יחסית לנורי LED גלויים, UV LEDs הם שוק שקט רק $ 30 מיליון, עדיין פריצות דרך האחרונות בעוצמה ועוצמה קורנת אפשרו עקירה של מנורות אדי כספית ביישומים כולל ריפוי UV וזיהוי מזויף, מדווח לורה פיטרס.
+ + + +
מאמר זה פורסם גיליון פברואר 2012 של מגזין LEDs.
הצג את תוכן העניינים והורד את קובץ PDF של הבעיה המלאה בפברואר 2012.
+ + + + +
מתחת לספקטרום הנראה נמצאת להקה של אורכי גל הנקראים אולטרה סגול (UV). החל מ 100 כדי 400 ננ"מ, הקרינה יכולה לשמש ביעילות כדי לחטא קוסמטיקה, לבצע ניתוח משפטי, חומרים לרפא (תמונה 1) ולחטא מים, בין יישומים רבים אחרים. כיום, כמו במקרה של נורי ותנון ספקטרום הנראה לעין, UV LEDs רק מתחילים להחליף את מקורות UV מבוססים במגוון מגוון דומה של שווקים.
. FIG 1 גחלילית מקורר אוויר UV-LED מבוסס מערכת ריפוי (מקור: Phoseon טכנולוגיה)..
ת.ד. 1.
"בהשוואה לתעשיית תאורת ה-LED בשווי מיליארדי דולרים, שוק UV-LED הוא שגיאת איסוף בסביבות 30 מיליון דולר, אבל הוא גדל במהירות", אמר מייק לים, מנהל עסקי תעשייה גלובליים וחדשים עבור Luminus Devices, שבסיסה בבילריקה, MA.
עד כה, שוק ריפוי UV נהנה מהגל הגדול ביותר באימוץ UV-LED בשל פריצת הדרך האחרונה יחסית בצפיפות השטף של שבבי UV-LED מעבר לסימן 4W/cm2 באכי הגל השונים הדרושים כדי להביא ריפוי UV-LED לתוך מתקני ייצור. "בפעם הראשונה, נורות LED הגיעו צפיפויות כוח להפוך נורות UV תחרותי עם מקורות קיימים", אמר Uwe תומאס, מנהל כללי של רכיבי מקרן עם LED Engin, ספק של UV ו נורות LED גלוי מבוסס בסנטה קלרה, קליפורניה .
UV-A, B ו-C
ריפוי כרוך בציפוי צולב של חומר רגיש לאואוטו-רגיש, שיכול להיות דיו (הדפסה), דבק או ציפוי, ומבוצע בעיקר ב- 395 נהמ', 385 נה"מ או 365 נה"מ, אורכי גל שהם חלק בספקטרום UV-A (315-400 נק'). יישום UV-A חשוב נוסף הוא מערכות בדיקה המבוססות על ראיית מכונה. פנסי UV-LED בטווח זה משמשים לזיהוי זיהוי ומטבע מזויפים, ומציעים את היתרון של שימוש בסביבות מוארות היטב, דבר שקשה להשתמש במנורת אדי כספית.
בספקטרום UV-B (280-315 נה"מ), יישומים עבור נורות UV כוללים ריפוי, טיפול באור רפואי, ניתוח משפטי וגילוי תרופות. ההערכה היא על ידי חברת מחקרי השוק Yole Développement (ליון, צרפת) כי 90% של יישומי UV LED היום מבוססים באזורי UV-A ו UV-B (תמונה 4). Yole הצהירה כי היא מצפה השוק עבור UV LEDs לגדול על ידי 30% בשנה מ $ 25 מיליון בשנת 2010 ליותר מ $ 100,000,000 בשנת 2016. תמונה 5 מציגה תחזית אופטימית עוד יותר מהאגודה לפיתוח תעשיית האופטואלקטרוניקה, איגוד האופטואלקטרוניקה הבינלאומי וקונסורציום תעשיית הפוטוניקה האירופית.
FIG 2 מולטי-למות UV מקרן בחבילת קרמיקה (מקור: LED Engin)...
ת.ד. 2.
