Le lampade al mercurio sono state sviluppate e utilizzate molto bene, quindi sono state tradizionalmente considerate lampade al mercurio come sorgenti luminose standard. Tuttavia, lo sviluppo dei LED ultravioletti è appena iniziato e lo spazio di sviluppo futuro è ancora enorme. Inoltre, la catena industriale Ultraviolet LED Lights è molto lunga, dalla crescita dei cristalli, al taglio dei trucioli, agli imballaggi dei chip, all'integrazione dei moduli di sorgenti luminose UV, ma comporta anche il controllo dell'alimentazione e la progettazione del sistema di raffreddamento, ecc., ogni fase del prodotto finale: la qualità della luce UV LED ha un impatto molto importante. Pertanto, è molto importante per la ricerca e lo sviluppo del sistema LED UV comprendere il limite di capacità del LED UV ed espandere il limite di capacità del LED UV.

A.Differenza tra Sorgente luminosa a LED ad alta potenza Hight Power e Mercury Lamp (vantaggi e svantaggi, fraintendimento del LED UV)

Se vogliamo sostituire la tradizionale lampada al mercurio con LED UV, dobbiamo prima conoscere la differenza tra la lampada al mercurio e la luce LED UV, quali sono i loro vantaggi e svantaggi e così via. I rivestimenti UV possono curare, poiché la formulazione dell'assorbitore di luce assorbente di una certa lunghezza d'onda della luce ultravioletta e produce radicali liberi (o cationi, anioni) e quindi avviare la polimerizzazione monomerica.

Lo spettro di emissione della lampada al mercurio è continuo, dall'ultravioletto all'infrarosso, in particolare tra l'UVB e l'UVA a onda corta, l'intensità è concentrata, mentre lo spettro di emissione del LED UV è ridotto. Il picco comune è di 365nm e 395nm (incluse 385, 395, 406nm) queste due bande.

La principale applicazione industriale è la banda UVA vicino alla luce ultravioletta. Nella gamma di lunghezze d'onda delle sorgenti luminose a LED UV 365nm e 395nm , il coefficiente di estinzione molare della maggior parte degli iniziatori è relativamente basso. Perciò, Diodo ad emissione luminosa UV ad alta potenza per la polimerizzazione UV generalmente causa una bassa efficienza di inizio e gravi problemi di polimerizzazione della resistenza all'ossigeno, che non è favorevole all'essiccazione superficiale.

Nota: al momento, molti Luci a LED ultraviolette per produttori di torcia UV oppure i produttori di rivestimenti UV a LED sostengono che i LED UV sono buoni per la rettifica. A rigor di termini, è il risultato di una scarsa cura della superficie. Ciò che è difficile non è buono in rettifica, ma come ottenere una rettifica regolabile, che sia resistente all'usura e buona alla rettifica. Ci sono persino alcuni produttori che appendono carne di cane a guscio di pecora. Nella parte posteriore della lampada UV LED è stata aggiunta una lampada al mercurio, il vero effetto è ancora la lampada al mercurio.

Tuttavia, possiamo anche vedere che l'intensità della luce di Saldatura di luci a LED ultraviolette per rivestimento UV è molto più forte di quello della lampada al mercurio a 395 nm e 395 nm, che è favorevole alla polimerizzazione profonda del materiale UV. Molti dispositivi convenzionali a polimerizzazione UV utilizzano una lampada al gallio dietro una lampada al mercurio (lunghezza d'onda di emissione principale di 415 nm) per migliorare la polimerizzazione profonda.

Il secondo problema di cui vogliamo parlare è il risparmio energetico dei LED. In generale, tutti lo pensano LED ultravioletto ad alta potenza per torcia UV è più risparmio energetico che lampada al mercurio. Anche molti produttori hanno lanciato lo slogan di propaganda secondo cui i LED UV possono ridurre il consumo energetico del 70%. in effetti, c'è un grosso malinteso, ci sono due ragioni: in primo luogo, alcune imprese sensazionalismo, propaganda esagerata; in secondo luogo, molte persone non capiscono affatto i LED UV, confondendo i due concetti.

Questo è generalmente basato sul fatto che le lampade al mercurio emettono solo il 30% di luce ultravioletta, mentre i LED UV emettono tutta la luce ultravioletta. Ciò che influenza davvero il consumo energetico del sistema è l'efficienza di conversione fotoelettrica e l'efficienza della luce effettiva. L'efficienza di conversione fotoelettrica della lampada al mercurio è molto elevata, ma la maggior parte della luce emessa dalla lampada al mercurio è luce visibile e luce infrarossa, e la polimerizzazione UV richiede solo il 30% di luce ultravioletta.

