Rispetto ai LED visibili, i LED UV sono un mercato tranquillo a soli $ 30 milioni, ma recenti progressi nella potenza radiante e nell'intensità hanno permesso lo spostamento di lampade a vapore di mercurio in applicazioni tra cui la polimerizzazione UV e il rilevamento della contraffazione, riferisce LAURA PETERS.
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Questo articolo è stato pubblicato nel numero di febbraio 2012 di LED Magazine.
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Sotto lo spettro visibile si trova una banda di lunghezze d'onda chiamata ultravioletto (UV). Da 100 a 400 nm, la radiazione può essere efficacemente utilizzata per sterilizzare cosmetici, eseguire analisi forensi, curare materiali (Fig. 1) e disinfettare l'acqua, tra molte altre applicazioni. Oggi, come nel caso dei LED nello spettro visibile, i LED UV stanno solo iniziando a sostituire le sorgenti UV consolidate in una gamma altrettanto diversificata di mercati.
. FIG 1 Sistema di polimerizzazione a LED UV raffreddato ad aria Firefly (fonte: Tecnologia Phoseon)..
Fig. 1.
"Rispetto al settore dell'illuminazione a LED multimiliardaria, il mercato UV-LED è un errore di arrotondamento a circa $ 30 milioni, ma sta crescendo rapidamente", ha dichiarato Mike Lim, direttore dell'industria globale e del nuovo business per Luminus Devices, con sede a Billerica, MA.
Di gran lunga, il mercato della polimerizzazione UV sta godendo della maggiore impennata nell'adozione di UV-LED a causa della relativamente recente svolta nella densità di flusso dei chip UV-LED oltre il marchio 4W / cm2 alle diverse lunghezze d'onda necessarie per portare la polimerizzazione UV-LED negli impianti di produzione. "Per la prima volta, i LED hanno raggiunto le densità di potenza che rendono i LED UV competitivi con le fonti esistenti", ha dichiarato Uwe Thomas, general manager dei componenti dell'emettitore con LED Engin, un fornitore di LED UV e visibili con sede a Santa Clara, CA .
UV-A, B e C
La polimerizzazione comporta la polimerizzazione incrociata di un materiale fotosensibile, che può essere un inchiostro (stampa), adesivo o rivestimento, e viene eseguita principalmente a 395 nm, 385 nm o 365 nm, lunghezze d'onda che fanno parte dello spettro UV-A (315 -400 nm). Un'altra importante applicazione UV-A sono i sistemi di ispezione basati sulla visione industriale. Le torce UV-LED di questa gamma vengono utilizzate per rilevare l'identificazione e la valuta fraudolente e offrono il vantaggio dell'uso in ambienti ben illuminati, il che è difficile da utilizzare con una lampada a vapore di mercurio.
Nello spettro UV-B (280-315 nm), le applicazioni per i LED UV includono la cura, la terapia della luce medica, l'analisi forense e la scoperta di farmaci. La società di ricerche di mercato Yole Développement (Lione, Francia) ha stimato che il 90% delle applicazioni UV LED oggi ha sede nelle regioni UV-A e UV-B (Fig. 4). Yole ha dichiarato che si aspetta che il mercato dei LED UV cresca del 30% annuo da $ 25 milioni nel 2010 a oltre $ 100 milioni nel 2016. La fig. 5 mostra una previsione ancora più ottimistica da parte dell'Optoelectronics Industry Development Association, dell'International Optoelectronics Association e dell'European Photonics Industry Consortium.
FIG 2 Emettitore UV multi-dae in un pacchetto ceramico (fonte: LED Engin)...
Fig. 2.
Al di là di queste applicazioni, è noto che le radiazioni UV-B hanno proprietà benefiche per la salute, inclusa la sintesi naturale della vitamina D negli esseri umani esposti alla luce solare. UV-B accelera anche la produzione di polifenoli in alcune verdure a foglia come la lattuga rossa. Si ritiene che i polifenoli abbiano qualità antiossidanti. "Generalmente queste piante sono coltivate in serre oggi, che filtrano intenzionalmente la porzione UV dello spettro al fine di massimizzare la crescita delle piante. È interessante notare che, quando queste piante sono esposte a LED UV-B poco prima della raccolta, il loro contenuto di polifenoli viene aumentato senza compromettere la massa delle piante", ha spiegato Cary Eskow, direttore globale dei LED avanzati e dell'illuminazione per Avnet Electronics Marketing a Phoenix, AZ, che distribuisce LED UV. E ha proseguito: "Questo è un metodo nuovo per aumentare il fascino di alcuni alimenti senza usare sostanze chimiche. Anche i polifenoli hanno ricevuto attenzione a causa delle loro pretese proprietà anticarcinogene, antiproliferative e antimutageniche. "
Nell'intervallo spettrale UV-C inferiore (100-280 nm), le applicazioni LED primarie sono la sterilizzazione dell'aria e dell'acqua e una serie di strumenti analitici tra cui quelli che eseguono misurazioni spettroscopiche e a fluorescenza. Anche i rivelatori chimici e biologici funzionano in questo intervallo spettrale.
