I forhold til synlige lysdioder er UV-lysdioder et stille marked på kun $ 30 millioner, men alligevel har de seneste gennembrud inden for strålingskraft og intensitet muliggjort forskydning af kviksølvdamplamper i applikationer inklusive UV-hærdning og forfalskningspåvisning, rapporterer LAURA PETERS.
+ + + +
Denne artikel blev offentliggjort i februar 2012-udgaven af LEDs Magazine.
Se indholdsfortegnelsen, og download PDF-filen for hele februar 2012-udgaven.
+ + + + +
Under det synlige spektrum ligger et bånd af bølgelængder kaldet ultraviolet (UV). Fra 100 til 400 nm kan strålingen effektivt bruges til at sterilisere kosmetik, udføre retsmedicinsk analyse, hærde materialer (fig. 1) og desinficere vand blandt mange andre anvendelser. I dag, som det er tilfældet med lysdioder i det synlige spektrum, begynder UV-lysdioder kun at erstatte de etablerede UV-kilder i et ligeledes forskelligt udvalg af markeder.
. FIG 1 Firefly luftkølet UV-LED-baseret hærdningssystem (kilde: Phoseon Technology) ..
Fig. 1.
”Sammenlignet med LED-belysningsindustrien på flere milliarder dollars er UV-LED-markedet en afrundingsfejl på omkring $ 30 millioner, men det vokser hurtigt,” sagde Mike Lim, direktør for global industriel og ny forretning for Luminus Devices, der er baseret i Billerica. , MA.
Langt UV-hærdningsmarkedet nyder den største stigning i UV-LED-anvendelse på grund af det relativt nylige gennembrud i fluxdensitet af UV-LED-chips ud over 4W / cm2-mærket ved de forskellige bølgelængder, der er nødvendige for at bringe UV-LED-hærdning i produktion faciliteter. "For første gang har lysdioder nået effekttæthederne, der gør UV-lysdioder konkurrencedygtige med eksisterende kilder," sagde Uwe Thomas, daglig leder af emitterkomponenter med LED Engin, en udbyder af UV og synlige lysdioder baseret i Santa Clara, CA.
UV-A, B og C
Hærdning involverer krydspolymerisation af et lysfølsomt materiale, som kan være en blæk (trykning), klæbemiddel eller belægning og primært udføres ved 395 nm, 385 nm eller 365 nm, bølgelængder, der er en del af UV-A-spektret (315 -400 nm). En anden vigtig UV-A-applikation er inspektionssystemer baseret på maskinsyn. UV-LED-lommelygter i dette sortiment bruges til at opdage falske identifikationer og valutaer og giver fordelen ved brug i veloplyste miljøer, hvilket er svært at bruge en kviksølv-damplampe.
I UV-B-spektret (280-315 nm) inkluderer applikationer til UV-lys hærdning, medicinsk lysterapi, retsmedicinsk analyse og lægemiddelopdagelse. Det er blevet vurderet af markedsundersøgelsesfirmaet Yole Développement (Lyon, Frankrig), at 90% af UV LED-applikationer i dag er baseret i UV-A og UV-B-regionerne (fig. 4). Yole har udtalt, at det forventer, at markedet for UV-lysdioder vokser med 30% årligt fra $ 25 millioner i 2010 til mere end $ 100 millioner i 2016. Fig. 5 viser en endnu mere optimistisk prognose fra Optoelectronics Industry Development Association, International Optoelectronics Association og European Photonics Industry Consortium.
FIG 2 Multi-die UV-emitter i en keramisk pakke (kilde: LED-motor) ...
Fig. 2.
