Glede na vidne LED diode so UV LED tihi trg s samo 30 milijoni dolarjev, vendar so nedavni preboji v moči in intenzivnosti sevanja omogočili premik žarnic z živosrebrnimi hlapi pri aplikacijah, vključno z ultravijoličnim utrjevanjem in zaznavanjem ponaredkov, poroča LAURA PETERS.
+ + + +
Ta članek je bil objavljen v reviji LEDs februarja 2012.
Oglejte si kazalo in prenesite datoteko PDF celotne številke iz februarja 2012.
+ + + + +
Pod vidnim spektrom leži pas valovnih dolžin, imenovan ultravijolično (UV). V obsegu od 100 do 400 nm lahko sevanje med številnimi drugimi aplikacijami učinkovito uporabimo za sterilizacijo kozmetike, izvedbo forenzičnih analiz, sušenje materialov (slika 1) in razkuževanje vode. Danes, tako kot pri LED v vidnem spektru, UV LED šele začenjajo nadomeščati uveljavljene UV vire na prav tako raznolikem trgu.
. SLIKA 1 Sistem za strjevanje na osnovi UV-LED Firefly (vir: Phoseon Technology).
Sl. 1.
"V primerjavi z več milijardami dolarjev LED-razsvetljave je trg UV-LED zaokrožitev približno 30 milijonov dolarjev, vendar hitro narašča," je povedal Mike Lim, direktor globalnega industrijskega in novega podjetja za Luminus Devices s sedežem v Billerici. , MA.
Daleč na trgu UV-utrjevanja je največji porast sprejetja UV-LED zaradi razmeroma nedavnega preboja gostote pretoka čipov UV-LED nad mejo 4W / cm2 pri različnih valovnih dolžinah, potrebnih za proizvodnjo UV-LED sušenja objektov. "LED diode so prvič dosegle gostoto moči, zaradi katere so UV diode konkurenčne obstoječim virom," je povedal Uwe Thomas, generalni direktor oddajnih komponent pri LED Engin, ponudniku UV in vidnih LED s sedežem v Santa Clari v Kaliforniji.
UV-A, B in C
Sušenje vključuje navzkrižno polimerizacijo fotoobčutljivega materiala, ki je lahko črnilo (tisk), lepilo ali premaz, in se izvaja predvsem pri valovnih dolžinah 395 nm, 385 nm ali 365 nm, ki so del UV-A spektra (315 -400 nm). Druga pomembna aplikacija UV-A so kontrolni sistemi, ki temeljijo na strojnem vidu. UV-LED svetilke v tem obsegu se uporabljajo za odkrivanje goljufivih identifikacij in valute ter ponujajo prednosti uporabe v dobro osvetljenih okoljih, kar je težko z uporabo živosrebrne žarnice.
V spektru UV-B (280-315 nm) aplikacije za UV LED vključujejo zdravljenje, medicinsko svetlobno terapijo, forenzično analizo in odkrivanje zdravil. Podjetje za tržne raziskave Yole Développement (Lyon, Francija) je ocenilo, da ima danes 90% aplikacij UV LED v regijah UV-A in UV-B (slika 4). Yole je izjavil, da pričakuje, da se bo trg UV-LED letno povečal za 30% s 25 milijonov dolarjev v letu 2010 na več kot 100 milijonov dolarjev v letu 2016. Na sliki 5 je prikazana še bolj optimistična napoved Združenja za razvoj optoelektronske industrije, Mednarodnega združenja optoelektronike in Evropskega konzorcija za fotonsko industrijo.
SLIKA 2 Multi-die UV oddajnik v keramični embalaži (vir: LED Engin)…
Sl. 2.
Poleg tega ima UV-B sevanje koristne zdravstvene lastnosti, vključno z naravno sintezo vitamina D pri ljudeh, ki so izpostavljeni sončni svetlobi. UV-B pospešuje tudi proizvodnjo polifenolov v nekaterih listnatih zelenjavah, kot je rdeča solata. Verjame se, da imajo polifenoli antioksidativne lastnosti. »Na splošno te rastline danes gojijo v rastlinjakih, ki namerno filtrirajo UV del spektra, da bi povečali rast rastlin. Zanimivo je, da imamo dokaze, da ko so te rastline izpostavljene UV-B LED diodam kratek čas pred žetvijo, se njihova vsebnost polifenola poveča brez ogrožanja rastlinske mase, «je pojasnil Cary Eskow, globalni direktor naprednih LED in osvetlitve za Avnet Electronics Marketing v Phoenixu , AZ, ki distribuira UV LED. Nadaljeval je. "To je nova metoda za povečanje privlačnosti nekaterih živil brez uporabe kemikalij. Polifenoli so bili pozorni tudi zaradi njihovih domnevnih antikancerogenih, antiproliferativnih in antimutagenih lastnosti. “
V spodnjem spektralnem območju UV-C (100–280 nm) so primarne aplikacije LED sterilizacija zraka in vode ter vrsta analitičnih orodij, vključno s tistimi, ki izvajajo spektroskopske in fluorescenčne meritve. V tem spektralnem območju delujejo tudi kemični in biološki detektorji.
