Πριν εμβαθύνουμε στην τεχνολογία UV-LED, πρέπει πρώτα να διευκρινίσουμε πολλές βασικές έννοιες για να διασφαλίσουμε ότι συζητάμε το ίδιο θέμα. Αυτό θα αποτρέψει παρερμηνείες και-διασταυρούμενη επικοινωνία. Εδώ,UVαναφέρεται σε υλικά που σκληρύνονται με υπεριώδη ακτινοβολία, όπως επικαλύψεις UV, μελάνια UV και κόλλες με υπεριώδη ακτινοβολία.LEDδηλώνει συγκεκριμένα πηγές φωτός υπεριώδους LED. καιUV-LED ορίζεται ως"η σκλήρυνση των υλικών UV χρησιμοποιώντας πηγές υπεριώδους φωτός LED ως πηγή ακτινοβολίας".
Όπως όλοι γνωρίζουμε, η συμβατική πηγή φωτός ωρίμανσης για επικαλύψεις υπεριώδους ακτινοβολίας είναι η λυχνία υδραργύρου μέσης-και υψηλής{1} πίεσης. Τα τελευταία χρόνια, με γνώμονα τις πολιτικές εξοικονόμησης ενέργειας και περιβαλλοντικής προστασίας, σε συνδυασμό με την ταχεία πρόοδο της τεχνολογίας UVLED (υπεριώδης LED) που έθεσε τις βάσεις για εφαρμογές βιομηχανικής- κλίμακας, η αγορά γνώρισε μια ραγδαία άνοδο στην υιοθέτηση των UV-LED. Οι αναδυόμενες τεχνολογίες προσελκύουν πάντα ευρεία προσοχή και ενθουσιασμό. Ωστόσο, ως επαγγελματίες του κλάδου, είναι επιβεβλημένη η ξεκάθαρη κατανόηση του UV-LED. Εδώ, θα θέλαμε να μοιραστούμε την ερευνητική μας εμπειρία στον τομέα των UV-LED τα τελευταία δύο χρόνια.
Η μετατόπιση των πηγών φωτός (οι διαφορές μεταξύ των LED και των λαμπτήρων υδραργύρου θα αναλυθούν αργότερα) οδήγησε σε μετασχηματισμό στα συστήματα σύνθεσης επικάλυψης UV καθώς και σε επανάσταση σε όλες τις διαδικασίες επίστρωσης και σκλήρυνσης. Για το σύστημα UV-LED, προσδιορίζουμε πέντε βασικές κατευθύνσεις έρευνας που καλύπτουν τόσο την τεχνική όσο και την αγορά.
Έρευνα για τη φωτοπολυμερισμό με υπεριώδη ακτινοβολία-LED
Όπως ορίστηκε προηγουμένως, η φωτοπολυμερισμός με UV-LED βασίζεται σευπεριώδες φως LEDπηγές για τη θεραπεία των υλικών UV. Επομένως, η επίτευξη αποτελεσματικής θεραπείας είναι ο πρωταρχικός στόχος όλων των ερευνητικών προσπαθειών. Η φωτοπολυμερισμός απαιτεί δύο απαραίτητα στοιχεία: το φως (η πηγή ενέργειας) και τα υλικά UV (ο υποδοχέας). Μια αλλαγή στην πηγή φωτός αναπόφευκτα διαταράσσει την ισορροπία ολόκληρου του συστήματος, με τον πυρήνα να βρίσκεται στη διεπιστημονική Ε&Α για την ευθυγράμμιση των επικαλύψεων UV με τις πηγές φωτός LED.
Είναι ευρέως αναγνωρισμένο ότι τα μικρότερα μήκη κύματος LED αντιστοιχούν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας και υψηλότερο κόστος. Αντίθετα, οι φωτοεκκινητές που απαιτούν χαμηλότερη ενέργεια διέγερσης διαθέτουν μεγαλύτερα μήκη κύματος απορρόφησης και επίσης έχουν υψηλότερες τιμές. Αυτό δημιουργεί μια σχέση-όπως τραμπάλα μεταξύ των πηγών φωτός και των εκκινητών. Έτσι, η επέκταση των ορίων απόδοσης και των δύο και ο εντοπισμός της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ των πηγών φωτός LED και των υλικών υπεριώδους ακτινοβολίας έχουν γίνει το επίκεντρο των πρωτοβουλιών Έρευνας και Ανάπτυξης με UV-LED.
Έρευνα σχετικά με συστήματα πηγών φωτός LED
Η τεχνολογία λαμπτήρων υδραργύρου είναι πολύ ώριμη όσον αφορά την ανάπτυξη και την εφαρμογή, και θεωρείται από καιρό ως η τυπική πηγή φωτός. Αντίθετα, η τεχνολογία υπεριώδους LED βρίσκεται ακόμα στα σπάργανα, με τεράστιες δυνατότητες για μελλοντική ανάπτυξη. Επιπλέον, η αλυσίδα βιομηχανίας LED είναι εξαιρετικά εκτεταμένη, που περιλαμβάνει ανάπτυξη κρυστάλλων, κοπή σε κύβους, συσκευασία τσιπ, ενσωμάτωση μονάδας φωτεινής πηγής, καθώς και σχεδιασμό συστήματος ελέγχου τροφοδοσίας και απαγωγής θερμότητας. Κάθε στάδιο έχει κρίσιμο αντίκτυπο στην ποιότητα του τελικού προϊόντος-την πηγή φωτός UVLED. Επομένως, η κατανόηση και η επέκταση των ορίων απόδοσης των LED είναι απαραίτητη για την προώθηση ολόκληρου του οικοσυστήματος UV-LED.
