Quecksilberlampen wurden sehr gut entwickelt und eingesetzt, weshalb Quecksilberlampen traditionell als Standardlichtquellen angesehen wurden. Die Entwicklung von ultravioletten LED hat jedoch gerade erst begonnen, und der zukünftige Entwicklungsraum ist immer noch riesig. Darüber hinaus ist die Kette der Ultraviolett-LED-Leuchten sehr lang, vom Wachstum von Kristallen über das Schneiden von Chips und das Verpacken von Chips bis hin zur Integration von UV-Lichtquellenmodulen. Sie umfasst jedoch auch die Steuerung der Stromversorgung und das Design des Kühlsystems. usw., jeder Schritt zum Endprodukt - UV-LED-Lichtqualität hat einen sehr wichtigen Einfluss. Daher ist es für die Forschung und Entwicklung von UV-LED-Systemen sehr wichtig, die Fähigkeitsgrenze von UV-LED zu verstehen und die Fähigkeitsgrenze von UV-LED zu erweitern.

A. Unterschied zwischen Hochleistungs-UV-LED-Lichtquelle und Quecksilberlampe (Vor- und Nachteile, öffentliches Missverständnis von UV-LED)

Wenn wir die herkömmliche Quecksilberlampe durch UV-LED ersetzen möchten, müssen wir zuerst den Unterschied zwischen Quecksilberlampe und UV-LED-Licht kennen, welche Vor- und Nachteile sie haben und so weiter. UV-Beschichtungen können aushärten, weil die Formulierung des Lichtinitiators bei Absorption einer bestimmten Wellenlänge ultravioletten Lichts Radikale (oder Kationen, Anionen) erzeugt und anschließend die Monomerpolymerisation initiiert.

Das Emissionsspektrum der Quecksilberlampe ist kontinuierlich, von ultraviolett bis infrarot, insbesondere bei UVB bis kurzwelligem UVA ist die Intensität konzentriert, während das Emissionsspektrum der UV-LED eng ist. Der gemeinsame Peak beträgt 365 nm und 395 nm (einschließlich 385, 395, 406 nm) dieser beiden Bänder.

Die industrielle Hauptanwendung ist die UVA-Bande in der Nähe von ultraviolettem Licht. Im Wellenlängenbereich von 365nm und 395nm UV-LED-Lichtquellen ist der molare Extinktionskoeffizient der meisten Initiatoren relativ niedrig. Deshalb, Hochleistungs-UV-Leuchtdiode zur UV-Härtung Verursacht im Allgemeinen eine geringe Initiierungseffizienz und schwerwiegende Probleme der Polymerisation mit Sauerstoffbeständigkeit, was der Oberflächentrocknung nicht förderlich ist.

Hinweis: Derzeit viele UV-LED-Leuchten für Hersteller von UV-Taschenlampen oder LED-UV-Beschichtungshersteller behaupten, dass LED-UV gut schleifen kann. Genau genommen ist es das Ergebnis einer schlechten Oberflächenhärtung. Was schwierig ist, ist nicht gut zu schleifen, sondern einstellbares Schleifen, das sowohl verschleißfest als auch gut zu schleifen ist. Es gibt sogar einige Hersteller, die Schafkopfschalen-Hundefleisch aufhängen. Auf der Rückseite der UV-LED-Lampe ist eine Quecksilberlampe angebracht, der eigentliche Effekt ist immer noch eine Quecksilberlampe.

Wir können jedoch auch sehen, dass die Lichtintensität von Löten von UV-LED-Leuchten für die UV-Beschichtung ist bei 395 nm und 395 nm viel stärker als die Quecksilberlampe, was der Tiefenhärtung von UV-Material zuträglich ist. Viele herkömmliche UV-härtbare Vorrichtungen verwenden eine Galliumlampe hinter einer Quecksilberlampe (415 nm Hauptemissionswellenlänge), um die Tiefenhärtung zu verbessern.

