En este contenido estaremos hablando sobre las pantallas masivas en los automóviles modernos y la ingeniería que hay detrás de ellas. Es una tendencia común en los automóviles de hoy en día: grandes pantallas, múltiples pantallas, pantallas táctiles. La industria automotriz busca hacer que nuestros autos sean similares a lo que ya estamos familiarizados con nuestros teléfonos móviles.
Y tal vez debido a los teléfonos, queremos que la apariencia y sensación de las pantallas de los automóviles sean similares. Y hay muchas ventajas legítimas en el uso de estas pantallas masivas. Permiten múltiples capas de controles, simplificando el interior. Permiten una personalización personal, interacciones similares a los smartphones y, muy importante, al igual que nuestros teléfonos, la interfaz puede ser actualizada con el tiempo para mantener el producto actualizado.
Pero eso no quiere decir que no tengan sus fallos. Por supuesto, no a todos les gusta tener los controles ocultos detrás de una pantalla táctil. Características como los limpiaparabrisas, la selección de marchas, el ajuste de volumen y los controles de clima a menudo se dejan como perillas y botones físicos, lo que permite un uso fácil sin apartar la vista de la carretera. También está el desafío de la legibilidad de la pantalla.
Si el sol está brillando en tu teléfono, simplemente lo sostienes en un ángulo diferente, pero eso no es una opción mientras conduces. Entonces, la reflexión y el deslumbramiento son importantes. La durabilidad también es una preocupación. Es poco probable que dejes caer la pantalla de tu auto en el suelo, sin embargo, los estándares de la industria automotriz te obligan a tener en cuenta la posibilidad de que un pasajero o el conductor impacten la pantalla durante un accidente automovilístico.
Muchos de estos desafíos, ya sean relacionados con la legibilidad o con las colisiones, se abordan con la cubierta de vidrio en la pantalla. Y como siempre, todo es más complicado de lo que parece. Para comprender mejor todo esto, visité el campus Sullivan Park de Corning en Nueva York. Corning es una empresa especializada en vidrio, cerámica y óptica para aplicaciones industriales y científicas.
Es posible que hayas oído hablar del vidrio Gorilla Glass de Corning, el cual se ha utilizado en casi todos los iPhones desde el primer modelo, y en más de 8 mil millones de dispositivos en total. Durante mi recorrido, pude observar todo el proceso desde la fabricación del vidrio, las pruebas de impacto, las soluciones ópticas para minimizar el deslumbramiento y la tecnología de conformado en frío de Corning, que permite vidrio flexible a temperatura ambiente.
Pruebas de impacto y resistencia
Comenzaremos con la prueba de impacto en la cabeza, que evalúa la resistencia y durabilidad general del vidrio. El interior de donde se sienta el pasajero debe cumplir ciertas regulaciones de seguridad en caso de choque. El requisito de choque establece que un impacto de cabeza en la pantalla no puede exceder las 80 g de aceleración durante más de 3 milisegundos. Superar este límite puede causar daños excesivos en el cerebro o el cráneo. Suena increíble, especialmente considerando que estamos hablando de pantallas de automóviles.
Para prevenir las altas fuerzas g, los fabricantes tienen que construir una cierta cantidad de flexibilidad en el soporte de la pantalla para que la estructura circundante se doble y absorba el impacto, reduciendo las fuerzas g. Sin embargo, esta flexibilidad también genera otro problema porque el vidrio no le gusta doblarse. Flexionar la pantalla puede causar que se rompa y salten pedazos de vidrio.
Tanto los fabricantes como los conductores no quieren que se rompa durante esta prueba. Es decir, sin astillas ni fragmentos de vidrio esparcidos por la pantalla. Durante mi visita, pude realizar la prueba en el vidrio Corning Gorilla Glass para automóviles y, como pueden ver, el vidrio permanece intacto. Y al realizar la misma prueba en un tipo de vidrio que se podría encontrar en ventanas, es evidente la destrucción del vidrio.
Aumentando la resistencia del vidrio
Entonces, ¿cómo se logra esto? Hay tres formas principales de aumentar la resistencia del vidrio: mejorar la composición, el fortalecimiento químico y minimizar las fallas. En primer lugar, la composición del vidrio es crucial. El vidrio de soda y cal es el más común, típicamente utilizado en ventanas. Es barato, estable y se puede recalentar y reutilizar fácilmente. Está compuesto por sílice, soda (carbonato de sodio), caliza y alúmina.
