U odnosu na vidljive LED diode, UV LED diode su mirno tržište sa samo 30 miliona dolara, no nedavna otkrića snage i intenziteta zračenja omogućila su premještanje sijalica sa živinom parom u primjene, uključujući UV očvršćavanje i otkrivanje falsifikata, izvještava LAURA PETERS.
+ + + +
Ovaj članak je objavljen u izdanju časopisa LEDs u februaru 2012. godine.
Pregledajte sadržaj i preuzmite PDF datoteku kompletnog izdanja za februar 2012. godine.
+ + + + +
Ispod vidljivog spektra leži pojas talasnih dužina koji se naziva ultraljubičasto (UV). U rasponu od 100 do 400 nm, zračenje se može efikasno koristiti za sterilizaciju kozmetike, vršenje forenzičke analize, očvršćavanje materijala (slika 1) i dezinfekciju vode, među mnogim drugim aplikacijama. Danas, kao što je slučaj sa LED diodama u vidljivom spektru, UV LED diode tek počinju zamijeniti uspostavljene UV izvore na isto tako raznolikom tržištu.
. SLIKA 1 Sustav očvršćavanja zasnovan na UV-LED-u Firefly (izvor: Phoseon Technology)
SLIKA 1.
"U poređenju sa industrijom LED rasvjete koja iznosi milijarde dolara, tržište UV-LED grešaka je zaokruživanje na oko 30 miliona dolara, ali brzo raste", rekao je Mike Lim, direktor globalnog industrijskog i novog poslovanja za Luminus Devices sa sjedištem u Billerici , MA.
Tržište UV očvršćavanja uživa najveći porast u usvajanju UV-LED-a zbog relativno nedavnog prodora gustine protoka UV-LED čipova iznad oznake 4W / cm2 na različitim talasnim duljinama potrebnim za uvođenje UV-LED očvršćavanja u proizvodnju sadržaji. "Po prvi put su LED-ovi dostigli gustoću snage zbog koje su UV LED-ovi konkurentni postojećim izvorima", rekao je Uwe Thomas, generalni direktor komponenata emitora u kompaniji 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 talasnim dužinama 395 nm, 385 nm ili 365 nm, koje su dio UV-A spektra (315 -400 nm). Druga važna UV-A aplikacija su inspekcijski sistemi zasnovani na mašinskom vidu. UV-LED baterijske lampe u ovom opsegu koriste se za otkrivanje lažne identifikacije i valute i nude prednost upotrebe u dobro osvijetljenim okruženjima, što je teško koristiti živinom lampom.
U UV-B spektru (280-315 nm), aplikacije za UV LED uključuju otvrdnjavanje, medicinsku svjetlosnu terapiju, forenzičku analizu i otkrivanje lijekova. Procjenjuje se od strane kompanije za istraživanje tržišta Yole Développement (Lyon, Francuska) 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 miliona u 2010. na više od 100 miliona 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)…
SLIKA 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 takođe ubrzava proizvodnju polifenola u određenom lisnatom povrću, poput crvene salate. Smatra se da polifenoli imaju antioksidativne kvalitete. „Općenito se ove biljke danas uzgajaju u plastenicima koji namjerno filtriraju UV dio spektra kako bi se maksimizirao rast biljaka. Zanimljivo je da imamo dokaze da kada su te biljke izložene UV-B LED-ima kratko vrijeme prije berbe, povećava se njihov sadržaj polifenola bez ugrožavanja biljne mase “, objasnio je Cary Eskow, globalni direktor naprednih LED-a i rasvjete 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 hemikalija. Polifenoli su također dobili pažnju zbog navodnih antikancerogenih, antiproliferativnih i antimutagenih svojstava. “
U donjem spektralnom opsegu UV-C (100-280 nm), primarna LED primjena je sterilizacija zraka i vode i niz analitičkih alata, uključujući one koji vrše spektroskopska i fluorescentna mjerenja. Hemijski i biološki detektori takođe rade u ovom spektralnom opsegu.
