Vreme u mraku - Principi osvetljavanja brojčanika satova

Satovi sa osvetljenim brojčanicima su sa nama nekih stotinak godina, međutim, svetleći premazi su poznati znatno duže. Stari Kinezi i Japanci su pre dobrih 1000 godina koristili školjke i vulkanski materijal da bi proizvodili boje koje su svetlele u mraku. Otprilike u 18. Veku i u Evropi su se, uglavnom u umetnosti, koristili pigmenti sličnog sastava. Već u 19. Veku švajcarski časovničari počinju da premazuju markere i brojčanike određenim luminescentnim bojama. Široka primena svetlećih premaza u časovničarstvu, započinje sa Prvim svetskim ratom gde je ogroman broj ručnih časovnika i brojčanika avionskih instrumenata bio tretiran ovim premazima. Precizna kordinacija mnogobrojnih sastava u noćnim uslovima bila je esencijalna za uspešno obavljanje zadataka. Mogućnost da se vreme očita bez eksternog izvora svetla koji bi moguće, odao poziciju ili zahtevao ponovno navikavanje očiju na tamu, značajno je uticala na bezbednost vojnog personala i efikasnost izvršenja zadataka. Naravno, kao i većina vojnih pronalazaka i osvetljeni brojčanici pronašli su svoje mesto i u civilnoj upotrebi. Od samih početaka pa sve do devedesetih godina u te svrhe korišćeni su premazi zasnovani na radioaktivnim elementima, prvo radijumu, a potom prometeumu i tricijumu. Iako vlasnik sata nije bio izložen nekom osobitom riziku, časovničari i radnici u proizvodnji – jesu. U pojedinim zemljama radioaktivni premazi su i zakonom zabranjeni. Iz tih razloga, početkom 90-ih, mnoge kompanije razvijaju neradioaktivne luminescentne premaze, a otprilike u to vreme se pojavljuju i i prvi digitalni elektroluminescentni satovi. (Pre toga digitalni LCD satovi bili su osvetljeni majušnim diodama). I dalje se koristi tricijum, ali ne u formi premaza.
Danas je uobičajeno da se za osvetljavanje satova koriste tri osnovne metode: Fotoluminescencija - neradioktivni luminescentni premazi, radioluminsecencija - staklene cevčice ispunjene tricijumskim gasom i elektroluminescencija – brojčanik svetli uz pomoć struje iz baterije. Ima više proizvođača i svi oni imaju posebne i poznate brendove premaza i tehnologija osvetljavanja (Swiss Superluminova, LumiBrite, MDV-GX, Trigalite, H3, NeverDark, Indiglo, Iluminator...), ali je kod svih osnovni sastav i princip funkcionisanja – isti. Specifikacije iluminacionih materijala definisane su internacionalnim standardima: ISO3175, ISO 4168, ISO/DIS 17514 i nemačkim DIN 67510.




Luminescencija (Od latinskog lumen, luminis = svetlost) predstavlja pojavu hladnog zračenja svetlosti (fotona). Ova pojava ne nastaje usled povišenja temperature (to je termoluminescencija), nego od više različitih uzroka te imamo i više vrsta luminescencije.
Nama su zanimljive: Radioluminescencija, fotoluminescencija i elektroluminescencija. Luminescencija može biti u formi: Fluorescencije i fosforescencije. Fluorescentno telo svetli dok traje izloženost svetlu ili drugom elektromagnetnom zračenju, a fosforescentno se ponaša kao svojevrsna svetlosna baterija i nastavlja da svetli nakon prestanka osvetljavanja.
Radioluminescencija ne zahteva spoljnu pobudu i radi nezavisno od izvora svetla. Radioaktivni elementi emituju snažno jonizujuće zračenje koje pobuđuje fosforescentni materijal koji potom emituje vidljivu svetlost. Radioluminescentni premaz uglavnom se sastoji od radijumove soli pomešane sa cink sulfidom (ZnS), gde radijum zračenjem pobuđuje cink sulfid da emituje svetlo. „Rok trajanja“ iluminacije zavisi od stanja istrošenosti cink sulfida (pod stalnim je „bombardovanjem“ radijacije), a ne, kako se obično veruje, radijuma jer je period poluraspada radijuma 1600 godina.
Fosforescenciju radioaktivnih elemenata otkrili su supružnici Kiri početkom XX veka. Radijum u visoko koncentrisanim količinama svetli plavo, međutim u manjim količinama ne svetli. Anri Bekerel (Antoine Henri Becquerel ) je otkrio da radijacija koju emituje radijum može naterati pojedina jedinjenja da svetle. Ovu karakterisitku je 1902. godine iskoristio Vilijem Džozef Hemer (Villiam Joseph Hammer) da napravi svetleću boju. Na žalost nije je i patentirao, te je to uradio Džordž Kunc (George Kunz), uposlenik Tifani & Ko. (Tffany & Co.) On je u saradnji sa hemičarom Čarlsom Baskervilom (Charles Baskerville) ovu ideju još više razvio i unapredio. Radioluminescentna boja je postala dostupna širokom tržištu 1914, zaslugom američke kompanije “Rejdijum luminouz matirijals korporejšn” (Radium Luminous Materials Corporation). Međutim, ubrzo se uvidelo koliko radijacija pogubno deluje na zdravlje radnika u proizvodnji te se radijum nakon Drugog svetskog rata uglavnom zamenjuje tricijumom i prometijumom koji jesu radioaktivni, ali se njihovo zračenje uglavnom sastoji od beta čestica (nasuprot alfa i gama zračenju radijuma) koje ne mogu “pobeći” kroz staklo. Njihovo zračenje je neuporedivo slabije od radijumovog. Na skali uticaja jonizujućeg zračenja na tkiva tricijum i prometeum imaju radijacioni težinski faktor 1, a radijum – 20. (na samom vrhu skale).

