Í ljósi sýnilegra ljósdíóða eru útfjólubláar ljósdíóar hljóðlátur markaður á aðeins $ 30 milljónir, en nýleg bylting í geislunarafli og styrkleiki hefur gert kleift að færa kvikasilfursgufalampa í forritum, þar með talin UV-ráðhús og fölsun, segir LAURA PETERS.
+ + + +
Þessi grein var birt í tölublaði LEDs tímaritsins í febrúar 2012.
Skoðaðu efnisyfirlitið og hlaðið niður PDF skjalinu í heild sinni í febrúar 2012.
+ + + + +
Fyrir neðan sýnilegt litróf liggur bylgjulengd sem kallast útfjólublá (UV). Allt frá 100 til 400 nm, getur geislunin á áhrifaríkan hátt verið notuð til að sótthreinsa snyrtivörur, framkvæma réttargreiningu, lækna efni (mynd 1) og sótthreinsa vatn, meðal margra annarra forrita. Í dag, eins og raunin er með LED í sýnilegu litrófi, eru UV-LED aðeins að byrja að koma í stað staðfestra UV-uppspretta á sömuleiðis fjölbreyttum mörkuðum.
. MYND 1 Firefly loftkælt UV-LED ráðhúsarkerfi (heimild: Phoseon Technology) ..
MYND 1.
"Í samanburði við margra milljarða LED lýsingariðnaðinn er UV-LED markaðurinn umferðarvilla í kringum 30 milljónir Bandaríkjadala, en hún vex hratt," sagði Mike Lim, forstöðumaður alþjóðlegra iðnaðar- og nýrra viðskipta fyrir Luminus Devices, með aðsetur í Billerica. , MA.
Langt, UV-ráðhúsarmarkaðurinn nýtur mestrar aukningar í UV-LED samþykkt vegna tiltölulega nýlegs byltingar í flæðiþéttleika UV-LED flís umfram 4W / cm2 merkið við mismunandi bylgjulengdir sem þarf til að koma UV-LED ráðhúsi í framleiðslu aðstöðu. „Í fyrsta skipti hafa ljósdíóður náð aflþéttleika sem gerir útfjólubláa ljósdíóða samkeppnishæfa við núverandi heimildir,“ sagði Uwe Thomas, framkvæmdastjóri útblásturshluta með LED Engin, sem veitir útfjólubláar og sýnilegar ljósdíóða með aðsetur í Santa Clara, CA.
UV-A, B og C
Lækning felur í sér krossfjölliðun ljósnæms efnis, sem getur verið blek (prentun), lím eða húðun, og er aðallega framkvæmd við 395 nm, 385 nm eða 365 nm, bylgjulengdir sem eru hluti af UV-A litrófinu (315 -400 nm). Annað mikilvægt UV-A forrit er skoðunarkerfi byggt á vélasýn. UV-LED vasaljós á þessu sviði eru notuð til að greina sviksamlega auðkenningu og gjaldeyri og bjóða upp á ávinninginn af notkun í vel upplýstu umhverfi, sem er erfitt að nota kvikasilfursgufulampa.
Í UV-B litrófinu (280-315 nm) fela umsóknir í útfjólubláum LED í sér ráðhús, læknisfræðilega ljósameðferð, réttargeðgreiningu og uppgötvun lyfja. Það hefur verið áætlað af markaðsrannsóknarfyrirtækinu Yole Développement (Lyon, Frakklandi) að 90% af UV LED forritum í dag séu byggðar á UV-A og UV-B svæðum (mynd 4). Yole hefur lýst því yfir að það búist við að markaður fyrir UV-ljósdíóða vaxi um 30% árlega úr $ 25 milljónum árið 2010 í meira en $ 100 milljónir árið 2016. Mynd 5 sýnir enn bjartsýnni spá frá Þróunarsamtökum iðnaðarins, Alþjóða ljósfræðiráðinu og evrópska samtakinu um ljóseindir.