Ud over disse anvendelser vides det, at UV-B-stråling har gavnlige sundhedsegenskaber, herunder den naturlige syntese af D-vitamin hos mennesker, der udsættes for sollys. UV-B fremskynder også produktionen af polyfenoler i visse bladgrøntsager såsom rød salat. Polyfenoler menes at have antioxidantegenskaber. ”Generelt dyrkes disse planter i drivhuse i dag, som med vilje filtrerer UV-delen af spektret ud for at maksimere plantevæksten. Interessant nok har vi beviser for, at når disse planter udsættes for UV-B-lysdioder kort tid før høst, øges deres polyphenolindhold uden at gå på kompromis med plantemassen, ”forklarede Cary Eskow, global direktør for avancerede lysdioder og belysning for Avnet Electronics Marketing i Phoenix , AZ, som distribuerer UV-lysdioder. Han fortsatte ”Dette er en ny metode til at øge appel af nogle fødevarer uden at bruge kemikalier. Polyfenoler har også fået opmærksomhed på grund af deres påståede anticarcinogene, antiproliferative og antimutagene egenskaber. “
I det nedre UV-C spektrale område (100-280 nm) er de primære LED-applikationer luft- og vandsterilisering og en række analytiske værktøjer inklusive dem, der udfører spektroskopiske og fluorescensmålinger. Kemiske og biologiske detektorer fungerer også i dette spektrale område.
UV i området 250-275 nm steriliserer vand, luft og overflader ved at nedbryde DNA og RNA fra mikroorganismer og forhindre deres reproduktion. Specifikt menes 275 nm at være den mest effektive bølgelængde til udryddelse af patogener såsom E-coli i vand. Faktisk har ingeniører hos Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), der er baseret i Columbia, SC, bestemt, at 275 nm er den optimale bølgelængde til vanddesinfektion. SETi har demonstreret desinfektion af drikkevand i et in-line gennemstrømningssystem med mindre end 40 mW UV-effekt.
Alternativer til kviksølvbuer
Under hærdning af produktionen hindres kviksølvdamplamper af kort levetid (2000-10.000 timer), langsom opvarmning og afkølingstider og bred spektral effektfordeling. ”Derudover udstråles over 60% af den energi, der tilføres en typisk kviksølv-damplampe, ud som infrarød energi, med andre ord varme,” sagde Eskow. Han tilføjede, at UV-output fra en kviksølvdamplampe falder hurtigt ned over dets driftstid, fordi noget af dets elektrodemateriale fordamper og deponerer en film på indersiden af kvartsrøret, som UV ikke kan trænge igennem. Som et resultat kan brugeren ikke let forudsige mængden af UV genereret på et senere tidspunkt. ofte er dette en kritisk procesparameter.
Fig. 3. UV-C-lysdioder til bakteriedræbende applikationer fra Crystal IS, Inc. Virksomheden blev for nylig erhvervet af den japanske Asahi Kasel.
Fig. 3.
Kviksølvlampen har en hovedtop ved 365 nm, men flere mindre toppe i de synlige og infrarøde områder (fig. 7). En ulempe ved disse fremmede toppe er dannelsen af varme under udskrivning og andre hærdningsoperationer. ”Med plast og andre varmefølsomme materialer har der været reelle udfordringer i udskrivning, fordi mediet bliver forvrænget fra varmen fra kviksølvlampen,” forklarede Steve Metcalf, CEO og præsident for Air Motion Systems (AMS), en producent af hærdning systemer baseret i River Falls, WI. Han gav eksempler, der inkluderer gavekort af plast eller kreditkort, der bruger litografisk trykning med ark.
Metcalf tilføjede, at mange mennesker, der ikke ville have overvejet UV-hærdning på grund af kompleksiteten af standardhærdningsprocesser - højspænding, varme fra kviksølvpærer og miljøproblemer - vil nu overveje UV-LED-hærdning, fordi den undergraver de traditionelle besvær med den gamle proces. .
UV-lysdioder giver fordele som at vide nøjagtigt, hvilket effektniveau der leveres til hærdningsmediet, samt andre fordele, LED'er er kendt for, såsom evnen til at pulsbreddemodulere output, sagde Eskow.
Overgangen til UV-lysdioder åbnede også døren til mere miljøvenlige hærdningsformuleringer. Med den næste generation af produkter, som virksomheder inden for blæk, belægning og klæbemiddel udviklede, benyttede de muligheden for at udfase flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der var forbundet med de opløsningsmiddelbaserede formuleringer fra tidligere kemier.
