Ртутные лампы разработаны и используются очень хорошо, поэтому ртутные лампы традиционно считаются стандартными источниками света. Тем не менее, разработка ультрафиолетовых светодиодов только началась, и будущее пространство для разработки все еще огромно. Кроме того, отраслевая цепочка ультрафиолетовых светодиодных ламп очень длинная, от выращивания кристаллов, резки стружки до упаковки чипов, до интеграции модулей источника ультрафиолетового света, но также включает в себя управление источником питания и конструкцию системы охлаждения, и т. д., каждый шаг в конечном продукте - качество ультрафиолетового света очень важно. Следовательно, для исследований и разработок системы УФ-светодиодов очень важно понимать границы способности УФ-светодиодов и расширять границы возможностей УФ-светодиодов.

А. Разница между Hight Power УФ-светодиодный источник света и ртутная лампа (преимущества и недостатки, общественное недопонимание ультрафиолетовых светодиодов)

Если мы хотим заменить традиционную ртутную лампу УФ-светодиодом, мы должны сначала узнать разницу между ртутной лампой и УФ-светодиодом, каковы их преимущества и недостатки и так далее. Ультрафиолетовые покрытия могут отверждаться, потому что при формулировке инициатор света поглощает определенную длину волны ультрафиолетового света и производит свободные радикалы (или катионы, анионы), а затем инициирует полимеризацию мономера.

Спектр излучения ртутной лампы непрерывный, от ультрафиолетового до инфракрасного, особенно в ультрафиолетовых лучах и коротковолновых ультрафиолетовых лучах, интенсивность концентрируется, а спектр излучения ультрафиолетовых светодиодов узок. Общий пик составляет 365 нм и 395 нм (включая 385, 395, 406 нм) этих двух полос.

Основное промышленное применение - полоса UVA вблизи ультрафиолетового излучения. В диапазоне длин волн 365 нм и 395 нм УФ-светодиодные источники света Молярный коэффициент экстинкции большинства инициаторов относительно низок. Следовательно, Мощный ультрафиолетовый светоизлучающий диод для УФ-отверждения обычно вызывает низкую эффективность инициирования и серьезные проблемы кислородостойкой полимеризации, которая не способствует сушке поверхности.

Примечание: в настоящее время многие Ультрафиолетовые светодиодные фонари для производителей ультрафиолетовых фонариков или производители светодиодных УФ-покрытий утверждают, что светодиодные УФ хорошо шлифуют. Строго говоря, это результат плохого отверждения поверхности. Трудно не хорошо шлифовать, но как добиться регулируемого шлифования, которое является износостойким и хорошо шлифуется. Есть даже некоторые производители, вешающие собачью собачью голову. В задней части УФ-лампы добавлена ​​ртутная лампа, реальным эффектом по-прежнему остается ртутная лампа.

Тем не менее, мы также можем видеть, что интенсивность света Паяльные ультрафиолетовые светодиодные фонари для УФ-покрытия гораздо сильнее, чем у ртутной лампы на 395 нм и 395 нм, что способствует глубокому отверждению УФ материала. Многие традиционные устройства, отверждаемые ультрафиолетовым излучением, используют галлиевую лампу за ртутной лампой (длина волны основного излучения 415 нм) для усиления глубокого отверждения.

Второй вопрос, о котором мы хотим поговорить, - это энергосбережение светодиодов. Вообще все думают, что Мощный ультрафиолетовый светодиод для ультрафиолетового фонарика более энергосберегающий, чем ртутная лампа. Даже многие производители выдвинули пропагандистский лозунг, что ультрафиолетовый светодиод может снизить потребление энергии на 70%. на самом деле, есть большое недоразумение, есть две причины: во-первых, сенсация некоторых предприятий, преувеличенная пропаганда; во-вторых, многие люди вообще не понимают, что такое ультрафиолетовый светодиод, путая эти два понятия.

Обычно это основано на том факте, что ртутные лампы излучают только 30% ультрафиолетового света, тогда как ультрафиолетовый светодиод излучает весь ультрафиолетовый свет. Что действительно влияет на энергопотребление системы, так это эффективность фотоэлектрического преобразования и эффективность света. Эффективность фотоэлектрического преобразования ртутной лампы очень высока, но большая часть света, излучаемого ртутной лампой, представляет собой видимый свет и инфракрасный свет, а для отверждения УФ-материала требуется только 30% ультрафиолетового света.