Diodo ad emissione di luce UV per stampa UV, d'altra parte, è molto meno efficiente, a circa il 30%. È quasi efficiente come una lampada al mercurio. Secondo il principio di conservazione dell'energia, il restante 70% dell'elettricità viene convertito in calore. L'unica differenza è che il calore del LED UV è diffuso dal retro della lampada attraverso il pannello della lampada, e non c'è calore nella superficie lucida, da qui il nome "sorgente di luce fredda" del LED UV. I vapori di mercurio arrivano dalla parte anteriore attraverso il riflettore e gli infrarossi. Questo è il motivo per cui le sorgenti luminose a LED UV generalmente richiedono un raffreddamento ad aria per dissipare il calore. Anche le sorgenti luminose a LED UV ad alta potenza devono essere dotate di acqua per dissipare il calore in base al 70% della potenza elettrica della sorgente di luce.

Quello che può davvero raggiungere il risparmio energetico è quello LED ultravioletto per la polimerizzazione UV può essere utilizzato subito, può ottenere un'irradiazione accurata attraverso la progettazione ottica, migliorare le caratteristiche dell'efficienza della luce effettiva e questi richiedono la cooperazione di rilevamento a infrarossi, controllo intelligente e così via, per la maggior parte dei produttori di apparecchiature a LED UV presenti sul mercato, non è abbastanza forte per svolgere questo aspetto di ricerca e sviluppo.

Il terzo e più importante punto è la protezione dell'ambiente. L'inquinamento ambientale della lampada al mercurio ha principalmente due punti:

1. Lo spettro di emissione della lampada al mercurio ha la luce ultravioletta inferiore a 200 nm, produrrà un sacco di ozono (molti lavoratori dell'officina hanno riferito che la lampada al mercurio si sentirà maleodorante, questa è la causa principale).

2.La durata delle lampade al mercurio è relativamente breve, solo 800-1000 ore. L'inquinamento secondario (inquinamento da mercurio) causato da lampade a mercurio abbandonate è sempre stato un problema difficile da risolvere.

È stato riferito che due tre centrali idroelettriche sono necessarie per smaltire i rifiuti di mercurio ogni anno e, peggio ancora, non esiste un buon sistema per smaltire completamente i rifiuti di mercurio. I LED UV non hanno questo problema. Da quando la convenzione sui minamata sul mercurio è entrata in vigore in Cina il 16 agosto 2017, il mercurio è stato all'ordine del giorno.

Sebbene nella convenzione si noti che le lampade fluorescenti al mercurio per la produzione industriale per le quali non esiste attualmente un'alternativa non sono incluse nell'elenco delle restrizioni, si osserva anche che le parti possono chiedere che i prodotti pertinenti siano aggiunti all'elenco delle restrizioni se alternative sono disponibili. Pertanto, i prodotti a lampada al mercurio UV curabile quando l'eliminazione completa dipende lo sviluppo di LED UV nel campo della vulcanizzazione UV .

Altri vantaggi del LED includono: il LED è a lunghezza d'onda stretta, che può raggiungere una polimerizzazione precisa (da un lato è possibile ottenere una polimerizzazione locale precisa, come la stampa 3D, dall'altro è possibile selezionare diversi iniziatori per ottenere livelli diversi di indurimento). Sorgente luminosa a LED UV è la struttura del tallone della lampada, può essere regolata in base alla necessità di lunghezza, larghezza, angolo di irradiazione, ecc., Renderla spot sorgente luminosa, sorgente luminosa di linea, sorgente luminosa di superficie, per soddisfare i requisiti di diversi processi di irradiazione.

LED UV a confronto con lampada al mercurio tradizionale:

B. Raggiungere la sorgente luminosa di polimerizzazione UV per i parametri dei materiali UV

Lunghezza d'onda di 365nm, intensità dell'intensità luminosa di 395 nm (intensità luminosa, densità di potenza luminosa): potenza totale mw / cm ^ 2: mj / cm ^ 2.

Nel processo di polimerizzazione della luce, non può lasciare i tre parametri principali sopra: lunghezza d'onda, intensità e potenza totale, lunghezza d'onda determina se l'iniziatore di luce può essere ispirato, l'intensità della luce determina l'efficienza del trigger di luce ultravioletta, influisce direttamente sul tavolo asciutto (polimerizzazione di ossidazione) e profondo effetto di polimerizzazione, mentre la potenza totale determina se può lasciare completamente la cura.

