A látható LED-ekhez viszonyítva az UV LED-ek csendes piacot jelentenek csupán 30 millió dollárért, a sugárzó teljesítmény és az intenzitás legújabb áttörései mégis lehetővé tették a higanygőz-lámpák elmozdítását olyan alkalmazásokban, mint az UV-szárítás és a hamisítás észlelése - írja a LAURA PETERS.
+ + + +
Ez a cikk a LEDs Magazine 2012. februári számában jelent meg.
Tekintse meg a Tartalomjegyzéket, és töltse le a 2012. februári teljes kiadás PDF-fájlját.
+ + + + +
A látható spektrum alatt az ultraibolya (UV) nevű hullámhossz-sáv található. A sugárzás 100 és 400 nm közötti tartományban sok más alkalmazás mellett hatékonyan felhasználható kozmetikumok sterilizálására, törvényszéki elemzésre, anyagok gyógyítására (1. ábra) és a víz fertőtlenítésére. Ma, csakúgy, mint a látható spektrumú LED-ek esetében, az UV-LED-ek csak ugyanolyan sokféle piacon kezdik felváltani a bevált UV-forrásokat.
. 1. ÁBRA Firefly léghűtéses UV-LED alapú kikeményedési rendszer (forrás: Phoseon Technology) ..
ÁBRA. 1.
"A több milliárd dolláros LED-világítás iparához képest az UV-LED-piac kerekítési hiba, körülbelül 30 millió dollár körüli, de gyorsan növekszik" - mondta Mike Lim, a Liberus Devices globális ipari és új üzletágának igazgatója, Billericában. , MA.
Az UV-fénykezelés piaca messze a legnagyobb mértékben növekszik az UV-LED elterjedése miatt, mivel az UV-LED-chipek fluxus-sűrűségének viszonylag nemrégiben történt áttörése meghaladja a 4W / cm2 jelet a különböző hullámhosszakon, amelyek szükségesek az UV-LED-szárítás termeléséhez felszerelés. "A LED-ek első alkalommal értek el olyan teljesítménysűrűségeket, amelyek versenyképessé teszik az UV-LED-eket a meglévő forrásokkal szemben" - mondta Uwe Thomas, a Kaliforniai Santa Clara-i székhellyel rendelkező LED Engin nevű emitter-komponensek vezérigazgatója.
UV-A, B és C
A kikeményítés egy fényérzékeny anyag keresztpolimerizációját jelenti, amely lehet festék (nyomda), ragasztó vagy bevonat, és elsősorban 395, 385 vagy 365 nm hullámhosszon hajtja végre, az UV-A spektrum részét képező hullámhosszakon (315 -400 nm). Egy másik fontos UV-A alkalmazás a gépi látáson alapuló ellenőrzési rendszerek. Ebben a tartományban az UV-LED zseblámpák a csalárd azonosítás és valuta felderítésére szolgálnak, és jól megvilágított környezetben történő használat előnyeit kínálják, ami nehéz higanygőz-lámpával.
Az UV-B spektrumban (280-315 nm) az UV LED-ek alkalmazásához gyógyítás, orvosi fényterápia, törvényszéki elemzés és gyógyszer felfedezés tartozik. A Yole Développement (Lyon, Franciaország) piackutató cég becslése szerint ma az UV LED-alkalmazások 90% -a az UV-A és az UV-B régióban található (4. ábra). Yole kijelentette, hogy arra számít, hogy az UV-LED-ek piaca évente 30% -kal nő, a 2010. évi 25 millió dollárról 2016-ban több mint 100 millió dollárra. Az 5. ábra az Optoelektronikai Ipari Fejlesztési Szövetség, a Nemzetközi Optoelektronikai Szövetség és az Európai Fotonikai Ipari Konzorcium még optimistább előrejelzését mutatja.
2. ábra Többszörös UV-sugárzó kerámia csomagolásban (forrás: LED Engin)…
ÁBRA. 2.
