ما هي أحدث الابتكارات في المواد المستخدمة في تصنيع مصابيح الإضاءة المنخفضة؟

المواد أشباه الموصلات المتقدمة للمنارات الصمامية عالية الكفاءة

التحول من أنظمة الهالوجين إلى أنظمة الصمام الثنائي الباعث للضوء متعددة الشرائح في تطبيقات الإضاءة المنخفضة

يتجه قطاع إضاءة السيارات حاليًا بشكل كبير نحو استخدام وحدات مكونة من رقائق LED متعددة، ويرجع ذلك أساسًا إلى التحسينات في تقنيات مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC). وفقًا لتقرير من مجال أشباه الموصلات عام 2024، فإن مصابيح LED التي تُصنع بتقنية نيتريد الغاليوم تكون أكثر سطوعًا بنسبة 70 بالمئة تقريبًا مقارنة بمصابيح الهالوجين التقليدية، مع استهلاكها لطاقة أقل بنسبة 40 بالمئة. ما يجعل هذا الأداء فعالًا جدًا هو الطريقة التي يُجمع بها المصنّعون للرقاقات الصغيرة من LED مع بعضها البعض بشكل وثيق جدًا. يتيح هذا الترتيب المحكم إنشاء أشكال شعاع دقيقة للمصابيح الأمامية، ما يعني أن السيارات يمكنها التبديل تلقائيًا بين المصابيح العالية والمنخفضة دون الحاجة إلى أجزاء كبيرة وثقيلة داخل وحدة المصباح الأمامي.

العلم المادي وراء تحسين السطوع والكفاءة الطاقية

تتمتع أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة مثل نيتريد الغاليوم (GaN) بقدرة أفضل كثيرًا على حركة الإلكترونات مقارنةً بالمواد التقليدية. يمكن لـ GaN أن يصل إلى حوالي 2,000 سم²/فولت·ثانية، في حين لا تتجاوز السيليكون نحو 1,500 سم²/فولت·ثانية. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه المواد تتحمل الحرارة بشكل جيد جدًا، مما يجعلها مميزة عن غيرها. تعني الخصائص المحسّنة أنها يمكن أن تحمل تيارًا أكبر دون فقدان خصائص أدائها، وهي نقطة بالغة الأهمية عندما نتحدث عن الحفاظ على سطوع الإضاءة حتى بعد عشرات الآلاف من ساعات التشغيل. وقد دفع التقدم الأخير في طرق تنمية هذه البلورات بجودتها إلى مستويات جديدة أيضًا. ويحصل المصنعون الآن على هياكل بلورية تقترب معدلات كمالها من 98٪ وفقًا للبحث الذي نشره وو وزملاؤه عام 2017. وقد ترجم ذلك إلى تحسن يقارب 15٪ في الاتساق عبر مخرجات الضوء، وهو أمر مهم جدًا في التطبيقات التي تتطلب إضاءة موحدة.

ابتكارات في مصابيح UAFS وLED ذات 5 رقائق لإضاءة منخفضة أكثر إشراقًا وصغرًا

تتجه الشركات المصنعة الرائدة في مجال إضاءة السيارات نحو تصاميم نظام الإضاءة الأمامية التكيفية الموحّد (UAFS) التي تدمج خمس رقاقات LED منفصلة في مساحة لا تتجاوز 4.2 مليمتر مربع. ما الذي يجعل هذا التصميم مميزاً؟ يمكن للنظام تشكيل أشعة الضوء ديناميكياً عبر 1,024 مقطعاً فردياً، وفي الوقت نفسه يقلل من توليد الحرارة بنسبة تقارب 30 بالمئة مقارنة بالإصدارات القديمة ذات الثلاث رقاقات. تشير الاختبارات الصناعية إلى أن هذه الأنظمة الجديدة تحقق كفاءة ممتازة تبلغ 160 لومن لكل واط، أي ما يعادل زيادة في السطوع تقدر بنحو 20 بالمئة مقارنة بالوحدات التقليدية، وكل ذلك دون استهلاك مساحة إضافية تحت غطاء المحرك.