Generalno gledano, osvetljenje brojčanika zasnovano na radioluminescenciji je rezervisano za vojne, ronilačke i ostale tzv. „Tool“ satove. Upotreba radioaktivnih supstanci u ovim satovima je striktno regulisana ISO 3157 standardom koji dozvoljava korišćenje samo dva elementa: tricijuma (3H) i prometeuma (147 Pm). Oba ova elementa emituju veoma nisku radijaciju. Ovim standardom regulisano je i opciono označavanje da sat emituje manje zračenja od neke određene vrednosti.
Oznake mogu biti:

1. Za tricijum: T (ili ponegde T25)
2. Za prometijum: Pm ili P (ponegde P 0,5). Na vojnim satovima P u krugu.
3. Oznaka: T Swiss made T nam kazuje da je sat švajcarski i da izvesna količina tricijuma u njemu emituje radijaciju manju od 7,5 mCi (227 Mbq)
4. Oznaka Swiss T<25 ukazuje na to da je sat švajcarski i da tricijum u njemu emituje manje od 25 mCi (925 Mbq)

Za razliku od ovoga, na satovima koji su osvetljeni metodom fotoluminescencije, možemo naći oznaku: L Swiss Made L .


Danas se više ne koriste radioluminescentni premazi već gasoviti tricijum u naročitim hermetički zatvorenim cevčicama. Glavni "igrač" u ovoj oblasti je švajcarska firma Mb Microtec koja svojim tricijumskim trigalight® cevčicama snabdeva većinu svetskih proizvođača satova. Ogromna prednost tricijumske iluminacije je u tome da nema nikakve potrebe za spoljnim izvorom pobude ili napajanja. Sat može mesece provesti u potpunom mraku i markeri i kazaljke će biti osvetljeni bez gubitka jačine. Mane ovog principa osvetljavanja brojčanika i kazaljki ogledaju se u tome da je svetlo, iako konstantno, slabijeg intenziteta nego ono koje daju fotoluminescentni premazi te je čitljivost u polumraku nešto slabija u odnosu na njih. Druga mana je što tricijumske cevčice svojim oblikom ograničavaju dizajnera u kreiranju specifičnijih oblika markera. Treća mana leži u činjenici da je period poluraspada tricijuma 12.5 godina, što znači da će za toliko vremena iluminacija izgubiti 50% svog intenziteta. Ukupan životni vek je dakle nekih dvadesetak godina. (Ball, Luminox i još neki proizvođači satova garantuju 25 godina). Kao mana se može uzeti i cena koja je viša od fotoluminescentnih premaza.




Iako je radioluminescencija pružala veoma dobre i konstantne performanse zbog gore pomenutih nedostataka šezdesetih godina se započelo sa istraživanjima alternativa. Odgovor je nađen u fotluminescenciji. Fotoluminescentni materijal „upija“ svetlost (obično u UV spektru) i kasnije je emituje poput baterije. U odgovarajućim okolnostima fotoluminescentni materijal može svetleti satima.
Videli smo na početku da se na dalekom istoku određene fotoluminescentne farbe pominju od 10. veka, prvi sintetički fotoluminescentni materijal načinjen je u Italiji u 17. veku. Bio je poznat kao „Bolonjski kamen” i “Sunđer svetla”. Sastojao se od barijum sulfida. U novije vreme, zahvaljujući razvoju nauke i tehnologije, stvoreni su veštački svetleći premazi. Uglavnom su se zasnivali na nekom metalnom sulfidu (cink sulfid obično) koji je pobuđivan bakrom. Ovo jedinjenje je svetlelo zelenom bojom, a svetlost je trajala sat – dva. Pritom se relativno brzo rasadala i gubila svetleća svojstva. I danas se koristi u svetlećim igračkama i jeftinim satovima.
Početkom devedesetih načinjen je značajan prodor u ovoj oblasti. Novi pigment koji svetli jače i neuporedivo duže (otprilike 10x) sastavljen je od zemnoalkalnih metal aluminata aktiviranih lantanoidima. Najčešće korišćen je Stroncijum aluminat oksid (SrAl2O4) aktiviran europijumom (Eu) (i) ili disprozijumom (Dy).


