UV LED (Ultraviolette lichtgevende diode) is een nieuwe UV-lichtbron die licht uit halfgeleiders uitzendt. Het kan elektrische energie direct omzetten in licht- en stralingsenergie. Vergeleken met traditionele UV-lichtbronnen zoals kwikbooglampen en microgolfelektrodeloze lampen, UV-LED's hebben veel voordelen. Deze nieuwe generatie UV-lichtbronnen wordt op grote schaal gebruikt op het gebied van UV-kleefstoffen, UV-inkten, UV-coatings, en 3D-printen. Het heeft een rol gespeeld bij het bevorderen van energiebesparing, milieubescherming, en vermindering van de vervuiling. De toepassingen van UV-LED markeren een revolutie in de lichtuithardingsindustrie.
Over UV-LED
LED-verlichtingsprincipe
Materialen voor het maken van LED's omvatten verbindingen van III-IV-groepselementen, zoals GaAs (galliumarsenide), Gat (galliumfosfide), GaAsP (galliumarsenidefosfide), en andere halfgeleiders. Het kerngedeelte is een chip, die bestaat uit een halfgeleider van het P-type die wordt gedomineerd door gaten en een halfgeleider van het N-type die wordt gedomineerd door elektronen. Er is een overgangslaag tussen de twee delen, Dit wordt een PN-overgang genoemd (Figuur 1).
Figuur 1: Schematisch diagram van LED-structuur
Om licht uit te stralen, elektronen worden onder de voorwaartse spanning vanuit het N-gebied in het P-gebied geïnjecteerd. Wanneer de elektronen en gaten recombineren in het P-gebied, ze geven overtollige energie vrij in de vorm van fotonen, en dan gaat de LED branden. De golflengte en kleur van licht zijn gerelateerd aan de materialen die de PN-overgang vormen. Verschillende halfgeleidermaterialen zenden licht uit met verschillende kleuren.
Sinds de jaren zestig, de rode licht-LED (650 nm) werd voor het eerst ontwikkeld met behulp van gallium- en arseenfosfide GaAsP. Toen gebruikte men elementen als indium (In) en stikstof (N) in halfgeleidermaterialen om groen licht te creëren (555 nm), geel licht (590 nm), en oranje licht (610 nm) LED's. Toen ze gallium-indiumnitride ontwikkelden (GaInN) met succes, ze hebben een blauwlicht-LED. Ze mengden blauw, rood, en groen licht om witlicht-LED's te produceren, en creëerde RGB-LED die het gehele zichtbare lichtspectrum bestrijkt. In de afgelopen jaren, onderzoekers hebben achtereenvolgens halfgeleidermaterialen met een korte golflengte ontwikkeld voor een UV-LED-lichtbron (405, 395, 385, 375, 365 nm, enz.). Deze materialen omvatten aluminiumnitride (AlN), galliumnitride (GaN), indium-galliumnitride (Uingan), aluminium galliumnitride (AlGaN), en aluminium-indium-galliumnitride (AlInGaN).
Op dit moment, UV-LED's van 395, 385, 375, En 365 nm zijn de mainstream lampen voor lichtuitharding op de markt. Met de vooruitgang van de LED-halfgeleiderproductietechnologie, uitvinders ontwikkelen diep-ultraviolette LED's met een golflengte kleiner dan 350 nm of tussen 250-280 nm.
Prestatievergelijking tussen UV-LED en kwikbooglampen
Het spectrum van UV-LED verschilt van het continue spectrum van traditionele kwikbooglampen. De spectrale distributie concentreert zich in een smalle band van ongeveer 10-40 nm-bandbreedte, en zendt geen UVB uit (280-315 nm) of UVC (200-280 nm) (zie figuur 2 en Figuur 3).