Διαφορές μεταξύ των πηγών φωτός LED και των λαμπτήρων υδραργύρου (Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και κοινές παρανοήσεις σχετικά με τα LED)
Για να επικρατήσει στον ανταγωνισμό της αγοράς, είναι απαραίτητη η πλήρης κατανόηση τόσο των δυνατών σημείων όσο και των αδυναμιών των ανταγωνιστών. Δεδομένου ότι στοχεύουμε να αντικαταστήσουμε τους παραδοσιακούς λαμπτήρες υδραργύρου με UVLED, είναι σημαντικό να συγκρίνουμε πρώτα τις δύο τεχνολογίες και να αναλύσουμε τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και περιορισμούς τους.
Οι επικαλύψεις υπεριώδους θεραπεύονται επειδή οι φωτοεκκινητές στις συνθέσεις τους απορροφούν το υπεριώδες φως συγκεκριμένων μηκών κύματος, δημιουργώντας ελεύθερες ρίζες (ή κατιόντα/ανιόντα) που ξεκινούν τον πολυμερισμό μονομερών. Για να επεξηγήσουμε αυτήν την αρχή, θα εξετάσουμε πρώτα τα φάσματα εκπομπής των λαμπτήρων υδραργύρου και των υπεριωδών LED.
Αυτό το διάγραμμα είναι μια κλασική και κοινώς αντιληπτή σύγκριση των φασμάτων εκπομπής των UV LED και των λαμπτήρων υδραργύρου. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί από το διάγραμμα, το φάσμα εκπομπής μιας λάμπας υδραργύρου είναι συνεχές και εκτείνεται από την υπεριώδη έως την υπέρυθρη περιοχή. Συγκεκριμένα, η ένταση του φωτός συγκεντρώνεται στη ζώνη UVB προς βραχύ-κύμα UVA. Αντίθετα, το φάσμα εκπομπής ενός LED είναι σχετικά στενό, με τις δύο πιο κοινές ζώνες κύματος να διαθέτουν μήκη κύματος κορυφής στα 365 nm και 395 nm (συμπεριλαμβανομένων 385 nm, 395 nm και 405 nm).
Επί του παρόντος, το πρωτοβάθμιοUV φωςμε βιομηχανική εφαρμογή εμπίπτει στη ζώνη UVA, συγκεκριμένα οι πηγές φωτός LED με μήκη κύματος 365 nm και 395 nm όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1. Σε αυτό το εύρος μήκους κύματος, οι περισσότεροι φωτοεκκινητές εμφανίζουν σχετικά χαμηλούς συντελεστές γραμμομοριακής εξάλειψης. Κατά συνέπεια, τα συστήματα UV-LED γενικά υποφέρουν από χαμηλή απόδοση εκκίνησης και σοβαρή αναστολή οξυγόνου, που είναι επιζήμια για τη σκλήρυνση της επιφάνειας.
Σημείωση: Ο ισχυρισμός που γίνεται συχνά από πολλούς κατασκευαστές UVLED ή προμηθευτές επικάλυψης LED UV σχετικά με την "εξαιρετική ικανότητα λείανσης των επικαλύψεων LED UV" είναι, αυστηρά μιλώντας, άμεσο αποτέλεσμα ανεπαρκούς σκλήρυνσης της επιφάνειας. Η πραγματική πρόκληση δεν έγκειται στην επίτευξη καλής τριψίματος, αλλά στη δυνατότητα ελεγχόμενης τριψίματος-στην επίτευξη ισορροπίας μεταξύ της αντοχής στη φθορά και της ευκολίας λείανσης. Επιπλέον, ορισμένοι κατασκευαστές καταφεύγουν σε παραπλανητικές πρακτικές: εγκατάσταση μιας λάμπας υδραργύρου πίσω από τη διάταξη LED, όπου η λυχνία υδραργύρου παίζει στην πραγματικότητα τον κυρίαρχο ρόλο σκλήρυνσης.
Τούτου λεχθέντος, σημειώνουμε επίσης ότι στις ζώνες κύματος 365 nm και 395 nm, τα LED παρέχουν σημαντικά υψηλότερη ένταση φωτός από τους λαμπτήρες υδραργύρου, γεγονός που διευκολύνει τη σκλήρυνση σε βάθος-στιβάδων των υλικών UV.
(Για αναφορά, πολλά παραδοσιακά συστήματα σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία ενσωματώνουν μια λάμπα γαλλίου (με κυρίαρχο μήκος κύματος εκπομπής 415 nm) μαζί με λαμπτήρες υδραργύρου, ακριβώς για να ενισχύσουν την αποτελεσματικότητα της σκλήρυνσης σε βάθος{1}}στο στρώμα.)