UV v območju 250-275 nm sterilizira vodo, zrak in površine tako, da razbije DNA in RNA mikroorganizmov in prepreči njihovo razmnoževanje. Natančneje, verjame se, da je 275 nm najučinkovitejša valovna dolžina za izkoreninjenje patogenov, kot je E-coli v vodi. Inženirji podjetja Sensor Electronic Technology Inc. (SETi) s sedežem v Columbiji v zvezni državi SC so ugotovili, da je 275 nm optimalna valovna dolžina za razkuževanje vode. SETi je demonstriral razkuževanje pitne vode v linijskem pretočnem sistemu z manj kot 40 mW UV moči.
Alternative živosrebrnim obločnim žarnicam
Pri postopkih utrjevanja v proizvodnji živosrebrne žarnice ovirajo kratka življenjska doba (2000–10.000 ur), počasni časi ogrevanja in ohlajanja ter široka spektralna porazdelitev moči. "Poleg tega se več kot 60% energije, ki se porabi za tipično živosrebrno žarnico, seva nazaj kot infrardeča energija, z drugimi besedami, toplota," je dejal Eskow. Dodal je, da izhod UV svetlobe živosrebrne žarnice hitro pade skozi njeno življenjsko dobo, ker nekaj njenega elektrodnega materiala izhlapi in na notranji strani kremenčeve cevi odlaga film, v katerega UV ne more prodreti. Kot rezultat, uporabnik ne more zlahka napovedati količina pozneje ustvarjenega UV; pogosto je to kritičen procesni parameter.
Sl. 3. LED diode UV-C za razkuževalne izdelke podjetja Crystal IS, Inc. Podjetje je pred kratkim prevzel japonski Asahi Kasel.
Sl. 3.
Živosrebrna žarnica ima glavni vrh pri 365 nm, vendar nekaj manjših vrhov v vidnem in infrardečem območju (slika 7). Slaba stran teh tujih vrhov je ustvarjanje toplote med tiskanjem in drugimi postopki strjevanja. "S plastiko in drugimi toplotno občutljivimi materiali je pri tiskanju prišlo do resničnih izzivov, ker se medij popači zaradi toplote živosrebrne žarnice," je pojasnil Steve Metcalf, izvršni direktor in predsednik podjetja Air Motion Systems (AMS), proizvajalec sušenja. sistemi s sedežem v River Fallsu, WI. Navedel je primere, ki vključujejo plastične darilne kartice ali kreditne kartice, ki uporabljajo litografsko tiskanje na pločevino.
Metcalf je dodal, da bodo mnogi ljudje, ki zaradi zapletenosti običajnih postopkov sušenja - visoke napetosti, toplote živosrebrnih žarnic in okoljskih vprašanj - ne bi razmišljali o UV-sušenju, zdaj razmislili o sušenju z UV-LED, ker spodkopava tradicionalne težave starega postopka. .
UV-diode prinašajo takšne prednosti, kot je natančno vedeti, kakšna raven moči se dovaja na medij za strjevanje, pa tudi druge prednosti, po katerih so LED-ji znani, na primer sposobnost impulzne širinske modulacije izhoda, je dejal Eskow.
Prehod na UV LED je odprl tudi vrata okolju prijaznejšim formulacijam za sušenje. Z naslednjo generacijo izdelkov, ki so jih razvijala podjetja s črnilom, premazi in lepili, so izkoristili priložnost za postopno opuščanje hlapnih organskih spojin (HOS), povezanih s formulacijami preteklih kemikalij na osnovi topil.