Das zweite Thema, über das wir sprechen möchten, ist die Energieeinsparung von LED. Im Allgemeinen denkt das jeder Hochleistungs-UV-LED für UV-Taschenlampen ist energiesparender als eine Quecksilberlampe. Sogar viele Hersteller haben den Propagandaslogan aufgestellt, dass UV-LED den Energieverbrauch um 70% senken können. In der Tat gibt es ein großes Missverständnis, es gibt zwei Gründe: Erstens, einige Unternehmen Sensationslust, übertriebene Propaganda; Zweitens verstehen viele Menschen UV-LED überhaupt nicht und verwechseln die beiden Konzepte.

Dies beruht im Allgemeinen auf der Tatsache, dass Quecksilberlampen nur 30% ultraviolettes Licht emittieren, während UV-LED alles ultraviolette Licht emittiert. Was den Energieverbrauch des Systems wirklich beeinflusst, ist die fotoelektrische Umwandlungseffizienz und die effektive Lichtausbeute. Die fotoelektrische Umwandlungseffizienz der Quecksilberlampe ist sehr hoch, aber der größte Teil des von der Quecksilberlampe emittierten Lichts ist sichtbares Licht und Infrarotlicht, und die UV-Materialhärtung erfordert nur 30% ultraviolettes Licht.

Die UV-Leuchtdiode für den UV-Druck ist dagegen mit etwa 30% weitaus weniger effizient. Es ist fast so effizient wie eine Quecksilberlampe. Nach dem Prinzip der Energieeinsparung werden die restlichen 70% des Stroms in Wärme umgewandelt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Wärme der UV-LED von der Rückseite der Lampe durch das Lampenfeld geleitet wird und sich keine Wärme auf der glänzenden Oberfläche befindet. Daher der Name „Kaltlichtquelle“ der UV-LED. Quecksilberdampf kommt von vorne durch den Reflektor und Infrarot. Aus diesem Grund benötigen UV-LED-Lichtquellen im Allgemeinen eine Luftkühlung, um Wärme abzuleiten. Hochleistungs-UV-LED-Lichtquellen müssen auch mit Wasser ausgestattet sein, um die Wärme entsprechend 70% der elektrischen Leistung der Lichtquelle abzuleiten.

Was wirklich Energie sparen kann, ist das UV-LED zur UV-Härtung kann sofort verwendet werden, kann genaue Bestrahlung durch optisches Design erreichen, die Eigenschaften der effektiven Lichtausbeute verbessern, und diese erfordern die Zusammenarbeit von Infrarotdetektion, intelligenter Steuerung und so weiter für die meisten UV-LED-Gerätehersteller auf dem Markt ist nicht genug Kraft, um diesen Aspekt der Forschung und Entwicklung durchzuführen.

Der dritte und wichtigste Punkt ist der Umweltschutz. Die Umweltverschmutzung durch Quecksilberdampflampen hat hauptsächlich zwei Ursachen:

1. Das Emissionsspektrum der Quecksilberlampe hat das weit ultraviolette Licht unter 200nm, erzeugt viel Ozon (viele Werkstattarbeiter berichteten, dass die Quecksilberlampe stinkt, dies ist die Grundursache).

2. Die Lebensdauer von Quecksilberlampen ist relativ kurz, nur 800-1000 Stunden. Die sekundäre Verschmutzung (Quecksilberverschmutzung), die durch verlassene Quecksilberlampen verursacht wurde, war immer ein schwierig zu lösendes Problem.

Es wird berichtet, dass jedes Jahr zwei Wasserkraftwerke mit drei Schluchten benötigt werden, um Quecksilberabfälle zu entsorgen. Schlimmer noch, es gibt keinen guten Weg, Quecksilberabfälle vollständig zu entsorgen. UV-LEDs haben kein solches Problem. Seit dem Inkrafttreten des Minamata-Übereinkommens über Quecksilber am 16. August 2017 in China steht De-Quecksilber auf der Tagesordnung.

Obwohl in der Konvention vermerkt ist, dass Quecksilberleuchtstofflampen für die industrielle Produktion, für die es derzeit keine Alternative gibt, nicht in der Liste der Beschränkungen aufgeführt sind, wird auch darauf hingewiesen, dass die Parteien verlangen können, dass die betreffenden Produkte in die Liste der Beschränkungen aufgenommen werden, wenn Alternativen stehen zur Verfügung. Daher sind die UV-härtbaren Quecksilberlampenprodukte bei umfassender Eliminierung abhängig die Entwicklung von UV-LED im Bereich der UV-Härtung .

