U odnosu na vidljive LED diode, UV LED diode mirno su tržište sa samo 30 milijuna američkih dolara, no nedavna otkrića snage i intenziteta zračenja omogućila su pomicanje žarulja sa živinom parom u primjenama, uključujući UV očvršćavanje i otkrivanje krivotvorenja, izvještava LAURA PETERS.
+ + + +
Ovaj je članak objavljen u izdanju časopisa LEDs u veljači 2012. godine.
Pogledajte sadržaj i preuzmite PDF datoteku cijelog izdanja iz veljače 2012.
+ + + + +
Ispod vidljivog spektra nalazi se pojas valnih duljina koji se naziva ultraljubičasto (UV). U rasponu od 100 do 400 nm, zračenje se među mnogim drugim primjenama može učinkovito koristiti za sterilizaciju kozmetike, provođenje forenzičke analize, liječenje materijala (slika 1) i dezinfekciju vode. Danas, kao što je slučaj sa LED diodama u vidljivom spektru, UV LED diode tek počinju zamjenjivati uspostavljene UV izvore na isto tako raznolikom tržištu.
. SLIKA 1 Sustav stvrdnjavanja na osnovi zračenja s zrakom hlađenim UV-LED (izvor: Phoseon Technology)
Sl. 1.
"U usporedbi s industrijom LED rasvjete koja iznosi nekoliko milijardi dolara, tržište UV-LED-a pogreška je zaokruživanja na oko 30 milijuna dolara, ali brzo raste", rekao je Mike Lim, direktor globalnog industrijskog i novog poslovanja za Luminus Devices sa sjedištem u Billerici , MA.
Tržište UV stvrdnjavanja zasigurno uživa najveći porast u usvajanju UV-LED-a zbog relativno nedavnog prodora u gustoći protoka UV-LED čipova iznad oznake 4W / cm2 na različitim valnim duljinama potrebnim za uvođenje UV-LED stvrdnjavanja u proizvodnju objektima. "Po prvi puta, LED-ovi su postigli gustoću snage zbog koje su UV LED-i konkurentni postojećim izvorima", rekao je Uwe Thomas, generalni direktor komponenata emitora u tvrtki LED Engin, dobavljaču UV i vidljivih LED-a sa sjedištem u Santa Clari, CA.
UV-A, B i C
Stvrdnjavanje uključuje unakrsnu polimerizaciju fotoosjetljivog materijala, koji može biti tinta (tisak), ljepilo ili premaz, a prvenstveno se izvodi na valnim duljinama 395 nm, 385 nm ili 365 nm, koje su dio UV-A spektra (315 -400 nm). Sljedeća važna UV-A aplikacija su inspekcijski sustavi temeljeni na strojnom vidu. UV-LED svjetiljke u ovom rasponu koriste se za otkrivanje lažne identifikacije i valute te nude prednost upotrebe u dobro osvijetljenim okruženjima, što je teško koristiti žaruljom sa živinom parom.
U UV-B spektru (280-315 nm), aplikacije za UV LED uključuju otvrdnjavanje, medicinsku svjetlosnu terapiju, forenzičku analizu i otkrivanje lijekova. Tvrtka za istraživanje tržišta Yole Développement (Lyon, Francuska) procijenila je da se 90% UV aplikacija danas zasniva na UV-A i UV-B regijama (slika 4). Yole je izjavio da očekuje da će tržište UV LED dioda rasti za 30% godišnje sa 25 milijuna u 2010. na više od 100 milijuna u 2016. godini. Slika 5 prikazuje još optimističniju prognozu Udruženja za razvoj optoelektronske industrije, Međunarodnog udruženja optoelektronike i Europskog konzorcija za fotoničku industriju.
SLIKA 2 Multi-die UV zračivač u keramičkom pakiranju (izvor: LED Engin) ...
Sl. 2.
