Полимеры - хамелеоны

Главный приз мероприятия получила изменяющая цвет пластмасса для имеющей определенный цвет внутренней подсветки автомобилей. На первый взгляд, можно и не заметить красоты и инновационности этого высокотехнологичного решения. Ведь, в конце концов, внутренняя подсветка уже используется не первое десятилетие.

Подсветка традиционно сводилась к размещению позади тех устройств, которые нуждались в подсветке, лампы накаливания небольшой мощности. Исторически так сложилось, что производители автомобилей в США и Японии выбирали цвета, которые было легко создавать с помощью субтрактивных светофильтров для ламп накаливания. При этом образуются "ненасыщенные" оттенки, а производимый свет образуется за счет энергии световых волн различной длины, из которых можно отфильтровывать особые цвета/значения длины волны. Производители транспортных средств даже установили особые образы марок для внутренней подсветки, связанные со специальными оттенками ненасыщенных цветов, красных, оранжевых, синих и зеленых.

Тем не менее, степень отказов ламп накаливания очень высока по сравнению с освещением с помощью новых технологий, и они выделяют большое количество теплоты в ходе эксплуатации. По мере того, как число расположенных в автомобиле электронных устройств увеличивалось, и плотность их размещения повышалась, тепловыделение превратилось в серьезную проблему, поскольку и сами электронные устройства выделяют немало тепловой энергии, а пространство для их упаковки настолько невелико, что рассеяние теплоты превращается само по себе в проблему. Лампы накаливания только увеличивали тепловую нагрузку, сокращая, тем самым, срок эксплуатации дорогостоящих электронных устройств.

Проблема выделения теплоты была частично решена в начале восьмидесятых годов, когда были внедрены светораспределительные трубки (также называемые лучевыми трубками). При использовании лучевых трубок нет необходимости в размещении источника света близко к освещаемому объекту, это высвобождает пространство для размещения и снижает тепловые нагрузки. Такие модульные системы трубок и соединений передавали и распределяли свет, поступавший на концы трубок, для удаленно расположенных объектов с подсветкой. Сначала лучевые трубки использовали с лампами накаливания, которые распространяют свет во всех направлениях. Поэтому системы проектировались так, чтобы сначала происходило наполнение светом, а затем осуществлялась его ограниченная подача в различных точках по всей длине трубки для освещения множества объектов. Тем не менее, оставались еще и другие проблемы, связанные с использованием ламп накаливания.

Когда в начале девяностых снизились цены и повысились эксплуатационные характеристики светоизлучающих диодов (LED), производители автомобилей рассматривали их в качестве замены. LED предоставляют множество преимуществ, включая и более длительный срок эксплуатации, значительно меньшее энергопотребление и тепловыделение, меньшую массу, и более низкие затраты. Тем не менее, поскольку LED излучают насыщенные (монохромные) цвета с очень узкими спектрально-энергетическими профилями, производители автомобилей больше не могли получать свои схемы по ненасыщенным цветам для товарных марок, особенно, с помощью субтрактивного фильтрования. Производители оборудования либо были вынуждены менять десятилетиями использовавшиеся схемы цветной подсветки для считавшихся тогда стандартными цветов LED красного, желтого или оранжевого (этот ряд был позднее расширен до синего и зеленого), или же по-прежнему использовать субтрактивное фильтрование ламп накаливания. Также для производителей, которые использовали освещение с помощью лучевых трубок и ламп накаливания, преобразование данной системы под использование LED оказалось проблематичным. Во-первых, первые LED были менее яркими, чем лампы накаливания, и они осуществляли более прямолинейное распространение света. Это означало, что теперь необходим был LED для осуществления подсветки каждого объекта, который в ней нуждался. Неудивительно, что при всех этих проблемах, многие продолжали использовать старую технологию.

Наконец в 1998 г. был разработан первый "белый" LED (это был синий LED с желтым люминесцирующим веществом). С появлением белого LED, стало, наконец, возможно, субтрактивно фильтровать очень небольшой диапазон ненасыщенных цветов. Тем не менее, фильтрованные лампы накаливания оставались значительно более экономичным средством для подсветки с ненасыщенными цветами.