Weitere Vorteile von LED sind: LED ist eine schmale Wellenlänge, mit der eine präzise Aushärtung erzielt werden kann (zum einen kann eine präzise lokale Aushärtung erzielt werden, z. B. 3D-Druck). Zum anderen können verschiedene Initiatoren ausgewählt werden, um besser unterschiedliche Aushärtungsgrade zu erzielen Aushärten). UV-LED-Lichtquelle ist Lampenkornstruktur, kann entsprechend dem Bedarf der Länge, der Breite, des Bestrahlungswinkels, etc. justiert werden, machen es Punktlichtquelle, Linienlichtquelle, Oberflächenlichtquelle, um den Anforderungen des unterschiedlichen Bestrahlungsprozesses zu genügen.

UV-LED im Vergleich mit herkömmlicher Quecksilberlampe:

B.Erzielen Sie eine UV-härtende Lichtquelle für UV-Materialparameter

Wellenlänge von 365 nm, 395 nm Strahlungsintensität der Beleuchtung (Lichtintensität, Lichtleistungsdichte): mw / cm 2 Gesamtleistung: mj / cm 2.

Bei der Aushärtung des Lichts können die oben genannten drei Hauptparameter nicht verlassen werden: Wellenlänge, Intensität und Gesamtleistung, Wellenlänge bestimmt, ob Lichtinitiator inspiriert werden kann, Lichtintensität bestimmt die Effizienz des UV-Licht-Triggers, wirken sich direkt auf die Tischtrockenheit aus (Oxidationspolymerisation) und tiefe Härtung Wirkung, während die Gesamtleistung bestimmt, ob vollständig aushärten lassen.

Der größte Vorteil von LED gegenüber Quecksilberdampflampen besteht darin, dass die LED formuliert und einstellbar ist. Innerhalb der Kapazität der LED selbst kann sie die Formulierung in größtmöglichem Maße an die Erfordernisse der Aushärtung anpassen. Bei den UV-LED-Aushärtegeräten gilt es, deren Fähigkeit, den Gleichgewichtspunkt zu finden, ständig zu erweitern. Auf der LED allein basiert die Lackformel, um die bestmögliche Aushärtung der benötigten LED-Lichtquellenparameter zu finden.

C. Das emittierende Prinzip der UV-LED und der Entwicklungsstand des UV-LED-Chips

Nach dem Prinzip des Elektronenübergangs kehren die Elektronen eines Atoms aus dem angeregten Zustand in den Grundzustand zurück und setzen Energie bei unterschiedlichen Wellenlängen der Strahlung frei (Aussenden elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenlänge).

Der erste Weg, um etwas herzustellen, das ultraviolettes Licht aussendet, besteht darin, nach einem Atom zu suchen, dessen Elektronenanregungszustand im ultravioletten Bereich knapp unter dem Grundzustand liegt. Unsere herkömmliche Quecksilberlampe ist die am häufigsten verwendete UV-Quelle.

Die zweite Methode besteht in der Verwendung des Halbleiter-Lichtemissionsprinzips (in einfachen Worten in der Lichtemission von Halbleiter- und Durchlassspannung vom P-Bereich in die Löcher und vom N-Bereich in die P-Bereich-Elektronik in der Nähe des PN-Übergangs jeweils einige Mikrometer). und die Lochrekombination von Elektronen und PN-Bereich erzeugt die spontane Strahlung fluoreszierend, um das UV-Band der Lichtquelle zu erzeugen.

Es ist bekannt, dass die Bandlücke von drei bis fünf Halbleitermaterialien in der Aln-Galliumnitrid- oder Indium-Galliumnitrid-Reihe (InGaN) zwischen den Wellenlängen Blau und Ultraviolett liegt.