Osim ovih primjena, poznato je da UV-B zračenje ima korisna zdravstvena svojstva, uključujući prirodnu sintezu vitamina D kod ljudi koji su izloženi sunčevoj svjetlosti. UV-B također ubrzava proizvodnju polifenola u određenom lisnatom povrću poput crvene salate. Vjeruje se da polifenoli imaju antioksidativne kvalitete. „Općenito se ove biljke danas uzgajaju u staklenicima koji namjerno filtriraju UV dio spektra kako bi povećali rast biljaka. Zanimljivo je da imamo dokaze da kada su te biljke izložene UV-B LED-ima kratko vrijeme prije berbe, njihov se sadržaj polifenola povećava bez ugrožavanja biljne mase “, objasnio je Cary Eskow, globalni direktor naprednih LED-a i osvjetljenja za Avnet Electronics Marketing iz Phoenixa , AZ, koja distribuira UV LED diode. Nastavio je ”Ovo je nova metoda za povećanje privlačnosti nekih namirnica bez upotrebe kemikalija. Polifenoli su također dobili pažnju zbog navodnih antikancerogenih, antiproliferativnih i antimutagenih svojstava. “
U donjem spektralnom rasponu UV-C (100-280 nm), primarna primjena LED-a je sterilizacija zraka i vode te niz analitičkih alata, uključujući one koji vrše spektroskopska i fluorescentna mjerenja. Kemijski i biološki detektori također rade u ovom spektralnom opsegu.
UV u rasponu od 250-275 nm sterilizira vodu, zrak i površine razbijanjem DNA i RNA mikroorganizama i sprječavanjem njihove reprodukcije. Točnije, vjeruje se da je 275 nm najučinkovitija valna duljina za iskorjenjivanje patogena poput E-coli u vodi. Zapravo su inženjeri tvrtke Sensor Electronic Technology Inc. (SETi) sa sjedištem u Columbiji u državi SC utvrdili da je 275 nm optimalna valna duljina za dezinfekciju vode. SETi je demonstrirao dezinfekciju pitke vode u linijskom protočnom sustavu koristeći manje od 40 mW UV snage.
Alternative živinim lučnim žaruljama
U postupcima očvršćavanja u proizvodnji, lampe sa živinom parom ometaju kratki životni vijek (2000-10.000 sati), polagano vrijeme zagrijavanja i hlađenja te široka spektralna raspodjela snage. "Uz to, preko 60% energije koja se primjenjuje na tipičnu žarulju sa živinom parom zrači se natrag kao infracrvena energija, drugim riječima, toplina", rekao je Eskow. Dodao je da UV izlaz žarulje sa parom naglo opada tijekom njezinog radnog vijeka jer se dio njenog materijala elektrode isparava, taložeći film na unutarnjoj strani kvarcne cijevi kroz koji UV ne može prodrijeti. Kao rezultat toga, korisnik ne može lako predvidjeti količina UV generiranog kasnije ;. često je ovo kritični parametar procesa.
Sl. 3. UV-C LED diode za gericidne primjene, tvrtke Crystal IS, Inc. Tvrtku je nedavno kupio japanski Asahi Kasel.
Sl. 3.
Živina žarulja ima glavni vrh na 365 nm, ali nekoliko manjih vrhova u vidljivom i infracrvenom području (slika 7). Loša strana ovih stranih vrhova je stvaranje topline tijekom tiskanja i ostalih postupaka stvrdnjavanja. "S plastikom i ostalim materijalima osjetljivim na toplinu postojali su pravi izazovi u tisku jer se medij iskrivljuje od topline živine žarulje", objasnio je Steve Metcalf, izvršni direktor i predsjednik tvrtke Air Motion Systems (AMS), proizvođač stvrdnjavanja sustavi sa sjedištem u River Fallsu, WI. Naveo je primjere koji uključuju plastične darovne kartice ili kreditne kartice, koje koriste litografski tisak u arku.
Metcalf je dodao da će mnogi ljudi koji ne bi razmišljali o UV očvršćavanju zbog složenosti standardnih postupaka stvrdnjavanja - visokog napona, topline živinih žarulja i ekoloških problema - sada razmotriti UV-LED izlječenje jer podriva tradicionalne gnjavaže starog postupka .
UV LED diode donose takve prednosti kao što je tačno znanje o tome koja se razina snage isporučuje u medij za stvrdnjavanje, kao i druge prednosti po kojima su LED diode poznate, kao što je sposobnost moduliranja izlazne širine impulsa, rekao je Eskow.
Prijelaz na UV LED diode također je otvorio vrata ekološki prihvatljivijim formulacijama za stvrdnjavanje. Sljedećom generacijom proizvoda koje su tvrtke za proizvodnju tinte, premaza i ljepila razvijale, iskoristili su priliku za postupno ukidanje hlapljivih organskih spojeva (VOC-a) povezanih s formulacijama na osnovi otapala iz prošlih kemikalija.