מעבר ליישומים אלה, קרינת UV-B ידועה שיש תכונות בריאותיות מועילות כולל סינתזה טבעית של ויטמין D בבני אדם החשופים לאור השמש. UV-B גם מאיץ את הייצור של פוליפנולים בירקות עלים מסוימים כגון חסה אדומה. פוליפנולים הם האמינו יש איכויות נוגדות חמצון. "בדרך כלל צמחים אלה גדלים בחממות היום, אשר בכוונה לסנן את החלק UV של הספקטרום על מנת למקסם את צמיחת הצמח. מעניין, יש לנו ראיות כי כאשר צמחים אלה נחשפים UV-B LED זמן קצר לפני הקציר, תוכן הפוליפנול שלהם הוא שיפר מבלי להתפשר על מסת הצמח, "הסביר קארי Eskow, מנהל גלובלי של LED מתקדם ותאורה עבור Avnet שיווק אלקטרוניקה בפניקס, AZ, אשר מפיץ UV LEDS. הוא המשיך: "זוהי שיטה חדשנית להגברת הערעור של ממזון מסוים מבלי להשתמש בכימיקלים. פוליפנולים גם קיבלו תשומת לב בשל תכונות אנטיcarcinogenic כביכול שלהם, אנטי-פרוליפטי ואנטימוטגני. "
בטווח הספקטרלי התחתון של UV-C (100-280 מילימטרים), יישומי ה-LED העיקריים הם עיקור אוויר ומים ומגוון כלים אנליטיים, כולל אלה המבצעים מדידות ספקטרוסקופיות ופלואורסציות. גלאים כימיים וביולוגיים פועלים גם בטווח ספקטרלי זה.
UV בטווח של 250-275 מילימטרים מחטא מים, אוויר ומשטחים על ידי פירוק ה-DNA וה-RNA של מיקרואורגניזמים ומניעת הרבייה שלהם. באופן ספציפי, 275 נמינר הוא האמין להיות אורך הגל היעיל ביותר להשמדת פתוגנים כגון E-coli במים. למעשה, מהנדסים ב Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), שבסיסה בקולומביה, SC, קבעו כי 275 ננומטר הוא אורך הגל האופטימלי עבור חיטוי מים. SETi הדגימה חיטוי של מי שתייה במערכת זרימה בתוך השורה באמצעות פחות מ 40 mW של כוח UV.
חלופות למנורות קשת כספית
בפעולות ריפוי ייצור, מנורות אדי כספית מעוקלות על ידי חיים קצרים (2000-10,000 שעות), זמני חימום וקירור איטיים, וחלוקת כוח ספקטרלית רחבה. "בנוסף, מעל 60% מהאנרגיה המיושם על מנורת אדי כספית טיפוסית מוקרנת בחזרה כאנרגיית אינפרא אדום, במילים אחרות, חום, "אמר Eskow. הוא הוסיף כי תפוקת UV של מנורת אדי כספית יורד במהירות על החיים התפעוליים שלה כי חלק מחומר האלקטרודה שלה מתאדה , הפקדת סרט על החלק הפנימי של צינור הקוורץ אשר UV לא יכול לחדור כתוצאה מכך, המשתמש לא יכול לחזות בקלות את כמות UV שנוצר במועד מאוחר יותר;. לעתים קרובות זהו פרמטר תהליך קריטי.
ת.ד. 3. UV-C עליות נולד עבור יישומי חיידקים, מ קריסטל IS, Inc. החברה נרכשה לאחרונה על ידי אסאהי קאסל מיפן.
ת.ד. 3.
למנורת הכספית יש שיא ראשי של 365 00 00 00 00:00,000 --& החיסרון בפסגות מיותרות אלה הוא דור החום במהלך ההדפסה ופעולות ריפוי אחרות. "עם פלסטיק וחומרים רגישים לחום אחרים, היו אתגרים אמיתיים בהדפסה כי המדיום מקבל מעוות מהחום של מנורת כספית, הסביר סטיב מטקאלף, מנכ"ל ונשיא מערכות תנועה אוויר (AMS), יצרנית של מערכות ריפוי מבוסס ריבר פולס, WI. הוא נתן דוגמאות הכוללות כרטיסי מתנה מפלסטיק או כרטיסי אשראי, המשתמשים בהדפסה ליתוגרפית המוזנת בגיליון.
