ТЕРМОЭКРАН

Область техники
Заявляемая полезная модель предназначена для воспроизведения монохромных или цветных изображений, имеющихся в цифровых форматах, и может быть использовано в электронной технике, например, в системах отображения информации или электронных дисплеях. Также заявляемая полезная модель может быть использована при создании декоративных покрытий, декорировании внутренних и наружных стен строений (в том числе, в качестве обоев), которые могут изменять цвет, формировать рисунки, нести текстовую информацию. Кроме того, областью применения заявляемого устройства может быть также рекламная индустрия, где подобные гибкие поверхности являются средством размещения рекламного контента.
Уровень техники
Из уровня техники известно значительное количество источников информации, раскрывающих конструкции экранов для демонстрации изображения. Так, например, из патента РФ №2316799 известен термокомпенсируемый жидкокристаллический экран, содержащий блок управления, систему контроля температуры, систему подогрева, включающую рамку, обрамляющую жидкокристаллическую ячейку и находящуюся с ней в тепловом контакте. По меньшей мере, вдоль одной стороны расположены нагревательные элементы, раздельно питающиеся от блока управления.
Известное решение является довольно сложным в изготовлении, поскольку система подогрева каждой ячейки производится индивидуально, и, кроме того, характеризуется отсутствием гибкости экрана. При этом нагревательные элементы, используемые в данном решении, не используются при формировании изображения и предназначены исключительно для выполнения функции термокомпенсации жидкокристаллической матрицы экрана.
Сходное решение раскрыто в патенте на изобретение RU 2571189, где система локального нагрева экрана, в частности, нагрева отдельных жидкокристаллических элементов (пикселов) экрана выполнена из светоизлучающих диодов, излучение которых падает под углом на лицевую поверхность жидкокристаллической ячейки. Светоизлучающие диоды находятся в тепловом контакте с обрамляющей рамкой.
Основное преимущество данного устройства заключается в повышении работоспособности ЖК экранов в условиях низких температур, однако при использовании в стандартных условиях, нагревательные элементы являются неиспользуемыми и только увеличивают габариты устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является решение гибкого экрана, выполненного из блока светодиодов, закрепленных на подложке (https://ru.made-in-china.com/cohttps://ru.made-in-china.com/co_jian2013/product_Ws2812b-16-16-5V-256-Pixel-Digital-Displav_eynniveey.html). Устройство состоит из мягкой пластины, на которой закреплена матрица для формирования изображения (матрица пикселей), выполненная из независимых, расположенных с зазором между собой, светодиодов, которые соединены с внешним контроллером и обеспечивают возможность отображения цифровой анимации, видеоконтента.
Из-за яркости световых элементов известное решение может быть использовано преимущественно для подсветки, освещения, разовых фестивальных украшений. Кроме того, размеры пикселей в 2,5 мм и расстояние между ними в 10 мм не могут обеспечить формирование четкого изображения, а использование в качестве пикселей светодиодов ограничивает формируемую цветовую гамму изображения. Наконец, использование светодиодов существенно ограничивает области применения такого экрана.
Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключается в создании устройства, способного воссоздавать меняющееся изображение за счет использования свойства термочувствительных красок к изменению цвета при изменении температуры поверхности.
