УФ-светодиод (Ультрафиолетовый светоизлучающий диод) это новый источник ультрафиолетового света, излучающий свет полупроводников.. Он может напрямую преобразовывать электрическую энергию в энергию света и излучения.. По сравнению с традиционными источниками УФ-излучения, такими как ртутные дуговые лампы и микроволновые безэлектродные лампы, УФ-светодиоды имеют много преимуществ. Это новое поколение источников УФ-излучения широко используется в области УФ-клеев., УФ-чернила, УФ-покрытия, и 3D-печать. Это сыграло роль в продвижении энергосбережения., защита окружающей среды, и сокращение загрязнения. Применение УФ-светодиодов знаменует собой революцию в индустрии светоотверждения..
Об УФ-светодиодах
Принцип светодиодного освещения
В состав материалов для изготовления светодиодов входят соединения элементов III-IV групп., такие как GaAs (арсенид галлия), Зазор (фосфид галлия), GaAsP (арсенид галлия, фосфид), и другие полупроводники. Основная часть-это чип, который состоит из полупроводника P-типа, в котором преобладают дырки, и полупроводника N-типа, в котором преобладают электроны.. Между двумя частями имеется переходный слой., который называется PN-переходом (Фигура 1).
Фигура 1: Принципиальная схема структуры светодиода
Чтобы излучать свет, электроны инжектируются из области N в область P под действием прямого напряжения. Когда электроны и дырки рекомбинируют в P-области, они выделяют избыточную энергию в виде фотонов, а затем загорается светодиод. Длина волны и цвет света связаны с материалами, образующими PN-переход.. Разные полупроводниковые материалы излучают свет разного цвета..
С 1960-х годов, красный светодиод (650 нм) был впервые разработан с использованием фосфида галлия и мышьяка GaAsP.. Тогда люди использовали такие элементы, как индий (В) и азот (Н) в полупроводниковых материалах для создания зеленого света (555 нм), желтый свет (590 нм), и оранжевый свет (610 нм) светодиоды. Когда разработали нитрид галлия-индия (GaInN) успешно, у них есть светодиод синего света. Они смешали синий, красный, и зеленый свет для производства светодиодов белого света, и создал светодиод RGB, который охватывает весь спектр видимого света.. В последние годы, Исследователи успешно разработали коротковолновые полупроводниковые материалы для источника ультрафиолетового светодиодного света. (405, 395, 385, 375, 365 нм, и т. д.). К этим материалам относится нитрид алюминия. (АлН), нитрид галлия (ГаН), нитрид индия-галлия (ИнГаН), нитрид алюминия-галлия (АлГаН), и нитрид алюминия, индия, галлия (АлИнГаН).
В настоящий момент, УФ светодиоды 395, 385, 375, и 365 nm – это основные лампы для светоотверждения на рынке.. С развитием технологии производства светодиодных полупроводников, изобретатели разрабатывают светодиоды глубокого ультрафиолета с длиной волны менее 350 нм или между 250-280 нм.
Сравнение характеристик УФ-светодиодов и ртутных дуговых ламп
Спектр УФ-светодиодов отличается от непрерывного спектра традиционных ртутных дуговых ламп.. Его спектральное распределение концентрируется в узкой полосе около 10-40 полоса пропускания нм, и не излучает UVB (280-315 нм) или УФС (200-280 нм) (см. рисунок 2 и рисунок 3).
Фигура 2: Спектр излучения ртутной дуговой лампы
Фигура 3: Спектр излучения УФ-светодиода
В качестве полупроводникового источника света, УФ-светодиоды имеют множество преимуществ перед традиционными ртутными дуговыми лампами., микроволновые безэлектродные лампы, и другие источники света. Первый, у него долгий срок службы, высокая эффективность, и хорошая безопасность. Второй, требуется низкое напряжение и низкие эксплуатационные расходы. Третий, он выделяет мало тепла, нет ртути, и никакого озона. Поэтому, это энергосберегающий и экологически чистый источник ультрафиолетового света.. Это соответствует зеленой экономической политике по сокращению загрязнения и потребления..
