В сравнение с видимите светодиоди, UV светодиодите са спокоен пазар с едва 30 милиона долара, но скорошните пробиви в лъчистата мощност и интензивност позволиха изместването на живачни лампи в приложения, включително UV втвърдяване и откриване на фалшификати, съобщава LAURA PETERS.
+ + + +
Тази статия е публикувана в броя на списание LEDs от февруари 2012 г.
Прегледайте съдържанието и изтеглете PDF файла на пълния брой от февруари 2012 г.
+ + + + +
Под видимия спектър се намира лента с дължини на вълните, наречена ултравиолетова (UV). В диапазона от 100 до 400 nm, лъчението може ефективно да се използва за стерилизация на козметика, извършване на съдебен анализ, втвърдяване на материали (фиг. 1) и дезинфекция на вода, наред с много други приложения. Днес, какъвто е случаят със светодиодите във видимия спектър, UV светодиодите едва започват да заменят установените UV източници на също толкова разнообразен набор от пазари.
. ФИГ. 1 Система за втвърдяване с въздушно охлаждане Firefly с въздушно охлаждане (източник: Phoseon Technology).
Фиг. 1.
„В сравнение с многомилиардната индустрия за LED осветление, пазарът на UV-LED е закръгляваща грешка от около 30 милиона долара, но бързо се разраства“, каза Майк Лим, директор на глобалния индустриален и нов бизнес за Luminus Devices, със седалище в Billerica , MA.
Далеч пазарът на UV-втвърдяване се радва на най-голям скок в приемането на UV-LED поради сравнително скорошния пробив в плътността на потока на UV-LED чиповете над 4W / cm2 при различните дължини на вълните, необходими за въвеждане на UV-LED втвърдяване в производството съоръжения. „За първи път светодиодите достигнаха плътността на мощността, което прави UV светодиодите конкурентни на съществуващите източници“, каза Уве Томас, генерален мениджър на емитерни компоненти с LED Engin, доставчик на UV и видими светодиоди със седалище в Санта Клара, Калифорния.
UV-A, B и C
Втвърдяването включва кръстосана полимеризация на фоточувствителен материал, който може да бъде мастило (печат), лепило или покритие и се извършва предимно при 395 nm, 385 nm или 365 nm, дължини на вълната, които са част от UV-A спектъра (315 -400 nm). Друго важно приложение на UV-A са системите за инспекция, базирани на машинно зрение. UV-LED фенерчетата от този диапазон се използват за откриване на измамна идентификация и валута и предлагат ползата от използването в добре осветена среда, което е трудно при използване на лампа с живачни пари.
В UV-B спектъра (280-315 nm) приложенията за UV светодиоди включват втвърдяване, медицинска светлинна терапия, съдебен анализ и откриване на лекарства. Изчислено е от фирмата за пазарни проучвания Yole Développement (Лион, Франция), че 90% от UV приложенията днес са базирани в UV-A и UV-B регионите (Фиг. 4). Yole заяви, че очаква пазарът на UV светодиоди да нараства с 30% годишно от 25 млн. Долара през 2010 г. на над 100 млн. Долара през 2016 г. Фигура 5 показва още по-оптимистична прогноза от Асоциацията за развитие на оптоелектронната индустрия, Международната асоциация за оптоелектроника и Европейския консорциум за фотонна индустрия.
ФИГ.2 Многоизмерващ UV излъчвател в керамична опаковка (източник: LED Engin) ...
Фиг. 2.
Извън тези приложения е известно, че UV-B радиацията има полезни здравни свойства, включително естествения синтез на витамин D при хора, които са изложени на слънчева светлина. UV-B също ускорява производството на полифеноли в някои листни зеленчуци като червена маруля. Смята се, че полифенолите имат антиоксидантни качества. „Обикновено тези растения се отглеждат в оранжерии днес, които умишлено филтрират UV частта от спектъра, за да увеличат растежа на растенията. Интересното е, че имаме доказателства, че когато тези растения са изложени на UV-B светодиоди кратко време преди прибиране на реколтата, тяхното съдържание на полифенол се повишава, без да се нарушава растителната маса “, обясни Кари Ескоу, глобален директор за модерни светодиоди и осветление за Avnet Electronics Marketing във Финикс , AZ, която разпространява UV светодиоди. Той продължи ”Това е нов метод за повишаване на привлекателността на някои храни, без да се използват химикали. Полифенолите също са получили внимание поради техните предполагаеми антиканцерогенни, антипролиферативни и антимутагенни свойства. „
В по-ниския спектър на UV-C (100-280 nm), основните приложения на LED са стерилизация на въздух и вода и набор от аналитични инструменти, включително тези, които извършват спектроскопски и флуоресцентни измервания. Химичните и биологичните детектори също работят в този спектрален диапазон.
