Palyginti su matomais šviesos diodais, UV šviesos diodai yra rami rinka, kainuojanti tik 30 mln. JAV dolerių, tačiau naujausi radiacijos galios ir intensyvumo proveržiai leido išstumti gyvsidabrio garų lempas tokiose srityse, kaip UV kietinimas ir padirbinių nustatymas, praneša LAURA PETERS.
+ + + +
Šis straipsnis buvo paskelbtas 2012 m. Vasario mėn. „LEDs Magazine“ numeryje.
Peržiūrėkite turinį ir atsisiųskite viso 2012 m. Vasario mėnesio leidimo PDF failą.
+ + + + +
Žemiau matomo spektro yra bangos ilgių juosta, vadinama ultravioletine (UV). Nuo 100 iki 400 nm spinduliuotė gali būti efektyviai naudojama kosmetikai sterilizuoti, teismo ekspertizei atlikti, medžiagoms išgydyti (1 pav.) Ir vandeniui dezinfekuoti. Šiandien, kaip ir matomo spektro šviesos diodų atveju, UV šviesos diodai tik pradeda keisti jau įsitvirtinusius UV šaltinius taip pat įvairiose rinkose.
. 1 pav. „Firefly“ kietinimo oru aušinama UV šviesos diodų sistema (šaltinis: „Phoseon Technology“) ..
Fig. 1.
„Palyginti su kelių milijardų dolerių LED apšvietimo pramone, UV-LED rinka yra apvalinimo klaida ir siekia apie 30 milijonų dolerių, tačiau ji sparčiai auga“, - sakė Mike'as Limas, „Luminus Devices“, įsikūrusio Billericoje, pasaulinės pramonės ir naujo verslo direktorius. , MA.
Iki šiol ultravioletinių spindulių kietėjimo rinka patiria didžiausią ultravioletinių spindulių įsisavinimo spartą dėl palyginti neseniai įvykusio UV-LED lustų srauto tankio proveržio, viršijančio 4W / cm2 ženklą, esant skirtingiems bangos ilgiams, reikalingiems UV-LED kietėjimui gaminti. įrenginius. „Pirmą kartą šviesos diodai pasiekė galios tankį, dėl kurio UV šviesos diodai tapo konkurencingi esamiems šaltiniams“, - sakė Uwe Thomasas, emiterio komponentų su „LED Engin“, UV ir matomų šviesos diodų tiekėjas, įsikūręs Santa Klare, Kalifornijoje, generalinis direktorius.
UV-A, B ir C
Kietinimas apima kryžminę šviesai jautrios medžiagos, kuri gali būti rašalas (spauda), klijų ar dangos, polimerizaciją ir pirmiausia atliekamas esant 395 nm, 385 nm arba 365 nm bangos ilgiams, kurie yra UV-A spektro dalis (315 nm). -400 nm). Kita svarbi UV-A programa yra tikrinimo sistemos, pagrįstos mašinos regėjimu. Šio diapazono UV šviesos diodų žibintuvėliai naudojami apgaulingam identifikavimui ir valiutai nustatyti, ir jie yra naudingi gerai apšviestoje aplinkoje, o tai sunku naudojant gyvsidabrio garų lempą.
UV-B spektras (280-315 nm) apima UV šviesos diodų gydymą, medicininę šviesos terapiją, teismo ekspertizę ir vaistų atradimą. Rinkos tyrimų įmonė „Yole Développement“ (Lionas, Prancūzija) apskaičiavo, kad šiandien 90% UV šviesos diodų yra UV-A ir UV-B regionuose (4 pav.). Yole pareiškė, kad tikisi, kad UV šviesos diodų rinka kasmet augs 30% nuo 25 mln. USD 2010 m. Iki daugiau kaip 100 mln. USD 2016 m. 5 paveiksle pavaizduota dar optimistiškesnė Optoelektronikos pramonės plėtros asociacijos, Tarptautinės optoelektronikos asociacijos ir Europos fotonikos pramonės konsorciumo prognozė.
2 paveikslas Daugialypis UV spindulių skleidėjas keramikos pakuotėje (šaltinis: LED Engin)…
Fig. 2.
