Публикации

20.08.2015

УФ-светодиоды: Общий обзор

Флексо Плюс №2, 2014

Для полимеризации красок и покрытий уже много лет используется УФ-излучение. Наиболее часто применяемые для этой цели источники — это УФ-лампы среднего давления. Спектр ламп подбирается к характеристикам используемых фотоинициаторов красок и покрытий.

Однако во время работы создается гораздо больше ИК-излучения, чем хотелось бы. Для того, чтобы отфильтровать часть ИК-лучей, используются интерференционные зеркала или стекла с дихроичным покрытием.

Проводимые в течение нескольких лет исследования альтернативных источников излучения были нацелены на выработку «холодного УФ-света», позволяющего быстро включаться и выключаться, при этом быстро разогреваться и охлаждаться.

Ограничения, связанные с относительно низкой общей мощностью и недостатком коротковолнового УФ-излучения, привели к тому, что светодиоды стали использоваться в небольших узкоспециализированных сегментах рынка. Среди них — полимеризация отдельных небольших участков, отверждение клеящих веществ, полимеризация герметизирующих или уплотняющих материалов, применение в стоматологии, флуоресцентные исследования (например, в судебной медицине).

Для того, чтобы найти правильное УФ-светодиодное решение, необходимо выполнить несколько условий. Химический состав должен соответствовать длине волны, а УФ-интенсивность должна быть достаточной для этого применения. В связи с этим между поставщиком светодиодных систем, клиентами и их поставщиками должно быть тесное взаимодействие (см. рис. 3).

Эффективность УФ-светодиодов

Некоторые публикации хвалят высокую эффективность УФ-светодиодов. Это может быть связано с тем, что они все больше используются для освещения, а их эффективность в сравнении с газоразрядными лампами неоспорима. Однако для УФ-полимеризации УФ-светодиоды показывают относительно низкую эффективность, которая в настоящий момент немного ниже, чем у ламп среднего давления.

Аргумент, который часто приводят в пользу УФ-светодиодов, — это холодное УФ-излучение. Действительно, в сторону материала, который необходимо полимеризовать, ИК-излучение не выделяется, но теплый воздух, выделяемый с обратной стороны светодиодов, должен удаляться, чтобы не повредить структуру полупроводников.

 

Энергетический спектр стандартной ртутной

Рис. 1. Энергетический спектр стандартной ртутной УФ-лампы среднего давления

Если измерить излучение УФ-светодиодов высокой мощности точным спектрометром, то можно обнаружить, что интенсивность излучения на специфической длине волны, например 395 нм, может быть выше, чем у УФ-ламп среднего давления на той же длине волны.

Пример этого продемонстрирован на рис. 4. Сплошная зеленая линия показывает, что пик 395 нм значительно выше, чем пик 365 нм у ртутной лампы. Однако светодиоды с более короткой длиной волны показывают низкую интенсивность.

 

Светодиодная система 1 

 

Светодиодная система 2

Рис. 2. Разные модели светодиодных систем

 

Объединение усилий производителей светодиодных систем красок и оборудования

Рис. 3. Чтобы найти наилучшее решение для клиента, необходимо объединить усилия производителей светодиодных систем, красок и оборудования

Хотя УФ-светодиоды имеют более высокий пик на специфической длине волны, их спектральный диапазон гораздо уже. По этой причине специально разработанные и активизированные под длинноволновое излучение краски и покрытия обычно используются с высоким содержанием фотоинициатора (УФ-светодиодные краски). Различные фотоинициаторы имеют специфическую кривую чувствительности в соответствии с длиной волны, поэтому используемые фотоинициаторы должны точно соответствовать источнику излучения.

Требуемая интенсивность излучения

Интенсивность, необходимая для полимеризации, — это излучение, достигающее поверхности материала. Интенсивность излучения обычно измеряется в мВт/ см2 или в Вт/ см2. Пользователю оборудования относительно сложно установить, насколько мощным является УФ-светодиодный модуль, так как в данном случае важно расстояние от него до материала. Спецификации производителей главным образом ссылаются на расчетные значения относительно поверхности светодиода.

Требуемая доза УФ-излучения обычно определяется эмпирическим путем, экспериментальным способом — точно так же, как и с УФ-лампами среднего давления. Целью является размещение УФ-светодиодного модуля максимально близко к запечатанному полотну, с которым будут работать.

Для измерения интенсивности излучения УФ-светодиодного модуля требуется соответствующее измерительное оборудование. Радиометр, специально адаптированный для измерения излучения УФ-светодиодов, является подходящим прибором для большинства практических применений.

