Berkaitan dengan LED yang dapat dilihat, LED UV adalah pasaran yang tenang dengan harga hanya $ 30 juta, namun penembusan terbaru dalam kekuatan dan intensiti yang berseri telah memungkinkan perpindahan lampu wap merkuri dalam aplikasi termasuk penyembuhan UV dan pengesanan palsu, lapor LAURA PETERS.
+ + + +
Artikel ini diterbitkan dalam edisi Februari 2012 Majalah LED.
Lihat Jadual Kandungan dan muat turun fail PDF terbitan Februari 2012 yang lengkap.
+ + + + +
Di bawah spektrum yang dapat dilihat terdapat sebilangan panjang gelombang yang disebut ultraviolet (UV). Mulai dari 100 hingga 400 nm, radiasi secara efektif dapat digunakan untuk mensterilkan kosmetik, melakukan analisis forensik, bahan penyembuhan (Gambar 1) dan membasmi kuman air, di antara banyak aplikasi lain. Hari ini, seperti halnya LED dalam spektrum yang dapat dilihat, LED UV hanya mula menggantikan sumber UV yang sudah ada dalam pelbagai pasaran yang sama.
. Sistem pengawetan berasaskan UV-LED yang disejukkan udara Firefly (sumber: Teknologi Phoseon) ..
RAJAH. 1.
"Berbanding dengan industri pencahayaan LED bernilai berbilion dolar, pasaran UV-LED adalah kesalahan pembulatan sekitar $ 30 juta, tetapi berkembang dengan pesat," kata Mike Lim, pengarah perniagaan global dan perniagaan baru untuk Luminus Devices, yang berpusat di Billerica , MA.
Sejauh ini, pasaran penyembuhan UV menikmati lonjakan terbesar dalam penggunaan UV-LED kerana penembusan yang agak baru-baru ini dalam ketumpatan fluks cip UV-LED melebihi tanda 4W / cm2 pada panjang gelombang yang berbeza yang diperlukan untuk membawa penyembuhan LED UV kemudahan. "Buat pertama kalinya, LED telah mencapai kepadatan daya yang menjadikan LED UV bersaing dengan sumber yang ada," kata Uwe Thomas, pengurus umum komponen pemancar dengan LED Engin, penyedia LED UV dan kelihatan yang berpusat di Santa Clara, CA.
UV-A, B dan C
Penyembuhan melibatkan pempolimeran silang dari bahan yang peka, yang boleh menjadi dakwat (percetakan), pelekat atau lapisan, dan terutama dilakukan pada panjang gelombang 395 nm, 385 nm atau 365 nm, yang merupakan sebahagian daripada spektrum UV-A (315 -400 nm). Aplikasi UV-A yang penting lain adalah sistem pemeriksaan berdasarkan penglihatan mesin. Lampu suluh UV-LED dalam julat ini digunakan untuk mengesan pengenalpastian dan mata wang palsu, dan menawarkan manfaat penggunaan di persekitaran yang terang, yang sukar menggunakan lampu wap merkuri.
Dalam spektrum UV-B (280-315 nm), aplikasi untuk LED UV termasuk penyembuhan, terapi cahaya perubatan, analisis forensik dan penemuan ubat. Telah dianggarkan oleh firma penyelidikan pasaran Yole Développement (Lyon, Perancis) bahawa 90% aplikasi LED UV hari ini berpusat di wilayah UV-A dan UV-B (Gbr. 4). Yole telah menyatakan bahawa ia menjangkakan pasaran untuk LED UV akan tumbuh 30% setiap tahun dari $ 25 juta pada tahun 2010 kepada lebih dari $ 100 juta pada tahun 2016. Gambar 5 menunjukkan ramalan yang lebih optimis dari Persatuan Pembangunan Industri Optoelektronik, Persatuan Optoelektronik Antarabangsa dan Konsortium Industri Fotonik Eropah.
FIG 2 Pemancar UV pelbagai mati dalam pakej seramik (sumber: LED Engin)…
RAJAH. 2.
