Новый подход к светодиодной подсветке рекламы

Современные технологии производства гибкой электроники и интеграция в пресс-форме (in-mould integration - IMI) могут реализовывать все функции, которые требуются для самых современных дисплеев и рекламных панелей, но к новым подходам и технологиям производства необходима адаптация. В статье представлено два разных решения для подсветки рекламных панелей, основанные на усовершенствованной технологии IMI. В процессе IMI гибкая электроника покрывается слоем пластмассы, что создает дополнительные преимущества. При этом пластмасса формуется с помощью термопластического литья под давлением, а гибкая электроника выступает в качестве закладной детали. Измерения, выполненные на различных опытных образцах, показывают преимущества как в оптических, так и в тепловых характеристиках, а рулонный процесс изготовления при выпуске опытных образцов RGB-подсветки для рекламных панелей демонстрирует высокий выход годной продукции. Оценка пользователями, проведенная в рамках публичной экспериментальной демонстрации, говорит о том, что рекламная панель изогнутой формы с RGB-подсветкой получила значительно большее внимание и оказалась гораздо эффективнее как для коммуникаций, так и для метакоммуникаций, нежели использованный для сравнения стандартный дисплей с идентичным дизайном рекламы.

Функциональность устройства печатной электроники можно развить, установив дискретные компоненты, такие как светодиоды, на гибкую пленку, что позволяет создавать более сложные гибридные интегрированные структуры. Такие структуры представляют собой большие по площади тонкие и легкие ленты, которые можно разрезать и сгибать, придавая им желаемую форму. Это привлекательная возможность, например, для подсветки рекламных панелей на транспорте. Гибридные системы, построенные с использованием гибкой пленки, совместимы с формованием термопластика под давлением, что позволяет полностью герметизировать пленку и одновременно изготавливать дополнительные элементы, в частности оптические и механические, обеспечивая низкую стоимость. В проекте Optlntegral (рис. 1) эта технология применялась для производства светодиодных дисплеев большой площади. Дополнительным преимуществом такого подхода является повышение характеристик дисплеев: увеличение эффективности, снижение температуры, а кроме того - улучшение внешнего вида.

Рис. 1 В проекте Optlntegral разработана гибкая, тонкая и прозрачная световая панель, представляющая собой результат интеграции гибкой светодиодной пленки с термопластиком, поверхность которого имеет специальный оптический рельеф

Для распределения света, излучаемого светодиодами, по поверхности рекламных панелей большой площади были разработаны специальные световоды. Применяя такой подход, можно получать равномерное освещение рекламных панелей, используя при этом небольшое количество светодиодов и относительно тонкие конструкции, что положительно сказывается на себестоимости продукции. Благодаря IMI оптические элементы создаются за один этап производственного процесса, когда гибкая пленка с компонентами размещается в полости пресс-формы, которая, в свою очередь, заполняется под давлением разогретым термопластичным материалом. После заполнения термопластик охлаждается и затвердевает, затем готовое изделие извлекается из полости. В рамках проекта светодиодная подсветка была выполнена с применением гибкой электроники, залитой пластмассой, выполняющей функцию световода. Оптические структуры, предназначенные для перенаправления света от светодиодов в световод, а затем из световода на переднюю поверхность, были созданы с помощью всего одной пресс-формы. 

Оптические элементы, встроенные в панель, направляют свет вдоль ее поверхности, заставляя свет перемещаться внутри световода на достаточно большое расстояние от источника света. Однако из-за увеличения оптического пути возрастает поглощение света. Для оценки поглощения были проведены измерения полного потока излучения в геометрии 4π двух вариантов панелей - с оптическими элементами и с гладкой поверхностью. Измерение при номинальном токе питания (20 мА на светодиод) показало, что потери из-за поглощения света составляют 4%. Угловое распределение силы света, испускаемого панелью, изучалось с помощью гониометра. Измерения подтверждают, что при наличии интегрированных оптических элементов на передней поверхности свет в большей степени распределяется по направлению, заданному этими световодными структурами, в то время как в панели без таких элементов значительная часть света выходит из панели через заднюю поверхность. Благодаря увеличению светового потока с передней и боковой поверхностей прирост эффективности при использовании разработанных оптических элементов составил 17%.

