LED UV (Diode électroluminescente ultraviolette) est une nouvelle source de lumière UV qui émet de la lumière à partir de semi-conducteurs. Il peut convertir directement l'énergie électrique en énergie lumineuse et rayonnante.. Par rapport aux sources de lumière UV traditionnelles telles que lampes à arc au mercure et lampes sans électrode à micro-ondes, Les LED UV présentent de nombreux avantages. Cette nouvelle génération de source de lumière UV a été largement utilisée dans les domaines des adhésifs UV, Encres UV, Revêtements UV, et impression 3D. Il a joué un rôle dans la promotion des économies d’énergie, protection de l'environnement, et réduction de la pollution. Les applications des LED UV marquent une révolution dans l'industrie de la photopolymérisation.
À propos des LED UV
Principe d'éclairage LED
Les matériaux pour fabriquer des LED comprennent des composés d'éléments du groupe III-IV, comme GaAs (arséniure de gallium), Écart (phosphure de gallium), Gaasp (phosphure d'arséniure de gallium), et autres semi-conducteurs. La partie centrale est une puce, qui consiste en un semi-conducteur de type P dominé par des trous et un semi-conducteur de type N dominé par des électrons. Il y a une couche de transition entre les deux parties, ce qu'on appelle une jonction PN (Chiffre 1).
Chiffre 1: Diagramme schématique de la structure LED
Pour émettre de la lumière, les électrons sont injectés de la région N dans la région P sous la tension directe. Quand les électrons et les trous se recombinent dans la région P, ils libèrent l'excès d'énergie sous forme de photons, et puis la LED s'allume. La longueur d'onde et la couleur de la lumière sont liées aux matériaux qui forment la jonction PN.. Différents matériaux semi-conducteurs émettent une lumière de différentes couleurs.
Depuis les années 1960, la LED rouge (650 nm) a été développé pour la première fois en utilisant le phosphure de gallium et d'arsenic GaAsP. Ensuite, les gens ont utilisé des éléments tels que l'indium (Dans) et de l'azote (N) dans des matériaux semi-conducteurs pour créer une lumière verte (555 nm), lumière jaune (590 nm), et lumière orange (610 nm) LED. Quand ils ont développé le nitrure de gallium et d'indium (Itinn) avec succès, ils ont une LED à lumière bleue. Ils ont mélangé du bleu, rouge, et lumière verte pour produire des LED à lumière blanche, et créé une LED RVB qui couvre tout le spectre de la lumière visible. Au cours des dernières années, des chercheurs ont successivement développé des matériaux semi-conducteurs à courte longueur d'onde pour une source de lumière UV LED (405, 395, 385, 375, 365 nm, etc.). Ces matériaux comprennent le nitrure d'aluminium (AIN), nitrure de gallium (GaN), nitrure d'indium et de gallium (InGaN), nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN), et nitrure d'aluminium, d'indium et de gallium (Permettre).
À l'heure actuelle, LED UV de 395, 385, 375, et 365 nm sont les lampes de photopolymérisation les plus répandues sur le marché. Avec les progrès de la technologie de fabrication de semi-conducteurs LED, les inventeurs développent des LED ultraviolettes profondes avec une longueur d'onde inférieure à 350 nm ou entre 250-280 nm.
Comparaison des performances entre les lampes UV-LED et les lampes à arc au mercure
Le spectre des LED UV est différent du spectre continu des lampes à arc au mercure traditionnelles. Sa distribution spectrale se concentre dans une bande étroite d'environ 10-40 bande passante nm, et n'émet aucun UVB (280-315 nm) ou UVC (200-280 nm) (voir la figure 2 et figurer 3).
Chiffre 2: Spectre d'émission d'une lampe à arc au mercure
Chiffre 3: Spectre d'émission des UV-LED
En tant que source lumineuse à semi-conducteur, La LED UV présente de nombreux avantages par rapport aux lampes à arc au mercure traditionnelles, lampes sans électrode à micro-ondes, et d'autres sources lumineuses. D'abord, il a une longue durée de vie, haute efficacité, et une bonne sécurité. Deuxième, il a besoin d'une basse tension et de faibles coûts d'exploitation. Troisième, il génère peu de chaleur, Pas de mercure, et pas d'ozone. Donc, c'est une source de lumière UV économe en énergie et respectueuse de l'environnement. Il s’inscrit dans la politique économique verte de réduction de la pollution et de la consommation..
