浅淡UV-LED器件及固化技术应用

瑞丰光电 · 2020-06-03

根据集邦咨询LED研究中心(LEDinside)发布的《2019 深紫外线 LED 应用市场报告-杀菌、净化与水处理市场》显示,2018年全球UV LED市场规模达2.99亿美金,预计到2023年市场规模将达9.91亿美金,2018-2023年复合增长率达到27%。展望应用市场需求,除固化市场稳定成长之外,表面/空气杀菌净化、静止水杀菌、流动水杀菌为未来主要成长动能。

(图1)

一、UV市场分析

目前UVA工业固化市场需求最大!未来UVC杀菌、净化市场成长性最高!

(图2)

工业固化是目前UV LED最大的应用领域,2018年占总UV LED市场规模的比重达到41%,工业固化领域的产品主要以UV-A LED为主。预估汞灯使用禁止条例(《水俣公约》)将于2020年发酵,欧美与日本的工业固化设备厂商积极导入UV LED产品将带动改机与替换市场的需求。UV LED工业固化模块市场渗透率也将于2020年来到30-40%,带动整体UV-A LED市场增长。未来5年,工业固化领域市场规模依然保持高速增长,仅次于杀菌与净化市场。

瑞丰光电紫光技术,在UVA光固化方面,主力布局推动以下两个方向:

1、UV胶印方向

LED UV胶印与普通的UV印刷相比,在整个印刷生产过程中,更节能环保,寿命长,可以减少高达70~80%的能源消耗,且对承印材料有着出众的适应性。

(图3)

2、UV木器涂装行业

和传统的涂装方法相比,UV LED不会对基材含水率产生影响,而且从封闭底、底漆、修色、面漆全面实现UV LED快速固化的施工工艺,省去了传统木器底、面漆漫长的干燥固化时间和低固含多道喷涂施工的繁杂工序,能够实现全线机械化、流水线式作业,对于工厂产能的提高有着极大的促进作用。

(图4)

二、瑞丰UVA固化产品优势

1、UV-LED冷却系统介绍:

UV LED将15到25%的电能转换为光,这比传统的汞灯效率要高,但剩下的75%-85%仍然被转换为了热。因此,必须要保持LED阵列的冷却。

(图5)

对于UV LED阵列,当前所采用的冷却系统都是空气或者水冷却。

2、UV-LED二次光学系统介绍:

基于最终的应用需求,光学工程师必须决定应该采用何种形状、形式以及材质来最好地利用LED的独特性能,然后还需要注意LED是一种泛光形式的光,而不像汞灯模式中紫外光被反射罩反而并指向特定的点并具有一定的聚焦长度。我们有模拟不同的二次光学设计,(如下表4),最终开发具有专利技术的胶印二次光学,(图6)以解决UV光源在胶印中能量不足的问题。

(图6)

3、瑞丰(专利号:CN208906633U)-胶印光源二次光学设计示意图

(图7)

(图8)

三、影响UV光固化(印刷)效果的问题检讨

1、检讨之——氧阻聚的问题

UV光固化的机理在大多数情况下都是属于自由基反应,虽然阳离子聚合也是其中一种反应,而且不受氧阻聚的影响,但由于其应用所占的比例还很小,因此我们在这里不做过多讨论。UV固化都是通过光引发剂在紫外光的照射下产生自由基,然后这些自由基引发齐聚体和单体中的丙烯酸酯双键,产生自由基的链增长而进行的聚合,从而达到配方产品从液态转化为固态。空气中所存在的氧很容易和自由基结合而形成过氧自由基。过氧自由基的反应活性极低,不会再产生聚合反应,从而阻止了光固化的进行。

(图9) 氧阻聚反应的机理示意图

氧气在低粘度液体(比如水,粘度为1mPa?s)中的扩散速度是10-5cm2/s,在典型UV树脂中基于不同的粘度,扩散速度为10-6-10-8cm2/s。通常UV固化的时间在0.5到5秒之间,因此氧气分子可以穿透的深度为0.1-10微米。这一推测可以被如图9的实验所证实。

解决方案之一:寻找更高的辐照强度和更高的能量密度

采用增加辐照强度或者提高能量密度是一个很简单易行的方法,它可以很容易增加自由基所产生的数量,消耗掉氧气来达到克服氧阻聚的效果,从而得到不黏粘的固化表面。这种方法的缺点是会存在过度辐照的情况,从而带来其他的问题。辐照度对双键转换率的影响如图3所示。从图10可以看出,当辐照度从15增加到90mW/cm2时,转换率得到了很大的提高。

(图10) 双键转换率随辐照度的变化

2.检讨之——光引发的问题

在UV-LED固化中光引发剂的选择使用也越来越受重视。首先,要选择吸收峰和光源发射光谱匹配的光引发剂。从表1可以看出UV-LED光源的发射光谱在360-405nm之间,在365nm、375nm、385nm、395nm、405nm处强度最高,这些都属于长波区,应优先使用长波光引发剂。通过进一步测试,在365nm,385nm,395nm波长处,分别找到了吸收率最高的几款光引发剂。

从效能上讲,DETX和EMK为UV-LED光源最优光引发剂。具体测试结果见表5表6表7。

表1. LED光源的辐射波长和强度

表2.引发剂在365nm处的吸收强度

表3.引发剂在385nm处吸收强度

表4.引发剂在405nm处的吸收强度

解决方案之一:

寻找更强吸收率的光引发剂和更稳定的光引发剂。从效能上看,我们已经找到了不错的两款光引发剂来解决UV-LED固化的问题。

四、瑞丰胶印固化UVA全光谱系统光源安装实例:

(某大型印刷厂曼罗兰机对开改装实例)

五、总结:

瑞丰光电紫光技术,利用其LED封装的技术优势,采用多晶片的共晶集成(低热阻)和真空封装等多项专利技术,结合二次光学设计的强项,打造超高UV光功率输出的胶印固化光源系统!从而实现取代传统汞灯光源,被应用于柯式单张印刷机中的光源改造项目中,因其省电、环保等诸多优势逐渐取到印刷行业的认可和青睐!

瑞丰紫光介绍

深圳市瑞丰光电子股份有限公司(以下简称“瑞丰光电”)成立于2000年,于2011年7月上市(股票代码:300241),是国家半导体照明技术标准工作组成员单位、国家半导体照明工程研发及产业联盟成员单位、深圳市首批国家级高新技术企业、深圳市LED产业标准联盟核心会员单位,肩负“十二五”国家科技支撑计划半导体照明重大项目、广东省现代产业500强项目之战略性新兴产业项目的重任。瑞丰光电旗下原紫光事业部,于2016年更名为瑞丰光电紫光技术有限公司(瑞丰光电子公司)。主要服务领域为UV工业固化设备、UV工业印刷设备、UVC民用杀菌、消毒等领域!