W stosunku do widocznych diod LED, diody UV są cichym rynkiem tylko 30 milionów dolarów, ale ostatnie przełomy w mocy i intensywności promieniowania umożliwiły przemieszczenie lamp rtęciowych w zastosowaniach, w tym utwardzanie UV i wykrywanie podróbek, donosi LAURA PETERS.
+ + + +
Ten artykuł został opublikowany w lutym 2012 r. w wydaniu MAGAZYNU LED.
Wyświetl spis treści i pobierz plik PDF z pełnym wydaniem z lutego 2012 r.
+ + + + +
Poniżej widma widzialnego znajduje się pasmo długości fal zwane ultrafioletowe (UV). Od 100 do 400 nm, promieniowanie może być skutecznie wykorzystywane do sterylizacji kosmetyków, przeprowadzania analiz kryminalistycznych, utwardzania materiałów (Rys. 1) i dezynfekcji wody, wśród wielu innych zastosowań. Obecnie, podobnie jak w przypadku diod LED w widmie widzialnym, diody LED UV dopiero zaczynają zastępować ustalone źródła PROMIENIOWANIA UV na równie zróżnicowanych rynkach.
. FIG 1 Chłodzony powietrzem system utwardzania UV-LED (źródło: Phoseon Technology)..
RYS.
"W porównaniu do wielomiliardowego przemysłu oświetlenia LED, rynek UV-LED jest błąd zaokrąglania na około 30 milionów dolarów, ale szybko rośnie", powiedział Mike Lim, dyrektor globalnego przemysłu i nowych firm dla Luminus Devices, z siedzibą w Billerica, MA.
Zdecydowanie rynek utwardzania UV cieszy się największym wzrostem popularności uv-LED dzięki stosunkowo niedawnemu przełomowi w gęstości strumienia układów UV-LED poza znakiem 4W /cm2 przy różnych długościach fal potrzebnych do wprowadzenia utwardzania UV-LED do zakładów produkcyjnych. "Po raz pierwszy diody LED osiągnęły gęstość mocy, które sprawiają, że diody LED UV są konkurencyjne w zależności od istniejących źródeł", powiedział Uwe Thomas, dyrektor generalny komponentów emiterów z LED Engin, dostawcą diod UV i widocznych diod LED z siedzibą w Santa Clara, CA .
UV-A, B i C
Utwardzanie polega na polimeryzacji krzyżowej materiału światłoczułego, który może być tuszem (drukiem), klejem lub powłoką, i odbywa się głównie przy 395 nm, 385 nm lub 365 nm, długościach fal, które są częścią widma UV-A (315 -400 nm). Innym ważnym zastosowaniem UV-A są systemy kontroli oparte na widzenie maszynowe. Latarki UV-LED w tym zakresie służą do wykrywania oszukańczej identyfikacji i waluty i oferują korzyści z użytkowania w dobrze oświetlonych środowiskach, co jest trudne przy użyciu lampy rtęciowej.
W spektrum UV-B (280-315 nm) zastosowania diod LED UV obejmują utwardzanie, medyczną terapię światłem, analizę kryminalistyczną i odkrywanie leków. Firma badawcza Yole Développement (Lyon, Francja) oszacowała, że obecnie 90% zastosowań diod LED UV znajduje się w regionach UV-A i UV-B (rys. 4). Yole stwierdził, że spodziewa się, że rynek diod LED UV wzrośnie o 30% rocznie z 25 milionów dolarów w 2010 roku do ponad 100 milionów dolarów w 2016 roku. Rys.5 przedstawia jeszcze bardziej optymistyczną prognozę Stowarzyszenia Rozwoju Przemysłu Optoelektroniki, Międzynarodowego Stowarzyszenia Optoelektroniki i Europejskiego Konsorcjum Przemysłu Fotoniccznego.
FIG 2 Multi-die EMITER UV w opakowaniu ceramicznym (źródło: LED Engin)...
