten
geeignet sein.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
die vorangehend geschilderte Aufgabe gelöst, indem ein
Schichtsystem aus ein oder mehreren Schichten auf einem Substrat,
ausgewählt aus Glas oder Glaskeramik, bereitgestellt wird, das
ein oder mehrere thermochrome Verbindungen, bevorzugt oxidische
Verbindungen, enthält, das zur Visualisierung von Temperaturänderungen
durch einen strukturellen Phasenübergang geeignet ist.
Besonders bevorzugt kommen im Schichtsystem ein oder mehrere planare
und/oder photonische Schichten zum Einsatz, ganz besonders bevorzugt
sind sämtliche Schichten photonische Schichten. Planare
Schichten sind erfindungsgemäß solche Schichten,
die keine photonischen Eigenschaften aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind
die verwendeten Verbindungen solche Verbindungen, die einen temperaturabhängigen
Phasenübergang zeigen. Dabei ändert sich beispielsweise
die Struktur des Materials und neben anderen Eigenschaften werden
auch die optischen Eigenschaften des Materials beeinflusst, wie
z. B. der Brechungsindex oder der Absorptionskoeffizient. Diese Änderungen
können sowohl den Farbeindruck des Materials betreffen
als auch das Transmissionsverhalten. Beides kann dazu genutzt werden,
um den Erwärmungsgrad des Materials direkt sichtbar zu
machen. Derartige Verbindungen werden in der vorliegenden Erfindung auch
als thermochrome Verbindungen bezeichnet.
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Die
thermochromen Verbindungen sind im Rahmen der Erfindung nicht besonders
beschränkt, es kann vielmehr jede thermochrome Verbindung
zum Einsatz kommen, welche einen geeigneten Phasenübergang
hat. Eine geeignete thermochrome Verbindung ist beispielsweise Vanadiumoxid,
insbesondere Vanadiumdioxid VO2, welches
bei etwa 70°C einen Phasenübergang zeigt. Weitere
thermochrome Verbindungen sind CuI, HgI, Cu2HgI4.
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Besonders
bevorzugt sind jedoch Vanadiumoxide. Unter Vanadiumoxid gemäß der
vorliegende Erfindung werden alle Verbindungen der Summenformel
VxOy verstanden,
also z. B. VO2, V2O3, aber auch nichtstöchiometrische
Mischungen. Vanadiumoxid kann mit einer großen Bandbreite
der Stöchiometrie vorliegen. Insbesondere bevorzugt ist
Vanadiumdioxid mit x = 1 und y = 2, d. h. ein Verhältnis
von Sauerstoff/Vanadium von 2:1. Das Vanadiumdioxid zeigt einen
reversiblen Halbleiter-Metall-Phasenübergang bei einer
kritischen Temperatur von etwa 67°C, welches das Ergebnis
einer atomaren Neuordnung darstellt. Oberhalb dieser sogenannten
kritischen Temperatur oder Phasenübergangstemperatur hat Vanadiumdioxid
ein tetragonales Rutilgitter und zeigt metallische Eigenschaften.
Unterhalb der kritischen Temperatur ist Vanadiumdioxid ein Halbleiter
mit kleiner Bandlücke mit einer monoklinen Gitterstruktur.
Dieser reversible Übergang bedeutet eine sprunghafte Änderung
der Leitfähigkeitseigenschaften sowie große Änderungen
der optischen Eigenschaften. VO2 ändert
bei diesem Feststoff-Feststoff-Phasenübergang seine Eigenschaften
abrupt. Dieser Phasenübergang tritt dabei sehr schnell
in weniger als etwa 500 fs auf.
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Ein
besonderer Vorteil von Vanadiumdioxid liegt darin, dass die Phasenübergangstemperatur
relativ niedrig liegt, wodurch dieses für den praktischen
Einsatz besonders geeignet ist. Ein weiterer Vorzug ist, dass Vanadiumdioxid
im Vergleich zu anderen thermochromen Oxiden vergleichsweise stabil
ist.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt insbesondere die optischen Eigenschaften
der thermochromen Verbindungen zur Temperaturvisualisierung und
damit Temperaturanzeige. Es können auch Mischungen von mehreren
thermochromen Verbindungen zum Einsatz kommen, was jedoch nicht
bevorzugt ist.
