LED ultravioleta (Diodo emisor de luz ultravioleta) es una nueva fuente de luz UV que emite luz de semiconductores. Puede convertir directamente la energía eléctrica en energía de luz y radiación. En comparación con las fuentes tradicionales de luz UV como lámparas de arco de mercurio y lámparas sin electrodos de microondas, Los Leds UV tienen muchas ventajas. Esta nueva generación de fuente de luz UV se ha utilizado ampliamente en los campos de adhesivos UV, Tintas UV, Recubrimientos UV, e impresión 3D. Ha jugado un papel en la promoción de ahorros de energía, protección ambiental, y reducción de la contaminación. Las aplicaciones de UV LED marcan una revolución en la industria de curado de luz.
Sobre LED UV
Principio de iluminación LED
Los materiales para hacer LED incluyen compuestos de elementos grupales III-IV, como Gaas (Arsenide de Gallium), Brecha (fosfuro de galio), Gaasp (fosfuro de arsenuro de galio), y otros semiconductores. La parte central es un chip, que consiste en un semiconductor de tipo P dominado por agujeros y un semiconductor de tipo n dominado por electrones. Hay una capa de transición entre las dos partes, que se llama un cruce PN (Cifra 1).
Cifra 1: Diagrama esquemático de la estructura LED
Para emitir luz, Se inyectan electrones de la región N a la región P bajo el voltaje hacia adelante. Cuando los electrones y los agujeros se recombinan en la región P, liberan exceso de energía en forma de fotones, Y luego el LED se ilumina. La longitud de onda y el color de la luz están relacionados con los materiales que forman la unión PN. Diferentes materiales de semiconductores emiten luz de diferentes colores.
Desde la década de 1960, el LED de luz roja (650 Nuevo Méjico) se desarrolló por primera vez utilizando galio y fosfuro arsénico Gaasp. Entonces la gente usó elementos como el indio (En) y nitrógeno (norte) En materiales semiconductores para crear luz verde (555 Nuevo Méjico), luz amarilla (590 Nuevo Méjico), y luz naranja (610 Nuevo Méjico) LED. Cuando desarrollaron nitruro de indio de galio (Itinn) exitosamente, Tienen un LED de luz azul. Mezclaron azul, rojo, y luz verde para producir LED de luz blanca, y creó RGB LED que cubre todo el espectro de luz visible. En los últimos años, Los investigadores han desarrollado sucesivamente materiales de semiconductores de longitud de onda corta para una fuente de luz LED UV (405, 395, 385, 375, 365 Nuevo Méjico, etc.). Estos materiales incluyen nitruro de aluminio (Aln), nitruro de galio (Ambos), nitruro de galio de indio (InGaN), nitruro de galio de aluminio (Algán), y nitruro de galio de indio de aluminio (Permitir).
Actualmente, LED UV de 395, 385, 375, y 365 NM son las luces convencionales para el curado de la luz en el mercado. Con el progreso de la tecnología de fabricación de semiconductores LED, Los inventores están desarrollando LED ultravioleta profundos con una longitud de onda menos que 350 nm o entre 250-280 Nuevo Méjico.
Comparación de rendimiento entre las lámparas de arco de Mercury liderados por los rayos UV
El espectro de UV-LED es diferente del espectro continuo de las lámparas de arco de mercurio tradicionales. Su distribución espectral se concentra en una banda estrecha de aproximadamente 10-40 ancho de banda nm, y no emite UVB (280-315 Nuevo Méjico) o UVC (200-280 Nuevo Méjico) (ver figura 2 y figura 3).
Cifra 2: Espectro de emisión de una lámpara de arco de mercurio
Cifra 3: Spectrum de emisión de UV-LED
Como fuente de luz semiconductora, UV LED tiene muchas ventajas sobre las lámparas de arco de mercurio tradicionales, lámparas de electrodos de microondas, y otras fuentes de luz. Primero, tiene una larga vida útil, alta eficiencia, y buena seguridad. Segundo, Necesita bajo voltaje y bajos costos operativos. Tercero, Genera poco calor, Sin mercurio, y sin ozono. Por lo tanto, Es una fuente de luz UV de ahorro de energía y ecológica. Está en línea con la política económica verde sobre la contaminación y la reducción del consumo.
La eficiencia energética general del sistema de UV-LED tiene una ventaja incomparable en comparación con la de otras fuentes de luz. Es 4-5 veces mayores que el de medio- y alto- Lámparas de mercurio de presión y puede cumplir con los requisitos de las aplicaciones de alta potencia.