MYND 2 Multi-deyja UV emitter í keramik umbúðum (uppspretta: LED Engin) ...
MYND 2.
Utan þessara forrita er vitað að UV-B geislun hefur jákvæða heilsufarslega eiginleika þar á meðal náttúrulega myndun D-vítamíns hjá mönnum sem verða fyrir sólarljósi. UV-B flýtir einnig fyrir framleiðslu fjölfenóla í ákveðnu laufgrænmeti eins og rauðu káli. Talið er að pólýfenól hafi andoxunarefni. „Almennt eru þessar plöntur ræktaðar í gróðurhúsum í dag, sem sía vísvitandi UV hluta litrófsins til að hámarka vöxt plantna. Athyglisvert er að við höfum vísbendingar um að þegar þessar plöntur verða fyrir UV-B LED skömmu fyrir uppskeru er pólýfenólinnihald þeirra aukið án þess að skerða plöntumassa, “útskýrði Cary Eskow, alþjóðlegur forstöðumaður háþróaðra ljósa og lýsingar fyrir Avnet Electronics Marketing í Phoenix , AZ, sem dreifir UV-ljósdíóðum. Hann hélt áfram “Þetta er ný aðferð til að auka aðdráttarafl sumra matvæla án þess að nota efni. Pólýfenól hefur einnig hlotið athygli vegna meintra krabbameinsvaldandi, krabbameinsvaldandi og andoxunarvaldandi eiginleika. „
Á neðra UV-C litrófssviðinu (100-280 nm) eru aðal LED forritin ófrjósemisaðgerð á lofti og vatni og fjöldi greiningartækja, þ.mt þau sem framkvæma litrófs- og flúrljómunarmælingar. Efna- og líffræðilegir skynjarar virka einnig á þessu litrófssviði.
UV á 250-275 nm sviðinu sótthreinsar vatn, loft og yfirborð með því að brjóta upp DNA og RNA örvera og koma í veg fyrir æxlun þeirra. Nánar tiltekið er talið að 275 nm sé áhrifaríkasta bylgjulengd til að uppræta sýkla eins og E-coli í vatni. Reyndar hafa verkfræðingar hjá Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), með aðsetur í Columbia, SC, ákveðið að 275 nm sé ákjósanlegasta bylgjulengd fyrir sótthreinsun vatns. SETi hefur sýnt fram á sótthreinsun á drykkjarvatni í línulegu gegnumstreymiskerfi sem notar minna en 40 mW af UV-afli.
Valkostir við kvikasilfursboga lampa
Í ráðhúsaraðgerðum við framleiðslu eru kvikasilfur-gufu lampar hamlaðir með stuttum líftíma (2000-10.000 klst.), Hægum upphitunartíma og kælingartíma og mikilli dreifingu litrófskrafts. „Að auki er yfir 60% af orkunni sem er borin á dæmigerðan kvikasilfursgufulampa geislað aftur út sem innrauð orka, með öðrum orðum, hiti,“ sagði Eskow. Hann bætti við að útfjólublái framleiðsla kvikasilfursgufulampa falli hratt niður á líftíma þess vegna þess að hluti rafskautaefnisins gufar upp og leggur filmu að innan kvarsrörsins sem útfjólublái UV kemst ekki í gegn þar af leiðandi getur notandinn ekki auðveldlega spáð fyrir um magn UV sem myndast á síðari tíma ;. oft er þetta afgerandi ferli breytu.
MYND 3. UV-C LED fyrir sýklaeyðandi forrit, frá Crystal IS, Inc. Fyrirtækið var nýlega keypt af Asahi Kasel, sem er í Japan.
MYND 3.
