По сравнению с видимыми светодиодами, УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫе светодиоды являются спокойным рынком всего в $ 30 млн, но недавние прорывы в сияющей мощности и интенсивности позволили перемещение ртутно-паровых ламп в приложениях, включая УФ-лечения и обнаружения контрафакта, сообщает LAURA PETERS.
+ + + +
Эта статья была опубликована в февральском номере журнала LEDs Magazine за февраль 2012 года.
Просмотр таблицы содержимого и загрузка файла PDF полного выпуска за февраль 2012 года.
+ + + + +
Под видимым спектром находится полоса длин волн, называемая ультрафиолетовой (УФ). В диапазоне от 100 до 400 нм, излучение может эффективно использоваться для стерилизации косметики, проведения судебно-медицинского анализа, лечения материалов (рис. 1) и дезинфекции воды, среди многих других применений. Сегодня, как и в случае со светодиодами в видимом спектре, ультрафиолетовые светодиоды только начинают заменять установленные УФ-источники в также разнообразный спектр рынков.
. FIG 1 Светлячок с воздушным охлаждено УФ-LED на основе системы лечения (источник: Phoseon технологии)..
ФИГ. 1.
"По сравнению с многомиллиардной индустрии светодиодного освещения, УФ-LED рынок округления ошибка около $ 30 миллионов, но она быстро растет", сказал Майк Лим, директор глобального промышленного и нового бизнеса для Luminus устройств, базирующихся в Billerica, штат Массачусетс.
На сегодняшний день, УФ-лечения рынок пользуется наибольший всплеск УФ-LED принятия в связи с относительно недавним прорывом в плотности потока УФ-LED чипов за 4W/cm2 знак на различных длинах волн, необходимых для принести УФ-LED лечения в производственных мощностях. "Впервые светодиоды достигли плотности мощности, которые делают УФ светодиоды конкурентоспособными с существующими источниками", сказал Уве Томас, генеральный менеджер компонентов эмиттера со led Engin, поставщик УФ и видимых светодиодов, базирующихся в Санта-Кларе, Калифорния .
УФ-А, В и С
Лечение включает в себя кросс-полимеризацию светочувствительного материала, который может быть чернилами (печатью), клеем или покрытием, и в основном выполняется на 395 нм, 385 нм или 365 нм, длинах волн, которые являются частью спектра УФ-А (315 -400 нм). Другим важным приложением UV-A являются инспекционные системы, основанные на машинном зрении. УФ-светодиодные фонари в этом диапазоне используются для обнаружения мошеннических идентификации и валюты, и предлагают преимущество использования в хорошо освещенной среде, что трудно с помощью ртути паровой лампы.
В спектре UV-B (280-315 нм) применения ультрафиолетовых светодиодов включают лечение, медицинскую световую терапию, судебно-медицинский анализ и обнаружение лекарств. По оценкам исследовательской фирмы Yole D'velppement (Лион, Франция), 90% применения УФ-светодиодов сегодня базируется в регионах УФ-А и УФ-В (рис. 4). Yole заявила, что ожидает, что рынок ультрафиолетовых светодиодов будет расти на 30% ежегодно с $ 25 млн в 2010 году до более чем $ 100 млн в 2016 году . Рис. 5 показывает еще более оптимистичный прогноз от Ассоциации развития промышленности оптоэлектроники, Международной ассоциации оптоэлектроники и Европейского консорциума фотоники.
FIG 2 Multi-die УФ-излучатель в керамической упаковке (источник: LED Engin)...
ФИГ. 2.