Características de UV-LED
Ventajas de liderado por los rayos UV
(1) Larga vida útil, producción de energía concentrada, y alta eficiencia de conversión de energía
Lo común 395 nm y 385 Las lámparas lideradas por UV NM pueden tener una vida útil de más que 20,000 horas. El 365 La lámpara liderada por UV NM también puede tener una vida útil de más que 10,000 horas. En contraste, La vida útil de las lámparas de arco de mercurio es solo 800-1000 horas, y el de las lámparas de electrodos de microondas es 8000 horas. El pico de onda principal de una lámpara liderada por rayos UV es estrecho y soltero. Más que 90% de la salida de luz se concentra en el rango de 10 nm cerca del pico de la ola principal. Entonces su eficiencia de conversión de energía es alta.
(2) Baja temperatura de trabajo, Sin radiación de calor infrarrojo, y especialmente adecuado para curar materiales sensibles al calor
La temperatura del cuerpo de la lámpara está debajo 100 ℃, y el de la superficie de la lámpara se trata 60 ℃. Mientras trabaja, La temperatura de la superficie de trabajo solo aumenta a aproximadamente 5 ℃. No tiene radiación de calor infrarrojo, Por lo tanto, no causará estrés térmico y deformación térmica de la pieza de trabajo. Es especialmente adecuado para curar materiales sensibles al calor. Sin embargo, La temperatura de la superficie de la lámpara de arco de mercurio puede alcanzar tan alta como 600 ℃, y el de la superficie de trabajo puede llegar a 80 ℃. No es adecuado para procesar materiales sensibles al calor.
(3) Emisión de luz instantánea
El tiempo de respuesta de UV-LED está a nivel de microsegundos. No necesitas calentarlo. El número de aperturas y cierres no afecta su vida útil y no requiere persianas. Después de encender una lámpara de arco de mercurio, se necesita 3-5 minutos para alcanzar la salida espectral completa. Si apagas la lámpara, No puede usarlo nuevamente de inmediato y debe esperar 5 a 10 minutos para que se enfríe. La cantidad de veces que abre y se cierra afecta su vida útil.
(4) Bajo voltaje, potencia de salida ajustable
LED UV es un dispositivo sólido emisor de luz impulsado por DC bajo voltaje, que es más fácil de controlar que la luz de gas de mercurio. Es superior a las lámparas de mercurio en términos de intensidad luminosa, uniformidad, y estabilidad. La relación entre la potencia de salida de los LED UV y la corriente de conducción es estable. Puede ajustar con precisión la potencia de salida UV cambiando la corriente. El ajuste puede corregir 1% o menos. Las lámparas de arco de mercurio requieren alto voltaje y rectificadores, y no puede ajustar la potencia de salida.
(5) Sin contaminación de mercurio y sin producción de ozono
El mercurio se usa en la producción de lámparas de arco de mercurio, y los tubos de la lámpara deben reciclarse después de que se descomponen. Es propenso a la contaminación del mercurio. Desde 2013, una prohibición del mercurio ha alcanzado un consenso en más de 140 países y regiones de todo el mundo. Firmaron la convención de Minamata para limitar el uso y la emisión de mercurio en varias industrias. Su objetivo es minimizar la amenaza de mercurio al cuerpo humano y al entorno global.. LED UV no usa mercurio, Entonces la ventaja de protección del medio ambiente es muy significativa. Al mismo tiempo, no genera ozono. Por lo tanto, Es imperativo reemplazar la fuente tradicional de luz ultravioleta de la lámpara de arco de mercurio con una fuente de luz dirigida por UV.
(6) Compacto y versátil
El volumen de un LED UV es solo 0.1 centímetro3, y tiene una configuración flexible. Como una máquina de curado de fuente de luz de punto, Funciona bajo bajo voltaje de CC. La luz ultravioleta emite con la ayuda del grupo de lentes optimizados de la banda UV. Se organiza en un punto circular uniforme, cuyo tamaño es 3-20 mm. Cuando se usa una cabeza de irradiación rectangular, puede formar un área de irradiación rectangular. Cuando se usa la irradiación del haz de línea, Puede formar un haz lineal delgado con un área de irradiación más amplia. También puede inclinar la cabeza de irradiación por 45 ° o hacer que la luz emita desde el lado. De este modo, UV LED guarda mucho espacio y permite a los usuarios cambiarlo libremente. Es adecuado para espacios estrechos.
