Bevor wir uns mit der UV-LED-Technologie befassen, müssen wir zunächst einige Kernkonzepte klären, um sicherzustellen, dass wir dasselbe Thema diskutieren. Dies verhindert Fehlinterpretationen und zweckübergreifende Kommunikation. Hier,UVbezieht sich auf UV{0}}härtbare Materialien wie UV-Beschichtungen, UV-Tinten und UV-Klebstoffe;LEDbezeichnet insbesondere ultraviolette LED-Lichtquellen; UndUV-LED ist definiert als„das Aushärten von UV-Materialien unter Verwendung von ultravioletten LED-Lichtquellen als Bestrahlungsquelle“.
Wie wir alle wissen, ist die herkömmliche Härtungslichtquelle für UV-Beschichtungen die Mittel-{0}Druck- und Hochdruck---Quecksilberlampe. In den letzten Jahren erlebte der Markt aufgrund von Energieeinsparungs- und Umweltschutzrichtlinien sowie der raschen Weiterentwicklung der UVLED-Technologie (ultraviolette LED), die den Grundstein für Anwendungen im industriellen Maßstab gelegt hat, einen rasanten Aufschwung bei der Einführung von UV-LEDs. Neue Technologien erregen immer große Aufmerksamkeit und Begeisterung. Für Praktiker in der Branche ist jedoch ein klares Verständnis von UV-LED unerlässlich. Hier möchten wir unsere Forschungserfahrungen im UV-LED-Bereich der letzten zwei Jahre teilen.
Der Wandel bei den Lichtquellen (die Unterschiede zwischen LEDs und Quecksilberlampen werden später erläutert) hat zu einem Wandel bei den Formulierungssystemen für UV-Beschichtungen sowie zu einer Revolution im gesamten Beschichtungs- und Härtungsprozess geführt. Für das UV-LED-System identifizieren wir fünf wichtige Forschungsrichtungen, die sowohl technische als auch marktbezogene Dimensionen umfassen.
Forschung zur UV-LED-Fotohärtung
Wie bereits erwähnt, beruht die UV-LED-Lichthärtung aufultraviolettes LED-LichtQuellen zum Aushärten von UV-Materialien. Daher ist die Erzielung einer wirksamen Heilung das vorrangige Ziel aller Forschungsanstrengungen. Für die Lichthärtung sind zwei unverzichtbare Komponenten erforderlich: Licht (die Energiequelle) und UV-Materialien (der Rezeptor). Ein Wechsel der Lichtquelle bringt zwangsläufig das Gesamtsystem aus dem Gleichgewicht, wobei der Kern in der interdisziplinären Forschung und Entwicklung liegt, um UV-Beschichtungen auf LED-Lichtquellen abzustimmen.
Es ist allgemein anerkannt, dass kürzere LED-Wellenlängen mit einem höheren Energieniveau und höheren Kosten einhergehen. Umgekehrt weisen Photoinitiatoren, die eine geringere Anregungsenergie benötigen, längere Absorptionswellenlängen auf und sind auch teurer. Dadurch entsteht eine wippenartige Beziehung zwischen Lichtquellen und Initiatoren. Daher sind die Erweiterung der Leistungsgrenzen beider und die Ermittlung des optimalen Gleichgewichts zwischen LED-Lichtquellen und UV-Materialien zum Schwerpunkt von UV-LED-F&E-Initiativen geworden.
Forschung zu LED-Lichtquellensystemen
Die Quecksilberlampentechnologie ist hinsichtlich Entwicklung und Anwendung sehr ausgereift und gilt seit langem als Standardlichtquelle. Im Gegensatz dazu steckt die Ultraviolett-LED-Technologie noch in den Kinderschuhen und bietet ein enormes Potenzial für zukünftiges Wachstum. Darüber hinaus ist die LED-Industriekette sehr umfangreich und umfasst Kristallwachstum, Chip-Dicing, Chip-Packaging, Integration von Lichtquellenmodulen sowie Stromversorgungssteuerung und Design von Wärmeableitungssystemen. Jede Phase hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Endprodukts-der UVLED-Lichtquelle. Daher ist das Verständnis und die Erweiterung der Leistungsgrenzen von LEDs für die Weiterentwicklung des gesamten UV-LED-Ökosystems von entscheidender Bedeutung.