Помимо этих применений, УФ-B излучения, как известно, полезные свойства для здоровья, включая естественный синтез витамина D у людей, которые подвергаются воздействию солнечного света. UV-B также ускоряет производство полифенолов в некоторых листовых овощах, таких как красный салат. Считается, что полифенолы обладает антиоксидантными свойствами. «Обычно эти растения выращиваются сегодня в теплицах, которые намеренно отфильтровывают УФ-часть спектра, чтобы максимизировать рост растений. Интересно, что у нас есть доказательства того, что, когда эти растения подвергаются воздействию УФ-B светодиодов за короткое время до сбора урожая, их содержание полифенолов повышается без ущерба для растительной массы ", пояснил Кэри Eskow, глобальный директор передовых светодиодов и освещения для Avnet Electronics Маркетинг в Фениксе, штат Аризона, который распространяет УФ светодиодов. Он продолжал" Это новый метод для повышения привлекательности некоторых продуктов без использования химических веществ. Полифенолы также получили внимание из-за их предполагаемых антикарциногенных, антипролиферативных и антимутагенных свойств. "
В нижнем спектральном диапазоне UV-C (100-280 нм) основными светодиодными приложениями являются стерилизация воздуха и воды и ряд аналитических инструментов, включая те, которые выполняют спектроскопические и флуоресцентные измерения. Химические и биологические детекторы также работают в этом спектральном диапазоне.
УФ в диапазоне 250-275 нм стерилизует воду, воздух и поверхности путем распада ДНК и РНК микроорганизмов и предотвращения их размножения. В частности, 275 нм считается наиболее эффективной длиной волны для искоренения патогенных микроорганизмов, таких как E-coli в воде. В самом деле, инженеры Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), базирующейся в Колумбии, SC, определили, что 275 нм является оптимальной длиной волны для дезинфекции воды. SETi продемонстрировала дезинфекцию питьевой воды в онлайновой системе, используя менее 40 мВт УФ-энергии.
Альтернативы ртутной дуговой лампе
В производственных операциях по лечению ртутно-паровые лампы мешают короткий срок службы (2000-10 000 часов), медленное время прогревов и охлаждения, а также широкое спектральное распределение энергии. "Кроме того, более 60% энергии, которая применяется к типичной ртути паровой лампы излучается обратно, как инфракрасная энергия, другими словами, тепло", сказал Eskow. Он добавил, что УФ-выход ртутного пара лампы быстро падает в течение его эксплуатации, потому что некоторые из его электродного материала испаряется, хранение пленки на внутренней стороне кварцевой трубки, которые УФ не может проникнуть В результате, пользователь не может легко предсказать количество УФ генерируется в более позднее время;. часто это критический параметр процесса.
ФИГ. 3. СВЕТОДИОДы UV-C для гермицидных применений, от Crystal IS, Inc. Недавно компания была приобретена японской компанией Asahi Kasel.
ФИГ. 3.
Ртуть лампа имеет основной пик на 365 нм, но несколько меньших пиков в видимых и инфракрасных регионах (рис. 7). Недостатком этих посторонних пиков является генерация тепла во время печати и других операций по лечению. "С пластмассами и другими теплочувствительными материалами, были реальные проблемы в печати, потому что среда искажается от жары ртутной лампы", объяснил Стив Меткалф, генеральный директор и президент Air Motion Systems (AMS), производитель систем лечения, базирующихся в Ривер-Фолс, штат Wi. Он привел примеры, которые включают пластиковые подарочные карты или кредитные карты, которые используют лист кормили литографической печати.
Меткалф добавил, что многие люди, которые не рассматривали УФ лечения из-за сложности стандартных процессов лечения - высокое напряжение, тепло ртутных ламп и экологических вопросов - теперь будет рассматривать УФ-led лечения, поскольку она подрывает традиционные неприятности старого процесса .
УФ светодиоды приносят такие преимущества, как точно знать, какой уровень мощности доставляется в лечебную среду, а также другие преимущества светодиодов известны, такие как способность пульс-ширина модулировать выход, заявил Eskow.
Переход на ультрафиолетовые светодиоды также открыл двери для более экологически чистых лечебных составов. В следующем поколении продуктов, которые чернила, покрытие и клей компании развивались, они использовали возможность поэтапного из летучих органических соединений (ЛОС), связанных с растворителем на основе формулировок прошлых химических веществ.
Оптимизация лечения
Для ультрафиолетовых устройств с более длинной длиной волны, подобно изготовлению синих светодиодов, эпиляторы на основе InGaN выращиваются на сапфировых субстратах для производства 385, 395 и 405 нм ультрафиолетовых светодиодов для лечения. Одним из ключевых преимуществ устройств с более высокой длиной волны является то, что они могут управляться с более высокой мощностью. "395 нм действительно сладкое пятно для УФ светодиодного лечения, потому что на 405 нм формулировка чувствительна к окружающему свету, так что вы хотите быть чуть ниже 400, будучи в состоянии управлять светодиодами на высокой мощности ", сказал Лим. Все основные поставщики лечебных составов (фотоинициаторы и смолы), в последнее время принесли высоковолновых чернил и покрытий на рынок, чтобы заполнить эту потребность.