Ezen alkalmazásokon túl ismert, hogy az UV-B sugárzás hasznos egészségügyi tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a D-vitamin természetes szintézisét napfénynek kitett emberekben. Az UV-B felgyorsítja a polifenolok termelését bizonyos leveles zöldségekben, például a vörös salátában. Úgy gondolják, hogy a polifenolok antioxidáns tulajdonságokkal rendelkeznek. „Ezeket a növényeket általában üvegházakban termesztik, amelyek szándékosan kiszűrik a spektrum UV-részét a növények maximális növekedése érdekében. Érdekes módon van bizonyítékunk arra, hogy amikor ezeket a növényeket rövid időn belül a betakarítás előtt UV-B LED-eknek teszik ki, polifenoltartalmuk a növények tömegének veszélyeztetése nélkül megnő. " , AZ, amely UV LED-eket forgalmaz. Folytatta: „Ez egy új módszer egyes élelmiszerek vonzerejének növelésére vegyszerek használata nélkül. A polifenolok állítólagos rákkeltő, antiproliferatív és antimutagén tulajdonságaik miatt figyelmet is kaptak. „
Az alacsonyabb UV-C spektrális tartományban (100-280 nm) az elsődleges LED-alkalmazások a levegő és a víz sterilizálása, valamint számos analitikai eszköz, beleértve azokat, amelyek spektroszkópos és fluoreszcencia méréseket végeznek. A kémiai és biológiai detektorok is ebben a spektrális tartományban működnek.
A 250–275 nm tartományban lévő UV sterilizálja a vizet, a levegőt és a felületeket azáltal, hogy széttöri a mikroorganizmusok DNS-ét és RNS-ét, és megakadályozza azok szaporodását. Pontosabban, a 275 nm a leghatékonyabb hullámhossz a kórokozók, például az E-coli vízben történő felszámolásában. Valójában a Columbia, SC székhelyű Sensor Electronic Technology Inc. (SETi) mérnökei megállapították, hogy a vízfertőtlenítéshez az optimális hullámhossz 275 nm. A SETi bebizonyította az ivóvíz fertőtlenítését in-line átfolyó rendszerben, kevesebb mint 40 mW UV-energiát használva.
A higany ívlámpák alternatívái
A termelés-kikeményedés során a higanygőz-lámpákat a rövid élettartam (2000–10 000 óra), a lassú felmelegedési és lehűlési idő, valamint a széles spektrális teljesítményeloszlás akadályozza. "Ezenkívül a tipikus higanygőz-lámpára alkalmazott energia több mint 60% -a infravörös energiaként, más szóval hőként sugárzik vissza" - mondta Eskow. Hozzátette, hogy a higanygőz-lámpa UV-sugárzása üzemideje alatt gyorsan csökken, mert elektródájának egy része elpárolog, és egy filmet rak le a kvarccső belsejébe, amelybe az UV nem tud behatolni. Ennek eredményeként a felhasználó nem tudja könnyen megjósolni a később keletkező UV mennyisége ;. gyakran ez kritikus folyamatparaméter.
ÁBRA. 3. UV-C LED-ek csíraölő alkalmazásokhoz, a Crystal IS, Inc.-től. A társaságot nemrégiben vásárolta meg a japán Asahi Kasel.
ÁBRA. 3.
A higanylámpa fő csúcsa 365 nm-en van, de több kisebb csúcsa van a látható és az infravörös tartományokban (7. ábra). E külső csúcsok hátránya a hőtermelés a nyomtatás és egyéb pácolási műveletek során. "A műanyagokkal és más hőérzékeny anyagokkal a nyomtatás valódi kihívásokat támaszt, mivel a hordozó eltorzul a higanylámpa hőjétől" - magyarázta Steve Metcalf, a gyógyítással foglalkozó Air Motion Systems (AMS) vezérigazgatója. River Falls-ban (WI) található rendszerek. Példákat hozott fel, amelyek műanyag ajándékkártyákat vagy hitelkártyákat tartalmaznak, amelyek lapos litográfiai nyomtatást használnak.