Αυτή η παρανόηση συνήθως προκύπτει από την υπόθεση ότιμόνο το 30% του φωτός που εκπέμπεται από τους λαμπτήρες υδραργύρου είναι υπεριώδες (UV), ενώ οι UVLED εκπέμπουν 100% UV φως. Ωστόσο, οι πραγματικοί καθοριστικοί παράγοντες του επιπέδου κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος-είναι η απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής και η αποτελεσματική απόδοση φωτός. Οι λαμπτήρες υδραργύρου διαθέτουν στην πραγματικότητα υψηλή απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής-το μειονέκτημά τους έγκειται στο γεγονός ότι ένα μεγάλο μέρος του εκπεμπόμενου φωτός αποτελείται από ορατές και υπέρυθρες ακτίνες, με το υπεριώδες φως (το μόνο συστατικό χρήσιμο για τη σκλήρυνση των υλικών UV) να αντιπροσωπεύει μόλις το 30%. Αντίθετα, τα UVLED έχουν σημαντικά χαμηλότερη απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής, που επί του παρόντος αιωρείται γύρω στο 30% για τα μήκη κύματος UVA (που είναι περίπου ισοδύναμα με την απόδοση φωτός UV των λαμπτήρων υδραργύρου).
Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, το υπόλοιπο 70% της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτό εξηγεί δύο βασικές διαφορές μεταξύ των δύο τεχνολογιών:
Τα LED κερδίζουν τη φήμη τους ως "πηγές ψυχρού φωτός" επειδή η θερμότητα που παράγεται διαχέεται από το πίσω μέρος του πλαισίου της λάμπας, αφήνοντας την επιφάνεια εκπομπής φωτός-δροσερή στην αφή. Αντίθετα, οι λαμπτήρες υδραργύρου εκπέμπουν θερμότητα προς τα εμπρός μέσω των ανακλαστήρων τους και των υπέρυθρων εκπομπών τους.
Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο οι πηγές φωτός UVLED γενικά απαιτούν-συστήματα ψύξης αέρα και τα UVLED υψηλής{1} ισχύος απαιτούν ακόμη και μονάδες ψύξης νερού-που μπορούν να χειρίζονται το 70% της ηλεκτρικής ισχύος της πηγής φωτός για την απαγωγή θερμότητας της κεφαλής του λαμπτήρα.
Τα αυθεντικά πλεονεκτήματα{0}}εξοικονόμησης ενέργειας των LED πηγάζουν από δύο μοναδικά χαρακτηριστικά: δυνατότητα άμεσης ενεργοποίησης/απενεργοποίησης και ακτινοβολίας ακριβείας μέσω οπτικού σχεδιασμού, που βελτιώνει την αποτελεσματική απόδοση φωτός. Ωστόσο, η αξιοποίηση αυτών των πλεονεκτημάτων απαιτεί ενσωμάτωση με τεχνολογίες ανίχνευσης υπέρυθρων και έξυπνων συστημάτων-ελέγχου που οι περισσότεροι κατασκευαστές εξοπλισμού UV LED στην αγορά δεν διαθέτουν αυτήν τη στιγμή την ικανότητα Ε&Α να αναπτύξουν.
Γενιά όζοντος: Το φάσμα εκπομπής τους περιλαμβάνει πολύ-υπεριώδες φως κάτω από 200 nm, το οποίο παράγει σημαντικές ποσότητες όζοντος. (Αυτή είναι η βασική αιτία της έντονης οσμής που αναφέρουν οι εργαζόμενοι στο εργοστάσιο που χρησιμοποιούν συστήματα λαμπτήρων υδραργύρου.)
Ρύπανση υδραργύρου από την απόρριψη: Οι λαμπτήρες υδραργύρου έχουν μικρή διάρκεια ζωής μόνο 800–1000 ωρών. Η ακατάλληλη απόρριψη των χρησιμοποιημένων λαμπτήρων οδηγεί σε δευτερογενή ρύπανση από υδράργυρο, ένα πρόβλημα που παραμένει δυσεπίλυτο μέχρι σήμερα.
Οι εκθέσεις αναφέρουν ότι η ενέργεια που απαιτείται ετησίως για την επεξεργασία των αποβλήτων υδραργύρου είναι ισοδύναμη με τη συνδυασμένη παραγωγική ικανότητα δύο φραγμάτων Three Gorges. Ακόμη χειρότερα, δεν υπάρχει επί του παρόντος βιώσιμη τεχνολογία για την πλήρη εξάλειψη του υδραργύρου από τα ρεύματα αποβλήτων.
Τα UV LED είναι εντελώς απαλλαγμένα από αυτά τα ζητήματα. Δεδομένου ότι η Σύμβαση Minamata για τον υδράργυρο τέθηκε επίσημα σε ισχύ στην Κίνα στις 16 Αυγούστου 2017, η σταδιακή-κατάργηση των λαμπτήρων υδραργύρου έχει τεθεί στην επίσημη ημερήσια διάταξη. Ενώ η Σύμβαση περιλαμβάνει εξαίρεση για βιομηχανικούς λαμπτήρες φθορισμού υδραργύρου όπου δεν υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις, ορίζει επίσης ότι τα υπογράφοντα μέρη μπορούν να προτείνουν την προσθήκη τέτοιων προϊόντων στον περιορισμένο κατάλογο μόλις καταστούν διαθέσιμα βιώσιμα υποκατάστατα. Έτσι, το χρονοδιάγραμμα για την πλήρη-εξάλειψη των λαμπτήρων υδραργύρου στις εφαρμογές σκλήρυνσης με υπεριώδη ακτινοβολία εξαρτάται αποκλειστικά από την τεχνολογική πρόοδο και την εκβιομηχάνιση των λύσεων UV LED.
Υποστηρίζει τοπική σκλήρυνση ακριβείας για εφαρμογές όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση.