Краткое раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности создания изображений на поверхности экрана, выполненного из нагревательных элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в термоэкране для воспроизведения изображения, содержащем гибкую подложку, на поверхности которой. сформирована матрица пикселей, каждый из которых подключен к блоку управления, выполненному с возможностью подачи тока от источника питания на каждый пиксель, согласно техническому решению, пиксели представляют собой термоэлементы, размещенные с зазором между собой, при этом внешняя поверхность каждого термоэлемента снабжена слоем термочувствительной обратимой краски, а в каждом термоэлементе установлены термодатчики, соединенные с блоком управления термоэкраном. Толщина подложки составляет от 1 до 150 мм, при этом в качестве подложки может быть использован гибкий пластик или резина. В качестве термоэлементов используют нагревательно-охлаждающие элементы Пельтье или металлические пластины. Слой термочувствительной краски может представлять собой пленку или ткань, обработанную термочувствительной краской, размещенную с обеспечением теплового контакта с внешней поверхностью термоэлементов. Каждый термоэлемент имеет габаритные размеры от 0,1 мм до 1 м. Термоэлементы размещены ровными рядами с образованием структуры экрана, при этом зазор между соседними элементами составляет не более 1/2 ширины термоэлемента. Блок управления может быть соединен с каждым термоэлементом в отдельности с возможностью индивидуального управления подачей тока на каждый термоэлемент или может быть соединен с рядами термоэлементов с возможностью индивидуального управления подачей тока последовательно на каждый ряд термоэлементов. В качестве термочувствительной краски используют монохромную или цветную обратимую краску. В зазорах между термоэлементами может быть размещен теплоизоляционный материал, в качестве которого используют смолу или силикон.
Термо-, теплочувствительная краска (термокраска, обратимая/необратимая термокраска, термохромная краска) - это современный материал, при помощи которого создаются необычные покрытия, способные менять цвет под воздействием разных температур. Благодаря такому эффекту составы, обладающие термочувствительностью, нашли широкое применение в разных отраслях, начиная с производства сувенирной продукции и заканчивая покраской автомобилей.
Термочувствительные краски, то есть краски, предназначенные для покрытия тех или иных систем, обратимо изменяющие цвет в зависимости от нагрева (например, тетраиодомеркурат(II) меди(I), тетраиодомеркурат(II) серебра(I)), активно используются в технике, индустрии моды. Часто их называют также: обратимые пигменты (http://chemister.ru/Database/words-description.php?dbid=1 &id=147) или термохромные возвратные составы (https://kraskaton.ru/strovka-remont/vidv/termohromnava-kraska/).
Однако все они характеризуются тем, что изменение цвета зависит от внешних факторов - температуры поверхности, на которую нанесены краски, температуры внешней среды, то есть, ни изменение цвета, ни само проявляющееся при изменении температуры изображение не управляется пользователем. Заявляемая полезная модель обеспечивает возможность влияния на проявляющееся изображение посредством регулируемого нагрева поверхности, на которую нанесен слой, термокраски.
Как правило, в технике изменение цвета термокрасок сигнализирует о достижении поверхностями тех или иных температур. Термочувствительные краски используются для визуального определения нагрева поверхности, а также для температурных исследований. (http://docplayer.ru/27959224-Himiya-i-himiki-5-2008-termoindikatorv-i-ih-primenenie-abramovich-b-g.html).
Принцип раздельной подачи тока через блок управления на многочисленные элементы экрана (аналогично управлению матрицы с пикселями жидкокристаллического экрана), приводит к выборочному нагреву элементов до температуры, необходимой для изменения цвета термокраски, которой покрыты эти элементы, либо к изменению цвета соответствующих участков термопленки (термоткани), что обеспечивает формирование на экране изображения.
При использовании в качестве термоэлементов нагревательно-охлаждающих элементов (например, элементов Пельтье) достижение необходимой температуры происходит значительно быстрее, что, соответственно, обеспечивает более быструю смену изображений на экране.
Использование в совокупности с термоэлементами термодатчиков (например, термопар) дает возможность менять не только контуры изображения (в случае монохромного экрана), но и его цвет в градации нагрева, при применении термокрасок, изменяющих цвет в зависимости от той или иной температуры, например, при повышении температуры краска принимает последовательно цвета голубой - синий - фиолетовый - красный - оранжевый - желтый.