L'efficacité énergétique globale du système UV-LED présente un avantage inégalé par rapport à celle d'autres sources lumineuses.. C'est 4-5 fois supérieure à celle du milieu- et haut- lampes à mercure sous pression et peuvent répondre aux exigences des applications de haute puissance.
Caractéristiques des LED UV
Avantages de l'UV-LED
(1) Longue durée de vie, production d'énergie concentrée, et une efficacité de conversion d'énergie élevée
Le commun 395 nm et 385 nm Les lampes UV-LED peuvent avoir une durée de vie supérieure à 20,000 heures. Le 365 La lampe UV-LED nm peut également avoir une durée de vie supérieure à 10,000 heures. En revanche, la durée de vie des lampes à arc au mercure est seulement 800-1000 heures, et celle des lampes sans électrodes à micro-ondes est 8000 heures. Le pic d'onde principal d'une lampe UV-LED est étroit et unique. Plus que 90% du flux lumineux se concentre dans la plage de 10 nm près du pic de la vague principale. Son efficacité de conversion énergétique est donc élevée.
(2) Basse température de travail, pas de rayonnement thermique infrarouge, et particulièrement adapté au durcissement de matériaux sensibles à la chaleur
La température du corps de la lampe est inférieure 100 ℃, et celle de la surface de la lampe est d'environ 60 ℃. En travaillant, la température de la surface de travail n'augmente que d'environ 5 ℃. Il n'a pas de rayonnement thermique infrarouge, cela ne provoquera donc pas de contrainte thermique ni de déformation thermique de la pièce. Il est particulièrement adapté au durcissement des matériaux sensibles à la chaleur. Cependant, la température de surface de la lampe à arc au mercure peut atteindre jusqu'à 600 ℃, et celui de la surface de travail peut atteindre environ 80 ℃. Il ne convient pas au traitement de matériaux sensibles à la chaleur.
(3) Émission de lumière instantanée
Le temps de réponse des UV-LED est de l'ordre de la microseconde. Vous n'avez pas besoin de le réchauffer. Le nombre d’ouvertures et de fermetures n’affecte pas sa durée de vie et ne nécessite pas de volets. Après avoir allumé une lampe à arc au mercure, ça prend 3-5 minutes pour atteindre la sortie spectrale complète. Si vous éteignez la lampe, vous ne pouvez pas l'utiliser à nouveau immédiatement et devez attendre 5 à 10 minutes pour qu'il refroidisse. Le nombre de fois qu'il s'ouvre et se ferme affecte sa durée de vie.
(4) Basse tension, puissance de sortie réglable
L'UV-LED est un dispositif électroluminescent solide alimenté par une basse tension continue., qui est plus facile à contrôler que la lampe au gaz mercure. Elle est supérieure aux lampes au mercure en termes d'intensité lumineuse, uniformité, et stabilité. La relation entre la puissance de sortie des LED UV et le courant de commande est stable. Vous pouvez ajuster avec précision la puissance de sortie UV en modifiant le courant. L'ajustement peut corriger 1% ou moins. Les lampes à arc au mercure nécessitent une haute tension et des redresseurs, et vous ne pouvez pas régler la puissance de sortie.
(5) Pas de pollution par le mercure et pas de production d'ozone
Le mercure est utilisé dans la production de lampes à arc au mercure, et les tubes des lampes doivent être recyclés après leur panne. Il est sujet à la pollution par le mercure. Depuis 2013, l'interdiction du mercure a fait l'objet d'un consensus dans plus de 140 pays et régions du monde. Ils ont signé la Convention de Minamata pour limiter l'utilisation et les émissions de mercure dans diverses industries. Il vise à minimiser la menace du mercure pour le corps humain et l'environnement mondial.. La LED UV n'utilise pas de mercure, l'avantage en matière de protection de l'environnement est donc très important. En même temps, il ne génère pas d'ozone. Donc, il est impératif de remplacer la source de lumière ultraviolette traditionnelle de la lampe à arc au mercure par une source de lumière UV-LED.
(6) Compact et polyvalent
Le volume d'une UV-LED est seulement 0.1 cm3, et il a une configuration flexible. En tant que machine de polymérisation à source lumineuse ponctuelle, il fonctionne sous basse tension continue. La lumière ultraviolette est émise à l'aide du groupe de lentilles optimisé pour la bande UV.. Il est organisé en une tache circulaire uniforme, dont la taille est 3-20 mm. Lors de l'utilisation d'une tête d'irradiation rectangulaire, il peut former une zone d'irradiation rectangulaire. Lors de l'utilisation de l'irradiation par faisceau linéaire, il peut former un faisceau linéaire mince avec une zone d'irradiation plus large. Vous pouvez également incliner la tête d'irradiation de 45° ou faire émettre la lumière sur le côté. De cette façon, La LED UV économise considérablement de l'espace et permet aux utilisateurs de la changer librement. Il convient aux espaces étroits.
