魏彬　林慶

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展成熟，UV-LED（紫外發(fā)光二極管）的性能得到了很大提高，在光固化領(lǐng)域的市場份額也在快速擴(kuò)大。文章介紹了UV-LED光固化的市場現(xiàn)況及其相對于傳統(tǒng)UV光源的優(yōu)勢，最后分析了UV-LED光固化的現(xiàn)存問題并介紹相對應(yīng)的技術(shù)研究趨勢。

關(guān)鍵詞：UV-LED；光固化領(lǐng)域；發(fā)光材料；照明技術(shù)；發(fā)光光譜 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN312 文章編號：1009-2374（2017）11-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.047

1 概述

近年來，隨著高亮度藍(lán)光LED技術(shù)的成熟化，人們逐漸將研究重心轉(zhuǎn)向以高鋁組分III族氮化物為發(fā)光材料的UV-LED。鑒于UV-LED光固化更符合現(xiàn)代工業(yè)所倡導(dǎo)的高效、節(jié)能、環(huán)保理念，UV-LED大有逐步取代汞燈等傳統(tǒng)氣體放電UV光源的勢頭。然而，UV-LED光源的一些特點也制約了其高速發(fā)展，比如其光譜能量一般集中在半高寬為十幾納米的窄波段上，傳統(tǒng)UV固化材料往往無法在UV-LED光源下高效固化。下文將介紹UV-LED光源的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況及特點，并就其問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行剖析。

2 UV-LED光源現(xiàn)況

LED因具有諸多優(yōu)勢已經(jīng)在照明領(lǐng)域堅實地開始了逐步取代傳統(tǒng)照明技術(shù)的進(jìn)程。類似地，在光固化領(lǐng)域，UV-LED光源也因相對于傳統(tǒng)UV光源存在著諸多優(yōu)勢，得到了巨大的研發(fā)投入，取得了較大的技術(shù)進(jìn)步。近年來大功率的UVA波段（395nm為主）LED光源正逐漸成為一種主流的固化技術(shù)，歐洲國際標(biāo)簽展（LabelExpo Europe）就是最好的證明。2011年的展會上僅展出了10臺UV-LED設(shè)備，到2013年時則增加到了78臺，數(shù)量增長了8倍。從油墨類型來看，2006年能夠匹配UV-LED固化的油墨類型非常少，而2013年已經(jīng)有超過20家油墨和材料供應(yīng)商可以提供成熟的UV-LED固化油墨。至今，UV-LED輻射能量已可與傳統(tǒng)UV固化光源持平甚至更高，輻照度達(dá)16W/cm2的UV-LED光源已正式進(jìn)入量產(chǎn)兩年以上，能基本滿足快速工業(yè)固化的需要。據(jù)市場預(yù)測，2016年紫外線LED應(yīng)用于光固化市場產(chǎn)值達(dá)8100萬美元，2021年將達(dá)1.95億美元，年復(fù)合成長率為19%。

UV-LED光源的優(yōu)勢可歸納為以下六個方面，從中不難看出其能夠快速占據(jù)市場的原因：

2.1 節(jié)能

傳統(tǒng)汞燈UV光源看上去亮度很高，這是因為它的光譜很寬，覆蓋了可見光波段，而真正起有效固化作用的UV波段只占其中一小部分，輸入功率中約70%能量以可見光、紅外光和熱能耗散掉了。相對而言，UV-LED輻射光譜較窄，90%以上光輸出集中在起固化作用的主波峰附近±10nm范圍內(nèi)，能量高度集中，有效發(fā)光效率高，不僅有利于縮短固化時間，且大大降低了能源消耗和二氧化碳排放量。

2.2 低熱輻射

UV-LED光源含有極低的紅外波段輻射，被認(rèn)為是冷光源，因此即使近距離照射，工件表面的溫升也非常低，不會因受熱而大幅度變形。這樣的特性在實際應(yīng)用時會帶來極大的優(yōu)勢，例如在液態(tài)感光阻焊油墨的曝光過程中不會使菲林片變形，降低了圖像轉(zhuǎn)移的失真程度，能更好地保證圖和像的一致性；解決光通訊、顯示產(chǎn)品生產(chǎn)中長期存在的熱傷害問題，特別適合液晶面板封邊、薄膜印刷等要求溫升小的場合；解決大型噴繪設(shè)備傳統(tǒng)的發(fā)熱量大、工作人員難以忍受的問題。

2.3 長壽命

UV-LED光源壽命可達(dá)傳統(tǒng)UV光源壽命的12倍以上，且使用壽命不受開關(guān)次數(shù)影響，光源更換頻率大幅降低，耗材費用隨之減少。