تحسين ركائز أشباه الموصلات لتحسين إخراج الضوء وزيادة العمر الافتراضي

أصبحت الخصائص الحرارية لمواد القواعد أكثر أهمية في الآونة الأخيرة، خاصةً أن مركبات نيتريد الألومنيوم (AlN) المحسّنة بالجرافين تُحدث فرقًا كبيرًا في هذا المجال. مقارنة بالألومينا العادية، يمكن لهذه المواد المتقدمة التخلص من الحرارة أسرع بنسبة تصل إلى 65 بالمئة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على انعكاسها الضوئي عند حوالي 99.8%. ما يجعلها أفضل هو تطبيق طلاءات الفوسفور الخاصة التي تُرسب بطبقة ذرية فوقها. ينجح هذا التركيب في الحفاظ على درجة حرارة لونية تبلغ 6000 كلفن دون تغير كبير في اللون بمرور الوقت، حيث يظل ضمن انحراف لا يتجاوز 2%. وهذا يعني أن أنظمة الإضاءة التي تستخدم هذه المواد ستستمر في إنتاج ضوء عالي الجودة بشكل ثابت طوال عمر المنبعث، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب لأي شخص يعمل بتقنية الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

عدسات البولي كربونات من الجيل التالي: الوضوح، المتانة، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية

تحتاج المواد المستخدمة في مصابيح الضوء المنخفض الحديثة إلى تحقيق توازن بين الشفافية البصرية والمتانة الطويلة الأمد. ففي الوقت الحالي، تقوم عدسات البولي كربونات بنقل حوالي 89 إلى 90 بالمئة من الضوء المرئي، وهي نسبة تكاد تكون مماثلة لتلك الخاصة بعدسات الزجاج التقليدية. ولكن ما يميزها حقًا هو قدرتها على تحمل التصادمات بأكثر من 250 مرة مقارنةً بالزجاج. ويمثل هذا تقدمًا كبيرًا لأنه يعالج مشكلتين جديتين كانتا تؤرقان التصاميم السابقة. إذ يميل الزجاج إلى التشقق أو الكسر عند اصطدامه بحجارة صغيرة تنطلق من الطريق، في حين كانت العديد من البدائل البلاستيكية تتغير إلى اللون الأصفر بعد بضعة أشهر فقط من التعرض للشمس، مما يجعل المصابيح تبدو متسخة ويقلل من وضوح الرؤية.

الطلاءات المقاومة للخدوش والمعالجات السطحية من أجل الوضوح البصري

تُعد الأسطح العادية المصنوعة من البولي كربونات عرضة للخدوش بسهولة نسبيًا، ولهذا السبب بدأ المصنعون باستخدام طلاءات هجينة خاصة تدمج السيليكون مع جزيئات سيراميكية صغيرة. تُظهر الاختبارات أن هذه الطلاءات تقلل من الخدوش الناتجة عن الحصى بنسبة تقارب ثلاثة أرباع، مما يُحدث فرقًا كبيرًا في التطبيقات الخارجية. تتضمن عملية التطبيق وضع طبقة أولية أولاً لتحسين التماسك، ثم تطبيق تلك الطلاءات الرفيعة جدًا التي تُعالج بالأشعة فوق البنفسجية، والتي تتراوح سماكتها بين 2 و5 ميكرونات. ما يميز هذا الأسلوب هو أنه يحافظ على شكل المادة شفافًا ونظيفًا لسنوات عديدة دون أن تظهر عليها تلك الطبقة الضبابية المزعجة التي لا يحبها أحد. وتظل معظم المنتجات المعالجة بهذه الطريقة في حالة جيدة لمدة لا تقل عن 15 عامًا، حتى عند تعرضها لظروف جوية قاسية أو ارتداء مستمر.

بوليمرات مثبتة ضد الأشعة فوق البنفسجية لتمديد العمر الافتراضي في البيئات القاسية

يُعدّ البولي كربونات المتروك بدون حماية عرضةً لفقدان حوالي 40٪ من مقاومته للصدمات خلال عامين فقط عند التعرض لأشعة الشمس. والخبر الجيد هو أن المصانع تضيف الآن ممتصات خاصة للأشعة فوق البنفسجية مثل مركبات البنزوترايازول مباشرة داخل المادة نفسها أثناء عملية الإنتاج. هذه الطريقة تطيل العمر الافتراضي للمنتج قبل أن يبدأ في التدهور، وغالبًا ما يصل إلى نحو 15 عامًا كاملة حتى في الظروف الصحراوية القاسية التي يتعرض فيها للشمس باستمرار. وقد أكدت الاختبارات المعملية أيضًا فعالية هذه الطريقة. بعد قضاء 10 آلاف ساعة تحت ظروف خارجية مُحاكاة، لا تزال هذه المواد المحسّنة تحافظ على أكثر من 95٪ من قدرتها الأولية على نقل الضوء دون أن تصبح ضبابية أو تتغير لونها إلى الأصفر.