RYS.
Poza tymi zastosowaniami wiadomo, że promieniowanie UV-B ma korzystne właściwości zdrowotne, w tym naturalną syntezę witaminy D u ludzi, którzy są narażeni na działanie promieni słonecznych. UV-B przyspiesza również produkcję polifenoli w niektórych warzywach liściastych, takich jak czerwona sałata. Uważa się, że polifenole mają właściwości przeciwutleniające. "Generalnie rośliny te są obecnie uprawiane w szklarniach, które celowo odfiltrują część widma UV w celu maksymalizacji wzrostu roślin. Co ciekawe, mamy dowody na to, że gdy rośliny te są narażone na diody UV-B na krótko przed zbiorami, ich zawartość polifenoli jest zwiększana bez uszczerbku dla masy roślin", wyjaśnia Cary Eskow, globalny dyrektor zaawansowanych diod LED i oświetlenia avnet Electronics Marketing w Phoenix, AZ, który dystrybuuje diody UV. Kontynuował: "Jest to nowa metoda zwiększania atrakcyjności niektórych produktów spożywczych bez użycia chemikaliów. Polifenole również otrzymały uwagę ze względu na ich rzekome właściwości przeciwchrześcijalną, antyproliferacyjną i antymutogenną. "
W dolnym zakresie spektralnych UV-C (100-280 nm) głównymi zastosowaniami LED są sterylizacja powietrza i wody oraz szereg narzędzi analitycznych, w tym te, które wykonują pomiary spektroskopowe i fluorescencyjne. Detektory chemiczne i biologiczne działają również w tym zakresie spektralnych.
Promieniowanie UV w zakresie 250-275 nm sterylizuje wodę, powietrze i powierzchnie, rozbijając DNA i RNA mikroorganizmów i zapobiegając ich rozmnażaniu. W szczególności, 275 nm jest uważana za najbardziej skuteczną długość fali do zwalczania patogenów, takich jak E-coli w wodzie. W rzeczywistości, inżynierowie z Sensor Electronic Technology Inc (SETi), z siedzibą w Columbia, SC, ustalili, że 275 nm jest optymalną długością fali do dezynfekcji wody. SETi zademonstrowało dezynfekcję wody pitnej w systemie przepływowym in-line o mocy uv mniejszej niż 40 mW.
Alternatywy dla lamp łukowych rtęci
W procesach utwardzania produkcji lampy rtęciowo-parowe są utrudnione przez krótki okres eksploatacji (2000-10 000 godzin), powolne czasy rozgrzewania i chłodzenia oraz szeroki rozkład mocy spektralnej. "Ponadto ponad 60% energii, która jest stosowana do typowej lampy rtęciowej, promieniuje z powrotem jako energia podczerwieni, innymi słowy ciepło", powiedział Eskow. Dodał, że wyjście UV lampy oparów rtęci gwałtownie spada w ciągu jego żywotności, ponieważ niektóre z jej materiału elektrody odparowuje , osadzając folię na wewnętrznej stronie rury kwarcowej, której UV nie może przeniknąć W rezultacie użytkownik nie może łatwo przewidzieć ilości promieniowania UV generowanego w późniejszym czasie;. często jest to parametr procesu krytycznego.
RYS. Diody LED UV-C do zastosowań bakteriobójczych od Crystal IS, Inc. Firma została niedawno przejęta przez Japoński Asahi Kasel.
RYS.
Lampa rtęciowa ma główny szczyt przy 365 nm, ale kilka mniejszych szczytów w regionach widzialnym i podczerwieni (Rys. 7). Minusem tych obcych szczytów jest wytwarzanie ciepła podczas drukowania i innych operacji utwardzania. "W przypadku tworzyw sztucznych i innych materiałów wrażliwych na ciepło, pojawiły się prawdziwe wyzwania w druku, ponieważ medium zostaje zniekształcone z ciepła lampy rtęciowej", wyjaśnił Steve Metcalf, dyrektor generalny i prezes Air Motion Systems (AMS), producenta systemów utwardzania z siedzibą w River Falls, WI. Podał przykłady, które obejmują plastikowe karty upominkowe lub karty kredytowe, które wykorzystują druk litograficzny karmiony arkuszami.