Optimizacija utrjevanja
Za UV-naprave z daljšo valovno dolžino, na podoben način kot pri izdelavi modrih LED, se na safirnih podlagah gojijo epilajerji na osnovi InGaN, da proizvedejo 385, 395 in 405 nm UV LED za utrjevanje. Ena ključnih prednosti naprav z višjo valovno dolžino je, da jih je mogoče poganjati z večjo močjo. "395 nm je resnično čudovito mesto za utrjevanje z LED diodami, saj je pri 405 nm formulacija občutljiva na svetlobo okolice, zato želite biti tik pod 400, hkrati pa lahko LED poganjate z veliko močjo," je dejal Lim. Vsi glavni ponudniki pripravkov za sušenje (fotoiniciatorji in smole) so pred kratkim na trg ponudili črnila in prevleke z višjo valovno dolžino, da bi zadovoljili te potrebe.
Sl. 4. Večina aplikacij je v UV-A in UV-B delih spektra.
Sl. 4.
Poleg tega, da proizvajajo več energije, UV-diode z višjo valovno dolžino odlikujejo tudi večja učinkovitost stenskih vtičev. Na primer, pri 365 nm je izhodna moč UV LED le 5-8% vhodne moči. Pri 385 nm se ta učinkovitost izboljša, vendar le na ~ 15%, zaradi česar je čip z višjo valovno dolžino boljša izbira.
Za postopke strjevanja so potrebne velike LED moči (več matric / čipov), razporejene v tesno matriko v konfiguraciji čipa na vozilu, blizu okna sevalnika z zračnim ali vodno hlajenim notranjim sistemom za odstranjevanje toplote iz zadnja stran plošče. "Ni pomembno, kakšna je intenzivnost UV na oknu sevalca, pomembna je intenzivnost na površini medija," je dejal Metcalf. Glede na opremo in aplikacijo strjevanja so lahko mediji oddaljeni od 1 do 100 mm od okna oddajnika, za kar je AMS izdelal posebno optiko. Poleg tega se s kovinsko hlajenim PCB-jem toplota odvaja od matrice LED.
Uporablja se tudi zračno hlajenje. Na primer, sistem za strjevanje, prikazan na sliki 1, ki ima oddajno okno 150 x 20 mm in gostoto pretoka 4W / cm ², lahko uporabimo za točkovno strjevanje črnil, premazov ali lepil. Danes je UV-LED oprema za strjevanje pogosto posebej zasnovana za uporabo. Metcalf opisuje velike tiskalnike z ravnimi posteljami, da lahko uporabljajo LED z nižjo močjo, toda hitrejše digitalne, ofsetne in fleksografske tehnologije zahtevajo tesno razporejene banke LED z visoko gostoto. Čeprav sevanje ni vidno, se uporablja kolimirajoča optika za oddajanje sevanja z enakomerno močjo skozi ciljni medij. Digitalno brizgalno sušenje je bil prvi segment, ki je sprejel UV LED zaradi potrebne oddaljenosti od medija, da so tiskalne glave lahko optimalno delovale. To je bilo povsem primerno za UV-LED sijalke, saj je intenzivnost strjevanja največja na oknu oddajnika.
Sl. 5. Zgodovina in napoved trga UV-LED.
Sl. 5.
Stacy Volk, strokovnjakinja za tržne komunikacije pri podjetju Phoseon Technology v Hillboroju, OR, proizvajalka UV-LED sistemov za sušenje, je poudarila, da nekatere dodatne prednosti, povezane z UV-LED sušenjem, vključujejo nadzorovano intenzivnost sušenja, prilagodljivo opremo in dejstvo, da stroji so manjši in kompaktni.
Eno od vprašanj, s katerimi se je soočala industrija sušenja, je bilo nedoslednost merilne prakse in opredelitev parametrov, na primer pri določanju radiometrične jakosti. Združenje za utrjevanje UV LED (www.uvledcuring.org) je bilo nedavno ustanovljeno s proizvajalci zdravil Phoseon Technology, Integration Technology Limited in Lumen Dynamics, da bi "postavili smernice in zagotovili združljivost v celotni industriji," je povedal Bill Cortelyou, predsednik in izvršni direktor podjetja Phoseon Technology. . Združenje poskuša tudi pospešiti razvoj aplikacij, ki so posebej primerne za UV LED, izobraževati raziskovalce, integratorje in končne uporabnike o prednostih UV LED in zagotoviti forum za industrijsko komunikacijo in sodelovanje.
"V naših petnajstletnih izkušnjah s tehnologijo utrjevanja LED je industrija dosegla pomemben preboj, ki se je izkazal kot izvedljiva alternativa, ki prinaša bistvene koristi," je dejal Allan Firhoj, predsednik in izvršni direktor podjetja Lumen Dynamics s sedežem v Ontariu v Kanadi. Dodal je: "Združenje za utrjevanje UV LED bo bistveno pomagalo trgu pridobiti znanje in vpogled v tehnologijo UV LED in njene številne komercialne prednosti."