Unterschiede zwischen LED-Lichtquellen und Quecksilberlampen (Vorteile, Nachteile und häufige Missverständnisse über LEDs)
Um im Wettbewerb auf dem Markt bestehen zu können, ist ein umfassendes Verständnis sowohl der eigenen Stärken als auch der Schwächen der Wettbewerber unerlässlich. Da wir herkömmliche Quecksilberlampen durch UV-LEDs ersetzen wollen, ist es wichtig, zunächst die beiden Technologien zu vergleichen und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile sowie Einschränkungen zu analysieren.
UV-Beschichtungen härten aus, weil Photoinitiatoren in ihren Formulierungen ultraviolettes Licht bestimmter Wellenlängen absorbieren und so freie Radikale (oder Kationen/Anionen) erzeugen, die die Polymerisation des Monomers initiieren. Um dieses Prinzip zu veranschaulichen, untersuchen wir zunächst die Emissionsspektren von Quecksilberlampen und Ultraviolett-LEDs.
Dieses Diagramm ist ein klassischer und häufig verwendeter Vergleich der Emissionsspektren von UV-LEDs und Quecksilberlampen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist das Emissionsspektrum einer Quecksilberlampe kontinuierlich und reicht vom ultravioletten bis zum infraroten Bereich. Insbesondere konzentriert sich die Lichtintensität im UVB- bis kurzwelligen UVA-Band. Im Gegensatz dazu ist das Emissionsspektrum einer LED relativ schmal, wobei die beiden häufigsten Wellenbänder Spitzenwellenlängen bei 365 nm und 395 nm aufweisen (einschließlich 385 nm, 395 nm und 405 nm).
Derzeit die primäreUV-Lichtmit industrieller Anwendbarkeit fällt in den UVA-Bereich, insbesondere die LED-Lichtquellen mit Wellenlängen von 365 nm und 395 nm, wie in Abbildung 1 dargestellt. Innerhalb dieses Wellenlängenbereichs weisen die meisten Photoinitiatoren relativ niedrige molare Extinktionskoeffizienten auf. Folglich leiden UV-LED-Systeme im Allgemeinen unter einer geringen Initiierungseffizienz und einer starken Sauerstoffhemmung, die sich nachteilig auf die Oberflächenhärtung auswirken.
Hinweis: Die von vielen UVLED-Herstellern bzw. LED-UV-Beschichtungslieferanten häufig geäußerte Aussage über die „hervorragende Schleifbarkeit von LED-UV-Beschichtungen“ ist streng genommen eine direkte Folge einer unzureichenden Oberflächenhärtung. Die eigentliche Herausforderung besteht nicht darin, eine gute Schleifbarkeit zu erreichen, sondern darin, eine kontrollierbare Schleifbarkeit zu ermöglichen-und ein Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und einfacher Schleifbarkeit zu finden. Darüber hinaus greifen einige Hersteller auf betrügerische Praktiken zurück: Sie installieren eine Quecksilberlampe hinter dem LED-Array, wobei die Quecksilberlampe tatsächlich die dominierende Rolle beim Aushärten spielt.
Allerdings stellen wir auch fest, dass LEDs im 365-nm- und 395-nm-Wellenband eine deutlich höhere Lichtintensität als Quecksilberlampen liefern, was die Tiefenhärtung von UV-Materialien erleichtert.
(Als Referenz: Viele herkömmliche UV-Härtungssysteme enthalten neben Quecksilberlampen eine Galliumlampe (mit einer dominanten Emissionswellenlänge von 415 nm), um die Wirksamkeit der Tiefenhärtung zu verbessern.)
