Vorrichtung zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 02/05291 A2 bekannt. Es handelt sich dabei um ein Bauelement für Anwendungen im Gigahertz- und Terahertz-Frequenzbereich.

Bei dem bekannten Bauelement handelt es sich um einen Reflektor, welcher eine erste Schicht und eine darauf angeordnete zweite Schicht aufweist. Die erste Schicht ist aus einem op- tisch durchlässigen ersten Kunststoff mit einem ersten Brechungsindex und einer optischen Dicke von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung hergestellt. Die zweite Schicht ist aus einem optisch durchlässigen zweiten Kunststoff mit einem zweiten Brechungsindex und einer optischen Dicke von ungefähr einem Viertel oder der Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung hergestellt. Der erste und der zweite Brechungsindex der verwendeten Kunststoffe sind unterschiedlich ausgestaltet.

Die unterschiedliche Ausgestaltung der Brechungsindizes wird durch eine geeignete Dotierung der Kunststoffe erreicht. Dabei wird durch den Zusatz geringer Konzentrationen von höchstens 1,0 Atomprozent an Fremdionen die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Kunststoffs und damit auch der Bre- chungsindex verändert.

Der bekannte Reflektor lässt sich zwar mit einem relativ geringen Kostenaufwand herstellen. Er weist im Gigahertz- und Terahertz-Frequenzbereich mehrere schmalbandige Reflexionsma-

xima auf. Dessen Reflexionseigenschaften im Terahertz- Frequenzbereich sind nicht besonders gut.

Die DE 101 29 787 Al offenbart ein optisches Bauelement, ins- besondere ein äugenimplantat, welches aus einem Acrylat oder einem Silikonkautschuk hergestellt ist. Zur Erhöhung des Brechungsindex ist das Material mit einem lichtdurchlässigen Füllstoff, z. B. Rutil, versehen. über die physikalischen Eigenschaften des optischen Bauelements im Terahertz-Frequenz- bereich ist in diesem Dokument nichts ausgesagt.

Die DE 42 19 287 Al beschreibt die Verwendung monodispeser, unporöser, kugelförmiger Partikel auf der Basis von SiO ₂ , TiO ₂ , ZrO ₂ , AI ₂ O ₃ , V ₂ O ₃ , Nb ₂ O ₃ oder Mischsystemen hiervon als Füllstoff für Kunststoffe. Die Füllstoffe sind dabei an den

Brechungsindex des jeweiligen Kunststoffs angepasst. Im Falle der Verwendung derartig gefüllter Kunststoffe als Einbettmasse für Leuchtdioden kann eine höhere Lichtauskopplung erreicht werden.

Soweit der angesprochene Stand der Technik optische Bauelemente oder dafür vorgesehene Füllstoffe betrifft ist zu beachten, dass von deren physikalischen Eigenschaften im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts nicht auf deren physikali- sehe Eigenschaften im Terahertz-Frequenzbereich geschlossen werden kann. Z. B. unterscheidet sich das Absorptionsverhalten, welches für die Funktion eines Reflektors äußerst wichtig ist, bei Frequenzen des sichtbaren Lichts und bei Frequenzen im Terahertz-Frequenzbereich drastisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine möglichst einfach und kostengünstig herstellbare Vorrichtung angegeben werden, welche verbesserte Reflexionseigenschaften im Gigahertz- und Terahertz-Frequenzbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Material ein mit einem Füllstoff versetzter erster Kunststoff ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich mit herkömmlichen aus der Kunststofftechnik bekannten Technologien einfach und kostengünstig herstellen. Sie weist im Vergleich zu herkömmlichen aus Kunststoff hergestellten Vorrichtungen zum Reflektieren elektromagnetischer Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Frequenzbereich erheblich verbesserte Reflexionseigenschaften auf. Insbesondere ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung eine Einstellung der Lage und der Breite des Reflexionsmaximums. Außerhalb des Reflexionsmaximums kann die Vorrichtung für elektromagnetische Strahlung weitgehend transparent sein. Wegen des im ersten Material enthaltenden Füllstoffs ist die Transparenz im optischen Bereich aller- dings eingeschränkt.