מטקאלף הוסיף כי אנשים רבים שלא היו שוקלים ריפוי UV בשל המורכבות של תהליכי ריפוי סטנדרטיים — המתח הגבוה, החום של נורות כספית ובעיות סביבתיות — ישקלו כעת ריפוי UV-LED כי זה חתר תחת הצרות המסורתיות של התהליך הישן .
UV LEDs להביא יתרונות כגון לדעת בדיוק מה רמת הכוח מועברת למדיום ריפוי, כמו גם יתרונות אחרים ESDs ידועים, כגון היכולת לווסת את הפלט רוחב הדופק, אמר Eskow.
המעבר לנורות UV גם פתח את הדלת ניסוחים ידידותיים יותר לסביבה ריפוי. עם הדור הבא של מוצרים כי דיו, ציפוי וחברות דבק היו פיתוח, הם ניצלו את ההזדמנות כדי שלב-out תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) הקשורים ניסוחים מבוססי ממס של כימיה בעבר.
מיטוב ריפוי
עבור התקני UV באורך גל ארוך יותר, באופן דומה לייצור LED כחול, Epilayers מבוסס InGaN גדלים על מצעי ספיר לייצר 385, 395 ו 405 נהלי UV לריפוי. אחד היתרונות המרכזיים של התקנים באורך גל גבוה יותר הוא שניתן לנהוג בהם בהתקני הספק גבוה יותר. "395 נה"מ הוא באמת הנקודה המתוקה לריפוי UV LED, כי ב 405 nm הניסוח רגיש לאור הסביבה, אז אתה רוצה להיות קצת מתחת 400 תוך כדי היכולת לנהוג נורות ה-LED בהטמצות גבוהות , "אמר לים. כל הספקים העיקריים של ניסוחים ריפוי (photoinitiators ושרפים), הביאו לאחרונה דיו אורך גל גבוה יותר וציפויים לשוק כדי למלא צורך זה.
ת.ד. 4. רוב היישומים נמצאים בחלקי UV-A ו-UV-B של הספקטרום.
ת.ד. 4.
בנוסף להפקת חשמל רב יותר, UV באורך גל גבוה יותר כולל יעילות גבוהה יותר של תקע בקיר. לדוגמה, ב- 365 nm, כוח הפלט של UV LED הוא רק 5-8% של כוח הקלט. ב- 385 0m, יעילות זו משתפרת, אך רק לכ- 15%, מה שהופך את שבב אורך הגל הגבוה לבחירה טובה יותר.
תהליכי ריפוי דורשים נוריות גדולות והחזקות (מספר רב של מתים / שבב) המסודרים במטריצה הדוקה בתצורה של שבב על הלוח, קרוב לחלון המקרן עם מערכת פנימית מקורר אוויר או מים כדי להסיר חום מהישבן של הלוח. "זה לא משנה מה עוצמת UV הוא בחלון המקרן, מה שחשוב הוא העוצמה על פני השטח של התקשורת," אמר מטקאלף. בהתאם לציוד וליישום הריפוי, המדיה יכולה להיות 1 עד 100 מ"מ מחלון המקרן, שעבורו AMS הפיקה אופטיקה מיוחדת. בנוסף, PCB מקורר מתכת משמש כדי להטביע את החום הרחק מטריקס של נוריות.
קירור אוויר משמש גם כן. לדוגמה, מערכת הריפוי המוצגת בתאנה 1, הכוללת חלון מקרן של 150 x 20 מ"מ וצפיפות שטף של 4 ואט/ס"מ מ"ר, יכולה לשמש לריפוי נקודות של דיו, ציפויים או דבקים. כיום, ציוד ריפוי UV-LED לעתים קרובות תוכנן במיוחד כדי להתאים את היישום. מטקאלף מתאר מדפסות באנרים גדולות בעלות מיטה שטוחה כמיכולת להשתמש ב-LEDS בהדפסת הספק נמוך יותר, אך טכנולוגיות דיגיטליות, קיזוז ופלקסוגרפיות במהירות גבוהה יותר דורשות בנקים בעלי רווחים הדוקים של נורי ניידות בצפיפות גבוהה. למרות שהקרינה אינה נראית לעין, אופטיקה קולימטית מנוצלת כדי לספק את הקרינה עם רמת כוח אחידה על פני אמצעי התקשורת היעד. ריפוי הזרקת דיו דיגיטלי היה הקטע הראשון לאמץ UV LEDs בשל המרחק הקרוב הנדרש למדיה עבור ראשי ההדפסה לבצע בצורה אופטימלית. זה היה התאמה טבעית עבור מנורות UV-LED כמו עוצמת הריפוי הוא הגבוה ביותר בחלון המקרן.
