Osvity pilotních a vojenských hodinek - část čtvrtá
5 Swiss Super-LumiNova a LumiNova
5.1 Swiss Super-LumiNova a LumiNova ? historický přehled
Obrázek: prášek hlinitanu stroncia obohacený prvky vzácných zemin viditelný v normální světle, ultrafialovém světle a v noci.
Historie neradioaktivního luminiscenčního materiálu dnes známého jako (Swiss Super) LumiNova se začala psát už v 60. letech 20. století v rámci vývoje luminiscenčních materiálů využívající fosforence s dlouhou dobu dosvitu. Tehdy bylo ovšem cílem vyvinout luminofory pro zářivky, úsporné žárovky a vakuové (CRT) obrazovky.
Hodinářské osvětlovací pigmenty na bázi hlinitanu stroncia začala pod obchodním názvem ?SuperLite" první vyrábět švýcarská společnost RC Tritec AG. Uvedený materiál jako první v roce 1993 použila ve svých hodinkách další švýcarská společnost Swatch. Ale už v roce 1994 si další gigant v oblasti luminiscenčních technologií, japonská společnost Nemoto & Co, nechal uvedenou technologii patentovat v Japonsku a USA. Tím zabránil Švýcarům ve vývozu materiálů a hodinek s touto technologiím na tyto lukrativní trhy. V Japonsku pak začalo nový luminiscenční materiál od Nemoto & Co jako první používat Seiko pod obchodním názvem ?LumiBrite".
RC Tritec a Nemoto&Co nakonec v roce 1998 dosáhly dohody ohledně tohoto nového luminiscenčního materiálu a založily společný podnik (joint-venture) pod názvem LumiNova AG Switzerland. Suroviny byly z japonských závodů dodávány do Švýcarska, kde probíhala finální úprava velikosti zrna a barvy pigmentu podle požadavků jednotlivých zákazníků. Tento materiál dostal obchodní název ?Super-LumiNova".
Ačkoliv Super-LumiNova byla vyráběna ve Švýcarsku, řada švýcarských hodinářských výrobců nesla nelibě fakt, že základní suroviny byly importovány z Japonska a výroba je chráněna japonským patentem. Proto společnost Nemoto&Co souhlasila s kompletní licenční výrobou na území Švýcarska. Tento kompletně švýcarský materiál se pak nazývá ?Super-LumiNova 2007".
Vývoj se samozřejmě nezastavil a původní materiál byl neustále vylepšován, až dosáhl dvojnásobné výkonnosti oproti prvním řadě produktů z počátku 90. let. Dnes by měl materiál (Swiss Super) LumiNova (2007) efektivně svíti.t i po ?nabití" slabšími umělými zdroji záření bez nutnosti přímého osvícení denním světlem.
Dnes materiály typu (Swiss Super) LumiNova používají jako jediný luminiscenční materiál prakticky všichni výrobci hodinek na světě (jen velmi málo z nich navíc používá speciální osvitové technologie na bázi radioaktivních materiálu jako je GTLS).
Uvádí se, že pigment Swiss Super-LumiNova používá více než 98% všech švýcarských výrobců, včetně takových značek jako jsou Rolex, TAG Heuer, Breitling, Omega, Longines, IWC.
Obrázek: Použití pigmentu jako je (Swiss Super) LumiNova není rozhodně omezeno pouze na hodinářský průmysl
Luminiscenční materiály na bázi hlinitanu stroncia se dnes vyrábějí v obrovské škále barev pigmentu, různých barev emitovaného světla a velikosti částic. Jednotlivý zákazníci (tj. výrobci hodinek) si ale mohou pro své konkrétní produkty objednat na míru připravené pigmenty. Navíc je důležité kolik barvy v hodinkách použijí. Proto všechny následující informace jsou pouze obecného charakteru a netýkají se konkrétně žádného přesného modelu hodinek s osvity na bázi (Swiss Super) LumiNova nebo jiných podobných barev.
5.2 Hlinitan stroncia obohacený europiem a dysprosiem (Sr Al2O4:Eu, Dy)
Materiál označovaný obchodním jménem (Swiss Super) LumiNova je založen na syntetické sloučenině označované jako hlinitan stroncia obohacený europiem a dysprosiem. Poměrně složitá chemická značka pak vypadá takto: Sr Al2O4:Eu,Dy.
