En relació amb els LED visibles, els LED UV són un mercat tranquil per només 30 milions de dòlars, tot i que els recents avenços en potència i intensitat radiant han permès el desplaçament de les làmpades de vapor de mercuri en aplicacions com ara el curat UV i la detecció de falsificacions, segons LAURA PETERS.
+ + + +
Aquest article es va publicar al número de febrer de 2012 de la revista LEDs.
Consulteu la taula de continguts i descarregueu el fitxer PDF del número complet de febrer de 2012.
+ + + + +
Sota l’espectre visible hi ha una banda de longituds d’ona anomenades ultraviolades (UV). Des de 100 a 400 nm, la radiació es pot utilitzar eficaçment per esterilitzar cosmètics, realitzar anàlisis forenses, curar materials (Fig. 1) i desinfectar l'aigua, entre moltes altres aplicacions. Avui en dia, com és el cas dels LEDs de l’espectre visible, els LED UV només comencen a substituir les fonts UV establertes en una àmplia gamma de mercats.
. FIG 1 Sistema de curat basat en LED amb llum UV refredat per aire Firefly (font: Phoseon Technology) ..
FIG. 1.
"En comparació amb la indústria de la il·luminació LED multimilionària, el mercat dels LED UV suposa un error d'arrodoniment al voltant dels 30 milions de dòlars, però està creixent ràpidament", va dir Mike Lim, director global de nous negocis industrials i de Luminus Devices, amb seu a Billerica. , MA.
Amb diferència, el mercat de la curació UV està experimentant el major augment de l’adopció de LED UV a causa de l’avenç relativament recent en la densitat de flux de xips UV-LED més enllà de la marca de 4W / cm2 a les diferents longituds d’ona necessàries per introduir el curat UV-LED instal·lacions. "Per primera vegada, els LED han assolit les densitats de potència que fan que els LED UV siguin competitius amb les fonts existents", va dir Uwe Thomas, director general de components emissors amb LED Engin, un proveïdor de LEDs UV i visibles amb seu a Santa Clara, CA.
UV-A, B i C.
El curat implica la polimerització creuada d’un material fotosensible, que pot ser una tinta (impressió), adhesiu o revestiment, i es realitza principalment a 395 nm, 385 nm o 365 nm, longituds d’ona que formen part de l’espectre UV-A (315 -400 nm). Una altra important aplicació UV-A són els sistemes d’inspecció basats en la visió artificial. Les llanternes UV-LED d’aquesta gamma s’utilitzen per detectar identificacions i divises fraudulentes i ofereixen l’avantatge d’utilitzar-se en entorns ben il·luminats, cosa que és difícil si s’utilitza una làmpada de vapor de mercuri.
A l’espectre UV-B (280-315 nm), les aplicacions dels LED UV inclouen curació, teràpia de llum mèdica, anàlisi forense i descobriment de fàrmacs. La firma d’investigació de mercat Yole Développement (Lió, França) ha estimat que el 90% de les aplicacions de LED UV actuals es basen a les regions UV-A i UV-B (Fig. 4). Yole ha afirmat que espera que el mercat dels LED UV creixi un 30% anual, passant de 25 milions de dòlars el 2010 a més de 100 milions de dòlars el 2016. La figura 5 mostra una previsió encara més optimista de l'Associació per al Desenvolupament de la Indústria Optoelectrònica, l'Associació Internacional d'Optoelectrònica i el Consorci Europeu de la Indústria Fotònica.
FIG 2 Emissor UV multi-matriu en un paquet de ceràmica (font: LED Engin) ...
FIG. 2.
Més enllà d’aquestes aplicacions, se sap que la radiació UV-B té propietats beneficioses per a la salut, inclosa la síntesi natural de vitamina D en humans exposats a la llum solar. La UV-B també accelera la producció de polifenols en certes hortalisses de fulla com l’enciam vermell. Es creu que els polifenols tenen qualitats antioxidants. "Generalment, aquestes plantes es conreen en hivernacles actualment, que filtren intencionadament la porció UV de l'espectre per maximitzar el creixement de les plantes. Curiosament, tenim evidències que quan aquestes plantes estan exposades als LED UV-B poc temps abans de la collita, el seu contingut en polifenols augmenta sense comprometre la massa vegetal ", va explicar Cary Eskow, director global de LED i il·luminació avançats d'Avnet Electronics Marketing a Phoenix , AZ, que distribueix els LED UV. Va continuar "Aquest és un mètode nou per augmentar l'atractiu d'alguns aliments sense utilitzar productes químics. Els polifenols també han rebut atenció a causa de les seves suposades propietats anticarcinogèniques, antiproliferatives i antimutagèniques. "
En el rang espectral inferior de UV-C (100-280 nm), les principals aplicacions de LED són l’esterilització d’aire i aigua i una gamma d’eines analítiques, incloses les que realitzen mesures espectroscòpiques i de fluorescència. Els detectors químics i biològics també funcionen en aquest rang espectral.