Das Einbringen des Füllstoffs in den ersten Kunststoff erfolgt zweckmäßigerweise durch Mischen, z. B. durch Compoun- dierung.

Die vorgeschlagene Schichtanordnung ist üblicherweise auf einem Träger aufgebracht und bildet in Kombination mit dem Träger ein Bauelement, beispielsweise einen Strahlungsleiter, eine Linse, ein Prisma oder dgl .. Die Schichtabfolge kann aber auch auf einer Gebäudewand, insbesondere einer Gebäudeinnenwand, beispielsweise in Form einer mit der Schichtabfolge versehenen Tapete, vorgesehen sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vor- gesehen, dass der Füllstoff im ersten Material in einem An-

teil von zumindest 20 Gew.%, vorzugsweise zumindest 30 Gew.%, besonders bevorzugt zumindest 40 Gew.%, enthalten ist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einem hohen Füllstoffanteil im ersten Material die Reflexionseigenschaften der Schichtanordnung erheblich verbessert werden können.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Füllstoff eine mittlere Korngröße im Bereich von 0,1 bis 60 μm, vorzugsweise 0,1 bis 10 μm, auf. Die Dichte des Füllstoffs liegt zweckmä- ßigerweise im Bereich von 2,0 g/cm ³ bis 6,5 cm ³ , vorzugsweise im Bereich von 2,2 g/cm ³ bis 4,5 g/cm ³ . Die Dichte p _τ wird dabei nach der folgenden Formel berechnet:

p _τ = m _P i * p _P e / (m _pe - m _P p _e + m _P i ) ,

wobei

p _pe = Dichte Petrolether itipi = Einwaage des Füllstoffs m _pe = Einwaage Petrolether m _PPe = Einwaage Füllstoff und Petrolether.

Wegen der Bestimmung der Dichte wird ergänzend auf die DIN EN ISO 787-10 verwiesen, wo die Dichte von Feststoffpulvern aus den Wägungen des Pyknometers mit dem zu untersuchenden Feststoffpulver, dem anschließend mit Petrolether aufgefüllten und danach allein mit Petrolether gefüllten Pyknometer berechnet wird.

Der Füllstoff ist vorteilhafterweise aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe gebildet: TiO ₂ , SiO ₂ , Si, ZrO ₂ , Al ₂ O ₃ , CaO, MgO. Die vorgeschlagenen Füllstoffe verleihen dem ersten Material ein ansprechendes helles, insbesondere weißes oder auch teilweise transparentes Aussehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Kunststoff aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Po- lyolefine, insbesondere Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyurethan oder Polyethylenterephtalat . Be- sonders bevorzugt werden Kunststoffe, welche sich durch eine besonders geringe Feuchtigkeitsaufnahme auszeichnen. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoff einen besonders geringen Verlustfaktor bei 10 ⁶ Hz aufweist, so dass er insbesondere für elektromagnetische Strahlung im Gigahertz- und Terahertz-Frequenzbereich eine gute Transmission bietet. Insoweit hat sich insbesondere Polypropylen als besonders geeigneter Kunststoff zur Herstellung des ersten Materials erwiesen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Material eine Dichte im Bereich von 1,2 g/cm ³ bis 3,5 g/cm ³ , vorzugsweise von 2,3 g/cm ³ bis 2,6 g/cm ³ , auf. Dabei liegt der erste Brechungsindex vorzugsweise im Bereich von 1, 5 bis 4, 0.

Der Begriff "Brechungsindex" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein zu verstehen. Anstelle des Brechungsindex kann zur Beschreibung der diesbezüglichen Materialeigenschaft auch die Dielektrizitätskonstante verwendet werden, welche mit dem Brechungsindex gemäß der Maxwell-Relation wie folgt verknüpft ist:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, μ die Permeabilität und ε die Permittivität des Materials ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Material aus einem zweiten Kunststoff gebildet. Der zweite

Kunststoff kann aus der vorgenannten Gruppe ausgewählt sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass das erste und das zweite Material aus demselben Kunststoff gebildet sind. Das ermöglicht auf einfache Weise die Herstellung einer besonders festen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Schicht, beispielsweise mittels Schweißen oder dgl ..