Drugo združenje, Mednarodno združenje LED-UV (www.leduv.org), je bilo ustanovljeno septembra 2011 na Japonskem, da bi organiziralo izdelovalce tiskalnikov UV-LED, proizvajalce UV-LED in formulatorjev črnila in premazov, ki si prizadevajo za razvoj trajnostnih in okolju prijazne tehnologije tiskanja UV-LED.
Proizvajalci čipov
Podjetja, ki proizvajajo čipe z UV-LED, vključujejo Crystal IS s sedežem v Green Islandu v New Yorku (slika 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd s sedežem v Tokiu na Japonskem; Nichia Corp s sedežem v Tokušimi na Japonskem; SemiLEDs s sedežem v Hsinchuju na Tajvanu; .. SETi in Seoul Optodevice Co Ltd s sedežem v Kyunggi-doju v Koreji, hčerinski družbi Seoul Semiconductor v 100-odstotni lasti.
Sl. 6. Seti UVClean LED-nizov zagotavljajo zelo močno globoko UV-svetlobo pri 300-320 nm, kar je optimalno območje za fototerapije.
Sl. 6.
Proizvajalci UV-LED se osredotočajo na nenehno izboljševanje učinkovitosti in življenjske dobe svojih naprav ob hkratnem zniževanju stroškov. Seoul Optodevice ima pogodbo o proizvodnem partnerstvu s podjetjem SETi, ki proizvaja široko paleto UV LED in svetilk ter izvaja vse, od obdelave rezin do oblikovanja svetil po meri. Podjetje ponuja UV-oddajnike v hermetično zaprtih kovinsko-steklenih embalažah (TO-18, TO-39 in TO-3), s standardnimi izdelki in rešitvami po meri v območju valovnih dolžin od 240 do 355 nm. Slika 6 prikazuje primere UV-LED nizov v svetilkah, namenjenih oddajanju sevanja v območju 300-320 nm za aplikacije fototerapije, kot je zdravljenje kožnih stanj, kot je luskavica ali ekcem.
Tim Bettles, direktor trženja in prodaje pri podjetju SETi, je izjavil, da je njegov proizvodni sporazum s podjetjem Seoul Optodevice zasnovan tako, da pomaga podjetju SETi povečati količino UV LED in svetilk, hkrati pa znižati stroške. »Naši prvi UV-LED izdelki so bili predstavljeni leta 2004 in od takrat smo že daleč napredovali tako pri razvoju tehnologije kot pri sprejemanju na trgu. Zdaj pripravljamo zmogljivost SETi za obsežno proizvodnjo, da bo zadovoljila nove zahteve, ki prihajajo z običajnih potrošniških trgov, «je dejal Bettles. SETi je pred kratkim napovedal nakup novega obrata, kjer načrtuje proizvodnjo več kot 100 milijonov UV LED letno.
Devin Tang, vodja trženja podjetja SemiLED, je izjavil, da ima podjetje celo paleto golih kock in površinsko vgrajenih močnih LED diod v območju od 360 do 400 nm. Omenil je, da se izdelki podjetja razlikujejo od drugih glede na podlage iz bakrene zlitine čipov, ki omogočajo visoko toplotno prevodnost (400 W / mK) in silicijeve podlage v embalaži, kar zmanjšuje stroške.
Epigap Optronic s sedežem v Berlinu v Nemčiji, ki je glavni distributer UV-diod Dowa, je izjavil, da Dowa proizvaja 265, 280, 310, 325 in 340 nm golih kock ali pakiranih LED-jev. Nichia izdeluje 365, 375 in 385 nm površinsko vgrajene močne LED diode in svetilke z majhno močjo. Crystal IS izdeluje 260 nm UV LED in je edino podjetje, ki proizvaja LED na AlN podlagah.
Težave s predelavo rezin
Kot smo že omenili, se epilajerji InGaN in GaN, ki jih goji MOCVD, uporabljajo za UV-diode z višjo valovno dolžino, izdelane na safirnih podlagah, pri nižjih valovnih dolžinah pa je treba uporabiti epilajerje AlGaN z naraščajočo vsebnostjo aluminija. Obstaja veliko različnih sestavkov, ki vključujejo sloje epilerjev AlGaN, AlInGaN, AlInN in AlN, toda ne glede na sestavo je na materialih na osnovi AlG na osnovi AlN gojiti materiale na osnovi AlGaN kot safir, kar je spodbudilo razvoj dobaviteljev AlN-substrata. kot je Hexatech s sedežem v Morrosvilleu, NC. Kljub temu so podlage AlN na voljo le v majhnih velikostih in ostajajo veliko dražje od safirnih rezin, kar omejuje ta trg.