Be šių programų, žinoma, kad UV-B spinduliuotė turi naudingų savybių sveikatai, įskaitant natūralią vitamino D sintezę žmonėms, kurie yra saulės spindulių. UV-B taip pat pagreitina polifenolių gamybą tam tikrose lapinėse daržovėse, pavyzdžiui, raudonose salotose. Manoma, kad polifenoliai pasižymi antioksidacinėmis savybėmis. „Paprastai šie augalai šiandien auginami šiltnamiuose, kurie tyčia filtruoja UV spektro dalį, kad maksimaliai padidintų augalų augimą. Įdomu tai, kad turime įrodymų, kad kai šie augalai yra paveikti UV-B šviesos diodų prieš trumpą laiką iki derliaus nuėmimo, jų polifenolio kiekis padidėja nepažeidžiant augalų masės “, - paaiškino Cary Eskow, pasaulinė pažangių šviesos diodų ir apšvietimo direktorė„ Avnet Electronics Marketing “, Fenikse. , AZ, kuri platina UV šviesos diodus. Jis tęsė: „Tai naujas būdas padidinti kai kurių maisto produktų patrauklumą nenaudojant chemikalų. Polifenoliai taip pat sulaukė dėmesio dėl jų tariamų antikarcinogeninių, antiproliferacinių ir antimutageninių savybių. „
Apatiniame UV-C spektriniame diapazone (100–280 nm) pagrindinės šviesos diodų paskirtys yra oro ir vandens sterilizavimas ir daugybė analizės priemonių, įskaitant tas, kurios atlieka spektroskopinius ir fluorescencinius matavimus. Cheminiai ir biologiniai detektoriai taip pat veikia šiame spektro diapazone.
UV spinduliai 250–275 nm diapazone sterilizuoja vandenį, orą ir paviršius, suskaidydami mikroorganizmų DNR ir RNR ir neleisdami jų daugintis. Manoma, kad 275 nm yra efektyviausias bangos ilgis norint išnaikinti patogenus, tokius kaip E-coli vandenyje. Tiesą sakant, „Sensor Electronic Technology Inc.“ (SETi), įsikūrusios Kolumbijoje, SC, inžinieriai nustatė, kad optimalus vandens dezinfekavimo bangos ilgis yra 275 nm. SETi pademonstravo geriamojo vandens dezinfekavimą srautinio srauto sistemoje, naudojant mažiau nei 40 mW UV galią.
Gyvsidabrio lanko lempų alternatyvos
Gamybos kietinimo operacijose gyvsidabrio garų lempoms trukdo trumpas tarnavimo laikas (2000–10 000 val.), Lėtas įšilimo ir atvėsimo laikas bei platus spektrinės galios pasiskirstymas. „Be to, daugiau nei 60% energijos, kuri naudojama tipinei gyvsidabrio garų lempai, vėl spinduliuojama kaip infraraudonųjų spindulių energija, kitaip tariant, šiluma“, - sakė Eskow. Jis pridūrė, kad gyvsidabrio garų lempos ultravioletinė spinduliuotė greitai krinta per visą jos eksploatavimo laiką, nes dalis jos elektrodo medžiagų išgaruoja, ant kvarcinio vamzdelio vidinės pusės nusėdo plėvelė, į kurią UV negali prasiskverbti. Todėl vartotojas negali lengvai nuspėti vėliau susidariusio UV kiekio kiekis ;. dažnai tai yra kritinis proceso parametras.
Fig. 3. UV-C šviesos diodai, skirti naudoti baktericidus, iš „Crystal IS, Inc.“. Neseniai įmonę įsigijo Japonijoje įsikūrusi Asahi Kasel.
Fig. 3.
Gyvsidabrio lempos pagrindinė smailė yra 365 nm, tačiau matomame ir infraraudonųjų spindulių regionuose yra keletas mažesnių smailių (7 pav.). Šių pašalinių smailių trūkumas yra šilumos susidarymas spausdinimo ir kitų kietinimo operacijų metu. „Su plastikais ir kitomis karščiui jautriomis medžiagomis spausdinant kilo rimtų iššūkių, nes terpė iškreipiama dėl gyvsidabrio lempos kaitros“, - paaiškino kietėjimo gamintojas, „Air Motion Systems“ (AMS) generalinis direktorius ir prezidentas Steve'as Metcalfas. River Falls, WI, esančios sistemos. Jis pateikė pavyzdžių, kurie apima plastikines dovanų korteles ar kreditines korteles, kuriose naudojama litografinė spauda su lakštais.
