Публикации
УФ-светодиоды: Общий обзор
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.
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.
Рис. 2. Разные модели светодиодных систем
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.
Рис. 4. Сравнение спектра УФ-светодиодных ламп и ртутных УФ-ламп среднего давления
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 | |
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.