UV-LED (Ultraviolettes Licht emittierende Diode) ist eine neue UV -Lichtquelle, die Licht von Halbleitern ausgibt. Es kann elektrische Energie direkt in Licht und Strahlungsenergie umwandeln. Verglichen mit herkömmlichen UV -Lichtquellen wie z. Quecksilberbogenlampen und mikrowelle elektrodenlose Lampen, UV-LEDS haben viele Vorteile. Diese neue Generation von UV -Lichtquellen wurde in den Feldern von UV -Klebstoffen häufig verwendet, UV -Tinten, UV -Beschichtungen, und 3D -Druck. Es hat eine Rolle bei der Förderung der Energieeinsparungen gespielt, Umweltschutz, und Verschmutzungsreduzierung. Die Anwendungen von UV ließen eine Revolution in der Lichthärtungsindustrie markieren.
Über UV geführt
LED -Beleuchtungsprinzip
Materialien zur Herstellung von LEDs umfassen Verbindungen von III-IV-Gruppenelementen, wie Gaas (Galliumarsenid), Lücke (Galliumphosphid), Gaasp (Galliumarsenidphosphid), und andere Halbleiter. Der Kernteil ist ein Chip, Dies besteht aus einem P-Typ-Halbleiter, der von Löchern dominiert wird. Es gibt eine Übergangsschicht zwischen den beiden Teilen, das genannt PN Junction (Figur 1).
Figur 1: Schematisches Diagramm der LED -Struktur
Licht aussagen, Elektronen werden aus der N -Region in die P -Region unter der Vorwärtsspannung injiziert. Wenn sich die Elektronen und Löcher in der P -Region rekombinieren, Sie setzen überschüssige Energie in Form von Photonen frei, Und dann leuchtet die LED auf. Die Wellenlänge und Farbe des Lichts hängen mit den Materialien zusammen, die den PN -Übergang bilden. Verschiedene Halbleitermaterialien geben das Licht in verschiedenen Farben aus.
Seit den 1960er Jahren, Das rotes Licht führte (650 nm) wurde zuerst unter Verwendung von Gallium und Arsenphosphid Gaasp entwickelt. Dann verwendeten die Menschen Elemente wie Indium (In) und Stickstoff (N) In Halbleitermaterialien, um grünes Licht zu erzeugen (555 nm), gelbes Licht (590 nm), und orangefarbenes Licht (610 nm) LEDs. Wenn sie Galliumindiumnitrid entwickelten (Itinn) erfolgreich, Sie bekamen eine Blaulicht-LED. Sie mischten blau, Rot, und grünes Licht, um weiße LichtlEDs zu erzeugen, und erstellte RGB -LED, das das gesamte sichtbare Lichtspektrum abdeckt. In den letzten Jahren, Forscher haben nacheinander kurzwellige Halbleitermaterialien für eine UV-LED-Lichtquelle entwickelt (405, 395, 385, 375, 365 nm, usw.). Diese Materialien umfassen Aluminiumnitrid (Aln), Galliumnitrid (GaN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumnitrid (Algan), und Aluminium -Indium -Gallium -Nitrid (Erlauben).
Derzeit, UV -LEDs von 395, 385, 375, Und 365 NM sind die Mainstream -Lichter für die Lichthärten auf dem Markt. Mit dem Fortschritt der LED -Halbleiterherstellungstechnologie, Erfinder entwickeln tiefe ultraviolette LEDs mit einer Wellenlänge weniger als 350 nm oder dazwischen 250-280 nm.
Leistungsvergleich zwischen UV-geführten und Quecksilber-ARC-Lampen
Das Spektrum von UV-LED unterscheidet sich vom kontinuierlichen Spektrum der herkömmlichen Quecksilber-ARC-Lampen. Seine Spektralverteilung konzentriert sich in einem schmalen Band von ungefähr 10-40 NM Bandbreite, und gibt keine UVB ab (280-315 nm) oder UVC (200-280 nm) (Siehe Abbildung 2 und Figur 3).