Теплоотвод является ключевым фактором, определяющим характеристики и надежность светодиодных решений. Гибкая тонкая пленка изготовлена из полимера и, следовательно, плохо проводит тепло. Кроме того, наружный оптический материал также обычно является пластиком. Металлические проводники, напечатанные на пленке, улучшают тепловые характеристики, но часто их объем сводится к минимуму ради снижения потребления материалов и затрат и обеспечения максимального светопропускания. Это противоречит задачам по отведению тепла. В данной работе температура светодиодов изучалась с помощью T3Ster в различных вариантах: как в виде готовой панели, залитой пластиком, так и непосредственно в виде пленки, при двух разных токах. T3Ster регистрирует зависимость температуры полупроводникового перехода светодиода от времени и рассчитывает кумулятивную структурную функцию, которая показывает тепловой путь от источника тепла к окружающей среде (в данном случае это воздух с температурой +22 °С). Одни и те же образцы светодиодной пленки измерялись одинаковым образом до и после процесса IMI. Каждый образец состоял из семи светодиодов, соединенных последовательно, которые при измерении воспринимались как один источник тепла. Средние значения результатов измерений показаны в таблице 1. В среднем интеграция уменьшила температуру светодиодов на 20%. В случае с голой пленкой большая часть тепла отводится за счет тепловой конвекции и теплового излучения, при этом конвекция существенно ограничена из-за малой площади контакта между светодиодом и пленкой и низкой теплопроводности пленки. Полимерный материал отливки за счет своей большей по сравнению с воздухом теплопроводности позволил увеличить долю тепла, отводимого конвекцией через пластмассу.

Во время реализации проекта Optlntegral был обнаружен повышенный интерес к недорогим динамическим дисплеям, а для них требовалось разработать динамическую RGB-подсветку с большим шагом между светодиодами и применением полностью рулонного (Roll-to-Roll - R2R) способа производства. Основой решения служит гибкая пленка, имеющая непрерывную топологию, на которой установлены RGB-светодиоды. Формовка полимера в процессе IMI выполняется пошагово, что позволяет светодиодной пленке оставаться гибкой и способной к сворачиванию в рулон после интеграции. Таким образом, с помощью одного и того же решения можно реализовать различные варианты подсветки, просто вырезав нужный размер осветительного элемента и изогнув его. Часто пленку вставляют в форму в виде отдельного листа, как это было сделано при изготовлении опытных образцов, описанных выше. Однако при использовании рулонной обработки на всех этапах производства, от печати топологии до монтажа электроники, процессы резания листа на отдельные части исключаются, что увеличивает пропускную способность производственных процессов и экономическую эффективность. У способа R2R есть такое преимущество, как упрощение метода позиционирования пленки в пресс-форме, что легко позволяет полностью автоматизировать процесс и снизить расходы на упаковку, хранение и транспортировку. С помощью разработанной концепции RGB-дисплея был изготовлен изогнутый демонстрационный образец большой площади. При пробном R2R-производстве была выполнена 20-метровая RGB светодиодная пленка, имеющая 175 светодиодов на 1 м. Выход годной продукции превысил 99%. С использованием светодиодной RGB- пленки была собрана большая круглая рекламная панель. На противоположных сторонах цилиндра параметры дисплея идентичны. Диаметр цилиндра составлял 183 см, высота 57 см, толщина 3 см. Круглая форма была выбрана, чтобы подчеркнуть гибкость разработанной светодиодной подсветки и продемонстрировать небольшую толщину, достигаемую благодаря интеграции оптических элементов в процессе литья под давлением. Для плавного изменения цвета подсветки от холодного до теплого белого и красноватых оттенков использовалась плата микроконтроллера Arduino MEGA. Кроме того, в некоторых областях применялись локальные цветовые эффекты, позволившие выделить разными цветами эмблемы и «нарисовать» красным цветом шины гоночного автомобиля. Измеренная общая потребляемая мощность RGB- подсветки составила 85-121 Вт, в зависимости от используемых динамических характеристик.

Для исследования влияния IMI были проведены комбинированные измерения энергопотребления и оптических характеристик с использованием интегрирующей сферы. В этих измерениях сравнивались два типа одной и той же светодиодной пленки, то есть конфигурация светодиодов и их параметры в обоих случаях были идентичными. Первый тип формовки (называемый частичной формовкой) имел слабо рассеивающий рельеф над светодиодами и токопроводящими дорожками, в то время как другие части пленки оставались не покрытыми пластиком. При втором типе формовки (называемом полной формовкой) тонким прозрачным пластиком покрывалась вся поверхность пленки. Дополнительно на верхней части светодиода формировалась линза простой формы. Пленка без формовки использовалась как образец для сравнения.