2.4 瞬間開合

UV-LED可做到瞬間開啟或關(guān)閉，無需傳統(tǒng)UV光源所必需的長時間預(yù)熱及降溫時間，工藝作業(yè)效率高。

2.5 無臭氧

UV-LED無臭氧的產(chǎn)生改善了工作環(huán)境，無需再安裝捕捉和焚化設(shè)備來消除臭氧危害。

2.6 結(jié)構(gòu)靈活

傳統(tǒng)UV汞燈光源尺寸較大且為全周發(fā)光，因此光源形態(tài)較為固定。UV-LED顆粒尺寸小，可根據(jù)具體應(yīng)用場景的需要設(shè)計成點、線、面光源等多種形態(tài)。光源設(shè)備與相關(guān)配套裝置均可做到結(jié)構(gòu)非常緊湊，節(jié)省空間。

3 UV-LED光源的發(fā)展

繼續(xù)優(yōu)化UV-LED的固化效果、擴(kuò)大其適用領(lǐng)域是當(dāng)前業(yè)界的主旋律。UV-LED對固化材料的固化效果是由光引發(fā)劑材料的UV吸收率決定的，因此UV-LED的發(fā)光光譜與光引發(fā)劑的吸收光譜的匹配程度對體系的固化起著直接的、決定性的作用。對大多數(shù)光引發(fā)劑材料來說，輻照波長一定要小于405nm才有較高的吸收率，且波長越短吸收率越高。從這個角度來說，用于固化的UV-LED應(yīng)該盡量采用短波長的產(chǎn)品，但是由于物理限制和工藝原因，波長越短的芯片發(fā)光效率越低（光強(qiáng)越低），導(dǎo)致對于某些固化材料，反而采用波長較長的UV-LED可能固化效果更好。此外，不同應(yīng)用領(lǐng)域有不同的固化厚度需求，由于透射率的影響，應(yīng)用于表面薄層固化時更偏向于使用短波長的UV-LED，如噴墨打印的油墨固化更適用于采用365nm產(chǎn)品，而穿透深度較高的應(yīng)用時更適用于長波長的產(chǎn)品，如3D打印采用395～405nm的產(chǎn)品。另外，價格也是用戶重點考慮要素，隨著波長變短，UV-LED價格也會成倍增加，可見UV-LED光源的選擇實際上涉及到多方面的考慮。

要提高UV-LED在固化市場的滲透率，首要的任務(wù)是優(yōu)化發(fā)光光譜，以盡量覆蓋光引發(fā)劑的有效波長或盡可能多地針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的固化材料提供對特定波長優(yōu)化的UV-LED產(chǎn)品；其次，提高輻射功率是永恒的話題，因低功率會造成固化光源必須緊挨著工件放置，引起設(shè)備復(fù)雜性提高、工人操作不便、非平坦表面工件適用困難等問題；最后，改進(jìn)重點還包括散熱技術(shù)這樣能從光源外部起作用改善光效的方面。下文整理了當(dāng)前的一些進(jìn)展：

3.1 芯片改進(jìn)

UV-LED一般采用AlGaN作為發(fā)光材料，但是AlGaN LED相比藍(lán)光GaN LED芯片具有更高的穿透位錯密度（Threading Dislocation Density，TDD），從而導(dǎo)致發(fā)光效率偏低，外量子效率會隨著輻射峰值波長的減小而逐漸降低。隨著制備技術(shù)近年的迅速發(fā)展，UVA波段芯片的效率已經(jīng)得到極大提升，現(xiàn)在峰值波長在365nm的芯片的外量子效率（EQE）已經(jīng)達(dá)到30%，385nm芯片可達(dá)50%，而405nm芯片效率更高達(dá)60%。這些進(jìn)展使得365nm LED的單顆輸出功率可達(dá)到12W，價格隨著批量生產(chǎn)而大幅下降，已能完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求。

然而，傳統(tǒng)光固化工藝中的UV汞燈的主要波峰在365nm、313nm、303nm等，而且是連續(xù)的，覆蓋200～400nm的幾乎全紫外光譜，大量UV固化材料正是利用這種特性，通過組合使用多種吸收波長的光引發(fā)劑，從而實現(xiàn)高效固化。UVA波段的產(chǎn)品即使效率再高也很難直接替代大量現(xiàn)有工藝設(shè)備中的UV光源。當(dāng)前一個很重要的趨勢就是加緊研發(fā)深紫外（DUV，主要指UVC）波段的芯片，通過組合使用覆蓋UVC至UVA波段的多種芯片，有可能近似模擬傳統(tǒng)中壓汞燈的多波長連續(xù)譜，從而加快傳統(tǒng)光源換固態(tài)光源的進(jìn)程。Kueller等人通過在藍(lán)寶石襯底上制備圖形ELO-AlN基板，使得藍(lán)寶石上的AlN層的位錯密度從1010cm-2減小到109cm-2?；谠揈LO-AlN基板制作的LED，峰值波長為295nm時，輻射輸出功率可達(dá)到1.05mW，EQE約為0.67%；峰值波長為324nm時，輻射功率為3.8mW，EQE為1.1%。Kurin等人采用氯-氫化物氣相外延（CHVPE）技術(shù)，在氧化鋁襯底上生長GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)來制備UV-LED，電流密度可高達(dá)125A/cm2。峰值波長在360～365nm范圍時，封裝芯片的輻射輸出功率為0.9mW。Fujioka等人通過改善外延層結(jié)構(gòu)和電極圖案，實現(xiàn)了40.5mW的280nm DUV-LED，在結(jié)溫為45℃時壽命可達(dá)3000小時。