ת.ד. 5. היסטוריה ותחזית שוק UV-LED.
ת.ד. 5.
סטייסי וולק, מומחית לתקשורת שיווקית ב-Phoseon Technology בהילבורו, או, יצרנית של מערכות ריפוי UV-LED, ציינה כמה מהיתרונות הנוספים הקשורים לריפוי UV-LED כוללים עוצמת ריפוי מבוקרת, ציוד מדרגי והעובדה שהמכונות קטנות וקומפקטיות יותר.
אחת הסוגיות שתעשיית הריפוי התמודדה איתן הייתה חוסר עקביות בשיטת המדידה ובהגדרות הפרמטרים, למשל, המגדירות עוצמה רדיומטרית. UV LED ריפוי האגודה (www.uvledcuring.org) הוקמה לאחרונה על ידי ריפוי יצרנים Phoseon טכנולוגיה, אינטגרציה טכנולוגיה מוגבלת ודינמיקה לומן כדי "להגדיר קווים מנחים ולהבטיח תאימות ברחבי התעשייה," אמר ביל Cortelyou, נשיא ומנכ"ל Phoseon טכנולוגיה. העמותה מבקשת גם לסייע להאיץ את הפיתוח של יישומים המתאימים במיוחד לנורי UV, לחנך חוקרים, אינטגרטורים ומשתמשי קצה לגבי היתרונות של UV LEDs, ולספק פורום לתקשורת ושיתוף פעולה בתעשייה.
"ב-15 שנות הניסיון שלנו בטכנולוגיית ריפוי LED, התעשייה הבינה פריצות דרך משמעותיות שהוכיחו נורות LED כחלופה בת קיימא המספקת יתרונות משמעותיים", אמר אלן פירוג', נשיא ומנכ"ל לומן דיינמיקס שבסיסה באונטריו, קנדה. הוא הוסיף , "האגודה לריפוי UV LED יהיה אינסטרומנטלי בסיוע לשוק להשיג ידע ותובנה על טכנולוגיית UV LED והיתרונות המסחריים הרבים שלה."
עמותה שנייה, האגודה הבינלאומית LED-UV (www.leduv.org), הוקמה בספטמבר 2011 ביפן כדי לארגן יצרני מדפסות UV-LED, יצרני UV-LED ומגבשי דיו וציפוי המחויבים לפיתוח טכנולוגיות הדפסה בר קיימא וידידותיות לסביבה UV-LED.
יצרני שבבים
חברות המייצרות שבבי UV-LED כוללות קריסטל IS, שבסיסה בגרין איילנד, ניו יורק (תבלה 3);. Dowa אלקטרוניים חומרים Co בע"מ, מבוסס בטוקיו, יפן;. חברת Nichia, שבסיסה בטוקושימה, יפן; SemiLEDs, מבוסס ב Hsinchu, טייוואן;.. SETi, וסיאול Optodevice Co בע"מ, מבוסס קיונג'י-דו, קוריאה, חברה בת בבעלות מלאה של סיאול מוליכים למחצה.
ת.ד. 6. מערכי UVClean LED של SETi מספקים אור UV עמוק בהספק גבוה מאוד במהירות של 300-320 מילימטרים, הטווח האופטיממלי עבור פוטותרפים.
ת.ד. 6.