Заявляемое устройство характеризуется также следующими преимуществами:
- в отличие от ЖК-экранов, плазменных и др. типов экранов изображение на термоэкране формируется естественными цветами, без дополнительного просвечивающего светового потока, оно не светится самостоятельно, не мигает, не дает дополнительной нагрузки на зрение и нервную систему. Данное преимущество позволяет использовать термоэкран в ежедневном обиходе - на мебели, обоях, без опасения повредить зрение и нервную систему;
- использование гибкой подложки с независимым креплением к ней отдельных термоэлементов позволяет разместить термоэкран на любой поверхности, любой формы без необходимости дополнительной его переделки;
- устройство характеризуется достаточно низкой сложностью изготовления, что существенно упрощает его промышленное использование;
- размер термоэлементов (пикселей) в заявляемом устройстве может быть любым -от 0,1 мм до 1 м, что позволяет регулировать «разрешение» термоэкрана и использовать его как для создания изображения на небольших поверхностях, так и для построения изображений без потери качества на больших архитектурных, например, фасадных, конструкциях.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 и 2 представлены схематичные изображения заявляемого термоэкрана;
на фиг. 3 схематично представлен вид сбоку на термоэкран с покрытием каждого термоэлемента;
на фиг. 4 схематично представлен вид сбоку на термоэкран с покрытием слоем термоткани;
на фиг. 5 схематично представлен вид сбоку на термоэкран с покрытием слоем термоткании изоляционным материалом в зазорах между термоэлементами.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - гибкая подложка,
2 - термоэлемент,
3 - термоэлемент, имеющий изменившийся цвет поверхности,
4 - блок управления;
5 - контактные провода,
6 - термодатчики,
7 - слой термокраски,
8 - термоткань,
9 - изоляционный материал в зазорах.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство представляет собой термоэкран масштабируемого размера, за счет чего достигается возможность его использования в самых разнообразных отраслях, от дисплеев для вывода информации до индустрии моды, арт-объектов и рекламы. Термоэкран выполнен гибким, что обеспечивает возможность его легкой транспортировки к месту эксплуатации.
Термоэкран включает гибкую подложку 1, выполненную, например, из плотной резины или гибкого пластика. Толщина гибкой подложки определяет степень гибкости термоэкрана. В общем случае толщина подложки ограничивается только ее функциональными задачами - крепление термоэлементов или поддержка всего устройства. Поперечные габаритные размеры определяют размеры термоэкрана. Кроме того, внутрь подложки (или под нее) могут быть заведены контактные провода устройства. На поверхности подложки закреплены, например, приклеены нагревательные или нагревательно-охлаждающие элементы, имеющие плоскую внешнюю, обращенную от подложки, поверхность. В качестве таких термоэлементов 2 могут быть использованы, например, металлические пластины с большим электрическим сопротивлением или элементы Пельтье. Такие элементы располагают на подложке рядами или по спирали, или в соответствии с иным выбранным законом расположения. При этом между соседними элементами выдерживают зазор, достаточный для возможности изгиба экрана. Размер зазора выбирают в зависимости от, собственно, размера элементов и области применения устройства. В общем случае величина зазора не превышает 1/2 ширины термоэлемента. Элементы, закрепленные на подложке, представляют собой пиксели термоэкрана - то есть «физические элементы матрицы дисплея, формирующих изображение» (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B8%D0%BA%Dl%81%D0%B5%D0%BB% D1%8C). Каждый элемент (пиксель) контактными проводами 5 может быть индивидуально соединен с блоком управления 4 термоэкраном для обеспечения возможности регулировки степени его нагрева/охлаждения. Элементы 2 выбраны идентичного размера для обеспечения формирования на поверхности термоэкрана целостного изображения.
В ином варианте исполнения устройства, термоэлементы одного ряда могут быть соединены между собой, в результате чего с блоком управления термоэкраном соединены ряды термоэлементов, что обеспечивает возможность построчного воспроизведения изображения на термоэкране.
Внешняя поверхность термоэлементов формирует поверхность, на которой создают изображение.