Figur 2: Emissionsspektrum einer Quecksilberbogenlampe
Figur 3: Emissionsspektrum von UV-LED
Als Halbleiterlichtquelle, UV -LED hat viele Vorteile gegenüber traditionellen Quecksilber -Bogenlampen, mikrowelle elektrodenlose Lampen, und andere Lichtquellen. Erste, Es hat eine lange Lebensdauer, hohe Effizienz, und gute Sicherheit. Zweite, Es benötigt eine niedrige Spannung und niedrige Betriebskosten. Dritte, Es erzeugt wenig Wärme, Kein Quecksilber, und kein Ozon. daher, Es ist eine energiesparende und umweltfreundliche UV-Lichtquelle. Es steht im Einklang mit der grünen Wirtschaftspolitik für Verschmutzung und Verbrauchsreduzierung.
Die Energieeffizienz des Gesamtsystems von UV-LED hat im Vergleich zu anderen Lichtquellen einen beispiellosen Vorteil. Es ist 4-5 mal größer als das von Medium- und hoch- Druckquecksilberlampen und können die Anforderungen von Hochleistungsanwendungen erfüllen.
Merkmale von UV-LED
Vorteile von UV-LED
(1) Lange Lebensdauer, konzentrierter Energieausgang, und Effizienz mit hoher Energieumwandlung
Das gemeinsame 395 nm und 385 NM UV-geführte Lampen können eine Lebensdauer von mehr als haben 20,000 Std.. Der 365 NM UV-geführte Lampe kann auch eine Lebensdauer von mehr als haben 10,000 Std.. Im Gegensatz, Die Lebensdauer von Quecksilber -ARC -Lampen ist nur 800-1000 Std., und die von mikrowellen elektrodenlosen Lampen ist 8000 Std.. Der Hauptwellenpeak einer UV-geführten Lampe ist schmal und Single. Mehr als 90% des Lichtausgangs konzentrieren sich im Bereich von 10 NM in der Nähe des Hauptwellenpeaks. Die Effizienz der Energieumwandlung ist also hoch.
(2) Niedrige Arbeitstemperatur, Keine Infrarot -Wärmestrahlung, und besonders geeignet für die Heilung hitzempfindlicher Materialien
Die Temperatur des Lampenkörpers ist unten 100 ℃, und die der Lampenoberfläche ist ungefähr 60 ℃. Während der Arbeit, Die Temperatur der Arbeitsfläche steigt nur um ungefähr um 5 ℃. Es hat keine Infrarot -Wärmestrahlung, Daher wird es keinen thermischen Stress und thermische Deformation des Werkstücks verursachen. Es ist besonders geeignet, um wärmeempfindliche Materialien zu heilen. Jedoch, Die Oberflächentemperatur der Quecksilberbogenlampe kann so hoch sein wie 600 ℃, und die der Arbeitsfläche kann ungefähr erreichen 80 ℃. Es ist nicht für die Verarbeitung wärmeempfindlicher Materialien geeignet.
(3) Sofortige Lichtemission
Die Reaktionszeit von UV-LED befindet sich auf Mikrosekundenebene. Sie müssen es nicht aufwärmen. Die Anzahl der Öffnungen und Schließungen wirkt sich nicht auf die Lebensdauer aus und erfordert keine Fensterläden. Nach dem Einschalten einer Quecksilberbogenlampe, es dauert 3-5 Minuten, um den vollständigen spektralen Ausgang zu erreichen. Wenn Sie die Lampe ausschalten, Sie können es nicht sofort wieder verwenden und müssen warten 5 Zu 10 Minuten, damit es sich abkühlte. Die Häufigkeit, mit der es öffnet und schließt, wirkt sich auf die Lebensdauer aus.
(4) Niedrige Spannung, Einstellbare Ausgangsleistung
UV-LED ist ein solides, lichtemittierendes Gerät, das von DC-niedriger Spannung angetrieben wird, Das ist leichter zu kontrollieren als Quecksilbergaslicht. Es ist Quecksilberlampen in Bezug auf die Leuchtintensität überlegen, Gleichmäßigkeit, und Stabilität. Die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung von UV-LEDs und dem Fahrstrom ist stabil. Sie können die UV -Ausgangsleistung genau anpassen, indem Sie den Strom ändern. Die Einstellung kann korrigieren 1% oder weniger. Quecksilber -ARC -Lampen erfordern Hochspannung und Gleichrichter, und Sie können die Ausgangsleistung nicht einstellen.