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Schicht eine aus dem ersten Material hergestellte erste Folie und mittels eines Klebstoffs mit der zweiten Schicht verbunden. Als Klebstoff kann dabei ein zum Verkleben des jeweils verwendeten ersten Kunststoffs geeigneter herkömmlicher Klebstoff verwendet werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die zweite Schicht ebenfalls eine aus dem zweiten Material hergestellte Folie sein. Insoweit kann die erfindungsgemäße Schichtanordnung also aus einer Schichtabfolge bestehen, welche die erste Folie in Verbindung mit der zweiten Folie enthält. Die Schichtab- folge kann selbstverständlich auch aus einer Wechselfolge mehrerer erster und zweiter Folien bestehen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schichtabfolge eine auf der zweiten Schicht aufgebrachte dritte Schicht aus einem für die elektromagnetische Strahlung der Referenzfrequenz durchlässigen dritten Material mit einem dritten Brechungsindex gebildet ist, wobei der zweite Brechungsindex größer als der dritte Brechungsindex ist. Damit kann eine weitere Verbesserung der Reflexionseigenschaften erreicht werden.

Die Schichtabfolge kann insoweit mehrere abwechselnd übereinander angeordnete erste, zweite und ggf. dritte Schichten umfassen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren und Tabellen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine erste Schichtanordnung,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine zweite Schichtabfolge,

Fig. 3 eine lichtmikroskopische Ansicht durch eine Schichtabfolge,

Fig. 4 den Brechungsindex des ersten Materials in Abhän- gigkeit des Anteils an Füllstoff,

Fig. 5 die Reflexionseigenschaften einer weiteren Schichtabfolge in Abhängigkeit der Frequenz sowie des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung,

Fig. 6 der Reflektionsindex als Funktion der Frequenz für einen Reflektor nach dem Stand der Technik und

Fig. 7 der Reflektionsindex als Funktion der Frequenz für eine erfindungsgemäße Schichtabfolge.

Fig. 1 zeigt eine erste Schichtanordnung, bei dem erste Schichten 1 aus einem ersten Material ml mit einem ersten Brechungsindex nl bzw. einer ersten Dielektrizitätskonstante εl mit zweiten Schichten 2 aus einem zweiten Material m2 mit einem zweiten Brechungsindex n2 bzw. einer zweiten Dielektrizitätskonstante ε2 wechselweise aufeinander lagern. Das erste Material ml ist aus einem Kunststoff, beispielsweise Polypropylen, hergestellt, welches mit einem Füllstoff, beispiels- weise einem Tiθ ₂ ~Pulver, versetzt ist. Der Anteil des Füll-

stoff im Kunststoff beträgt beispielsweise 35 VoI .%. Das zweite Material m2 kann aus einem zweiten Kunststoff hergestellt sein. Der zweite Kunststoff ist im Gegensatz zum ersten Kunststoff nicht mit einem Füllstoff versehen. Es kann sich bei dem zweiten Kunststoff ebenfalls um Polypropylen oder aber auch um andere Kunststoffe, beispielsweise Polystyrol oder dgl., handeln. Der zweite Brechungsindex n2 des zweiten Materials m2 ist kleiner als der erste Brechungsindex nl des ersten Materials ml.

Die Dicke der ersten Schicht beträgt ein Viertel der Wellenlänge einer Referenzstrahlung, welche beispielsweise aus einem Bereich von 5 GHz bis 10 THz ausgewählt ist. Die Dicke der zweiten Schicht 2 beträgt im vorliegenden Ausführungsbei- spiel ebenfalls ein Viertel der Wellenlänge der vorgenannten Referenzstrahlung. Da der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste Brechungsindex nl ist, ist die Dicke der zweiten Schicht 2 größer als die der ersten Schicht 1.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Schichtanordnung. Dabei ist auf der zweiten Schicht 2 eine dritte Schicht 3 aus einem dritten Material m3 mit einem dritte Brechungsindex n3 vorgesehen. Der dritte Brechungsindex n3 ist kleiner als der zweite Brechungsindex n2.