Συνδυάζοντας τις λυχνίες LED με διαφορετικούς φωτοεκκινητήρες, επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των βαθμών και των βάθους σκλήρυνσης.
Οι προσαρμόσιμες λυχνίες LED Configuration Source διαθέτουν σπονδυλωτή σχεδίαση λαμπτήρων, η οποία επιτρέπει ευέλικτη ρύθμιση του μήκους, του πλάτους και της γωνίας ακτινοβολίας. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει τη δημιουργία σημειακών πηγών φωτός, πηγών φωτός γραμμής και πηγών φωτός περιοχής, προσαρμοσμένων στις ειδικές απαιτήσεις διαφόρων διαδικασιών σκλήρυνσης.
Απαιτήσεις παραμέτρων πηγής φωτός για ωρίμανση υλικού UV
Μήκος κύματος:365 nm, 395 nm
Ακτινοβολία (ένταση φωτός, πυκνότητα οπτικής ισχύος): mW/cm²
Συνολική Ενεργειακή Δόση: mJ/cm²
Η διαδικασία φωτοπολυμερισμού δεν μπορεί να προχωρήσει χωρίς τις τρεις βασικές παραμέτρους που αναφέρονται παραπάνω: μήκος κύματος, ένταση φωτός και συνολική δόση ενέργειας. Το μήκος κύματος καθορίζει εάν μπορούν να ενεργοποιηθούν φωτοεκκινητές. Η ένταση του φωτός υπαγορεύει την αποτελεσματικότητα έναρξης της υπεριώδους ακτινοβολίας και επηρεάζει άμεσα τη σκλήρυνση της επιφάνειας (αντίσταση στην αναστολή οξυγόνου) και την απόδοση βαθιάς σκλήρυνσης. ενώ η συνολική δόση ενέργειας εξασφαλίζει την πλήρη σκλήρυνση του υλικού.
Σε σύγκριση με τους λαμπτήρες υδραργύρου, το πιο σημαντικό πλεονέκτημα των LED έγκειται στις διαμορφώσιμες και συντονίσιμες ιδιότητες τους. Εντός των ορίων απόδοσης του ίδιου του LED, οι παράμετροί του μπορούν να βελτιστοποιηθούν στο μέγιστο βαθμό ώστε να ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες απαιτήσεις ωρίμανσης. Στα πειράματα φωτοπολυμερισμού με υπεριώδη ακτινοβολία-LED, ο βασικός στόχος είναι η συνεχής επέκταση των ορίων απόδοσης τόσο της πηγής φωτός όσο και των υλικών υπεριώδους ακτινοβολίας και ο εντοπισμός της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ τους. Ειδικά για τα LED, αυτό σημαίνει τον προσδιορισμό των ιδανικών παραμέτρων της πηγής φωτός LED με βάση τη σύνθεση επίστρωσης για την επίτευξη βέλτιστων αποτελεσμάτων σκλήρυνσης.
Αρχή φωταύγειας LED και τρέχουσα κατάσταση ανάπτυξης των τσιπ UVLED
Με βάση την αρχή της μετάβασης ηλεκτρονίων (λεπτομέρειες παραλείπονται, οι ενδιαφερόμενοι αναγνώστες μπορούν να ανατρέξουν σε διαδικτυακούς πόρους για περισσότερες πληροφορίες), όταν τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο επιστρέφουν από μια διεγερμένη κατάσταση στη θεμελιώδη κατάσταση, απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας σε διαφορετικά μήκη κύματος (δηλ. εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφορετικών μηκών κύματος).
Επομένως, υπάρχουν δύο κύριες προσεγγίσεις για την κατασκευή πηγών φωτός που εκπέμπουν UV-:
Η πρώτη προσέγγιση είναι να προσδιοριστεί ένα άτομο του οποίου η διαφορά ενέργειας ηλεκτρονίων μεταξύ της διεγερμένης και της θεμελιώδους κατάστασης εμπίπτει ακριβώς στο υπεριώδες φάσμα. Οι παραδοσιακοί λαμπτήρες υδραργύρου είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες πηγές υπεριώδους φωτός με βάση αυτή την αρχή.
Η δεύτερη προσέγγιση αξιοποιεί την αρχή της φωταύγειας ημιαγωγών (οι λεπτομέρειες παραλείπονται· οι ενδιαφερόμενοι αναγνώστες μπορούν να ανατρέξουν σε διαδικτυακούς πόρους για περισσότερες πληροφορίες). Εν συντομία, όταν εφαρμόζεται τάση προς τα εμπρός σε έναν ημιαγωγό που εκπέμπει φως, οι οπές που εγχέονται από την περιοχή P-στην περιοχή N-και τα ηλεκτρόνια που εγχέονται από την περιοχή N-στην περιοχή P-ανασυνδυάζονται με ηλεκτρόνια στην περιοχή N{-αντίστοιχα σε μια περιοχή P{{6} μικρόμετρα κοντά στη διασταύρωση PN, δημιουργώντας αυθόρμητη ακτινοβολία φθορισμού.
Όπως είναι ευρέως γνωστό, το διάκενο ζώνης των υλικών ημιαγωγών της ομάδας III-V που κυμαίνονται από νιτρίδιο αλουμινίου έως νιτρίδιο γαλλίου ή νιτρίδιο γαλλίου ινδίου (InGaN) εμπίπτει ακριβώς στο φάσμα από το μπλε φως έως το υπεριώδες φως. Προσαρμόζοντας την αναλογία υλικού του νιτριδίου του γαλλίου αλουμινίου ινδίου, μπορούμε να παράγουμε πηγές υπεριώδους και ορατού φωτός σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος.