Di luar aplikasi ini, radiasi UV-B diketahui mempunyai sifat kesihatan yang bermanfaat termasuk sintesis semula jadi vitamin D pada manusia yang terdedah kepada cahaya matahari. UV-B juga mempercepat penghasilan polifenol dalam sayur-sayuran berdaun tertentu seperti selada merah. Polifenol dipercayai mempunyai kualiti antioksidan. “Secara amnya tanaman ini ditanam di rumah hijau hari ini, yang sengaja menyaring bahagian UV dari spektrum untuk memaksimumkan pertumbuhan tanaman. Menariknya, kami mempunyai bukti bahawa ketika tanaman tersebut terkena LED UV-B beberapa saat sebelum penuaian, kandungan polifenolnya dinaikkan tanpa menjejaskan jisim tanaman, ”jelas Cary Eskow, pengarah global LED dan penerangan global untuk Avnet Electronics Marketing di Phoenix , AZ, yang mengedarkan LED UV. Dia melanjutkan "Ini adalah kaedah baru untuk meningkatkan daya tarik beberapa makanan tanpa menggunakan bahan kimia. Polifenol juga mendapat perhatian kerana sifat antikarsinogenik, antiproliferatif dan antimutageniknya. "
Dalam julat spektrum UV-C yang lebih rendah (100-280 nm), aplikasi LED utama adalah pensterilan udara dan air dan pelbagai alat analisis termasuk yang melakukan pengukuran spektroskopi dan pendarfluor. Pengesan kimia dan biologi juga berfungsi dalam jarak spektrum ini.
UV dalam julat 250-275 nm mensterilkan air, udara dan permukaan dengan memecah DNA dan RNA mikroorganisma dan mencegah pembiakannya. Secara khusus, 275 nm dipercayai panjang gelombang yang paling berkesan untuk membasmi patogen seperti E-coli di dalam air. Sebenarnya, jurutera di Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), yang berpusat di Columbia, SC, telah menentukan bahawa 275 nm adalah panjang gelombang optimum untuk pembasmian kuman air. SETi telah menunjukkan pembasmian kuman air minum dalam sistem aliran masuk dalam talian menggunakan tenaga UV kurang dari 40 mW.
Alternatif untuk lampu arka merkuri
Dalam operasi penyembuhan pengeluaran, lampu wap merkuri terhalang oleh jangka hayat yang pendek (2000-10,000 jam), waktu pemanasan dan penyejukan perlahan, dan pengagihan kuasa spektrum yang luas. "Selain itu, lebih dari 60% tenaga yang diterapkan pada lampu wap merkuri khas dipancarkan kembali sebagai tenaga inframerah, dengan kata lain, panas," kata Eskow. Dia menambah bahawa output UV dari lampu wap merkuri turun dengan cepat sepanjang hayat operasinya kerana beberapa bahan elektrodnya menguap, mendepositkan filem di bahagian dalam tiub kuarza yang tidak dapat menembusi UV Akibatnya, pengguna tidak dapat dengan mudah meramalkan jumlah UV yang dihasilkan pada kemudian hari;. selalunya ini adalah parameter proses kritikal.
RAJAH. 3. LED UV-C untuk aplikasi kuman, dari Crystal IS, Inc. Syarikat ini baru-baru ini diambil alih oleh Asahi Kasel yang berpangkalan di Jepun.
RAJAH. 3.
Lampu merkuri mempunyai puncak utama pada 365 nm tetapi beberapa puncak yang lebih kecil di kawasan yang dapat dilihat dan inframerah (Gbr. 7). Kelemahan puncak puncak ini adalah penghasilan haba semasa mencetak dan operasi penyembuhan lain. "Dengan plastik dan bahan sensitif panas yang lain, telah ada cabaran nyata dalam pencetakan kerana media tersebut terdistorsi dari panas lampu merkuri," jelas Steve Metcalf, CEO dan presiden Air Motion Systems (AMS), pembuat curing sistem yang berpusat di River Falls, WI. Dia memberikan contoh yang merangkumi kad hadiah plastik atau kad kredit, yang menggunakan percetakan litografi yang diberi lembaran.