Za pomenuti prodor u oblasti fotoluminescentnih pigmenata odgovorna je japanska kompanija Nemoto. Ona je 1993. godine na tržište izbacila pigment zasnovan na stroncijum aluminatu, pod nazivom: „LumiNova“. Ubrzo su svi ozbiljniji proizvođači satova prešli na ovaj materijal. Nemoto & Co. Ltd, nosilac patenta za LumiNovu, se 2001. godine povezao sa švajcarskom kompanijom RC TRITEC AG. Danas je džoint venčr (Joint-venture) ove dve kompanije, LumiNova AG Switzerland, najveći "igrač" na tržištu luminescentnih pigmenata i u svim švajcarskim satovima (od dna do vrha piramide) nalazi se: „Swiss Super-LumiNova®“, robna marka ove kompanije. Internetom kruži podatak da su zapravo Seiko i Nemoto zajednički razvili formulu novog pigmenta, te da je Seiko materiju nazvao LumiBrite i koristio u svojim satovima, a da je Nemoto prodavao licence drugima. Međutim, zvaničnu potvrdu ovoga mi nismo pronašli. Činjenica je da LumiBrite ima identični sastav kao SuperLuminova (SrAl2O4 + Eu + Dy), ali, da li su oba premaza potekla kupovinom Nemotove licence za LumiNovu ili iz nekog drugog oblika saradnje, ne možemo pouzdano tvrditi. Pored pomenutih LumiBrite i SuperLuminova, na tržištu postoje svetleći pigmenti sa različitim imenima (Citizen koristi nešto što je nazvano „NatuLite“, Lum Tec ima MDV-GX itd.), međutim svi oni u osnovi imaju istu recepturu. Razlika u jačini i trajanju osvetljenja dolazi od debljine i broja slojeva koji se nanose na markere, ukupne površine na koju se nanosi premaz i od kombinacije boja na ciferu.


Fotoluminescentni premazi nisu ekskluziva časovničarske industrije. Postoji bukvalno stotine kompanija koje proizvode svetleće pigmente za najrazličitije namene (farbanje saobraćajne signalizacije i infrastrukture, obeležavanje puteva evakuacije itd.)
Fotoluminescentni premazi rešili su problem bezbednosti od radijacije, prilično su jeftiniji od tricijumskih cevčica i inicijalno daju mnogo jače osvetljenje, koje vrlo dobro vidljivo u polumraku, međutim, velika mana im je relativno kratko trajanje i brzo opadanja intenziteta svetla, kao i potreba da se „dopunjuju“ izlaganjem svetlosti ili UV zracima. Sa druge strane, ovi pigmenti su jeftini i za razliku od tricijumskih cevčica imaju gotovo neograničen rok trajanja (pod uslovom da vlaga i nečistoća ne dospe do brojčanika).
Vizuelno, razlike između tricijuma i fotoluminescentnog premaza (u konkretnom slučaju SuperLuminove) se očituju na fotografijama Ernija Romersa, osnivača WUS-a. Erni je satove osvetlio na 10ak sekundi halogenom lampom od 300w, zatim zamračio sobu i uslikao 4 fotografije. Prvu odmah, drugu nakon 5 minuta, treću nakon 15 minuta i četvrtu nakon 30 minuta.


Ove razlike se još bolje očituju na grafikonu koji nam ukazuje na činjenicu da fotoluminescentni premazi, iako neuporedivo bolji od starih još uvek ne uspevaju da u potpuniosti ispune standarde zadate sa ISO 3157.


Poređenje pokazuje da je na samom početku SuperLuminova svetlija, međutim intenzitet svetla eksponencijalno pada i preseca krivu tricijuma za samo 40 minuta u slučaju normalnog “punjenja” i za 120 minuta u slučaju “potpunog svetlosnog punjenja” . Intenzitet SuperLuminove nastavlja da rapidno opada i nekih 8 sati i 20 minuta kasnije dostiže jedva čitljivih 4 mcd/m² (mcd/m² i ncd/mm² su numerički jednaki) Najmanji sjaj koji ljudsko oko naviknuto na mrak može registrovati je 3.2nCd/mm2, to jest 3.2 nano kandela po kvadratnom milimetru. Intenzitet svetla tricijuma, sa druge strane, ostaje konstantan.