Ультрафиолетовый светоизлучающий диод для УФ-печати, с другой стороны, гораздо менее эффективен, примерно на 30%. Это почти так же эффективно, как ртутная лампа. Согласно принципу сохранения энергии, оставшиеся 70% электроэнергии преобразуются в тепло. Единственное отличие состоит в том, что тепло УФ-светодиода рассеивается от задней части лампы через панель лампы, и на блестящей поверхности нет тепла, отсюда и название «источник холодного света» УФ-светодиода. Пары ртути поступают с фронта через отражатель и инфракрасный порт. Вот почему ультрафиолетовые светодиодные источники света обычно нуждаются в воздушном охлаждении для рассеивания тепла. Источники света ультрафиолетовых светодиодов высокой мощности также должны быть оснащены водой для рассеивания тепла в соответствии с 70% электрической мощности источника света.

Что действительно может достичь энергосбережения, так это Ультрафиолетовый светодиод для УФ-отверждения можно сразу же использовать, можно добиться точного облучения с помощью оптической конструкции, улучшить характеристики эффективной световой эффективности, и для этого требуется совместное использование инфракрасного обнаружения, интеллектуального управления и т. д., для большинства производителей УФ-светодиодного оборудования на рынке недостаточно сил для проведения этого аспекта исследований и разработок.

Третий и самый важный момент - защита окружающей среды. Загрязнение окружающей среды ртутной лампой в основном имеет две точки:

1. Спектр излучения ртутной лампы имеет дальний ультрафиолетовый свет ниже 200 нм, что приводит к образованию большого количества озона (многие работники цеха сообщили, что ртутная лампа будет чувствовать запах, что является основной причиной).

2. Срок службы ртутных ламп относительно короткий, всего 800-1000 часов. Вторичное загрязнение (ртутное загрязнение), вызванное заброшенными ртутными лампами, всегда было трудной проблемой для решения.

Сообщается, что для утилизации ртутных отходов требуются две гидроэлектростанции в трех ущельях, и, что еще хуже, не существует хорошего способа полностью утилизировать ртутные отходы. У УФ-светодиодов такой проблемы нет. С тех пор, как 16 августа 2017 года в Китае вступила в силу минимаматская конвенция по ртути, вопрос о де-ртути был в повестке дня.

Хотя в конвенции отмечается, что ртутные люминесцентные лампы для промышленного производства, для которых в настоящее время нет альтернативы, не включены в список ограничений, также отмечается, что стороны могут требовать добавления соответствующих продуктов в список ограничений, если альтернативы доступны. Таким образом, продукты УФ-отверждения ртутной лампы, когда полное устранение зависит от разработка УФ-светодиодов в области УФ-отверждения ,

Другие преимущества светодиода включают в себя: Светодиод имеет узкую длину волны, что позволяет добиться точного отверждения (с одной стороны, можно добиться точного локального отверждения, такого как 3D-печать. С другой стороны, можно выбрать разные инициаторы, чтобы лучше достигать разных степеней отверждения). Ультрафиолетовый светодиодный источник света - это структура бусинки лампы, которая может быть отрегулирована в соответствии с необходимостью длины, ширины, угла облучения и т. Д., Сделать его точечным источником света, линейным источником света, поверхностным источником света, чтобы соответствовать требованиям различных процессов облучения.

По сравнению с ультрафиолетовым светодиодом с традиционной ртутной лампой:

B. Получить УФ-отверждения источник света для УФ-материала Параметры

Длина волны 365 нм, 395 нм, интенсивность излучения освещения (интенсивность света, плотность мощности света): мВт / см ^ 2, общая мощность: мДж / см ^ 2.

В процессе отверждения света нельзя оставить три вышеуказанных основных параметра: длину волны, интенсивность и общую мощность, длина волны определяет, может ли световой импульс инициировать свет, интенсивность света определяет эффективность триггера ультрафиолетового света, непосредственно влияют на сухой стол (окислительная полимеризация) и эффект глубокого отверждения, в то время как полная мощность определяет, может ли отверждение полностью.

