La crisi del germanio del 2024
Il settore della termografia è stato influenzato in modo significativo dall’inflazione senza precedenti dei prezzi del germanio nel corso del 2024. Diversi fattori hanno contribuito a questa situazione:
Aumento dei prezzi:
- I prezzi del germanio sono più che raddoppiati rispetto al 2023;
- Alcuni gradi di germanio ottico hanno registrato aumenti di prezzo fino al 200-300%
- I costi degli obiettivi a fuoco lungo sono aumentati in modo ancora più drammatico a causa dei maggiori requisiti di volume di materiale
Driver di mercato:
- Tensioni geopolitiche che influiscono sulle catene di fornitura
- Aumento della domanda da parte delle industrie dei semiconduttori e delle fibre ottiche
- Fonti di produzione globale limitate
- Accumulo di materiali strategici da parte delle principali nazioni
Impatto sul settore dell’imaging termico:
- Aumenti significativi dei costi per i sistemi ottici LWIR - poiché nel sistema ottico LWIR non raffreddato si utilizza ampiamente il sistema ottico F1.0 o meno, a causa dei requisiti NETD e MRTD del sistema non raffreddato naturale. Mentre nel MWIR, dove prevale il sistema di raffreddamento, vengono solitamente utilizzati obiettivi F4.0 o superiori per ottenere un obiettivo più compatto, e quindi con un impatto minore sul costo del germanio.
- Tempi di consegna prolungati per ottiche a base di germanio
- Crescente interesse per materiali e design alternativi
- Pressione per ottimizzare i progetti ottici per un utilizzo minimo di germanio
- Questa situazione di mercato ha intensificato l'interesse per il vetro calcogenuro come materiale ottico alternativo, in particolare per applicazioni sensibili ai costi.
Pertanto, nel corso della metà di quest'anno l'argomento è tornato ad emergereSostituzione del germanio con vetro calcogenuro
Cosa èVetro calcogenuro? I vetri calcogenuri sono composti contenenti uno o più elementi calcogeni (zolfo, selenio o tellurio) combinati con elementi come germanio, arsenico o antimonio. Questi occhiali mostrano una buona trasmissione nello spettro infrarosso, in particolare nella gamma dei 8-14 μm utilizzata nell'imaging termico.
Confronto tra vetro calcogenuro e germanio
| Proprietà/Aspetti | Vetro calcogenuro | Germanio |
| Indice di rifrazione | 2.4-2.7 | 4 |
| Gamma di trasmissione | 8-14 μm (varia in base alla composizione) | 2-14 μm |
| Costo del materiale (2024) | Più basso e stabile | High and volatile (>2x aumento nel 2024) |
| Metodo di produzione | Può essere modellato, lavorazione più semplice | Richiede levigatura e lucidatura di precisione |
| Densità | Inferiore | Più alto |
| Sensibilità termica | Meno dipendente dalla temperatura | Più dipendente dalla temperatura |
| Complessità progettuale | Richiede più elementi | Meno elementi necessari |
| Dimensioni dell'ottica | Sono necessari elementi più grandi | Possibilità di design più compatti |
| Stabilità ambientale | Potrebbe essere necessario un rivestimento protettivo | Altamente stabile |
| Resistenza meccanica | Migliore resistenza agli urti | Più fragile |
| Volume di produzione | Adatto per volumi elevati | Limitato dalla disponibilità del materiale |
| Applicazioni |
-Dispositivi di consumo -Sistemi a corto/medio raggio -Prodotti sensibili ai costi |
- Sistemi di fascia alta - Ottica (Ultra) a lungo/medio raggio - Militare/difesa |
| Costo per obiettivo | Costo del materiale inferiore ma potrebbe richiedere più elementi | Costo del materiale più elevato ma meno elementi necessari |
Perché il calcogenuro non può sostituire completamente il germanio:
- Prestazioni ottiche:
L'indice di rifrazione inferiore diVetro calcogenurosignifica che sono necessarie più superfici ottiche, è probabile che l'aumento delle superfici porterà a maggiori perdite di trasmissione e sarà più difficile ottenere progetti compatti
- Requisiti di sistema:
I sistemi ad alte prestazioni spesso richiedono le proprietà superiori del germanio, mentre le applicazioni a lungo raggio necessitano in particolare delle caratteristiche ottiche del germanio, in particolare alcune bande di lunghezza d'onda richiedono le proprietà di trasmissione del germanio
- Compromessi nel design ottico:
Di solito si tratta di sistemi più grandi e pesanti quando si utilizza solo (o più) calcogenuro, oppure aumenterà la complessità nella progettazione ottica, oltre a causare costi totali più elevati in alcune applicazioni nonostante il costo del materiale inferiore.
Occhiali a calcogenuro con design a lenti atermalizzate
Gli occhiali al calcogenuro svolgono un ruolo cruciale nella progettazione di lenti atermalizzate per sistemi di imaging termico a causa di diverse caratteristiche chiave:
- Proprietà termiche:
I vetri calcogenuri hanno coefficienti termici significativamente diversi rispetto al germanio, ciò significa che il loro dn/dT (cambiamento dell'indice di rifrazione con la temperatura) è tipicamente opposto a quello del germanio e il coefficiente di dilatazione termica è diverso dal germanio
- Strategia di atermalizzazione:
Combinando elementi in vetro calcogenuro con elementi in germanio, i progettisti possono creare atermalizzazione passiva. Le caratteristiche termiche opposte di questi materiali possono annullare gli spostamenti del fuoco indotti dalla temperatura. Pertanto, ciò elimina o riduce la necessità di meccanismi di regolazione della messa a fuoco attiva.
Ciò rende gli occhiali al calcogenuro particolarmente preziosi nella creazione di sistemi di imaging termico stabili e affidabili che possono funzionare in ampi intervalli di temperature senza regolazione della messa a fuoco.
Conclusione:
Sebbene il vetro calcogenuro offra vantaggi convincenti in termini di costi e producibilità, non può sostituire completamente il germanio nelle applicazioni di imaging termico. L'approccio ottimale spesso prevede l'utilizzo strategico di entrambi i materiali, bilanciando i requisiti prestazionali con i vincoli di costo.
Con l’avanzamento della scienza dei materiali e il miglioramento delle tecniche di produzione, il vetro calcogenuro svolgerà probabilmente un ruolo sempre più importante nell’ottica per l’imaging termico, in particolare nelle applicazioni sensibili ai costi e ad alti volumi.