Фотометрические измерения проводились в геометрии 2π, образцы размещались на боковом входе интегрирующей сферы. Каждый RGB-канал измерялся отдельно, а результирующее значение в среднем получалось из десяти повторных измерений. Используемый метод измерений регистрирует свет, выходящий с передней (первичной) поверхности. Свет, выходящий с задней поверхности и боковых сторон, игнорируется. Одновременно с измерением света с помощью мультиметра регистрировались ток и напряжение. Значение тока было установлено на половину от максимального тока светодиодов. Результаты, приведенные в таблице 2, показывают, что образец с частичной формовкой имеет более высокую эффективность, чем голая пленка, это несмотря на то, что в слабо рассеивающем оптическом элементе, закрывающем светодиоды, должно происходить некоторое поглощение света. Улучшение составило 2-4% в зависимости от цвета, предполагается, что оно вызвано улучшенными тепловыми характеристиками, обусловленными пластиком. При рассмотрении полностью формованного образца результат противоположный, снижение эффективности достигло 10-20% по сравнению с голой пленкой.

Таблица 2. Результаты измерений оптических и электрических характеристик элементов светодиодной RGB-подсветки. Одновременно измеряется 12 светодиодов. Регистрируется только свет, выходящий с передней (первичной) поверхности

Полностью формованный образец должен обладать таким же преимуществом по отведению тепла, как и частично формованный. Таким образом, снижение характеристик связано с изменением оптической структуры. Формованный полимер, покрывающий всю переднюю поверхность, может действовать как световод, направляющий свет вбок и дальше от измерительных датчиков, обнаруживающих свет, выходящий только с передней поверхности.

Оценка разработанной круглой рекламной панели большой площади с RGB - светодиодами проведена с помощью публичной установки и исследования мнений пользователей с участием 30 испытуемых в спортивно-тренировочном лагере Университета Бата. В тестировании применялась современная встроенная в очки камера для съемки движения глаз, которая позволяет измерять фактическое внимание, уделяемое рекламе. Анализ также включал оценку характеристик дисплея как в коммуникации, так и в метакоммуникации. По методике оценки студентам было предложено свободно ходить по предписанному маршруту, на котором были установлены разработанный круглый RGB-дисплей и дисплей-конкурент - стандартный двухсторонний плоский прямоугольный дисплей с подсветкой. Дизайн рекламы на обоих дисплеях был идентичным. Оба дисплея были подвешены чуть выше уровня головы в коридоре шириной 4 м, ведущем в кафе Sports Training Village, с большим трафиком. Испытуемые были оснащены легкими переносными встроенными в очки камерами для съемки движения глаз, при этом они не получали никаких инструкций, кроме как идти по предписанному маршруту, как они делают это обычно. Время наблюдения, затрачиваемое на каждый дисплей, позволило оценить направление внимания, а скорость движения глаз (фиксации в секунду) указывала на уровень внимания, привлекаемого каждым дисплеем. После того как участники прошли мимо дисплеев, им была предложена короткая анкета с вопросами, касающимися коммуникации и метакоммуникации по одному из двух дисплеев. В анкете также спрашивалось, сколько внимания смогла получить реклама. Чтобы избежать влияния расположения, направление маршрута для половины испытуемых было обратным, так что порядок встречи с двумя дисплеями (Optlntegral и конкурент) был разным.

В статье рассказано о производстве и характеристиках инновационной подсветки для рекламных панелей. Производство основано на процессе интеграции изделия, в которой гибкая электроника заливалась пластмассой методом формования, что наделяло изделие дополнительными функциями. Опробованный полноценный процесс рулонного производства продемонстрировал хороший выход годной продукции при изготовлении светодиодной RGB-подсветки. Измерения, проведенные на опытных образцах, выполненных с помощью такого процесса, показывают преимущества в оптических и тепловых характеристиках. Оценка пользователей, проведенная с публичной тестовой установкой, показала, что изогнутая рекламная панель с RGB-подсветкой получила значительно больше внимания и была значительно более эффективной как для коммуникаций, так и для метакоммуникаций, чем стандартный дисплей.