Máquinas de curado LED UV
Después de la permutación y la combinación, Los LED UV se convierten en fuentes de luz y luz de superficie para curar máquinas. La longitud de la máquina de curado de fuente de luz de línea es 20-2000 mm. En cuanto a las máquinas de curado de fuente de luz de superficie, Puede personalizar la forma y el tamaño de acuerdo con el área emisora de luz. La uniformidad de la irradiación de la fuente de luz de la superficie es excelente. La variación en la intensidad de la irradiación entre el borde y el centro puede alcanzar 3%. Las fuentes de luz lideradas por los rayos UV pueden iluminarse al instante, alcanzando 100% Salida ultravioleta de alimentación inmediatamente. Sus aperturas y cierres no afectarán la vida útil. Alta energía, salida de luz estable, y un buen efecto de irradiación uniforme mejoró la eficiencia de producción. Derrota a las lámparas de arco de mercurio debido a estas fortalezas.
Actualmente, Hay dos formas de aumentar la irradiancia de las fuentes de luz de curado lideradas por los rayos UV. El primero es agregar una lente con un efecto convergente frente a la luz liderada por UV de un solo tubo. El segundo es aumentar la cantidad de la misma.. El diseño del sistema de matriz espacial tiene como objetivo realizar el control direccional y la acumulación espacial de la energía de radiación liderada por UV de múltiples tubos. De tal manera, La irradiancia de la fuente de luz puede realizar el curado UV de los puntos, pauta, y superficies en varias aplicaciones.
Liderado por UV apareció por primera vez en forma de una fuente de luz puntual. Más tarde, por la combinación de matriz espacial, surgió una fuente de luz de línea dirigida por UV y una fuente de luz de superficie. Entonces la gente comenzó a usar fuentes de luz lideradas por los rayos UV en varios productos de curación de luz. Además, La disposición de diferentes matrices de LED UV en un módulo se utiliza para lograr salidas a diferentes longitudes de onda. Puede satisfacer las necesidades de diferentes tipos de fotoiniciadores en formulaciones UV. Un módulo puede contener cinco LED UV de longitud de onda diferente (365, 375, 385, 395, y 405 Nuevo Méjico) Para formar una nueva región de longitud de onda de fuente de luz. De este modo, Puede ser útil para diferentes productos de fórmula UV.
Problemas con liderado por los rayos UV
(1) Alto costo: Actualmente, El precio de las fuentes de luz de punto liderado por UV es igual o incluso ligeramente más bajo que el de las lámparas de mercurio. Pero para fuentes de luz de superficie que usan una gran cantidad de combinaciones de matriz dirigidas por UV, El costo sigue siendo alto. Esto restringe la promoción y aplicación de fuentes de luz de superficie LED. La razón del alto precio de UV-LED no es solo el alto costo de fabricación, sino también el resultado del monopolio tecnológico de los fabricantes aguas arriba. Debido a la protección de la patente, El precio sigue siendo alto. Sin embargo, Con el desarrollo de la tecnología de fabricación de semiconductores y la tecnología nacional de envasado liderado por los rayos UV, El precio de UV-LED disminuirá gradualmente. Esto seguramente provocará la amplia aplicación de la misma..
(2) La longitud de onda de UV-LED es soltera, que no coincide completamente con los fotoiniciadores existentes. Actualmente, Las fuentes de luz lideradas por UV comúnmente utilizadas son 405, 395, 385, 375, y 365 NM Luz ultravioleta de banda larga. Dado que la luz ultravioleta emitida por UV-LED tiene un pico estrecho, más que 90% de la salida de luz se concentra cerca del pico principal. Casi toda la energía se encuentra en la banda UVA, causando una falta en las bandas UVC y UVB. No coincide con el espectro de absorción de los fotoiniciadores de uso común. Afecta seriamente la eficiencia de iniciación de los fotoiniciadores. Aunque el efecto de curado profundo de UV-LED es excelente, El efecto de secado de la superficie no es bueno.
(3) El poder de un solo UV-LED todavía no es lo suficientemente grande. La capacidad de superar la inhibición del oxígeno es pobre, que afecta el curado de la superficie. Este es un gran problema en la aplicación práctica de fuentes de luz lideradas por UV.