Machines de polymérisation UV LED
Après permutation et combinaison, Les LED UV deviennent des sources lumineuses linéaires et superficielles pour les machines de polymérisation. La longueur de la machine de polymérisation de source lumineuse de ligne est 20-2000 mm. Quant aux machines de polymérisation de source lumineuse de surface, vous pouvez personnaliser la forme et la taille en fonction de la zone émettrice de lumière. L'uniformité d'irradiation de la source lumineuse de surface est excellente. La variation de l'intensité de l'irradiation entre le bord et le centre peut atteindre 3%. Les sources de lumière UV-LED peuvent s'allumer instantanément, atteinte 100% alimenter immédiatement la sortie ultraviolette. Ses ouvertures et fermetures n’affecteront pas la durée de vie. Haute énergie, rendement lumineux stable, et un bon effet d'irradiation uniforme améliore l'efficacité de la production. Il bat les lampes à arc au mercure en raison de ces atouts.
À l'heure actuelle, il existe deux façons d'augmenter l'irradiance des sources de lumière à polymérisation UV-LED. La première consiste à ajouter une lentille à effet convergent devant la lumière UV-LED monotube.. La seconde est d’en augmenter la quantité. La conception du système de réseau spatial vise à réaliser le contrôle directionnel et l’accumulation spatiale de l’énergie du rayonnement UV-LED multitube. De telle manière, l'irradiation de la source lumineuse peut réaliser le durcissement UV des points, lignes, et surfaces dans diverses applications.
Les LED UV sont apparues pour la première fois sous la forme d'une source lumineuse ponctuelle. Plus tard, par la combinaison du tableau spatial, une source de lumière linéaire UV-LED et une source de lumière de surface ont émergé. Ensuite, les gens ont commencé à utiliser des sources de lumière UV-LED dans divers produits photopolymérisables.. En outre, la disposition de différents réseaux de LED UV dans un module est utilisée pour obtenir des sorties à différentes longueurs d'onde. Il peut répondre aux besoins de différents types de photoinitiateurs dans les formulations UV. Un module peut contenir cinq LED UV de longueurs d'onde différentes (365, 375, 385, 395, et 405 nm) pour former une nouvelle région de longueur d'onde de source lumineuse. Ainsi, cela peut être utile pour différents produits de formule UV.
Problèmes avec les UV-LED
(1) Coût élevé: À l'heure actuelle, le prix des sources lumineuses ponctuelles UV-LED est égal voire légèrement inférieur à celui des lampes au mercure. Mais pour les sources lumineuses de surface utilisant un grand nombre de combinaisons de réseaux UV-LED, le coût reste élevé. Cela restreint la promotion et l'application des sources lumineuses de surface LED.. La raison du prix élevé des UV-LED n'est pas seulement le coût de fabrication élevé, mais aussi le résultat du monopole technologique des fabricants en amont.. Grâce à la protection par brevet, le prix reste élevé. Cependant, avec le développement de la technologie de fabrication de semi-conducteurs et de la technologie nationale d'emballage UV-LED, le prix des UV-LED va progressivement baisser. Cela en incitera sûrement à une large application..
(2) La longueur d'onde de l'UV-LED est unique, qui ne correspond pas complètement aux photoinitiateurs existants. À l'heure actuelle, les sources de lumière UV-LED couramment utilisées sont 405, 395, 385, 375, et 365 nm lumière ultraviolette à longue bande. Étant donné que la lumière ultraviolette émise par les UV-LED a un pic étroit, plus que 90% du flux lumineux est concentré près du pic principal. Presque toute l’énergie réside dans la bande UVA, provoquant un manque dans les bandes UVC et UVB. Il ne correspond pas au spectre d'absorption des photoinitiateurs couramment utilisés. Cela affecte sérieusement l'efficacité d'initiation des photoinitiateurs. Bien que l'effet de durcissement en profondeur des UV-LED soit excellent, l'effet de séchage de la surface n'est pas bon.