UV u opsegu 250-275 nm sterilizira vodu, vazduh i površine razbijanjem DNK i RNK mikroorganizama i sprečavajući njihovu reprodukciju. Konkretno, vjeruje se da je 275 nm najefikasnija talasna dužina za iskorjenjivanje patogena kao što je E-coli u vodi. U stvari, inženjeri kompanije Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), sa sjedištem u Columbiji, SC, utvrdili su da je 275 nm optimalna talasna dužina za dezinfekciju vode. SETi je demonstrirao dezinfekciju vode za piće u linijskom protočnom sistemu koristeći manje od 40 mW UV snage.
Alternative živinim lučnim lampama
U operacijama očvršćavanja, lampe sa živinom parom ometaju kratki životni vijek (2000-10.000 sati), sporo vrijeme zagrijavanja i hlađenja i široka spektralna raspodjela snage. "Pored toga, preko 60% energije koja se primjenjuje na tipičnu žarulju sa živinom parom zrači se unazad kao infracrvena energija, drugim riječima, toplina", rekao je Eskow. Dodao je da UV izlaz sijalice sa živinom parom brzo opada tijekom njenog radnog vijeka jer se dio njenog materijala elektrode isparava, odlažući film na unutrašnjost 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.
SLIKA 3. UV-C LED za gericidne primjene, od Crystal IS, Inc. Kompaniju je nedavno kupio japanski Asahi Kasel.
SLIKA 3
Živa lampa ima glavni vrh na 365 nm, ali nekoliko manjih vrhova u vidljivom i infracrvenom području (slika 7). Loša strana ovih stranih vrhova je stvaranje toplote tokom štampanja i drugih postupaka očvršćavanja. "S plastikom i ostalim materijalima osjetljivim na toplinu, postojali su pravi izazovi u tisku, jer se materijal iskrivljuje od topline živine lampe", objasnio je Steve Metcalf, izvršni direktor i predsjednik Air Motion Systems (AMS), proizvođača lijeka sistemi sa sedištem u River Fallsu, WI. Dao je primjere koji uključuju plastične poklon 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 sijalica i ekoloških problema - sada razmotriti UV-LED očvršćavanje jer podriva tradicionalne gnjavaže starog postupka .
UV LED diode donose takve prednosti kao što je tačno znanje o tome koji se nivo snage isporučuje medijumu za očvršćavanje, kao i druge prednosti po kojima su LED diode poznate, poput mogućnosti pulsne modulacije izlaza, rekao je Eskow.
Prelazak na UV LED diode otvorio je vrata i ekološki prihvatljivijim formulacijama za lečenje. Sljedećom generacijom proizvoda koje su kompanije za proizvodnju mastila, premaza i ljepila razvijale, iskoristili su priliku za postupno ukidanje hlapljivih organskih spojeva (VOC-a) povezanih s formulacijama iz prošlih hemikalija na bazi rastvarača.
Optimizacija liječenja
Za UV uređaje dužih talasnih dužina, na sličan način kao što je izrada plavih LED dioda, epilari na bazi InGaN uzgajaju se na safirskim podlogama kako bi proizveli 385, 395 i 405 nm UV LED dioda za očvršćavanje. Jedna od ključnih prednosti uređaja s valnom duljinom je ta što se njima može upravljati većom snagom. „395 nm je zaista slatko mjesto za UV LED očvršćavanje, jer je pri 405 nm formulacija osjetljiva na ambijentalno svjetlo, tako da želite biti malo ispod 400, a moći ćete upravljati LED-ima velike snage“, rekao je Lim. Svi glavni dobavljači formulacija za sušenje (fotoinicijatori i smole) nedavno su na tržište donijeli mastilo i premaze veće valne duljine kako bi ispunili ovu potrebu.
SLIKA 4. Najviše se primjenjuje na UV-A i UV-B dijelovima spektra.
SLIKA 4.
Pored toga što proizvode više energije, UV LED-ovi veće valne duljine imaju veću efikasnost zidnih utikača. Na primjer, pri 365 nm, izlazna snaga UV LED-a iznosi samo 5-8% ulazne snage. Na 385 nm, ova efikasnost se poboljšava, ali samo na ~ 15%, što čini čip veće talasne dužine boljim izborom.
Procesi otvrdnjavanja zahtijevaju velike LED diode velike snage (više matrica / čipova) raspoređenih u usku matricu u konfiguraciji čip-on-board, blizu prozora emitera sa unutrašnjim sistemom hlađenim zrakom ili vodom 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 očvršćavanja, medij može biti udaljen 1 do 100 mm od prozora emitora, za što je AMS proizveo posebnu optiku. Pored toga, metalno hlađeni PCB koristi se za odvođenje toplote od matrice LED-a.