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Erfindungsgemäß werden
die thermochromen Materialien als Schichten aufgebracht. Bevorzugt
sind photonische Schichten. Ganz besonders bevorzugt sind sämtliche
Schichten des erfindungsgemäßen Schichtsystems
photonische Schichten, die zumindest eine thermochrome Verbindung,
wie beispielsweise VO2, enthalten oder hieraus
bestehen.
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Unter
photonischen Schichten bzw. Strukturen bzw. Kristallen werden Materialien
mit einer kristallanalogen Überstruktur verstanden. Photonische
Strukturen zeichnen sich durch eine regelmäßige
dreidimensionale periodische Gitterstruktur aus, die aus Bereichen
mit stark wechselnden Brechungsindizes bestehen. Die einzigartigen
optischen Eigenschaften werden in einer dreidimensionalen räumlich
periodischen Anordnung von hoch- und niedrigbrechenden Materialien
mit einer Gitterperiodizität in der Größenordnung
der Wellenlänge des optischen Spektrums erreicht. Photonische
Strukturen können eine photonische Bandlücke,
d. h. verbotene oder für Photonen unzugängliche
Energiezustände, aufweisen, also Bereiche verbotener Energie,
in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls
ausbreiten können. In photonischen Strukturen muss aber
keine Bandlücke vorliegen, da auch bereits eine stark Winkel-
und Wellenlängenabhängige Reflektivität
ausreicht.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter „kristallanalogen Überstrukturen"
mit der beschriebenen hochgeordneten Periodizität oder
Quasiperiodizität in der Größenordnung
der Wellenlänge sichtbaren Lichts das eingangs geschilderte
System der photonischen Kristalle verstanden. In der vorliegenden
Erfindung liegen die photonischen Schichten mit einer dreidimensionalen
Periodizität vor, d. h. eine sich wiederholende zweidimensionale
Anordnung, die auf der Längsskala (x- und y-Richtung eines
kartesischen Systems) vorliegt, wobei sich die alternierende Schicht-
bzw. Lagenabfolge periodisch wiederholt (z-Achse) und zu einer dreidimensionalen
Periodizität führt. Mit anderen Worten, die Periodizität
wiederholt sich innerhalb einer Lage von Kugeln und gegebenenfalls
innerhalb weiterer hierauf vorgesehener Lagen von weiteren Kugeln.
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Erfindungsgemäß kann
eine Schicht demnach aus mehreren Lagen von Kugeln aufgebaut sein.
Beispielsweise können bis zu etwa 500 Lagen Kugeln in einer
Schicht vorhanden sein. Es können aber auch deutlich weniger
Kugellagen vorliegen. Es kann eine Schicht oder es können
mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden.
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Diese
Schichten haben durch eine Variation der photonischen Struktur einen
zusätzlichen Freiheitsgrad, um gewünschte, bisher
durch einfache Schichtsysteme nicht realisierbare, optische Eigenschaften
zu zeigen. Die photonischen Schichten können sich beispielsweise
hinsichtlich der Periodizität und/oder der Größe
oder -verteilung der Kugeln unterscheiden, die auch mit den resultierenden Hohlraumgrößen
bzw. -verteilungen zwischen den Kugeln, insbesondere Abständen
der Kugeln, in Zusammenhang stehen. „Periodizität" bedeutet
im Rahmen der Erfindung eine bestimmte Einheit von Kugeln, deren
Anordnung sich in einer Lage ständig wiederholt und sich
gegebenenfalls in weiteren Lagen erneut wiederholt.
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Vorzugsweise
weisen sämtliche Kugeln einer Lage dieselbe Kugelgröße,
vorzugsweise mit enger Kugelgrößen-Verteilung
auf, noch bevorzugter weisen mehrere Lagen von Kugeln dieselbe Kugelgröße
mit enger Kugelgrößen-Verteilung auf, ganz besonders
bevorzugt weisen sämtliche Kugeln aller Lagen dieselbe
Kugelgröße mit enger Kugelgrößen-Verteilung
auf. Es können auch zwei, drei oder mehr Schichten mit
gleicher oder unterschiedlicher Anzahl an Lagen von Kugeln und gegebenenfalls
variierender Kugelgröße und unterschiedlicher
Periodizität vorliegen.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass es eine Korrelation zwischen Partikelgröße
und Phasenübergangstemperatur gibt (siehe Materials Science
and Engineering B54, J. -C. Valmalette, et al., „High
efficiency thermochromic VO2(R) resulting from the irreversible
transformation of VO2(B)", B54, (1998), S. 168–173 und Physical
Review Letters, R. Lopez et al. „Size-Dependent
Optical Properties of VO2 Nanoparticle Arrays", 2004, Bd. 93, Nr.