Metcalf dodał, że wiele osób, które nie rozważałyby utwardzania UV ze względu na złożoność standardowych procesów utwardzania - wysokiego napięcia, ciepła żarówek rtęciowych i kwestii środowiskowych - rozważy teraz utwardzenie UV-LED, ponieważ obala tradycyjne problemy starego procesu.
Diody LED UV przynoszą takie korzyści, jak dokładne określenie, jaki poziom mocy jest dostarczany do środka utwardzającego, a także inne zalety, z których znane są diody LED, takie jak możliwość modulowania danych wyjściowych o szerokości impulsu, podał Eskow.
Przejście na diody LED UV otworzyło również drzwi do bardziej przyjaznych dla środowiska preparatów utwardzających. Wraz z rozwojem nowej generacji produktów, które opracowywały firmy produkujące farby, powlekania i kleje, skorzystały one z możliwości stopniowego wycofywania lotnych związków organicznych (LZO) związanych z preparatami opartymi na rozpuszczalniku z poprzednich chemii.
Optymalizacja utwardzania
W przypadku urządzeń UV o dłuższej długości fali, w podobny sposób jak do niebieskiej produkcji LED, epiwarstwy oparte na InGaN są uprawiane na podłożach szafirowych, aby produkować diody LED UV 385, 395 i 405 nm do utwardzania. Jedną z kluczowych zalet urządzeń o większej długości fali jest to, że mogą być napędzane z większą mocą. "395 nm jest naprawdę sweet spot do utwardzania UV LED, ponieważ przy 405 nm preparat jest wrażliwy na światło otoczenia, więc chcesz być tuż poniżej 400 będąc w stanie prowadzić diody LED o dużej mocy, "powiedział Lim. Wszyscy główni dostawcy preparatów utwardzających (fotoinitiators i żywice), niedawno wprowadzili na rynek atramenty i powłoki o większej długości fali, aby zaspokoić tę potrzebę.
RYS. Większość zastosowań znajduje się w częściach widma UV-A i UV-B.
RYS.
Oprócz większej mocy diody LED UV o wyższej długości fali charakteryzują się wyższą wydajnością wtyków ściennych. Na przykład przy 365 nm moc wyjściowa diody LED UV wynosi tylko 5-8% mocy wejściowej. Przy 385 nm wydajność ta poprawia się, ale tylko do ~ 15%, dzięki czemu układ o wyższej długości fali jest lepszym wyborem.
Procesy utwardzania wymagają dużych diod LED o dużej mocy (wielokrotne matryce / chip) umieszczonych w ciasnej matrycy w konfiguracji wiórowej, w pobliżu okna emitera z wewnętrznym systemem chłodzonym powietrzem lub wodą, aby usunąć ciepło z tylnej części płyty. "Nie ma znaczenia, jaka jest intensywność promieniowania UV w oknie emitera, liczy się intensywność na powierzchni mediów", powiedział Metcalf. W zależności od urządzenia i zastosowania utwardzania, nośnik może znajdować się od 1 do 100 mm od okna emitera, dla którego AMS wyprodukował specjalną optykę. Ponadto chłodzona metalem płytka drukowana służy do zjeżdżania ciepła z matrycy diod LED.