Metcalf menambah bahawa banyak orang yang tidak akan menganggap penyembuhan UV kerana kerumitan proses penyembuhan standard - voltan tinggi, haba mentol merkuri dan masalah persekitaran - sekarang akan mempertimbangkan penyembuhan UV-LED kerana ia mengganggu kerumitan tradisional proses lama .
LED UV membawa faedah seperti mengetahui dengan tepat tahap daya yang dihantar ke media pengawetan, serta kelebihan lain yang diketahui oleh LED, seperti kemampuan untuk memodulasi keluaran lebar-nadi, kata Eskow.
Peralihan ke LED UV juga membuka pintu kepada formulasi penyembuhan yang lebih mesra alam. Dengan generasi produk seterusnya yang dikembangkan oleh syarikat tinta, salutan dan pelekat, mereka menggunakan peluang untuk menghapuskan sebatian organik mudah alih (VOC) yang dihubungkan dengan formulasi kimia pelarut berdasarkan pelarut.
Menyembuhkan pengoptimuman
Untuk peranti UV dengan panjang gelombang yang lebih panjang, dengan cara yang serupa dengan fabrikasi LED biru, epilayer berasaskan InGaN ditanam pada substrat nilam untuk menghasilkan LED UV 385, 395 dan 405 nm untuk penyembuhan. Satu kelebihan utama pada peranti dengan panjang gelombang yang lebih tinggi ialah mereka dapat didorong pada kuasa yang lebih tinggi. "395 nm benar-benar tempat yang manis untuk penyembuhan LED UV, kerana pada 405 nm formulasi sensitif terhadap cahaya sekitar, jadi anda ingin berada di bawah 400 sambil dapat menggerakkan LED dengan daya tinggi," kata Lim. Semua penyedia utama formulasi penyembuhan (photoinitiator dan resin), baru-baru ini membawa dakwat dan lapisan dengan panjang gelombang yang lebih tinggi ke pasaran untuk memenuhi keperluan ini.
RAJAH. 4. Sebilangan besar aplikasi berada di bahagian spektrum UV-A dan UV-B.
RAJAH. 4.
Selain menghasilkan lebih banyak kuasa, LED UV dengan panjang gelombang yang lebih tinggi mempunyai kecekapan palam dinding yang lebih tinggi. Sebagai contoh, pada 365 nm, kuasa output LED UV hanya 5-8% dari kuasa input. Pada 385 nm, kecekapan ini bertambah baik, tetapi hanya hingga ~ 15%, menjadikan cip panjang gelombang yang lebih tinggi menjadi pilihan yang lebih baik.
Proses penyembuhan memerlukan LED berkekuatan tinggi (mati / cip berganda) yang disusun dalam matriks ketat dalam konfigurasi chip-on-board, dekat dengan tetingkap pemancar dengan sistem dalaman yang disejukkan dengan udara atau air untuk mengeluarkan haba dari bahagian belakang papan. "Tidak kira intensiti UV di tingkap pemancar, apa yang penting ialah intensiti di permukaan media," kata Metcalf. Bergantung pada peralatan dan aplikasi penyembuhan, media dapat berjarak 1 hingga 100 mm dari tetingkap pemancar, yang mana AMS telah menghasilkan optik khas. Sebagai tambahan, PCB yang disejukkan dengan logam digunakan untuk menyerap haba dari matriks LED.