Kvikasilfurslampinn hefur aðaltopp við 365 nm en nokkrir minni toppar á sýnilegu og innrauðu svæðinu (mynd 7). Galli við þessa utanaðkomandi tinda er myndun hita við prentun og aðrar ráðhúsaðgerðir. „Með plasti og öðrum hitanæmum efnum hafa verið raunverulegar áskoranir við prentun vegna þess að miðillinn brenglast frá hitanum á kvikasilfurslampanum,“ útskýrði Steve Metcalf, forstjóri og forseti Air Motion Systems (AMS), framleiðandi ráðhús kerfi með aðsetur í River Falls, WI. Hann gaf dæmi sem innihalda gjafakort úr plasti eða kreditkortum, sem nota litógrafíska prentun.
Metcalf bætti við að margir sem ekki hefðu íhugað UV-ráðhús vegna flókins staðlaðra ráðhúsunarferla - háspennu, hita kvikasilfurspera og umhverfismála - muni nú íhuga UV-LED ráðhús vegna þess að það hnekkir hefðbundnum vandræðum í gamla ferlinu. .
UV ljósdíóður hafa slíkan ávinning í för með sér að vita nákvæmlega hvaða styrkleiki er skilað til ráðhúsmiðilsins, auk annarra kosta sem ljósdíóður eru þekktar fyrir, svo sem getu til að púlsbreiddastilla framleiðsluna, sagði Eskow.
Umskiptin í UV-LED opnuðu einnig dyrnar fyrir umhverfisvænni ráðhúsamyndun. Með næstu kynslóð af vörum sem blek, húðun og lím fyrirtæki voru að þróa, notuðu þeir tækifærið til að afnema rokgjörn lífræn efnasambönd (VOC) sem tengjast leysiefnablandnum úr fyrri efnafræði.
Lækning hagræðingu
Fyrir UV-tæki með lengri bylgjulengd, á svipaðan hátt og blár LED-tilbúningur, eru InGaN-undirlag sem eru byggð á safír undirlagi til að framleiða 385, 395 og 405 nm UV-ljósdíóða til ráðhús. Einn lykill kostur við hærri bylgjulengdartæki er að hægt er að keyra þau með meiri krafti. „395 nm er í raun sætur blettur fyrir UV LED ráðhús, vegna þess að við 405 nm er samsetningin viðkvæm fyrir umhverfisljósi, þannig að þú vilt vera rétt undir 400 meðan þú getur knúið ljósdíóðurnar með miklum krafti,“ sagði Lim. Allar helstu veitendur ráðhúsformúla (ljósvökva og plastefni) hafa nýlega komið með hærri bylgjulengd blek og húðun á markað til að uppfylla þessa þörf.
MYND 4. Flest forrit eru í UV-A og UV-B hlutum litrófsins.
MYND 4.
Auk þess að framleiða meiri kraft, eru hærri bylgjulengd UV LED með meiri virkni í veggstinga. Til dæmis, við 365 nm er framleiðsla máttur UV LED aðeins 5-8% af inntakinu. Við 385 nm batnar þessi skilvirkni en aðeins í ~ 15% og gerir hærri bylgjulengd flís betri kost.
Ráðstöfunarferli krefjast stórra, aflmikilla ljósdíóða (margra deyja / flís) raðað í þétt fylki í flís um borð stillingar, nálægt emitter glugganum með annað hvort loftkældu eða vatnskældu innri kerfi til að fjarlægja hita frá bakhlið stjórnar. "Það skiptir ekki máli hver útfjólublái styrkurinn er við frákastagluggann, það sem skiptir máli er styrkleiki á yfirborði fjölmiðla," sagði Metcalf. Miðað við búnaðinn og ráðhúsforritið geta fjölmiðlar verið 1 til 100 mm frá sendirglugganum, sem AMS hefur framleitt sérstaka ljósfræði fyrir. Að auki er málmkælt PCB notað til að sökkva hitanum frá fylki LED.