(4) La mala disipación de calor de UV-LED acelerará la velocidad de la descomposición de la luz, y es irreversible, que afecta la vida útil. Por lo tanto, Necesitamos prestar atención a la disipación de calor.. Generalmente, El enfriamiento de agua o el enfriamiento por aire se usan para enfriarlo. Al mismo tiempo, Los LED UV requieren una temperatura ambiente que debe ser más baja que 35 ° C, y una temperatura de unión que no puede estar por encima 120 ° C. En uso industrial, A veces, la máquina de curado dirigida por UV no puede funcionar porque la temperatura ambiente es demasiado alta.
(5) UV-LED solo se ha utilizado en el campo de la fotocratación para alrededor 10 años. Los fotoiniciadores adecuados para él todavía se están desarrollando gradualmente. Al mismo tiempo, Solo hay unas pocas tintas UV, Recubrimientos UV, y adhesivos UV que son compatibles con las características de. El desarrollo de estos materiales se necesita con urgencia.
Aplicaciones de UV-LED
La gente usó por primera vez dirigido a los rayos UV en el curado de adhesivos UV. Debido a su pequeño tamaño, Excelente rendimiento, y conveniencia de uso, La máquina de curado de fuente de luz de punto UV liderado es adecuada para muchas industrias. Emerge en las industrias médicas y de salud, optoelectrónica, microelectrónica, e industrias de la información, así como instrumentación óptica, productos de vidrio, artesanías, e industrias de joyas.
Aplicación en la industria de la impresión
En el Drupa 2008 Exposición de impresión internacional celebrada en Düsseldorf, Alemania, En Mayo 2008, Tres compañías japonesas lanzaron sistemas de impresión liderados por UV, Usando el liderado UV desarrollado por Toyo Ink. La demostración en vivo de la tinta ha abierto la puerta para la aplicación de la misma.. Actualmente, se ha aplicado en la impresión compensada, impresión flexo, impresión de pantalla, impresión de inyección de tinta, y otros campos de impresión. También puede encontrar su uso en el proceso de exposición de máscara de soldadura de la producción de placas de circuito impreso (PCBS).
Aplicación en prototipos rápidos ópticos
Actualmente, Hay dos categorías de fuentes de luz ultravioleta utilizadas para fotoconar equipos de prototipos rápidos.. Uno es el equipo de prototipos rápidos de alta gama, Principalmente usando láseres ultravioleta. El otro es el equipo de prototipos rápidos de gama baja que usa lámparas ultravioletas.
Los láseres tienen las ventajas de alto brillo, Gran directividad, monocromaticidad, y coherencia, haciéndolos una fuente de luz ideal para el procesamiento de materiales. Las fuentes láser ultravioletas comunes en equipos de prototipos rápidos incluyen helio cadmio (HE-CD) láser (325 Nuevo Méjico), ion argón (AR+) láser (351-364 Nuevo Méjico), Láser (337 Nuevo Méjico), nd bombeado por diodo:Yov4 Tres frecuencia duplicado láser (355 Nuevo Méjico), etc.. Sin embargo, Los costos de precio y mantenimiento del sistema láser (incluyendo el láser, enfriador, fuente de alimentación, y ruta óptica externa) son caros. Esto da como resultado altos costos de fabricación y uso para equipos de prototipos rápidos.. Limita la promoción de la tecnología de prototipos rápidos de curación UV hasta cierto punto. Por otro lado, Las lámparas UV ocupan el mercado de gama baja de equipos de prototipos rápidos de curado UV con su ventaja de precio. Aunque el costo de las lámparas UV es bajo, Su vida útil es corta, y la calidad del haz es pobre. Además, Hay cierta contaminación en el medio ambiente.
Hoy en día, La tecnología de crecimiento material dirigida por UV y el proceso de preparación siguen desarrollando. La eficiencia luminosa de UV-LED comercial ha aumentado en un orden de magnitud casi cada diez años. El desarrollo exitoso de UV-LED de alta potencia ha promovido su aplicación. En comparación con fuentes de luz tradicionales, como láseres y lámparas de mercurio, Los Leds UV tienen muchas ventajas. Estas características inherentes determinan su alta relación costo-rendimiento, y la industria de prototipos rápidos de curación de luz hace uso completo de ellos.
