Nähtavate valgusdioodidega võrreldes on UV-valgusdioodid vaikne turg vaid 30 miljoni dollariga, kuid hiljutised läbimurded kiirgusvõimsuses ja -intensiivsuses on võimaldanud elavhõbeda-aurulampide nihutamist rakendustes, sealhulgas UV-kõvenemise ja võltsimise tuvastamisel, teatab LAURA PETERS.
+ + + +
See artikkel ilmus ajakirja LEDs 2012. aasta veebruari numbris.
Vaadake sisukorda ja laadige alla kogu veebruari 2012. aasta väljaande PDF-fail.
+ + + + +
Nähtava spektri all asub lainepikkuste riba, mida nimetatakse ultraviolettkiirgeks (UV). Kiirgust saab vahemikus 100–400 nm kasutada paljude muude rakenduste hulgas tõhusalt kosmeetika steriliseerimiseks, kohtuekspertiisi analüüsimiseks, materjalide ravimiseks (joonis 1) ja vee desinfitseerimiseks. Tänapäeval, nagu ka nähtavas spektris olevate valgusdioodide puhul, hakkavad UV-valgusdioodid asuma väljakujunenud UV-allikaid alles samamoodi mitmekesistel turgudel.
. JOONIS 1 Firefly õhkjahutusega UV-LED-põhine kõvastumissüsteem (allikas: Phoseon Technology) ..
Joonis fig. 1.
"Võrreldes mitme miljardi dollari suuruse LED-valgustite tööstusega on UV-LED-i turg ümardusviga umbes 30 miljonit dollarit, kuid see kasvab kiiresti," ütles Billericas asuva Luminus Devicesi ülemaailmse tööstus- ja uue ettevõtte direktor Mike Lim. , MA.
Ülekaalukalt on ultraviolettkiirguse töötlemise turg UV-LEDi kasutuselevõtu kõige suurem hüppelisus tänu suhteliselt hiljutisele läbimurdele UV-LED-kiipide voolutiheduses üle 4W / cm2 märgi erinevatel lainepikkustel, mis on vajalikud UV-LED-i kõvenemise tootmiseks rajatised. "Esimest korda on LED-id jõudnud võimsustihedusteni, mis muudavad UV-valgusdioodid olemasolevate allikatega konkurentsivõimelisteks," ütles Santa Claras (CA) asuva UV-valgusega ja nähtavate valgusdioodide pakkuja LED Enginiga emitterkomponentide peadirektor Uwe Thomas.
UV-A, B ja C
Tahkestamine hõlmab valgustundliku materjali ristpolümerisatsiooni, milleks võib olla tint (trükk), liim või kate ja mis viiakse läbi peamiselt lainepikkustel 395 nm, 385 nm või 365 nm, lainepikkustel, mis on osa UV-A spektrist (315 -400 nm). Teine oluline UV-A rakendus on masina nägemisel põhinevad kontrollsüsteemid. Selles vahemikus asuvaid UV-LED-taskulampe kasutatakse pettuse tuvastamiseks ja valuuta tuvastamiseks ning need pakuvad eeliseid hästi valgustatud keskkondades, mis on elavhõbeda-aurulambi kasutamisel keeruline.
UV-B spektris (280-315 nm) hõlmavad UV-valgusdioodide rakendused kõvenemist, meditsiinilist valgusravi, kohtuekspertiisi analüüsi ja ravimite avastamist. Turu-uuringufirma Yole Développement (Lyon, Prantsusmaa) on hinnanud, et 90% UV-LED-i rakendustest asuvad tänapäeval UV-A ja UV-B piirkonnas (joonis 4). Yole on öelnud, et eeldab, et UV-valgusdioodide turg kasvab 30% aastas 25 miljonilt dollarilt 2010. aastal enam kui 100 miljonile dollarile 2016. aastal. Joonisel 5 on Optoelektroonikatööstuse arendusühingu, Rahvusvahelise Optoelektroonika Assotsiatsiooni ja Euroopa Fotoonikatööstuse Konsortsiumi veelgi optimistlikum prognoos.