Takođe se koristi vazdušno hlađenje. Na primjer, sistem stvrdnjavanja prikazan na slici 1, koji ima emiterski prozor od 150 x 20 mm i gustinu fluksa od 4W / cm², može se koristiti za tačkasto stvrdnjavanje mastila, premaza ili ljepila. Danas je UV-LED oprema za stvrdnjavanje često posebno dizajnirana da odgovara aplikaciji. Metcalf opisuje velike natpise sa ravnim krevetima kao mogućnost korištenja LED-a manje snage, ali brže digitalne, ofset i fleksografske tehnologije zahtijevaju blisko raspoređene banke LED-a sa velikom gustinom fluksa. Iako zračenje nije vidljivo, kolimirajuća optika koristi se za isporučivanje zračenja s jednakim nivoom snage kroz ciljni medij. Digitalno stvrdnjavanje je prvi segment koji je usvojio UV LED diode zbog potrebne blizine medija da bi glave štampača imale optimalne performanse. Ovo je bilo prirodno za UV-LED lampe jer je intenzitet očvršćavanja najveći na prozoru emitera.
SLIKA 5. Istorija i prognoza UV-LED tržišta
SLIKA 5.
Stacy Volk, stručnjakinja za marketinške komunikacije u kompaniji Phoseon Technology iz Hillboroa, OR, proizvođač UV-LED sistema za sušenje, istaknula je da neke od dodatnih prednosti povezanih sa UV-LED očvršćavanjem uključuju kontrolirani intenzitet očvršćavanja, skalabilnu opremu i činjenicu da mašine su manje i kompaktne.
Jedno od pitanja s kojima se suočila industrija su nedosljednosti 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 Phoseon Technology . Udruženje 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 shvatila 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 očvršćavanje UV LED-om bit će ključno u pomaganju 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 septembru 2011. u Japanu kako bi organizovala proizvođače UV-LED štampača, proizvođača UV-LED-a i formulara mastila i premaza koji su posvećeni razvoju održivih i ekološke UV-LED tehnologije štampe.
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.
SLIKA 6. SETi-jevi UVClean LED nizovi pružaju vrlo snažnu duboku UV svjetlost na 300-320 nm, optimalan opseg za fototerapije.
SLIKA 6.
Proizvođači UV-LED-a fokusiraju se na kontinuirano poboljšanje efikasnosti i vijeka trajanja svojih uređaja uz smanjenje troškova. Seoul Optodevice ima ugovor o proizvodnom partnerstvu sa kompanijom SETi, koja proizvodi široku paletu UV LED i lampi, i izvodi sve, od obrade oblatni do prilagođenog dizajna lampe. Tvrtka pruža UV zračitelje u hermetički zatvorenim metalno-staklenim ambalažama (TO-18, TO-39 i TO-3), sa standardnim proizvodima i prilagođenim rješenjima u rasponu talasnih dužina od 240 do 355 nm. Slika 6 prikazuje primjere UV-LED nizova u lampama dizajniranim za isporuku zračenja u opsegu 300-320 nm za aplikacije 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 da poveća količinu UV LED-a i lampi, a istovremeno smanjuje 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 sa glavnih potrošačkih tržišta “, rekao je Bettles. SETi je nedavno najavio kupovinu novog pogona, gdje planira proizvodnju više od 100 miliona UV LED-a godišnje.
Devin Tang, marketinški menadžer SemiLED-a izjavio je da kompanija ima čitavu liniju golih kockica i LED-a upakovanih u površinu velike snage u opsegu 360-400 nm. Primijetio je da se proizvodi kompanije razlikuju od ostalih s obzirom na podloge od legura bakra čipsa, koje omogućavaju visoku toplotnu provodljivost (400 W / mK) i silicijske podloge u paketima, što smanjuje troškove.
Epigap Optronic, sa sjedištem u Berlinu, Njemačka, 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 snage velike snage i lampe male snage. Crystal IS proizvodi UV LED diode od 260 nm i jedina je kompanija koja proizvodi LED na AlN podlogama.