El nuevo sistema de formación de luz de luz (LED-SLA) Desarrollado por la Universidad Xi’an Jiaotong utiliza liderado por UV de alta potencia como fuente de luz. La luz ultravioleta se converge en la superficie líquida de la resina fotosensible a través del espejo enfocador. La tabla mecánica X-Y impulsa el espejo de enfoque para escanear en la superficie del líquido de resina para curarlo (ver figura 4). A través de experimentos comparativos sobre el consumo de energía de tres fuentes de luz de curado, Liderado por los rayos, láser, y lámpara de mercurio de alta presión, Podemos encontrar que el consumo de energía de curado de luz de UV-LED es solo 0.86% el de láser y 0.1% el de la lámpara de mercurio. Demuestra que LED-SLA tiene excelentes ventajas de ahorro de energía. Sin embargo, SLA adopta el método de escaneo de puntos, que tiene una velocidad de curado lenta y baja eficiencia.
Ahora los expertos aplican nuevos métodos, como la tecnología de imágenes LCD y la tecnología de imágenes digitales. (DLP). Estos ayudan a cambiar los gráficos transversales en una máscara dinámica. Luego exponen y curan toda la capa de resina fotosensible. El generador de vista transforma la formación de luz de escaneo de punto original en formación de luz de la exposición a la superficie, y una exposición cura una capa completa. Esto acelera enormemente el procedimiento de formación. El método SLA de formación de superficie no solo tiene una velocidad de formación rápida, sino que también acorta el tiempo de curado. La eficiencia aumenta, Sin embargo, el costo operativo es más bajo.
Además, La fuente de luz se transforma de un tipo montado en la parte superior a un tipo de montaje inferior. Hace que el equipo sea más compacto y más conveniente de usar. En particular, La cantidad de resina fotosensible en la piscina de curado se reduce considerablemente. La parte del modelo fabricado no se hinchará y afectará la precisión cuando se empapa en el líquido de resina durante mucho tiempo.
Cifra 4: Diagrama esquemático del principio del sistema LED-SLA
① Computadora ② Fuente de alimentación programable ③ X-Y Banco de trabajo ④ Fuente de luz LED
⑤ Lente de enfoque ⑥ Componente ⑦ Nivel de resina
Aplicación en la industria de recubrimiento
La industria de la pintura también es un área en la que ingresa UV-LED está entrando. Actualmente, Se ha aplicado al acristalamiento de papel y recubrimiento de madera.. Shenzhen Youwei Chemical Technology Co., Limitado. Tomó la delantera en el desarrollo de recubrimientos dirigidos por UV a base de agua para la decoración de la madera. No solo es útil en el recubrimiento de muebles., puertas de madera, gabinetes, etc., pero también en campos de alta gama como la decoración interior, contenedores, metro, y vagones de alta velocidad.
Aplicación en la industria del arte de las uñas
Con la mejora del nivel de vida, Usar armadura de uñas se ha convertido en una moda para que las mujeres sigan la belleza y disfruten de la vida. La nueva tecnología de “manicura de fototerapia” es aplicar esmalte de uñas UV y curarlo bajo luz ultravioleta para formar un recubrimiento protector. El tradicional “manicura de fototerapia” Utiliza la irradiación convencional de la lámpara de arco de mercurio para curar esmalte de uñas UV. El tiempo de operación es largo, generalmente más de 6 minutos, y la lámpara de arco de mercurio emite luz con calor infrarrojo obvio. Hay una clara sensación de ardor durante las manicuras., y también puede dañar el lecho de la uña. Ahora la gente usa curado de fuente de luz dirigida por UV para proporcionar más seguro, ahorrador, y conveniente liderado por rayos UV “uñas de fototerapia” .
Resumen y perspectiva
El rápido desarrollo de la fabricación liderada por los rayos UV y las ventajas han atraído una gran atención de las personas que participan en la industria de curado de luz. Todos han dado una evaluación muy alta a esta tecnología. Con la promoción continua y la aplicación de la tecnología dirigida por UV, se volverá predominante en la industria de curado de luz. A medida que aumenta la potencia luminosa de los UV-LED y el costo disminuye, Los expertos están desarrollando continuamente nuevos fotoiniciadores adecuados para ello. Su aplicación será más extensa en el futuro. Un sistema de curado de luz liderado por UV reemplazará gradualmente las lámparas de arco de mercurio en la fotocuración de varios recubrimientos UV, Tintas UV, y adhesivos UV. Tiene grandes perspectivas de mercado y se convertirá en uno de los productos de semiconductores más influyentes.