Il più grande vantaggio del LED rispetto alla lampada al mercurio è che il LED è formulato e regolabile. All'interno della capacità del LED stesso, è in grado di adattare il formulato al massimo grado in base alle esigenze di polimerizzazione. Nell'attrezzatura per la cura dei LED UV, è in continua espansione la capacità di trovare il punto di equilibrio. Solo sul LED, si basa sulla formula della vernice, per trovare la migliore cura richiesta parametri di sorgente luminosa a LED.

C. Il principio di emissione del LED UV e lo stato di sviluppo del chip LED UV

Secondo il principio della transizione degli elettroni, gli elettroni di un atomo ritornano dallo stato eccitato allo stato fondamentale, rilasciando energia a diverse lunghezze d'onda della radiazione (emettendo onde elettromagnetiche di diversa lunghezza d'onda).

Quindi, il primo modo per creare qualcosa che emette luce ultravioletta è cercare un atomo che abbia uno stato di eccitazione degli elettroni che è appena al di sotto dello stato fondamentale nella gamma degli ultravioletti, e la nostra convenzionale lampada al mercurio è la fonte UV più diffusa.

Il secondo metodo consiste nell'utilizzare il principio di emissione di luce a semiconduttore (in termini semplici è il semiconduttore a emissione di luce e la tensione diretta, dall'area P a N i fori e dall'area N all'area P elettronica, vicino alla giunzione PN di diversi micrometri, rispettivamente, e la ricombinazione del foro di elettroni e area PN, produce la radiazione fluorescente spontanea) per rendere la banda UV di sorgente luminosa.

È noto che il gap di banda di tre o cinque materiali semiconduttori nella serie aln di nitruro di gallio o nitruro di indio-gallio (InGaN) cade tra le lunghezze d'onda del blu e dell'ultravioletto.

In teoria, tuttavia, qualsiasi lunghezza d'onda della luce può essere raggiunta dal rapporto tra materiali luminosi. Limitato da varie condizioni, i tipi di chip LED UV che possono essere prodotti commercialmente sono ancora molto limitati allo stato attuale e i chip ad alta potenza che possono essere commercialmente applicati sono fondamentalmente concentrati nella banda UVA di 365 nm - 415 nm. Negli ultimi due anni, UVB e UVC hanno anche mostrato un trend in forte espansione, ma sono sostanzialmente limitati al mercato dei consumatori civili di disinfezione, sterilizzazione e altre applicazioni a bassa potenza.

Ci sono diverse ragioni per questo :

1.La struttura del materiale cristallino determina l'efficienza luminosa (efficienza di conversione fotoelettrica). Dato che i 365 - 405 nm in UVA possono anche utilizzare il nitruro di gallio (GaN) e l'azoto di indio e gallio luminoso (InGaN). Le strutture UVB e UVC si basano su materiali AlGaN a bassa emissività, piuttosto che sul nitruro di gallio e sul nitruro di indio attualmente noti, che assorbono la luce ultravioletta al di sotto dei 365 nm. Di conseguenza, l'efficienza luminosa di UVB e UVC è estremamente bassa. Prendendo come esempio il chip LG 278nm, l'efficienza dell'intera conversione fotoelettrica è solo del 2%.

2. Secondo il principio del risparmio energetico, il 2% di efficienza di conversione fotoelettronica significa che il 98% dell'elettricità viene convertito in calore, e la durata e l'efficienza luminosa dei chip LED sono inversamente proporzionali alla temperatura. Una produzione di calore così elevata richiede un elevato fabbisogno di dissipazione del calore. In base al metodo di dissipazione del calore esistente, è impossibile ottenere un'efficace dissipazione del calore dei chip UVB e UVC ad alta potenza.

3. Per proteggere il chip LED, il chip deve essere incapsulato, la luce LED è omnidirezionale, è necessario aggiungere la lente per mettere a fuoco la luce. Oltre al vetro al quarzo, la maggior parte dei materiali ha una trasmittanza della luce ultravioletta molto bassa. Più breve è la lunghezza d'onda, minore è la trasmittanza. In questo modo, quando l'efficienza luminosa è già bassa, una grande parte della luce sarà assorbita dall'obiettivo.

4. I trucioli UVB e UVC attuali sono anche cristalli di crescita del forno di reazione basati su UVA. Oltre ai difetti dei materiali stessi, ci sono anche problemi come la mancata corrispondenza del substrato e il coefficiente di dilatazione termica dei cristalli, con conseguente resa estremamente bassa dei cristalli e alto costo.

Nel complesso, poiché UBV e UVC hanno una bassa efficienza luminosa, costi elevati e requisiti più elevati per la dissipazione del calore del sistema, è difficile ottenere risultati industriali sorgenti luminose UVB e UVC ad alta potenza prima di una svolta più significativa nella tecnologia.