Els raigs UV de 250-275 nm esterilitzen aigua, aire i superfícies trencant l’ADN i l’ARN dels microorganismes i evitant la seva reproducció. Concretament, es creu que la longitud d’ona més efectiva per eradicar patògens com l’E-coli a l’aigua és de 275 nm. De fet, els enginyers de Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), amb seu a Columbia, SC, han determinat que la longitud d’ona òptima per a la desinfecció de l’aigua és de 275 nm. SETi ha demostrat la desinfecció de l'aigua potable en un sistema de flux en línia que utilitza menys de 40 mW de potència UV.
Alternatives a les làmpades d'arc de mercuri
En les operacions de curat de producció, les làmpades de vapor de mercuri es veuen obstaculitzades per la curta vida útil (2000-10.000 hores), els temps d’escalfament i refredament lents i la distribució d’energia espectral àmplia. "A més, més del 60% de l'energia que s'aplica a una làmpada típica de vapor de mercuri es retransmet com energia infraroja, és a dir, calor", va dir Eskow. Va afegir que la producció d'UV d'una làmpada de vapor de mercuri cau ràpidament durant la seva vida útil perquè part del seu material d'elèctrode es vaporitza, dipositant una pel·lícula a l'interior del tub de quars que la radiació ultraviolada no pot penetrar. Com a resultat, l'usuari no pot predir fàcilment la quantitat d'UV generada en un moment posterior ;. sovint aquest és un paràmetre crític del procés.
FIG. 3. LED UV-C per a aplicacions germicides, de Crystal IS, Inc. La companyia va ser adquirida recentment per Asahi Kasel, amb seu al Japó.
FIG. 3.
La làmpada de mercuri té un pic principal a 365 nm, però diversos pics més petits a les regions visibles i infraroges (Fig. 7). Un desavantatge d’aquests pics aliens és la generació de calor durant la impressió i altres operacions de curat. "Amb els plàstics i altres materials sensibles a la calor, hi ha hagut reptes reals en la impressió perquè el suport es distorsiona de la calor de la làmpada de mercuri", va explicar Steve Metcalf, CEO i president d'Air Motion Systems (AMS), un fabricant de curat sistemes basats a River Falls, WI. Va posar exemples que inclouen targetes de regal de plàstic o targetes de crèdit, que utilitzen impressió litogràfica alimentada amb fulls.
Metcalf va afegir que moltes persones que no haurien tingut en compte el curat UV a causa de la complexitat dels processos de curat estàndard (l’alta tensió, la calor de les bombetes de mercuri i els problemes ambientals), ara consideraran el curat amb LED UV perquè subverteix les molèsties tradicionals del procés antic .
Els LED UV aporten avantatges com saber exactament quin nivell de potència s’està subministrant al mitjà de curació, així com altres avantatges que es coneixen amb els LEDs, com la capacitat de modular l’amplada de pols de la sortida, va afirmar Eskow.
La transició als LED UV també va obrir la porta a formulacions de curació més respectuoses amb el medi ambient. Amb la propera generació de productes que desenvolupaven les empreses de tinta, recobriment i adhesius, van aprofitar l’oportunitat d’eliminar els compostos orgànics volàtils (COV) associats a les formulacions basades en dissolvents de les químiques anteriors.