Для формирования изображения на внешней поверхности элементов (пикселей) нанесен слой термокраски 7, реагирующей на изменения температуры. Краска может быть нанесена непосредственно на поверхность каждого элемента отдельно. Однако данный способ довольно трудоемок в исполнении и затратен по времени. Термокраска может быть нанесена на пленку или ткань, после чего такой термослой 8 накладывают на внешнюю поверхность термоэкрана (внешнюю поверхность элементов) и фиксируют. Слой краски составляет не менее 8 мкм и в общем случае определяется типом и качеством выбранной термокраски. В качестве такой термокраски может быть использована, в зависимости от сферы применения изделия, как монохромная (например, https://www.fusiontech.ru/store/fleyki/termokhromnyy-pigment-chern уу/), так и цветная (например, https://sjracing.ru/raznoe/kraska-menyayushhaya-cvet-ot-temperatury-termoxromnava-kraska-menyayushhaya-cvet-v-zavisimosti-ot-temperatury-xarakteristiki-primenenie.html или https://russian.alibaba.com/product-detail/gold-red-color-chameleon-car-paint-pigment-powder-60794963775.html?spm=a2700.md_ru_RU.deiletai6.17.1a5126eaHlZtYA) термокраска. Она должна быть выбрана обратимой, возвратной по цвету при снятии температурного градиента. Активный компонент в составе - термохромный пигмент. Именно он обеспечивает реакцию покрытия на нагрев или охлаждение, сопровождающуюся изменением окраски. Амплитуда колебаний температур - 15-70°С. Значение температуры, при котором начинается реакция, индивидуально для каждого конкретного состава краски.
Термохромные пигменты содержатся в материале в виде жидких кристаллов, заключенных в микрокапсулы, что позволяет смешивать их с различными растворами, например, красками на масляной, резиновой или акриловой основе. Действующее вещество обычно составляет от 5 до 30% от общей массы красящего средства; эта цифра зависит от того, какой требуется результат.
Для более точного управления процессом изменения цвета внешней поверхности термоэлементов термоэкран может быть снабжен термодатчиками 6, установленными к каждому пикселю, и, независимо от нагревательных элементов, соединенными с блоком управления термоэкраном.
Блок управления 4 термоэкраном представляет собой программируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), - контроллер или микросхему с микропроцессорами, позволяющими обработать цифровой сигнал, подаваемый, например, с компьютера, в последовательное направление тока на нужные термоэлементы для построения изображения на экране. Так же, как к каждому пикселю ЖК монитора (а их десятки миллионов в современных дисплеях) подведены два прозрачных провода от видеокарты дисплея, так и к каждому термоэлементу подведены два провода от блока управления, по которым от блока управления подается электрический ток, а также еще один провод - к термодатчику (термопаре) для контроля нагрева. Блок управления подключен к источнику питания.
В отличие от жидкокристаллических или плазменных элементов, в заявляемом устройстве электрический ток подается на разные термоэлементы разное время для того, чтобы произошел нагрев каждого элемента до определенной температуры, и термокраска у каждого могла изменить свой цвет. В случае использования элементов Пельтье программа блока управления должна управлять еще направлением (постоянного) тока на данный термоэлемент и менять напряжение на контактах нужного пикселя с «+» на «-» и обратно для смены нагрева и охлаждения и, соответственно, точного и быстрого изменения цвета термокраски.
Осуществление полезной модели может отличаться в зависимости от целей применения - необходимость построения монохромного или цветного изображения, использование термоэкрана в качестве гибкого легко транспортируемого полотна для вывода информации, что требует четкости формируемых изображений, либо в качестве декоративного оформления отдельных поверхностей.
В первом случае технически предпочтительно использование в качестве пикселей термоэлементов, способных нагреваться и охлаждаться без разделения на нагревающую и охлаждающую части соответственно. Лучше всего для этого подходят элементы Пельтье, у которых в зависимости от направления тока поверхность элемента нагревается или охлаждается. Блок управления тогда подает на элемент ток того или иного направления для изменения его температуры. Для четкого отслеживания температуры, а, значит, и цвета элемента термоповерхности, рядом с каждым может быть размещен термодатчик. Технически возможно использование термопары, передающей информацию о степени нагрева одного или нескольких термоэлементов в блок управления.