3.2 模塊封裝及散熱設(shè)計

雖然單個芯片顆粒的性能得到提升，但在實際應(yīng)用中，為了提高生產(chǎn)效率，滿足大尺寸線光源、面光源的需求，一般需要通過封裝技術(shù)組合多個顆粒形成光源模塊，以獲得足夠的功率密度。例如，Schneider等人把98個395nm的LED芯片密集布置在封裝面積為2.11cm2的陶瓷基板上，實現(xiàn)了13.1W/cm2的較高的輻射功率密度。另外，光源模塊的有效散熱對于輻射功率密度的提升以及長壽命的確保是光源設(shè)計的核心要務(wù)已是產(chǎn)業(yè)共識。Schneider等人基于層流條件下熱傳導(dǎo)的微通道較短的原理設(shè)計了針對高密度封裝模塊的散熱器，眾多短小的微通道相互并聯(lián)，以提高熱傳導(dǎo)的面積，并采用水作為冷卻液。采用鋁或氧化鋁陶瓷等低熱阻材料為主體材料時，該散熱器的熱通量預(yù)計能夠達(dá)到800W/cm2。Horng等人采用復(fù)合電鍍工藝制備出摻雜金剛石的銅（Diamond-added Copper，DAC）散熱器，其熱阻僅為18.4K/W，低于純銅的24.8K/W。與采用純銅材料的散熱器對比，可使得光源的輻射效率提高4.3%。崔曉鈺等人針對高功率、高封裝和較大出光面積的UV-LED固化燈進(jìn)行水冷散熱研究，選用S形板管式水冷板對LED模塊進(jìn)行散熱，運用CFD軟件對冷板進(jìn)行數(shù)值計算，得出各個芯片的溫度分布及冷板內(nèi)部的流動情況，實現(xiàn)了2kW輸入功率光源的較優(yōu)化散熱效果，將芯片結(jié)溫控制在110℃以內(nèi)，從而避免較嚴(yán)重的光衰，使所有模塊能夠持續(xù)高效地

運作。

3.3 光學(xué)設(shè)計

目前很多實際工業(yè)設(shè)備中的UV-LED光源光學(xué)系統(tǒng)采用的是LED陣列排布的形式，也即LED燈珠發(fā)出的光直接照射到工件表面，而沒有采用二次配光結(jié)構(gòu)。這樣燈珠形成的光斑很容易與周圍燈珠形成的光斑重合，導(dǎo)致光斑均勻性差，且當(dāng)工件變更需要變化輻照距離時，輻照強(qiáng)度及均勻度均明顯下降。文尚勝等人提出一種陣列式UV-LED固化面光源光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方法。基于幾何光學(xué)及菲涅耳定律等相關(guān)理論，完成近朗伯光型LED透鏡自由曲面輪廓線的推導(dǎo)，結(jié)合理論公式計算出透鏡陣列排布時透鏡之間的最佳間距，使陣列結(jié)構(gòu)更加緊湊的同時實現(xiàn)了95%以上的照度均勻度。Jasenak等人通過在光源模塊的蓋板玻璃引入棱鏡微結(jié)構(gòu)和菲涅耳光學(xué)結(jié)構(gòu)，提高了均勻性的同時還使得照度實現(xiàn)了20%的提高。

4 結(jié)語

近幾年來，UV-LED的芯片性能得到了快速提高。大功率UV-LED光源已經(jīng)成為傳統(tǒng)UV放電燈的有效補(bǔ)充，并逐步開始了對其替代的征程，尤其在光固化行業(yè)，憑借節(jié)能環(huán)保、熱輻射低、光源靈活多樣化等各種優(yōu)勢，勢必具有極大的市場前景。學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界在光譜優(yōu)化、效率提升、封裝創(chuàng)新、熱管理和配光優(yōu)化等多方面、全方位地積極、持續(xù)地開展研究及開發(fā)活動，可以預(yù)期UV-LED在包括醫(yī)療、檢測、消毒等更寬廣的領(lǐng)域?qū)懈蟮陌l(fā)展。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）