Hærdningsoptimering
Til UV-enheder med længere bølgelængde, på samme måde som blå LED-fabrikation, dyrkes InGaN-baserede epilag på safirunderlag for at producere 385, 395 og 405 nm UV-LED'er til hærdning. En vigtig fordel ved enheder med højere bølgelængde er, at de kan køres med højere effekt. ”395 nm er virkelig det søde sted for UV-LED-hærdning, for ved 405 nm er formuleringen følsom over for omgivende lys, så du vil være lige under 400, mens du er i stand til at køre lysdioderne med høj effekt,” sagde Lim. Alle de største udbydere af hærdningsformuleringer (fotoinitiatorer og harpikser) har for nylig bragt blæk og belægninger med højere bølgelængde på markedet for at udfylde dette behov.
Fig. 4. De fleste applikationer findes i UV-A og UV-B dele af spektret.
Fig. 4.
Ud over at producere mere strøm har UV-LED'erne med højere bølgelængde højere effektivitet ved vægstikket. For eksempel ved 365 nm er udgangseffekten af en UV-LED kun 5-8% af indgangseffekten. Ved 385 nm forbedres denne effektivitet, men kun til ~ 15%, hvilket gør den højere bølgelængde til det bedre valg.
Hærdningsprocesser kræver store, kraftige LED'er (multiple die / chip) anbragt i en tæt matrix i en chip-on-board-konfiguration tæt på emittervinduet med enten et luft- eller vandkølet internt system for at fjerne varme fra bagsiden af tavlen. ”Det betyder ikke noget, hvad UV-intensiteten er ved emittervinduet, hvad der betyder noget, er intensiteten på overfladen af medierne,” sagde Metcalf. Afhængigt af udstyret og hærdningsapplikationen kan mediet være 1 til 100 mm fra emittervinduet, som AMS har produceret speciel optik til. Derudover bruges et metalafkølet printkort til at synke varmen væk fra matrixen til lysdioder.
Luftkøling bruges også. For eksempel kan hærdningssystemet vist i fig. 1, der har et emittervindue på 150 x 20 mm og en fluxdensitet på 4W / cm², anvendes til plethærdningsfarver, belægninger eller klæbemidler. I dag er UV-LED-hærdningsudstyr ofte specielt designet til at passe til applikationen. Metcalf beskriver store flatbed-bannerprintere som værende i stand til at bruge lysdioder med lavere effekt, men digitale hastigheds-, offset- og flexografiteknologier med højere hastighed kræver tæt placerede bredder af højfluxdensitets-lysdioder. Selvom strålingen ikke er synlig, anvendes kollimeringsoptik til at levere strålingen med et ensartet effektniveau på tværs af målmediet. Digital inkjet-hærdning var det første segment, der vedtog UV-lysdioder på grund af den krævede tætte afstand til mediet for at printhovederne kunne fungere optimalt. Dette var en naturlig pasform for UV-LED-lamper, da hærdningsintensiteten er højest ved emittervinduet.
Fig. 5. UV-LED markedshistorie og prognose.
Fig. 5.
Stacy Volk, specialist i marketingkommunikation hos Phoseon Technology i Hillboro, OR, producent af UV-LED-hærdningssystemer, påpegede nogle af de yderligere fordele forbundet med UV-LED-hærdning inkluderer en kontrolleret hærdningsintensitet, skalerbart udstyr og det faktum, at maskiner er mindre og kompakte.
Et af de spørgsmål, som hærdningsindustrien har haft, har været uoverensstemmelser i målepraksis og parameterdefinitioner, for eksempel ved at definere radiometrisk intensitet. UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) er for nylig blevet dannet af hærdende producenter Phoseon Technology, Integration Technology Limited og Lumen Dynamics for at "opstille retningslinjer og sikre kompatibilitet i hele branchen", sagde Bill Cortelyou, præsident og administrerende direktør for Phoseon Technology. . Foreningen søger også at hjælpe med at fremskynde udviklingen af applikationer, der er specielt velegnet til UV-lysdioder, uddanne forskere, integratorer og slutbrugere om fordelene ved UV-lysdioder og udgøre et forum for industriens kommunikation og samarbejde.
"I vores 15 års erfaring inden for LED-hærdningsteknologi har branchen realiseret betydelige gennembrud, der har bevist LED'er som et levedygtigt alternativ, der giver betydelige fordele," sagde Allan Firhoj, administrerende direktør for Lumen Dynamics med base i Ontario, Canada. Han tilføjede, "UV LED Curing Association vil være med til at hjælpe markedet med at få viden og indsigt om UV LED-teknologi og dens mange kommercielle fordele."