Общая энергоэффективность системы УФ-светодиодов имеет беспрецедентное преимущество по сравнению с другими источниками света.. Это 4-5 раз больше, чем у среднего- и высокий- ртутные лампы давления и могут соответствовать требованиям приложений высокой мощности.
Особенности УФ-светодиодов
Преимущества УФ-светодиодов
(1) Длительный срок службы, концентрированная выработка энергии, и высокая эффективность преобразования энергии
Общий 395 нм и 385 нм УФ-светодиодные лампы могут иметь срок службы более 20,000 часы. The 365 нм УФ-светодиодная лампа также может иметь срок службы более 10,000 часы. В отличие, Срок службы ртутных дуговых ламп составляет всего 800-1000 часы, а у микроволновых безэлектродных ламп 8000 часы. Пик основной волны УФ-светодиодной лампы узкий и одиночный.. Больше, чем 90% светоотдача концентрируется в диапазоне 10 нм вблизи пика основной волны. Поэтому его эффективность преобразования энергии высока.
(2) Низкая рабочая температура, нет инфракрасного теплового излучения, и особенно подходит для отверждения термочувствительных материалов
Температура корпуса лампы ниже 100 ℃, а площадь поверхности лампы составляет около 60 ℃. Во время работы, температура рабочей поверхности повышается лишь примерно на 5 ℃. Он не имеет инфракрасного теплового излучения., поэтому это не вызовет термического напряжения и термической деформации заготовки.. Особенно подходит для отверждения термочувствительных материалов.. Однако, температура поверхности ртутной дуговой лампы может достигать 600 ℃, а рабочая поверхность может достигать около 80 ℃. Не подходит для обработки термочувствительных материалов..
(3) Мгновенное излучение света
Время отклика УФ-светодиода находится на уровне микросекунд.. не нужно его разогревать. Количество открываний и закрываний не влияет на срок службы и не требует установки ставней.. После включения ртутной дуговой лампы, занимает 3-5 минут для достижения полной спектральной мощности. Если вы выключите лампу, вы не можете использовать его снова немедленно и должны подождать 5 к 10 минут, чтобы он остыл. Количество раз, когда он открывается и закрывается, влияет на срок его службы..
(4) Низкое напряжение, регулируемая выходная мощность
UV-LED — это твердотельное светоизлучающее устройство, работающее от постоянного тока низкого напряжения., которым легче управлять, чем ртутным газовым фонарем. По силе света превосходит ртутные лампы., единообразие, и стабильность. Связь между выходной мощностью УФ-светодиодов и током управления стабильна.. Вы можете точно настроить выходную мощность УФ-излучения, изменяя ток.. Регулировка может корректировать 1% или меньше. Ртутные дуговые лампы требуют высокого напряжения и выпрямителей., и вы не можете регулировать выходную мощность.
(5) Отсутствие ртутного загрязнения и отсутствие образования озона
Ртуть используется в производстве ртутных дуговых ламп., а трубки ламп необходимо перерабатывать после того, как они выйдут из строя.. Он подвержен ртутному загрязнению.. С 2013, запрет на ртуть достиг консенсуса в более чем 140 страны и регионы по всему миру. Они подписали Минаматскую конвенцию по ограничению использования и выбросов ртути в различных отраслях промышленности.. Его цель — свести к минимуму угрозу ртути для человеческого организма и глобальной окружающей среды.. УФ-светодиод не использует ртуть, поэтому преимущество защиты окружающей среды очень существенно. В то же время, он не генерирует озон. Поэтому, необходимо обязательно заменить традиционный источник ультрафиолетового света ртутной дуговой лампы на источник света УФ-светодиодов..
(6) Компактный и универсальный
Объем УФ-светодиода составляет всего 0.1 см3, и имеет гибкую настройку. В качестве машины для отверждения точечным источником света., он работает при низком напряжении постоянного тока. Ультрафиолетовый свет излучается с помощью группы линз, оптимизированной для УФ-диапазона.. Он организован в единое круглое пятно., чей размер 3-20 мм. При использовании прямоугольной головки облучения, он может образовывать прямоугольную область облучения. При использовании линейного лучевого облучения, он может формировать тонкий линейный луч с более широкой зоной облучения. Вы также можете наклонить излучающую головку на 45° или заставить свет излучаться сбоку от нее.. Таким образом, УФ-светодиод значительно экономит место и позволяет пользователям свободно его менять.. Подходит для узких помещений.