Tyto materiály vzešly z hlinitanu (aluminátu) stroncia obohaceného pouze stopovým množstvím prvku vzácných zemin europium (Eu). Když byl tento materiál dále obohacen o další prvek vzácných zemin dysprosium (Dy), zjistilo se, že po vystavení slunečnímu záření svítí několik hodin, protože sloučenina dokázala absorbovat dvakrát tolik energie.
Aby byla situace ještě komplikovanější, materiál s chemickým složením Sr Al2O4:Eu,Dy vyzařuje zelené světlo. Jeho kolega, materiál s chemickým složením Sr4Al14O25:Eu,Dy pak vyzařuje modro-zelené světlo a materiál s ještě exotičtějším složením CaAl2O4:Eu,Nd + Sr4Al14O25:Eu,Dy nebo jen CaAl2O4:Eu,Nd vyzařuje modré nebo fialově-modré světlo.
5.2.1 Jak to funguje?
Princip činnosti je v principu shodný s ostatními fosfory. To jsou chemické sloučeniny, které jsou schopné jevu zvaného fosforence. To znamená, že pokud jsou vystaveny energetickým částicím, jako jsou fotony ultrafialového (UV) záření, tak vydávají viditelné světelné záření.
U hodinářských fosforů na bázi hlinitanu stroncia není potřeba žádný radioaktivní zdroj jako u tritiových zdrojů osvitů GTLS. Zdrojem energetických částic (fotonů) je ultrafialové světlo (nebo ultrafialová složka širokospektrálního světla). Proto se uvedenému jevu ve fyzice říká fotoluminiscence.
Princip činnosti dopovaných krystalů Sr Al2O4:Eu,Dy je, stejně jako u dříve popsaných krystalů ZnS:Cu, založen na principech kvantové mechaniky. Hlavním rozdílem oproti fosforu na bázi ZnS je, že proces uvolňování pohlcené energie pomocí emise viditelného světla je několikanásobně delší. To je způsobeno tím, že excitace elektronu v krystalech neprobíhá tolik přímočaře, ale elektrony jsou excitovány do energetických hladin, ze kterých se nesnadno uvolňují. Tyto kvantové pasti pak ve svém důsledku způsobí, že uvolňování energie v podobě světla probíhá delší dobu.
5.3 Srovnání se sulfidem zinku (ZnS)
Hlinitan stroncia Sr Al2O4:Eu,Dy je v řadě parametrů mnohem lepší než standardní luminofor typu sulfid zinku dopovaný mědí (ZnS:Cu). Uvádí se, že jeho jas je 10krát větší, svítí 10krát déle. Kromě řady technologických nevýhod je ale tento velmi pokročilý materiál zhruba 10krát dražší.
Na následujících sérii obrázků je vizuální porovnání práškového pigmentu na bázi ZnS (vlevo) a pigmentu na bázi Sr Al2O4 (vpravo). Pigmenty jsou energeticky nabity pouze světlem na prvním obrázku, žádný další zdroj nabitých částic (např. radioaktivní) není přítomen:
V řeči přesných vědeckých měření, by pak srovnání časové závislosti jasu (v nCd/mm2) stejného množství pigmentu Super-LumiNona (červená křivka) a sulfidu zinečnatého (zelená křivka) při maximálním excitačním nasvícení vypadalo takto:
Pro detailnější tabulkové srovnání fosforů, lze také použít srovnávací data od společnosti Nemoto & Co, kde písmeno G v označení LumiNova G znamená zelenou barvu emitovaného světla.
5.4 Tloušťka vrstvy
Tloušťka vrstvy (množství) pigmentu významně ovlivňuje výsledný jas i dobu dosvitu. Více viz. následující graf časové závislost svítivosti (vyjídřeno v nCd jednoho indexu na číselníku) na množství pigmentu:
V grafu je také vyznačena minimální požadovaná hodnota svítivosti ciferníku s 12 číselnými indexy (36 nCd) dle normy ISO 3157 (hodnota je odlišná pro různé provedení ciferníků), tak aby byl v noci rozeznatelný lidským okem.
Graf je zpracován pro pigment o denní barvě C3, který svítí zelenou barvou (GL), Grade A označuje velikost částic. Všechny tyto parametry mají vliv na jas a dobu dosvitu.