UV в диапазона 250-275 nm стерилизира вода, въздух и повърхности, като разгражда ДНК и РНК на микроорганизмите и предотвратява тяхното размножаване. По-конкретно, 275 nm се смята за най-ефективната дължина на вълната за унищожаване на патогени като E-coli във вода. Всъщност инженерите от Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), базирани в Колумбия, SC, са установили, че 275 nm е оптималната дължина на вълната за дезинфекция на водата. SETi демонстрира дезинфекция на питейна вода в поточна система, използваща по-малко от 40 mW UV мощност.
Алтернативи на живачните дъгови лампи
В производствените операции по втвърдяване лампите с живачни пари са възпрепятствани от кратък живот (2000-10 000 часа), бавно време за загряване и охлаждане и широко разпределение на спектралната мощност. „В допълнение, над 60% от енергията, която се прилага към типична лампа с живачни пари, се излъчва обратно като инфрачервена енергия, с други думи, топлина“, каза Есков. Той добави, че ултравиолетовата мощност на лампата с живачни пари спада бързо през целия си експлоатационен живот, тъй като част от нейния електроден материал се изпарява, отлагайки филм от вътрешната страна на кварцовата тръба, през който UV не може да проникне. В резултат потребителят не може лесно да предвиди количеството UV, генерирано по-късно; често това е критичен параметър на процеса.
Фиг. 3. UV-C светодиоди за бактерицидни приложения от Crystal IS, Inc. Наскоро компанията беше придобита от базираната в Япония Asahi Kasel.
Фиг. 3.
Живачната лампа има основен пик при 365 nm, но няколко по-малки пика във видимия и инфрачервения регион (фиг. 7). Недостатък на тези чужди пикове е генерирането на топлина по време на печатане и други операции по втвърдяване. „С пластмасите и други термочувствителни материали има реални предизвикателства в печата, защото носителят се изкривява от топлината на живачната лампа“, обясни Стив Меткалф, главен изпълнителен директор и президент на Air Motion Systems (AMS), производител на втвърдяване системи, базирани в River Falls, WI. Той даде примери, които включват пластмасови карти за подарък или кредитни карти, в които се използва литографски печат.
Metcalf добави, че много хора, които не биха помислили за UV втвърдяване поради сложността на стандартните процеси на втвърдяване - високото напрежение, топлината на живачните крушки и екологичните проблеми - сега ще обмислят UV-LED втвърдяването, защото това подкопава традиционните главоболия от стария процес .
UV светодиодите носят такива предимства, като да знаят точно какво ниво на мощност се доставя на втвърдяващата среда, както и други предимства, с които са известни светодиодите, като способността да импулсират изходно-широчинно, заяви Ескоу.
Преходът към UV светодиоди също отвори вратата към по-екологични формули за втвърдяване. Със следващото поколение продукти, които компаниите за мастило, покрития и лепила разработват, те използват възможността за постепенно премахване на летливите органични съединения (ЛОС), свързани с формулировките на базата на разтворители от предишни химически състави.
Оптимизиране на втвърдяване
За ултравиолетовите устройства с по-голяма дължина на вълната, подобно на производството на сини светодиоди, базираните на InGaN епилаери се отглеждат върху сапфирени основи, за да произведат 385, 395 и 405 nm UV светодиоди за втвърдяване. Едно ключово предимство на устройствата с по-висока дължина на вълната е, че те могат да бъдат задвижвани с по-голяма мощност. „395 nm е наистина сладкото място за UV LED втвърдяване, тъй като при 405 nm формулата е чувствителна към околната светлина, така че искате да бъдете малко под 400, докато можете да управлявате светодиодите с висока мощност“, каза Лим. Всички основни доставчици на препарати за втвърдяване (фотоинициатори и смоли) наскоро пуснаха на пазара мастила и покрития с по-висока дължина на вълната, за да запълнят тази нужда.