Dieses Missverständnis entsteht typischerweise aus der Prämisse, dassNur 30 % des von Quecksilberlampen emittierten Lichts ist ultraviolettes Licht (UV), wohingegen UV-LEDs 100 % UV-Licht ausstrahlen. Die wahren Determinanten des Energieverbrauchs auf Systemebene sind jedoch die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung und die effektive Lichteffizienz. Quecksilberlampen verfügen tatsächlich über eine hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz. -Ihr Nachteil besteht darin, dass ein großer Teil des emittierten Lichts aus sichtbaren und infraroten Strahlen besteht, wobei UV-Licht (die einzige Komponente, die zum Aushärten von UV-Materialien nützlich ist) nur 30 % ausmacht. Im Gegensatz dazu haben UV-LEDs eine deutlich geringere photoelektrische Umwandlungseffizienz und liegen derzeit bei etwa 30 % für UVA-Wellenlängen (was in etwa der UV-Lichteffizienz von Quecksilberlampen entspricht).
Nach dem Energieerhaltungssatz werden die restlichen 70 % der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Dies erklärt zwei wesentliche Unterschiede zwischen den beiden Technologien:
LEDs verdienen ihren Ruf als „kalte Lichtquellen“, weil die erzeugte Wärme von der Rückseite des Lampenpanels abgeleitet wird und die lichtemittierende Oberfläche sich kühl anfühlt. Umgekehrt strahlen Quecksilberlampen über ihre Reflektoren und Infrarotemissionen Wärme nach vorne ab.
Genau aus diesem Grund erfordern UV-LED-Lichtquellen im Allgemeinen Luftkühlungssysteme, und Hochleistungs-UV-LEDs erfordern sogar Wasserkühlungseinheiten, die so dimensioniert sind, dass sie 70 % der elektrischen Leistung der Lichtquelle für die Wärmeableitung des Lampenkopfs verarbeiten.
Die echten Energiesparvorteile von LEDs ergeben sich aus zwei einzigartigen Merkmalen: sofortiges Ein-/Ausschalten und präzise Bestrahlung durch optisches Design, was die effektive Lichteffizienz steigert. Um diese Vorteile nutzen zu können, ist jedoch eine Integration mit Infraroterkennungs- und intelligenten Steuerungssystemen erforderlich-Technologien, für deren Entwicklung den meisten Herstellern von UV-LED-Geräten auf dem Markt derzeit die Forschungs- und Entwicklungskapazitäten fehlen.
Ozonerzeugung: Ihr Emissionsspektrum umfasst weit -ultraviolettes Licht unter 200 nm, das erhebliche Mengen Ozon erzeugt. (Dies ist die Hauptursache für den stechenden Geruch, von dem Fabrikarbeiter berichten, die Quecksilberlampensysteme bedienen.)
Quecksilberverschmutzung durch Entsorgung: Quecksilberlampen haben eine kurze Lebensdauer von nur 800–1000 Stunden. Eine unsachgemäße Entsorgung verbrauchter Lampen führt zu einer sekundären Quecksilberbelastung, ein Problem, das bis heute unlösbar ist.
Berichten zufolge entspricht der jährliche Energiebedarf zur Behandlung von Quecksilberabfällen der kombinierten Erzeugungskapazität von zwei Drei-Schluchten-Staudämmen. Schlimmer noch: Derzeit gibt es keine praktikable Technologie zur vollständigen Eliminierung von Quecksilber aus Abfallströmen.
UV-LEDs sind von diesen Problemen völlig frei. Seit das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber am 16. August 2017 in China offiziell in Kraft getreten ist, steht der Ausstieg-aus der Verwendung von Quecksilberlampen auf der offiziellen Tagesordnung. Während das Übereinkommen eine Ausnahme für industrielle Quecksilber-Leuchtstofflampen vorsieht, wenn es keine Alternativen gibt, sieht es auch vor, dass die Unterzeichnerparteien vorschlagen können, solche Produkte in die eingeschränkte Liste aufzunehmen, sobald brauchbare Ersatzstoffe verfügbar sind. Daher hängt der Zeitplan für den vollständigen Ausstieg aus Quecksilberlampen in UV-Härtungsanwendungen vollständig vom technologischen Fortschritt und der Industrialisierung von UV-LED-Lösungen ab.
Es unterstützt die lokale Präzisionshärtung für Anwendungen wie den 3D-Druck.