Stosuje się również chłodzenie powietrzem. Na przykład system utwardzania pokazany na rysunku 1, który ma okno emitera 150 x 20 mm i gęstość strumienia 4W/cm ², może być stosowany do farb, powłok lub klejów do utwardzania punktowego. Obecnie urządzenia utwardzające UV-LED są często specjalnie zaprojektowane tak, aby pasowały do zastosowania. Metcalf opisuje duże drukarki banerowe z płaskim łóżkiem jako zdolne do używania diod LED o niższej mocy, ale technologie cyfrowe o wyższej prędkości, offsetowe i fleksograficzne wymagają ściśle rozmieszczonych banków diod LED o dużej gęstości strumienia. Mimo że promieniowanie nie jest widoczne, optyka koliimująca jest wykorzystywana do dostarczania promieniowania o jednolitym poziomie mocy na nośnikach docelowych. Cyfrowe utwardzanie atramentem było pierwszym segmentem, który przyjął diody LED UV ze względu na wymaganą odległość od nośnika, aby głowice drukujące optymalnie działały. Było to naturalne dopasowanie do lamp UV-LED, ponieważ intensywność utwardzania jest najwyższa w oknie emitera.
RYS. Historia rynku i prognoza rynku UV-LED.
RYS.
Stacy Volk, specjalista komunikacji marketingowej w Phoseon Technology w Hillboro, OR, producent systemów utwardzania UV-LED, zwrócił uwagę na niektóre z dodatkowych zalet związanych z utwardzaniem UV-LED obejmują kontrolowaną intensywność utwardzania, skalowalny sprzęt oraz fakt, że maszyny są mniejsze i kompaktowe.
Jedną z kwestii, z którymi boryka się przemysł utwardzający, były niespójności w praktyce pomiarowej i definicjach parametrów, na przykład w definiowaniu intensywności radiometrycznej. UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) została utworzona niedawno przez producentów utwardzania Phoseon Technology, Integration Technology Limited i Lumen Dynamics , aby "ustalić wytyczne i zapewnić kompatybilność w całej branży", stwierdził Bill Cortelyou, prezes i dyrektor generalny Phoseon Technology. Stowarzyszenie stara się również pomóc w przyspieszeniu rozwoju aplikacji szczególnie dostosowanych do diod LED UV, edukować naukowców, integratorów i użytkowników końcowych w zakresie korzyści płynących z diod LED UV oraz stanowić forum komunikacji i współpracy w branży.
"W naszym 15-letnim doświadczeniu w technologii utwardzania LED, przemysł zrealizował znaczące przełomy, które sprawdziły diody LED jako realną alternatywę, która zapewnia znaczne korzyści", powiedział Allan Firhoj, prezes i dyrektor generalny Lumen Dynamics z siedzibą w Ontario, Kanada. Dodał, że "Stowarzyszenie Utwardzania UV LED będzie miało zasadnicze znaczenie dla zdobywania wiedzy i wiedzy na temat technologii UV LED i jej licznych korzyści handlowych".
Drugie stowarzyszenie, Międzynarodowe Stowarzyszenie LED-UV (www.leduv.org), powstało we wrześniu 2011 roku w Japonii, aby zorganizować producentów drukarek UV-LED, producentów UV-LED oraz formulatorów atramentu i powłoki, którzy są zaangażowani w rozwój zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska technologii druku UV-LED.
Producenci chipów
Firmy produkujące chipy UV-LED to Crystal IS z siedzibą w Green Island, NY (Rys. 3);. Dowa Electronic Materials Co Ltd, z siedzibą w Tokio, Japonia; Nichia Corp, z siedzibą w Tokushima, Japonia;. SemiLEDs, z siedzibą w Hsinchu, Tajwan;.. SETi i Seoul Optodevice Co Ltd, z siedzibą w Kyunggi-do, Korea, spółka w 100% zależna od Seoul Semiconductor.
RYS. Panele LED UVClean firmy SETi zapewniają bardzo wysokie światło głębokiego UV przy 300-320 nm, optymalny zakres dla fototerapie.
RYS.