(3) La puissance d’une seule LED UV n’est toujours pas assez grande. La capacité à surmonter l’inhibition de l’oxygène est faible, ce qui affecte le durcissement de la surface. C'est un gros problème dans l'application pratique des sources de lumière UV-LED.
(4) La mauvaise dissipation thermique des UV-LED accélérera la vitesse de dégradation de la lumière, et c'est irréversible, ce qui affecte la durée de vie. Donc, nous devons faire attention à la dissipation thermique de celui-ci. Généralement, le refroidissement par eau ou par air est utilisé pour le refroidir. En même temps, Les LED UV nécessitent une température ambiante qui doit être inférieure à 35 ° C, et une température de jonction qui ne peut être supérieure à 120 ° C. En usage industriel, Parfois, la machine de polymérisation UV-LED ne peut pas fonctionner car la température ambiante est trop élevée.
(5) Les LED UV ne sont utilisées dans le domaine du photodurcissement que depuis environ 10 années. Les photoinitiateurs adaptés sont encore en cours de développement progressif. En même temps, il n'y a que quelques encres UV, Revêtements UV, et adhésifs UV compatibles avec les caractéristiques des UV-LED. Le développement de ces matériaux est nécessaire de toute urgence.
Applications des LED UV
Les premiers à utiliser les LED UV pour durcir les adhésifs UV. En raison de sa petite taille, excellentes performances, et commodité d'utilisation, la machine de polymérisation à source de lumière ponctuelle UV-LED convient à de nombreuses industries. Il émerge dans les industries médicales et de la santé, optoélectronique, microélectronique, et industries de l'information, ainsi que des instruments optiques, produits en verre, artisanat, et industries de la bijouterie.
Application dans l'industrie de l'imprimerie
A la Drupa 2008 Salon international de l'imprimerie à Düsseldorf, Allemagne, en mai 2008, trois entreprises japonaises ont lancé des systèmes d'impression UV-LED, en utilisant l'UV-LED développée par Toyo Ink. La démonstration en direct de l'encre a ouvert la porte à son application. À l'heure actuelle, il a été appliqué en impression offset, impression flexographique, sérigraphie, impression jet d'encre, et autres domaines d'impression. Vous pouvez également trouver son utilisation dans le processus d'exposition au masque de soudure lors de la production de cartes de circuits imprimés. (PCB).
Application au prototypage rapide optique
À l'heure actuelle, il existe deux catégories de sources de lumière ultraviolette utilisées dans les équipements de prototypage rapide à photodurcissement. L'un est l'équipement de prototypage rapide haut de gamme, utilisant principalement des lasers ultraviolets. L'autre est un équipement de prototypage rapide bas de gamme utilisant des lampes ultraviolettes..
Les lasers présentent les avantages d’une luminosité élevée, grande directivité, monochromaticité, et cohérence, ce qui en fait une source de lumière idéale pour le traitement des matériaux. Les sources laser ultraviolettes courantes dans les équipements de prototypage rapide comprennent l'hélium-cadmium (Il-Cd) laser (325 nm), ion argon (Ar+) laser (351-364 nm), Laser N2 (337 nm), Nd pompé par diode:Laser doublé à trois fréquences YOV4 (355 nm), etc.. Cependant, le prix et les coûts de maintenance du système laser (y compris le laser, glacière, alimentation, et chemin optique externe) sont chers. Cela entraîne des coûts de fabrication et d'utilisation élevés pour les équipements de prototypage rapide.. Cela limite dans une certaine mesure la promotion de la technologie de prototypage rapide à séchage UV.. D'autre part, Les lampes UV occupent le marché bas de gamme des équipements de prototypage rapide à séchage UV grâce à leur avantage de prix. Bien que le coût des lampes UV soit faible, leur durée de vie est courte, et la qualité du faisceau est mauvaise. En plus, il y a une certaine pollution dans l'environnement.
Aujourd'hui, la technologie de croissance des matériaux UV-LED et le processus de préparation continuent de se développer. L’efficacité lumineuse des LED UV commerciales a augmenté d’un ordre de grandeur presque tous les dix ans. Le développement réussi des LED UV haute puissance a favorisé son application. Par rapport aux sources lumineuses traditionnelles telles que les lasers et les lampes au mercure, Les LED UV présentent de nombreux avantages. Ces caractéristiques inhérentes déterminent son rapport qualité-prix élevé, et l'industrie du prototypage rapide photopolymérisable les utilise pleinement.