Metcalfas pridūrė, kad daugelis žmonių, kurie dėl standartinių kietėjimo procesų sudėtingumo - aukštos įtampos, gyvsidabrio lempučių šilumos ir aplinkosaugos problemų - nebūtų galvoję apie UV kietėjimą, dabar svarstys galimybę kietėti UV-LED, nes tai sugadina tradicinius senojo proceso rūpesčius. .
UV šviesos diodai suteikia tokios naudos, kaip tiksliai žinoti, koks galios lygis tiekiamas į kietėjimo terpę, taip pat žinomi kiti šviesos diodų pranašumai, tokie kaip galimybė pulsuoti pločio moduliaciją išėjimui, teigė Eskow.
Perėjimas prie UV šviesos diodų taip pat atvėrė duris į ekologiškesnes kietėjimo formas. Su naujos kartos produktais, kuriuos kūrė rašalo, dengimo ir klijų gamybos įmonės, jie pasinaudojo galimybe palaipsniui atsisakyti lakiųjų organinių junginių (LOJ), susijusių su praeityje buvusių cheminių medžiagų tirpikliais.
Vulkanizavimo optimizavimas
Didesnio bangos ilgio UV įtaisams, panašiai kaip gaminant mėlynus šviesos diodus, „InGaN“ pagrindu sukurti epiliatoriai auginami ant safyro pagrindų, kad būtų pagaminti 385, 395 ir 405 nm UV šviesos diodai, skirti kietėti. Vienas esminių didesnio bangos ilgio prietaisų privalumas yra tas, kad juos galima valdyti didesne galia. „395 nm yra iš tikrųjų puiki vieta, kur kietėja UV šviesos diodai, nes esant 405 nm bangos kompozicija yra jautri aplinkos šviesai, todėl jūs norite būti šiek tiek mažesnis nei 400, tuo pačiu galėdami valdyti šviesos diodus didele galia“, - sakė Lim. Visi pagrindiniai kietėjimo kompozicijų tiekėjai (fotoiniciatoriai ir dervos) pastaruoju metu į rinką pristatė didesnio bangos ilgio rašalus ir dangas, kad patenkintų šį poreikį.
Fig. 4. Daugiausia taikoma UV-A ir UV-B spektro dalyse.
Fig. 4.
Be didesnės galios, didesnio bangos UV šviesos diodai pasižymi didesniu sienų kištukų efektyvumu. Pavyzdžiui, esant 365 nm, UV šviesos diodų išėjimo galia yra tik 5–8% įvesties galios. Esant 385 nm bangai, šis efektyvumas pagerėja, bet tik iki ~ 15%, todėl didesnio bangos lustas yra geresnis pasirinkimas.
Norint išgydyti procesus, reikalingi dideli, galingi šviesos diodai (daugybė štampų / mikroschemų), išdėstyti sandarioje matricoje, esančioje lusto-laive konfigūracijoje, arti emiterio lango su oru arba vandeniu aušinama vidine sistema, kad būtų pašalinta šiluma. lentos gale. „Nesvarbu, koks yra ultravioletinių spindulių intensyvumas prie spinduolio lango, svarbu, koks yra intensyvumas terpės paviršiuje“, - sakė Metcalfas. Priklausomai nuo įrangos ir kietėjimo taikymo, terpė gali būti nuo 1 iki 100 mm nuo spinduolio lango, kuriam AMS pagamino specialią optiką. Be to, metalu aušinamas PCB naudojamas nuskandinti šilumą nuo šviesos diodų matricos.