Ενώ θεωρητικά, φως οποιουδήποτε μήκους κύματος μπορεί να παραχθεί με προσαρμογή της σύνθεσης των υλικών φωταύγειας, η γκάμα των τσιπ UVLED που διατίθενται για εμπορική παραγωγή παραμένει αρκετά περιορισμένη λόγω διαφόρων περιορισμών. Τα τσιπ υψηλής ισχύος- κατάλληλα για βιομηχανικές εφαρμογές συγκεντρώνονται βασικά στη ζώνη UVA (365–415 nm). Τα τελευταία χρόνια, οι τεχνολογίες UVB και UVC έχουν επίσης αναπτυχθεί δυναμικά, αλλά βασικά περιορίζονται σε μη στρατιωτικές και καταναλωτικές αγορές χαμηλής ισχύος{{5}, όπως η απολύμανση και η αποστείρωση.
Υπάρχουν αρκετοί βασικοί λόγοι για αυτό:
Η δομή του κρυσταλλικού υλικού καθορίζει τη φωτεινή απόδοση (απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής) Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το νιτρίδιο γάλλιου ινδίου υψηλής απόδοσης (InGaN) μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν για την περιοχή 365–405 nm εντός UVA. Αντίθετα, τα τσιπ UVB και UVC βασίζονται εξ ολοκλήρου στο νιτρίδιο του γαλλίου αλουμινίου (AlGaN)-ένα υλικό με εγγενώς χαμηλή φωτεινή απόδοση- αντί των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων GaN και InGaN. Αυτό συμβαίνει επειδή το GaN και το InGaN απορροφούν υπεριώδες φως κάτω από 365 nm. Ως αποτέλεσμα, η φωτεινή απόδοση των τσιπ UVB και UVC είναι εξαιρετικά χαμηλή. Για παράδειγμα, το τσιπ 278 nm της LG έχει απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής μόλις 2%.
Προκλήσεις απαγωγής θερμότητας που προκύπτουν από χαμηλή απόδοση Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μια απόδοση φωτοηλεκτρικής μετατροπής 2% σημαίνει ότι το 98% της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα. Επιπλέον, η διάρκεια ζωής και η φωτεινή απόδοση των τσιπ LED είναι αντιστρόφως ανάλογες της θερμοκρασίας. Τέτοια υψηλή παραγωγή θερμότητας επιβάλλει εξαιρετικά αυστηρές απαιτήσεις στα συστήματα απαγωγής θερμότητας. Με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ψύξης, είναι απλώς αδύνατο να επιτευχθεί αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας για τσιπ υψηλής ισχύος-UVB και UVC.
Χαμηλή διαπερατότητα υπεριώδους ακτινοβολίας των υλικών συσκευασίας και φακών Για την προστασία των τσιπ LED, η ενθυλάκωση είναι απαραίτητη. Δεδομένου ότι τα LED εκπέμπουν φως πανκατευθυντικά, απαιτούνται φακοί για τη συγκέντρωση της δέσμης φωτός. Ωστόσο, εκτός από το γυαλί χαλαζία, τα περισσότερα υλικά έχουν πολύ χαμηλή διαπερατότητα υπεριώδους ακτινοβολίας-και η διαπερατότητα μειώνεται απότομα καθώς το μήκος κύματος μειώνεται. Κατά συνέπεια, παρόλο που η εγγενής φωτεινή απόδοση των τσιπ UVB/UVC είναι ήδη χαμηλή, ένα σημαντικό μέρος του φωτός απορροφάται από τους φακούς, με αποτέλεσμα την εξαιρετικά αδύναμη απόδοση του χρησιμοποιήσιμου φωτός που μόλις και μετά βίας επαρκεί για βιομηχανικές εφαρμογές.
Χαμηλή απόδοση κρυστάλλου και υψηλό κόστος παραγωγής Τα τρέχοντα τσιπ UVB και UVC παράγονται χρησιμοποιώντας τους ίδιους αντιδραστήρες με τα τσιπ UVA. Εκτός από τα εγγενή ελαττώματα του υλικού, ζητήματα όπως η αναντιστοιχία των συντελεστών θερμικής διαστολής μεταξύ του υποστρώματος και του κρυστάλλου οδηγούν σε εξαιρετικά χαμηλές αποδόσεις κρυστάλλων, οι οποίες με τη σειρά τους διατηρούν το κόστος παραγωγής απαγορευτικά υψηλό.
Συνολικά, λόγω της χαμηλής φωτεινής απόδοσης, του υψηλού κόστους και των αυστηρών απαιτήσεων απαγωγής θερμότητας των τεχνολογιών UVB και UVC, η ανάπτυξη υψηλής-ισχύςΦως UVB και UVCΟι πηγές για βιομηχανικές εφαρμογές θα παραμείνουν άπιαστες μέχρι να επιτευχθούν σημαντικές τεχνολογικές ανακαλύψεις.