(5) Keine Quecksilberverschmutzung und keine Ozonproduktion
Quecksilber wird bei der Herstellung von Quecksilber -ARC -Lampen verwendet, und die Lampenrohre müssen recycelt werden, nachdem sie zusammengebrochen sind. Es ist anfällig für Quecksilberverschmutzung. Seit 2013, Ein Quecksilberverbot hat einen Konsens in mehr als als erzielt 140 Länder und Regionen auf der ganzen Welt. Sie unterzeichneten die Minamata -Übereinkommen, um die Verwendung und Emission von Quecksilber in verschiedenen Branchen zu begrenzen. Ziel ist es, die Bedrohung durch Quecksilber für den menschlichen Körper und die globale Umgebung zu minimieren. UV-LED verwendet kein Quecksilber, Der Umweltschutzvorteil ist also sehr wichtig. Gleichzeitig, Es erzeugt kein Ozon. daher, Es ist unerlässlich, die traditionelle Quecksilber-ARC-Lampe Ultraviolett-Lichtquelle durch eine UV-geführte Lichtquelle zu ersetzen.
(6) Kompakt und vielseitig
Das Volumen eines UV-LED ist nur 0.1 cm3, und es hat eine flexible Konfiguration. Als Punkt Lichtquellenhärtungsmaschine, Es arbeitet unter niedriger Gleichspannung. Das ultraviolette Licht emittiert mit Hilfe der UV -Band optimierte Linsengruppe. Es ist zu einem gleichmäßigen kreisförmigen Punkt organisiert, deren Größe ist 3-20 mm. Bei Verwendung eines rechteckigen Bestrahlungskopfes, Es kann einen rechteckigen Bestrahlungsbereich bilden. Bei Verwendung von Zeilenstrahlbestrahlung, Es kann einen schlanken linearen Strahl mit einem breiteren Bestrahlungsbereich bilden. Sie können den Bestrahlungskopf auch um 45 ° neigen oder das Licht von der Seite davon abgeben lassen. Auf diese Weise, UV -LED speichert den Platz stark und ermöglicht es Benutzern, ihn frei zu ändern. Es ist für schmale Räume geeignet.
UV -LED -Härtungsmaschinen
Nach Permutation und Kombination, UV-LEDs werden zu Linien- und Oberflächenlichtquellen für Heilmaschinen. Die Länge der Linienlichtquellenhärtungsmaschine ist 20-2000 mm. Wie bei Oberflächenlicht -Quellhärtungsmaschinen, Sie können die Form und Größe entsprechend dem lichtemittierenden Bereich anpassen. Die Bestrahlungsgleichmäßigkeit der Oberflächenlichtquelle ist ausgezeichnet. Die Variation der Bestrahlungsintensität zwischen der Kante und dem Zentrum kann erreichen 3%. UV-geführte Lichtquellen können sofort aufleuchten, greifen 100% Sofort ultraviolettem Ausgang betreiben. Die Öffnungen und Schließungen beeinflussen das Lebensdauer nicht. Hohe Energie, stabile Lichtausgabe, und ein guter einheitlicher Bestrahlungseffekt verbesserte die Produktionseffizienz. Es besiegt Quecksilber -ARC -Lampen aufgrund dieser Stärken.
Derzeit, Es gibt zwei Möglichkeiten, die Bestrahlungsanstrengung von UV-geführten Härtungslichtquellen zu erhöhen. Die erste besteht. Die zweite besteht darin, die Menge davon zu erhöhen. Das Design des Space Array-Systems zielt darauf ab, die Richtungsregelung und die räumliche Akkumulation von UV-LED-Strahlungsenergie mit mehreren Röhren zu realisieren. Auf diese Weise, Die Bestrahlungsanstrengung der Lichtquelle kann die UV -Härtung von Punkten realisieren, Linien, und Oberflächen in verschiedenen Anwendungen.
UV-geführt erschien zuerst in Form einer Punktlichtquelle. Später, durch die Space Array -Kombination, Eine UV-geführte Linienlichtquelle und eine Oberflächenlichtquelle entstanden. Dann begannen die Leute, UV-geführte Lichtquellen in verschiedenen leichten Produkten zu verwenden. Zusätzlich, Die Anordnung verschiedener Arrays von UV-LEDs in einem Modul wird verwendet, um Ausgänge bei verschiedenen Wellenlängen zu erreichen. Es kann die Bedürfnisse verschiedener Arten von Photoinitiatoren in UV -Formulierungen erfüllen. Ein Modul kann fünf verschiedene Wellenlängen-UV-LEDs enthalten (365, 375, 385, 395, Und 405 nm) Um einen neuen Lichtquellenwellenlängenbereich zu bilden. Daher, Es kann für verschiedene UV -Formel -Produkte nützlich sein.