Penyejukan udara juga digunakan. Sebagai contoh, sistem pengawetan yang ditunjukkan pada Gambar. 1, yang memiliki tingkap pemancar 150 x 20 mm dan kepadatan fluks 4W / cm², dapat digunakan untuk tinta, pelapis atau pelekat. Hari ini, peralatan pengawetan UV-LED sering direka khas untuk memenuhi aplikasi. Metcalf menggambarkan pencetak spanduk katil rata yang besar dapat menggunakan LED berkuasa rendah, tetapi teknologi digital, ofset dan flexografi berkelajuan lebih tinggi memerlukan bank LED jarak tinggi fluks jarak dekat. Walaupun radiasi tidak dapat dilihat, optik collimating digunakan untuk menyampaikan radiasi dengan tahap daya yang seragam di seluruh media sasaran. Pengawetan inkjet digital adalah segmen pertama yang menggunakan LED UV kerana jarak dekat dengan media yang diperlukan agar kepala cetak dapat berfungsi dengan optimum. Ini sesuai untuk lampu UV-LED kerana intensiti pengawetan paling tinggi di tingkap pemancar.
RAJAH. 5. Sejarah dan ramalan pasaran UV-LED.
RAJAH. 5.
Stacy Volk, pakar komunikasi pemasaran di Phoseon Technology di Hillboro, OR, pembuat sistem pengawetan UV-LED, menunjukkan beberapa kelebihan tambahan yang berkaitan dengan penyembuhan UV-LED termasuk intensiti pengawetan terkawal, peralatan yang dapat diskalakan, dan fakta bahawa mesin lebih kecil dan padat.
Salah satu masalah yang dihadapi industri penyembuhan adalah ketidakkonsistenan dalam amalan pengukuran dan definisi parameter, misalnya, menentukan intensiti radiometrik. Persatuan Penyembuhan LED UV (www.uvledcuring.org) baru-baru ini dibentuk oleh pengeluar penyembuhan Phoseon Technology, Integration Technology Limited dan Lumen Dynamics untuk "menetapkan garis panduan dan memastikan keserasian di seluruh industri," kata Bill Cortelyou, Presiden dan Ketua Pegawai Eksekutif Teknologi Phoseon . Persatuan ini juga berusaha untuk membantu mempercepat pengembangan aplikasi yang sangat sesuai dengan LED UV, mendidik para penyelidik, penyatuan dan pengguna akhir mengenai faedah LED UV, dan menyediakan forum komunikasi dan kolaborasi industri.
"Dalam 15 tahun pengalaman kami dalam teknologi penyembuhan LED, industri telah merealisasikan kejayaan yang telah membuktikan LED sebagai alternatif yang boleh memberikan banyak faedah," kata Allan Firhoj, Presiden dan CEO Lumen Dynamics yang berpusat di Ontario, Kanada. Dia menambahkan, "Persatuan Penyembuhan LED UV akan berperanan dalam membantu pasar memperoleh pengetahuan dan wawasan mengenai teknologi LED UV dan banyak keuntungan komersialnya."
Persatuan kedua, International LED-UV Association (www.leduv.org), ditubuhkan pada bulan September 2011 di Jepun untuk mengatur pengeluar pencetak UV-LED, pengeluar UV-LED dan formulator tinta dan salutan yang komited untuk membangun teknologi percetakan UV-LED yang mesra alam.
Pengilang cip
Syarikat yang mengeluarkan cip UV-LED termasuk Crystal IS, yang berpusat di Green Island, NY (Gamb. 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd, yang berpusat di Tokyo, Jepun ;. Nichia Corp, yang berpusat di Tokushima, Jepun ;. SemiLED, yang berpusat di Hsinchu, Taiwan; .. SETi, dan Seoul Optodevice Co Ltd, yang berpusat di Kyunggi-do, Korea, anak syarikat milik penuh Seoul Semiconductor.
RAJAH. 6. Susunan LED UVClean SETi memberikan cahaya UV mendalam yang sangat tinggi pada 300-320 nm, julat optimum untuk fototerapi.
RAJAH. 6.
