Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Mittels Mikrospiegelanordnungen in Fensterfl\u00e4chen zur gro\u00dffl\u00e4chigen Umlenkung von Tageslicht kann eine signifikant verbesserte Helligkeitsverteilung in Innenr\u00e4umen erreicht werden. Dies f\u00fchrt zu einem reduzierten Kunstlichteinsatz w\u00e4hrend des Tages und einer gleichm\u00e4\u00dfigen Ausleuchtung von R\u00e4umen mit angenehmem nat\u00fcrlichem Tageslicht. Gleichzeitig nehmen diese Mikrospiegelanordnungen effektive W\u00e4rmeschutz- und W\u00e4rmeregulierungsfunktionen wahr. Die Mikrospiegelmodule werden dabei zwischen den beiden Scheiben konventioneller Isolierverglasungen implementiert. Derartige Aktive Lichtlenkfenster sind energiesparend, extrem langlebig und wartungsarm. Durch ihre einfache Nachr\u00fcstbarkeit und optische Unauff\u00e4lligkeit sind sie besonders f\u00fcr Altbausanierungen, auch f\u00fcr denkmalgesch\u00fctzte Geb\u00e4ude geeignet.
\nDas Projekt hat als Machbarkeitsstudie die Herstellung eines Demonstrators im Laborma\u00dfstab zum Ziel. Dieser soll aus mehreren 6 x 6 cm\u00b2 gro\u00dfen Modulen bestehen und die volle Funktionalit\u00e4t der Aktiven Fenster bereits umfassen. Das Projekt soll damit die Basis f\u00fcr einen Industrietransfer bilden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Machbarkeitsstudie besteht im wesentlichen aus drei Aufgabengebieten. Das eine befasst sich mit der rein technologischen Realisierung der Mikrospiegelmodule. Ein zweiter Komplex befasst sich mit Simulationsrechnungen \u00fcber die aktiven Fenster, sowohl vom Standpunkt der Simulation von Beleuchtungsszenarien, vom Aspekt des Energiemanagements in Geb\u00e4uden als auch vom Aspekt des Designs und der Gestaltung. Ein dritter Teil wird die Aktiven Fenster von der Anwendungsseite her evaluieren und mitentwickeln, hier ist vor allem die M\u00f6glichkeit einer Implementierung in g\u00e4ngige Fenstertechnologien.
\nDie Machbarkeitsstudie besteht zu einem bedeutenden Teil in der Realisierung der mikrosystem-technischen Prozessschritte, in dem insbesondere die Anwendbarkeit von plasmagest\u00fctzten Depositi-ons- und \u00c4tzprozessen gezeigt wird. Es werden Prozessschritte gew\u00e4hlt, die in einer \u00e4hnlichen Form in einem der drei Industriezweige Solarzellenherstellung, Glasbeschichtungen oder Displayherstellung bereits verwendet werden. Es entf\u00e4llt somit die Notwendigkeit, Maschinen oder Prozesse f\u00fcr den Industrietransfer von Grund auf neu zu entwickeln. Insbesondere sollen die Verfahren Magnetron-Sputtern, PECVD, RIE und thermisches Aufdampfen verwendet werden. Ein Ersetzen von konventioneller Lithographie durch ein kosteng\u00fcnstiges Mikro-Imprint-Verfahren wird ebenfalls angestrebt. Als Materialien werden haupts\u00e4chlich kosteng\u00fcnstige Dielektrika sowie Einfachmetallschichten verwendet.
\nDie rechtliche Absicherung der Technologien ist durch zwei Patentanmeldungen der Universit\u00e4t Kassel (DE000010358967A1, DE000010358812A1) gew\u00e4hrleistet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es wurde ein 6cm x 6cm gro\u00dfes Modul entworfen, bestehend aus 9 Untersegmenten, die, einzeln ansteuerbar, die Funktionalit\u00e4t der Aktiven Fenster demonstrieren sollen. Dazu wurden mikrosystemtechnische Prozessschritte entwickelt, unter Verwendung der Materialien Glas, Indium-Zinn-Oxid, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium, sowie der Verfahren Ionenstrahlsputterdeposition, plasmaunterst\u00fctzte Gasphasendeposition und Elektronenestrahlverdampfen. Die nahezu fehlerfreie Aktuation der 2cm x 2cm gro\u00dfen Untersegmente des Demonstratormoduls wurde gezeigt. Das geometrische Verh\u00e4ltnis zwischen offenem und geschlossenem Zustand (Tastverh\u00e4ltnis) liegt im aktuellen Design im offenen Zustand bei 34% Bedeckungsgrad gegen\u00fcber 95% Bedeckungsgrad im geschlossen Zustand. Die Leistung zum Halten der Spiegel in einer definierten Position betr\u00e4gt 0,1W \/m\u00b2. Die Spannung, um die Spiegel voll zu aktuieren, betr\u00e4gt rund 80V. Die Pixelfehlerdichte von etwa 2 Prozent sollte noch verbessert werden. Die Aktuierungs- und Lebensdaueruntersuchungen haben gezeigt, dass die Mikrospiegelelemente sowohl einer dauernden Bewegung \u00fcber mehrere Tage als auch einer hochfrequenten Bewegung bis zu 2kHz standhalten.