17, S. 177403–1 bis –4). In der Regel
ist es so, dass die Temperatur des Phasenübergangs mit
zunehmender Partikelgröße abnimmt. Zudem nimmt
die Effizienz der optischen Transmission mit abnehmender Partikelgröße
zu. Durch die Variation der Struktur der photonischen Schicht(en)
lassen sich demnach gezielt die optischen Eigenschaften im sichtbaren
Bereich optimieren. Durch Einsatz einer oder mehrerer photonischer
Schichten kann zudem der Effekt der thermochromen Verbindungen,
die einen temperaturabhängigen Phasenübergang
zeigen, in unerwarteter Weise synergistisch gesteigert werden. Die
Farbänderung bzw. Änderung des Transmissionsverhaltens
der Oxide kann durch Vorsehen in einer oder mehreren photonischen Schichten
noch stärker variiert und deutlicher verändert
werden, verglichen mit üblichen planaren Schichten, die
keine photonischen Effekte zeigen.
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Erfindungsgemäß kann
eine Schicht, beispielsweise aufgebaut aus mehreren Lagen von Kugeln,
vorteilhafterweise eine Schichtdicke im Bereich von etwa 1 μm
bis etwa 100 μm, insbesondere etwa 1 μm bis etwa 50 μm,
aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schichtdicke im
Bereich von 1 bis 10 μm, noch bevorzugter von 1 bis 8 μm,
ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 μm, insbesondere 2 bis
5 μm liegt.
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Die
einzelnen Kugelgrößen werden je nach Anwendungsbereich
und gewünschter Wellenlänge des Lichts variiert.
Besonders bevorzugte Kugelradien liegen im Bereich von etwa 400
nm bis etwa 3000 nm. Es können aber auch deutlich größere
oder kleinere Kugelradien zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß können die
Kugeln vorteilhafterweise in einer Größe im Bereich
von etwa 10 nm bis etwa 10 μm ausgewählt werden, also
in einem Bereich, der für photonische Kristallstrukturen
typisch ist. Eine Kugel enthält einen Anteil an ein oder
mehreren thermochromen Verbindungen, besteht hieraus oder ist mit
ein oder mehreren thermochromen Verbindungen teilweise oder vollständig
beschichtet.
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Nach
einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführungsform sind die Kugeln teilweise oder vollständig
mit ein oder mehreren thermochromen Verbindungen beschichtet, wobei
die Kugeln aus einem anderen, vorzugsweise inerten, Material aufgebaut
sind, welches die photonischen und thermochromen Eigenschaften nicht
beeinträchtigt. Besonders geeignete inerte Materialien
können ausgewählt sein aus SiO2 kristalliner
und/oder amorpher Struktur, da sich dieses direkt in einem nasschemischen
Verfahren als Kugeln abscheiden lässt. Jedoch können
auch andere dem Fachmann bekannte Materialien verwendet werden,
wie Aluminiumoxid, Zinnoxid, Zinkoxid, Titanoxid, Chromoxid, Eisenoxid.
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Erfindungsgemäß ist
es ebenfalls möglich, Kugeln unterschiedlicher Materialien
zu kombinieren. Jedoch ist es erfindungsgemäß bevorzugt,
wenn die Kugeln einer Lage, bevorzugt mehrerer Lagen, ganz besonders
bevorzugt sämtlicher Lagen einer Schicht, aus demselben
Material aufgebaut sind.
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Nach
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Kugeln ausgewählt aus SiO2,
die mit VO2 beschichtet sind.
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Es
können weitere Verbindungen in der Schicht enthalten sein,
welche die Eigenschaften des thermochromen Materials gezielt beeinflussen,
z. B. die Haftfestigkeit erhöhen, das Absorptionsverhalten
verbessern oder Einfluss auf die Temperatur des Phasenwechsels nehmen.