Самым большим преимуществом светодиодов по сравнению с ртутной лампой является то, что светодиод разработан и регулируется. В пределах возможностей самого светодиода он может максимально корректировать состав в соответствии с требованиями отверждения. В оборудовании для отверждения ультрафиолетовыми светодиодами постоянно расширяется их способность находить точку равновесия. На основе одного светодиода, основанного на формуле краски, чтобы найти наилучшие параметры затвердевания светодиодных источников света.

C. Принцип излучения ультрафиолетовых светодиодов и состояние разработки ультрафиолетовых светодиодных чипов

Согласно принципу перехода электронов, электроны атома возвращаются из возбужденного состояния в основное состояние, высвобождая энергию на разных длинах волн излучения (излучая электромагнитные волны различной длины волны).

Итак, первый способ сделать что-то, что излучает ультрафиолетовый свет, - это найти атом, который имеет состояние возбуждения электронов, которое находится чуть ниже основного состояния в ультрафиолетовом диапазоне, и наша обычная ртутная лампа является наиболее широко используемым источником ультрафиолета.

Второй метод заключается в использовании полупроводникового светоизлучающего принципа (в простых терминах - светоизлучающего полупроводника и прямого напряжения, из области P в N отверстий и посредством области N в электронную область P, вблизи PN-перехода на несколько микрометров соответственно, и дырка рекомбинации электронов и PN области, производящих флуоресцентное спонтанное излучение), чтобы создать ультрафиолетовую полосу источника света.

Хорошо известно, что ширина запрещенной зоны от трех до пяти полупроводниковых материалов в ряду нитрида галлия или нитрида индия-галлия (InGaN) находится между синей и ультрафиолетовой длинами волн.

В теории, тем не менее, любая длина волны света может быть достигнута соотношением светящихся материалов. Ограничено различными условиями, типы ультрафиолетовых светодиодных чипов которые могут быть коммерчески произведены, все еще очень ограничены в настоящее время, и мощные микросхемы, которые могут быть коммерчески применены, в основном сконцентрированы в диапазоне UVA от 365 нм до 415 нм. За последние два года UVB и UVC также продемонстрировали бурную тенденцию, но они в основном ограничены гражданским потребительским рынком дезинфекции, стерилизации и других применений с низким энергопотреблением.

На это есть несколько причин :

1. Структура кристаллического материала определяет световую эффективность (эффективность фотоэлектрического преобразования). В качестве 365 - 405 нм в UVA также можно использовать нитрид галлия (GaN) и индийский галлий с высоким содержанием азота (InGaN). Структуры UVB и UVC основаны на низкоэмиссионных материалах AlGaN, а не на известных в настоящее время нитридах галлия и нитрида индия-галлия, которые поглощают ультрафиолетовый свет ниже 365 нм. В результате световая эффективность UVB и UVC чрезвычайно низка. На примере чипсета LG 278nm эффективность всего фотоэлектрического преобразования составляет всего 2%.

2. Согласно принципу энергосбережения, эффективность фотоэлектронного преобразования 2% означает, что 98% электроэнергии преобразуется в тепло, а срок службы и световая отдача светодиодных чипов обратно пропорциональны температуре. Такая высокая теплоотдача требует высоких требований к рассеиванию тепла. В соответствии с существующим методом рассеивания тепла невозможно добиться эффективного рассеивания тепла чипами высокой мощности UVB и UVC.

3.Чтобы защитить светодиодный чип, чип должен быть инкапсулирован, светодиодный свет является всенаправленным, необходимо добавить линзу для фокусировки света. В дополнение к кварцевому стеклу, большинство материалов имеют очень низкий коэффициент пропускания ультрафиолетового света. Чем короче длина волны, тем ниже коэффициент пропускания. Таким образом, когда световая эффективность уже низка, большая часть света будет поглощаться линзой.

4. Токовые чипы UVB и UVC также являются кристаллами роста реакционной печи на основе UVA. Помимо дефектов самих материалов, существуют также такие проблемы, как несоответствие подложки и коэффициент теплового расширения кристаллов, что приводит к чрезвычайно низкому выходу кристаллов и высокой стоимости.

В целом, поскольку UBV и UVC имеют низкую световую эффективность, высокую стоимость и более высокие требования к теплоотдаче системы, трудно достичь промышленного мощные источники света UVB и UVC перед более значительным прорывом в технологии.