Metcalf hozzátette, hogy sokan, akik a szokásos kikeményítési folyamatok bonyolultsága - a nagyfeszültség, a higanyhagymák hője és a környezeti problémák miatt - nem vették volna fontolóra az UV-szárítást, most fontolóra veszik az UV-LED-es kikeményedést, mert ez felborítja a régi folyamat hagyományos problémáit. .
Az UV LED-ek olyan előnyökkel járnak, mint annak pontos ismerete, hogy milyen teljesítményszintet juttatnak el a gyógyító közeghez, valamint más előnyök is ismertek a LED-ekről, például arról, hogy képesek impulzusszélesség-modulálni a kimenetet - mondta Eskow.
Az UV LED-ekre való áttérés megnyitotta az ajtót a környezetbarátabb gyógyító készítmények előtt is. A tintával, bevonattal és ragasztóval foglalkozó vállalatok által kifejlesztett termékek következő generációjával éltek azzal a lehetőséggel, hogy fokozatosan megszüntessék az illékony szerves vegyületeket (VOC), amelyek a korábbi kémia oldószer alapú készítményeihez kapcsolódnak.
Gyógyítás optimalizálása
A hosszabb hullámhosszúságú UV-készülékek esetében a kék LED-es gyártáshoz hasonló módon InGaN-alapú epilátereket növesztenek zafír szubsztrátokon, hogy 385, 395 és 405 nm-es UV-LED-eket állítsanak elő a gyógyításhoz. A nagyobb hullámhosszú eszközök egyik legfontosabb előnye, hogy nagyobb energiával működtethetők. "A 395 nm valóban az édes folt az UV LED-es kikeményedéshez, mert 405 nm-en a készítmény érzékeny a környezeti fényre, ezért alig szeretne kevesebb, mint 400 alatt lenni, miközben a LED-eket nagy energiával tudja hajtani" - mondta Lim. A gyógyító készítmények összes fő szolgáltatója (fotoiniciátorok és gyanták) a közelmúltban nagyobb hullámhosszúságú festékeket és bevonatokat hoztak piacra ennek az igénynek a kielégítésére.
ÁBRA. 4. A legtöbb alkalmazás a spektrum UV-A és UV-B részeiben található.
ÁBRA. 4.
A nagyobb energiatermelés mellett a nagyobb hullámhosszú UV LED-ek nagyobb hatékonysággal rendelkeznek a fali csatlakozóban. Például 365 nm-en az UV LED kimenő teljesítménye csak a bemenő teljesítmény 5-8% -a. 385 nm-en ez a hatékonyság javul, de csak ~ 15% -ra, így a nagyobb hullámhosszú chip jobb választás.
A kikeményedési folyamatokhoz nagy, nagy teljesítményű LED-ekre (többszörös szerszám / chip) van szükség, amelyek szoros mátrixban vannak elhelyezve, chip-on-board konfigurációban, az emitterablak közelében, levegővel vagy vízzel hűtött belső rendszerrel a hő eltávolításához. a tábla hátulja. "Nem számít, milyen az UV-intenzitás a sugárzó ablakon, az a intenzitás, amely a közeg felszínén van" - mondta Metcalf. A felszereléstől és a kikeményedési alkalmazástól függően a közeg 1–100 mm távolságra lehet az emitter ablakától, amelyhez az AMS speciális optikát készített. Ezenkívül egy fémhűtéses NYÁK-t használnak a hő elvezetésére a LED-ek mátrixától.