Optimització del curat
Per als dispositius UV de longitud d’ona més llarga, de manera similar a la fabricació de LEDs blaus, les capes de capes basades en InGaN es conreen en substrats de safir per produir LED UV de 385, 395 i 405 nm per a la seva curació. Un dels avantatges clau dels dispositius de longitud d’ona més alta és que es poden conduir a una potència superior. "395 nm és realment el punt dolç per a la curació dels LEDs UV, perquè a 405 nm la formulació és sensible a la llum ambiental, de manera que voleu estar poc per sota dels 400 mentre pugueu conduir els LED a una potència elevada", va dir Lim. Tots els principals proveïdors de formulacions de curat (fotoiniciadors i resines) han introduït recentment al mercat tintes i recobriments de longitud d’ona superior per satisfer aquesta necessitat.
FIG. 4. La majoria de les aplicacions es troben a les parts de l’espectre UV-A i UV-B.
FIG. 4.
A més de produir més potència, els LED UV de longitud d’ona més alta presenten una eficiència més elevada dels endolls de paret. Per exemple, a 365 nm, la potència de sortida d’un LED UV és només del 5-8% de la potència d’entrada. A 385 nm, aquesta eficiència millora, però només fins a un 15%, cosa que fa que el xip de longitud d’ona més alta sigui la millor opció.
Els processos de curat requereixen LED de gran potència (xips / xips múltiples) disposats en una matriu ajustada en una configuració de xip a prop de la finestra de l’emissor amb un sistema intern refrigerat per aire o aigua per eliminar la calor del part posterior del tauler. "No importa quina sigui la intensitat UV a la finestra de l'emissor, el que importa és la intensitat a la superfície del suport", va dir Metcalf. Depenent de l’equip i de l’aplicació de curat, els suports poden estar d’1 a 100 mm de la finestra de l’emissor, per a la qual AMS ha produït una òptica especial. A més, s’utilitza un PCB refrigerat per metall per enfonsar la calor fora de la matriu dels LED.
També s’utilitza refrigeració per aire. Per exemple, el sistema de curat que es mostra a la figura 1, que té una finestra emissora de 150 x 20 mm i una densitat de flux de 4W / cm², es pot utilitzar per a tintes de curat per punts, recobriments o adhesius. Avui en dia, els equips de curat UV-LED sovint estan especialment dissenyats per adaptar-se a l'aplicació. Metcalf descriu les grans impressores de pancarta de llit pla com a capaces d’utilitzar LEDs de menor potència, però les tecnologies digitals, offset i flexogràfiques de major velocitat requereixen bancs molt distants de LEDs de densitat alta. Tot i que la radiació no és visible, s’utilitzen òptiques col·limadores per proporcionar la radiació amb un nivell de potència uniforme a través dels mitjans objectiu. El curat per injecció de tinta digital va ser el primer segment que va adoptar els LED UV a causa de la distància propera requerida als suports perquè els caps d’impressió funcionessin de manera òptima. Es va adaptar de manera natural a les làmpades LED-UV, ja que la intensitat de curat és més alta a la finestra de l'emissor.
FIG. 5. Història i previsió del mercat amb LED UV.
FIG. 5.
Stacy Volk, especialista en comunicacions de màrqueting de Phoseon Technology a Hillboro, Oregon, un fabricant de sistemes de curat UV-LED, va assenyalar alguns dels avantatges addicionals associats al curat UV-LED: una intensitat de curat controlada, equips escalables i el fet que les màquines són més petites i compactes.
Un dels problemes amb què s’ha enfrontat la indústria de curació ha estat les inconsistències en la pràctica de mesurament i les definicions de paràmetres, per exemple, la definició de la intensitat radiomètrica. L’associació UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) ha estat creada recentment pels fabricants de curats Phoseon Technology, Integration Technology Limited i Lumen Dynamics per "establir directrius i garantir la compatibilitat en tota la indústria", va afirmar Bill Cortelyou, president i director general de Phoseon Technology . L’associació també busca ajudar a accelerar el desenvolupament d’aplicacions especialment adequades per als LED UV, educar investigadors, integradors i usuaris finals sobre els avantatges dels LED UV i proporcionar un fòrum per a la comunicació i la col·laboració de la indústria.
"En els nostres 15 anys d'experiència en tecnologia de curat de LED, la indústria ha realitzat avenços significatius que han demostrat que els LED són una alternativa viable que proporciona beneficis substancials", va dir Allan Firhoj, president i director executiu de Lumen Dynamics amb seu a Ontario, Canadà. Va afegir: “L’associació UV LED Curing serà fonamental per ajudar el mercat a obtenir coneixements i coneixements sobre la tecnologia UV LED i els seus nombrosos beneficis comercials”.