L'UV nella gamma di 250-275 nm sterilizza acqua, aria e superfici rompendo il DNA e l'RNA dei microrganismi e prevenendone la riproduzione. In particolare, si ritiene che 275 nm siano la lunghezza d'onda più efficace per sradicare agenti patogeni come l'E-coli nell'acqua. (SETi), con sede a Columbia, SC, hanno stabilito che 275 nm è la lunghezza d'onda ottimale per la disinfezione dell'acqua. SETi ha dimostrato la disinfezione dell'acqua potabile in un sistema flow-through in linea utilizzando meno di 40 mW di energia UV.
Alternative alle lampade ad arco al mercurio
Nelle operazioni di polimerizzazione della produzione, le lampade a vapore di mercurio sono ostacolate da una breve durata (2000-10.000 ore), da tempi di riscaldamento e raffreddamento lenti e da un'ampia distribuzione di potenza spettrale. "Inoltre, oltre il 60% dell'energia applicata a una tipica lampada a vapore di mercurio viene irradiata come energia infrarossa, in altre parole calore", ha detto Eskow. Ha aggiunto che l'uscita UV di una lampada a vapore di mercurio scende rapidamente nel corso della sua vita operativa perché parte del suo materiale dell'elettrodo vaporizza, depositando una pellicola all'interno del tubo di quarzo che l'UV non può penetrare Di conseguenza, l'utente non può facilmente prevedere la quantità di UV generata in un secondo momento;. spesso questo è un parametro di processo critico.
Fig. 3. LED UV-C per applicazioni germicide, da Crystal IS, Inc. La società è stata recentemente acquisita da Asahi Kasel, con sede in Giappone.
Fig. 3.
La lampada a mercurio ha un picco principale a 365 nm, ma diversi picchi più piccoli nelle regioni visibili e infrarosse (Fig. 7). Un aspetto negativo di questi picchi enosi è la generazione di calore durante la stampa e altre operazioni di polimerizzazione. "Con la plastica e altri materiali sensibili al calore, ci sono state sfide reali nella stampa perché il mezzo viene distorto dal calore della lampada a mercurio", ha spiegato Steve Metcalf, CEO e presidente di Air Motion Systems (AMS), un produttore di sistemi di polimerizzazione con sede a River Falls, WI. Ha fornito esempi che includono carte regalo in plastica o carte di credito, che usano la stampa litografica alimentata a fogli.
Metcalf ha aggiunto che molte persone che non avrebbero preso in considerazione la polimerizzazione UV a causa della complessità dei processi di polimerizzazione standard - l'alta tensione, il calore delle lampadine a mercurio e le questioni ambientali - ora considereranno la polimerizzazione UV-LED perché sovverte i tradizionali fastidi del vecchio processo .
I LED UV offrono vantaggi come sapere con precisione quale livello di potenza viene consegnato al mezzo di polimerizzazione, così come altri vantaggi per cui i LED sono noti, come la capacità di modulare l'uscita in larghezza dell'impulso, ha dichiarato Eskow.
Il passaggio ai LED UV ha anche aperto le porte a formulazioni di polimerizzazione più rispettose dell'ambiente. Con la prossima generazione di prodotti che le aziende di inchiostro, rivestimento e adesivo stavano sviluppando, hanno utilizzato l'opportunità di eliminare gradualmente i composti organici volatili (COV) associati alle formulazioni a base di solventi della chimica passata.
Ottimizzazione della polimerizzazione
Per i dispositivi UV a lunghezza d'onda più lunga, in modo simile alla fabbricazione di LED blu, gli epistrati basati su InGaN vengono coltivati su substrati di zaffiro per produrre LED UV da 385, 395 e 405 nm per la polimerizzazione. Un vantaggio chiave per i dispositivi a lunghezza d'onda più elevata è che possono essere guidati a potenza più elevata. "395 nm è davvero il punto debole per la polimerizzazione UV LED, perché a 405 nm la formulazione è sensibile alla luce ambientale, quindi si vuole essere poco sotto i 400 pur essendo in grado di guidare i LED ad alta potenza ", ha detto Lim. Tutti i principali fornitori di formulazioni di polimerizzazione (fotoiniziatori e resine), hanno recentemente portato sul mercato inchiostri e rivestimenti a lunghezza d'onda più elevata per soddisfare questa esigenza.