 

Сравнение спектра УФ светодиодных ламп и ртутного давления

Рис. 4. Сравнение спектра УФ-светодиодных ламп и ртутных УФ-ламп среднего давления

 

Длины волн

Рис. 5. Три различные длины волн и их пропорциональная мощность излучения. Кривые чувствительности фотоинициаторов № 1 и 2 не имеют хорошего сочетания с длиной волны. Однако фотоинициатор № 3 совместим с длиной волны 385 нм УФ-светодиодов

 

Преимущества Недостатки
Спектр УФ-излучения
• Излучение только на одной специфической длине волны. Тепло выделяется только в результате поглощения УФ-энергии материалом или возникает от химической реакции полимеризации • Смена длины волны означает замену всей светодиодной УФ-камеры. С обычными УФ-системами среднего давления для этого требуется только замена УФ-лампы (относительно низкие затраты)
• Некоторые из светодиодных УФ-систем могут быть оборудованы диодами, которые излучают различные смешанные длины волн • УФ-светодиоды излучают более короткие волны, например UVC не будут доступны в ближайшем будущем
Применение и эксплуатация
• На запуск системы не затрачивается время по сравнению с обычными системами среднего давления, поэтому створки не являются необходимостью. • Относительно высокие первоначальные инвестиции
• Короткое время включения/выключения (<100 нс)  
• Возможен компактный дизайн УФ-модулей • Необходимы специально «отрегулированные» покрытия (поэтому зачастую дорогие)
• Отсутствует направленное на материал ИК-излучение (ощутимо для термочувствительных материалов) • Процесс полимеризации происходит только под воздействием светодиодов. ИК-излучение не попадает на материал, хотя в некоторых случаях определенное количество тепла полезно для полимеризации.
• Ширина засветки может быть различной (отдельные секции светодиодов можно выключать и включать) • Относительно низкая эффективность. Немного меньше, чем лампы среднего давления.
• Эффективность ниже при длине волны < 365 нм
• Так как светодиоды работают в длинноволновом диапазоне, озон не выделяется • Расстояние между УФ-светодиодами и подложкой более критично по сравнению с обычными системами. Светодиодная УФ-система должна быть максимально приближена к запечатываемому материалу. Это вызывает затруднения при работе с большими или 3D-объектами.
• Краски, разработанные для УФ-светодиодов, часто реагируют на дневной свет
• Уменьшение яркости УФ-светодиодов не ограниченно (уменьшение яркости УФ-лампы среднего давления возможно приблизительно на 20% от полной мощности) • УФ-светодиоды вырабатывают рассеивающийся УФ-свет. Фокусировки УФ-света можно достичь только при использовании линз
Обслуживание и охлаждение
• Длительный срок службы (даже при многократном включении/ выключении или работе в пульсирующем режиме) • Замена единичного поврежденного светодиода возможна только в некоторых модулях со специальным дизайном
• Охлаждение обычно достигается путем использования системы водного охлаждения (чиллера). Нет необходимости в трубах для отвода воздуха. Если вода для охлаждения уже подведена к машине, перейти на УФ-светодиоды гораздо проще • Активная система водного охлаждения (чиллер) требуется при использовании УФ-светодиодных систем высокой мощности. Для работы ламповых УФ-систем чаще требуется только низкозатратное воздушное охлаждение
• Устойчивость к вибрации • При работе с водноохлаждаемыми светодиодными УФ-системами необходимо обращать внимание на возможное образование конденсата внутри камеры и появление микроорганизмов (водорослей) в системе охлаждения
• Не содержит ртути

 

Ручной прибор для измерения излучения HI 1 с УФ сенсором для работы со светодиодными системами

Рис. 6. Ручной прибор для измерения излучения HI 1 с УФ-сенсором для работы со светодиодными системами

Заключение

Для многих сфер применения и отраслей промышленности светодиодные УФ-системы имеют значительные преимущества, например в размерах, скорости включения и в низком выделении тепла. Однако недостаток энергии и эффективности в коротковолновом диапазоне, а также требования использования специализированных покрытий, сопряженные с затратами на покупку, без сомнения, ограничивают кратко- и среднесрочный потенциал окупаемости. Но все-таки можно отметить, что в большом числе случаев УФ-светодиодные системы создают новые возможности, а не замещают уже имеющиеся.

Как и со всеми другими технологиями, лидирующие производители УФ-ламп и систем стараются развивать новые направления, исследуют новые уровни мощности, чтобы соответствовать требованиям растущего УФ-рынка.


Возврат к списку

Онлайн заказ

Заполните, пожалуйста, форму и наш менеджер свяжется с Вами в кратчайшие сроки.

Имя*
Телефон*
E-Mail*
Данные о заказе (тираж, красочность, материал, размер)

* - Поля, обязательные для заполнения

Обратный звонок

Заполните, пожалуйста, форму и наш менеджер свяжется с Вами в кратчайшие сроки.

Имя*
E-mail
Телефон*

* - Поля, обязательные для заполнения