Producenci diod UV skupiają się na ciągłej poprawie wydajności i żywotności swoich urządzeń przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Seoul Optodevice ma umowę o partnerstwie produkcyjnym z SETi, która produkuje szeroką gamę diod LED i lamp UV i wykonuje wszystko, od przetwarzania płytek po niestandardową konstrukcję lampy. Firma dostarcza emitery UV w hermetycznie zamkniętych opakowaniach ze szkła metalowego (TO-18, TO-39 i TO-3), ze standardowymi produktami i niestandardowymi rozwiązaniami o długości fali od 240 do 355 nm. Rysunek 6 przedstawia przykłady matryc UV-LED w lampach przeznaczonych do dostarczania promieniowania w zakresie 300-320 nm do zastosowań fototerapii, takich jak leczenie chorób skóry, takich jak łuszczyca lub wyprysk.
Tim Bettles, dyrektor marketingu i sprzedaży w SETi stwierdził, że jego umowa produkcyjna z Seoul Optodevice ma na celu pomóc SETi zwiększyć jego ilości diod LED i lamp UV przy jednoczesnym obniżaniu kosztów. "Nasze pierwsze produkty UV-LED zostały wprowadzone na rynek w 2004 roku i od tego czasu przeszliśmy długą drogę zarówno w rozwoju technologii, jak i w przyjęciu na rynek. Obecnie wykorzystujemy zdolność SETi do produkcji na dużą skalę, aby zaspokoić nowe wymagania pochodzące z głównych rynków konsumenckich", powiedział Bettles. SETi ogłosiło niedawno zakup nowego zakładu, w którym planuje produkować ponad 100 milionów diod LED UV rocznie.
Devin Tang, marketing manager SemiLEDs stwierdził, że firma ma pełną linię gołych kości i montowanych na powierzchniach wysokiej mocy pakowanych diod LED w zakresie 360-400 nm. Zauważył, że produkty firmy różnią się od innych w odniesieniu do wiórów "podłoży ze stopu miedzi, które pozwalają na wysoką przewodność cieplną (400 W / mK) i substraty krzemowe w opakowaniach, co obniża koszty.
Firma Epigap Optronic z siedzibą w Berlinie w Niemczech, główny dystrybutor diod LED UV firmy Dowa, podała, że Dowa produkuje diody LED 265, 280, 310, 325 i 340 nm. Nichia produkuje diody LED o dużej mocy 365, 375 i 385 nm. Crystal IS produkuje diody LED UV 260 nm i jest jedyną firmą produkującą diody LED na podłożach AlN.
Problemy z przetwarzaniem płytek
Jak wskazano wcześniej, epilayery InGaN i GaN, uprawiane przez MOCVD, są używane do diod LED UV o wyższej długości fali wytwarzanych na podłożach szafirowych, ale przy niższych długościach fal należy stosować epilayery AlGaN o rosnącej zawartości aluminium. Istnieje wiele różnych kompozycji obejmujących warstwy AlGaN, AlInGaN, AlInN i AlN epilayers, ale niezależnie od składu, staje się łatwiejsze do uprawy materiałów na bazie AlGaN na podłożach AlN niż szafiru w pewnym momencie, który zachęcił do rozwoju aln-substrat dostawców, takich jak Hexatech, z siedzibą w Morrosville, NC. Niemniej jednak podłoża AlN są dostępne tylko w małych rozmiarach i pozostają znacznie droższe niż szafirowe wafle, ograniczając tym samym ten rynek.
RYS. Moc spektralna lampy rtęciowej w promieniach UV i widocznych regionach.
RYS.
Ostatnio Theodore Moustakas z Boston University jest pionierem wykorzystania MBE (epitaksji wiązki molekularnej) do bardziej wydajnych (wysoka wydajność wewnętrzną kwantowa) urządzeń LED UV za pomocą warstw opartych na AIGaN na podłożach szafirowych. Takie podejście byłoby konkurować z różnymi technikami MOCVD stosowanymi do depozytu AlGaN dzisiaj.