Fig. 4. La maggior parte delle applicazioni si trova nelle parti UV-A e UV-B dello spettro.
Fig. 4.
Oltre a produrre più potenza, i LED UV a lunghezza d'onda più elevata presentano una maggiore efficienza della spina a parete. Ad esempio, a 365 nm, la potenza di uscita di un LED UV è solo il 5-8% della potenza di ingresso. A 385 nm, questa efficienza migliora, ma solo a ~ 15%, rendendo il chip a lunghezza d'onda più alta la scelta migliore.
I processi di polimerizzazione richiedono LED di grandi dimensioni e ad alta potenza (matrice / chip multipli) disposti in una matrice stretta in una configurazione chip-on-board, vicino alla finestra dell'emettitore con un sistema interno raffreddato ad aria o acqua per rimuovere il calore dal retro della scheda. "Non importa quale sia l'intensità UV alla finestra dell'emettitore, ciò che conta è l'intensità sulla superficie dei media", ha detto Metcalf. A seconda dell'apparecchiatura e dell'applicazione di polimerizzazione, il supporto può essere da 1 a 100 mm dalla finestra dell'emettitore, per il quale AMS ha prodotto ottiche speciali. Inoltre, un PCB raffreddato a metallo viene utilizzato per affondare il calore lontano dalla matrice dei LED.
Viene utilizzato anche il raffreddamento ad aria. Ad esempio, il sistema di polimerizzazione mostrato nella fig. 1, che ha una finestra dell'emettitore di 150 x 20 mm e una densità di flusso di 4W/cm², può essere utilizzato per inchiostri, rivestimenti o adesivi di polimerizzazione spot. Oggi, le apparecchiature di polimerizzazione UV-LED sono spesso appositamente progettate per adattarsi all'applicazione. Metcalf descrive le grandi stampanti banner a letto piatto come in grado di utilizzare LED a bassa potenza, ma le tecnologie digitali, offset e flessografiche ad alta velocità richiedono banchi strettamente distanziati di LED ad alta densità di flusso. Anche se la radiazione non è visibile, l'ottica collimante viene utilizzata per fornire la radiazione con un livello di potenza uniforme attraverso il supporto bersaglio. La polimerizzazione digitale a getto d'inchiostro è stato il primo segmento ad adottare LED UV a causa della distanza ravvicinata richiesta dai supporti affinché le testine di stampa funzionino in modo ottimale. Questa era una vestibilità naturale per le lampade UV-LED in quanto l'intensità di polimerizzazione è più alta alla finestra dell'emettitore.
Fig. 5. Storia e previsione del mercato UV-LED.
Fig. 5.
Stacy Volk, specialista di comunicazione di marketing presso Phoseon Technology a Hillboro, OR, un produttore di sistemi di polimerizzazione UV-LED, ha sottolineato alcuni dei vantaggi aggiuntivi associati alla polimerizzazione UV-LED includono un'intensità di polimerizzazione controllata, apparecchiature scalabili e il fatto che le macchine sono più piccole e compatte.
Uno dei problemi che l'industria della polimerizzazione ha dovuto affrontare sono state le incongruenze nella pratica di misurazione e nelle definizioni dei parametri, ad esempio, definendo l'intensità radiometrica. L'UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) è stata recentemente costituita dai produttori di polimerizzazione Phoseon Technology, Integration Technology Limited e Lumen Dynamics per "stabilire linee guida e garantire la compatibilità in tutto il settore", ha dichiarato Bill Cortelyou, Presidente e CEO di Phoseon Technology. L'associazione cerca anche di aiutare a velocizzare lo sviluppo di applicazioni particolarmente adatte ai LED UV, educare ricercatori, integratori e utenti finali sui vantaggi dei LED UV e fornire un forum per la comunicazione e la collaborazione del settore.