Durch die Kombination von LEDs mit verschiedenen Fotoinitiatoren ist eine präzise Steuerung des Aushärtungsgrades und der Aushärtetiefe möglich.
Anpassbare LichtquellenkonfigurationLEDs verfügen über ein modulares Lampenperlendesign, das eine flexible Anpassung von Länge, Breite und Abstrahlwinkel ermöglicht. Diese Vielseitigkeit ermöglicht die Schaffung von Punktlichtquellen, Linienlichtquellen und Flächenlichtquellen, die auf die spezifischen Anforderungen verschiedener Aushärteprozesse zugeschnitten sind.
Anforderungen an die Lichtquellenparameter für die Aushärtung von UV-Materialien
Wellenlänge:365 nm, 395 nm
Bestrahlungsstärke (Lichtintensität, optische Leistungsdichte): mW/cm²
Gesamtenergiedosis: mJ/cm²
Der Photohärtungsprozess kann ohne die drei oben genannten Kernparameter nicht ablaufen: Wellenlänge, Lichtintensität und Gesamtenergiedosis. Die Wellenlänge bestimmt, ob Photoinitiatoren aktiviert werden können; Die Lichtintensität bestimmt die Effizienz der UV-Initiierung und wirkt sich direkt auf die Oberflächenhärtung (Sauerstoffhemmungsbeständigkeit) und die Tiefenhärtungsleistung aus. während die Gesamtenergiedosis eine gründliche Aushärtung des Materials gewährleistet.
Im Vergleich zu Quecksilberlampen liegt der größte Vorteil von LEDs in ihren formulierbaren und einstellbaren Eigenschaften. Innerhalb der Leistungsgrenzen der LED selbst können deren Parameter weitestgehend optimiert werden, um spezifische Härtungsanforderungen zu erfüllen. Bei UV-LED-Photohärtungsexperimenten besteht das Hauptziel darin, die Leistungsgrenzen sowohl der Lichtquelle als auch der UV-Materialien kontinuierlich zu erweitern und das optimale Gleichgewicht zwischen ihnen zu ermitteln. Speziell für LEDs bedeutet dies, anhand der Beschichtungsformulierung die idealen Parameter der LED-Lichtquelle zu ermitteln, um optimale Aushärtungsergebnisse zu erzielen.
LED-Lumineszenzprinzip und aktueller Entwicklungsstand von UVLED-Chips
Basierend auf dem Prinzip des Elektronenübergangs (Details weggelassen; interessierte Leser können für weitere Informationen auf Online-Ressourcen verweisen) geben Elektronen in einem Atom, wenn sie von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand zurückkehren, Energie in Form von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen frei (d. h. sie emittieren elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Wellenlänge).
Daher gibt es zwei Hauptansätze zur Herstellung von UV-emittierenden Lichtquellen:
Der erste Ansatz besteht darin, ein Atom zu identifizieren, dessen Elektronenenergieunterschied zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand genau im ultravioletten Spektrum liegt. Herkömmliche Quecksilberlampen sind die am häufigsten verwendeten UV-Lichtquellen, die auf diesem Prinzip basieren.
Der zweite Ansatz nutzt das Halbleiterlumineszenzprinzip (Details weggelassen; interessierte Leser können für weitere Informationen auf Online-Ressourcen verweisen). Kurz gesagt, wenn eine Durchlassspannung an einen Licht--emittierenden Halbleiter angelegt wird, rekombinieren Löcher, die von der P--Region in die N--Region injiziert werden, und Elektronen, die von der N--Region in die P--Region injiziert werden, mit Elektronen in der N--Region bzw. Löchern in der P--Region innerhalb weniger Mikrometer in der Nähe des PN-Übergangs und erzeugen spontane Fluoreszenzstrahlung.
Wie allgemein bekannt ist, liegt die Bandlücke von Halbleitermaterialien der Gruppe III-V, die von Aluminiumnitrid bis Galliumnitrid oder Indiumgalliumnitrid (InGaN) reicht, genau im Spektrum von blauem Licht bis ultraviolettem Licht. Durch die Anpassung des Materialverhältnisses von Aluminium-Indium-Gallium-Nitrid können wir ultraviolette und sichtbare Lichtquellen über einen breiten Wellenlängenbereich herstellen.