Beispielsweise kann durch zusätzliche Dotierung der photonischen
Schicht(en) bzw. des Materials aus dem die Kugeln bestehen, mit
Elementen, wie etwa Chrom, Wolfram, Niob, Titan, Molybdän,
Iridium, Tantal und Mischungen dieser eine Verschiebung der Übergangstemperatur,
also der Temperatur bei der sich der Farbumschlag zeigt, eingestellt
werden. Dadurch lassen sich verschiedene Temperaturbereiche visualisieren.
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Von
besonderem Vorteil sind die erfindungsgemäßen
Effekte beispielsweise, wenn das Substrat eine Glaskeramik-Kochfläche
ist, und die thermochrome(n) Verbindung(en) in Form ein oder mehrerer
Schichten in einer Kochfläche integriert vorliegt(en),
um den Temperaturzustand der Glaskeramik zu visualisieren, also
für den Verwender sichtbar zu machen. Durch die Visualisierung
erschließt sich für den Verwender unmittelbar, dass
die Temperatur der Kochfläche einen bestimmten Wert hat.
Die Anzeigemöglichkeit der Temperatur in Glaskeramik-Kochflächen
ohne aufwendige elektronische Konstruktionen ist von großem
Vorteil, da die Visualisierung des Temperaturbereichs der Glaskeramik
für die Anwendung als Kochfeld ein wichtiges Eigenschaftsmerkmal
darstellt, das für den Verbraucher von erheblichem Nutzen
ist. Der Verwender kann auf die erreichte Temperatur rückschließen.
Der visuellen Anzeige kommt neben dem Informationsgehalt aucu eine Warnfunktion
zu, die den Verwender beispielsweise vor hohen Temperaturen warnt,
um Verletzungen vorzubeugen.
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Durch
Erzeugen einer periodischen oder quasiperiodischen Struktur auf
der Oberfläche eines Glases oder einer Glaskeramik mit
einer dreidimensionalen Periodizität, die in der Größenordnung
der Wellenlänge sichtbaren Lichtes liegt, kann ein deutlich
verstärkter Farbeindruck am Phasenübergang der
thermochromen Verbindungen erzielt werden, wodurch eine deutliche
Visualisierung von ein oder mehreren Temperaturbereichen gelingt.
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Die
erfindungsgemäße Schicht oder Schichten müssen
keine vollflächigen Schichten sein, sondern können
auch teilflächig aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise
auch in Form von einem Dekor oder Designelement vorliegen. Unter „Dekor"
soll eine strukturierte teil- oder vollflächige Schicht
verstanden werden, welche beispielsweise auf der Ober- und/oder
Unterseite eines Substrates aufgebracht wird. Die Schichtdicke eines
Dekors liegt besonders bevorzugt im Bereich von 1–5 μm.
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Die
Herstellung photonischer Schichten ist bekannt und kann beispielsweise
durch Selbstorganisation der Partikel, die die photonische Struktur
ausbilden oder durch Sol-Gel-Infiltration in einen Vorformling,
ein sogennantes Templat, hergestellt werden, wobei die hochorganisierten,
kristallanalogen Überstrukturen oder inversen kristallanalogen Überstrukturen
einer hyperkritischen Trocknung unterzogen werden, wie beispielsweise
in der
DE 102 41 494 beschrieben,
deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung
aufgenommen sein soll.
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Besonders
bevorzugt werden die erfindungsgemäßen photonischen
Schichten durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Das Sol-Gel-Verfahren
ist hierbei bevorzugt eine Sol-Gel-Infiltration.
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Hierbei
kann die Gitterperiodizität der so entstehenden kristallanalogen Überstruktur
beispielsweise durch die Wahl der Kugelgröße bestimmt
werden. Erfindungsgemäß haben die kristallanalogen
oder inversen kristallanalogen Überstrukturen eine Gitterperiodizität
im Brechzahlverlauf im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren
Spektrums, d. h. im Bereich 380 nm ≤ Abstand zwischen den
Kugeln ≤ 780 nm.
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Für
die photonischen Schichten ist die strenge Periodizität
im Brechzahlverlauf oder ggf. einen Brechungsindexsprung und hohe
Symmetrie der kristallanalogen inversen kristallanalogen Überstruktur
bzw. des photonischen Kristalls entscheidend, so dass selbstverständlich
nur entsprechend geeignete Verfahren, welche diese Voraussetzungen
erfüllen, verwendet werden können.