"Nei nostri 15 anni di esperienza nella tecnologia di polimerizzazione a LED, il settore ha realizzato progressi significativi che hanno dimostrato i LED come un'alternativa praticabile che offre vantaggi sostanziali", ha dichiarato Allan Firhoj, Presidente e CEO di Lumen Dynamics con sede in Ontario, Canada. Ha aggiunto : "L'UV LED Curing Association sarà fondamentale per aiutare il mercato a acquisire conoscenze e informazioni sulla tecnologia UV LED e sui suoi numerosi vantaggi commerciali".
Una seconda associazione, l'International LED-UV Association (www.leduv.org), è stata costituita nel settembre 2011 in Giappone per organizzare produttori di stampanti UV-LED, produttori UV-LED e formulatori di inchiostro e rivestimento che si impegnano a sviluppare tecnologie di stampa UV-LED sostenibili e rispettose dell'ambiente.
Produttori di chip
Le aziende che producono chip UV-LED includono Crystal IS, con sede a Green Island, NY (Fig. 3);. Dowa Electronic Materials Co Ltd, con sede a Tokyo, Giappone;. Nichia Corp, con sede a Tokushima, Giappone;. SemiLED, con sede a Hsinchu, Taiwan;.. SETi e Seoul Optodevice Co Ltd, con sede a Kyunggi-do, Corea, una controllata al 100% di Seoul Semiconductor.
Fig. 6. Gli array LED UVClean di SETi offrono una luce deep-UV ad altissima potenza a 300-320 nm, la gamma ottimale per le fototerapie.
Fig. 6.
I produttori uv-LED si concentrano sul miglioramento continuo dell'efficienza e della durata dei loro dispositivi, riducendo al contempo i costi. Seoul Optodevice ha un accordo di partnership di produzione con SETi, che produce una vasta gamma di LED e lampade UV ed esegue di tutto, dalla lavorazione dei wafer alla progettazione di lampade personalizzate. L'azienda fornisce emettitori UV in confezioni in vetro metallico ermeticamente sigillate (TO-18, TO-39 e TO-3), con prodotti standard e soluzioni personalizzate che coprono la gamma di lunghezze d'onda da 240 a 355 nm. La figura 6 mostra esempi di array UV-LED in lampade progettate per fornire radiazioni nell'intervallo 300-320 nm per applicazioni di fototerapia come il trattamento di condizioni cutanee come psoriasi o eczema.
Tim Bettles, direttore marketing e vendite di SETi, ha dichiarato che il suo accordo di produzione con Seoul Optodevice è progettato per aiutare SETi a far aumentare i suoi volumi di LED e lampade UV, riducendo al contempo i costi. "I nostri primi prodotti UV-LED sono stati lanciati nel 2004 e da allora abbiamo fatto molta strada sia nello sviluppo tecnologico che nell'adozione del mercato. Ora stiamo orientando la capacità di SETi per la produzione ad alto volume per soddisfare le nuove richieste provenienti dai principali mercati di consumo ", ha affermato Bettles. SETi ha recentemente annunciato l'acquisto di un nuovo impianto, dove prevede di produrre oltre 100 milioni di LED UV all'anno.
Devin Tang, marketing manager di SemiLED, ha dichiarato che l'azienda ha una linea completa di dadi nudi e LED confezionati ad alta potenza montati in superficie nella gamma a 360-400 nm. Ha osservato che i prodotti dell'azienda sono differenziati dagli altri rispetto ai substrati di lega di rame dei trucioli, che consentono un'elevata conduttività termica (400 W / mK) e substrati di silicio nelle confezioni, che riducono i costi.
Epigap Optronic, con sede a Berlino, in Germania, il principale distributore per i LED UV di Dowa, ha dichiarato che Dowa produce dadi nudi o LED confezionati da 265, 280, 310, 325 e 340 nm. Nichia produce LED ad alta potenza da 365, 375 e 385 nm a montaggio superficiale e lampade a bassa potenza. Crystal IS produce LED UV a 260 nm ed è l'unica azienda a produrre LED su substrati AlN.
Problemi di elaborazione dei wafer
Come indicato in precedenza, gli epistrati di InGaN e GaN, coltivati da MOCVD, sono utilizzati per LED UV a lunghezza d'onda più elevata fabbricati su substrati di zaffiro, ma a lunghezze d'onda più basse, devono essere utilizzati epistrati di AlGaN con crescente contenuto di alluminio. Ci sono molte composizioni diverse che coinvolgono strati di epistrati AlGaN, AlInGaN, AlInN e AlN, ma qualunque sia la composizione, diventa più facile coltivare materiali a base di AlGaN su substrati AlN rispetto allo zaffiro ad un certo punto, il che ha incoraggiato lo sviluppo di fornitori di substrati AlN come Hexatech, con sede a Morrosville, NC. Tuttavia, i substrati AlN sono disponibili solo in piccole dimensioni e rimangono molto più costosi dei wafer di zaffiro, limitando così questo mercato.