УФ-светодиодные машины для отверждения
После перестановки и комбинации, УФ-светодиоды становятся линейными и поверхностными источниками света для сушильных машин. Длина линейной машины для отверждения источника света составляет 20-2000 мм. Что касается машин для отверждения поверхностным источником света, вы можете настроить форму и размер в зависимости от светоизлучающей области. Равномерность излучения поверхностного источника света превосходна.. Изменение интенсивности облучения между краем и центром может достигать 3%. Источники света UV-LED могут загораться мгновенно., достижение 100% мощность ультрафиолетового излучения немедленно. Его открытия и закрытия не повлияют на срок службы.. Высокая энергия, стабильный световой поток, и хороший равномерный эффект облучения повысил эффективность производства.. Благодаря этим преимуществам он превосходит ртутные дуговые лампы..
В настоящий момент, Есть два способа увеличить интенсивность излучения УФ-светодиодных источников света для отверждения.. Первый — добавить линзу с собирающим эффектом перед однотрубным УФ-светодиодом.. Во-вторых, увеличить его количество.. Конструкция системы космической антенны направлена на реализацию направленного управления и пространственного накопления энергии многолампового УФ-светодиодного излучения.. Таким образом, излучение источника света может обеспечить УФ-отверждение точек, линии, и поверхности в различных применениях.
UV-LED впервые появился в виде точечного источника света.. Позже, комбинацией пространственного массива, появились линейный источник света на основе УФ-светодиодов и поверхностный источник света.. Затем люди начали использовать источники УФ-светодиодов в различных светоотверждаемых продуктах.. Кроме того, расположение различных массивов УФ-светодиодов в одном модуле используется для достижения выходной мощности на разных длинах волн.. Он может удовлетворить потребности различных типов фотоинициаторов в УФ-препаратах.. Один модуль может содержать пять УФ-светодиодов различной длины волны. (365, 375, 385, 395, и 405 нм) для формирования новой области длины волны источника света. Таким образом, это может быть полезно для различных продуктов с УФ-формой..
Проблемы с УФ-светодиодом
(1) Высокая стоимость: В настоящий момент, цена точечных УФ-светодиодных источников света равна или даже немного ниже, чем у ртутных ламп. Но для поверхностных источников света используется большое количество комбинаций матриц УФ-светодиодов., стоимость остается высокой. Это ограничивает продвижение и применение светодиодных источников поверхностного света.. Причиной высокой цены на УФ-светодиоды является не только высокая себестоимость производства, но и результат технологической монополии производителей.. Благодаря патентной защите, цена остается высокой. Однако, с развитием технологии производства полупроводников и отечественной технологии упаковки УФ-светодиодов, цена на УФ-светодиоды будет постепенно снижаться. Это, несомненно, приведет к его широкому применению..
(2) Длина волны УФ-светодиодов одинарная, что не полностью соответствует существующим фотоинициаторам. В настоящий момент, Обычно используемые источники света УФ-светодиодов: 405, 395, 385, 375, и 365 нм длиннополосный ультрафиолетовый свет. Поскольку ультрафиолетовый свет, излучаемый УФ-светодиодами, имеет узкий пик., больше, чем 90% световой поток концентрируется вблизи главного пика. Почти вся энергия находится в диапазоне UVA., вызывая недостаток полос UVC и UVB. Он не соответствует спектру поглощения обычно используемых фотоинициаторов.. Это серьезно влияет на эффективность инициирования фотоинициаторов.. Хотя эффект глубокого отверждения УФ-светодиодов превосходен, эффект высыхания поверхности плохой.
(3) Мощность одного УФ-светодиода все еще недостаточно велика.. Способность преодолевать кислородное ингибирование низкая., что влияет на отверждение поверхности. Это большая проблема при практическом применении УФ-светодиодных источников света..