ФИГ. 4. Большинство приложений находятся в УФ-А и УФ-B частях спектра.
ФИГ. 4.
В дополнение к производству больше энергии, высоковолновые ультрафиолетовые светодиоды имеют более высокую эффективность настенной вилки. Например, при 365 Нм выходная мощность УФ-светодиода составляет всего 5-8% от входной мощности. На 385 нм, эта эффективность повышается, но только до 15%, что делает чип с более высокой длиной волны лучшим выбором.
Процессы лечения требуют больших, высокой мощности светодиодов (несколько умереть / чип) расположены в жесткой матрицы в чип-на-борт конфигурации, рядом с излучателем окна либо с воздухом или водяным охлаждено внутренней системы для удаления тепла с задней стороны доски. "Не имеет значения, что интенсивность УФ в окне излучателей, что имеет значение, это интенсивность на поверхности средств массовой информации", сказал Меткалф. В зависимости от оборудования и лечебного применения, средства массовой информации могут быть от 1 до 100 мм от излучатель окно, для которого AMS выпустила специальную оптику. Кроме того, охлажденый металлом ПХД используется для тонуть тепла от матрицы светодиодов.
Также используется охлаждение воздуха. Например, система лечения, показанная в рис. 1, которая имеет излучающее окно 150 х 20 мм и плотность потока 4W/cm 2, может быть использована для точечного лечения чернил, покрытий или клеев. Сегодня уф-светодиодное лечебное оборудование часто специально разработано для применения. Меткалф описывает большие принтеры с плоскими кроватями как способные использовать светодиоды с меньшей мощностью, но более высокоскоростные цифровые, офсетные и флексографические технологии требуют тесно ото пространственные банки светодиодов высокой плотности потока. Несмотря на то, что излучение не видно, коллимирующие оптики используются для доставки излучения с единым уровнем мощности через целевые средства массовой информации. Цифровые струйные лечения был первым сегментом принять УФ светодиоды из-за требуемого близкого расстояния до средств массовой информации для печати головы оптимально выполнять. Это было естественно подходит для УФ-светодиодные лампы, как интенсивность лечения является самым высоким в окне излучателей.
ФИГ. 5. История рынка УФ-светодиодов и прогноз.
ФИГ. 5.
Стейси Волк, специалист по маркетинговым коммуникациям в Phoseon Technology в Хиллборо, штат Северная Сша, производитель УФ-светодиодных систем лечения, указала на некоторые дополнительные преимущества, связанные с УФ-светодиодного лечения включают контролируемой интенсивности лечения, масштабируемое оборудование, и тот факт, что машины меньше и компактнее.
Одной из проблем, с которыми столкнулась лечеющая промышленность, были несоответствия в практике измерений и определения параметров, например, определение радиометрической интенсивности. УФ светодиодного лечения ассоциации (www.uvledcuring.org) была сформирована в последнее время лечения производителей Phoseon технологии, интеграционные технологии Limited и Lumen Dynamics "установить руководящие принципы и обеспечить совместимость по всей отрасли", заявил Билл Cortelyou, президент и генеральный директор Phoseon технологии. Ассоциация также стремится помочь ускорить разработку приложений, особенно подходит для УФ светодиодов, просвещать исследователей, интеграторов и конечных пользователей о преимуществах УФ светодиодов, а также обеспечить форум для промышленности связи и сотрудничества.
"В нашем 15-летний опыт работы в светодиодной технологии лечения, промышленность осуществила значительные прорывы, которые доказали светодиоды в качестве жизнеспособной альтернативы, которая обеспечивает существенные преимущества", сказал Аллан Firhoj, президент и генеральный директор Lumen Dynamics базируется в Онтарио, Канада. Он добавил: "АССОЦИАЦИЯ УФ-светодиодов будет играть важную роль в оказании помощи рынку получить знания и понимание о технологии УФ-светодиодов и его многочисленных коммерческих выгод".