Probleme mit UV-geführt
(1) Hohe Kosten: Derzeit, Der Preis für UV-geführte Punktleuchte ist gleich oder sogar etwas niedriger als der von Quecksilberlampen. Aber für Oberflächenlichtquellen unter Verwendung einer großen Anzahl von UV-geführten Array-Kombinationen, Die Kosten bleiben hoch. Dies schränkt die Werbung und Anwendung von LED -Oberflächenlichtquellen ein. Der Grund für den hohen UV-LED-Preis ist nicht nur die hohen Herstellungskosten, sondern auch das Ergebnis des Technologiemonopols der vorgelagerten Hersteller. Aufgrund des Patentschutzes, Der Preis bleibt hoch. Jedoch, Mit der Entwicklung der Halbleiterherstellungstechnologie und der inländischen UV-LED-Verpackungstechnologie, Der Preis für UV-geführt wird allmählich sinken. Dies wird sicherlich die breite Anwendung von IT veranlassen.
(2) Die Wellenlänge von UV-LED ist Single, Was nicht vollständig mit vorhandenen Fotoinitiatoren übereinstimmt. Derzeit, Die häufig verwendeten UV-LED-Lichtquellen sind 405, 395, 385, 375, Und 365 NM Langband Ultraviolettlicht. Da das von UV-LED emittierte ultraviolette Licht einen schmalen Peak hat, mehr als 90% des Lichtausgangs ist in der Nähe des Hauptpeaks konzentriert. Fast die gesamte Energie liegt in der UVA -Band, einen Mangel an UVC- und UVB -Bändern verursachen. Es stimmt nicht mit dem Absorptionsspektrum der häufig verwendeten Photoinitiatoren überein. Es wirkt sich ernsthaft auf die Einweihungseffizienz von Photoinitiatoren aus. Obwohl der tiefe Härtungseffekt von UV-LED ausgezeichnet ist, Der Oberflächentrocknungseffekt ist nicht gut.
(3) Die Kraft eines einzelnen UV-LED ist immer noch nicht groß genug. Die Fähigkeit zur Überwindung der Sauerstoffhemmung ist schlecht, das beeinflusst die Oberflächenhärtung. Dies ist ein großes Problem bei der praktischen Anwendung von UV-geführten Lichtquellen.
(4) Die schlechte Wärmeabteilung von UV-geführt wird die Lichtgeschwindigkeit des Lichtverfalls beschleunigt, Und es ist irreversibel, das beeinflusst die Lebensdauer. daher, Wir müssen auf die Wärmeabteilung davon achten. Normalerweise, Wasserkühlung oder Luftkühlung wird verwendet, um sie abzukühlen. Gleichzeitig, UV-LEDS erfordern eine Umgebungstemperatur, die niedriger als 35 °C, und eine Übergangstemperatur, die nicht oben sein kann 120 °C. Im industriellen Gebrauch, Manchmal kann die UV-geführte Härtungsmaschine nicht funktionieren, da die Umgebungstemperatur zu hoch ist.
(5) UV-LED wurde nur im Bereich der Fotografie für ungefähr verwendet 10 Jahre. Die dafür geeigneten Photoinitiatore werden immer noch allmählich entwickelt. Gleichzeitig, Es gibt nur wenige UV -Tinten, UV -Beschichtungen, und UV-Klebstoffe, die mit den Eigenschaften von UV-LED kompatibel sind. Die Entwicklung dieser Materialien wird dringend benötigt.
Anwendungen von UV-LED
Die Leute verwendeten zuerst UV-LED bei der Heilung von UV-Klebstoffen. Wegen seiner geringen Größe, Hervorragende Leistung, und Bequemlichkeit des Gebrauchs, Die UV-geführte Point Light-Quellhärtungsmaschine ist für viele Branchen geeignet. Es entsteht in der medizinischen und Gesundheitsbranche, Optoelektronik, Mikroelektronik, und Informationsindustrie, sowie optische Instrumente, Glasprodukte, Kunsthandwerk, und Schmuckindustrie.