יצרני UV-LED מתמקדים בשיפור מתמיד של היעילות ואורך החיים של המכשירים שלהם תוך הפחתת העלות. סיאול Optodevice יש הסכם שותפות ייצור עם SETi, אשר מייצרת מגוון רחב של UV LED ומנורות, ומבצעת הכל מעיבוד וופל לעיצוב מנורה מותאמת אישית. החברה מספקת פולטי UV בחבילות זכוכית מתכת אטומות הרמטית (TO-18, TO-39 ו-TO-3), עם מוצרים סטנדרטיים ופתרונות מותאמים אישית המשתרעים על פני טווח אורך הגל בין 240 ל-355 טנ"מ. איור 6 מציג דוגמאות של מערכי UV-LED במנורות שנועדו לספק קרינה בטווח של 300-320 ננ"מ עבור יישומי פוטותרפיה כגון טיפול במצבי עור כגון פסוריאזיס או אקזמה.
טים Bettles, מנהל שיווק ומכירות ב SETi הצהיר כי הסכם הייצור שלה עם סיאול Optodevice נועד לעזור SETi להניע את נפחי UV שלה של UV LED ומנורות גבוה יותר תוך נהיגה למטה עלויות. "מוצרי UV-LED הראשונים שלנו הושקו בשנת 2004 ומאז, עשינו דרך ארוכה הן בפיתוח טכנולוגיה והן באימוץ שוק. כעת אנו מהילוכים את היכולת של SETi לייצור בנפח גבוה כדי לספק דרישות חדשות המגיעות מהשווקים הצרכניים המיינסטרים, "אמר Bettles. SETi הודיעה לאחרונה על רכישת מתקן חדש, שבו היא מתכננת לייצר מעל 100 מיליון UV LEDs בשנה.
דווין טאנג, מנהל השיווק של SemiLEDs הצהיר כי לחברה יש קו שלם של קוביות חשופות ו-10-000-nm של הספק גבוה בטווח של 360-400 ננ"מ. הוא ציין כי מוצרי החברה מובדילים מאחרים ביחס למצעים מסגסוגת נחושת שבבים, המאפשרים מוליכות תרמית גבוהה (400 ואט / ח"כ) ומצעים סיליקון בחבילות, אשר מפחיתים את העלות.
Epigap Optronic, שבסיסה בברלין, גרמניה, המפיץ הראשי של נורות UV של Dowa, הצהיר כי Dowa מייצרת 265, 280, 310, 325 ו 340 nm קוביות חשופות או נורות נרד ארוזות. Nichia מייצרת 365, 375 ו 385 nm משטח הר גבוה-הרנורות ומנורות בהד כוח נמוך. קריסטל IS מייצרת 260 נהל UV LEDs והיא החברה היחידה לייצר נוריון על מצעים AlN.
בעיות עיבוד וופל
כפי שצוין בעבר, epilayers של InGaN ו GaN, גדל על ידי MOCVD, משמשים עבור אורך גל גבוה יותר UV LEDs מפוברק על מצעי ספיר, אבל באכי גל נמוך, אפירמות של אלגה עם תוכן אלומיניום הגדלת יש להשתמש. ישנן קומפוזיציות רבות ושונות המערבות שכבות של AlGaN, AlInGaN, AlInN ו- AlN epilayers, אבל לא משנה מה ההרכב, זה הופך להיות קל יותר לגדל חומרים מבוססי AlGaN על מצעים AlN מאשר ספיר בשלב מסוים, אשר עודד את הפיתוח של ספקי AlN-מצע כגון הקסטק, מבוסס Morrosville, NC. עם זאת, מצעי AlN זמינים רק בגדלים קטנים ונשארים הרבה יותר יקרים מוופלים ספיר, ובכך להגביל את השוק הזה.
ת.ד. 7. פלט ספקטרלי של מנורת אדי כספית באזורים גלויים.
ת.ד. 7.
לאחרונה, תיאודור Moustakas של אוניברסיטת בוסטון יש חלוץ MBE שימוש (epitaxy קרן מולקולרית) לגדול יעיל יותר (יעילות קוונטית פנימית גבוהה) UV LED התקנים באמצעות שכבות מבוססות AIGaN על מצעי ספיר. גישה זו תתחרה בטכניקות MOCVD השונות המשמשות להפקדת AlGaN היום.