(4) Плохое рассеивание тепла УФ-светодиодами ускорит скорость затухания света., и это необратимо, что влияет на срок службы. Поэтому, нам нужно обратить внимание на рассеивание тепла. Обычно, для охлаждения используется водяное или воздушное охлаждение.. В то же время, УФ-светодиоды требуют температуры окружающей среды, которая должна быть ниже 35 °С, и температура перехода, которая не может быть выше 120 °С. В промышленном использовании, иногда машина для отверждения УФ-светодиодом не может работать из-за слишком высокой температуры окружающей среды..
(5) УФ-светодиоды использовались в области фотоотверждения лишь около 10 годы. Подходящие для этого фотоинициаторы все еще постепенно разрабатываются.. В то же время, есть только несколько УФ-чернил, УФ-покрытия, и УФ-клеи, совместимые с характеристиками УФ-светодиодов.. Разработка этих материалов крайне необходима..
Применение УФ-светодиодов
Люди впервые использовали УФ-светодиоды для отверждения УФ-клеев.. Благодаря своему небольшому размеру, отличная производительность, и удобство использования, машина для отверждения точечным источником света с УФ-светодиодом подходит для многих отраслей промышленности. Он появляется в медицине и здравоохранении., оптоэлектроника, микроэлектроника, и информационная индустрия, а также оптические приборы, стеклянные изделия, ремесла, и ювелирная промышленность.
Применение в полиграфической промышленности
В Друпе 2008 Международная выставка полиграфии в Дюссельдорфе., Германия, в мае 2008, три японские компании запустили системы УФ-светодиодной печати, с использованием УФ-светодиода, разработанного Toyo Ink.. Живая демонстрация чернил открыла двери для их применения.. В настоящий момент, он применялся в офсетной печати, флексографская печать, трафаретная печать, струйная печать, и другие области печати. Вы также можете найти его применение в процессе воздействия паяльной маски при производстве печатных плат. (печатные платы).
Применение в оптическом быстром прототипировании
В настоящий момент, Существует две категории источников ультрафиолетового света, используемых в фотоотверждаемом оборудовании для быстрого прототипирования.. Одним из них является высококачественное оборудование для быстрого прототипирования., в основном с использованием ультрафиолетовых лазеров. Другой — недорогое оборудование для быстрого прототипирования с использованием ультрафиолетовых ламп..
Лазеры имеют преимущества высокой яркости, отличная направленность, монохромность, и последовательность, что делает их идеальным источником света для обработки материалов.. Обычные источники ультрафиолетового лазера в оборудовании для быстрого прототипирования включают гелий, кадмий. (He-Cd) лазер (325 нм), ион аргона (Ар+) лазер (351-364 нм), N2 лазер (337 нм), Nd с диодной накачкой:Трехчастотный сдвоенный лазер YOV4 (355 нм), и т. д.. Однако, цена и затраты на обслуживание лазерной системы (включая лазер, круче, источник питания, и внешний оптический путь) дорогие. Это приводит к высоким затратам на производство и использование оборудования для быстрого прототипирования.. Это в определенной степени ограничивает продвижение технологии быстрого прототипирования с УФ-отверждением.. С другой стороны, УФ-лампы занимают бюджетный рынок оборудования для быстрого прототипирования с УФ-отверждением благодаря своему ценовому преимуществу.. Хотя стоимость УФ-ламп невысока, срок службы у них короткий, и качество луча плохое. Кроме, в окружающей среде есть некоторое загрязнение.
Настоящее время, Технология выращивания материалов с использованием УФ-светодиодов и процесс подготовки продолжают развиваться.. Световая отдача коммерческих УФ-светодиодов увеличивается на порядок почти каждые десять лет.. Успешная разработка мощных УФ-светодиодов способствовала их применению.. По сравнению с традиционными источниками света, такими как лазеры и ртутные лампы., УФ-светодиоды имеют много преимуществ. Эти присущие характеристики определяют его высокое соотношение цены и качества., и индустрия быстрого прототипирования светоотверждаемых материалов в полной мере использует их..