Figuur 2: Emissiespectrum van een kwikbooglamp
Figuur 3: Emissiespectrum van UV-LED
Als halfgeleiderlichtbron, UV-LED heeft veel voordelen ten opzichte van traditionele kwikbooglampen, magnetron elektrodeloze lampen, en andere lichtbronnen. Eerst, het heeft een lange levensduur, hoge efficiëntie, en goede veiligheid. Seconde, het heeft een lage spanning en lage bedrijfskosten nodig. Derde, het genereert weinig warmte, geen kwik, en geen ozon. Daarom, het is een energiebesparende en milieuvriendelijke UV-lichtbron. Het is in lijn met het groene economische beleid inzake vervuiling en vermindering van de consumptie.
De algehele systeemenergie-efficiëntie van UV-LED heeft een ongeëvenaard voordeel in vergelijking met die van andere lichtbronnen. Het is 4-5 keer groter dan die van medium- en hoog- drukkwiklampen en kunnen voldoen aan de eisen van toepassingen met hoog vermogen.
Kenmerken van UV-LED
Voordelen van UV-LED
(1) Lange levensduur, geconcentreerde energieopbrengst, en een hoge energieomzettingsefficiëntie
Het gemeenschappelijke 395 nm en 385 nm UV-LED-lampen kunnen een levensduur hebben van meer dan 20,000 uren. De 365 nm UV-LED-lamp kan ook een levensduur hebben van meer dan 10,000 uren. Daarentegen, de levensduur van kwikbooglampen is slechts 800-1000 uren, en dat van elektrodeloze microgolflampen is dat wel 8000 uren. De hoofdgolfpiek van een UV-LED-lamp is smal en enkelvoudig. Meer dan 90% van de lichtopbrengst concentreert zich in het bereik van 10 nm nabij de hoofdgolfpiek. De energieomzettingsefficiëntie is dus hoog.
(2) Lage werktemperatuur, geen infrarood warmtestraling, en vooral geschikt voor het uitharden van warmtegevoelige materialen
De temperatuur van het lamplichaam is lager 100 ℃, en dat van het lampoppervlak is ongeveer 60 ℃. Tijdens het werken, de temperatuur van het werkoppervlak stijgt slechts ongeveer 5 ℃. Het heeft geen infrarood warmtestraling, het zal dus geen thermische spanning en thermische vervorming van het werkstuk veroorzaken. Het is vooral geschikt voor het uitharden van warmtegevoelige materialen. Echter, de oppervlaktetemperatuur van de kwikbooglamp kan oplopen tot wel 600 ℃, en die van het werkoppervlak kan ongeveer reiken 80 ℃. Het is niet geschikt voor het verwerken van warmtegevoelige materialen.
(3) Onmiddellijke lichtemissie
De responstijd van UV-LED ligt op microsecondeniveau. Je hoeft het niet op te warmen. Het aantal openingen en sluitingen heeft geen invloed op de levensduur en er zijn geen luiken nodig. Na het inschakelen van een kwikbooglamp, het neemt 3-5 minuten om de volledige spectrale output te bereiken. Als je de lamp uitzet, je kunt het niet meteen opnieuw gebruiken en moet wachten 5 naar 10 minuten om af te koelen. Het aantal keren dat hij opent en sluit, heeft invloed op de levensduur.
(4) Lage spanning, regelbaar uitgangsvermogen
UV-LED is een solide lichtgevend apparaat dat wordt aangedreven door DC-laagspanning, dat gemakkelijker te controleren is dan kwikgaslicht. Het is superieur aan kwiklampen wat betreft lichtsterkte, uniformiteit, en stabiliteit. De relatie tussen het uitgangsvermogen van UV-LED's en de aandrijfstroom is stabiel. U kunt het UV-uitgangsvermogen nauwkeurig aanpassen door de stroom te wijzigen. De aanpassing kan corrigeren 1% of minder. Kwikbooglampen vereisen hoge spanning en gelijkrichters, en u kunt het uitgangsvermogen niet aanpassen.