Während theoretisch Licht jeder Wellenlänge durch Anpassung der Zusammensetzung der Leuchtstoffe erzeugt werden kann, bleibt die Auswahl an UVLED-Chips, die für die kommerzielle Produktion verfügbar sind, aufgrund verschiedener Einschränkungen recht begrenzt. Hochleistungschips, die für industrielle Anwendungen geeignet sind, konzentrieren sich hauptsächlich auf das UVA-Band (365–415 nm). In den letzten Jahren haben auch UVB- und UVC-Technologien eine starke Entwicklung erfahren, sie sind jedoch im Wesentlichen auf zivile und Verbrauchermärkte mit geringem Stromverbrauch wie Desinfektion und Sterilisation beschränkt.
Dafür gibt es mehrere wesentliche Gründe:
Die Struktur des Kristallmaterials bestimmt die Lichtausbeute (photoelektrische Umwandlungseffizienz). Galliumnitrid (GaN) und hocheffizientes Indiumgalliumnitrid (InGaN) können weiterhin für den Bereich 365–405 nm im UVA-Bereich verwendet werden. Im Gegensatz dazu basieren UVB- und UVC-Chips vollständig auf Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-einem Material mit inhärent geringer Lichtausbeute-anstelle der häufiger verwendeten Materialien GaN und InGaN. Dies liegt daran, dass GaN und InGaN ultraviolettes Licht unter 365 nm absorbieren. Dadurch ist die Lichtausbeute von UVB- und UVC-Chips äußerst gering. Der 278-nm-Chip von LG hat beispielsweise einen photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von lediglich 2 %.
Herausforderungen bei der Wärmeableitung aufgrund geringer Effizienz. Gemäß dem Energieerhaltungssatz bedeutet ein photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad von 2 %, dass 98 % der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt werden. Darüber hinaus sind Lebensdauer und Lichtausbeute von LED-Chips umgekehrt proportional zur Temperatur. Eine derart hohe Wärmeentwicklung stellt äußerst hohe Anforderungen an die Wärmeableitungssysteme. Mit bestehenden Kühltechnologien ist es einfach unmöglich, eine effektive Wärmeableitung für leistungsstarke UVB- und UVC-Chips zu erreichen.
Geringe UV-Durchlässigkeit von Verpackungs- und Linsenmaterialien. Zum Schutz von LED-Chips ist eine Verkapselung unerlässlich. Da LEDs Licht omnidirektional abstrahlen, sind Linsen erforderlich, um den Lichtstrahl zu bündeln. Abgesehen von Quarzglas haben die meisten Materialien jedoch eine sehr geringe UV-Durchlässigkeit-und die Durchlässigkeit nimmt mit zunehmender Wellenlänge stark ab. Obwohl die inhärente Lichtausbeute von UVB/UVC-Chips daher bereits gering ist, wird ein erheblicher Teil des Lichts von den Linsen absorbiert, was zu einer äußerst schwachen nutzbaren Lichtleistung führt, die für industrielle Anwendungen kaum ausreicht.
Geringe Kristallausbeute und hohe Produktionskosten. Derzeitige UVB- und UVC-Chips werden mit denselben Reaktoren wie UVA-Chips hergestellt. Neben inhärenten Materialfehlern führen Probleme wie nicht übereinstimmende Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Kristall zu extrem niedrigen Kristallausbeuten, was wiederum die Produktionskosten unerschwinglich hoch hält.
Insgesamt ist aufgrund der geringen Lichtausbeute, der hohen Kosten und der strengen Wärmeableitungsanforderungen der UVB- und UVC-Technologien die Entwicklung von Hochleistungstechnologien erforderlichUVB- und UVC-LichtQuellen für industrielle Anwendungen bleiben unerreichbar, bis große technologische Durchbrüche erzielt werden.