Fig. 7. Uscita spettrale di una lampada al vapore di mercurio nei raggi UV e nelle regioni visibili.
Fig. 7.
Recentemente, Theodore Moustakas della Boston University ha aperto la strada all'uso di dispositivi LED UV MBE (molecular beam epitaxy) per diventare dispositivi LED UV più efficienti (ad alta efficienza quantistica interna) utilizzando strati basati su AIGaN su substrati di zaffiro. Questo approccio competerebbe con le varie tecniche MOCVD utilizzate per depositare AlGaN oggi.
Ottica e confezionamento
Anche se i produttori di LED UV hanno lavorato duramente per migliorare l'efficienza quantistica interna e l'efficienza ottica, l'efficienza complessiva rimane inferiore al 20%, il che significa che una grande quantità di calore deve essere dissipata dalla giunzione del diodo. "Per ottenere le densità di flusso richieste con le tecnologie dei chip di oggi, gli emettitori multi-die devono essere guidati alla massima corrente. Questo è possibile solo con un pacchetto LED in grado di gestire densità di potenza estreme per tutta la vita del prodotto. Un pacchetto e una lente in vetro senza stress abbinati termicamente aiutano a eliminare le comuni modalità di guasto dell'imballaggio associate ai LED UV", ha affermato Thomas. Ha descritto il substrato ceramico multistrato brevettato da LED Engin con una resistenza termica estremamente bassa che conduce rapidamente il calore dalla giunzione dello stato (Fig. 2).
Mentre alcuni array LED UV sono confezionati su substrati ceramici, molti produttori, in particolare di dispositivi a chip singolo, utilizzano pacchetti a foro passante di tipo TO-can con un piano in vetro che offre un'elevata trasmissione di UV. La sostituzione di lenti epossidiche con vetro piatto o a forma di cupola in grado di trasmissione UV è uno sviluppo relativamente nuovo, che ha permesso un'estensione della durata da circa 5000 ore fino a 30.000 ore. L'UV accelera la degradazione del materiale epossidico in modo non lineare, influenzando direttamente la durata. Le lenti in vetro offrono una maggiore durata e una maggiore affidabilità. Un'altra alternativa è combinare una lente di vetro con un incapsulante in silicone per adattarsi a una densità di flusso ancora più elevata e a una maggiore efficienza ma a una durata più breve (15.000-20.000 ore).
La scelta se utilizzare la tenuta ermetica nella confezione è talvolta determinata dai materiali nel chip. "Un substrato di alluminio-nitruro determina quasi l'uso di un pacchetto ermetico, perché maggiore è il contenuto di alluminio, maggiore è l'affinità del dispositivo per l'ossigeno , quindi una guarnizione ermetica proteggerà meglio il dispositivo UV", ha spiegato Frank Gindele, product development manager di Schott Electronic Packaging a Landshut, in Germania. Il nuovo pacchetto a base di rame e vetro di Schott offre i vantaggi di un'elevata conduttività termica ed ermetica.
Pericoli dei raggi UV
È importante riconoscere che alcune delle stesse qualità che rendono i LED UV molto potenti e utili - la loro bassa lunghezza d'onda e l'alta energia -. Sono anche le qualità che li rendono pericolosi Le etichette di avvertimento sui LED UV e sui loro prodotti sono chiare ma portano a notare :. I LED UV emettono radiazioni ultraviolette invisibili durante il funzionamento, che possono essere dannose per gli occhi o la pelle, anche per brevi periodi (Per ulteriori informazioni sulla sicurezza fotobiologica, vedere la nostra serie di articoli, la cui parte 3 appare a p.63 di questo numero).
Passaggi successivi
Quando viene chiesto di identificare il problema chiave che potrebbe impedire agli utenti UV di passare dalle fonti di vapore di mercurio ai LED UV, molti partecipanti al settore affermano che si tratta di rompere lo slancio del settore esistente e, naturalmente, i costi. Lim pensa che un arrotondamento del portafoglio di lunghezze d'onda farebbe molto per l'adozione. "Penso che se possiamo ottenere buoni LED da 250 nm, 285 nm e 300 nm, queste tre lunghezze d'onda, allora possiamo praticamente chiudere la porta sulle lampade ad arco di mercurio."