(5) Geen kwikvervuiling en geen ozonproductie
Kwik wordt gebruikt bij de productie van kwikbooglampen, en de lampbuizen moeten worden gerecycled nadat ze kapot zijn gegaan. Het is gevoelig voor kwikvervuiling. Sinds 2013, een verbod op kwik heeft in meer dan een consensus bereikt 140 Landen en regio's over de hele wereld. Ze ondertekenden het Minamata-verdrag om het gebruik en de uitstoot van kwik in verschillende industrieën te beperken. Het heeft tot doel de dreiging van kwik voor het menselijk lichaam en het mondiale milieu tot een minimum te beperken. UV-LED gebruikt geen kwik, dus het voordeel op het gebied van milieubescherming is zeer aanzienlijk. Tegelijkertijd, het genereert geen ozon. Daarom, het is absoluut noodzakelijk om de traditionele ultraviolette lichtbron van de kwikbooglamp te vervangen door een UV-LED-lichtbron.
(6) Compact en veelzijdig
Het volume van een UV-LED is slechts 0.1 cm3, en het heeft een flexibele configuratie. Als uithardingsmachine met puntlichtbron, het werkt onder lage gelijkspanning. Het ultraviolette licht wordt uitgestraald met behulp van de voor de UV-band geoptimaliseerde lensgroep. Het is georganiseerd in een uniforme cirkelvormige plek, waarvan de maat is 3-20 mm. Bij gebruik van een rechthoekige bestralingskop, het kan een rechthoekig bestralingsgebied vormen. Bij gebruik van lijnbestraling, het kan een slanke lineaire straal vormen met een breder bestralingsgebied. U kunt de bestralingskop ook 45° kantelen of het licht vanaf de zijkant laten uitstralen. Op deze manier, UV-LED bespaart enorm ruimte en stelt gebruikers in staat deze vrij te veranderen. Het is geschikt voor smalle ruimtes.
UV-LED-uithardingsmachines
Na permutatie en combinatie, UV-LED's worden lijn- en oppervlaktelichtbronnen voor uithardingsmachines. De lengte van de lijnlichtbron-uithardingsmachine is 20-2000 mm. Wat betreft uithardingsmachines met oppervlaktelichtbronnen, u kunt de vorm en grootte aanpassen aan het lichtuitstralende gebied. De bestralingsuniformiteit van de oppervlaktelichtbron is uitstekend. De variatie in bestralingsintensiteit tussen de rand en het centrum kan oplopen 3%. UV-LED-lichtbronnen kunnen onmiddellijk oplichten, bereik 100% power ultraviolette output onmiddellijk. De openingen en sluitingen ervan hebben geen invloed op de levensduur. Hoge energie, stabiele lichtopbrengst, en een goed uniform bestralingseffect verbeterde de productie-efficiëntie. Het verslaat kwikbooglampen vanwege deze sterke punten.
Op dit moment, Er zijn twee manieren om de bestralingssterkte van UV-LED-uithardingslichtbronnen te vergroten. De eerste is om een lens met een convergerend effect toe te voegen vóór het UV-LED-licht met één buis. De tweede is om de hoeveelheid ervan te vergroten. Het ontwerp van het Space Array-systeem heeft tot doel de directionele controle en ruimtelijke accumulatie van UV-LED-stralingsenergie met meerdere buizen te realiseren. Op zo'n manier, de bestraling van de lichtbron kan de UV-uitharding van punten realiseren, lijnen, en oppervlakken in diverse toepassingen.
UV-LED verscheen voor het eerst in de vorm van een puntlichtbron. Later, door de space array-combinatie, er ontstonden een UV-LED-lijnlichtbron en een oppervlaktelichtbron. Toen begonnen mensen UV-LED-lichtbronnen te gebruiken in verschillende lichtuithardende producten. In aanvulling, de opstelling van verschillende reeksen UV-LED's in één module wordt gebruikt om outputs op verschillende golflengten te bereiken. Het kan voldoen aan de behoeften van verschillende soorten foto-initiatoren in UV-formuleringen. Eén module kan vijf UV-LED's met verschillende golflengten bevatten (365, 375, 385, 395, En 405 nm) om een nieuw golflengtegebied van de lichtbron te vormen. Dus, het kan nuttig zijn voor verschillende UV-formuleproducten.