Anwendung in der Druckbranche
Bei der Drupa 2008 Internationale Druckausstellung in Düsseldorf abgehalten, Deutschland, im Mai 2008, Drei japanische Unternehmen haben UV-geführte Druckersysteme eingeführt, Verwenden der von Toyo Ink entwickelten UV-geführt von Toyo Ink. Die Live -Demonstration der Tinte hat die Tür für die Anwendung geöffnet. Derzeit, Es wurde im Offset -Druck angewendet, Flexo -Druck, Siebdruck, Tintenstrahldruck, und andere Druckfelder. Sie können auch die Verwendung im Lötmasken -Expositionsprozess zur Herstellung von gedruckten Leiterplatten finden (PCBs).
Anwendung im optischen schnellen Prototyping
Derzeit, Es gibt zwei Kategorien von ultravioletten Lichtquellen,. Eine davon ist die High-End-Rapid-Prototyping-Geräte, Meistens mit ultravioletten Lasern. Das andere sind Low-End-Schnellprototyping-Geräte mit ultravioletten Lampen.
Laser haben die Vorteile einer hohen Helligkeit, Tolle Direktivität, Monochromatie, und Kohärenz, Sie zu einer idealen Lichtquelle für die Materialverarbeitung machen. Die üblichen ultravioletten Laserquellen in schnellen Prototyping -Geräten umfassen Helium -Cadmium (HE-CD) Laser (325 nm), Argonion (AR+) Laser (351-364 nm), N2 Laser (337 nm), Diodenverpackte ND:YOV4 Dreifrequenz verdoppelte Laser (355 nm), usw. Jedoch, Die Preis- und Wartungskosten des Lasersystems (einschließlich des Lasers, Kühler, Stromversorgung, und externer optischer Weg) sind teuer. Dies führt zu hohen Herstellungs- und Nutzungskosten für schnelle Prototyping -Geräte. Es schränkt die Förderung der UV-Curing Rapid Prototyping-Technologie in gewissem Maße ein. Auf der anderen Seite, UV-Lampen belegen den niedrigen Markt für UV. Obwohl die Kosten für UV -Lampen niedrig sind, Ihr Lebensdauer ist kurz, Und die Strahlqualität ist schlecht. Außerdem, Es gibt eine gewisse Umweltverschmutzung.
Heutzutage, Die UV-geführte Materialwachstumstechnologie und der Vorbereitungsprozess entwickeln sich weiter. Die leuchtende Effizienz des gewerblichen UV-geführten UV-LED hat fast alle zehn Jahre um eine Größenordnung gestiegen. Die erfolgreiche Entwicklung von UV-LED von hoher Leistung hat seine Anwendung gefördert. Verglichen mit traditionellen Lichtquellen wie Lasern und Quecksilberlampen, UV-LEDS haben viele Vorteile. Diese inhärenten Merkmale bestimmen das Verhältnis mit hoher Kosten-Performance-Verhältnis, und die leichte schnelle Prototyping-Industrie nutzt sie voll aus.
Das neue lichthäutigende Formsystem (LED-SLA) entwickelt von der Xi'an Jiaotong University verwendet UV-LED mit hoher Leistung als Lichtquelle. Das ultraviolette Licht wird durch den Fokussierspiegel auf die flüssige Oberfläche des photosensitiven Harzes konvergiert. Die mechanische X-Y-Tabelle treibt den Fokussierungsspiegel an, um auf der Harzflüssigkeitsoberfläche zu scannen, um ihn zu heilen (Siehe Abbildung 4). Durch vergleichende Experimente zum Energieverbrauch von drei Härtungslichtquellen, UV-geführt, Laser, und Hochdruck-Quecksilberlampe, Wir können feststellen, dass das Lichtverbrauch von UV-LED nur das Licht heilt 0.86% das von Laser und 0.1% das von Quecksilberlampe. Es zeigt, dass LED-SLA über herausragende Energiesparvorteile verfügt. Jedoch, SLA übernimmt die Point-Scanning-Methode, das hat eine langsame Härtungsgeschwindigkeit und eine geringe Effizienz.