البولي كربونات مقابل الزجاج: المقايضات في الأداء ضمن تصميم المصابيح الأمامية الحديثة

يعتمد اختيار المادة على أولويات التصميم:

• الزجاج يوفر مقاومة أعلى طبيعية للخدوش (مقياس موهس 6 مقابل 3 للبولي كربونات) ويحجب 99٪ من أشعة فوق البنفسجية دون الحاجة إلى إضافات
• البوليكربونات يقلل الوزن بنسبة 50٪ ويتحمل تأثيرات الحطام بسرعة 25 ميل في الساعة – ظروف تتسبب عادةً في تكسر الزجاج – مما يجعله مثاليًا للسيارات الرياضية متعددة الأغراض والمركبات الوعرة

تُفضّل شركات صناعة السيارات البولي كربونات بشكل متزايد لأنظمة الإضاءة التكيفية، حيث إنها كثافته 1.20 جم/سم³ تدعم أشكالاً معقدة وانسيابية لا يمكن تحقيقها باستخدام الزجاج الأثقل وزنًا

اختراقات في إدارة الحرارة باستخدام مواد متقدمة موصلة للحرارة

التحديات الحرارية في أنظمة المصابيح الأمامية من نوع LED عالية القوة

تواجه أنظمة المصابيح الأمامية من نوع LED عالية القوة تحديات حرارية كبيرة، مع كثافة طاقة تتجاوز 100 واط/سم². ويمكن أن تؤدي درجات حرارة الوصلة التي تزيد عن 150°م إلى تدهور إخراج الضوء بنسبة 20٪ خلال 2000 ساعة، مما يتطلب موادًا تُبدد الحرارة بكفاءة أعلى من مشتتات الحرارة التقليدية المصنوعة من الألومنيوم

نيتريد الألومنيوم ومكونات الجرافين في مشتتات الحرارة عالية الأداء

تدمج الأساليب الهندسية الحديثة سيراميك نيتريد الألومنيوم، التي تتراوح توصيلياتها الحرارية بين حوالي 180 و220 واط/متر كلفن، مع بوليمرات خاصة تحتوي على جسيمات الجرافين. والنتيجة؟ مبردات حرارية أخف وزناً وأكثر كفاءة من المبردات التقليدية. تُظهر الاختبارات أن هذه التركيبات الجديدة تقلل من مقاومة انتقال الحرارة بنسبة تقارب 60٪ مقارنةً بالبدائل النحاسية القياسية، فضلاً عن أنها أخف وزناً بنسبة 35٪ تقريباً وفقاً لتقييمات حديثة لأداء تقنيات السائقين. ما يجعل هذا التكوين مميزاً حقاً هو مدى توافق المواد في التمدد تحت الإجهاد الحراري. وبما أن معاملات التمدد الحراري متطابقة إلى حد كبير، فلا توجد أي مخاطرة بانفصال الطبقات حتى عندما تصل المكونات إلى درجات حرارة مرتفعة تبلغ 200 درجة مئوية أثناء التشغيل.

تكامل التبريد بالقنوات الدقيقة لتبديد الحرارة بكفاءة

تتيح المصفوفات ذات القنوات الدقيقة بعرض قنوات أقل من 0.3 مم التبريد المستهدف لتجمعات مصابيح LED متعددة. وباستغلال التطورات في مجال الأنظمة الدقيقة للسوائل، تحقق هذه الأنظمة تبديدًا لتدفق الحرارة بمعدل 3.8 واط/سم²، أي تحسنًا بنسبة 72٪ مقارنةً بالتصاميم المعتمدة على الزعانف، وذلك من خلال تعزيز التدفق الطبقي الذي يحافظ على تباين درجة الحرارة دون 5°م عبر سطح المنبعث.

الإسكان المغلق مقابل الإسكان المهوّى: تأثيره على الأداء الحراري والموثوقية

رغم أن وحدات الإسكان المهوّاة توفر تبديد حرارة أولي أفضل بنسبة 18٪، فإن الوحدات المغلقة التي تستخدم مواد واجهة حرارية تتغير طوريًا تسود التطبيقات الراقية. وتُظهر الاختبارات المُسرّعة أن التصاميم المغلقة تحتفظ بنسبة 92٪ من أدائها الحراري بعد 8000 ساعة، مقارنةً بـ 68٪ للنماذج المهواة، مما يجعلها ضرورية لتحقيق اتساق السطوع على المدى الطويل في البيئات القاسية.

تحسّن هذه الابتكارات في المواد من القيود الحرارية في أنظمة الضوء المنخفض بشكل فعّال، مما يمكّن من إضاءة أكثر إشراقًا وكفاءة ضمن عوامل شكل مدمجة.