Die Funktion der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schichtabfolgen ist Folgende:

Eine einfallende elektromagnetische Strahlung einer Referenz- frequenz wird an der Grenzfläche von einem optisch dünneren Material zu einem optisch dichteren Material hin reflektiert. Die reflektierte Welle fährt eine Phasenverschiebung von der Hälfte der Wellenlänge. Da sämtliche Schichten eine optische Dichte von einem Viertel einer geeigneten Referenzfrequenz

haben, wird einfallende Strahlung der Referenzfrequenz bei senkrechtem Einfall fast vollständig reflektiert.

Fig. 3 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme durch eine dritte Schichtanordnung. Die dritte Schichtanordnung besteht im Wesentlichen aus ersten 1 und zweiten Schichten 2, welche übereinander angeordnet sind. Die aus der Fig. 3 ersichtliche Schichtabfolge ist folgendermaßen hergestellt worden:

Zur Herstellung der ersten Schicht 1 ist als erster Kunststoff Polypropylen (Moplen HP 548 R der Firma Basell) verwendet worden. Dem Polypropylen ist ein Haftvermittler zugesetzt worden. Dabei handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Copo- lymer aus Polypropylen, welches mit Maleinsäureanhydrid modi- fiziert ist. Im vorliegenden Fall ist als Haftvermittler Maleinsäureanhydrid in einem Mengenanteil von 2 - 8 Gew.%, vorzugsweise 3 - 5 Gew.%, verwendet worden (Licomont AR 504 der Firma Clariant) .

Der Zusatzstoff dient der verbesserten Haftung und Anbindung des Füllstoffs an die Polymermatrix.

Das erste Material ml ist unter Verwendung unterschiedlicher Füllstoffe und mit unterschiedlichen Anteilen dieser Füll- Stoffe hergestellt worden.

Die nachfolgende Tabelle gibt die jeweils verwendeten Füllstoffe wieder:

Unter Verwendung unterschiedlicher Anteile der vorgenannten Füllstoffe haben sich unter Verwendung von Polypropylen (PP) für das erste Material folgende Eigenschaften ergeben:

PP + Füllstoff SiO ₂

PP + Füllstoff TiO ₂

Zur Herstellung des ersten Materials wird das Polypropylen in einem Compounder aufgeschmolzen. Nachfolgend wird der Füllstoff in der jeweils vorgegebenen Menge über eine Dosiervorrichtung der im Compounder befindlichen Schmelze zugegeben. Anschließend erfolgt eine intensive Durchmischung und damit die Herstellung einer Dispersion der Pulverpartikel in der Schmelze. Die schmelzflüssige Dispersion wird anschließend zu einem Granulat verarbeitet.

Dieses Granulat dient nachfolgend zur Herstellung einer ersten Folie mittels Extrusion. Diese erste Folie kann mit einer ebenfalls mittels Extrusion aus Polypropylen hergestell- ten zweiten Folie anschließend unter Verwendung eines Klebstoffs zu der in Fig. 3 gezeigten Schichtabfolge verarbeitet werden. Dabei liegen die erste und die zweite Folie von vornherein in geeigneten Schichtdicken vor. Als Klebstoff können dabei insbesondere sprühfähige Elastomere, beispielsweise Scotch Weld-Spray 90 von 3M, verwendet werden. Zur Herstellung eines geeigneten Laminats können die Folien auch miteinander verpresst werden.

Fig. 4 zeigt den Brechungsindex des ersten Materials in Ab- hängigkeit des Anteils an Füllstoff. Die Messergebnisse sind unter Verwendung von Polypropylen als ersten Kunststoff und TiO ₂ als Füllstoff ermittelt worden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, kann der Brechungsindex des ersten Materials bei einem Füllstoffanteil von 40 Vol.% um etwa 100% gesteigert werden.