Una segona associació, la International LED-UV Association (www.leduv.org), es va formar el setembre del 2011 al Japó per organitzar fabricants d’impressores UV-LED, fabricants de UV-LED i formuladors de tinta i recobriment que es comprometen a desenvolupar les tecnologies d'impressió UV-LED respectuoses amb el medi ambient.
Fabricants de xips
Entre les empreses que fabriquen xips UV-LED hi ha Crystal IS, amb seu a Green Island, Nova York (figura 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd, amb seu a Tòquio, Japó ;. Nichia Corp, amb seu a Tokushima, Japó ;. SemiLEDs, amb seu a Hsinchu, Taiwan; .. SETi, i Seoul Optodevice Co Ltd, amb seu a Kyunggi-do, Corea, una filial totalment propietària de Seoul Semiconductor.
FIG. 6. Les matrius LED de SETi UVClean ofereixen una llum ultraviolada profunda de molt alta potència a 300-320 nm, el rang òptim per a les fototeràpies.
FIG. 6.
Els fabricants de LEDs UV es centren a millorar contínuament l’eficiència i la vida útil dels seus dispositius alhora que redueixen els costos. Seül Optodevice té un acord de col·laboració de fabricació amb SETi, que fabrica una àmplia gamma de llums LED i LED UV, i realitza des del processament d’hòsties fins al disseny de làmpades personalitzades. L’empresa subministra emissors UV en paquets de vidre metàl·lic hermèticament tancats (TO-18, TO-39 i TO-3), amb productes estàndard i solucions personalitzades que abasten el rang de longitud d’ona de 240 a 355 nm. La figura 6 mostra exemples de matrius LED-UV en làmpades dissenyades per administrar radiació en el rang de 300-320 nm per a aplicacions de fototeràpia, com ara el tractament d’afeccions cutànies com la psoriasi o l’èczema.
Tim Bettles, director de màrqueting i vendes de SETi, va afirmar que el seu acord de fabricació amb Seoul Optodevice està dissenyat per ajudar SETi a augmentar els seus volums de LEDs i llums UV mentre redueix els costos. “Els nostres primers productes UV-LED es van llançar el 2004 i des de llavors hem recorregut un llarg camí tant en el desenvolupament de tecnologia com en l’adopció del mercat. Ara estem orientant la capacitat de SETi per a la fabricació de grans quantitats per atendre les noves demandes dels mercats principals del consumidor ", va dir Bettles. SETi va anunciar recentment la compra d’una nova instal·lació, on preveu fabricar més de 100 milions de LEDs UV a l’any.
Devin Tang, responsable de màrqueting de SemiLEDs, va afirmar que l’empresa tenia una línia completa de daus nus i LED empaquetats d’alta potència de muntatge superficial en un rang de 360-400 nm. Va assenyalar que els productes de la companyia es diferencien d'altres respecte als substrats d'aliatge de coure dels xips, que permeten una alta conductivitat tèrmica (400 W / mK) i substrats de silici als paquets, que redueixen els costos.
Epigap Optronic, amb seu a Berlín, Alemanya, el principal distribuïdor de LED UV de Dowa, va afirmar que Dowa fabrica daus nus de 265, 280, 310, 325 i 340 nm o LED empaquetats. Nichia fabrica LEDs d'alta potència i làmpades de baixa potència de 365, 375 i 385 nm. Crystal IS fabrica LED UV de 260 nm i és l'única empresa que produeix LED en substrats d'AlN.
Problemes de processament d’hòsties
Com s’ha indicat anteriorment, les capes de capa d’InGaN i GaN, cultivades per MOCVD, s’utilitzen per a LEDs de longitud d’ona més alta fabricats en substrats de safir, però a longituds d’ona més baixes s’han d’utilitzar capes de capa d’algaAN amb un contingut d’alumini creixent. Hi ha moltes composicions diferents que inclouen capes de capes de capa AlGaN, AlInGaN, AlInN i AlN, però sigui quina sigui la composició, en algun moment es fa més fàcil conrear materials basats en AlGaN en substrats AlN que safir, cosa que ha afavorit el desenvolupament de proveïdors de substrats AlN. com Hexatech, amb seu a Morrosville, NC. No obstant això, els substrats AlN només estan disponibles en mides petites i continuen sent molt més cars que les neules de safir, cosa que limita aquest mercat.