Sl. 7. Spektralni izhod žarnice z živosrebrno paro v UV in vidnih predelih.
Sl. 7.
V zadnjem času je Theodore Moustakas z bostonske univerze prvič uporabil MBE (molekularna žarka epitaksija) za rast učinkovitejših (visoka notranja kvantna učinkovitost) UV LED naprav, ki uporabljajo sloje na osnovi AIGaN na safirnih podlagah. Ta pristop bi konkuriral različnim tehnikam MOCVD, ki se danes uporabljajo za nalaganje AlGaN.
Optika in embalaža
Čeprav si proizvajalci UV LED močno prizadevajo za izboljšanje notranje kvantne učinkovitosti in optične učinkovitosti, ostaja skupna učinkovitost pod 20%, kar pomeni, da je treba veliko toplote odvajati s križišča diode. »Da bi z današnjimi tehnologijami čipov dosegli zahtevano gostoto pretoka, moramo večsektorske oddajnike poganjati z največjim tokom. To je mogoče le z LED-paketom, ki lahko v življenjski dobi izdelka obvladuje ekstremne gostote moči. Termično usklajena embalaža brez stresa in steklena leča pomagata odpraviti pogoste načine odpovedi embalaže, povezane z UV LED, «je dejal Thomas. Opisal je patentiran večplastni keramični substrat LED Engin z izredno nizko toplotno upornostjo, ki hitro prevaja toploto iz križišča (slika 2).
Medtem ko so nekateri UV-nizi pakirani na keramičnih podlagah, mnogi proizvajalci, zlasti naprav z enim čipom, uporabljajo pakete z luknjami TO-can s steklenim vrhom, ki omogočajo visoko prepustnost UV-žarkov. Zamenjava epoksi leč z ravnim steklom ali steklom v obliki kupole, ki lahko prenaša UV-žarke, je razmeroma nov razvoj in je omogočil podaljšanje življenjske dobe s približno 5000 ur na 30.000 ur. UV pospešuje razgradnjo epoksidnega materiala na nelinearen način, kar neposredno vpliva na življenjsko dobo. Steklene leče zagotavljajo večjo vzdržljivost in večjo zanesljivost. Druga možnost je kombiniranje steklenih leč s silikonskim kapsulantom, da se prilagodi še večji gostoti pretoka in večji učinkovitosti, vendar krajši življenjski dobi (15.000–20.000 ur).
Odločitev, ali v embalaži uporabiti hermetično tesnjenje, včasih določajo materiali v čipu. "Podlaga iz aluminijevega nitrida skoraj narekuje uporabo hermetičnega paketa, ker večja kot je vsebnost aluminija, večja je afiniteta naprave do kisika, zato bo hermetično tesnilo bolje zaščitilo UV-napravo," je pojasnil Frank Gindele, vodja razvoja izdelkov za Schott Electronic Packaging v Landshutu v Nemčiji. Novi Schott-ov paket na osnovi bakra in stekla ponuja prednosti visoke toplotne prevodnosti in hermetičnosti.
Nevarnosti UV
Pomembno je priznati, da nekatere enake lastnosti naredijo UV LED zelo močne in uporabne - njihova nizka valovna dolžina in visoka energija. So tudi lastnosti, zaradi katerih so nevarne. Opozorilne nalepke na LED diodah in njihovih izdelkih so jasne, vendar upoštevajte:. UV-diode med delovanjem oddajajo nevidno ultravijolično sevanje, ki je lahko škodljivo za oči ali kožo, tudi za kratek čas (Za več informacij o fotobiološki varnosti glejte našo serijo člankov, 3. del na strani 63 te številke) .)
Naslednji koraki
Na vprašanje, da prepoznajo ključno težavo, ki bi uporabnikom UV lahko preprečila, da bi prešli z virov živega srebra na UV LED, mnogi udeleženci v industriji pravijo, da gre za kršenje obstoječega industrijskega zagona in seveda stroškov. Lim meni, da bi zaokroževanje portfelja valovnih dolžin močno prispevalo k sprejetju. "Mislim, da če dobimo dobre 250-nm, 285-nm in 300-nm LED, te tri valovne dolžine, potem lahko precej zapremo vrata živosrebrnim obločnim sijalkam."