Βασικές εστίες Ε&Α Συστημάτων Πηγής Φωτός LED
Ένα τσιπ LED είναι μόνο ένα κρίσιμο συστατικό μιας πηγής φωτός LED. Κατά τη διεξαγωγή έρευνας και ανάπτυξης σε πηγές φωτός LED, πρέπει να υιοθετήσουμε ασυστηματικός,ολιστική προσέγγιση. Πέρα από τον συντονισμό μήκους κύματος LED, το πεδίο Ε&Α περιλαμβάνει μια σειρά από κατάντη διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας συσκευασίας, του οπτικού σχεδιασμού, των συστημάτων απαγωγής θερμότητας, των συστημάτων τροφοδοσίας και των έξυπνων συστημάτων ελέγχου.
Επί του παρόντος, υπάρχουν τέσσερις κύριες δομές συσκευασίας για τσιπ LED:
Κατακόρυφη δομή τοποθέτησης
Αναστροφή-Δομή τσιπ
Κάθετη Δομή
3D Κατακόρυφη Δομή
Τα συμβατικά τσιπ LED τυπικά υιοθετούν μια κατακόρυφη κατασκευή με υπόστρωμα ζαφείρι. Αυτή η δομή διαθέτει απλό σχεδιασμό και ώριμες διαδικασίες παραγωγής. Ωστόσο, το ζαφείρι έχει κακή θερμική αγωγιμότητα, καθιστώντας δύσκολη τη μεταφορά της θερμότητας που παράγεται από το τσιπ στην ψύκτρα-, ένας περιορισμός που περιορίζει την εφαρμογή του σε συστήματα LED υψηλής- ισχύος.
Η συσκευασία{0}}τσιπ αντιπροσωπεύει μία από τις τρέχουσες τάσεις ανάπτυξης. Σε αντίθεση με τις κατασκευές κάθετης τοποθέτησης, η θερμότητα στα σχέδια τσιπ με αναστροφή-δεν χρειάζεται να περάσει μέσα από το ζαφείρι υπόστρωμα του τσιπ. Αντίθετα, μεταφέρεται απευθείας σε υποστρώματα με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (όπως πυρίτιο ή κεραμικό) και στη συνέχεια διαχέεται στο εξωτερικό περιβάλλον μέσω μιας μεταλλικής βάσης. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι δομές αναστροφής-τσιπ εξαλείφουν την ανάγκη για εξωτερικά χρυσά σύρματα, επιτρέπουν μεγαλύτερη πυκνότητα ενσωμάτωσης τσιπ και βελτιωμένη οπτική ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας. Τούτου λεχθέντος, τόσο οι κατακόρυφες δομές στήριξης όσο και οι δομές τσιπ{7}}αναστροφής μοιράζονται ένα κοινό ελάττωμα: τα ηλεκτρόδια P και N του LED βρίσκονται στην ίδια πλευρά του τσιπ. Αυτό αναγκάζει το ρεύμα να ρέει οριζόντια μέσω του στρώματος n-GaN, οδηγώντας σε συνωστισμό ρεύματος, τοπική υπερθέρμανση και, τελικά, περιορισμό του ανώτερου ορίου ρεύματος κίνησης.
Τα τσιπ κατακόρυφα-μπλε δομής-προέρχονται από την τεχνολογία κάθετης τοποθέτησης. Σε αυτό το σχέδιο, ένα συμβατικό τσιπ υποστρώματος-ζαφείρι αναποδογυρίζεται και συγκολλάται σε ένα εξαιρετικά θερμικά αγώγιμο υπόστρωμα, ακολουθούμενο από ανύψωση με λέιζερ-από το υπόστρωμα ζαφείρι. Αυτή η δομή αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το σημείο συμφόρησης της απαγωγής θερμότητας, αλλά περιλαμβάνει πολύπλοκες διαδικασίες παραγωγής- ιδιαίτερα το δύσκολο βήμα μεταφοράς υποστρώματος- που έχει ως αποτέλεσμα χαμηλές αποδόσεις παραγωγής. Ωστόσο, με την προοδευτική τεχνολογία, η κάθετη συσκευασία για UV LED έχει γίνει ολοένα και πιο ώριμη.
Μια νέα τρισδιάστατη κατακόρυφη δομή προτάθηκε πρόσφατα. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά τσιπ LED κάθετης-δομής, τα κύρια πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν την εξάλειψη της συγκόλλησης χρυσού σύρματος, τη δυνατότητα λεπτότερων προφίλ συσκευασίας, τη βελτιωμένη απόδοση απαγωγής θερμότητας και την ευκολότερη ενσωμάτωση υψηλών ρευμάτων κίνησης. Ωστόσο, πολλά τεχνικά εμπόδια πρέπει να ξεπεραστούν για να μπορέσουν να εμπορευματοποιηθούν οι 3D κάθετες κατασκευές.
Δεδομένου ότι τα UVLED γενικά παρουσιάζουν χαμηλότερη φωτεινή απόδοση σε σύγκριση με τα LED γενικού φωτισμού, η συσκευασία κάθετης δομής είναι η προτιμώμενη επιλογή για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης εξαγωγής φωτός.
Δεδομένου ότι τα LED εκπέμπουν φως πανκατευθυντικά και η εγγενής φωτεινή τους απόδοση είναι ήδη σχετικά χαμηλή, απαιτείται επιστημονικός και ορθολογικός οπτικός σχεδιασμός για τη βελτίωση της αποτελεσματικής απόδοσης φωτός (δηλαδή, η απόδοση φωτός της μετωπικής ακτινοβολίας). Τα κοινά οπτικά εξαρτήματα περιλαμβάνουν ανακλαστήρες, κύριους φακούς και δευτερεύοντες φακούς.