En anden sammenslutning, International LED-UV Association (www.leduv.org), blev dannet i september 2011 i Japan for at organisere producenter af UV-LED-printere, UV-LED-producenter og blæk- og belægningsformulatorer, der er forpligtet til at udvikle bæredygtige og de miljøvenlige UV-LED-udskrivningsteknologier.
Chipproducenter
Virksomheder, der fremstiller UV-LED-chips, inkluderer Crystal IS med base i Green Island, NY (fig. 3). Dowa Electronic Materials Co Ltd, baseret i Tokyo, Japan ;. Nichia Corp, baseret i Tokushima, Japan ;. SemiLEDs, baseret i Hsinchu, Taiwan; .. SETi, og Seoul Optodevice Co Ltd, der er baseret i Kyunggi-do, Korea, et helejet datterselskab af Seoul Semiconductor.
Fig. 6. SETis UVClean LED-arrays leverer meget kraftigt dybt UV-lys ved 300-320 nm, det optimale interval for fototerapier.
Fig. 6.
UV-LED-producenter fokuserer konstant på at forbedre effektiviteten og levetiden på deres enheder og samtidig reducere omkostningerne. Seoul Optodevice har en produktionspartnerskabsaftale med SETi, der fremstiller en bred vifte af UV-lysdioder og lamper og udfører alt fra waferbehandling til brugerdefineret lampedesign. Virksomheden leverer UV-emittere i hermetisk forseglede metalglasemballager (TO-18, TO-39 og TO-3) med standardprodukter og brugerdefinerede løsninger, der spænder over bølgelængdeområdet fra 240 til 355 nm. Figur 6 viser eksempler på UV-LED-arrays i lamper designet til at levere stråling i området 300-320 nm til fototerapiapplikationer såsom behandling af hudlidelser såsom psoriasis eller eksem.
Tim Bettles, direktør for marketing og salg hos SETi erklærede, at dets produktionsaftale med Seoul Optodevice er designet til at hjælpe SETi med at øge sine volumener af UV-lysdioder og lamper højere, mens omkostningerne reduceres. ”Vores første UV-LED-produkter blev lanceret i 2004, og siden da er vi kommet langt inden for både teknologiudvikling og markedsadoption. Vi udnytter nu SETis kapacitet til produktion af store mængder til at imødekomme nye krav fra almindelige forbrugermarkeder, ”sagde Bettles. SETi annoncerede for nylig købet af et nyt anlæg, hvor det planlægger at producere over 100 millioner UV-lysdioder om året.
Devin Tang, marketingchef for SemiLEDs sagde, at virksomheden har en komplet serie af bare terninger og overflademonterede LED'er med høj effekt i 360-400 nm-området. Han bemærkede, at virksomhedens produkter adskiller sig fra andre med hensyn til chips 'kobberlegerede substrater, som tillader høj varmeledningsevne (400 W / mK) og siliciumsubstrater i emballagerne, hvilket reducerer omkostningerne.
Epigap Optronic, der er baseret i Berlin, Tyskland, hoveddistributøren for Dowas UV-lysdioder, sagde, at Dowa fremstiller 265, 280, 310, 325 og 340 nm bare terninger eller pakkede lysdioder. Nichia fremstiller 365, 375 og 385 nm overflademonterede højeffekts-LED'er og laveffektslamper. Crystal IS fremstiller 260 nm UV-LED'er og er det eneste firma, der producerer LED'er på AlN-substrater.
Problemer med waferbehandling
Som tidligere angivet anvendes epilag af InGaN og GaN, dyrket af MOCVD, til UV-LED'er med højere bølgelængde fremstillet på safirunderlag, men ved lavere bølgelængder skal der anvendes epilag af AlGaN med stigende aluminiumindhold. Der er mange forskellige sammensætninger, der involverer lag af AlGaN, AlInGaN, AlInN og AlN epilag, men uanset sammensætningen bliver det lettere at dyrke AlGaN-baserede materialer på AlN-substrater end safir på et tidspunkt, hvilket har tilskyndet udviklingen af AlN-substratleverandører såsom Hexatech, baseret i Morrosville, NC. Ikke desto mindre er AlN-substrater kun tilgængelige i små størrelser og forbliver meget dyrere end safirskiver, hvilket begrænser dette marked.