(Oznake na grafikonu: Za Super-LumiNovu, GL = zelena, krupne čestice; C3 = žuta boja po ISO 3157:1991.* Za tricijumsku boju L8.5 ukazuje na intenzitet od preko 80 μcd/g.)

U svakom slučaju, u svakodnevnoj upotrebi, pokazane negativne strane fotoluminescentnih pigmenata nisu toliko uočljive ali je evidentno zašto je tricijum ostao prvi izbor kada su u pitanju vojni i ronilački satovi.
Svakodnevno se radi na prevazilaženju nedostataka jednih i drugih fosforescentnih materijala. Jedan od (možda najjednostavnijih i najlogičnijih) pristupa primenio je relativno nepoznati američki proizvođač Reactor. Oni su u svojoj “ND – NeverDark™” tehnologiji jednostavno spojili radio i foto luminescenciju. Kombinovali su intenzivno svetlo SuperLuminove sa konstantnim intenzitetom tricijumskih cevčica i dobili optimalne performanse u svim svetlosnim uslovima. S obzirom da ljudskom oku treba i do 30 minuta da se potpuno prilagodi na tamu, SuperLuminovina inicijalna intenzivna svetlina omogućuje satu opremljenim Never Dark™ iluminacijom da bude veoma čitljiv. Ova karakteristika još više dolazi do izražaja u slučajevima stalnog prelaska iz svetlih u tamne prostore (recimo stalni silasci ispod palube na brodu. U situacijama kada sat ostaje u tami ceoma dug period tricijum osigurava konstantnu vidljivost godinama.




Elektroluminescencija je forma pretvaranja električne energije direktno u svetlost. Obična sijalica struju pretvara u svetlost posredstvom toplote te je manje efikasna od elektroluminescencije. Najčešće, elektroluminescenciju srećemo u neonskim sijalicama. U njima visoka voltaža daje energiju elektronima u atomima neonskog gasa i kada ovi otpuste energiju, emituju fotone tj. svetlost.
Ovaj princip osvetljavanja satova prvi je uveo Timex 1992. godine, da bi Casio ubrzo (1995.) predstavio svoj odgovor u vidu Illuminator-a (Na JDM ova tehnologija je bila poznata kao Fox Fire).
U satovima (u konkretnom primeru reč je o Tajmeksovoj Indiglo tehnologiji, ali na istom principu funkcioniše i Kasiov Iluminator), visoka voltaža daje energiju atomima fosfora (ovde nije reč o hemijskom elementu fosforu, već o generalnom nazivu za supstancu koja pokazuje karakteristike luminescencije) na tankom providnom panelu displeja koji zatim emituju svetlost. U principu imamo dva provodnika sa fosforom između. Kada primenimo naizmeničnu struju napona 100 do 200V, fosfor svetli. Ovde je glavni problem bio kako proizvesti struju prilično velikog napona u malom kućištu sata i iz male baterije. To je postignuto 1:100 transformatorom.
Prednost ovog načina osvetljavanja brojčanika je u ravnomernoj svetlosti i velikoj čitljivosti, međutim ovo crpe bateriju, neophodno je pritisnuti dugme da bi se vreme očitalo (mad ani ovo nij eneophodno na svim modelima) i snažno svetlo u potpunom mraku može odati prisustvo i narušiti noćni vid (oko se pre toga već prilagodilo na mrak te nakon izlaganja prilično jakom svetlu iluminatora zahteva određeni period ponovnog privikavanja.) Naravno ovo su veoma retki slučajevi i pomenuto realno može predstavljati problem samo vojnicima i možda lovcima.Svaki od metoda trenutno u širokoj upotrebi ima određene prednosti i mane, za sada još nema idelano iluminiranog sata (mada se po našem skromnom mišljenju Never Dark™ približio tome na vrlo jednostavan i elegantan način). Polemike oko toga da li je bolji LumiBrite ili SuperLuminova će svakako nastaviti da se vode širom interneta. U zaključku bismo ponovili da je po svoj prilici formula oba ova najpoznatija pigmenta ista, te da razlike nastaju usled načina aplikacije, posebno od količine iluminacione boje.

*ISO 3157:1991 definiše kodove boja luminacije na dnevnom svetlu:
C1 – Bela
C3 – Žuta
C5 – Zeleno-žuta
C7 – Zelena
C9 – Plavo-zelena

IZVORI:
In the Dark | iW International Watch Magazine
LUMINOSITY IN WATCHES
mb-microtec
NEMOTO & CO., LTD.
RC TRITEC Ltd. : Home
HowStuffWorks "How does an Indiglo watch work?"
Wikipedia, the free encyclopedia
SuperLuminova vs Tritium
Superluminova vs Tritium -- by Ron Engels