Jetzt wenden Experten neue Methoden wie die LCD -Bildgebungstechnologie und die digitale Bildgebungstechnologie an (DLP). Diese helfen dabei. Dann legen sie die gesamte Schicht des photosensitiven Harzes frei und heilen sie. Der Ansichtsgenerator verwandelt die ursprüngliche Punktscanning-Lichtheilung in der Oberflächen-Exposition-Lichtheilungsforming, und eine Exposition heilt eine ganze Schicht. Dies beschleunigt das Bildungsverfahren erheblich. Die SLA -Methode mit Oberflächenbildung hat nicht nur eine schnelle Form, sondern verkürzt auch die Aushärtungszeit. Die Effizienz steigt, Die Betriebskosten sind jedoch niedriger.
Darüber hinaus, Die Lichtquelle verwandelt sich von einem obermontierten Typ zu einem untermontierten Typ. Es macht die Ausrüstung kompakter und bequemer zu bedienen. Insbesondere, Die Menge an photosensitiven Harz im Härtungsbecken ist stark reduziert. Das hergestellte Modellteil wird nicht anschwellen und die Genauigkeit beeinflussen, wenn sie lange in der Harzflüssigkeit getränkt ist.
Figur 4: Schematischer Diagramm des LED-SLA-Systemprinzips
① Computer ② Programmierbares Netzteil ③ X-Y Workbench ④ LED-Lichtquelle
⑤ Fokussierung Objektiv ⑥ Komponente ⑦ Harzniveau
Anwendung in der Beschichtungsbranche
Die Malereiindustrie ist auch ein Bereich, in dem UV-LED eintritt. Derzeit, Es wurde auf Papierverglasung und Holzbeschichtung aufgetragen. Shenzhen Youwei Chemical Technology Co., Ltd. übernahm die Führung bei der Entwicklung von UV-LED-Beschichtungen auf Wasserbasis zur Holzdekoration. Es ist nicht nur hilfreich bei der Beschichtung von Möbeln, Holztüren, Schränke, usw., aber auch in High-End-Feldern wie der Innenausstattung, Behälter, U -Bahnen, und Hochgeschwindigkeitsbahnwagen.
Anwendung in der Nagelkunstindustrie
Mit der Verbesserung des Lebensstandards, Das Tragen von Nagelrüsten ist zu einer Mode für Frauen geworden, um Schönheit zu verfolgen und das Leben zu genießen. Die neue Technologie von “Phototherapie Maniküre” ist UV -Nagellack aufzutragen und unter ultraviolettes Licht zu heilen, um eine Schutzbeschichtung zu bilden. Das traditionelle “Phototherapie Maniküre” Verwendet herkömmliche Quecksilber -ARC -Lampenbestrahlung, um UV -Nagellack zu heilen. Die Betriebszeit ist lang, normalerweise mehr als 6 Minuten, und die Quecksilberbogenlampe emittiert Licht mit offensichtlicher Infrarotwärme. Während Maniküren gibt es ein klares brennendes Gefühl, und es kann auch das Nagelbett beschädigen. Jetzt verwenden die Leute UV-LED-Lichtquellenhärtung, um sicherer zu sein, zeitsparend, und bequemes UV-geführt “Phototherapie Nägel” .
Zusammenfassung und Ausblick
Die schnelle Entwicklung der von UV geführten Fertigung und die Vorteile des IT haben große Aufmerksamkeit von Menschen auf sich gezogen, die sich in der Lichthärtungsindustrie befassen. Jeder hat dieser Technologie eine sehr hohe Bewertung gegeben. Mit der kontinuierlichen Werbung und Anwendung der von UV geführten Technologie, Es wird in der Lichthärtungsindustrie vorherrschend sein. Mit zunehmender leuchtender Kraft von UV-geführten und die Kosten sinken, Experten entwickeln kontinuierlich neue Fotoinitiatoren, die dafür geeignet sind. Die Anwendung wird in Zukunft umfangreicher sein. Ein UV-geführter Lichthärtungssystem ersetzt nach und nach Quecksilber-ARC-Lampen bei der Fotografie verschiedener UV-Beschichtungen, UV -Tinten, und UV -Klebstoffe. Es hat großartige Marktaussichten und wird eines der einflussreichsten Halbleiterprodukte.