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Besonders
bevorzugt wird das erfindungsgemäße Schichtsystem
auf einem Glaskeramikkochfeld oder einer Glaskeramikkochplatte oder
Teilen hiervon, oder auf Anzeigen- oder Bedienelementen, enthaltend oder
bestehend aus Glas oder Glaskeramik oder Teilen hiervon verwendet.
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Nach
einer besonders bevorzugten Ausführungsform können
zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, wodurch
die Haftung der Kugeln auf dem Trägersubstrat verbessert
wird. Es kann beispielsweise ein spezielles Verfahren zur Herstellung
der Kugeln ausgewählt werden, welches bereits zu einer
verbesserten Haftung der Kugeln am Trägersubstrat führt.
Dies ist beispielsweise ein Sol-Gel-Verfahren.
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Es
kann aber auch eine Nachbehandlung der erhaltenen Kugellage(n),
aufgebracht auf den Träger, durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt werden die Maßnahmen ausgewählt
aus einem Temperverfahren und/oder einem Ätzverfahren.
Das Temperverfahren stellt beispielsweise eine hyperkritische Trocknung
dar.
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Selbstverständlich
können die beschriebenen Maßnahmen auch kombiniert
werden, um die gewünschte Haftung am Untergrund zu erhalten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kugellagen durch ein Sol-Gel-Verfahren
hergestellt werden und eines oder beide der oben genannten Nachbehandlungsverfahren durchgeführt
werden.
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Neben
einer verbesserten Haftung kann durch eine geeignete Nachbehandlung
bzw. ein geeignetes Herstellungsverfahren auch die Kratzfestigkeit
verbessert und gegebenenfalls die Temperaturstabilität
des Schichtsystems erhöht werden.
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Selbstverständlich
können weitere zusätzliche Schichten beispielsweise
mit Schutzfunktion oder auch andere Schichten mit entsprechenden
Funktionen vorgesehen werden.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Visualisierung der Temperatur
in einem Schichtsystem, umfassend
- (a) Vorsehen
von ein oder mehreren Schichten auf einem Glas oder Glaskeramiksubstrat,
wobei die Schicht(en) mindestens eine thermochrome Verbindung enthält(enthalten)
und
- (b) Erhöhen der Temperatur des Substrats unter Auslösen
eines Phasenübergangs der Verbindung(en) und
- (c) Rückschließen auf die Temperatur durch
Veränderung des Farbeindrucks und/oder Änderung
der Transmission der Verbindung(en).
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Erfindungsgemäß gelingt
es, die Schichten derart zu strukturieren, dass die Visualisierung
der Temperatur im gewünschten optischen Bereich eingestellt
wird. Der Phasenübergang der thermochromen Verbindung kann
beispielsweise durch Variation der Struktur der Schicht(en) und/oder
Kugellage(n) und/oder der Kugelgrößen der thermochromen
Verbindung eingestellt werden, um einen definierten Temperaturbereich
zu visualisieren.
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Die
obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen
Schichtsystem gelten sinngemäß auch für
das erfindungsgemäße Verfahren.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Glaskeramikkochfeld oder -platte oder
ein Anzeigen- oder Bedienelement, enthaltend oder bestehend aus
Glas oder Glaskeramik, umfassend ein Schichtsystem der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Vorteile der Erfindung sind außerordentlich vielschichtig:
So
entfällt bei Aufbringen geeigneter Schichten der Erfindung
zur Visualisierung der Temperatur, zum Beispiel auf eine Glaskeramikkochfläche,
die zusätzliche Anzeige durch LEDs und die Temperaturmessung
durch Thermosensoren. Der Verwender erhält einen direkten
visuellen Eindruck der Temperatur, anstatt einer LED-Anzeige. Die
temperaturgesteuerte optische Schaltbarkeit lässt sich
auch für andere Anwendungen einsetzen. Beispielsweise kann
eine gezielte IR-Blockung durch Anpassung der Kugeldurchmesser auf
die gewünschte Wellenlänge der IR-Strahlung im
heißen Zustand ermöglicht werden, um eine Aufheizung
im Aussenbereich zu vermeiden. Erfindungsgemäß gelingt
es auch über längere Zeiträume in unterschiedlichen
Bereichen die Temperatur zu visualisieren.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Figuren verdeutlicht werden.
Es zeigen:
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1 eine
beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems auf einem Substrat, umfassend eine photonische Schicht;
und
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2 eine
beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems auf einem Substrat, umfassend zwei photonische Schichten.