JOONIS 2 Mitmetahuline UV-kiirgaja keraamilises pakendis (allikas: LED Engin)…
Joonis fig. 2.
Lisaks nendele rakendustele on UV-B-kiirgusel teadaolevalt kasulikud tervislikud omadused, sealhulgas päikesevalguse käes olevate inimeste D-vitamiini loomulik süntees. UV-B kiirendab ka polüfenoolide tootmist teatud lehtköögiviljades, näiteks punases salatis. Arvatakse, et polüfenoolidel on antioksüdantsed omadused. „Üldiselt kasvatatakse neid taimi tänapäeval kasvuhoonetes, mis filtreerivad tahtlikult spektri UV-osa, et maksimeerida taimede kasvu. Huvitav on see, et meil on tõendeid selle kohta, et kui need taimed puutuvad UV-B valgusdioodidega kokku lühikese aja jooksul enne saagikoristust, suureneb nende polüfenoolisisaldus taimede massi kahjustamata, “selgitas Cary Eskow, Phoenixis asuva Avnet Electronics Marketingi täiustatud LED-ide ja valgustuse direktor , AZ, mis levitab UV-valgusdioode. Ta jätkas. ”See on uudne meetod mõnede toitude atraktiivsuse suurendamiseks kemikaale kasutamata. Polüfenoolid on tähelepanu pälvinud ka väidetavate kantserogeensete, antiproliferatiivsete ja antimutageensete omaduste tõttu. "
Madalamas UV-C spektraalses vahemikus (100–280 nm) on peamisteks LED-rakendusteks õhu ja vee steriliseerimine ning mitmesugused analüüsivahendid, sealhulgas spektroskoopiliste ja fluorestsentsmõõtmiste tegijad. Selles spektrivahemikus töötavad ka keemilised ja bioloogilised detektorid.
UV vahemikus 250–275 nm steriliseerib vett, õhku ja pindu, lõhustades mikroorganismide DNA ja RNA ning takistades nende paljunemist. Täpsemalt arvatakse, et 275 nm on kõige tõhusam lainepikkus selliste patogeenide nagu E-coli vees hävitamiseks. Tegelikult on Columbia, SC osariigis asuva Sensor Electronic Technology Inc. (SETi) insenerid kindlaks teinud, et vee desinfitseerimiseks on optimaalne lainepikkus 275 nm. SETi on näidanud joogivee desinfitseerimist vooluvoolusiseses süsteemis, kasutades vähem kui 40 mW ultraviolettvõimsust.
Elavhõbeda kaarlampide alternatiivid
Tootmises kõvenemise ajal takistavad elavhõbeda-aurulampe lühike eluiga (2000–10 000 tundi), aeglane soojenemis- ja jahtumisaeg ning lai spektraalne võimsuse jaotus. "Lisaks kiiratakse üle 60% tavalisele elavhõbeda-aurulambile rakendatavast energiast tagasi infrapunaenergiana ehk soojusena," ütles Eskow. Ta lisas, et elavhõbeda aurulambi UV-kiirgus langeb selle tööea jooksul kiiresti, kuna osa selle elektroodimaterjalist aurustub, ladestades kvartsitoru siseküljele kile, kuhu UV ei pääse läbi. Seetõttu ei saa kasutaja hõlpsasti ennustada hilisemal ajal tekkinud UV-kiirgus ;. sageli on see protsessi kriitiline parameeter.
Joonis fig. 3. UV-C valgusdioodid idutõrjevahenditeks, ettevõttelt Crystal IS, Inc. Ettevõtte omandas hiljuti Jaapanis asuv Asahi Kasel.
Joonis fig. 3.