Pengilang UV-LED memberi tumpuan untuk terus meningkatkan kecekapan dan jangka hayat peranti mereka sambil mengurangkan kos. Seoul Optodevice mempunyai perjanjian perkongsian pembuatan dengan SETi, yang mengeluarkan pelbagai LED dan lampu UV, dan melakukan segala-galanya dari pemprosesan wafer hingga reka bentuk lampu tersuai. Syarikat ini menyediakan pemancar UV dalam pakej kaca-logam yang tertutup rapat (TO-18, TO-39 dan TO-3), dengan produk standard dan penyelesaian khusus yang merangkumi panjang gelombang antara 240 hingga 355 nm. Rajah 6 menunjukkan contoh susunan UV-LED dalam lampu yang direka untuk menyampaikan radiasi dalam jarak 300-320 nm untuk aplikasi fototerapi seperti rawatan keadaan kulit seperti psoriasis atau eksim.
Tim Bettles, pengarah pemasaran dan penjualan di SETi menyatakan bahawa perjanjian pembuatannya dengan Seoul Optodevice dirancang untuk membantu SETi memacu jumlah LED UV dan lampu yang lebih tinggi sambil menurunkan kos. "Produk UV-LED pertama kami dilancarkan pada tahun 2004 dan sejak itu, kami telah maju dalam pengembangan teknologi dan penerapan pasaran. Kami sekarang meningkatkan kapasitas SETi untuk pembuatan volume tinggi untuk memenuhi permintaan baru yang datang dari pasar pengguna arus perdana, "kata Bettles. SETi baru-baru ini mengumumkan pembelian kemudahan baru, di mana ia merancang untuk mengeluarkan lebih dari 100 juta LED UV setiap tahun.
Devin Tang, pengurus pemasaran SemiLEDs menyatakan bahawa syarikat itu mempunyai garis besar dadu kosong dan LED berkemas tinggi permukaan tinggi dalam julat 360-400-nm. Dia menyatakan bahawa produk syarikat dibezakan dari yang lain sehubungan dengan substrat tembaga-aloi kerepek, yang membolehkan kekonduksian terma tinggi (400 W / mK) dan substrat silikon dalam bungkusan, yang mengurangkan kos.
Epigap Optronic, yang berpusat di Berlin, Jerman, pengedar utama untuk LED UV Dowa, menyatakan bahawa Dowa mengeluarkan 265, 280, 310, 325 dan 340 nm dadu kosong atau LED bungkus. Nichia mengeluarkan LED berkuasa tinggi 365, 375 dan 385 nm permukaan dan lampu kuasa rendah. Crystal IS mengeluarkan LED UV 260 nm dan merupakan satu-satunya syarikat yang menghasilkan LED pada substrat AlN.
Masalah pemprosesan wafer
Seperti yang ditunjukkan sebelumnya, epilayer InGaN dan GaN, yang ditanam oleh MOCVD, digunakan untuk LED UV dengan panjang gelombang yang lebih tinggi yang dibuat pada substrat safir, tetapi pada panjang gelombang yang lebih rendah, epilayer AlGaN dengan peningkatan kandungan aluminium mesti digunakan. Terdapat banyak komposisi yang berbeza yang melibatkan lapisan epilayer AlGaN, AlInGaN, AlInN dan AlN, tetapi apa pun komposisinya, menjadi lebih mudah untuk menumbuhkan bahan berasaskan AlGaN pada substrat AlN daripada safir pada satu ketika, yang mendorong pengembangan pembekal substrat AlN seperti Hexatech, yang berpusat di Morrosville, NC. Walau bagaimanapun, substrat AlN hanya tersedia dalam saiz kecil dan tetap jauh lebih mahal daripada wafer nilam, sehingga membatasi pasaran ini.
RAJAH. 7. Output spektrum lampu wap merkuri di kawasan UV dan kelihatan.
RAJAH. 7.
Baru-baru ini, Theodore Moustakas dari Boston University telah mempelopori penggunaan MBE (epitaxy beam molekul) untuk tumbuh lebih cekap (kecekapan kuantum dalaman tinggi) peranti LED UV menggunakan lapisan berasaskan AIGaN pada substrat nilam. Pendekatan ini akan bersaing dengan pelbagai teknik MOCVD yang digunakan untuk menyimpan AlGaN hari ini.