Protože se jedná o velmi drahý materiál (v cenách za kilogram), celkové množství v jedněch hodinkách se pohybuje v rozmezí 0,001 až 0,005 gramu. Výrobce uvádí, že jeden gram pigmentu slouží k výrobě 200 až 1000 kusů hodinek. Při těchto miniaturních množstvích pigmentu v jedněch hodinkách je pochopitelně vliv ceny pigmentu na celkovou cenu hodinek zanedbatelný. Mnohem více ji ovlivní náklady na vlastní aplikaci. Pochopitelně čím větší podíl ruční práce tím více.
Dva následující mikroskopické snímky pak názorně demonstrují, nakolik se mohou lišit velikosti částic mezi různými pigmenty:
Pro hodnocení jasů osvitu je také dobré vědět, že denní barva pigmentu má značný vliv na výsledný jas. Více na následujícím graf, který relativně srovnává jas různých denních barev pigmentů (barva C3 = 100%).
5.5 Barvy pigmentu a emitovaného světla
Paleta barev na předchozím grafu také názorně ilustruje, že počet denních barev pigmentu je prakticky neomezený, včetně černé barvy. Výrobce pigmentu pak samozřejmě připravuje barvy podle individuálních požadavků svých odběratelů.
Co se týče barvy emitovaného světla, tam je výběr mnohem prostší. Protože barva světla emitovaného za tmy se určuje už při procesu obohacování základní substance hlinitanu stroncia částicemi prvků vzácných zemin, je výsledkem zelená, modro-zelená, modrá nebo fialově-modrá emise světla.
Materiál s chemickým složením Sr Al2O4:Eu,Dy vyzařuje zelené světlo (dominantní vlnová délka záření je okolo 540 nm), materiál Sr4Al14O25:Eu,Dy vyzařuje modro-zelené světlo (dominantní vlnová délka záření je okolo 490 nm), materiál CaAl2O4:Eu,Nd vyzařuje fialově-modré světlo (dominantní vlnová délka záření je okolo 440 nm) a materiál s nejexotičtějším složením CaAl2O4:Eu,Nd+ Sr4Al14O25:Eu,Dy vyzařuje modré světlo (dominantní vlnová délka záření je okolo 450 nm).
5.6 Excitace a emise světla ? spektrální charakteristika
Podobně jako ve stejné kapitole u tritiových GTLS jsou v této kapitole znázorněny spektrální charakteristiky emitovaného světla. Účel těchto měření pro určení kompatibility s brýlemi nočního vidění pak bude vyjasněn v kapitole 8.
Pro činnost všech pigmentů na bázi hlinitanu stroncia jsou, na rozdíl od radioaktivních pigmentů, důležité spektrální charakteristiky dopadajícího tzv. ?excitačního" světla, které pigment nabíjí. Proto jsou v následujícím grafu uvedeny také:
Graf je zpracován pro zeleně svítící pigment (označení GL). Oranžová křivka označuje dlouhodobou emisi zeleného světla (fosforence, měřeno po 5 sek..dách). Červená křivka označuje okamžitou emisi (tzv. fluorescence) modro-zeleného světla v okamžiku ozáření UV světlem.
Důležitá je ale také zelená křivka ukazující spektrální charakteristiku excitačního světla, které luminofor ?nabije". Je to lidskému oku neviditelné ultrafialové světlo (UV), neboli elektromagnetické záření na vlnových délkách 200-450 nm. Fyzikálně přesně bychom měli hovořit pouze o části UV spektra, protože celé spektrum UV záření je od 10 do 450nm. Nejlepších výsledků při excitaci pak dosáhne UV světlo s vlnovou délka kratší než 365nm.
Jednoznačně nejvýkonnějším a také ?nejdostupnějším" zdrojem UV záření je sluneční záření, které je opravdu širokospektrální. Kromě viditelného světla, které vidíme, Slunce také vyzařuje obrovské množství UV energie. Naštěstí ozónová vrstva v atmosféře naší planety 98% záření zablokuje a propustí víceméně jen to měkké záření označované jako UVA (315 ? 400 nm) a trochu tvrdšího záření jako je UVB (280 ? 315 nm) nebo UVC (100 - 280 nm). Kdyby tomu tak snad nebylo, tam bychom tu rozhodně nebyli.
Z umělých zdrojů je zdrojem UV záření i obyčejná žárovka. Při žhavení wolframového vlákna vzniká i UV záření, které sice nevidíme, ale je tam. Pokud budeme pro referenci uvažovat, že žárovka představuje 100% referenční hodnoty emitovaného UV záření, pak bílá zářivka emituje už 180% UV záření a speciální černá UV lampa emituje zhruba 220%. Navíc černá lampa neprodukuje viditelné záření, takže okamžitý vliv záření UV lampy na fosforový luminofor můžeme za tmy snadno pozorovat na vlastní oči.