Taip pat naudojamas oro aušinimas. Pavyzdžiui, dažymo sistema, pavaizduota 1 paveiksle, kurios spinduliavimo langas yra 150 x 20 mm, o srauto tankis - 4 W / cm2, gali būti naudojama dažant vietoje dažams, dangoms ar klijams. Šiandien UV-LED kietėjimo įranga dažnai yra specialiai sukurta taip, kad atitiktų paskirtį. „Metcalf“ apibūdina didelius plokščių lovų reklaminius spausdintuvus, kurie gali naudoti mažesnės galios šviesos diodus, tačiau norint naudotis didesnio greičio skaitmeninėmis, ofsetinėmis ir fleksografinėmis technologijomis reikalingi glaudžiai išdėstyti didelio srauto šviesos diodų bankai. Nors spinduliuotės nematyti, kolimuojanti optika naudojama vienodos galios spinduliuotei perduoti tikslinėje terpėje. Skaitmeninis rašalinis kietėjimas buvo pirmasis segmentas, pasirinkęs UV šviesos diodus, nes spausdinimo galvutės optimaliai veikė reikalingu artimu atstumu iki laikmenos. Tai natūraliai tinka UV-LED lempoms, nes kietėjimo intensyvumas didžiausias ties spinduolio langu.
Fig. 5. UV-LED rinkos istorija ir prognozė.
Fig. 5.
Stacy Volkas, „Phoseon Technology“ rinkodaros komunikacijos specialistas Hillboro mieste, OR, gaminantis UV-LED kietinimo sistemas, atkreipė dėmesį į kai kuriuos papildomus privalumus, susijusius su UV-LED kietinimu, yra kontroliuojamas kietėjimo intensyvumas, keičiama įranga ir tai, kad mašinos yra mažesnės ir kompaktiškos.
Viena iš problemų, su kuriomis susidūrė kietėjimo pramonė, buvo matavimo praktikos neatitikimai ir parametrų apibrėžimai, pavyzdžiui, apibrėžiant radiometrinį intensyvumą. „UV LED Curing“ asociacija (www.uvledcuring.org) neseniai buvo įkurta gydant „Phoseon Technology“, „Integration Technology Limited“ ir „Lumen Dynamics“ gamintojus, kad „nustatytų gaires ir užtikrintų suderinamumą visoje pramonėje“, - teigė Bill Phortonou, „Phoseon Technology“ prezidentas ir generalinis direktorius. . Asociacija taip pat siekia padėti sparčiau kurti programas, ypač tinkamas UV šviesos diodams, šviesti tyrėjus, integruotojus ir galutinius vartotojus apie UV šviesos diodų teikiamą naudą ir suteikti forumą pramonės bendravimui ir bendradarbiavimui.
„Per 15 metų patirtį, susijusią su šviesos diodų apdorojimo technologija, pramonė įgyvendino reikšmingus proveržius, kurie įrodė, kad šviesos diodai yra perspektyvi alternatyva, suteikianti didelę naudą“, - sakė Allanas Firhojus, „Lumen Dynamics“ prezidentas ir generalinis direktorius Ontarijuje, Kanadoje. Jis pridūrė: „UV LED kietėjimo asociacija padės rinkai įgyti žinių ir įžvalgų apie UV LED technologijas ir daugybę jos komercinių privalumų.“
Antroji asociacija, Tarptautinė LED-UV asociacija (www.leduv.org), buvo įkurta 2011 m. Rugsėjo mėn. Japonijoje, siekdama organizuoti UV-LED spausdintuvų gamintojus, UV-LED gamintojus ir rašalo bei dangų gamintojus, kurie yra įsipareigoję kurti tvarius ir aplinkai nekenksmingas UV-LED spausdinimo technologijas.
Lustų gamintojai
Įmonės, gaminančios UV-LED lustus, yra „Crystal IS“, įsikūrusi Green Island, NY (3 pav.) ;. Tokijuje, Japonijoje įsikūrusi „Dowa Electronic Materials Co Ltd“. „Nichia Corp“, įsikūrusi Tokushimoje, Japonijoje; „SemiLEDs“, įsikūrusi Hsinchu mieste, Taivane; .. SETi ir Seulo „Optodevice Co Ltd“, įsikūrusi Kyunggi-do mieste, Korėjoje, visiškai priklausanti „Seoul Semiconductor“ dukterinė įmonė.
Fig. 6. „SETi“ „UVClean“ šviesos diodų matricos skleidžia labai didelę galią giliai UV spinduliams esant 300–320 nm bangos ilgiui - tai optimaliausias diapazonas fototerapijoms.
Fig. 6.