Theoretisch kann jedoch jede Lichtwellenlänge durch das Verhältnis der Leuchtstoffe erreicht werden. Beschränkt durch verschiedene Bedingungen, die Arten von UV-LED-Chips die kommerziell hergestellt werden können, sind derzeit noch sehr begrenzt, und die kommerziell einsetzbaren Hochleistungs-Chips sind im Wesentlichen auf das UVA-Band von 365 nm - 415 nm konzentriert. UVB und UVC haben in den vergangenen zwei Jahren ebenfalls einen boomenden Trend verzeichnet, beschränken sich jedoch im Wesentlichen auf den zivilen Verbrauchermarkt für Desinfektion, Sterilisation und andere Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.

Dafür gibt es mehrere Gründe:

1. Die Struktur des Kristallmaterials bestimmt die Lichtausbeute (fotoelektrische Umwandlungseffizienz). Als 365 - 405nm in UVA können auch Galliumnitrid (GaN) und hochleuchtender Indiumgalliumstickstoff (InGaN) verwendet werden. Die UVB- und UVC-Strukturen basieren auf niedrig emittierenden AlGaN-Materialien und nicht auf dem derzeit bekannten Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid, die ultraviolettes Licht unter 365 nm absorbieren. Infolgedessen ist die Lichtausbeute von UVB und UVC äußerst gering. Am Beispiel des LG 278nm-Chips beträgt der Wirkungsgrad der gesamten fotoelektrischen Umwandlung nur 2%.

2. Nach dem Prinzip der Energieeinsparung bedeutet eine fotoelektronische Umwandlung von 2%, dass 98% des Stroms in Wärme umgewandelt werden und die Lebensdauer und die Lichtausbeute von LED-Chips umgekehrt proportional zur Temperatur sind. Eine derart hohe Wärmeleistung erfordert einen hohen Bedarf an Wärmeableitung. Gemäß dem bestehenden Wärmeableitungsverfahren ist es unmöglich, die effektive Wärmeableitung von Hochleistungs-UVB- und UVC-Chips zu erreichen.

3. Um den LED-Chip zu schützen, muss der Chip eingekapselt sein, LED-Licht ist omnidirektional, muss Linse hinzufügen, um Licht zu fokussieren. Neben Quarzglas haben die meisten Materialien eine sehr niedrige Durchlässigkeit für ultraviolettes Licht. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto geringer ist die Durchlässigkeit. Auf diese Weise wird ein großer Teil des Lichts von der Linse absorbiert, wenn die Lichtausbeute bereits niedrig ist.

4. Aktuelle UVB- und UVC-Chips sind ebenfalls Reaktionsofen-Wachstumskristalle auf UVA-Basis. Zusätzlich zu den Defekten der Materialien selbst gibt es auch Probleme wie eine Fehlanpassung des Substrats und des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kristalle, was zu einer extrem niedrigen Ausbeute der Kristalle und hohen Kosten führt.

Da UBV und UVC eine geringe Lichtausbeute, hohe Kosten und höhere Anforderungen an die Wärmeableitung des Systems aufweisen, ist es insgesamt schwierig, sie industriell zu realisieren Hochleistungs-UVB- und UVC-Lichtquellen vor einem bedeutenden Durchbruch in der Technologie.

D.Forschung und Entwicklung des UV-Lichtquellensystems

LED-Chip ist nur ein wichtiger Teil der LED-Lichtquelle, wir forschen und entwickeln LED-Lichtquellen, müssen systematische Forschung als Ganzes durchführen. Neben der Wellenlänge von LED umfasst es auch eine Reihe von Gehäusetechnologien, optischen Designs, Kühlsystemen, Stromversorgungssystemen, intelligenten Steuerungssystemen und so weiter.

Gegenwärtig gibt es vier Hauptverpackungsstrukturen von LED-Chips, nämlich eine formale Struktur, eine Flip-Struktur, eine vertikale Struktur und eine dreidimensionale vertikale Struktur. Gegenwärtig nehmen gewöhnliche LED-Chips eine formale Struktur des Saphirsubstrats an, die eine einfache Struktur aufweist und in der Herstellungstechnologie ausgereift ist. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Saphir kann die vom Chip erzeugte Wärme jedoch kaum auf den Kühlkörper übertragen werden, was bei der Anwendung von Hochleistungs-UV-Leuchtdioden für den UV-Druck eingeschränkt ist.