Вторая ассоциация, Международная ассоциация светодиодов и УФ (www.leduv.org), была создана в сентябре 2011 года в Японии для организации производителей УФ-led принтеров, ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ УФ-светодиодов и чернил и формулаторов покрытия, которые привержены разработке устойчивых и экологически чистых технологий УФ-светодиодной печати.
Производители чипов
Компании, которые производят УФ-led чипы включают Crystal IS, базирующаяся в Грин-Айленде, штат Ny (рис. 3);. Dowa Electronic Materials Co Ltd, базирующаяся в Токио, Япония;. Nichia Corp, базирующаяся в Токусиме, Япония;. Полулеидеи, базирующиеся в Синчу, Тайвань;.. SETi и Seoul Optodevice Co Ltd, базирующаяся в Кёнги-до, Корея, дочерняя компания Seoul Semiconductor.
ФИГ. 6. Светодиодные массивы UVClean от SETi обеспечивают очень высокую мощность глубоко-УФ-излучения на уровне 300-320 нм, оптимальный диапазон для фототерапевтов.
ФИГ. 6.
Производители УФ-светодиодов сосредоточены на постоянном повышении эффективности и срока службы своих устройств при одновременном снижении затрат. Сеул Optodevice имеет соглашение о партнерстве производства с SETi, которая производит широкий спектр УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫх светодиодов и ламп, и выполняет все, от обработки пластин до пользовательского дизайна лампы . Компания предоставляет УФ-излучатели в герметично запечатанных металлических стеклянных упаковках (TO-18, TO-39 и TO-3), стандартные продукты и пользовательские решения, охватывающие диапазон длин волн от 240 до 355 нм. На рисунке 6 показаны примеры УФ-LED массивов в лампах, предназначенных для доставки излучения в диапазоне 300-320 нм для фототерапии приложений, таких как лечение кожных заболеваний, таких как псориаз или экзема.
Тим Беттлс (Tim Bettles), директор по маркетингу и продажам компании SETi, заявил, что ее производственное соглашение с Сеулом Optodevice призвано помочь SETi увеличить объемы ультрафиолетовых светодиодов и ламп при одновременном повышении затрат. «Наша первая продукция с УФ-светодиодами была выпущена в 2004 году, и с тех пор мы прошедши большой путь как в развитии технологий, так и в освоении рынка. В настоящее время мы передач SETi потенциал для производства больших объемов для удовлетворения новых требований, поступающих от основных потребительских рынков ", сказал Беттлс. SETi недавно объявила о покупке нового завода, где она планирует производить более 100 миллионов УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫх светодиодов в год.
Девин Тан, менеджер по маркетингу SemiLEDs заявил, что компания имеет полную линейку голых костей и поверхностного монтажа высокой мощности упакованных светодиодов в диапазоне 360-400 нм. Он отметил, что продукция компании отличается от других в отношении микросхем «медно-сплавных субстратов», которые позволяют высокую теплопроводность (400 Вт/мК) и кремниевые субстраты в упаковках, которые снижают стоимость.
Компания Epigap Optronic, базирующаяся в Берлине, Германия, основной дистрибьютор ультрафиолетовых светодиодов Dowa, заявила, что Dowa производит 265, 280, 310, 325 и 340 нм голых костей или упакованных светодиодов. Nichia производит 365, 375 и 385 нм поверхносто-монтажных высокой мощности светодиодов и малой мощности ламп. Crystal IS производит 260 нм ультрафиолетовых светодиодов и является единственной компанией, которая производит светодиоды на субстратах AlN.
Проблемы обработки вафель
Как указывалось ранее, эпиляторы InGaN и GaN, выращенные MOCVD, используются для высоковолновых ультрафиолетовых светодиодов, изготовленных на сапфировых субстратах, но при более низких длинах волн должны использоваться эпиляторы AlGaN с увеличением содержания алюминия. Есть много различных композиций с участием слоев AlGaN, AlInGaN, AlInN и AlN эпиляторов, но независимо от состава, становится легче выращивать AlGaN основе материалов на AlN субстратов, чем сапфир в какой-то момент, что способствовало развитию AlN-субстрат поставщиков, таких как Hexatech, базирующаяся в Морросвилле, северная Каролина. Тем не менее, субстраты AlN доступны только в небольших размерах и остаются намного дороже сапфировых пластин, тем самым ограничивая этот рынок.