Problemen met UV-LED
(1) Hoge kosten: Op dit moment, de prijs van UV-LED-puntlichtbronnen is gelijk aan of zelfs iets lager dan die van kwiklampen. Maar voor oppervlaktelichtbronnen wordt een groot aantal UV-LED-arraycombinaties gebruikt, de kosten blijven hoog. Dit beperkt de promotie en toepassing van LED-oppervlaktelichtbronnen. De reden voor de hoge prijs van UV-LED is niet alleen de hoge productiekosten, maar ook het resultaat van het technologiemonopolie van upstream-fabrikanten. Vanwege de patentbescherming, de prijs blijft hoog. Echter, met de ontwikkeling van halfgeleiderproductietechnologie en binnenlandse UV-LED-verpakkingstechnologie, de prijs van UV-LED zal geleidelijk dalen. Dit zal zeker aanleiding geven tot een brede toepassing ervan.
(2) De golflengte van UV-LED is enkelvoudig, wat niet helemaal overeenkomt met bestaande foto-initiatoren. Op dit moment, de meest gebruikte UV-LED lichtbronnen zijn 405, 395, 385, 375, En 365 nm lange-band ultraviolet licht. Omdat het ultraviolette licht dat door UV-LED wordt uitgezonden, een smalle piek heeft, meer dan 90% van de lichtopbrengst is geconcentreerd nabij de hoofdpiek. Bijna alle energie ligt in de UVA-band, waardoor een tekort aan de UVC- en UVB-banden ontstaat. Het komt niet overeen met het absorptiespectrum van veelgebruikte foto-initiatoren. Het heeft ernstige gevolgen voor de initiatie-efficiëntie van foto-initiatoren. Hoewel het diepe uithardende effect van UV-LED uitstekend is, het oppervlaktedroogeffect is niet goed.
(3) Het vermogen van een enkele UV-LED is nog steeds niet groot genoeg. Het vermogen om zuurstofremming te overwinnen is slecht, wat de uitharding van het oppervlak beïnvloedt. Dit is een groot probleem bij de praktische toepassing van UV-LED-lichtbronnen.
(4) De slechte warmteafvoer van UV-LED zal de snelheid van het lichtverval versnellen, en het is onomkeerbaar, wat de levensduur beïnvloedt. Daarom, we moeten aandacht besteden aan de warmteafvoer ervan. Gebruikelijk, Om het af te koelen wordt gebruik gemaakt van waterkoeling of luchtkoeling. Tegelijkertijd, UV-LED's vereisen een omgevingstemperatuur die lager moet zijn dan 35 °C, en een junctietemperatuur die niet hoger kan zijn 120 °C. Bij industrieel gebruik, soms kan de UV-LED-uithardingsmachine niet werken omdat de omgevingstemperatuur te hoog is.
(5) UV-LED wordt al zo'n beetje alleen gebruikt op het gebied van photocuring 10 jaar. Hiervoor geschikte foto-initiatoren worden nog steeds geleidelijk ontwikkeld. Tegelijkertijd, er zijn slechts een paar UV-inkten, UV-coatings, en UV-lijmen die compatibel zijn met de eigenschappen van UV-LED. De ontwikkeling van deze materialen is dringend nodig.
Toepassingen van UV-LED
Mensen gebruikten UV-LED voor het eerst bij het uitharden van UV-lijmen. Vanwege het kleine formaat, uitstekende prestaties, en gebruiksgemak, de UV-LED puntlichtbronuithardingsmachine is geschikt voor vele industrieën. Het komt naar voren in de medische en gezondheidszorgsector, opto-elektronica, micro-elektronica, en informatie-industrieën, evenals optische instrumenten, glas producten, handwerk, en sieradenindustrieën.