D. Исследование и разработка системы источников ультрафиолетового излучения

Светодиодный чип является лишь важной частью светодиодного источника света, мы проводим исследования и разработки светодиодного источника света, необходимо проводить систематические исследования в целом. В дополнение к длине волны светодиодов, он также включает в себя ряд технологий упаковки, оптического дизайна, системы охлаждения, системы электропитания, интеллектуальной системы управления и так далее.

В настоящее время существует четыре основных структуры упаковки светодиодных чипов, а именно: формальная структура, перевернутая структура, вертикальная структура и трехмерная вертикальная структура. В настоящее время обычные светодиодные чипы имеют формальную структуру сапфировой подложки, простую по структуре и зрелую по технологии изготовления. Однако из-за плохой теплопроводности сапфира тепло, выделяемое микросхемой, едва ли может быть передано радиатору, что ограничено применением мощного УФ-светодиода для УФ-печати.

Флип чип упаковка является одним из актуальных направлений развития. По сравнению с формальной структурой тепло не должно проходить через сапфировую подложку микросхемы, но непосредственно к кремниевой или керамической подложке с более высокой теплопроводностью, а затем во внешнюю среду через металлическое основание. Кроме того, поскольку перевернутая структура не нуждается во внешнем золотом проводе, интегральная плотность чипа может быть очень высокой, улучшая оптическую мощность на единицу площади. Однако как перевернутая структура, так и формальная структура имеют один и тот же дефект, то есть электроды P и N СИД находятся на одной стороне СИД, и ток должен протекать через слой n-GaN в поперечном направлении, что приводит к перегрузке тока и высокая локальная теплотворная способность, которая ограничивает верхний предел тока возбуждения.

Микросхема синего света с вертикальной структурой производится на основе формальной сборки. Чип такого типа предназначен для склеивания чипа с традиционной сапфировой подложкой вверх ногами на кремниевой подложке или металлической подложке с хорошей теплопроводностью, а затем для отслаивания сапфировой подложки лазером. Чип этого субстрата решает проблему узкого места рассеивания тепла, но процесс является сложным, особенно трудно добиться процесса конверсии субстрата, и выход является низким. Тем не менее, с развитием технологии, вертикальная упаковка УФ-светодиодов становится все более зрелой.

Теперь предлагается новая трехмерная вертикальная структура. По сравнению со светодиодной микросхемой с вертикальной структурой основное преимущество светодиодной микросхемы с вертикальной структурой состоит в том, что не требуется золотой провод, что делает корпус более тонким, улучшает эффект рассеивания тепла и облегчает ввод большего тока возбуждения. Тем не менее, существует еще много проблем, которые необходимо решить при применении трехмерной вертикальной структуры.

Поскольку световая эффективность УФ-светодиодов, как правило, ниже, чем у светодиодных светильников, для достижения более высокой светоотдачи обычно выбирают упаковку с вертикальной структурой.

Поскольку свечение светодиодов является всенаправленным, в случае низкой эффективности люминесценции для достижения более эффективной световой эффективности (светоотдачи при положительном освещении) также необходимы научные и разумные оптические конструкции, такие как чашка отражателя, первичная линза, вторичная линза и т. Д. ). Кроме того, из-за того, что коэффициент ослабления ультрафиолетового света выше в среде, поэтому при выборе материала линзы и множественной оценке (кварцевое стекло, стекло с высоким содержанием боросиликатного стекла, закаленное стекло и т. Д.) Попробуйте выбрать материал с высоким коэффициентом пропускания УФ-излучения (как а также избегать попадания света на материал под воздействием ультрафиолета в течение длительного времени и повышения температуры).

Как указывалось ранее, в соответствии с принципом сохранения энергии, когда электрическая энергия преобразуется в энергию света, большая ее часть также преобразуется в тепловую энергию (полоса UVA, электричество: свет: тепло = 10: 3: 7). Эффективный срок службы светодиодной микросхемы тесно связан с сохранением температуры. В процессе отверждения света, чтобы обеспечить более высокую плотность оптической мощности, часто нужно ставить УФ-чипы высокой мощности для УФ-отверждения Интегрированное с высокой плотностью, такое охлаждение выдвигает высокий спрос на то, как реализовать эффективное рассеивание тепла, и гарантировать, что все светодиодные чипы в области разумной и сбалансированной температуры сечения также требуют научного проектирования, компьютерного моделирования и практических испытаний.