ФИГ. 7. Спектральный выход ртути-паровой лампы в ультрафиолетовых и видимых областях.
ФИГ. 7.
Недавно Теодор Мустакас (Theodore Moustakas) из Бостонского университета стал инициатором использования MBE (молекулярной эпитаксии пучка) для повышения эффективности (высокой внутренней квантовой эффективности) УФ-светодиодных устройств с использованием слоев на основе AIGaN на сапфировых субстратах. Такой подход будет конкурировать с различными методами MOCVD, используемыми для депозита AlGaN сегодня.
Оптика и упаковка
Несмотря на то, что производители УФ-светодиодов упорно трудились над повышением внутренней квантовой эффективности и оптической эффективности, общая эффективность остается ниже 20%, что означает, что большая часть тепла должна быть рассеяна от соединения диода. "Для достижения требуемой плотности потока с современными технологиями чипов, мульти-умереть излучателей должны управляться на самом высоком токе. Это возможно только со светодиодным пакетом, способным обрабатывать экстремальные плотности мощности для жизни продукта. Термически соответствует без стресса пакет и стеклянные линзы помогают устранить общие режимы отказа упаковки, связанные с УФ-светодиодов ", сказал Томас. Он описал запатентованный многослойный керамический субстрат LED Engin с крайне низкой термической устойчивостью, который быстро проводит тепло от стыка (рис. 2).
В то время как некоторые УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫе светодиодные массивы упакованы на керамических субстратах, многие производители, особенно однокомпойных устройств, используют TO-can типа через отверстие пакеты со стеклянной верхней, которая предлагает высокую передачу УФ. Замена эпоксидных линз плоским или куполообразным стеклом, способным к ультрафиолетовой передаче, является относительно новым событием, которое позволило продлить срок службы примерно с 5000 часов до 30 000 часов. УФ ускоряет деградацию эпоксидного материала нелинейным образом, что непосредственно влияет на продолжительность жизни. Стеклянные линзы обеспечивают повышенную прочность и повышенную надежность. Другой альтернативой является комбинирование стеклянной линзы с силиконовым инкапсулантом для размещения еще более высокой плотности потока и более высокой эффективности, но более короткого срока службы (15 000-20 000 часов).
Выбор того, следует ли использовать герметическое уплотнение в упаковке, иногда определяется материалами в чипе. "Алюминий-нитрид субстрат почти диктует использование герметического пакета, потому что чем выше содержание алюминия, тем выше сродство устройства к кислороду , так герметичный уплотнение будет защищать УФ-устройство лучше", пояснил Франк Gindele, менеджер по разработке продукции для Schott Электронная упаковка в Landshut, Германия. Новый медно-стеклянный пакет от Schott предлагает преимущества высокой теплопроводности и герметичности.
Опасности УФ-излучения
Важно признать, что некоторые из тех же качеств, которые делают УФ светодиоды очень мощным и полезным - их низкой длины волны и высокой энергии -. Есть также качества, которые делают их опасными Предупреждающие этикетки на УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫх светодиодов и их продукции ясны, но медведь отметил:. УФ-светодиоды излучают невидимое ультрафиолетовое излучение при эксплуатации, которое может быть вредно для глаз или кожи, даже в течение коротких периодов времени (Для получения дополнительной информации о фотобиологической безопасности, см. нашу серию статей, часть 3 которой появляется на стр.63 этого выпуска.)
Следующие шаги
Отвечая на вопрос о ключевой проблеме, которая может поставить УФ-пользователей от изменения от ртутного пара источников УФ светодиодов, многие участники отрасли говорят, что все сводится к нарушению существующего импульса промышленности и, конечно, стоимость. Лим считает, что округливания из длины волны портфеля будет иметь большое отношение к принятию. "Я думаю, что если мы можем получить хорошие 250-нм, 285-нм и 300-нм светодиоды, эти три длины волн, то мы можем в значительной степени закрыть дверь на ртутной дуги лампы".