Также важно, чтобы каждый нагревательный элемент был отделен от соседних элементов теплоизолирующими прокладками 9, что предотвращает влияние на получаемый цвет поверхности одного элемента нагрев соседних.
Для формирования термоэкрана может быть использовано большое количество термоэлементов (~10-100 тыс. шт. ), что требует еще большего числа проводов от каждого из них к блоку управления.
Расположение термоэлементов рядами с обеспечением подачи тока на ряд целиком позволит сократить количество используемых проводов. В течение короткого времени блок управления обеспечивает питание одного ряда термоэлементов, после чего передает питание следующему ряду и т.д. Таким образом, может быть осуществлена построчная развертка изображения по экрану, аналогичная построению изображения в жидкокристаллических элементах ЖК экранов. В данном случае, учитывая, что нагрев - охлаждение элементов из-за их теплоемкости занимает определенное время, подача тока отдельными импульсами (что обычно в случае построения изображения разверткой) не влияет на достижение элементом заданной температуры.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Термоэкран размещают в зоне демонстрации изображения. Блок управления подключают к источнику питания и к компьютеру или любому другому устройству, имеющему процессор и возможность подачи сигналов на блок управления. Изображение, планируемое к демонстрации на термоэкране, разбивают на определенное количество пикселей, соответствующее количеству термоэлементов термоэкрана, при этом каждому пикселю ставится в соответствие собственный термоэлемент и, соответственно, обеспечивается подача тока нужной длительности или нужной силы на определенный термоэлемент. С учетом характеристик нанесенной термокраски по таблицам соответствия температур ее цветовым параметрам определяют требуемую температуру каждого термоэлемента для достижения цвета, соответствующего цвету выбранного пикселя изображения. На блок управления подается сигнал о необходимости подачи электрического тока фиксированный промежуток времени на выбранный термоэлемент для достижения температуры, обеспечивающей изменение цвета поверхности термоэлемента. Блок управления подает ток нужной полярности и, тем самым, обеспечивает управление формированием изображения на поверхности экрана.
Таким образом, устройство демонстрирует любой цифровой файл с компьютера, флэш- карты, или смартфона, подаваемый на контроллер (блок управления). Смена файла (или демонстрация видео, бегущая строка) приводит к построению нового изображения путем изменения блоком управления длительности и полярности подаваемого тока к тем или иным термоэлементам и соответствующего изменения их цвета.
Примеры конкретного выполнения
Заявляемое устройство реализовано в нескольких опытных образцах.
Пример 1
Термоэлементы представляют собой металлические (жестяные) пластинки размером 2*2 мм, снабженные контактными проводами. Жестяные термоэлементы ровными рядами наклеены на резиновую подложку. Расстояние между соседними термоэлементами составляет 0,1 мм. Таким образом, был сформирован экран, содержащий 10000 термоэлементов. (пикселей). Каждый термоэлемент был покрыт слоем цветной термочувствительной краски толщиной 0,1 мм (https;//russian.alibaba.com/product-detail/gold-red-color-chameleon-car-paint-pigment-powder-60794963775.html?spm=a2700.md_ru_RU.deiletai6.17.1a5126eaHlZtYA). Провода от каждого элемента подведены к блоку управления, соединенному с компьютером. На нужные элементы блок управления подает ток, они нагреваются, меняют цвет, создавая определенный рисунок. Если подача тока прекращается, элементы остывают и меняют цвет на исходный. Изображение меняется.
Пример 2
Экран сформирован в соответствии с Примером 1, при этом в качестве слоя термочувствительной краски использована цельная пленка, покрытая указанной термокраской и наложенная на слой термоэлементов для обеспечения теплового контакта с ними. Пленка визуально сглаживает зазоры между пикселями и переходы между цветами соседних термоэлементов. Четкость контуров изображений в этом случае падает, так как сложно четко разделить участки локального нагрева пленки от соседних более или менее холодных, но подобная схема может крайне широко применяться для декорирования поверхностей, в том числе домашних - мебели, стен.