Fig. 7. Spektral output fra en kviksølv-damplampe i UV og synlige områder.
Fig. 7.
For nylig har Theodore Moustakas fra Boston University været banebrydende for brugen af MBE (molecular beam epitaxy) til at vokse mere effektive (høj intern kvanteffektivitet) UV LED-enheder ved hjælp af AIGaN-baserede lag på safirunderlag. Denne tilgang vil konkurrere med de forskellige MOCVD-teknikker, der bruges til at deponere AlGaN i dag.
Optik og emballage
Selvom UV LED-producenter har arbejdet hårdt for at forbedre den interne kvanteeffektivitet og optiske effektivitet, forbliver den samlede effektivitet under 20%, hvilket betyder, at en stor del varme skal spredes fra diodens krydset. ”For at opnå de krævede fluxdensiteter med nutidens chipteknologier skal multi-die-emitterne køres med den højeste strøm. Dette er kun muligt med en LED-pakke, der er i stand til at håndtere ekstreme effekttætheder i produktets levetid. En termisk matchet stressfri pakke og glaslinser hjælper med at eliminere almindelige emballagefejltilstande forbundet med UV-lysdioder, ”sagde Thomas. Han beskrev LED Engins patenterede keramiske substrat i flere lag med ekstremt lav termisk modstand, der hurtigt leder varme fra matricekrydsningen (fig. 2).
Mens nogle UV-LED-arrays er pakket på keramiske underlag, bruger mange producenter, især single-chip-enheder, TO-can-typen gennemgående hulpakker med en glasplade, der giver høj transmission af UV. Udskiftningen af epoxylinser med fladt eller kuppelformet glas, der er i stand til UV-transmission, er en relativt ny udvikling, og en der har tilladt en forlængelse af levetiden fra omkring 5000 timer op til så højt som 30.000 timer. UV fremskynder nedbrydning af epoxymaterialet på en ikke-lineær måde, der direkte påvirker levetiden. Glaslinserne giver forbedret holdbarhed og forbedret pålidelighed. Et andet alternativ er at kombinere en glaslinse med silikoneindkapslingsmiddel for at rumme endnu højere fluxdensitet og højere effektivitet endnu kortere levetid (15.000-20.000 timer).
Valget af, om der skal anvendes hermetisk tætning i pakken, bestemmes undertiden af materialerne i chippen. ”Et aluminium-nitrid-substrat dikterer næsten brugen af en hermetisk pakke, fordi jo højere aluminiumindholdet er, jo højere er enhedens affinitet for ilt, så en hermetisk forsegling beskytter UV-enheden bedre,” forklarede Frank Gindele, produktudviklingschef for Schott elektronisk emballage i Landshut, Tyskland. Den nye kobber- og glasbaserede pakke fra Schott tilbyder fordelene ved høj varmeledningsevne og hermeticitet.
Farer ved UV
Det er vigtigt at erkende, at nogle af de samme kvaliteter, der gør UV-lysdioder meget kraftige og nyttige - deres lave bølgelængde og høje energi -. Er også de kvaliteter, der gør dem farlige Advarselsmærkaterne på UV-lysdioder og deres produkter er klare, men bemærker:. UV-LED'er udsender usynlig ultraviolet stråling under drift, som kan være skadelig for øjne eller hud, selv i korte perioder (For mere information om fotobiologisk sikkerhed, se vores artikelserie, hvoraf del 3 vises på s.63 i dette nummer .)
Næste skridt
Når man bliver bedt om at identificere det nøgleproblem, der kan forhindre UV-brugere i at skifte fra kviksølv-dampkilder til UV-lysdioder, siger mange branchedeltagere, at det kommer til at bryde den nuværende branche og selvfølgelig omkostninger. Lim mener, at en afrunding af bølgelængdeporteføljen ville gå langt mod vedtagelse. "Jeg tror, at hvis vi kan få gode 250 nm, 285 nm og 300 nm LED'er, de tre bølgelængder, så kan vi stort set lukke døren for kviksølvbuer."