Optimizacija izlječenja
Za UV uređaje duljih valnih duljina, na sličan način kao što je izrada plavih LED-a, epilari na bazi InGaN-a uzgajaju se na safirnim podlogama kako bi proizveli 385, 395 i 405 nm UV LED-a za stvrdnjavanje. Jedna od ključnih prednosti uređaja s većom valnom duljinom je ta što se mogu voziti većom snagom. "395 nm je stvarno slatko mjesto za UV LED očvršćavanje, jer je pri 405 nm formulacija osjetljiva na ambijentalno svjetlo, pa želite biti malo ispod 400, a moći ćete LED diode voziti velikom snagom", rekao je Lim. Svi glavni dobavljači formulacija za sušenje (fotoinicijatori i smole) nedavno su na tržište donijeli tinte i premaze veće valne duljine kako bi ispunili tu potrebu.
Sl. 4. Najviše se primjenjuje u UV-A i UV-B dijelovima spektra.
Sl. 4.
Osim što proizvode više energije, UV LED diode veće valne duljine imaju veću učinkovitost zidnih utikača. Na primjer, pri 365 nm, izlazna snaga UV LED-a iznosi samo 5-8% ulazne snage. Na 385 nm, ova se učinkovitost poboljšava, ali samo na ~ 15%, što čini čip veće valne duljine boljim izborom.
Za postupke stvrdnjavanja potrebni su veliki LED-ovi velike snage (višestruko umrijeti / čip) raspoređeni u usku matricu u konfiguraciji s ugrađenim čipom, blizu prozora emitera s unutarnjim zračnim ili vodenim hlađenjem kako bi uklonili toplinu iz uređaja. stražnja strana ploče. "Nije važno koliki je intenzitet UV zraka na prozoru emitera, važan je intenzitet na površini medija", rekao je Metcalf. Ovisno o opremi i primjeni stvrdnjavanja, medij može biti udaljen 1 do 100 mm od prozora emitera, za što je AMS proizveo posebnu optiku. Uz to, metalno hlađeni PCB koristi se za odvođenje topline od matrice LED-a.
Također se koristi zračno hlađenje. Na primjer, sustav za stvrdnjavanje prikazan na slici 1, koji ima emiterski prozor od 150 x 20 mm i gustoću protoka od 4 W / cm ², može se koristiti za stvrdnjavanje u boji, premaze ili ljepila. Danas je UV-LED oprema za stvrdnjavanje često posebno dizajnirana kako bi odgovarala primjeni. Metcalf opisuje velike natpise s ravnim krevetima kako mogu koristiti LED manje snage, ali brže digitalne, ofset i fleksografske tehnologije zahtijevaju usko raspoređene banke LED-a s velikom gustoćom. Iako zračenje nije vidljivo, kolimirajuća optika koristi se za isporuku zračenja s jednakom razinom snage kroz ciljni medij. Digitalno stvrdnjavanje je prvi segment koji je usvojio UV LED diode zbog potrebne bliske udaljenosti od medija kako bi glave ispisa imale optimalne performanse. Ovo je prirodno odgovaralo UV-LED svjetiljkama jer je intenzitet stvrdnjavanja najveći na prozoru emitera.
Sl. 5. Povijest i prognoza UV-LED tržišta
Sl. 5.
Stacy Volk, stručnjakinja za marketinške komunikacije u tvrtki Phoseon Technology iz Hillboroa, OR, proizvođač UV-LED sustava za sušenje, istaknula je da neke od dodatnih prednosti povezanih s UV-LED očvršćavanjem uključuju kontrolirani intenzitet stvrdnjavanja, skalabilnu opremu i činjenicu da strojevi su manji i kompaktni.
Jedno od pitanja s kojima se suočila industrija liječenja bila je nedosljednost u praksi mjerenja i definicija parametara, na primjer, definiranje radiometrijskog intenziteta. Udruženje za očvršćavanje UV LED-om (www.uvledcuring.org) nedavno je osnovano otvrdnjavanjem proizvođača Phoseon Technology, Integration Technology Limited i Lumen Dynamics kako bi "postavili smjernice i osigurali kompatibilnost u čitavoj industriji", izjavio je Bill Cortelyou, predsjednik i izvršni direktor tvrtke Phoseon Technology . Udruga također želi ubrzati razvoj aplikacija posebno pogodnih za UV LED diode, educirati istraživače, integratore i krajnje korisnike o prednostima UV LED dioda i pružiti forum za industrijsku komunikaciju i suradnju.
"U našem 15-godišnjem iskustvu u tehnologiji LED očvršćavanja, industrija je ostvarila značajna dostignuća koja su se dokazala kao održiva alternativa koja pruža značajne koristi", rekao je Allan Firhoj, predsjednik i izvršni direktor tvrtke Lumen Dynamics sa sjedištem u Ontariju u Kanadi. Dodao je, "Udruženje za sušenje UV LED-om bit će ključno za pomoć tržištu da stekne znanje i uvid u tehnologiju UV LED-a i njegove brojne komercijalne prednosti."