Wichtige Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte von LED-Lichtquellensystemen
Ein LED-Chip ist nur eine kritische Komponente einer LED-Lichtquelle. Bei der Forschung und Entwicklung von LED-Lichtquellen müssen wir Folgendes berücksichtigen:systematisch,ganzheitlicher Ansatz. Über die Abstimmung der LED-Wellenlänge hinaus umfasst der Forschungs- und Entwicklungsbereich eine Reihe nachgelagerter Prozesse, darunter Verpackungstechnologie, optisches Design, Wärmeableitungssysteme, Stromversorgungssysteme und intelligente Steuerungssysteme.
Derzeit gibt es vier gängige Verpackungsstrukturen für LED-Chips:
Vertikale Montagestruktur
Flip-Chip-Struktur
Vertikale Struktur
Vertikale 3D-Struktur
Herkömmliche LED-Chips verfügen typischerweise über eine vertikale Montagestruktur mit einem Saphirsubstrat. Diese Struktur zeichnet sich durch ein einfaches Design und ausgereifte Herstellungsprozesse aus. Allerdings hat Saphir eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, was es für die vom Chip erzeugte Wärme schwierig macht, auf den Kühlkörper zu übertragen- eine Einschränkung, die seine Anwendung in Hochleistungs-LED-Systemen einschränkt.
Flip-Chip-Verpackungen stellen einen der aktuellen Entwicklungstrends dar. Im Gegensatz zu vertikal montierten Strukturen muss die Wärme bei Flip-Chip-Designs nicht durch das Saphirsubstrat des Chips geleitet werden. Stattdessen wird es direkt auf Substrate mit höherer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Silizium oder Keramik) übertragen und dann über eine Metallbasis an die äußere Umgebung abgegeben. Da bei Flip-Chip-Strukturen außerdem keine externen Golddrähte erforderlich sind, ermöglichen sie eine höhere Chip-Integrationsdichte und eine verbesserte optische Leistung pro Flächeneinheit. Allerdings haben sowohl die vertikal montierten als auch die Flip-Chip-Strukturen einen gemeinsamen Fehler: Die P- und N-Elektroden der LED befinden sich auf derselben Seite des Chips. Dies zwingt den Strom dazu, horizontal durch die n-GaN-Schicht zu fließen, was zu Stromstau, örtlicher Überhitzung und letztendlich zu einer Begrenzung der oberen Schwelle des Antriebsstroms führt.
Vertikale-strukturierte blaue-Chips sind aus der Technologie der vertikalen Montage entstanden. Bei diesem Design wird ein herkömmlicher Saphir--Substratchip umgedreht und mit einem hochwärmeleitenden Substrat verbunden, gefolgt von einem Laser-Lift-vom Saphirsubstrat. Diese Struktur behebt effektiv den Engpass bei der Wärmeableitung, erfordert jedoch komplexe Herstellungsprozesse-, insbesondere den anspruchsvollen Substrattransferschritt-, der zu geringen Produktionsausbeuten führt. Dennoch ist die vertikale Verpackung von UV-LEDs mit fortschreitender Technologie immer ausgereifter geworden.
Kürzlich wurde eine neuartige vertikale 3D-Struktur vorgeschlagen. Zu den Hauptvorteilen im Vergleich zu herkömmlichen LED-Chips mit vertikaler -Struktur gehört der Wegfall des Golddrahtbondens, was dünnere Gehäuseprofile, eine verbesserte Wärmeableitungsleistung und eine einfachere Integration hoher Antriebsströme ermöglicht. Allerdings müssen zahlreiche technische Hürden überwunden werden, bevor 3D-Vertikalstrukturen kommerzialisiert werden können.
Angesichts der Tatsache, dass UV-LEDs im Allgemeinen eine geringere Lichtausbeute im Vergleich zu LEDs für die Allgemeinbeleuchtung aufweisen, ist die vertikale Strukturverpackung die bevorzugte Wahl, um die Effizienz der Lichtextraktion zu maximieren.
Da LEDs Licht omnidirektional abstrahlen und ihre inhärente Lichtausbeute bereits relativ gering ist, ist ein wissenschaftliches und rationales optisches Design erforderlich, um die effektive Lichtausbeute (dh die Lichtausbeute bei Frontalbestrahlung) zu verbessern. Zu den gängigen optischen Komponenten gehören Reflektoren, Primärlinsen und Sekundärlinsen.