Επιπλέον, το υπεριώδες φως υφίσταται υψηλή εξασθένηση όταν διέρχεται από μέσα. Επομένως, πρέπει να αξιολογούνται πολλοί παράγοντες κατά την επιλογή υλικών φακών-όπως γυαλί χαλαζία, βοριοπυριτικό γυαλί και σκληρυμένο γυαλί-με προτεραιότητα σε υλικά με υψηλή διαπερατότητα UV. Αυτό όχι μόνο μεγιστοποιεί την απόδοση φωτός, αλλά επίσης αποτρέπει την υπερβολική άνοδο της θερμοκρασίας που προκαλείται από την απορρόφηση του φωτός του υλικού υπό παρατεταμένη έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μόνο ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε φωτεινή ενέργεια, ενώ ένα μεγάλο ποσοστό διαχέεται ως θερμότητα. Για τη ζώνη UVA, η τυπική αναλογία μετατροπής ενέργειας είναι 10:3:7 για ηλεκτρική ενέργεια, φως και θερμότητα αντίστοιχα. Η αποτελεσματική διάρκεια ζωής των τσιπ LED συσχετίζεται στενά με τη θερμοκρασία σύνδεσης τους. Στη διαδικασία φωτοπολυμερισμού, η υψηλή πυκνότητα οπτικής ισχύος απαιτεί συχνά ενσωμάτωση τσιπ LED υψηλής-πυκνότητας, γεγονός που επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις στα συστήματα απαγωγής θερμότητας.
Έτσι, η επίτευξη αποτελεσματικής απαγωγής θερμότητας και η διασφάλιση ότι η θερμοκρασία σύνδεσης όλων των τσιπ LED παραμένει σε ένα λογικό και ισορροπημένο εύρος, απαιτεί αυστηρό επιστημονικό σχεδιασμό, προσομοίωση υπολογιστή και πρακτικές δοκιμές.
Έρευνα για σκευάσματα επικάλυψης UV
Περιορισμοί Φωτοεκκινητών & Προσέγγιση επιπέδου Συστήματος-στην αντιδραστικότητα ρητίνης και μονομερούς Όπως απεικονίστηκε στην προηγούμενη εισαγωγή στην τεχνολογία LED, οι πηγές φωτός LED υψηλής ισχύος κατάλληλες για βιομηχανικές εφαρμογές επί του παρόντος περιορίζονται στη ζώνη UVA, συγκεκριμένα σε μήκη κύματος άνω των 365 nm. Έχοντας ορίσει τα όρια απόδοσης των πηγών φωτός LED, μπορούμε τώρα να δούμε ότι η επιλογή συμβατών φωτοεκκινητήρων είναι μάλλον περιορισμένη, καθώς οι περισσότεροι φωτοεκκινητές εμφανίζουν χαμηλούς συντελεστές γραμμομοριακής εξάλειψης σε μήκη κύματος άνω των 365 nm.
Για να αντιμετωπιστεί το ζήτημα της χαμηλής απόδοσης εκκίνησης των συμβατών φωτοεκκινητήρων LED-, οι προσπάθειες Ε&Α δεν πρέπει να περιορίζονται στους ίδιους τους φωτοεκκινητές. Αντίθετα, πρέπει να υιοθετήσουμε μια προοπτική επιπέδου συστήματος-που ενσωματώνει ρητίνες, μονομερή, φωτοεκκινητές και ακόμη και βοηθητικά πρόσθετα σε ένα ολιστικό ερευνητικό πλαίσιο, ενισχύοντας έτσι την αποτελεσματικότητα σκλήρυνσης των συστημάτων LED UV.
Σχεδιασμός σκευάσματος και ανάπτυξη διαδικασίας επίστρωσης για ωρίμανση LED (Επιπτώσεις φωτοεκκινητήρων, ρητινών, μονομερών, θερμοκρασίας, επιφανειακής ξηρότητας, μέσω ξηρότητας, χρωστικών και υλικών πλήρωσης) Για να βελτιωθεί η απορρόφηση υπεριώδους φωτός μεγάλου μήκους κύματος από φωτοεκκινητές, είναι συχνά απαραίτητο να ενσωματωθούν νιτρικά (P, βενζίνη) άτομα στις μοριακές τους δομές. Ενώ αυτή η τροποποίηση ενισχύει την απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος, οδηγεί επίσης σε αυξημένο χρωματισμό των φωτοεκκινητήρων.
Επιπλέον, λόγω της χαμηλής απόδοσης απορρόφησης φωτός αυτών των εκκινητών, πρέπει να προστεθούν μεγάλες ποσότητες ρητινών και μονομερών υψηλής αντίδρασης{0}}συνήθως υψηλής{1}}λειτουργικότητας ακρυλικών ρητινών και μονομερών-για να επιταχυνθεί ο συνολικός ρυθμός αντίδρασης του συστήματος επίστρωσης. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση τείνει να παράγει επιστρώσεις με υψηλή σκληρότητα αλλά χαμηλή ευελιξία, γεγονός που περιορίζει το εύρος των εφαρμογών τους.
Τούτου λεχθέντος, οι γενικά χαμηλοί συντελεστές γραμμομοριακής εξάλειψης των φωτοεκκινητήρων LED UV προσφέρουν επίσης ένα μοναδικό πλεονέκτημα: επιτρέπουν υψηλότερη μετάδοση φωτός UV μέσω του στρώματος επικάλυψης, το οποίο ευνοεί τη βαθιά σκλήρυνση παχύρρευστων φιλμ.