Le nouveau système de formage photopolymérisable (LED-SLA) developed by Xi’an Jiaotong University uses high-power UV-LED as the light source. La lumière ultraviolette converge vers la surface liquide de la résine photosensible à travers le miroir de focalisation. La table mécanique X-Y entraîne le miroir de focalisation pour scanner la surface du liquide de résine pour la durcir. (voir la figure 4). Grâce à des expériences comparatives sur la consommation énergétique de trois sources de lumière à polymériser, UV-LED, laser, et lampe au mercure haute pression, nous pouvons constater que la consommation d'énergie de photopolymérisation des LED UV n'est que 0.86% celui du laser et 0.1% celle de la lampe au mercure. Cela prouve que le LED-SLA présente des avantages exceptionnels en matière d'économie d'énergie. Cependant, SLA adopte la méthode de numérisation de points, qui a une vitesse de durcissement lente et une faible efficacité.
Désormais, les experts appliquent de nouvelles méthodes telles que la technologie d'imagerie LCD et la technologie d'imagerie numérique. (DLP). Ceux-ci aident à transformer les graphiques en coupe transversale en un masque dynamique. Ensuite, ils exposent et durcissent toute la couche de résine photosensible. Le générateur de vues transforme la formation photopolymérisable originale à balayage ponctuel en formation photopolymérisable à exposition de surface., et une exposition guérit une couche entière. Cela accélère considérablement la procédure de formage. La méthode SLA de formation de surface a non seulement une vitesse de formation rapide, mais réduit également le temps de durcissement.. L'efficacité augmente, mais le coût d'exploitation est inférieur.
De plus, la source lumineuse passe d'un type monté en haut à un type monté en bas. Cela rend l’équipement plus compact et plus pratique à utiliser. En particulier, la quantité de résine photosensible dans le bain de polymérisation est considérablement réduite. La pièce du modèle fabriquée ne gonflera pas et n'affectera pas la précision lorsqu'elle sera trempée pendant une longue période dans le liquide de résine..
Chiffre 4: Diagramme schématique du principe du système LED-SLA
① Ordinateur ② Alimentation programmable ③ Établi X-Y ④ Source de lumière LED
⑤ Lentille de mise au point ⑥ Composant ⑦ Niveau de résine
Application dans l'industrie du revêtement
L’industrie de la peinture est également un domaine où les UV-LED font leur entrée. À l'heure actuelle, il a été appliqué au vitrage du papier et au revêtement du bois. Shenzhen Youwei Chemical Technology Co., Ltée. a pris la tête du développement de revêtements UV-LED à base d'eau pour la décoration du bois. Ce n'est pas seulement utile pour le revêtement des meubles, portes en bois, armoires, etc., mais aussi dans les domaines haut de gamme comme la décoration intérieure, conteneurs, métros, et des wagons à grande vitesse.
Application dans l'industrie du nail art
Avec l'amélioration du niveau de vie, porter une armure à ongles est devenu une mode pour que les femmes recherchent la beauté et profitent de la vie. La nouvelle technologie de « manucure de photothérapie » consiste à appliquer du vernis à ongles UV et à le durcir sous la lumière ultraviolette pour former un revêtement protecteur. Le traditionnel « manucure de photothérapie » utilise une lampe à arc au mercure conventionnelle pour durcir le vernis à ongles UV. Le temps de fonctionnement est long, généralement plus que 6 minutes, et la lampe à arc au mercure émet de la lumière avec une chaleur infrarouge évidente. Il y a une nette sensation de brûlure pendant les manucures, et cela peut également endommager le lit de l'ongle. Désormais, les gens utilisent le durcissement par source de lumière UV-LED pour fournir des produits plus sûrs., gain de temps, et UV-LED pratique « ongles de photothérapie » .
Résumé et perspectives
Le développement rapide de la fabrication des LED UV et ses avantages ont attiré une grande attention de la part des personnes actives dans l'industrie de la photopolymérisation.. Tout le monde a donné une très haute évaluation à cette technologie. Avec la promotion et l'application continues de la technologie UV-LED, il deviendra prédominant dans l'industrie de la photopolymérisation. À mesure que la puissance lumineuse des UV-LED augmente et que le coût diminue, les experts développent continuellement de nouveaux photoinitiateurs adaptés. Son application sera plus étendue à l'avenir. Un système de photopolymérisation UV-LED remplacera progressivement les lampes à arc au mercure dans le photodurcissement de divers revêtements UV., Encres UV, et adhésifs UV. Il a de grandes perspectives de marché et deviendra l'un des produits semi-conducteurs les plus influents..