Elavhõbedalambi peamine piik on lainepikkusel 365 nm, kuid nähtavas ja infrapunases piirkonnas on mitu väiksemat piiki (joonis 7). Nende kõrvaliste tippude negatiivne külg on soojuse teke printimise ja muude tahkestamistoimingute ajal. "Plastide ja muude soojustundlike materjalide puhul on trükkimisel olnud tõelisi väljakutseid, kuna elavhõbedalambi soojus moonutab kandjat," selgitas kõvenemist valmistava ettevõtte Air Motion Systems (AMS) tegevjuht Steve Metcalf. River Falls, WI osariigis. Ta tõi näiteid, mis sisaldavad plastist kinkekaarte või krediitkaarte, kus kasutatakse lehtedega litograafilist printimist.
Metcalf lisas, et paljud inimesed, kes ei oleks UV-kõvenemist tavaliste tahkestamisprotsesside keerukuse - kõrgepinge, elavhõbedasibulate soojus ja keskkonnaprobleemid - tõttu kaalunud, kaaluvad nüüd UV-LED-i kõvastumist, kuna see õõnestab vana protsessi traditsioonilisi probleeme. .
UV-valgusdioodid toovad selliseid eeliseid nagu täpselt teada, millist võimsustaset ravikeskkonnale tarnitakse, samuti on teada muud LED-ide eelised, nagu näiteks võime pulsilaiusel moduleerida väljundit, ütles Eskow.
Üleminek UV-valgusdioodidele avas ukse ka keskkonnasõbralikumatele kõvastuvatele ravimvormidele. Järgmise põlvkonna toodetega, mida tindi-, katte- ja liimifirmad arendasid, kasutasid nad võimalust kaotada lendu orgaanilised ühendid (LOÜ), mis on seotud varasemate keemiate lahustipõhiste preparaatidega.
Kuivatamise optimeerimine
Pikema lainepikkusega UV-seadmete jaoks kasvatatakse InGaN-põhiseid epileere safiirisubstraatidel sarnaselt sinise LED-i tootmisega, et saada 385, 395 ja 405 nm ultraviolettvalgustid kõvenemiseks. Suurema lainepikkusega seadmete üks peamine eelis on see, et neid saab juhtida suurema võimsusega. "395 nm on tõesti ultraviolettvalgusdioodide kõvenemise magus koht, sest lainepikkusel 405 nm on preparaat ümbritseva valguse suhtes tundlik, nii et soovite olla veidi alla 400, samal ajal kui saate LED-e juhtida suure võimsusega," ütles Lim. Kõik suuremad kõvastuvate ravimvormide pakkujad (fotoinitsiaatorid ja vaigud) on hiljuti selle vajaduse rahuldamiseks turule toonud suurema lainepikkusega tindid ja katted.
Joonis fig. 4. Enamik rakendusi on spektri UV-A ja UV-B osas.
Joonis fig. 4.
Lisaks suurema võimsuse tootmisele on suurema lainepikkusega UV-valgusdioodidel suurem seinakontakti efektiivsus. Näiteks lainepikkusel 365 nm on UV-LED-i väljundvõimsus ainult 5–8% sisendvõimsusest. 385 nm juures paraneb see efektiivsus, kuid ainult ~ 15% -ni, mistõttu on suurema lainepikkusega kiip parem valik.
Kuivamisprotsessid nõuavad suuri, suure võimsusega LED-e (mitu die / kiipi), mis on paigutatud tihedasse maatriksisse kiibi-pardal konfiguratsioonis, emitteri akna lähedal kas õhu- või vesijahutusega sisemise süsteemiga, et soojust eemaldada. tahvli tagakülg. "Pole tähtis, milline on ultraviolettkiirguse kiirgus emitteri aknal, oluline on meediumi pinna intensiivsus," ütles Metcalf. Sõltuvalt varustusest ja kõvenemisrakendusest võib kandja olla emitteri aknast 1–100 mm kaugusel, mille jaoks AMS on valmistanud spetsiaalset optikat. Lisaks kasutatakse metalli jahutusega PCB-d, et soojust LED-ide maatriksist eemale juhtida.