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1 zeigt
ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Schichtsystem,
aufgebaut aus einer photonischen Schicht auf einem Substrat 2 in
Form eines Glas- oder Glaskeramiksubstrats, mit fünf kristallanalog
geordneten Kugellagen 1.1 bis 1.5, die sich in
ihrer Gitterperiodizität nicht unterscheiden. Die gewählten
Kugelgrößen unterliegen im gezeigten Beispielfall
einer scharfen Kugelgrößen-Verteilung. Die Kugeln
sind beispielsweise aus SiO2 aufgebaut oder
diese können SiO2 enthalten oder
es können andere Materialien zum Einsatz kommen, welche
die thermochromen und photonischen Eigenschaften nicht stören.
Sämtliche Kugeln sind im gezeigten Fall mit einer Schicht
aus VO2 überzogen. Selbstverständlich
können auch ein oder mehrere andere thermochrome Oxide
Verwendung finden. Durch Erhöhung der Temperatur des Substrats
resultiert ein Phasenübergang des VO2 der
zur Visualisierung der Temperatur verwendet wird. Durch Ausgestaltung
der Schicht als photonische Schicht wird der Effekt der Visualisierung
des Phasenübergangs deutlich gesteigert.
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2 zeigt
ein weiteres beispielhaftes Schichtsystem der Erfindung auf einem
Glas- oder Glaskeramiksubstrat 2 mit zwei kristallanalog
geordneten Schichten 1.1, 1.2, die sich in ihrer
Gitterperiodizität unterscheiden. Die Schicht 1.1 umfasst
3 Lagen von Kugeln mit gleicher Periodizität, die darüber
angeordnete Schicht 1.2 setzt sich aus 2 Lagen von Kugeln
mit gleicher Periodizität zusammen. Beide Gitterperiodizitäten der
Brechzahl werden so gewählt, dass nur Licht einer Wellenlänge,
die im Bereich des sichtbaren Lichtes, d. h. zwischen 380 nm und
780 nm liegt, reflektiert wird. Die Kugelgrößen
in beiden Schichten 1.1 und 1.2 wurden mit sehr
enger Verteilung eingestellt. Da jede der Schichten selektive Wellenlängen
reflektiert, entsteht beim Phasenübergang ein besonderer
Farbeindruck für den Betrachter.
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Die 1 und 2 verdeutlichen
lediglich beispielhaft mögliche Ausgestaltungen. Diese
sind nicht abschließend, sondern stellen Beispiele möglicher
Ausführungsformen dar. Selbstverständlich sind
auch andere Möglichkeiten des Kugellagen- und/oder Schichtaufbaus
sowie der jeweiligen Zusammensetzungen denkbar.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht werden, welches die Erfindung jedoch nicht beschränken
soll:
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Ausführungsbeispiel:
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Es
wurden VO
2 beschichtete SiO
2-Kügelchen
als photonische Struktur auf transparenten Glaskeramiken aufgebracht.
Der Durchmesser der Kugeln betrug jeweils etwa 400 nm. Es konnte
eine deutliche Transmissionsänderung der photonischen Schicht
gegenüber einer glatten (nicht-photonischen) VO
2-Schicht gezeigt werden. Tabelle
| Transmission
bei 700 nm (normiert auf kalten Zustand) | Kalt
(Zimmertemp.) | Heiß (90°C) |
| Glatte
VO2-Schicht | 1 | 1 |
| Photonische
VO2-Schicht | 1 | 1.6 |
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Bei
einer Wellenlänge von 700 nm konnte bei einer erfindungsgemäßen
photonischen Schicht eine Tansmissionserhöhung von 60%
gegenüber einer nicht-photonischen Schicht erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2006/097160
A1 [0004]
- - WO 01/14498 A1 [0005]
- - US 4598395 [0006]
- - EP 1491515 A1 [0007]
- - US 4393095 [0008]
- - DE 102006011154 [0009]
- - DE 10241494 [0033]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - J. -C. Valmalette,
et al., „High efficiency thermochromic VO2(R) resulting
from the irreversible transformation of VO2(B)", B54, (1998), S.
168–173 [0023]
- - R. Lopez et al. „Size-Dependent Optical Properties
of VO2 Nanoparticle Arrays", 2004, Bd. 93, Nr. 17, S. 177403–1
bis –4 [0023]