Фиг. 4. Повечето приложения са в UV-A и UV-B частите на спектъра.
Фиг. 4.
Освен че произвеждат повече мощност, UV светодиодите с по-висока дължина на вълната се отличават с по-висока ефективност на щепсела. Например при 365 nm изходната мощност на UV LED е само 5-8% от входната мощност. При 385 nm тази ефективност се подобрява, но само до ~ 15%, което прави чипа с по-висока дължина на вълната по-добър избор.
Процесите на втвърдяване изискват големи мощни светодиоди (множество матрици / чипове), подредени в стегната матрица в конфигурация на чип на борда, близо до прозореца на излъчвателя с вътрешна система с въздушно или водно охлаждане за отстраняване на топлината от задната част на дъската. „Няма значение каква е интензивността на ултравиолетовите лъчи в прозореца на излъчвателя, важно е интензивността на повърхността на медията“, каза Меткалф. В зависимост от оборудването и приложението на втвърдяване, носителят може да бъде на 1 до 100 mm от прозореца на излъчвателя, за което AMS е произвел специална оптика. В допълнение, PCB с метално охлаждане се използва за потапяне на топлината от матрицата на светодиодите.
Използва се и въздушно охлаждане. Например, системата за втвърдяване, показана на фиг. 1, която има излъчващ прозорец от 150 х 20 mm и плътност на потока 4W / cm ², може да се използва за мастила за втвърдяване на място, покрития или лепила. Днес UV-LED оборудването за втвърдяване често е специално проектирано да отговаря на приложението. Metcalf описва големите банери с плоско легло като способни да използват светодиоди с по-ниска мощност, но по-високоскоростните цифрови, офсетни и флексографски технологии изискват тясно разположени банки от светодиоди с висока плътност. Въпреки че лъчението не се вижда, използва се колимираща оптика, за да достави лъчението с еднакво ниво на мощност през целевата среда. Дигиталното мастилено-струйно втвърдяване е първият сегмент, който използва UV светодиоди поради необходимото близко разстояние до носителя, за да могат печатащите глави да работят оптимално. Това е естествено подходящо за UV-LED лампи, тъй като интензивността на втвърдяване е най-висока в прозореца на излъчвателя.
Фиг. 5. История и прогноза на UV-LED пазара
Фиг. 5.
Стейси Волк, специалист по маркетингови комуникации в Phoseon Technology в Hillboro, OR, производител на UV-LED системи за втвърдяване, посочи някои от допълнителните предимства, свързани с UV-LED втвърдяването, включват контролирана интензивност на втвърдяване, мащабируемо оборудване и факта, че машините са по-малки и компактни.
Един от проблемите, с които се сблъсква индустрията за втвърдяване, е несъответствието в практиката на измерване и дефинициите на параметри, например, определяне на радиометричния интензитет. Асоциацията за втвърдяване на UV светодиоди (www.uvledcuring.org) е създадена наскоро от производители за лечение на Phoseon Technology, Integration Technology Limited и Lumen Dynamics, за да „определя насоки и да гарантира съвместимост в цялата индустрия“, заяви Бил Кортелу, президент и главен изпълнителен директор на Phoseon Technology . Асоциацията също така се стреми да помогне за ускоряване на разработването на приложения, особено подходящи за UV светодиоди, да образова изследователи, интегратори и крайни потребители относно предимствата на UV светодиодите и да осигури форум за индустриална комуникация и сътрудничество.