Новая светоотверждаемая формовочная система (LED-SLA) Разработанный Сианьским университетом Цзяотун, в качестве источника света используется мощный УФ-светодиод.. Ультрафиолетовый свет попадает на жидкую поверхность светочувствительной смолы через фокусирующее зеркало.. Механический стол x-y приводит в движение фокусирующее зеркало, которое сканирует поверхность жидкой смолы и отверждает ее. (см. рисунок 4). Путем сравнительных экспериментов по энергопотреблению трех источников света для отверждения, УФ-светодиод, лазер, и ртутная лампа высокого давления, мы можем обнаружить, что потребление энергии при фотоотверждении УФ-светодиодов составляет всего 0.86% что лазера и 0.1% это ртутная лампа. Это доказывает, что LED-SLA обладает выдающимися преимуществами в области энергосбережения.. Однако, SLA использует метод точечного сканирования, который имеет медленную скорость отверждения и низкую эффективность.
Теперь эксперты применяют новые методы, такие как технология ЖК-изображения и технология цифрового изображения. (DLP). Это помогает превратить графику поперечного сечения в динамическую маску.. Затем обнажают и отверждают весь слой светочувствительной смолы.. Генератор изображений преобразует исходную светоотверждаемую формовку с точечным сканированием в светоотверждаемую формовку с поверхностным воздействием., и одно воздействие отверждает целый слой. Это значительно ускоряет процедуру формования.. Метод SLA с формованием поверхности не только обеспечивает высокую скорость формования, но и сокращает время отверждения.. Эффективность увеличивается, но эксплуатационные расходы ниже.
Более того, источник света трансформируется из верхнего типа в нижний. Это делает оборудование более компактным и удобным в использовании.. В частности, количество светочувствительной смолы в ванне отверждения значительно снижается. Изготовленная деталь модели не разбухает и не влияет на точность при длительном замачивании в жидкой смоле..
Фигура 4: Принципиальная схема принципа работы системы LED-SLA
① Компьютер ② Программируемый источник питания ③ X-Y рабочий стол ④ Светодиодный источник света
⑤ Фокусирующая линза ⑥ Компонент ⑦ Уровень смолы
Применение в лакокрасочной промышленности
Лакокрасочная промышленность также является областью применения УФ-светодиодов.. В настоящий момент, наносится на бумажное остекление и покрытие древесины. Шэньчжэнь Youwei Chemical Technology Co., ООО. взял на себя инициативу в разработке УФ-светодиодных покрытий на водной основе для отделки древесины. Это полезно не только при покрытии мебели., деревянные двери, шкафы, и т. д., но и в таких высокотехнологичных областях, как внутренняя отделка, контейнеры, метро, и высокоскоростные железнодорожные вагоны.
Применение в нейл-арт индустрии.
С улучшением уровня жизни, ношение гвоздевых доспехов стало модой для женщин, желающих стремиться к красоте и наслаждаться жизнью.. Новая технология “фототерапевтический маникюр” заключается в нанесении УФ-лака на ногти и его полимеризации под ультрафиолетом для образования защитного покрытия.. Традиционный “фототерапевтический маникюр” использует обычное облучение ртутной дуговой лампой для сушки лака для ногтей УФ-излучением.. Время работы длительное, обычно больше, чем 6 минуты, а ртутная дуговая лампа излучает свет с явным инфракрасным нагревом.. Во время маникюра ощущается явное жжение., и это также может повредить ногтевое ложе. Теперь люди используют отверждение с использованием УФ-светодиодов, чтобы обеспечить более безопасную обработку., экономия времени, и удобный УФ-светодиод “фототерапия ногтей” .
Резюме и перспективы
Быстрое развитие производства УФ-светодиодов и его преимущества привлекли большое внимание людей, работающих в индустрии светоотверждения.. Все дали очень высокую оценку этой технологии.. Благодаря постоянному продвижению и применению технологии УФ-светодиодов, он станет преобладающим в индустрии светоотверждения. Поскольку световая мощность УФ-светодиодов увеличивается, а стоимость снижается., специалисты постоянно разрабатывают новые подходящие для этого фотоинициаторы. В будущем его применение будет более широким.. Система УФ-светоотверждения постепенно заменит ртутные дуговые лампы при фотоотверждении различных УФ-покрытий., УФ-чернила, и УФ-клеи. Он имеет большие рыночные перспективы и станет одним из самых влиятельных полупроводниковых продуктов..