Darüber hinaus erfährt ultraviolettes Licht beim Durchgang durch Medien eine hohe Dämpfung. Daher müssen bei der Auswahl von Linsenmaterialien -wie Quarzglas, Borosilikatglas und gehärtetes Glas-mehrere Faktoren berücksichtigt werden, wobei Materialien mit hoher UV-Durchlässigkeit Vorrang haben. Dies maximiert nicht nur die Lichtausbeute, sondern verhindert auch einen übermäßigen Temperaturanstieg, der durch die Lichtabsorption des Materials bei längerer UV-Einwirkung verursacht wird.
Wie bereits erwähnt, wird nach dem Energieerhaltungssatz nur ein Teil der elektrischen Energie in Lichtenergie umgewandelt, während ein großer Teil als Wärme abgegeben wird. Für das UVA-Band beträgt das typische Energieumwandlungsverhältnis 10:3:7 für Strom, Licht und Wärme. Die effektive Lebensdauer von LED-Chips hängt eng mit der Sperrschichttemperatur zusammen. Im Photohärtungsprozess erfordert eine hohe optische Leistungsdichte häufig eine Integration von LED-Chips mit hoher -Dichte, was strenge Anforderungen an Wärmeableitungssysteme stellt.
Um eine effiziente Wärmeableitung zu erreichen und sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur aller LED-Chips in einem angemessenen und ausgewogenen Bereich bleibt, sind daher strenge wissenschaftliche Entwürfe, Computersimulationen und praktische Tests erforderlich.
Forschung zu UV-Beschichtungsformulierungen
Einschränkungen von Photoinitiatoren und einem Ansatz auf Systemebene zur Harz- und Monomerreaktivität Wie in der vorherigen Einführung in die LED-Technologie dargestellt, sind Hochleistungs-LED-Lichtquellen, die für industrielle Anwendungen geeignet sind, derzeit auf das UVA-Band beschränkt, insbesondere auf Wellenlängen über 365 nm. Nachdem wir die Leistungsgrenzen von LED-Lichtquellen definiert haben, können wir nun erkennen, dass die Auswahl an kompatiblen Photoinitiatoren eher begrenzt ist, da die meisten Photoinitiatoren bei Wellenlängen über 365 nm niedrige molare Extinktionskoeffizienten aufweisen.
Um das Problem der geringen Initiationseffizienz von LED-kompatiblen Fotoinitiatoren anzugehen, sollten sich die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen nicht auf die Fotoinitiatoren selbst beschränken. Stattdessen müssen wir eine Perspektive auf Systemebene einnehmen, die Harze, Monomere, Fotoinitiatoren und sogar Hilfsadditive in einen ganzheitlichen Forschungsrahmen integriert und so die Aushärtungseffizienz von LED-UV-Systemen verbessert.
Formulierungsdesign und Beschichtungsprozessentwicklung für die LED-Härtung (Auswirkungen von Photoinitiatoren, Harzen, Monomeren, Temperatur, Oberflächentrockenheit, Durchtrocknung, Pigmenten und Füllstoffen) Um die Absorption von langwelligem UV-Licht durch Photoinitiatoren zu verbessern, ist es oft notwendig, Benzolringe, Stickstoff (N), Phosphor (P) und andere Atome in ihre Molekülstrukturen einzubauen. Diese Modifikation erhöht zwar die langwellige UV-Absorption, führt aber auch zu einer verstärkten Färbung der Photoinitiatoren.
Darüber hinaus müssen aufgrund der geringen Lichtabsorptionseffizienz dieser Initiatoren große Mengen hochreaktiver Harze und Monomere -typischerweise hoch-funktionelle Acrylharze und Monomere-zugegeben werden, um die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit des Beschichtungssystems zu beschleunigen. Dieser Ansatz führt jedoch tendenziell zu Beschichtungen mit hoher Härte, aber geringer Flexibilität, was ihren Anwendungsbereich einschränkt.