Druga asocijacija, Međunarodna LED-UV asocijacija (www.leduv.org), osnovana je u rujnu 2011. u Japanu kako bi organizirala proizvođače UV-LED pisača, proizvođača UV-LED-a i formulara tinte i premaza koji se zalažu za razvoj održivih i ekološki prihvatljive UV-LED tehnologije ispisa.
Proizvođači čipova
Tvrtke koje proizvode UV-LED čipove uključuju Crystal IS sa sjedištem u Green Islandu, NY (slika 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd, sa sjedištem u Tokiju, Japan ;. Nichia Corp, sa sjedištem u Tokushimi, Japan ;. SemiLEDs sa sjedištem u Hsinchuu na Tajvanu; .. SETi i Seoul Optodevice Co Ltd, sa sjedištem u Kyunggi-dou u Koreji, podružnici Seoul Semiconductor-a u potpunom vlasništvu.
Sl. 6. SETi-jevi UVClean LED nizovi isporučuju vrlo snažnu duboku UV svjetlost na 300-320 nm, optimalan raspon za fototerapije.
Sl. 6.
Proizvođači UV-LED-a usredotočeni su na kontinuirano poboljšanje učinkovitosti i vijeka trajanja svojih uređaja uz smanjenje troškova. Seoul Optodevice ima ugovor o proizvodnom partnerstvu sa tvrtkom SETi, koja proizvodi široku paletu UV LED i svjetiljki, i izvodi sve, od obrade oblatni do prilagođenog dizajna svjetiljki. Tvrtka pruža UV zračitelje u hermetički zatvorenim metalno-staklenim pakiranjima (TO-18, TO-39 i TO-3), sa standardnim proizvodima i prilagođenim rješenjima u rasponu valnih duljina od 240 do 355 nm. Slika 6 prikazuje primjere UV-LED nizova u svjetiljkama dizajniranim za isporuku zračenja u opsegu 300-320 nm za primjenu fototerapije kao što je liječenje stanja kože poput psorijaze ili ekcema.
Tim Bettles, direktor marketinga i prodaje u SETi-u, izjavio je da je njegov proizvodni ugovor sa seulskim Optodeviceom dizajniran da pomogne SETi-u povećati količinu UV LED-a i svjetiljki istovremeno smanjujući troškove. „Naši prvi UV-LED proizvodi lansirani su 2004. godine i od tada smo napredovali u razvoju tehnologije i usvajanju na tržištu. Sada prilagođavamo SETi-jeve kapacitete za veliku količinu proizvodnje kako bi udovoljili novim zahtjevima koji dolaze s glavnih potrošačkih tržišta “, rekao je Bettles. SETi je nedavno najavio kupnju novog pogona, gdje planira proizvoditi više od 100 milijuna UV LED dioda godišnje.
Devin Tang, voditelj marketinga SemiLED-a, izjavio je da tvrtka ima cijelu liniju golih kockica i LED-a upakovanih u površinu velike snage u rasponu od 360-400 nm. Primijetio je da se proizvodi tvrtke razlikuju od ostalih s obzirom na podloge od legure bakra od čipsa, koje omogućuju visoku toplinsku vodljivost (400 W / mK) i silicijske podloge u pakiranjima, što smanjuje troškove.
Epigap Optronic sa sjedištem u Berlinu u Njemačkoj, glavni distributer UV dioda Dowa, izjavio je da Dowa proizvodi gole kockice ili pakirane LED diode od 265, 280, 310, 325 i 340 nm. Nichia proizvodi 365, 375 i 385 nm površinsko montirane LED diode velike snage i žarulje male snage. Crystal IS proizvodi UV LED diode od 260 nm i jedina je tvrtka koja proizvodi LED na AlN podlogama.
Problemi s obradom oblatni
Kao što je prethodno naznačeno, epilaričari InGaN i GaN, uzgojeni MOCVD-om, koriste se za UV svjetla veće valne duljine proizvedene na safirskim podlogama, ali na nižim valnim duljinama moraju se koristiti epilarizatori AlGaN-a s povećanim sadržajem aluminija. Postoje mnogi različiti sastavi koji uključuju slojeve AlGaN, AlInGaN, AlInN i AlN epilarirajući slojevi, ali bez obzira na sastav postaje lakše uzgajati materijale na bazi AlGaN-a na AlN-podlogama nego safir u jednom trenutku, što je potaknulo razvoj dobavljača AlN-supstrata kao što je Hexatech, sa sjedištem u Morrosvilleu, NC. Bez obzira na to, AlN podloge dostupne su samo u malim veličinama i ostaju puno skuplje od safirnih pločica, čime ograničavaju ovo tržište.