\nBei der energetischen und \u00f6kologischen Betrachtung wurde das Mikrospiegel-System, mit einem opti-mierten Makro-Jalousiesystem verglichen. F\u00fcr die Herstellungsphase zeigen sich deutliche Vorteile f\u00fcr das Mikrospiegel-System (PEE: 3.325 MJ bzw. 94 kWh) gegen\u00fcber dem Makro-Jalousiesystem (PEE: 4.503 MJ bzw. 1.251 kWh). Auch die Treibhauswirkungen liegen mit 226 kg CO2-\u00c4quivalent um ca. 19 % unter denen der Jalousieherstellung (269 kg CO2-\u00c4quivalent). Die Umweltwirkungen der Herstellung des Mikrospiegel-Systems resultieren haupts\u00e4chlich aus dem elektrischen Energiebedarf. Es wurden keine toxischen Substanzen bei der Herstellung identifiziert.
\nDie Art des Fenstersystems beeinflusst wesentlich den Energiebedarf von Geb\u00e4uden f\u00fcr die Beleuchtung und die Klimatisierung. Auf der Grundlage eines Referenz-B\u00fcroraums (Fensterma\u00dfe: 3,50 m* 2,00 m) wurden f\u00fcr die Sommermonate der Solarstrahlungseintrag und der sekund\u00e4re W\u00e4rmeeintrag durch die beiden zu vergleichenden Fenstersysteme simuliert und daraus der Energiebedarf f\u00fcr die K\u00fchlung und die Beleuchtung berechnet. Insgesamt werden \u00fcber die angenommene Lebensdauer von 25 Jahren mit dem Mikrospiegel-System \u00fcber 4.700 kWh Prim\u00e4renergie weniger ben\u00f6tigt als unter Nutzung des Makro-Jalousie-Systems. Das Mikrospiegel-System verursacht zwar einen um ca. 80 Prozent h\u00f6heren K\u00fchlenergiebedarf (5.818 kWh), allerdings wird dies durch einen geringeren Energiebedarf f\u00fcr die Beleuchtung \u00fcberkompensiert.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Poster:
\n\tMikrosystemtechnik-Kongress 2007, Dresden (Poster)
\n\t3rd Shanghai International Nanotechnology Symposium 2007, Shanghai, China (Vortrag)
\n\tIEEE\/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (2007), Hualien, Taiwan (Poster)
\n\tImpulsveranstaltung Nano Energie 2007, Hanau (Workshop)
\n\tNanotechnologieforum Hessen 2007, Frankfurt \/ Main (eingeladener Vortrag)
\n\tTh\u00fcringer Grenz- und Oberfl\u00e4chentage 2008, Jena (Vortrag)
\n\tNanoEurope 2008, St.Gallen, Schweiz (Poster)
\n\t5th International IEEE Conference on Networked Sensing Systems (INSS) 2008, Kanazawa, Japan (eingeladener Vortrag)
\n\tAuszeichnung mit dem European Grand Prix of Innovation Award 2006
\n\tTeilnahme an der Woche der Umwelt 2007
\n\tBerichterstattung: Zahlreiche Artikel in der lokalen und \u00fcberregionalen Tagespresse sowie Fernseh-beitr\u00e4ge
\n\tTitelbeitrag in den Hessen-Nanotech News 1\/2007
\n\t5-min\u00fctiger Fersehbeitrag im Erfindermagazin Einfach Genial des Mitteldeutschen Rundfunk 2007
\n\tAusgezeichneter Ort im Land der Ideen 2009
\n\tWeitere Publikationen in Vorbereitung<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Machbarkeit von Mikrospiegelmodulen einer Gr\u00f6\u00dfe von 6cm x 6 cm im Laborma\u00dfstab unter Verwendung von low-cost-Materialien und Prozessen wurde gezeigt. Der optische Eindruck der Mikrospiegelanordnungen ist f\u00fcr eine k\u00fcnftige Anwendung im Sichtbereich geeignet. Die Aktuationsspannung von rund 80V ist f\u00fcr die elektrostatische Aktuierung eines Mikrosystems vergleichsweise gering. Der Strom, um die Spiegel in einer definierten Position zu halten, hat mit aktuell 0,1W \/m\u00b2 bereits Energieeinsparpotential. Die entwickelten mikrosystemtechnologischen Prozesse sind in der jetzigen Form f\u00fcr einen Transfer auf Industrieanlagen geeignet.
\nDie vergleichende \u00f6kologische und energetische Bilanzierung hat ergeben, dass ein System aus derartigen Mikrospiegel-Modulen aufgebaut, in der Herstellungsphase geringere Umweltwirkungen verursacht und in der Nutzungsphase ein deutlich h\u00f6heres Energieeinsparungspotenzial als das Vergleichssystem mit makroskopischen Lamellen hat.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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