Loftkæling er einnig notuð. Til dæmis er ráðhúsakerfið sem sýnt er á mynd 1, sem hefur 150 x 20 mm frásagnarglugga og þéttleika 4W / cm², hægt að nota til blettahærðar blek, húðun eða lím. Í dag er UV-LED ráðhús búnaður oft sérstaklega hannaður til að passa við forritið. Metcalf lýsir stórum flatborðs borðaprenturum þannig að þeir geti notað LED af minni krafti, en stafræn, offset og flexografísk tækni með meiri hraða krefst nátengdra banka af mikilli flæði-þéttleika LED. Jafnvel þó geislunin sést ekki eru ljósleiðarar notaðir til að skila geisluninni með jafnt aflstig yfir markmiðilinn. Rafræn bleksprautuhylki var fyrsti hlutinn til að taka upp UV-ljósdíóða vegna nauðsynlegrar nálægðar fjarlægðar við fjölmiðla til að prenthausarnir nái bestum árangri. Þetta passaði náttúrulega fyrir UV-LED lampa þar sem ráðhússtyrkurinn er mestur í emitter glugganum.
MYND 5. UV-LED markaðssaga og spá.
MYND 5.
Stacy Volk, sérfræðingur í markaðssamskiptum við Phoseon Technology í Hillboro, OR, framleiðandi UV-LED ráðhúsakerfa, benti á nokkra viðbótar kosti sem fylgja UV-LED ráðhúsi, þar á meðal stjórnað ráðhússtyrk, stigstærðan búnað og þá staðreynd að vélar eru minni og þéttar.
Eitt af þeim málum sem ráðhúsið hefur staðið frammi fyrir hefur verið ósamræmi í mælingum og skilgreiningar á breytum, til dæmis að skilgreina geislamælingaþéttni. UV LED ráðhússsamtökin (www.uvledcuring.org) hafa verið stofnuð nýlega af læknandi framleiðendum Phoseon Technology, Integration Technology Limited og Lumen Dynamics til að „setja leiðbeiningar og tryggja samhæfni í greininni,“ sagði Bill Cortelyou, forseti og framkvæmdastjóri Phoseon Technology. . Samtökin leitast einnig við að hjálpa til við að hraða þróun forrita sem henta sérstaklega UV-ljósdíóðum, fræða vísindamenn, samþætta og endanotendur varðandi ávinning UV-ljósdíóða og veita vettvang fyrir samskipti og samvinnu í iðnaði.
„Á 15 ára reynslu okkar af LED ráðhúsartækni hefur iðnaðurinn áttað sig á umtalsverðum byltingum sem hafa sannað LED sem raunhæfan valkost sem veitir verulegan ávinning,“ sagði Allan Firhoj, forseti og forstjóri Lumen Dynamics með aðsetur í Ontario í Kanada. Hann bætti við: „UV LED Curing Association mun hafa stóran þátt í því að hjálpa markaðnum að öðlast þekkingu og innsýn í UV LED tækni og fjölmarga viðskiptaávinninga hennar.“
Önnur samtök, Alþjóðlegu LED-UV samtökin (www.leduv.org), voru stofnuð í september 2011 í Japan til að skipuleggja framleiðendur UV-LED prentara, UV-LED framleiðenda og blek og húðunarbúnað sem leggja áherslu á að þróa sjálfbæra og umhverfisvæna UV-LED prentunartæknina.
Flísframleiðendur
Fyrirtæki sem framleiða UV-LED flís eru Crystal IS, með aðsetur í Green Island, NY (mynd 3);. Dowa Electronic Materials Co Ltd, með aðsetur í Tókýó, Japan ;. Nichia Corp, með aðsetur í Tokushima, Japan ;. SemiLEDs, með aðsetur í Hsinchu, Taívan; .. SETi, og Seoul Optodevice Co Ltd, með aðsetur í Kyunggi-do, Kóreu, sem er að fullu í eigu Seoul Semiconductor.
MYND 6. UVClean LED fylkin frá SETi skila djúpt útfjólubláu ljósi með mjög miklum krafti við 300-320 nm, besta svið fyrir ljósmeðferð.
MYND 6.