Fig. 5 zeigt die Reflektivität einer vierten Schichtabfolge in Abhängigkeit der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung sowie in Abhängigkeit des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung. Die vierte Schichtabfolge besteht dabei aus einer ersten Schicht, welche aus Polypropylen mit einem Anteil von 50% an TiO ₂ -FuIlStOff hergestellt worden ist. Die erste Schicht ist überlagert von einer zweiten Schicht, welche aus Polypropylen ohne Füllstoff herge- stellt worden ist. Diese zweite Schicht ist wiederum überlagert durch eine erste Schicht mit der vorgenannten Zusammensetzung. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, weist die aus zwei ersten und einer dazwischen liegenden zweiten Schicht bestehende Schichtabfolge ein breites Reflexionsmaximum im Bereich von etwa 0,5 bis 0,15 THz auf. Der Reflexionspeak hat hier also eine Breite von etwa 0,3 bis 0,35 THz. Ab einem Einfallswinkel von etwa 70° kann nahezu eine 100%ige Reflektivi- tät erreicht werden. Auch bei geringen Einfallswinkeln ist die Reflektivität mit mehr als 70% noch sehr gut.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als erster und zweiter Kunststoff jeweils Polypropylen verwendet worden. Selbstverständlich ist es möglich, zur Herstellung des ersten Materials andere Kunststoffe zu verwenden. Zur Herstellung des zweiten Materials können vom ersten Kunststoff verschiedene Kunststoffe verwendet werden. Als zweites Material muss nicht unbedingt ein Kunststoff verwendet werden. Es können hier auch Glas, Metall oder andere geeignete Materialien verwendet werden.

Fig. 6 zeigt den Reflexionsindex als Funktion der Frequenz für einen Reflektor nach dem Stand der Technik, nämlich der WO 02/05291 A2 (= EP 1 299 886 Bl) . Der Reflektor weist hier insgesamt 17 Schichten auf, die abwechselnd aus Polyethylen mit einer Dicke von etwa 190 μm und Styrolux ^® mit einer Dicke

von etwa 300 μm gebildet sind. Die Daten sind bei einem Ein ^¬ fallswinkel von 15 Grad gemessen worden. Der Reflektor nach dem Stand der Technik zeigt mehrere schmalbandige Reflexions- peaks. Ein maximaler Reflexionspeak liegt bei einer Frequenz von etwa 0,17 THz und entspricht einer Reflektivität bzw. ei ^¬ nem Reflexionsindex von 0,75.

Fig. 7 zeigt gemessene und simulierte Daten für einen Refle ^¬ xionsindex einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung als Funk ^¬ tion der Frequenz. Der Aufbau der Schichtanordnung ist aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich.

Als Füllstoff sind hier Rutilpartikel verwendet worden mit einer Dichte von 4,0 g/cm ³ (DIN EN ISO 787; Lieferant der Ru ^¬ tilpartikel: KRONOS INTERNATIONAL Inc., Produktname: KRONOS 2225) .

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Schichtanordnung im Vergleich zu der nach dem Stand der Tech ^¬ nik bekannten Schichtanordnung gemäß Fig. 6 unter allen ge ^¬ messenen Einfallswinkeln von 25 Grad bis 60 Grad wesentlich breitbandigere Reflexionspeaks auf. Ein Reflexionspeak befin ^¬ det sich im Bereich von 0,1 bis 0,3 THz. Der Reflexionspeak weist eine Peakbreite von 0,1 bis 0,15 THz auf. Ein weiterer Reflexionspeak befindet sich im Bereich von 0,5 bis 0,75 THz Der weitere Reflexionspeak weist eine Peakbreite im Bereich von 0,1 bis 0,15 THz auf.

Insgesamt ist also festzustellen, dass die erfindungsgemäße Schichtanordnung bei einem Einfallswinkel von 40 Grad im Bereich von mehr als 0,1 und weniger als 0,5 THz ein breitban- diges Reflexionsmaximum mit einer Peakbreite von mehr als 0,1 und weniger als 0,4 THz aufweist. Dieser Peak entspricht einem Reflexionsindex von zumindest 0,75, vorzugsweise mehr als 0,80.