Kasutatakse ka õhkjahutust. Näiteks joonisel 1 näidatud kõvendussüsteemi, mille emitteraken on 150 x 20 mm ja voolutihedus 4W / cm2, saab kasutada tintide, kattekihtide või liimide kohapealseks kuivatamiseks. Tänapäeval on UV-LED-i kõvenemise seadmed spetsiaalselt rakenduse jaoks loodud. Metcalf kirjeldab, et suured lamekihiga bännerprinterid on võimelised kasutama väiksema võimsusega LED-e, kuid suurema kiirusega digitaalsed, ofsett- ja fleksotehnoloogiad vajavad tihedalt paigutatud suure voolu-tihedusega LED-de pankasid. Isegi kui kiirgust pole näha, kasutatakse ühtlase võimsustasemega kiirguse edastamiseks kogu sihtkeskkonnas kollimeerivat optikat. Digitaalne tindipritsiga kõvenemine oli esimene segment, mis võttis kasutusele UV-valgusdioodid, kuna prindipeade optimaalseks toimimiseks on vaja kandjat vajaliku läheduse kaugusel. See sobis loomulikult UV-LED-lampide jaoks, kuna kõvenemise intensiivsus on emitteri aknal kõige suurem.
Joonis fig. 5. UV-LED-i turu ajalugu ja prognoos.
Joonis fig. 5.
Hillboro osariigis asuva Phoseoni tehnoloogia turunduskommunikatsiooni spetsialist Stacy Volk, OR, UV-LED-i kõvastumissüsteemide tootja, tõi välja mõned UV-LED-i kõvenemisega seotud täiendavad eelised, näiteks kontrollitud kõvenemise intensiivsus, skaleeritavad seadmed ja asjaolu, et masinad on väiksemad ja kompaktsed.
Üks probleem, mida kõvendav tööstus on silmitsi seisnud, on olnud mõõtepraktika vastuolud ja parameetrite määratlused, näiteks radiomeetrilise intensiivsuse määratlemine. UV LED-i kõvenemise ühing (www.uvledcuring.org) on hiljuti asutatud kuivatustootjate Phoseon Technology, Integration Technology Limited ja Lumen Dynamics poolt, et "seada juhiseid ja tagada kogu tööstuses ühilduvus", ütles Phoseon Technology president ja tegevjuht Bill Cortelyou. . Samuti püüab ühing aidata kiirendada eriti UV-valgusdioodidele sobivaid rakendusi, õpetada teadlasi, integreerijaid ja lõppkasutajaid UV-valgusdioodide eeliste osas ning pakkuda foorumit tööstuse suhtlemiseks ja koostööks.
"Meie 15-aastase kogemusega LED-i kõvendamise tehnoloogias on tööstus realiseerinud märkimisväärseid läbimurdeid, mis on tõestanud, et LED-id on elujõuline alternatiiv, mis pakub olulist kasu," ütles Kanadas Ontarios asuva Lumen Dynamics'i president ja tegevjuht Allan Firhoj. Ta lisas: "UV-LED-i kõvenemise ühing aitab turul saada teadmisi ja ülevaadet UV-LED-tehnoloogiast ja selle arvukatest ärilistest eelistest."
Teine ühendus, Rahvusvaheline LED-UV Assotsiatsioon (www.leduv.org), asutati 2011. aasta septembris Jaapanis, et organiseerida UV-LED-printerite, UV-LED-tootjate ning tindi ja katete valmistajaid, kes on pühendunud jätkusuutlike ja keskkonnasõbralikud UV-LED-trükitehnoloogiad.
Kiibitootjad
UV-LED-kiipe tootvate ettevõtete hulgas on Crystal IS, mis asub Green Islandil, NY (joonis 3) ;. Jaapanis Tokyos asuv Dowa Electronic Materials Co Ltd; Nichia Corp, asukohaga Tokushima, Jaapan; SemiLEDid, mis asuvad Taiwanis Hsinchus;
Joonis fig. 6. SETi UVClean LED-massiivid väljastavad väga suure võimsusega sügavat UV-valgust lainepikkusel 300-320 nm, mis on fototeraapiate optimaalne vahemik.
Joonis fig. 6.