UV-LED framleiðendur leggja áherslu á stöðugt að bæta skilvirkni og líftíma tækjanna á meðan þeir draga úr kostnaði. Seoul Optodevice er með framleiðslusamstarfssamning við SETi, sem framleiðir fjölbreytt úrval af útfjólubláum LED og lampum, og framkvæmir allt frá oblátavinnslu til sérsniðinnar lampahönnunar. Fyrirtækið sér fyrir útfjólubláum útblæstri í hermetískt lokuðum málmglerpökkum (TO-18, TO-39 og TO-3), með stöðluðum vörum og sérsniðnum lausnum sem spanna bylgjulengd frá 240 til 355 nm. Mynd 6 sýnir dæmi um UV -LED fylki í lampum sem hannaðir eru til að bera geislun á 300-320 nm sviðinu fyrir ljósameðferð, svo sem meðferð við húðsjúkdómum eins og psoriasis eða exemi.
Tim Bettles, forstöðumaður markaðs- og sölumála hjá SETi, lýsti því yfir að framleiðslusamningur þess við Seoul Optodevice sé hannaður til að hjálpa SETi að auka magn UV-ljósdíóða og lampa hærra en lækka kostnað. „Fyrstu UV-LED vörur okkar voru settar á markað árið 2004 og síðan höfum við náð langt í bæði tækniþróun og markaðsupptöku. Við miðlum nú getu SETI til framleiðslu í miklu magni til að koma til móts við nýjar kröfur frá almennum neytendamörkuðum, “sagði Bettles. SETi tilkynnti nýlega um kaup á nýrri aðstöðu, þar sem það ætlar að framleiða yfir 100 milljónir UV ljósdíóða á ári.
Devin Tang, markaðsstjóri SemiLEDs, fullyrti að fyrirtækið hafi fulla línu af berum teningum og yfirborðsfestar LED-lampar með stórum krafti á 360-400 nm sviðinu. Hann benti á að vörur fyrirtækisins væru aðgreindar frá öðrum með tilliti til koparblöndu hvarfefna flísanna, sem leyfa mikla hitaleiðni (400 W / mK) og sílikon hvarfefni í pakkningunum, sem draga úr kostnaði.
Epigap Optronic, með aðsetur í Berlín, Þýskalandi, aðal dreifingaraðili UV-ljósdíóða Dowa, lýsti því yfir að Dowa framleiði 265, 280, 310, 325 og 340 nm berum teningum eða pakkaðri LED. Nichia framleiðir 365, 375 og 385 nm yfirborðsmikil afl LED og lítið afl lampa. Crystal IS framleiðir 260 nm UV LED og er eina fyrirtækið sem framleiðir LED á AlN hvarfefni.
Mál úrvinnslu á obláta
Eins og áður var bent á, eru flögulaga InGaN og GaN, ræktuð með MOCVD, notuð fyrir UV-LED með hærri bylgjulengd sem eru framleiddar á safír undirlag, en við lægri bylgjulengdir verður að nota flögulög AlGaN með auknu álinnihaldi. Það eru margar mismunandi samsetningar sem fela í sér lög af AlGaN, AlInGaN, AlInN og AlN eftirlagi, en hvað sem líður samsetningunni, þá verður auðveldara að rækta AlGaN-efni á AlN undirlagi en safír á einhverjum tímapunkti, sem hefur hvatt til þróunar AlN-undirlags birgja svo sem Hexatech, með aðsetur í Morrosville, NC. Engu að síður eru AlN hvarfefni aðeins fáanleg í litlum stærðum og eru miklu dýrari en safírplötur og takmarka þar með þennan markað.
MYND 7. Litróf framleiðsla kvikasilfur-gufu lampa á útfjólubláum og sýnilegum svæðum.
MYND 7.
Nýlega hefur Theodore Moustakas frá Boston háskóla verið frumkvöðull í notkun MBE (sameinda geislaþekja) til að verða skilvirkari (mikil innri skammtanýtni) UV LED tæki sem nota AIGaN-lög á safír undirlagi. Þessi aðferð myndi keppa við hinar ýmsu MOCVD aðferðir sem notaðar eru til að afhenda AlGaN í dag.