Léghűtést is alkalmaznak. Például az 1. ábrán bemutatott térhálósító rendszer, amelynek emissziós ablaka 150 x 20 mm, fluxus sűrűsége pedig 4 W / cm2, alkalmazható festék, bevonatok vagy ragasztók pontszerű kikeményítésére. Ma az UV-LED szárító berendezéseket gyakran kifejezetten az alkalmazáshoz tervezték. A Metcalf úgy írja le, hogy a nagy, síkágyas szalaghirdetések képesek alacsonyabb fogyasztású LED-ek használatára, de a nagyobb sebességű digitális, ofszet és flexográfiai technológiákhoz szorosan el kell helyezkedni a nagy fluxusú LED-ek bankjaitól. Annak ellenére, hogy a sugárzás nem látható, kollimáló optikát alkalmaznak a sugárzás egységes teljesítményszinttel történő eljuttatására a célközegben. A digitális tintasugaras kikeményedés volt az első szegmens, amely UV-LED-eket alkalmazott, mivel a nyomtatófejek optimális teljesítményéhez szükséges a szükséges közeli távolság a hordozótól. Ez természetes módon illeszkedett az UV-LED lámpákhoz, mivel a kikeményedési intenzitás a sugárzó ablaknál a legnagyobb.
ÁBRA. 5. Az UV-LED piac története és előrejelzése.
ÁBRA. 5.
Stacy Volk, a Phoseon Technology marketing munkatársa, Hillboro, OR, az UV-LED kikeményedési rendszereket gyártó cég rámutatott az UV-LED kikeményedésével járó további előnyökre, többek között az ellenőrzött térhálósodás intenzitására, a méretezhető berendezésekre és arra, hogy a gépek kisebbek és kompaktabbak.
Az egyik kérdés, amellyel a gyógyító ipar szembesült, a mérési gyakorlat következetlenségei és a paraméterek meghatározása, például a radiometrikus intenzitás meghatározása volt. Az UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) a közelmúltban alakult meg a Phoseon Technology, az Integration Technology Limited és a Lumen Dynamics gyógyító gyártókkal, hogy „irányelveket állítsanak fel és biztosítsák a kompatibilitást az ipar egész területén” - jelentette ki Bill Cortelyou, a Phoseon Technology elnök-vezérigazgatója . A szövetség emellett arra is törekszik, hogy elősegítse az ultraibolya fényű LED-eknek különösen megfelelő alkalmazások gyorsabb fejlesztését, oktassa a kutatókat, az integrátorokat és a végfelhasználókat az UV-fényforrások előnyeiről, valamint fórumot kínál az ipari kommunikációhoz és együttműködéshez.
"A LED-es kikeményedési technológiában szerzett 15 éves tapasztalatunk során az ipar jelentős áttöréseket valósított meg, amelyek a LED-eket életképes alternatívának bizonyították, amely jelentős előnyöket nyújt" - mondta Allan Firhoj, a kanadai Ontarióban található Lumen Dynamics elnök-vezérigazgatója. Hozzátette: "Az UV LED-es gyógyító szövetség fontos szerepet játszik abban, hogy a piac ismereteket és betekintést nyerjen az UV LED-technológiáról és annak számos kereskedelmi előnyéről."
A második egyesület, a Nemzetközi LED-UV Szövetség (www.leduv.org) 2011 szeptemberében alakult Japánban, hogy megszervezze az UV-LED nyomtatók, az UV-LED-gyártók, valamint a festék- és bevonatkészítők gyártóit, akik elkötelezettek a fenntartható és a környezetbarát UV-LED nyomtatási technológiák.
Forgácsgyártók
Az UV-LED chipeket gyártó vállalatok között van a Crystal IS, amelynek székhelye Green Island, NY (3. ábra) ;. A Dowa Electronic Materials Co Ltd., székhelye Tokió, Japán; A Nichia Corp, székhelye Tokushima, Japán; A SemiLED-ek, székhelye a tajvani Hsinchu; ..
ÁBRA. 6. A SETi UVClean LED tömbje nagyon nagy teljesítményű mély-UV fényt sugároz 300-320 nm-en, ez az optimális tartomány a fototerápiákhoz.
ÁBRA. 6.