المواد الذكية التي تمكّن تقنيات الشعاع التكيفية والمصفوفية

مصفوفات ميكرو-LED للتحكم الديناميكي في الضوء على مستوى البكسل

يستخدم الجيل الأحدث من إضاءة المصابيح الأمامية المنخفضة مصفوفات من مصابيح LED الصغيرة المركبة بإحكام لدرجة أن هناك أكثر من 10,000 عنصر منفصل في بوصة مربعة واحدة فقط. ويتيح ذلك تحكماً أفضل بكثير في انتشار الضوء دون التسبب في وهج مزعج للسائقين الآخرين. وتبني هذه الأنظمة باستخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات نيتريد الغاليوم، ما يجعلها فعّالة بشكل كبير في تحويل الكهرباء إلى ضوء. ووفقاً لأبحاث حديثة نُشرت من قبل SPIE Optronics في عام 2023، فإن كفاءتها تصل إلى حوالي 160 لومن لكل واط، أي ما يقارب 40 بالمئة أفضل من الكفاءة التي نراها مع مصابيح LED العادية اليوم. ولضمان التشغيل السلس حتى في درجات الحرارة المرتفعة جداً أو المنخفضة جداً، بدأ المصنعون بوضع مواد خاصة للتحكم في التيار بين كل بكسل. وهذا يمنع انتقال الحرارة بين مصابيح LED المجاورة ويحافظ على مستويات سطوع ثابتة طوال مدى درجة الحرارة من ناقص 40 درجة مئوية وحتى 125 درجة مئوية.

الستائر البلورية السائلة والمواد الذكية في البصريات التكيفية

بفضل طبقات المحاذاة المحسّنة، يمكن للستائر البوليمرية البلورية السائلة (LCP) الآن أن تستجيب خلال نصف ميلي ثانية، مما يجعل تشكيل الحزمة الضوئية في الزمن الحقيقي ممكنًا لتلك المصابيح المصفوفية المتطورة التي نراها حاليًا. وجدت دراسة حديثة من عالم البصريات السياراتية عام 2023 أن هذه المواد الذكية قلّلت مشكلة الوهج بنسبة حوالي 72 بالمئة بالمقارنة مع الأنظمة الميكانيكية التقليدية للتظليل. كما أصبحت الإصدارات الأحدث أكثر ذكاءً أيضًا، حيث يضيف المصممون مستشعرات كهروضغطية مباشرةً إلى المكونات البصرية بحيث يمكنها تعديل مستويات السطوع تلقائيًا وفقًا لكمية المطر الساقط في الخارج.

أغلفة مركبة خفيفة الوزن لأنظمة المصابيح المتكاملة مع أجهزة استشعار

الخليط الخاص من الألومنيوم-الليثيوم المستخدم في التطبيقات الجوية يتمتع بموصلية حرارية تبلغ حوالي 0.62 واط/متر كلفن ويمكنه تحمل ما يصل إلى 650 ميجا باسكال من الشد، مما يجعل هذه المواد خيارات ممتازة عند بناء وحدات الإسكان لأنظمة LiDAR ووحدات الكاميرا. مقارنةً بطرق الصب العادية للألومنيوم، فإن هذا المادّة المركبة تقلل الوزن بنسبة تقارب 23%، وهي نقطة مهمة جدًا عند محاولة تعظيم مدى القيادة للمركبات الكهربائية. ولحماية المكونات الإلكترونية الحساسة داخل هذه الأجهزة، يستخدم المصنعون طلاءات ترسيب بخار متعددة الطبقات. توفر هذه الطلاءات حماية ضد الأوساخ والغبار مع السماح بنفاذ حوالي 92% من الضوء المرئي، مما يضمن استمرار عمل أجهزة الاستشعار بدقة حتى بعد فترات طويلة من التشغيل.

الأسئلة الشائعة

ما الفوائد الناتجة عن استخدام نيتريد الغاليوم (GaN) والكربون السيليسي (SiC) في أنظمة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)؟

يوفر نيتريد الغاليوم (GaN) والكربون السيليسي (SiC) سطوعًا أعلى، وتحسّن في حركة الإلكترونات، وقدرة أفضل على التعامل مع الحرارة، مما ينعكس في تقليل استهلاك الطاقة وزيادة عمر أنظمة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED).

لماذا تُفضَّل عدسات البولي كربونيت على الزجاج في المصابيح الأمامية الحديثة؟

توفر عدسات البولي كربونيت مقاومة للتأثير، واستقرارًا ضد الأشعة فوق البنفسجية، وتخفيضًا في الوزن مقارنةً بالزجاج، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحديثة في صناعة السيارات.

كيف تحسّن المواد المتقدمة إدارة الحرارة في أنظمة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)؟

تقدم المواد المتقدمة مثل نيتريد الألومنيوم ومكونات الجرافين تبديد حرارة أفضل، وتقلل من المقاومة الحرارية، وتحافظ على إخراج ضوئي ثابت في أنظمة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء عالية القدرة.