UV-LED gamintojai siekia nuolat gerinti savo prietaisų efektyvumą ir tarnavimo laiką, tuo pačiu mažindami išlaidas. Seulo „Optodevice“ turi gamybos partnerystės sutartį su „SETi“, kuri gamina platų UV šviesos diodų ir lempų asortimentą ir vykdo viską, pradedant plokščių apdorojimu ir baigiant lempų dizainu. Bendrovė tiekia UV spindulius skleidžiančias medžiagas hermetiškai uždarytose metalinio stiklo pakuotėse (TO-18, TO-39 ir TO-3) su standartiniais gaminiais ir individualiais sprendimais, kurių bangos ilgio diapazonas yra nuo 240 iki 355 nm. 6 paveiksle pateikti ultravioletinių spindulių šviesos diodų matricų, skirtų 300–320 nm spinduliuotei spinduliuoti, pavyzdžiai, taikant fototerapijos programas, pvz., Odos ligas, tokias kaip psoriazė ar egzema.
Timas Bettlesas, „SETi“ rinkodaros ir pardavimų direktorius, teigė, kad jos gamybos sutartis su Seulo „Optodevice“ yra skirta padėti „SETi“ padidinti UV šviesos diodų ir lempų kiekį, tuo pačiu sumažinant išlaidas. „Pirmieji mūsų UV-LED produktai buvo paleisti 2004 m., O nuo to laiko nuėjome ilgą kelią kurdami technologijas ir pritaikydami rinką. Dabar mes stengiamės išgauti didelę gamybos apimtį, kad patenkintume naujus poreikius, kylančius iš pagrindinių vartotojų rinkų “, - sakė Bettles. „SETi“ neseniai paskelbė apie naujo objekto pirkimą, kuriame planuoja per metus pagaminti daugiau nei 100 milijonų UV šviesos diodų.
Devinas Tangas, „SemiLEDs“ rinkodaros vadovas, teigė, kad bendrovė turi visą plikų kauliukų ir ant paviršiaus montuojamų didelės galios supakuotų šviesos diodų liniją 360–400 nm diapazone. Jis pažymėjo, kad bendrovės produktai yra diferencijuojami nuo kitų, atsižvelgiant į drožlių vario lydinio pagrindus, kurie leidžia aukštą šilumos laidumą (400 W / mK) ir silicio pagrindus pakuotėse, o tai sumažina kainą.
„Epigap Optronic“, įsikūrusi Berlyne (Vokietija), kuri yra pagrindinis „Dowa“ UV šviesos diodų platintojas, nurodė, kad „Dowa“ gamina 265, 280, 310, 325 ir 340 nm plikius kauliukus arba supakuotus šviesos diodus. „Nichia“ gamina 365, 375 ir 385 nm paviršiaus tvirtinamus didelės galios šviesos diodus ir mažos galios lempas. „Crystal IS“ gamina 260 nm UV šviesos diodus ir yra vienintelė įmonė, gaminanti šviesos diodus ant AlN substratų.
Vaflių apdorojimo klausimai
Kaip buvo minėta anksčiau, MOCVD užauginti „InGaN“ ir „GaN“ epiliatoriai naudojami didesnio bangos UV šviesos diodams, pagamintiems ant safyro substratų, tačiau esant mažesniems bangos ilgiams, reikia naudoti didėjančio aliuminio kiekio „AlGaN“ epiliatorius. Yra daug skirtingų kompozicijų, kuriose yra sluoksnių AlGaN, AlInGaN, AlInN ir AlN epiliatorių, tačiau kad ir kokia būtų kompozicija, AlGaN pagrindu pagamintas medžiagas ant AlN substratų auginti tampa lengviau nei tam tikru metu safyrą, o tai paskatino AlN substrato tiekėjų plėtrą. pavyzdžiui, „Hexatech“, įsikūręs Morosvilyje, NC. Nepaisant to, AlN substratai yra tik mažų dydžių ir išlieka daug brangesni už safyro plokšteles, taip apribodami šią rinką.
Fig. 7. Gyvsidabrio garų lempos spektrinis spinduliavimas UV ir matomose vietose.
Fig. 7.
Neseniai Theodore'as Moustakas iš Bostono universiteto pradėjo naudoti MBE (molekulinio pluošto epitaksiją), kad išaugtų efektyvesni (didelio vidinio kvantinio efektyvumo) UV šviesos diodų prietaisai, naudojant AIGaN pagrindu pagamintus sluoksnius ant safyro substratų. Šis metodas konkuruotų su įvairiais MOCVD metodais, kurie šiandien naudojami AlGaN deponavimui.