Az UV-LED-gyártók arra összpontosítanak, hogy folyamatosan javítsák eszközeik hatékonyságát és élettartamát, miközben csökkentik a költségeket. A Seoul Optodevice gyártási partnerségi megállapodást kötött a SETivel, amely az UV LED-ek és lámpák széles választékát gyártja, és az ostyák feldolgozásától kezdve az egyedi lámpák kialakításáig mindent elvégez. A vállalat hermetikusan lezárt fém-üveg csomagolásokban (TO-18, TO-39 és TO-3) szállít UV sugárzókat, standard termékekkel és egyedi megoldásokkal, amelyek a 240-335 nm hullámhossz-tartományba esnek. A 6. ábra az UV-LED tömbök példáit mutatja olyan lámpákban, amelyek 300-320 nm tartományú sugárzást szolgáltattak fototerápiás alkalmazásokhoz, például bőrbetegségek, például pikkelysömör vagy ekcéma kezeléséhez.
Tim Bettles, a SETi marketing és értékesítési igazgatója kijelentette, hogy a szöuli Optodevice-tel kötött gyártási megállapodása célja, hogy a SETi segítse az UV LED-ek és lámpák mennyiségének növelését, miközben csökkenti a költségeket. „Első UV-LED termékeinket 2004-ben dobták piacra, azóta hosszú utat tettünk meg mind a technológia fejlesztésében, mind a piaci bevezetésben. Most kiaknázzuk a SETi nagy volumenű gyártási képességét, hogy megfeleljen a fogyasztói piacok által támasztott új igényeknek. ”- mondta Bettles. A SETi nemrég jelentette be egy új létesítmény megvásárlását, ahol évente több mint 100 millió UV LED-et tervez gyártani.
Devin Tang, a SemiLED-ek marketingmenedzsere kijelentette, hogy a vállalat teljes sora csupasz kocka és felületre szerelhető, nagy teljesítményű csomagolt LED-ekkel rendelkezik a 360–400 nm tartományban. Megjegyezte, hogy a vállalat termékei különböznek a többitől a forgács rézötvözet hordozói tekintetében, amelyek lehetővé teszik a hővezető képességet (400 W / mK) és a szilícium hordozókat a csomagokban, ami csökkenti a költségeket.
A németországi berlini székhelyű Epigap Optronic, a Dowa UV LED-jei fő forgalmazója kijelentette, hogy a Dowa 265, 280, 310, 325 és 340 nm-es csupasz kockákat vagy csomagolt LED-eket gyárt. A Nichia 365, 375 és 385 nm felületre szerelhető nagy teljesítményű LED-et és alacsony fogyasztású lámpát gyárt. A Crystal IS 260 nm-es UV-LED-eket gyárt, és az egyetlen cég gyárt LED-eket AlN hordozókon.
Ostya-feldolgozási kérdések
Amint azt korábban jeleztük, a MOCVD által termesztett InGaN és GaN epilátorokat használjuk a nagyobb hullámhosszú UV LED-ekhez, amelyeket zafír szubsztrátokon gyártanak, de alacsonyabb hullámhosszakon az AlGaN növekvő alumíniumtartalmú epilátereit kell használni. Sokféle kompozíció létezik, amelyek AlGaN, AlInGaN, AlInN és AlN epilátor rétegeket tartalmaznak, de bármi legyen is az összetétele, könnyebbé válik az AlGaN alapú anyagok AlN szubsztrátokon történő termesztése, mint a zafír valamikor, ami ösztönözte az AlN szubsztrát beszállítók fejlődését mint például a Hexatech, székhelye Morrosville, NC. Mindazonáltal az AlN szubsztrátok csak kis méretben állnak rendelkezésre, és sokkal drágábbak, mint a zafírostyák, ezzel korlátozva ezt a piacot.
ÁBRA. 7. A higanygőz-lámpa spektrális kibocsátása UV és látható területeken.
ÁBRA. 7.
A közelmúltban Theostore Moustakas, a Bostoni Egyetem úttörő szerepet játszott az MBE (molekuláris nyaláb-epitaxia) alkalmazásában a hatékonyabb (magas belső kvantumhatékonyságú) UV LED-eszközök növekedése érdekében, AIGaN-alapú rétegeket használva zafír szubsztrátokon. Ez a megközelítés versenyben állna az AlGaN lerakására ma használt különféle MOCVD technikákkal.