„С нашия 15-годишен опит в технологията за LED втвърдяване, индустрията осъществи значителни пробиви, които доказаха, че светодиодите са жизнеспособна алтернатива, която осигурява значителни ползи“, каза Алън Фирходж, президент и главен изпълнителен директор на Lumen Dynamics със седалище в Онтарио, Канада. Той добави: „Асоциацията за втвърдяване на UV LED ще бъде от съществено значение за подпомагането на пазара да придобие знания и прозрение за UV LED технологията и нейните многобройни търговски предимства.“
Втората асоциация, Международната LED-UV асоциация (www.leduv.org), е създадена през септември 2011 г. в Япония, за да организира производители на UV-LED принтери, производители на UV-LED и формулатори за мастило и покрития, които се ангажират да разработят устойчиви и екологичните UV-LED технологии за печат.
Производители на чипове
Компаниите, които произвеждат UV-LED чипове, включват Crystal IS, базиран в Грийн Айлънд, Ню Йорк (фиг. 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd, със седалище в Токио, Япония ;. Nichia Corp, базирана в Токушима, Япония ;. SemiLED, базирани в Синчу, Тайван; .. SETi и Seoul Optodevice Co Ltd, базирани в Kyunggi-do, Корея, изцяло притежавано дъщерно дружество на Seoul Semiconductor.
Фиг. 6. UVClean LED решетките на SETi доставят много мощна дълбочина на UV светлината при 300-320 nm, оптималният обхват за фототерапии.
Фиг. 6.
Производителите на UV-LED се фокусират върху непрекъснатото подобряване на ефективността и живота на своите устройства, като същевременно намаляват разходите. Seoul Optodevice има споразумение за производствено партньорство със SETi, което произвежда широка гама от UV светодиоди и лампи и извършва всичко - от обработка на вафли до дизайн на лампи по поръчка. Компанията предлага ултравиолетови излъчватели в херметически затворени опаковки от метално стъкло (TO-18, TO-39 и TO-3), със стандартни продукти и персонализирани решения с дължина на вълната от 240 до 355 nm. Фигура 6 показва примери за UV-LED решетки в лампи, проектирани да доставят радиация в обхвата 300-320 nm за приложения за фототерапия като лечение на кожни заболявания като псориазис или екзема.
Тим Бетълс, директор маркетинг и продажби в SETi, заяви, че производственото му споразумение със Seoul Optodevice е създадено, за да помогне на SETi да увеличи обема си на UV светодиоди и лампи, като същевременно намали разходите. „Първите ни UV-LED продукти бяха пуснати на пазара през 2004 г. и оттогава изминахме дълъг път както в развитието на технологиите, така и в приемането на пазара. Сега ние подготвяме капацитета на SETi за производство в голям обем, за да отговори на новите изисквания, идващи от основните потребителски пазари, “каза Bettles. SETi наскоро обяви закупуването на ново съоръжение, където планира да произвежда над 100 милиона UV светодиода годишно.
Девин Танг, маркетинг мениджър на SemiLED, заяви, че компанията разполага с пълна гама от зарове и монтирани на повърхността светодиоди с висока мощност в диапазона 360-400 nm. Той отбеляза, че продуктите на компанията се диференцират от останалите по отношение на подложките от медна сплав на чиповете, които позволяват висока топлопроводимост (400 W / mK) и силициеви основи в опаковките, което намалява разходите.
Epigap Optronic, базиран в Берлин, Германия, основният дистрибутор на UV светодиодите на Dowa, заяви, че Dowa произвежда 265, 280, 310, 325 и 340 nm голи зарове или пакетирани светодиоди. Nichia произвежда 365, 375 и 385 nm повърхностно монтирани мощни светодиоди и лампи с ниска мощност. Crystal IS произвежда 260 nm UV светодиоди и е единствената компания, която произвежда LED на AlN основи.
Проблеми с обработката на вафли
Както беше посочено по-рано, епилаторите на InGaN и GaN, отглеждани от MOCVD, се използват за UV светодиоди с по-висока дължина на вълната, произведени върху сапфирени основи, но при по-ниски дължини на вълните трябва да се използват епилаери от AlGaN с нарастващо съдържание на алуминий. Има много различни композиции, включващи слоеве епилатори AlGaN, AlInGaN, AlInN и AlN, но независимо от състава, става по-лесно да се отглеждат материали на основата на AlGaN върху AlN субстрати, отколкото сапфир в даден момент, което насърчава развитието на доставчиците на AlN субстрат като Hexatech, базиран в Morrosville, NC. Независимо от това, подложките AlN се предлагат само в малки размери и остават много по-скъпи от сапфировите пластини, като по този начин ограничават този пазар.