Optyka i opakowania
Mimo że producenci diod UV LED ciężko pracowali nad poprawą wewnętrznej wydajności kwantowej i sprawności optycznej, ogólna wydajność pozostaje poniżej 20%, co oznacza, że duża ilość ciepła musi zostać rozproszona ze złącza diody. "Aby osiągnąć wymaganą gęstość strumienia dzięki dzisiejszym technologiom wiórów, emitery wielogazowe muszą być napędzane z najwyższym prądem. Jest to możliwe tylko w przypadku pakietu LED zdolnego do obsługi ekstremalnych gęstości mocy przez cały okres eksploatacji produktu. Termo dopasowany bezstresowy pakiet i szklana soczewka pomagają wyeliminować typowe tryby awarii opakowania związane z diodami LED UV", powiedział Thomas. Opisał opatentowane przez LED Engin wielowarstwowe podłoże ceramiczne o bardzo niskiej rezystancji termicznej, która szybko odprowadza ciepło ze złącza matrycy (Rys. 2).
Podczas gdy niektóre matryce UV LED są pakowane na podłożach ceramicznych, wielu producentów, szczególnie urządzeń jednoscalowych, używa pakietów TO-can z szklanym blatem, który oferuje wysoką transmisję UV. Wymiana soczewek epoksydowych na szkło płaskie lub w kształcie kopuły zdolne do transmisji UV jest stosunkowo nowym rozwojem, który pozwolił na przedłużenie okresu eksploatacji z około 5000 godzin do nawet 30 000 godzin. UV przyspiesza degradację materiału epoksydowego w sposób nieliniowy, bezpośrednio wpływając na żywotność. Szklane soczewki zapewniają większą trwałość i zwiększoną niezawodność. Inną alternatywą jest połączenie szklanej soczewki z silikonową hermetyzją, aby pomieścić jeszcze większą gęstość strumienia i wyższą wydajność, a jednocześnie krótszą żywotność (15 000-20 000 godzin).
Wybór, czy użyć hermetycznego uszczelnienia w opakowaniu, jest czasami określany przez materiały w chipie. "Podłoże aluminium z azotku prawie dyktuje użycie pakietu hermetycznego, ponieważ im wyższa zawartość aluminium, tym wyższe jest powinowactwo urządzenia do tlenu , więc hermetyczne uszczelnienie lepiej ochroni urządzenie UV", wyjaśnił Frank Gindele, kierownik rozwoju produktu dla Schott Electronic Packaging w Landshut w Niemczech. Nowy pakiet oparty na miedzi i szklarstwie firmy Schott oferuje zalety wysokiej przewodności cieplnej i hermetyczności.
Niebezpieczeństwa związane z promieniowaniem UV
Ważne jest, aby uznać, że niektóre z tych samych cech, które sprawiają, że diody LED UV są bardzo wydajne i użyteczne - ich niska długość fali i wysoka energia - Są również cechy, które czynią je niebezpiecznymi Etykiety ostrzegawcze na diodach UV i ich produktach są jasne, ale znoszą :. Diody UV-LED emitują niewidoczne promieniowanie ultrafioletowe podczas pracy, które może być szkodliwe dla oczu lub skóry, nawet przez krótki czas (Aby uzyskać więcej informacji na temat bezpieczeństwa fotobiologicznego, zobacz naszą serię artykułów, część 3, która pojawia się na str.63 tego wydania.)
Kolejne kroki
Po proszeniu o zidentyfikowanie kluczowej kwestii, która może powstrzymać użytkowników UV przed zmianą ze źródeł rtęci na diody LED UV, wielu uczestników branży twierdzi, że sprowadza się to do przełamania istniejącego tempa w branży i, oczywiście, kosztów. Lim uważa, że zaokrąglanie z portfela długości fali będzie przejść długą drogę w kierunku przyjęcia. "Myślę, że jeśli uda nam się uzyskać dobre diody LED 250 nm, 285 nm i 300 nm, te trzy długości fal, to możemy prawie zamknąć drzwi na lampach łukowych rtęci."