Allerdings bieten die im Allgemeinen niedrigen molaren Extinktionskoeffizienten von LED-UV-Photoinitiatoren auch einen einzigartigen Vorteil: Sie ermöglichen eine höhere UV-Lichtdurchlässigkeit durch die Beschichtungsschicht, was die Tiefenhärtung dicker Filme begünstigt.
Anforderungen an die Beschichtungsleistung für unterschiedliche Lager-, Transport-, Baubedingungen und Auftragungsprozesse. In der Beschichtungsindustrie stellen verschiedene Auftragungstechniken wie Walzenbeschichten, Sprühbeschichten und Vorhangbeschichten unterschiedliche Viskositätsanforderungen an Beschichtungen. Unterdessen erfordern unterschiedliche Substrate maßgeschneiderte Beschichtungseigenschaften in Bezug auf Benetzbarkeit und Haftung. Darüber hinaus erfordern unterschiedliche Transport- und Lagerbedingungen eine entsprechende Lagerstabilität der Beschichtungen. Daher müssen alle diese Faktoren bei der Gestaltung der Beschichtungsformulierung vollständig berücksichtigt werden.
Leistungsanforderungen an Beschichtungsfilme für verschiedene Anwendungen Verschiedene Anwendungsbereiche stellen unterschiedliche Leistungsanforderungen an Beschichtungsfilme, einschließlich Glanz, kolorimetrische Eigenschaften, Härte, Flexibilität, Abriebfestigkeit und Schlagfestigkeit. Folglich muss bei der Beschichtungsentwicklung ein Gleichgewicht zwischen Härtungseffizienz und Filmleistung gefunden werden.
Forschung zu Beschichtungsprozessen
Beim Beschichten handelt es sich um einen systematischen Engineering-Prozess. Durch die Optimierung von Beschichtungsprozessen können die Anwendungsgrenzen der UV-LED-Technologie weiter erweitert werden. Wie ein Branchensprichwort sagt:„Drei Teile hängen von der Beschichtung ab, sieben Teile hängen vom Auftragsverfahren ab.“. Letztendlich erreichen sowohl Beschichtungen als auch Lichtquellen ihre beabsichtigte Leistung nur durch die richtige Anwendung.
Darüber hinaus können durch die Optimierung von Beschichtungsprozessen in Verbindung mit UV-Lacken und LED-Lichtquellen die Einschränkungen sowohl der Materialien als auch der Lichtquellen deutlich ausgeglichen werden. Beispielsweise kann Erhitzen die Viskosität von Beschichtungen mit hohem -Harzgehalt- verringern, die bei Raumtemperatur zu viskos sind, sodass sie für verschiedene Auftragungsmethoden geeignet sind. Darüber hinaus kann das Erhitzen die Fließfähigkeit des Beschichtungssystems verbessern, die molekulare Aktivität steigern, vollständigere anfängliche Härtungsreaktionen gewährleisten und glattere Filmoberflächen ergeben.
Forschung zu vor- und nachgelagerten Industrieketten
In den letzten zwei Jahren haben die durch Umweltschutzkampagnen ausgelöste Verknappung und explodierenden Preise für Fotoinitiatoren den nachgelagerten Unternehmen spürbare Verluste beschert und die Entwicklung der LED-UV-Technologie erheblich behindert. Dies unterstreicht, dass die Konnektivität vor- und nachgelagerter Industrieketten und die Reibungslosigkeit der Lieferkettensysteme die grundlegenden Garantien für die gesunde Entwicklung einer Branche und den Markterfolg ihrer Produkte und Technologien sind.
Während sich viele Branchen durch die sich gegenseitig verstärkende Dynamik von technologischer Innovation, industrieller Entwicklung und Nachfrageschub von Grund auf neu entwickeln, müssen diese Faktoren während des Vermarktungsprozesses umfassend bewertet werden.
Darüber hinaus kann aus Investitionssicht die Durchführung von Forschung und der Einsatz vor- und nachgelagerter Industrieketten nicht nur eine stabile Versorgung bei der Markteinführung von Produkten gewährleisten, sondern es Unternehmen auch ermöglichen, an den Dividenden des Branchenwachstums teilzuhaben.