Toepassing in de grafische industrie
Bij de Drupa 2008 Internationale drukbeurs gehouden in Düsseldorf, Duitsland, in mei 2008, drie Japanse bedrijven lanceerden UV-LED-printsystemen, met behulp van de UV-LED ontwikkeld door Toyo Ink. De live demonstratie van de inkt heeft de deur geopend voor de toepassing ervan. Op dit moment, het is toegepast in offsetdruk, flexodruk, zeefdruk, inkjet printen, en andere afdrukvelden. U kunt het gebruik ervan ook vinden in het blootstellingsproces van soldeermaskers bij de productie van printplaten (PCB's).
Toepassing bij optische rapid prototyping
Op dit moment, Er zijn twee categorieën ultraviolette lichtbronnen die worden gebruikt bij fotohardende rapid prototyping-apparatuur. Eén daarvan is de hoogwaardige apparatuur voor rapid prototyping, meestal met behulp van ultraviolette lasers. De andere is low-end rapid prototyping-apparatuur die gebruik maakt van ultraviolette lampen.
Lasers hebben de voordelen van een hoge helderheid, grote directiviteit, monochromaticiteit, en samenhang, waardoor ze een ideale lichtbron zijn voor materiaalverwerking. De gebruikelijke ultraviolette laserbronnen in apparatuur voor snelle prototyping omvatten heliumcadmium (Hij-Cd) laser (325 nm), argon-ion (Ar+) laser (351-364 nm), N2-laser (337 nm), diodegepompte Nd:YOV4 dubbele laser met drie frequenties (355 nm), enz. Echter, de prijs en onderhoudskosten van het lasersysteem (inclusief de laser, koeler, voeding, en extern optisch pad) zijn duur. Dit resulteert in hoge productie- en gebruikskosten voor apparatuur voor snelle prototyping. Het beperkt de bevordering van UV-uithardende rapid prototyping-technologie tot op zekere hoogte. Anderzijds, UV-lampen bezetten de low-end markt van UV-uithardende rapid prototyping-apparatuur met hun prijsvoordeel. Hoewel de kosten van UV-lampen laag zijn, hun levensduur is kort, en de straalkwaliteit is slecht. Daarnaast, er is enige vervuiling in het milieu.
Tegenwoordig, de UV-LED-materiaalgroeitechnologie en het voorbereidingsproces blijven zich ontwikkelen. De lichtefficiëntie van commerciële UV-LED is bijna elke tien jaar met een orde van grootte toegenomen. De succesvolle ontwikkeling van krachtige UV-LED heeft de toepassing ervan bevorderd. Vergeleken met traditionele lichtbronnen zoals lasers en kwiklampen, UV-LED's hebben veel voordelen. Deze inherente kenmerken bepalen de hoge kosten-prestatieverhouding, en de lichtuithardende rapid prototyping-industrie maakt er volledig gebruik van.
Het nieuwe lichtuithardende vormsysteem (LED-SLA) ontwikkeld door Xi’an Jiaotong University maakt gebruik van krachtige UV-LED als lichtbron. Het ultraviolette licht wordt via de focusseerspiegel geconvergeerd op het vloeibare oppervlak van de lichtgevoelige hars. De mechanische x-y-tafel drijft de focusseerspiegel aan om op het vloeibare harsoppervlak te scannen om het uit te harden (zie figuur 4). Door vergelijkende experimenten met het energieverbruik van drie uithardingslichtbronnen, UV-LED, laser, en hogedrukkwiklamp, we kunnen ontdekken dat het lichtuithardende energieverbruik van UV-LED slechts is 0.86% die van laser en 0.1% die van een kwiklamp. Het bewijst dat LED-SLA uitstekende energiebesparende voordelen heeft. Echter, SLA maakt gebruik van de puntscanmethode, die een langzame uithardingssnelheid en een laag rendement heeft.