Problemi s obradom oblatni
Kao što je prethodno naznačeno, epilaričari InGaN i GaN, uzgajani MOCVD-om, koriste se za UV-diode veće talasne dužine proizvedene na safirskim podlogama, ali na nižim valnim duljinama moraju se koristiti epilarizatori AlGaN-a sa povećanim sadržajem aluminijuma. Postoje mnogi različiti sastavi koji uključuju slojeve AlGaN, AlInGaN, AlInN i AlN epilajera, 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-podloge kao što je Hexatech, sa sjedištem u Morrosvilleu, NC. Bez obzira na to, AlN podloge dostupne su samo u malim veličinama i ostaju mnogo skuplje od safirnih napolitanki, čime ograničavaju ovo tržište.
SLIKA 7. Spektralni izlaz lampe sa živinom parom u UV i vidljivim područjima.
SLIKA 7.
Nedavno je Theodore Moustakas sa Univerziteta u Bostonu pionir u upotrebi MBE (molekularna epitaksija snopa) za rast efikasnijih (visoke unutrašnje kvantne efikasnosti) UV LED uređaja koji koriste slojeve zasnovane na AIGaN-u na safirskim podlogama. Ovaj pristup nadmetao bi se s različitim MOCVD tehnikama koje se danas koriste za deponovanje AlGaN-a.
Optika i ambalaža
Iako su proizvođači UV LED naporno radili na poboljšanju interne kvantne efikasnosti i optičke efikasnosti, ukupna efikasnost ostaje ispod 20%, što znači da se velika količina toplote mora odvojiti od spoja diode. „Da bi se postigle potrebne gustine fluksa sa današnjim tehnologijama čipova, višesmjerni emiteri moraju se pokretati s najvećom strujom. To je moguće samo sa LED paketom koji može nositi ekstremne gustoće snage tokom 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 LED Enginovu patentiranu višeslojnu keramičku podlogu sa izuzetno niskim toplotnim otporom koji brzo provodi toplinu iz spoja matrice (slika 2).
Dok su neki UV LED nizovi pakirani na keramičkim podlogama, mnogi proizvođači, posebno uređaji s jednim čipom, koriste pakete sa rupama tipa TO sa kantama sa staklenim vrhom koji nude visoku propusnost UV zraka. Zamena epoksidnih sočiva ravnim ili kupolastim staklom sposobnim za UV prenos relativno je nov razvoj i omogućio je produženje životnog veka sa oko 5000 sati na čak 30.000 sati. UV ubrzava razgradnju epoksidnog materijala na nelinearan način, direktno utičući na životni vijek. Staklene leće pružaju poboljšanu trajnost i poboljšanu pouzdanost. Druga alternativa je kombinacija staklenih sočiva sa silikonskim inkapsulantom kako bi se prilagodila još većoj gustini fluksa i većoj efikasnosti, ali i kraćem životnom vijeku (15.000-20.000 sati).
Izbor hoće li se u pakovanju koristiti hermetičko zatvaranje, ponekad se određuje materijalima u čipu. "Aluminijum-nitridna podloga gotovo nalaže upotrebu hermetičkog paketa, 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, menadžer za razvoj proizvoda za Schott elektroničko pakiranje u Landshutu, Njemačka. Novi Schott-ov paket na bazi bakra i stakla nudi prednosti visoke toplotne provodljivosti i hermetičnosti.
Opasnosti od UV zračenja
Važno je prepoznati da neke od istih osobina čine UV LED-ove vrlo moćnim i korisnim - njihova mala talasna dužina i velika energija. Postoje li i osobine koje ih čine opasnim Oznake upozorenja na UV LED-ima i njihovim proizvodima su jasne, ali uz napomenu:. UV-LED zrače nevidljivim ultraljubičastim zračenjem tokom rada, što može biti štetno za oči ili kožu, čak i na kraće periode (Više informacija o fotobiološkoj sigurnosti potražite u našoj seriji članaka, čiji se dio nalazi na str. 63 ovog broja) .)
Sljedeći koraci
Na pitanje da identificiraju ključno pitanje koje bi moglo spriječiti korisnike UV-a da se prebace sa izvora živine pare na UV LED diode, mnogi sudionici u industriji kažu da se to svodi na lomljenje postojećeg industrijskog zamaha i, naravno, troškova. Lim misli da bi zaokruživanje portfelja talasnih dužina 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 lampama."