אופטיקה ואריזה
למרות שיצרני UV LED עבדו קשה כדי לשפר את היעילות הקוונטית הפנימית ואת היעילות האופטית, היעילות הכוללת נותרה מתחת ל-20%, כלומר יש להתפזר חום רב מצומת דיודה. "כדי להשיג את צפיפויות השטף הנדרשות עם טכנולוגיות השבבים של היום - יש להניע את המקרנים הרב-מתים בזרם הגבוה ביותר. הדבר אפשרי רק עם חבילת LED המסוגלת לטפל בצפיפות חשמל קיצונית למשך חיי המוצר. חבילה ללא מתח תרמית ועדשת זכוכית לעזור לחסל מצבי כשל אריזה נפוצים הקשורים UV LEDs, "אמר תומאס. הוא תיאר את המצע הקרמי המותקן בפטנט של LED Engin עם התנגדות תרמית נמוכה באופן מהיר, המבצעת במהירות חום מצומת die (תארבה 2).
בעוד מערכי UV LED מסוימים ארוזים על מצעים קרמיים, יצרנים רבים, במיוחד של התקני שבב יחיד, להשתמש TO-יכול להקליד חבילות חור דרך עם ראש זכוכית המציע שידור גבוה של UV. החלפת עדשות אפוקסי עם זכוכית שטוחה או בצורת כיפה המסוגלת לשידור UV היא התפתחות חדשה יחסית, וכה שאיפשרה הארכה של משך חיים של כ-5,000 שעות עד ל-30,000 שעות. UV מאיץ את ההשפלה של חומר האפוקסי באופן לא ליניארי, ומשפיע ישירות על החיים. עדשות הזכוכית מספקות עמידות משופרת ואמינות משופרת. חלופה נוספת היא לשלב עדשת זכוכית עם תסרוקן סיליקון כדי להכיל צפיפות שטף גבוהה עוד יותר ויעילות גבוהה יותר אך זמן חיים קצר יותר (15,000-20,000 שעות).
הבחירה אם להשתמש איטום הרמטי בחבילה נקבעת לעתים על ידי החומרים בשבב. "אלומיניום-nitride הטבה כמעט מכתיבה את השימוש בחבילה הרמטית, כי גבוה יותר את תכולת האלומיניום, גבוה יותר הזיקה של המכשיר לחמצן , כך חותם הרמטי יגן על מכשיר UV טוב יותר, ",הסביר פרנק גינדל, מנהל פיתוח מוצר עבור Schott אריזה אלקטרונית ב Landshut, גרמניה. החבילה החדשה המבוססת על נחושת וזכוכית מ-Schott מציעה את היתרונות של מוליכות תרמית גבוהה והרמיות.
הסכנות של UV
חשוב להכיר בכך שחלק מאותן תכונות שהופכות את UV LEDs לחזקים ושימושיים מאוד - אורך הגל הנמוך שלהם ואנרגיה גבוהה -. הן גם התכונות שהופכות אותם מסוכנים תוויות אזהרה על UV LEDs ומוצריהם ברורים אבל לשאת ציין :. UV-LEDs פולטים קרינה אולטרה סגולה בלתי נראית בעת פעולה, אשר עלולה להזיק לעיניים או לעור, אפילו לתקופות קצרות (לקבלת מידע נוסף על בטיחות פוטוביולוגית, עיין בסדרת המאמרים שלנו, חלק 3 מהם מופיע ב- p.63 של בעיה זו.)
השלבים הבאים
כאשר התבקש לזהות את הנושא המרכזי שעשוי למנוע ממשתמשי UV לעבור ממקורות אדי כספית לנורי UV, משתתפים רבים בתעשייה אומרים שזה מסתכם בשבירת המומנטום הקיים בתעשייה, וכמובן, עלות. לים חושב שאיסוף מתיק הגל יעשה דרך ארוכה לקראת אימוץ. "אני חושב שאם אנחנו יכולים לקבל טוב 250-nm, 285-nm ו 300-nm LEDS, אלה שלושה אורכי גל, אז אנחנו יכולים פחות או יותר לסגור את הדלת על מנורות קשת כספית."