Nu passen experts nieuwe methoden toe, zoals LCD-beeldtechnologie en digitale beeldtechnologie (DLP). Deze helpen de dwarsdoorsnedeafbeeldingen te veranderen in een dynamisch masker. Vervolgens leggen ze de hele laag lichtgevoelige hars bloot en harden ze uit. De beeldgenerator transformeert de oorspronkelijke puntscannende lichtuithardende vorming naar oppervlaktebelichting met lichtuithardende vorming, en één belichting hardt een hele laag uit. Dit versnelt de vormingsprocedure aanzienlijk. De oppervlaktevormende SLA-methode heeft niet alleen een hoge vormingssnelheid, maar verkort ook de uithardingstijd. De efficiëntie neemt toe, toch zijn de bedrijfskosten lager.
Bovendien, de lichtbron transformeert van een bovengemonteerd type naar een ondergemonteerd type. Het maakt de apparatuur compacter en handiger in gebruik. In het bijzonder, de hoeveelheid lichtgevoelige hars in het uithardingsbad wordt aanzienlijk verminderd. Het vervaardigde modelonderdeel zal niet opzwellen en de nauwkeurigheid beïnvloeden wanneer het gedurende lange tijd in de harsvloeistof wordt gedrenkt.
Figuur 4: Schematisch diagram van het LED-SLA-systeemprincipe
① Computer ② Programmeerbare voeding ③ X-Y-werkbank ④ LED-lichtbron
⑤ Focuslens ⑥ Component ⑦ Harsniveau
Toepassing in de coatingindustrie
De verfindustrie is ook een gebied waar UV-LED zijn intrede doet. Op dit moment, het is toegepast op papierbeglazing en houtcoating. Shenzhen Youwei Chemische Technologie Co., Ltd. nam het voortouw bij de ontwikkeling van watergebaseerde UV-LED-coatings voor houtdecoratie. Het is niet alleen nuttig bij het coaten van meubels, houten deuren, kasten, enz., maar ook op het gebied van high-end zoals interieurdecoratie, containers, metro's, en hogesnelheidstreinen.
Toepassing in de nail art-industrie
Met de verbetering van de levensstandaard, Het dragen van spijkerpantsers is een mode geworden voor vrouwen om schoonheid na te streven en van het leven te genieten. De nieuwe technologie van “fototherapie manicure” is het aanbrengen van UV-nagellak en het uitharden onder ultraviolet licht om een beschermende coating te vormen. De traditionele “fototherapie manicure” maakt gebruik van conventionele kwikbooglampbestraling om UV-nagellak uit te harden. De operatietijd is lang, meestal meer dan 6 notulen, en de kwikbooglamp straalt licht uit met duidelijke infraroodwarmte. Er is een duidelijk branderig gevoel tijdens manicures, en het kan ook het nagelbed beschadigen. Nu gebruiken mensen UV-LED-lichtbronuitharding om veiliger te zijn, tijdbesparend, en handige UV-LED “fototherapie nagels” .
Samenvatting en vooruitzichten
De snelle ontwikkeling van de productie van UV-LED's en de voordelen ervan hebben grote aandacht getrokken van mensen die zich bezighouden met de lichtuithardingsindustrie. Iedereen heeft deze technologie zeer hoog gewaardeerd. Met de voortdurende promotie en toepassing van UV-LED-technologie, het zal de overhand krijgen in de lichtuithardingsindustrie. Naarmate de lichtkracht van UV-LED toeneemt en de kosten dalen, experts ontwikkelen voortdurend nieuwe foto-initiatoren die daarvoor geschikt zijn. De toepassing ervan zal in de toekomst uitgebreider zijn. Een UV-LED-lichtuithardingssysteem zal geleidelijk de kwikbooglampen vervangen bij de fotouitharding van verschillende UV-coatings, UV-inkten, en UV-lijmen. Het heeft geweldige marktvooruitzichten en zal een van de meest invloedrijke halfgeleiderproducten worden.