Optika és csomagolás
Annak ellenére, hogy az UV LED-gyártók keményen dolgoztak a belső kvantumhatékonyság és az optikai hatékonyság javításán, az általános hatékonyság 20% alatt marad, vagyis nagy mennyiségű hőt kell elvezetni a dióda csomópontjáról. „Ahhoz, hogy a mai chip technológiával elérjük a szükséges fluxus sűrűségeket, a többkockás sugárzókat a legnagyobb áramerősséggel kell működtetni. Ez csak olyan LED-csomaggal lehetséges, amely a termék élettartama alatt képes kezelni az extrém teljesítménysűrűségeket. A hőre illesztett feszültségmentes csomag és az üveglencse segít kiküszöbölni az UV-LED-ekhez kapcsolódó gyakori csomagolási hibamódokat. ”- mondta Thomas. Leírta a LED Engin szabadalmaztatott, rendkívül alacsony hőállóságú, többrétegű kerámia aljzatát, amely gyorsan vezet hőt a szerszámcsomópontból (2. ábra).
Míg egyes UV-LED-tömbök kerámia aljzatokra vannak csomagolva, sok gyártó, különösen az egy chipes készülékek, TO-típusú átmenő lyukú csomagokat használnak üvegtetővel, amely magas UV-átvitelt biztosít. Az epoxilencsék lecserélése lapos vagy kupola alakú üvegre, amely képes az UV-sugárzásra, viszonylag új fejlemény, amely lehetővé tette az élettartam meghosszabbítását körülbelül 5000 órától akár 30 000 óráig is. Az UV nem lineáris módon felgyorsítja az epoxi anyag lebomlását, közvetlenül befolyásolva az élettartamot. Az üveglencsék fokozott tartósságot és megbízhatóságot nyújtanak. Egy másik alternatíva az üveglencse és a szilikon kapszulázó anyag kombinálása a még nagyobb fluxus-sűrűség és a nagyobb hatékonyságú, ugyanakkor rövidebb élettartam (15 000-20 000 óra) érdekében.
A csomagolás hermetikus tömítésének használatát néha a chip anyagai határozzák meg. "Az alumínium-nitrid hordozó szinte diktálja a hermetikus csomag használatát, mert minél nagyobb az alumínium tartalom, annál nagyobb az eszköz affinitása az oxigénhez, így a hermetikus lezárás jobban védi az UV készüléket" - magyarázta Frank Gindele, a Schott Electronic Packaging Landshutban, Németországban. A Schott új réz- és üvegalapú csomagja a magas hővezető képesség és a hermeticitás előnyeit kínálja.
Az UV veszélyei
Fontos felismerni, hogy ugyanazok a tulajdonságok, amelyek az UV-LED-eket nagyon erőssé és hasznosgá teszik - alacsony hullámhosszuk és nagy energiájuk -. Azok a tulajdonságok is veszélyessé teszik-e őket. Az UV-LED-ek és termékeik figyelmeztető címkéi egyértelműek, de a következőkre utalnak: Az UV-LED-ek működés közben láthatatlan ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, amely akár rövid ideig is káros lehet a szemre vagy a bőrre (A fotobiológiai biztonságról bővebben lásd cikksorozatunkat, amelynek 3. része a kiadás 63. oldalán található. .)
Következő lépések
Arra a kérdésre, hogy meghatározzák azt a kulcsfontosságú kérdést, amely megakadályozhatja, hogy az UV-felhasználók áttérjenek a higanygőz-forrásokról az UV-LED-ekre, sok iparági résztvevő szerint ez az ipar meglévő lendületének és természetesen költségeinek megtörésével jár. Lim úgy gondolja, hogy a hullámhossz-portfólió kerekítése nagyban hozzájárulna az örökbefogadáshoz. "Azt hiszem, ha jó 250 nm-es, 285 nm-es és 300 nm-es LED-et kaphatunk, ezt a három hullámhosszat, akkor nagyjából bezárhatjuk a higany ívlámpák ajtaját."