Sin embargo, el vidrio de soda y cal tiene una red con muchos iones de sodio y calcio, llamados iones modificadores, en comparación con el número de iones de aluminio en el vidrio. Esto crea enlaces iónicos débiles en la red del vidrio, lo que significa que el vidrio es más fácil de fundir, pero también significa que el vidrio es más débil.
Por otro lado, los vidrios técnicos de Corning utilizan una cantidad más equilibrada de iones modificadores en comparación con los iones de aluminio para asegurar que la red del vidrio esté compuesta por enlaces covalentes fuertes y menos enlaces iónicos débiles. Esto requiere temperaturas más altas para fundir y refinar las hojas de vidrio, pero resulta en un vidrio más resistente. Corning puede probar y desarrollar miles de composiciones en un año para buscar las propiedades ideales.
En segundo lugar, el fortalecimiento químico es un proceso en el que el vidrio se sumerge en un baño caliente de sal fundida. A estas temperaturas, los iones grandes en el baño de sal, como el potasio, reemplazan a los iones más pequeños en el vidrio, como el sodio. Este intercambio de iones ocurre en la superficie del vidrio porque un ion más grande está reemplazando a uno más pequeño. En otras palabras, se está agregando más material al mismo espacio. Esto somete la superficie del vidrio a una alta compresión.
Esto es importante porque el vidrio es muy resistente a la compresión, pero no tan resistente a la tensión. Entonces, ¿Cómo se relaciona esto con la prueba de impacto de la cabeza? Cuando el maniquí de cabeza de aluminio de 15 libras golpea la pantalla a 15 millas por hora, el vidrio se deforma y se dobla hacia afuera. Esto coloca el vidrio interno en compresión, lo cual es algo a lo que el vidrio resiste bien, y la capa externa en tensión, a lo cual el vidrio no resiste tan bien.
Pero como la capa externa está tratada en la superficie para crear una alta compresión, se necesita una cierta cantidad de flexión para sacarla de la compresión y llevarla a la tensión. Esto significa que se puede doblar más sin fracturarse. La partida es bajo compresión, a medida que la flexión se aleja de la pantalla, finalmente alcanza un punto neutral y luego comienza a entrar en tensión, pero el punto de partida es significativamente posterior debido a la compresión del fortalecimiento químico. El resultado: 15 libras de impacto contra la pantalla y el vidrio permanece intacto.
El tercer y último elemento de la resistencia del vidrio es que una pieza de vidrio es tan fuerte como su peor defecto. Los defectos pueden generarse durante el manejo del vidrio, con los materiales extraños, el contacto con el equipo y el proceso de ensamblaje de la pantalla. La clave es minimizar los defectos durante la fabricación, pero también diseñar el vidrio para que siga siendo resistente con el tamaño máximo conocido y aceptable del defecto de fabricación. Aunque sean microscópicos en tamaño, alrededor de 5 micrones de profundidad, los defectos son inevitables y deben minimizarse y tenerse en cuenta al diseñar el vidrio.
Legibilidad y apariencia
Ahora que comprendemos la resistencia, hablemos del aspecto y la sensación del vidrio. Cuando conduces, el sol es algo con lo que debes tener cuidado. Es por eso que en los autos más antiguos o los autos con pantallas más baratas, verás una visera que ayuda a evitar que el sol se refleje en la cubierta de plástico de la pantalla. Pero esto se ve barato y las pantallas de plástico se sienten baratas. Por eso, el vidrio se utiliza en muchos autos modernos. Entonces, ¿cómo manejas el reflejo del sol? Aquí es donde entran en juego dos tecnologías: el anti-deslumbramiento y el anti-reflejo.
El anti-deslumbramiento se trata de la legibilidad. Es un proceso de grabado que cambia la superficie del vidrio al eliminar una cantidad muy pequeña de material. Esto crea una rugosidad en la superficie del vidrio a nivel de nanómetros, de modo que la luz que golpea el vidrio se refleja en todas las direcciones en lugar de volver directamente a los ojos del conductor.
Esta rugosidad superficial no afecta la resistencia del vidrio porque la grabación anti-deslumbramiento es tan delgada, menos de 100 nanómetros, que las imperfecciones de fabricación más grandes, alrededor de 5.000 nanómetros, son en última instancia el factor decisivo en la resistencia del vidrio, no el tratamiento anti-deslumbramiento.
El anti-deslumbramiento es excelente porque reduce y difumina los reflejos en el vidrio, lo que los hace menos distraídos para el conductor. Además, es mejor para las huellas dactilares en comparación con los revestimientos anti-reflejo. Sin embargo, esto da una apariencia un poco nebulosa.