Optika ir pakuotės
Nors UV šviesos diodų gamintojai daug dirbo, kad pagerintų vidinį kvantinį efektyvumą ir optinį efektyvumą, bendras efektyvumas išlieka mažesnis nei 20%, o tai reiškia, kad iš diodo jungties reikia išsklaidyti daug šilumos. „Norint pasiekti reikiamą srauto tankį naudojant šiuolaikines mikroschemų technologijas, daugialypius spindulius reikia vairuoti didžiausia srove. Tai įmanoma tik su LED paketu, galinčiu valdyti didelius galios tankius visą produkto naudojimo laiką. Termiškai suderinta pakuotė be įtampos ir stiklinis lęšis padeda pašalinti įprastus pakuočių gedimo režimus, susijusius su UV šviesos diodais “, - sakė Thomas. Jis apibūdino „LED Engin“ užpatentuotą daugiasluoksnį keraminį pagrindą, kurio šiluminė varža yra labai maža ir kuris greitai praleidžia šilumą iš presavimo mazgo (2 pav.).
Nors kai kurios UV šviesos diodų matricos yra supakuotos ant keramikos pagrindų, daugelis gamintojų, ypač vienos mikroschemos įtaisų, naudoja TO tipo kiaurymių paketus su stikliniu viršumi, kuris suteikia aukštą UV spindulių perdavimą. Epoksidinių lęšių pakeitimas plokščiu arba kupolo formos stiklu, galinčiu praleisti UV spindulius, yra gana nauja plėtra, leidžianti pratęsti gyvenimo trukmę nuo maždaug 5000 valandų iki net 30 000 valandų. UV padidina epoksidinės medžiagos skaidymąsi netiesiniu būdu, tiesiogiai paveikdamas gyvenimo trukmę. Stiklo lęšiai užtikrina didesnį patvarumą ir patikimumą. Kita alternatyva yra sujungti stiklinį lęšį su silikoniniu kapsuliu, kad būtų galima pritaikyti dar didesnį srauto tankį ir didesnį efektyvumą, tačiau trumpesnį tarnavimo laiką (15 000–20 000 val.).
Pasirinkimą naudoti pakuotėje hermetišką sandarinimą kartais lemia lusto medžiagos. „Aliuminio nitrido substratas beveik diktuoja hermetiškos pakuotės naudojimą, nes kuo didesnis aliuminio kiekis, tuo didesnis prietaiso afinitetas deguoniui, todėl hermetiškas sandariklis geriau apsaugo UV įrenginį“, - paaiškino Frankas Gindele, produkto plėtros vadovas. „Schott“ elektroninė pakuotė Landshute, Vokietijoje. Nauja „Schott“ vario ir stiklo pakuotė siūlo didelio šilumos laidumo ir hermetiškumo pranašumus.
UV spindulių pavojai
Svarbu pripažinti, kad kai kurios tos pačios savybės, dėl kurių UV šviesos diodai yra labai galingi ir naudingi, - jų mažas bangos ilgis ir didelė energija. Ar taip pat yra savybės, dėl kurių jie yra pavojingi Įspėjamosios etiketės ant UV šviesos diodų ir jų gaminių yra aiškios, tačiau pažymimos:. UV šviesos diodai veikdami skleidžia nematomą ultravioletinę spinduliuotę, kuri net trumpam gali pakenkti akims ar odai (Daugiau informacijos apie fotobiologinę saugą ieškokite mūsų straipsnių serijoje, kurios 3 dalis pateikiama šio leidimo p. 63) .)
Tolesni žingsniai
Paprašius nustatyti pagrindinę problemą, dėl kurios ultravioletinių spindulių vartotojai gali nesikeisti nuo gyvsidabrio garų šaltinių prie UV šviesos diodų, daugelis pramonės dalyvių sako, kad tai nulemia dabartinės pramonės impulsą ir, žinoma, išlaidas. Limas mano, kad bangos ilgio portfelio suapvalinimas padėtų įveikti ilgą kelią. "Manau, kad jei mes galime gauti gerus 250 nm, 285 nm ir 300 nm šviesos diodus, tuos tris bangos ilgius, tai mes galime beveik uždaryti gyvsidabrio lanko lempų duris."