D.Ricerca e sviluppo del sistema di sorgenti luminose UV

Il chip LED è solo una parte importante della sorgente luminosa a LED, facciamo ricerca e sviluppo di sorgenti luminose a LED, è necessario effettuare una ricerca sistematica nel suo complesso. Oltre alla lunghezza d'onda del LED, coinvolge anche una serie di tecnologie di packaging, design ottico, sistema di raffreddamento, sistema di alimentazione, sistema di controllo intelligente e così via.

Al momento, ci sono quattro principali strutture di confezionamento di chip LED, vale a dire, struttura formale, struttura a fogli mobili, struttura verticale e struttura verticale tridimensionale. Attualmente, i normali chip LED adottano la struttura formale del substrato di zaffiro, che è semplice nella struttura e matura nella tecnologia di produzione. Tuttavia, a causa della scarsa conduttività termica dello zaffiro, il calore generato dal chip può difficilmente essere trasferito al dissipatore di calore, che è limitato nell'applicazione del diodo ad emissione luminosa UV ad alta potenza per la stampa UV.

L'imballaggio con chip Flip è una delle attuali direzioni di sviluppo. Rispetto alla struttura formale, il calore non deve passare attraverso il substrato di zaffiro del chip, ma direttamente al substrato di silicio o ceramica con conduttività termica più elevata, e quindi all'ambiente esterno attraverso la base metallica. Inoltre, poiché la struttura flip non ha bisogno di fili dorati esterni, la densità integrata del chip può essere molto elevata, migliorando la potenza ottica per unità di area. Tuttavia, sia la struttura flip che la struttura formale hanno lo stesso difetto, cioè gli elettrodi LED P e N si trovano sullo stesso lato del LED e la corrente deve attraversare lateralmente lo strato n-GaN, con conseguente congestione corrente e alto potere calorico locale, che limita il limite superiore della corrente di pilotaggio.

Il chip di luce blu con struttura verticale viene prodotto sulla base dell'assemblaggio formale. Questo tipo di chip consiste nel legare il chip con il substrato di zaffiro tradizionale capovolto sul substrato di silicio o sul substrato di metallo con una buona conduttività termica, quindi rimuovere il substrato di zaffiro con il laser. Il chip di questo substrato risolve il problema del collo di bottiglia della dissipazione del calore, ma il processo è complesso, in particolare il processo di conversione del substrato è difficile da raggiungere e la resa è bassa. Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia, l'imballaggio verticale a LED UV è diventato sempre più maturo.

Ora viene proposta una nuova struttura verticale tridimensionale. Rispetto al chip LED a struttura verticale, il principale vantaggio del chip LED tridimensionale a struttura verticale è che non è necessario il filo dorato, rendendo il pacchetto più sottile, un migliore effetto di dissipazione del calore e più facile introdurre una maggiore corrente di pilotaggio. Tuttavia, ci sono ancora molti problemi da risolvere nell'applicazione della struttura verticale 3D.

Poiché l'efficienza luminosa dei LED UV è generalmente inferiore a quella dei LED di illuminazione, al fine di ottenere una maggiore efficienza luminosa, viene generalmente selezionato l'imballaggio della struttura verticale.

Poiché la luminescenza dei LED è omnidirezionale, nel caso di bassa efficienza luminosa, è necessario anche un design ottico ragionevole e scientifico, come la coppa del riflettore, la lente primaria, la lente secondaria e così via, per ottenere un'efficienza luminosa più efficace (l'efficienza luminosa dell'illuminazione positiva ). Inoltre, a causa del tasso di attenuazione della luce ultravioletta è maggiore nel mezzo, quindi nella scelta del materiale della lente e valutazione multipla (vetro al quarzo, vetro borosilicato alto, vetro temprato, ecc.), Provare a scegliere il materiale con alta trasmittanza UV (come bene per evitare per molto tempo la luce di aspirazione materiale sotto luce ultravioletta e la temperatura aumenta).

Come precedentemente affermato, in base al principio di conservazione dell'energia, quando l'energia elettrica viene convertita in energia luminosa, gran parte di essa viene anche convertita in energia termica (banda UVA, elettricità: luce: calore = 10: 3: 7). La durata utile del chip LED è strettamente correlata al risparmio di temperatura. Nel processo di polimerizzazione della luce, al fine di fornire una maggiore densità di potenza ottica, spesso è necessario mettere il Chip UV ad alta potenza per la polimerizzazione UV integrato con alta densità, tale raffreddamento è avanzata richiesta elevata, come realizzare l'efficiente dissipazione del calore, e garantire che tutti i chip LED nell'ambito di una temperatura ragionevole ed equilibrata della sezione, richiede anche progettazione scientifica, simulazione al computer e test pratico.