UV-LED-i tootjad keskenduvad oma seadmete efektiivsuse ja eluea pidevalt parandamisele, vähendades samal ajal kulusid. Seoul Optodevice'il on SETiga tootmispartnerlusleping, mis toodab laias valikus UV-LED-e ja -lampe ning teostab kõike alates vahvlite töötlemisest kuni kohandatud lampide kujunduseni. Ettevõte pakub UV-kiirgajaid hermeetiliselt suletud metallklaasist pakendites (TO-18, TO-39 ja TO-3) koos standardsete toodetega ja kohandatud lahendustega lainepikkuste vahemikus 240 kuni 355 nm. Joonisel 6 on toodud näited UV-LED-massiividest lampides, mis on kavandatud kiirguse väljastamiseks vahemikus 300-320 nm fototeraapia rakenduste jaoks, näiteks nahahaiguste, näiteks psoriaasi või ekseemi raviks.
SETi turundus- ja müügidirektor Tim Bettles teatas, et selle tootmise leping Souli Optodevice'iga on loodud selleks, et aidata SETil oma UV-valgusdioodide ja -lampide koguseid suuremaks kulutada. „Meie esimesed UV-LED tooted lansseeriti 2004. aastal ja sellest ajast alates oleme nii tehnoloogiaarenduses kui ka turu kasutuselevõtmises pika tee teinud. Kasutame nüüd SETi suutlikkust suuremahuliseks tootmiseks, et rahuldada peamistelt tarbijaturgudelt tulenevaid uusi nõudmisi, “ütles Bettles. SETi teatas hiljuti uue rajatise ostmisest, kus kavatseb toota üle 100 miljoni UV-valgusdioodi aastas.
SemiLED-ide turundusjuht Devin Tang teatas, et ettevõttel on täis rida paljaid täringuid ja pinnale paigaldatavaid suure võimsusega pakitud LED-e vahemikus 360–400 nm. Ta märkis, et ettevõtte tooteid eristatakse teistest laastude vasesulamist substraatide osas, mis võimaldavad pakendites suurt soojusjuhtivust (400 W / mK) ja räni substraate, mis vähendavad kulusid.
Saksamaal Berliinis asuv Epigap Optronic, Dowa UV-LED-de peamine edasimüüja, teatas, et Dowa toodab 265, 280, 310, 325 ja 340 nm paljaid täringuid või pakendatud LED-e. Nichia toodab pinnale paigaldatavaid 365, 375 ja 385 nm suure võimsusega LED-e ja väikese võimsusega lampe. Crystal IS toodab 260 nm UV-LED-e ja on ainus ettevõte, mis toodab LED-e AlN-substraatidele.
Vahvlite töötlemise probleemid
Nagu varem märgitud, kasutatakse safiirisubstraatidel valmistatud kõrgema lainepikkusega UV-LED-de jaoks MOCVD abil kasvatatud InGaN ja GaN epileerijaid, kuid madalamate lainepikkuste korral tuleb kasutada suureneva alumiiniumisisaldusega AlGaN epileerijaid. AlGaN, AlInGaN, AlInN ja AlN epileerimiskihtide kihte on palju erinevaid, kuid olenemata koostisest on AlGaN-põhiste materjalide kasvatamine AlN-substraatidel lihtsam kui mingil hetkel safiir, mis on julgustanud AlN-substraatide tarnijate arengut nagu Hexatech, mis asub Morrosville'is, NC. Sellest hoolimata on AlN substraate saadaval ainult väikestes mõõtmetes ja need on palju kallimad kui safiirivahvlid, piirates seeläbi seda turgu.
Joonis fig. 7. Elavhõbeda-aurulambi spektri väljund UV- ja nähtavates piirkondades.
Joonis fig. 7.
Hiljuti on Theodore Moustakas Bostoni ülikoolist alustanud MBE (molekulaarkiire epitaksia) kasutamist tõhusamate (kõrge sisemise kvantefektiivsusega) UV-LED-seadmete kasvatamiseks, kasutades safiirisubstraatidel AIGaN-põhiseid kihte. See lähenemisviis konkureeriks erinevate MOCVD tehnikatega, mida tänapäeval AlGaNi ladestamiseks kasutatakse.