FIG. 7. Sortida espectral d’una làmpada de vapor de mercuri a les regions UV i visibles.
FIG. 7.
Recentment, Theodore Moustakas de la Universitat de Boston ha estat pioner en l’ús de MBE (epitaxia de feix molecular) per fer créixer dispositius LED UV més eficients (d’alta eficiència quàntica interna) que utilitzen capes basades en AIGaN sobre substrats de safir. Aquest enfocament competiria amb les diverses tècniques MOCVD que s’utilitzen per dipositar AlGaN actualment.
Icsptica i embalatge
Tot i que els fabricants de LEDs UV han estat treballant intensament per millorar l’eficiència quàntica interna i l’eficiència òptica, l’eficiència general es manté per sota del 20%, cosa que significa que s’ha de dissipar una gran quantitat de calor de la unió del díode. “Per aconseguir les densitats de flux necessàries amb les tecnologies actuals de xips, els emissors multi-matrius han de ser conduïts al corrent més alt. Això només és possible amb un paquet LED capaç de manejar densitats de potència extremes durant tota la vida del producte. Un paquet sense estrès tèrmicament combinat i una lent de vidre ajuden a eliminar els modes de fallida d’embalatge habituals associats als LED UV ”, va dir Thomas. Va descriure el substrat ceràmic multicapa patentat per LED Engin amb una resistència tèrmica extremadament baixa que condueix ràpidament la calor des de la unió de la matriu (figura 2).
Tot i que algunes matrius de LED UV s’envasen en substrats ceràmics, molts fabricants, en particular de dispositius d’un sol xip, utilitzen paquets de forats passants de tipus TO amb tapa de vidre que ofereixen una elevada transmissió d’UV. La substitució de lents epoxi per vidres plans o en forma de cúpula capaços de transmissió UV és un desenvolupament relativament nou i que ha permès una extensió de la vida útil d’unes 5.000 hores fins a 30.000 hores. Els raigs ultraviolats acceleren la degradació del material epoxi de manera no lineal, afectant directament la vida útil. Les lents de vidre proporcionen una durabilitat i una fiabilitat millorades. Una altra alternativa és combinar una lent de vidre amb un encapsulant de silicona per donar cabuda a una densitat de flux encara més elevada i una eficiència més alta però una vida útil més curta (15.000-20.000 h).
L’elecció de si s’utilitza un segellat hermètic al paquet de vegades es determina pels materials del xip. "Un substrat de nitrur d'alumini gairebé dicta l'ús d'un paquet hermètic, perquè com més alt sigui el contingut d'alumini, més gran serà l'afinitat del dispositiu per l'oxigen, de manera que un segell hermètic protegirà millor el dispositiu UV", va explicar Frank Gindele, director de desenvolupament de productes de Schott Electronic Packaging a Landshut, Alemanya. El nou paquet a base de coure i vidre de Schott ofereix els avantatges d’una alta conductivitat tèrmica i hermeticitat.
Perills dels raigs ultraviolats
És important reconèixer que algunes de les mateixes qualitats que fan que els LED UV siguin molt potents i útils (la seva baixa longitud d’ona i la seva alta energia). També són les qualitats que els fan perillosos. Les etiquetes d'advertència dels LED UV i els seus productes són clares, però cal tenir en compte:. Els LED UV emeten radiació ultraviolada invisible quan funcionen, que pot ser perjudicial per als ulls o la pell, fins i tot durant breus períodes (per obtenir més informació sobre seguretat fotobiològica, consulteu la nostra sèrie d’articles, la part 3 apareix a la p.63 d’aquest número .)
Propers passos
Quan se’ls demana que identifiqui el problema clau que podria evitar que els usuaris d’UV canviïn de fonts de vapor de mercuri a LED UV, molts participants de la indústria diuen que es tracta de trencar amb l’impuls de la indústria existent i, per descomptat, del cost. Lim pensa que un arrodoniment de la cartera de longituds d'ona donaria un llarg camí cap a l'adopció. "Crec que si aconseguim bons LEDs de 250 nm, 285 nm i 300 nm, aquestes tres longituds d'ona, podem tancar gairebé la porta de les làmpades d'arc de mercuri".
