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擎天柱制作淺淡UV-LED器件及固化技術應用

文章來源:http://www.299150.buzz????作者:河北瑞彩????瀏覽:????發布時間:2020-06-13 04:31????

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根據集邦咨詢LED研究中心(LEDinside)發布的《2019 深紫外線 LED 應用市場報告-殺菌、凈化與水處理市場》顯示,2018年全球UV LED市場規模達2.99億美金,預計到2023年市場規模將達9.91億美金,2018-2023年復合增長率達到27%。展望應用市場需求,除固化市場穩定成長之外,表面/空氣殺菌凈化、靜止水殺菌、流動水殺菌為未來主要成長動能。

(圖1)

一、UV市場分析
    目前UVA工業固化市場需求最大!未來UVC殺菌、凈化市場成長性最高!

(圖2)

工業固化是目前UV LED最大的應用領域,2018年占總UV LED市場規模的比重達到41%,工業固化領域的產品主要以UV-A LED為主。預估汞燈使用禁止條例(《水俁公約》)將于2020年發酵,歐美與日本的工業固化設備廠商積極導入UV LED產品將帶動改機與替換市場的需求。UV LED工業固化模塊市場滲透率也將于2020年來到30-40%,帶動整體UV-A LED市場增長。未來5年,工業固化領域市場規模依然保持高速增長,僅次于殺菌與凈化市場。
    瑞豐光電紫光技術,在UVA光固化方面,主力布局推動以下兩個方向:
    1、UV膠印方向
    LED UV膠印與普通的UV印刷相比,在整個印刷生產過程中,更節能環保,壽命長,可以減少高達70~80%的能源消耗,且對承印材料有著出眾的適應性。

(圖3)

2、UV木器涂裝行業
    和傳統的涂裝方法相比,UV LED不會對基材含水率產生影響,而且從封閉底、底漆、修色、面漆全面實現UV LED快速固化的施工工藝,省去了傳統木器底、面漆漫長的干燥固化時間和低固含多道噴涂施工的繁雜工序,能夠實現全線機械化、流水線式作業,對于工廠產能的提高有著極大的促進作用。

(圖4)

二、瑞豐UVA固化產品優勢
    1、UV-LED冷卻系統介紹:
    UV LED將15到25%的電能轉換為光,這比傳統的汞燈效率要高,但剩下的75%-85%仍然被轉換為了熱。因此,必須要保持LED陣列的冷卻。

(圖5)

對于UV LED陣列,當前所采用的冷卻系統都是空氣或者水冷卻。
    2、UV-LED二次光學系統介紹:
    基于最終的應用需求,光學工程師必須決定應該采用何種形狀、形式以及材質來最好地利用LED的獨特性能,然后還需要注意LED是一種泛光形式的光,而不像汞燈模式中紫外光被反射罩反而并指向特定的點并具有一定的聚焦長度。我們有模擬不同的二次光學設計,(如下表4),最終開發具有專利技術的膠印二次光學,(圖6)以解決UV光源在膠印中能量不足的問題。

(圖6)

3、瑞豐(專利號:CN208906633U)-膠印光源二次光學設計示意圖

(圖7)

(圖8)

三、影響UV光固化(印刷)效果的問題檢討
    1、檢討之——氧阻聚的問題
    UV光固化的機理在大多數情況下都是屬于自由基反應,雖然陽離子聚合也是其中一種反應,而且不受氧阻聚的影響,但由于其應用所占的比例還很小,因此我們在這里不做過多討論。UV固化都是通過光引發劑在紫外光的照射下產生自由基,然后這些自由基引發齊聚體和單體中的丙烯酸酯雙鍵,產生自由基的鏈增長而進行的聚合,從而達到配方產品從液態轉化為固態??諝庵兴嬖诘难鹾苋菀缀妥杂苫Y合而形成過氧自由基。過氧自由基的反應活性極低,不會再產生聚合反應,從而阻止了光固化的進行。

(圖9) 氧阻聚反應的機理示意圖

氧氣在低粘度液體(比如水,粘度為1mPa•s)中的擴散速度是10-5cm2/s,在典型UV樹脂中基于不同的粘度,擴散速度為10-6-10-8cm2/s。通常UV固化的時間在0.5到5秒之間,因此氧氣分子可以穿透的深度為0.1-10微米。這一推測可以被如圖9的實驗所證實。
    解決方案之一:尋找更高的輻照強度和更高的能量密度
    采用增加輻照強度或者提高能量密度是一個很簡單易行的方法,它可以很容易增加自由基所產生的數量,消耗掉氧氣來達到克服氧阻聚的效果,從而得到不黏粘的固化表面。這種方法的缺點是會存在過度輻照的情況,從而帶來其他的問題。輻照度對雙鍵轉換率的影響如圖3所示。從圖10可以看出,當輻照度從15增加到90mW/cm2時,轉換率得到了很大的提高。

(圖10) 雙鍵轉換率隨輻照度的變化

2. 檢討之——光引發的問題
    在UV-LED固化中光引發劑的選擇使用也越來越受重視。首先,要選擇吸收峰和光源發射光譜匹配的光引發劑。從表1可以看出UV-LED光源的發射光譜在360-405nm之間,在365nm、375nm、385nm、395nm、405nm處強度最高,這些都屬于長波區,應優先使用長波光引發劑。通過進一步測試,在365nm,385nm,395nm波長處,分別找到了吸收率最高的幾款光引發劑。
    從效能上講,DETX和EMK為UV-LED光源最優光引發劑。具體測試結果見表5表6表7。

表1. LED光源的輻射波長和強度

表2. 引發劑在365nm處的吸收強度

 

表3. 引發劑在385nm處吸收強度 

表4. 引發劑在405nm處的吸收強度

    解決方案之一:
    尋找更強吸收率的光引發劑和更穩定的光引發劑。從效能上看,我們已經找到了不錯的兩款光引發劑來解決UV-LED固化的問題。

四、瑞豐膠印固化UVA全光譜系統光源安裝實例:

(某大型印刷廠曼羅蘭機對開改裝實例)

五、總結:
    瑞豐光電紫光技術,利用其LED封裝的技術優勢,采用多晶片的共晶集成(低熱阻)和真空封裝等多項專利技術,結合二次光學設計的強項,打造超高UV光功率輸出的膠印固化光源系統!從而實現取代傳統汞燈光源,被應用于柯式單張印刷機中的光源改造項目中,因其省電、環保等諸多優勢逐漸取到印刷行業的認可和青睞!




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