Optik dan pembungkusan
Walaupun pengeluar LED UV telah berusaha keras untuk meningkatkan kecekapan kuantum dalaman dan kecekapan optik, kecekapan keseluruhan tetap di bawah 20%, yang bermaksud banyak haba mesti dikeluarkan dari persimpangan diod. "Untuk mencapai kepadatan fluks yang diperlukan dengan teknologi cip hari ini, pemancar multi-die perlu didorong pada arus tertinggi. Ini hanya boleh dilakukan dengan pakej LED yang mampu menangani ketumpatan daya yang melampau sepanjang hayat produk. Pakej bebas tekanan dan kanta kaca yang dipadankan dengan termal membantu menghilangkan mod kegagalan pembungkusan biasa yang berkaitan dengan LED UV, ”kata Thomas. Dia menggambarkan substrat seramik berbilang lapisan LED Engin yang dipatenkan dengan rintangan haba yang sangat rendah yang cepat mengeluarkan haba dari persimpangan mati (Gamb. 2)
Walaupun beberapa susunan LED UV dibungkus pada substrat seramik, banyak pengeluar, terutamanya peranti cip tunggal, menggunakan pakej TO-can type melalui lubang dengan bahagian atas kaca yang menawarkan transmisi UV yang tinggi. Penggantian lensa epoksi dengan kaca berbentuk rata atau kubah yang mampu transmisi UV adalah perkembangan yang agak baru, dan yang memungkinkan pemanjangan jangka hayat dari sekitar 5000 jam hingga setinggi 30,000 jam. UV mempercepat degradasi bahan epoksi dengan cara tidak linier, secara langsung mempengaruhi jangka hayat. Kanta kaca memberikan ketahanan yang lebih baik dan kebolehpercayaan yang lebih baik. Alternatif lain adalah menggabungkan lensa kaca dengan silikon encapsulant untuk menampung ketumpatan fluks yang lebih tinggi dan kecekapan yang lebih tinggi namun jangka hayat yang lebih pendek (15,000-20,000 jam).
Pilihan sama ada menggunakan kedap hermetik dalam bungkusan kadang-kadang ditentukan oleh bahan dalam cip. "Substrat aluminium-nitrida hampir menentukan penggunaan paket hermetik, kerana semakin tinggi kandungan aluminium, semakin tinggi pertalian peranti dengan oksigen, jadi segel hermetik akan melindungi peranti UV dengan lebih baik," jelas Frank Gindele, pengurus pengembangan produk untuk Pembungkusan Elektronik Schott di Landshut, Jerman. Pakej berasaskan tembaga dan kaca baru dari Schott menawarkan kelebihan kekonduksian terma dan hermetisiti yang tinggi.
Bahaya UV
Penting untuk menyedari bahawa beberapa kualiti yang sama yang menjadikan LED UV sangat kuat dan berguna - panjang gelombang rendah dan tenaga tinggi -. Adakah juga kualiti yang menjadikannya berbahaya Label amaran pada LED UV dan produknya jelas tetapi perlu diperhatikan:. UV-LED memancarkan sinaran ultraviolet yang tidak dapat dilihat ketika beroperasi, yang mungkin membahayakan mata atau kulit, walaupun untuk jangka masa yang singkat (Untuk maklumat lebih lanjut mengenai keselamatan fotobiologi, lihat siri artikel kami, Bahagian 3 yang muncul pada halaman 63 isu ini .)
Langkah seterusnya
Ketika diminta untuk mengenal pasti masalah utama yang mungkin membuat pengguna UV tidak berubah dari sumber wap merkuri ke LED UV, banyak peserta industri mengatakan ia melanggar momentum industri yang ada dan, tentu saja, kos. Lim berpendapat bahawa penyelesaian portfolio panjang gelombang akan jauh ke arah adopsi. "Saya rasa jika kita dapat memperoleh LED 250-nm, 285-nm dan 300-nm yang baik, ketiga panjang gelombang itu, maka kita dapat menutup pintu lampu arkuri merkuri."