Пример 3
В качестве термоэлементов на гибкую пластиковую подложку нанесены элементы Пельтье (ТЕС) с термопарой. Блок управления имеет обратную связь с нагревом элементов и может точно контролировать температуру а, значит, цвет изображений. Такой вариант выполнения термоэлементов наиболее применим для термокрасок, имеющих градиент цветов в зависимости от температур и создает, таким образом, цветной, а не монохроматический экран. Поверхность элементов Пельтье была покрыта такой термохромной краской фирмы HALI Company https://aliexpress.ru/item/32985851199.html?spm=a2g0o.detail.l000014.47.7dl62c03B natnh&gps-id=pcDetailBottomMoreOtherSeller&scm=1007.14976.187566.0&scm_id=1007.14976.1875 66.0&scm-url=l007.14976.187566.0&pvid=470ac5a9-b70a-4f9b-b3a9-f5c5a4080009&_t=gps-id:pcDetailBottomMoreOtherSeller, scm-url:1007.14976.187566.0.pvid: 470ac5a9-b70a-4f9b- b3a9-f5c5a4080009. tpp_buckets:668%230%23131923% 2387_668%23808%233772% 23927_668%23888%233325% 2317_4976%230%23187566% 2311_4976%232711%237538% 23209_4976%233104%239652% 231_4976%233141%239887% 234_668%232846%238108% 23128_668%232717%237564% 23683_668%231000022185% 231000066059%230_668% 233422%2315392%23701_4452% 230%23189847%230_4452% 233474%2315675%23145_4452% 233098%239599%23248_4452% 233564%2316062%23241&ga= 2.113590791.1428106762.16005 34874-452929375. 1592230815 слоем толщиной не более 0,1 мм. Элементы Пельтье размерами 1*1 мм были вплавлены в пористую резину, представляющую собой гибкую подложку, с зазором в 0,1 мм, что, благодаря термоизолирующим свойствам резины было достаточно для того, чтобы, нагрев одного элемента не влиял на соседние и обеспечивал гибкость экрана. Возможен вариант изготовления термоэлементов большего или меньшего размеров, а также имеющими прямоугольную внешнюю поверхность или квадратную. Была образована квадратная матрица 550*550 мм - 250000 элементов. В матрице 500 рядов и 500 столбцов из элементов. Каждый элемент тогда имеет номер - координату ряд/столбец.
Так же, как и для подачи тока на каждый из миллионов пикселей в ЖК экране, в данном случае элементы по рядам - и по столбцам соединены нанесенными поверх элементов тонкими линиями бесцветного токопроводящего пластика толщиной менее 0,1 мм, таким образом, каждый элемент пересекается двумя подобными «проводами». Концы таких проводов - 500 от рядов и 500 от столбцов подведены к блоку управления. Тогда, если блок управления подает напряжение «+» на провод ряда 340 и - на провод от столбца 124, ток идет на термоэлемент 340/124, меняя его цвет.
В данном примере в роли термодатчиков использовались термопары типа К, по одной на 100 термоэлементов, прикрепляемые на один из термоэлементов в квадрате 10×10 штук. Этого достаточно для определения зависимости сигнал контроллера - цвет термоэлемента и соответствующего программирования блока питания, а также последующего контроля нагрева для достижения необходимого цвета.
Пример 4
Для формирования изменяющегося «терморисунка» на ткани использовалась термокраска 8881 1 Золотой/Бронзовый/зеленый (https://russian.alibaba.com/product-detail/gold-red-color-chameleon-car-paint-pigment-powder-60794963775.html?spm=a2700.md_ru_RU.deiletai6.17.1a5126eaHlZtYA), которую можно наносить на одежду. Таким образом, ткань одежды выполняла функцию слоя термочувствительной краски (термоткань). К ткани с изнанки прикреплена гибкая пластиковая подложка с вмонтированными термоэлементами - медными пластинками 3*3 мм, нагрев которых менял цвет сегмента термоткани, прижатой к ним для теплового контакта, так что на внешней поверхности одежды проявлялся разноцветный рисунок.