Sl. 7. Spektralni izlaz žarulje sa živinom parom u UV i vidljivim područjima.
Sl. 7.
Nedavno je Theodore Moustakas sa Sveučilišta u Bostonu pionir u korištenju MBE (molekularna epitaksija snopa) za rast učinkovitijih (visoka interna kvantna učinkovitost) UV LED uređaja koji koriste slojeve temeljene na AIGaN-u na safirskim podlogama. Ovaj pristup nadmetao bi se s raznim MOCVD tehnikama koje se danas koriste za polaganje AlGaN-a.
Optika i pakiranje
Iako su proizvođači UV LED naporno radili na poboljšanju interne kvantne učinkovitosti i optičke učinkovitosti, ukupna učinkovitost ostaje ispod 20%, što znači da se velika količina topline mora odvojiti od spoja diode. „Da bi se današnjim tehnologijama čipova postigle potrebne gustoće protoka, emiteri s više kalupa moraju se pokretati s najvećom strujom. To je moguće samo s LED paketom koji može nositi ekstremne gustoće snage tijekom životnog vijeka proizvoda. Termički usklađeni paket bez stresa i staklena leća pomažu u uklanjanju uobičajenih načina neuspjeha pakiranja povezanih s UV LED-ima “, rekao je Thomas. Opisao je patentiranu višeslojnu keramičku podlogu LED Engin s izuzetno niskim toplinskim otporom koji brzo provodi toplinu iz spoja matrice (slika 2).
Dok su neki UV LED nizovi pakirani na keramičkoj podlozi, mnogi proizvođači, posebno uređaji s jednim čipom, koriste pakete s rupama tipa TO s mogućnošću staklenog vrha koji nude visoku propusnost UV zraka. Zamjena epoksidnih leća ravnim ili kupolastim staklom koje je sposobno za UV prijenos relativno je nov razvoj i omogućio je produljenje vijeka trajanja s oko 5000 sati na čak 30.000 sati. UV ubrzava razgradnju epoksidnog materijala na nelinearan način, izravno utječući na životni vijek. Staklene leće pružaju poboljšanu trajnost i poboljšanu pouzdanost. Druga je alternativa kombiniranje staklene leće sa silikonskim inkapsulantom kako bi se prilagodila još većoj gustoći protoka i većoj učinkovitosti, ali i kraćem životnom vijeku (15.000-20.000 sati).
Izbor hoće li se u pakiranju koristiti hermetičko zatvaranje, ponekad se određuje materijalima u čipu. "Aluminij-nitridna podloga gotovo nalaže upotrebu hermetičkog pakiranja, jer što je veći sadržaj aluminija, to je veći afinitet uređaja za kisik, pa će hermetička brtva bolje zaštititi UV uređaj", objasnio je Frank Gindele, voditelj razvoja proizvoda za Schott elektroničko pakiranje u Landshutu, Njemačka. Novi Schott-ov paket na bazi bakra i stakla nudi prednosti visoke toplinske vodljivosti i hermetičnosti.
Opasnosti od UV zračenja
Važno je prepoznati da neke od istih osobina čine UV LED-ove vrlo moćnim i korisnim - njihova niska valna duljina i velika energija. Jesu li i osobine koje ih čine opasnim Oznake upozorenja na UV LED-ima i njihovim proizvodima su jasne, ali uz napomenu:. UV-LED diode emitiraju nevidljivo ultraljubičasto zračenje tijekom rada, što može biti štetno za oči ili kožu, čak i na kraća razdoblja (Više informacija o fotobiološkoj sigurnosti potražite u našoj seriji članaka, čiji se dio nalazi na str. 63 ovog broja) .)
Sljedeći koraci
Kada ih se pita da identificiraju ključno pitanje koje bi moglo spriječiti korisnike UV-a da se prebace sa izvora živine pare na UV LED-e, mnogi sudionici u industriji kažu da se to svodi na lomljenje postojećeg industrijskog zamaha i, naravno, troškova. Lim misli da bi zaokruživanje portfelja valnih duljina znatno pomoglo usvajanju. "Mislim da ako možemo dobiti dobre LED od 250 nm, 285 nm i 300 nm, te tri valne duljine, onda možemo prilično zatvoriti vrata živinim lučnim žaruljama."