В 2003 г., были внедрены LED со специально окрашенными люминофорами, но они все еще были дороги и легко менялись. При растущем давлении, требующем отказаться от ламп накаливания, и фильтрованиии с помощью белых LED все еще очень дорогом, а также производителях автомобилей, которые стремятся иметь индивидуально окрашенную подсветку для выделения отдельной ниши для своих автомобилей на переполненном рынке транспортных средств, начались серьезные исследования для выявления доступной, низкотемпературной подсветки с ненасыщенными цветами.

В этой области работал поставщик высокого уровня, компания Delphi Electronics & Safety (Трой, Мичиган, USA), которая ранее использовала освещение желтой графики с использованием преимущественно синего источника света широкого диапазона и флуоресцентные красители. Инженеры Delphi, которые работали с составителями компаундов, RTP Company (Вайнона, Миннесота, США), потратили несколько лет на оценку флуоресцентных красителей и рассеивающих свет добавок для использования в прозрачных поликарбонатных смолах для формования кнопок, круглых ручек и табличек с подсветкой. Используя стоксов сдвиг, они разработали пакет добавок, которые поглощают часть энергии LED и светятся, т. е. переизлучают часть энергии при большей длине волны, создавая другой, менее насыщенный цвет с большим спектральным диапазоном. Поскольку пакет добавок изменяет цвет входящего света, можно создавать большое разнообразие цветов с использованием LED стандартной окраски. Следующей проблемой, которую предстояло решить Delphi, было уменьшение количества LED, которые используются для освещения различных внутренних отделений.

Зная, что на рынке уже имеются LED более высокой яркости, способные освещать более одного объекта, инженеры Delphi переконструировали свою систему лучевых трубок в систему с прямой линией видимости для лучшего использования LED. При этом ставилась задача, чтобы у света было не более 1 или 2 отраженных изменений направления между источником и графическим объектом, который освещается. Возникли проблемы, поскольку подсвечиваемые односторонние печатные схемы, управлявшие электронными устройствами, были настолько перенасыщены устройствами, что не оставалось места для эффективного использования лучевых трубок для освещения передней части панели. В конце концов, коллективу удалось переместить достаточное количество проводов и компонентов на переднюю часть панели, чтобы можно было сделать отверстия в 1 см. в панели. Это позволяет провести по лучевой трубке узкий конус света, который создается боковым LED, установленным на обратной стороне панели, к тем устройствам, которые нуждаются в подсветке, оптимизируя доставку и создавая уникальную ночную подсветку. Большинство освещенной графики действует как субтрактивный фильтр перед дистанционным источником света. Тем не менее, флуоресцентная графика в патентованных компаундах Delphi действует скорее как самосветящийся, чем как фильтрующий элемент, обеспечивая четкий внешний вид. Перемещение управления цветом с LED на подсвечиваемое устройство позволяет получать более однородную и контролируемую излучаемую окраску и более устойчивое освещение при более низких затратах. Это делает данную технологию идеальной (и доступной по цене) для создания цветной подсветки мелкосерийных автомобилей.

Первое использование данной технологии было осуществлено при создании модели джипа Chevrolet® Tahoe® 2007 г. компании General Motors Corp. (Уоррен, Мичиган, США). Стандартный синий LED преобразуется в специальный цвет, который называется "Голубая лагуна", он используется для аудиосистем автомобиля, управления HVAC и специальной системы навигации. Смолы компаундируются по специальному рецепту RTP на производственных мощностях в США и Китае, и транспортируются на различные формовочные предприятия Delphi. Благодаря своему широкому технологическому окну была выбрана марка поликарботната от Bayer MaterialScience (Питтсбург, Пенсильвания, США) с высокой текучестью. В компаундах используются флуоресцентные красители, которые реализуются на рынке BASF Corp. (Флорхем Парк, Нью-Джерси, США).