Optika ja pakendid
Ehkki UV-LED-i tootjad on sisemise kvanttõhususe ja optilise efektiivsuse parandamiseks kõvasti tööd teinud, jääb üldine efektiivsus alla 20%, mis tähendab, et dioodi ristmikust tuleb palju soojust eraldada. „Tänapäevaste kiibitehnoloogiate abil nõutavate voo tiheduste saavutamiseks tuleb mitme kärgiga kiirgureid juhtida suurima vooluga. See on võimalik ainult LED-paketiga, mis on võimeline toote eluea jooksul töötama äärmuslike võimsustihedustega. Termiliselt sobitatud pingevaba pakend ja klaaslääts aitavad kõrvaldada UV-valgusdioodidega seotud tavalised pakendirikke režiimid, “ütles Thomas. Ta kirjeldas LED Engini patenteeritud mitmekihilist keraamilist substraati, millel on ülimadal soojustakistus ja mis juhib kiiresti stantsimiskohast soojust (joonis 2).
Kuigi mõned UV-LED-massiivid on pakendatud keraamilistele aluspindadele, kasutavad paljud tootjad, eriti ühe kiibiga seadmete tootjad, klaasist ülaosaga TO-can tüüpi läbipakke, mis pakuvad UV-kiirguse kiiret edastamist. Epoksiidläätsede asendamine lameda või kuplikujulise klaasiga, mis on UV-kiirgusega läbilaskevõime, on suhteliselt uus areng, mis on võimaldanud eluiga pikendada umbes 5000 tunnist kuni kuni 30 000 tunnini. UV kiirendab epoksümaterjali lagunemist mittelineaarsel viisil, mõjutades otseselt eluiga. Klaasläätsed tagavad suurema vastupidavuse ja töökindluse. Teine võimalus on kombineerida klaasist lääts silikoonkapseldiga, et mahutada veelgi suurem voolutihedus ja suurem efektiivsus, kuid lühem eluiga (15 000–20 000 h).
Hermeetilise tihendi kasutamise valik pakendis sõltub mõnikord kiibis olevatest materjalidest. "Alumiiniumnitriidist substraat dikteerib peaaegu hermeetilise pakendi kasutamise, sest mida suurem on alumiiniumisisaldus, seda suurem on seadme afiinsus hapniku suhtes, nii et hermeetiline tihend kaitseb UV-seadet paremini," selgitas toote arendusjuht Frank Gindele Schott Electronic Packaging Saksamaal Landshutis. Schotti uus vask- ja klaasipõhine pakett pakub kõrge soojusjuhtivuse ja hermeetilisuse eeliseid.
UV ohud
Oluline on tunnistada, et mõned samad omadused, mis muudavad UV-valgusdioodid väga võimsaks ja kasulikuks - nende madal lainepikkus ja kõrge energia -. Kas omadused, mis muudavad need ohtlikuks, on UV-valgusdioodide ja nende toodete hoiatussildid selged, kuid kannavad järgmist:. UV-valgusdioodid kiirgavad töötades nähtamatut ultraviolettkiirgust, mis võib isegi lühiajaliselt olla silmadele või nahale kahjulik (lisateavet fotobioloogilise ohutuse kohta leiate meie artiklite seeriast, mille 3. osa on väljaande lk 63) .)
Järgmised sammud
Kui palutakse kindlaks teha põhiprobleem, mis võib takistada UV-kasutajatel üleminekut elavhõbeda aurude allikatelt UV-LED-idele, ütlevad paljud tööstusharu osalejad, et see on seotud tööstuse praeguse hoogu ja muidugi kulude purustamisega. Lim arvab, et lainepikkuse portfelli ümardamine läheks lapsendamise suunas kaugele. "Ma arvan, et kui me saame head 250-lainelised, 285-nm ja 300-nm LED-id, need kolm lainepikkust, siis saame elavhõbeda kaarlampide ukse üsna palju sulgeda."