Resumiendo, el anti-deslumbramiento no reduce la cantidad de luz reflejada por una pantalla, sino que la dispersa en todas las direcciones, lo que facilita la lectura de la información mostrada cuando el sol golpea la pantalla. Por otro lado, la segunda tecnología, el anti-reflejo, está diseñada para reducir la cantidad de luz reflejada. A partir de un vidrio estándar, aproximadamente el 4% de la luz que lo golpea se refleja de regreso.
Un vidrio tiene dos superficies: la frontal y la trasera, por lo que el 8% de la luz que lo golpea se refleja. Probablemente no adivinarías que solo el 92% de la luz atraviesa una sola pieza de vidrio, pero nuestros ojos son bastante malos para interpretar esto, así que nos parece casi perfectamente claro, excepto cuando el sol brilla sobre él, entonces es evidente que se refleja mucha luz. ¿Cómo reducimos este 8%? Un revestimiento anti-reflejo es en realidad una pila de varias capas, en total con un grosor de menos de un tercio de un micrón.
Cada capa refleja luz, sin embargo, al jugar con el grosor de cada capa, se puede hacer que las reflexiones de las diferentes capas interfieran entre sí, esencialmente, la luz entra como una onda y el revestimiento anti-reflejo produce la onda opuesta. Entonces, cuando se suman todas las ondas de luz reflejada, el resultado es cero, lo que significa que no se ve ninguna reflexión. Se utilizan múltiples capas para diferentes longitudes de onda.
Por supuesto, en realidad, aún se refleja algo de luz, alrededor del 0.4%, una mejora de diez veces en comparación con el 4% del vidrio estándar. Los revestimientos anti-reflejo proporcionan un aspecto muy limpio y brillante. Sin embargo, el inconveniente es que hacen que las huellas dactilares sean muy aparentes y cualquier rastro de aceite de los dedos agrega una capa adicional que interfiere con la eliminación de la luz reflejada.
Otra opción es usar una combinación de anti-deslumbramiento y anti-reflejo, lo que te brinda lo mejor de ambos mundos. En última instancia, es bastante difícil definir qué es lo mejor aquí, ya que depende de las preferencias personales. Corning tiene una animación que muestra las diferencias entre el vidrio sin tratar y las tres opciones que mencioné. Además, pude ver varios ejemplos en persona y ver ejemplos reales de solo usar anti-deslumbramiento, solo usar anti-reflejo y usar una combinación de ambos.
Tecnología de conformado en frío de Corning
Finalmente, llegamos a la tecnología de conformado en frío de Corning. Esta es una perspectiva hacia el futuro, cuando las pantallas curvas sean más comunes. Un ejemplo de esta aplicación es el GAC A12 en los mercados chinos, en el que se utilizan dos pantallas con un radio en el centro para que ambas pantallas estén orientadas hacia el conductor. Todo esto utiliza una única pieza de vidrio para la cubierta, que es flexible a temperatura ambiente, por lo que puede ser moldeada fácilmente en cualquier forma, siempre que el radio no sea demasiado pronunciado.
Por lo general, el proceso de fabricación requiere darle forma al vidrio mientras aún está caliente. Una vez que se enfría, la forma queda establecida, por lo que cualquier imperfección en la forma se hace evidente. En cambio, una pieza de vidrio de conformado en frío se ajustará exactamente a la forma a la que se adhiere. El conformado en frío requiere significativamente menos energía, ya que no se requiere calentamiento adicional para adaptarse a la superficie unida, lo que reduce el tiempo de ensamblaje.
Además, en lo que respecta al ensamblaje, puedes manipular el vidrio en forma plana hasta el último paso, lo que facilita el envío, embalaje y almacenamiento. También significa que puedes aplicar los tratamientos ópticos de superficie que mencioné anteriormente a un vidrio plano en lugar de un vidrio curvo, lo que garantiza una aplicación más uniforme de estos tratamientos y simplifica aún más el ensamblaje antes de colocar el vidrio en la pantalla curva.
El vidrio tiene aproximadamente un milímetro de grosor, aunque se puede aumentar, y gracias al proceso de fortalecimiento por intercambio iónico que discutimos anteriormente, es capaz de manejar las tensiones de flexión que acompañan al doblado del vidrio.
En resumen, siempre es sorprendente ver cuánto pensamiento se pone en objetos aparentemente simples en los autos que conducimos, como el vidrio para las pantallas modernas. La tendencia de las pantallas cubiertas de vidrio parece estar en crecimiento, al igual que el tamaño de las pantallas de hoy en día. Y aunque hay controles que prefiero tener como perillas y botones físicos, definitivamente prefiero una pantalla de vidrio a las de plástico de los modelos más antiguos.