Flip-Chip-Packaging ist eine der aktuellen Entwicklungsrichtungen. Im Vergleich zur formalen Struktur muss die Wärme nicht durch das Saphirsubstrat des Chips geleitet werden, sondern direkt zum Silizium- oder Keramiksubstrat mit höherer Wärmeleitfähigkeit und dann durch die Metallbasis zur Außenumgebung. Da die Flip-Struktur keinen externen Golddraht benötigt, kann die integrierte Dichte des Chips sehr hoch sein, wodurch die optische Leistung pro Flächeneinheit verbessert wird. Sowohl die Flip-Struktur als auch die formale Struktur weisen jedoch den gleichen Defekt auf, das heißt, die LED P- und N-Elektroden befinden sich auf derselben Seite der LED, und der Strom muss seitlich durch die n-GaN-Schicht fließen, was zu einer Stromüberlastung führt und hoher lokaler Heizwert, der die obere Grenze des Antriebsstroms begrenzt.

Der Blaulichtchip mit vertikaler Struktur wird auf Basis der formalen Montage hergestellt. Diese Art von Chip besteht darin, den Chip mit einem herkömmlichen Saphirsubstrat kopfüber auf das Siliziumsubstrat oder Metallsubstrat mit guter Wärmeleitfähigkeit zu kleben und dann das Saphirsubstrat mit einem Laser abzuziehen. Der Chip dieses Substrats löst das Problem des Wärmeableitungsengpasses, aber der Prozess ist komplex, insbesondere ist der Substratumwandlungsprozess schwierig zu erreichen und die Ausbeute ist gering. Mit der Entwicklung der Technologie ist die vertikale UV-LED-Verpackung jedoch immer ausgereifter geworden.

Nun wird eine neue dreidimensionale vertikale Struktur vorgeschlagen. Verglichen mit dem LED-Chip mit vertikaler Struktur besteht der Hauptvorteil des LED-Chips mit dreidimensionaler vertikaler Struktur darin, dass kein Golddraht benötigt wird, wodurch das Gehäuse dünner wird, eine bessere Wärmeableitung erfolgt und ein größerer Ansteuerstrom leichter eingeführt werden kann. Bei der Anwendung der vertikalen 3D-Struktur sind jedoch noch viele Probleme zu lösen.

Da die Lichtausbeute von UV-LEDs im Allgemeinen geringer ist als die von Leuchtdioden, wird im Allgemeinen eine Verpackung mit vertikaler Struktur gewählt, um eine höhere Lichtausbeute zu erzielen.

Da LED-Lumineszenz omnidirektional ist, ist bei geringer Lumineszenzeffizienz auch ein wissenschaftliches und vernünftiges optisches Design wie Reflektorbecher, Primärlinse, Sekundärlinse usw. erforderlich, um eine höhere effektive Lichtausbeute zu erzielen (die Lichtausbeute bei positiver Beleuchtung) ). Da die Abschwächungsrate von UV-Licht im Medium höher ist, sollten Sie bei der Auswahl des Linsenmaterials und der Mehrfachbewertung (Quarzglas, Borosilikatglas, gehärtetes Glas usw.) versuchen, ein Material mit hoher UV-Durchlässigkeit (wie z sowie um zu vermeiden, dass das Material lange Zeit unter ultraviolettem Licht absaugt und die Temperatur ansteigt).

Wie bereits erwähnt, wird bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie nach dem Prinzip der Energieeinsparung ein großer Teil auch in Wärmeenergie umgewandelt (UVA-Band, Strom: Licht: Wärme = 10: 3: 7). Die effektive Lebensdauer des LED-Chips hängt eng mit der Temperatureinsparung zusammen. Bei der Lichthärtung müssen, um eine höhere optische Leistungsdichte zu erzielen, häufig die Hochleistungs-UV-Chips zur UV-Härtung Integriert mit hoher Dichte, ist eine solche Kühlung hohe Anforderung gestellt, wie die effiziente Wärmeableitung zu realisieren ist, und sicherzustellen, dass alle LED-Chips im Rahmen einer angemessenen und ausgeglichenen Abschnittstemperatur auch wissenschaftliches Design, Computersimulation und praktischen Test erfordern.