Απαιτήσεις απόδοσης επίστρωσης για διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης, μεταφοράς, κατασκευαστικές συνθήκες και διαδικασίες εφαρμογής Στη βιομηχανία επικαλύψεων, διάφορες τεχνικές εφαρμογής όπως η επίστρωση κυλίνδρων, η επίστρωση ψεκασμού και η επίστρωση κουρτινών επιβάλλουν διακριτές απαιτήσεις ιξώδους στις επιστρώσεις. Εν τω μεταξύ, διαφορετικά υποστρώματα απαιτούν προσαρμοσμένες ιδιότητες επίστρωσης όσον αφορά τη διαβρεξιμότητα και την πρόσφυση. Επιπλέον, οι ποικίλες συνθήκες μεταφοράς και αποθήκευσης απαιτούν αντίστοιχα επίπεδα σταθερότητας αποθήκευσης για τις επικαλύψεις. Επομένως, όλοι αυτοί οι παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται πλήρως υπόψη κατά τον σχεδιασμό της σύνθεσης επίστρωσης.
Απαιτήσεις απόδοσης φιλμ επίστρωσης για διάφορες εφαρμογές Τα διαφορετικά πεδία εφαρμογής επιβάλλουν ποικίλες απαιτήσεις απόδοσης στις μεμβράνες επίστρωσης, όπως η στιλπνότητα, οι χρωματομετρικές ιδιότητες, η σκληρότητα, η ευκαμψία, η αντοχή στην τριβή και η αντοχή στην κρούση. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη της επίστρωσης πρέπει να επιτύχει μια ισορροπία μεταξύ της αποτελεσματικότητας σκλήρυνσης και της απόδοσης του φιλμ.
Έρευνα για τις διαδικασίες επίστρωσης
Η επίστρωση είναι μια συστηματική διαδικασία μηχανικής. Η βελτιστοποίηση των διαδικασιών επίστρωσης μπορεί να επεκτείνει περαιτέρω τα όρια εφαρμογής της τεχνολογίας UV-LED. Όπως λέει ένα βιομηχανικό ρητό,"Τρία μέρη βασίζονται στην επίστρωση· επτά μέρη εξαρτώνται από τη διαδικασία εφαρμογής". Τελικά, τόσο οι επιστρώσεις όσο και οι πηγές φωτός επιτυγχάνουν την επιδιωκόμενη απόδοσή τους μόνο μέσω σωστής εφαρμογής.
Επιπλέον, η βελτιστοποίηση των διαδικασιών επίστρωσης σε συνδυασμό με επιστρώσεις UV και πηγές φωτός LED μπορεί να αντισταθμίσει σημαντικά τους περιορισμούς τόσο των υλικών όσο και των πηγών φωτός. Για παράδειγμα, η θέρμανση μπορεί να μειώσει το ιξώδες των επιστρώσεων υψηλής περιεκτικότητας σε ρητίνη-που είναι υπερβολικά παχύρρευστο σε θερμοκρασία δωματίου, καθιστώντας τις κατάλληλες για διαφορετικές μεθόδους εφαρμογής. Επιπλέον, η θέρμανση μπορεί να βελτιώσει τη ρευστότητα του συστήματος επίστρωσης, να ενισχύσει τη μοριακή δραστηριότητα, να εξασφαλίσει πληρέστερες αρχικές αντιδράσεις σκλήρυνσης και να αποδώσει πιο λείες επιφάνειες μεμβράνης.
Έρευνα για τις αλυσίδες της βιομηχανίας ανάντη και κατάντη
Τα τελευταία δύο χρόνια, η έλλειψη και οι εκτοξευόμενες τιμές των φωτοεκκινητήρων που προκλήθηκαν από εκστρατείες για την προστασία του περιβάλλοντος προκάλεσαν απτές απώλειες στις κατάντη επιχειρήσεις και παρεμπόδισαν σοβαρά την ανάπτυξη της τεχνολογίας LED UV. Αυτό υπογραμμίζει ότι η συνδεσιμότητα των βιομηχανικών αλυσίδων ανάντη και κατάντη και η ομαλότητα των συστημάτων εφοδιαστικής αλυσίδας αποτελούν τις θεμελιώδεις εγγυήσεις για την υγιή ανάπτυξη ενός κλάδου και την επιτυχία στην αγορά των προϊόντων και των τεχνολογιών του.
Ενώ πολλές βιομηχανίες εξελίσσονται από το μηδέν μέσω της αμοιβαίως ενισχυόμενης δυναμικής της τεχνολογικής καινοτομίας, της βιομηχανικής ανάπτυξης και της αύξησης της ζήτησης, αυτοί οι παράγοντες πρέπει να αξιολογούνται διεξοδικά κατά τη διαδικασία εμπορευματοποίησης.
Επιπλέον, από επενδυτική άποψη, η διεξαγωγή έρευνας και η ανάπτυξη αλυσίδων ανάντη και κατάντη βιομηχανίας μπορεί όχι μόνο να εξασφαλίσει σταθερή προσφορά όταν τα προϊόντα εισέρχονται στην αγορά, αλλά και να επιτρέψουν στις επιχειρήσεις να μοιράζονται τα μερίσματα της ανάπτυξης του κλάδου.
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-για-halloween.html