Ljósfræði og umbúðir
Jafnvel þó framleiðendur UV LED hafi unnið hörðum höndum að því að bæta innri skammtanýtni og ljósnýtni er heildarvirkni enn undir 20%, sem þýðir að mikill hiti verður að dreifa frá mótum díóða. „Til að ná tilskildum flæðiþéttleika með flísatækni nútímans, þarf að knýja multi-deyrina í mesta straumnum. Þetta er aðeins mögulegt með LED pakka sem er fær um að takast á við mikinn aflþéttleika allan líftíma vörunnar. Hitastilltur álagslausur pakki og glerlinsa hjálpa til við að útrýma algengum umbúða bilunaraðferðum tengdum UV ljósum, “sagði Thomas. Hann lýsti einkaleyfis multi-lags keramik undirlagi LED Engin með afar lágu hitauppstreymi sem leiðir fljótt hita frá deyjamótunum (mynd 2).
Þó að sumum UV-LED fylkjum sé pakkað á keramik undirlag, nota margir framleiðendur, einkum einflís tæki, TO-dós gerð í gegnum holu pakka með glerplötu sem býður upp á mikla sendingu UV. Skipt er um epoxýlinsur fyrir flatt eða kúpulaga gler sem getur sent UV og er tiltölulega ný þróun og hefur leyft lengingu líftíma frá um 5000 klukkustundum upp í allt að 30.000 klukkustundir. UV flýtir fyrir niðurbroti epoxýefnisins á línulegan hátt og hefur bein áhrif á líftíma. Glerlinsurnar veita aukna endingu og betri áreiðanleika. Annar valkostur er að sameina glerlinsu með kísilhylki til að rúma enn meiri þéttleika flæðis og meiri skilvirkni en samt styttri líftíma (15.000-20.000 klst.).
Valið á því hvort nota eigi hermetískan þéttingu í umbúðunum ræðst stundum af efnunum í flögunni. „Undirlag ál-nítríðs mælir næstum fyrir notkun hermetískrar umbúðar, því að hærra álinnihald, því meiri sækni tækisins fyrir súrefni, þannig að hermetísk innsigli verndar útfjólubláa tækið betur,“ útskýrði Frank Gindele, vöruþróunarstjóri fyrir Schott rafrænar umbúðir í Landshut, Þýskalandi. Nýja pakkningin sem er byggð á kopar og gleri frá Schott býður upp á kosti mikillar hitaleiðni og hermetík.
Hætta af UV
Það er mikilvægt að viðurkenna að sumir af sömu eiginleikum sem gera UV LED mjög öflug og gagnleg - lág bylgjulengd þeirra og mikil orka -. Eru líka þeir eiginleikar sem gera þau hættuleg Viðvörunarmerkin á UV-ljósdíóðum og vörum þeirra eru skýr en taka eftir:. UV-ljósdíóðar senda frá sér ósýnilega útfjólubláa geislun þegar þeir eru í gangi, sem geta verið skaðleg fyrir augu eða húð, jafnvel í stuttan tíma (Nánari upplýsingar um ljósfræðilegt öryggi, sjá greinaröð okkar, hluti hennar sem birtist á bls.63 í þessu tölublaði. .)
Næstu skref
Þegar þeir voru beðnir um að bera kennsl á lykilatriðið sem gæti komið í veg fyrir að UV-notendur breytist úr kvikasilfursgufugjafa í UV-LED, segja margir þátttakendur í atvinnugreininni að það komi niður á því að skriðþunga iðnaðarins og auðvitað kostnaður. Lim heldur að umferð út úr bylgjulengdasafninu myndi ganga langt í átt að ættleiðingu. "Ég held að ef við getum fengið góðar 250 nm, 285 nm og 300 nm LED, þessar þrjár bylgjulengdir, þá getum við nokkurn veginn lokað hurðinni á kvikasilfursboga lampa."