Na jas emitovaného světla má samozřejmě vliv i výkon excitačního světelného zdroje. Čím je zdroj silnější, tím jasnější bude i emise světla. Měření časové závislosti jasu pigmentu Super-LumiNova GL C3 na výkonu a času osvitu dvou různých lamp je na následujícím grafu. Velmi slabá UV lampa je označená jako ?umělecké světlo", silná UV lampa naopak reprezentuje přímé sluneční záření.
Z grafu je také vidět, že jsou zde jistá omezení:
i) Výkonnější zdroj osvitu způsobí emisi jasnějšího světla, ale tento jas bude o to rychleji slábnout a za nějaký čas dosáhne přibližně stejné hodnoty jasu jako při emisi slabším světlem.
ii) Delší doba expozice opět způsobí emisi jasnějšího světla. Experimentální závislost doby osvitu při různých výkonech budícího světla bílé zářivky, je pěkně popsána na následujícím odkazu. Zjednodušeně lze ale říci, že u slabých lamp lze dosáhnout zvýšení jasu emitovaného světla, pokud je expozice dostatečně dlouhá. U silných zdrojů už doba expozice nemá takový vliv, výsledný jas emitovaného světla se už příliš nezvýší. To je dáno tím, že už je dosaženo ?stropu energie", kterou pigment pohltí.
Pozn.: Pokud se pozorně podíváte na poznámku č. 4 pod srovnávací tabulkou fosforů LumiNova od společnosti Nemoto&Co v kapitole 5.3, tak je tam zmínka o zrychleném testu stálosti světla. Pokud je doba expozice výkonného UV zdroje (300 W rtuťová lampa) dostatečně dlouhá (okolo 1000 hodin), může dojít k nevratnému poškození a poklesu jasu o 20%.
5.6.1 Vliv skla
Pro správnou funkci luminiscenčního pigmentu je žádoucí, aby UV záření nic neblokovalo. Samozřejmě na všech hodinkách je mezi pigmentem a budícím zdrojem záření sklíčko. Takže pár základních informací o spektrální charakteristice skel. Obyčejné skleněné tabule propustí 90% záření nad 350 nm, ale také současně blokují 90% záření pod 300 nm. Hodinkové sklo typu safír, vytvořené ze syntetického krystalu safíru, má naopak výbornou propustnost pro celé spektrum UV záření.
Parametry propustnosti ostatních typů skel - minerální nebo plastové stejně jako vliv antireflexních vrstev jsem nezjišťoval z důvodu obrovského množství možných modelů a jejich chemického složení.
5.7 Prášek a lak
Pigmenty na bázi hlinitanu stroncia jsou vyráběny ve formě práškové substance. Pro aplikaci na ručičky a ciferníky je nutné prášek smísit s další důležitou složkou ? aplikačním lakem. Ty se také vyrábějí podle specifických potřeb hodinářských společností. Lak dává práškovému pigmentu potřebnou viskozitu (kapalnost) v závislosti na tvaru a povrchu, na který se pigment aplikuje. Lak může být lesklý nebo matný. Může se lišit způsobem vytvrzování (v peci nebo UV světlem) a zcela určitě by se našly další kategorie dělení.
5.8 Životnost
Podle údaje výrobce je životnost správně vyrobeného a aplikovaného pigmentu ?neomezená". Fosfor neustále prochází procesem nabíjení fotony, excitace a emise světla. A to stále dokola. Tedy ovšem pokud pigment někdo ?nepotrápí" extrémně dlouhými expozicemi silného UV záření.
Samozřejmě hranice životnosti zde bude, ale protože je minimálně v desítkách let, tedy několikanásobně větší než jakákoliv jiná současná nebo historická osvitová technologie, není přesný údaj dosud nikde publikován.
- Konec čtvrté části -
0 komentářů
Doporučené komentáře
Neexistují žádné komentáře
Pokud chcete odpovídat, musíte se přihlásit nebo si vytvořit účet.
Pouze registrovaní uživatelé mohou odpovídat
Vytvořit účet
Vytvořte si nový účet. Je to snadné!
Vytvořit nový účetPřihlásit se
Máte již účet? Zde se přihlaste.
Přihlásit se