Фиг. 7. Спектрален изход на лампа с живачни пари в UV и видими области.
Фиг. 7.
Наскоро Теодор Мустакас от Бостънския университет е пионер в използването на MBE (молекулярна лъчева епитаксия), за да се развият по-ефективни (с висока вътрешна квантова ефективност) UV LED устройства, използващи слоеве, базирани на AIGaN върху сапфирени основи. Този подход би се конкурирал с различните техники на MOCVD, използвани за депозиране на AlGaN днес.
Оптика и опаковка
Въпреки че производителите на UV LED работят усилено, за да подобрят вътрешната квантова ефективност и оптичната ефективност, общата ефективност остава под 20%, което означава, че голяма част от топлината трябва да се разсейва от кръстовището на диода. „За да се постигнат необходимите плътности на потока с днешните чип технологии, многоизмервателните излъчватели трябва да се задвижват с най-висок ток. Това е възможно само с LED пакет, способен да се справи с екстремни плътности на мощността през целия живот на продукта. Термично съвпадащият пакет без стрес и стъклена леща помагат да се премахнат често срещаните режими на повреда на опаковката, свързани с UV светодиодите “, каза Томас. Той описа патентования многослоен керамичен субстрат на LED Engin с изключително ниско термично съпротивление, което бързо провежда топлината от матричната връзка (фиг. 2).
Докато някои UV LED масиви са опаковани върху керамични основи, много производители, особено на едночипови устройства, използват TO-can пакети с отвори със стъклен плот, който предлага високо предаване на UV. Замяната на епоксидни лещи с плоско или куполовидно стъкло, способно да предава UV лъчи, е сравнително ново развитие, което позволява удължаване на живота от около 5000 часа до 30 000 часа. UV ускорява разграждането на епоксидния материал по нелинеен начин, като пряко влияе върху живота. Стъклените лещи осигуряват подобрена издръжливост и подобрена надеждност. Друга алтернатива е да се комбинира стъклена леща със силиконов капсулант, за да се приспособи още по-висока плътност на потока и по-висока ефективност и по-кратък живот (15 000-20 000 часа).
Изборът дали да се използва херметично запечатване в опаковката понякога се определя от материалите в чипа. „Алуминиево-нитридният субстрат почти диктува използването на херметична опаковка, тъй като колкото по-високо е съдържанието на алуминий, толкова по-висок е афинитетът на устройството към кислород, така че херметичното уплътнение ще защити по-добре UV устройството“, обясни Франк Гиндел, мениджър разработване на продукти за Schott Electronic Packaging в Landshut, Германия. Новият пакет на медна и стъклена основа от Schott предлага предимствата на висока топлопроводимост и херметичност.
Опасности от UV
Важно е да се признае, че някои от същите качества, които правят UV светодиодите много мощни и полезни - тяхната ниска дължина на вълната и висока енергия -. Има ли и качествата, които ги правят опасни Предупредителните етикети на UV светодиодите и техните продукти са ясни, но носят бележка:. UV-светодиодите излъчват невидима ултравиолетова радиация, когато работят, което може да бъде вредно за очите или кожата, дори за кратки периоди (За повече информация относно фотобиологичната безопасност вижте нашата серия статии, част 3 от които се появява на стр. 63 от този брой .)
Следващи стъпки
Когато бъдат помолени да идентифицират ключовия проблем, който може да попречи на потребителите на UV да преминат от източници на живачни пари към UV светодиоди, много участници в индустрията казват, че това се свежда до нарушаване на съществуващия индустриален импулс и, разбира се, разходи. Лим смята, че закръгляването на портфолиото с дължина на вълната би довело до дълъг път към осиновяването. „Мисля, че ако можем да получим добри светодиоди с 250 nm, 285 nm и 300 nm, тези три дължини на вълната, тогава можем да затворим вратата на живачни дъгови лампи.“
