พูดคุยเกี่ยวกับ UV LED

ก่อนที่จะเจาะลึกเทคโนโลยี UV-LED เราต้องชี้แจงแนวคิดหลักหลายประการก่อนเพื่อให้แน่ใจว่าเรากำลังพูดคุยถึงเรื่องเดียวกัน วิธีนี้จะป้องกันการตีความที่ผิดและ-การสื่อสารข้ามวัตถุประสงค์ ที่นี่,ยูวีหมายถึงวัสดุที่รักษาด้วยรังสียูวี-ได้ เช่น การเคลือบยูวี หมึกยูวี และกาวยูวีนำหมายถึงแหล่งกำเนิดแสง LED อัลตราไวโอเลตโดยเฉพาะ และยูวี-แอลอีดี ถูกกำหนดให้เป็น"การบ่มวัสดุยูวีโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลต LED เป็นแหล่งการฉายรังสี".

ดังที่เราทุกคนทราบกันดีว่าแหล่งกำเนิดแสงในการบ่มแบบดั้งเดิมสำหรับการเคลือบ UV คือหลอดปรอทความดันปานกลาง-และ-ความดันสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยได้รับแรงหนุนจากนโยบายการอนุรักษ์พลังงานและการปกป้องสิ่งแวดล้อม ควบคู่ไปกับความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี UVLED (อัลตราไวโอเลต LED) ที่ได้วางรากฐานสำหรับการใช้งานในระดับอุตสาหกรรม- ตลาดได้เห็นถึงการนำ UV- มาใช้ LED เพิ่มมากขึ้น เทคโนโลยีเกิดใหม่ดึงดูดความสนใจและความกระตือรือร้นในวงกว้างอยู่เสมอ อย่างไรก็ตาม ในฐานะผู้ปฏิบัติงานในอุตสาหกรรม ความเข้าใจที่ชัดเจนเกี่ยวกับ UV-LED เป็นสิ่งจำเป็น ที่นี่ เราอยากจะแบ่งปันประสบการณ์การวิจัยของเราในด้าน UV-LED ในช่วงสองปีที่ผ่านมา

การเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิดแสง (ความแตกต่างระหว่าง LED และหลอดปรอทจะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลัง) ได้นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในระบบการกำหนดสูตรการเคลือบ UV รวมถึงการปฏิวัติในกระบวนการเคลือบและการบ่มทั้งหมด สำหรับระบบ UV-LED เราระบุทิศทางการวิจัยที่สำคัญห้าประการซึ่งครอบคลุมทั้งมิติทางเทคนิคและตลาด

QQ20251118-160943

ตามที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ การถ่ายภาพด้วยแสง UV-อาศัยไฟ LED อัลตราไวโอเลตแหล่งบ่มวัสดุยูวี ดังนั้นการบรรลุการบ่มที่มีประสิทธิผลจึงเป็นวัตถุประสงค์หลักของความพยายามในการวิจัยทั้งหมด การถ่ายภาพด้วยแสงต้องใช้องค์ประกอบที่ขาดไม่ได้สองประการ ได้แก่ แสง (แหล่งพลังงาน) และวัสดุยูวี (ตัวรับ) การเปลี่ยนแปลงในแหล่งกำเนิดแสงย่อมรบกวนความสมดุลของทั้งระบบอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยแกนหลักอยู่ในการวิจัยและพัฒนาแบบสหวิทยาการเพื่อจัดการเคลือบยูวีให้เข้ากับแหล่งกำเนิดแสง LED

เป็นที่ทราบกันดีว่าความยาวคลื่น LED ที่สั้นกว่านั้นสอดคล้องกับระดับพลังงานที่สูงขึ้นและต้นทุนที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน เครื่องสร้างภาพที่ต้องการพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่าจะมีความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงที่ยาวขึ้น และยังควบคุมราคาให้สูงขึ้นอีกด้วย สิ่งนี้จะสร้างความสัมพันธ์แบบกระดานหก-ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงและผู้ริเริ่ม ดังนั้น การขยายขอบเขตประสิทธิภาพของทั้งสองอย่างและการระบุสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างแหล่งกำเนิดแสง LED และวัสดุ UV จึงกลายเป็นจุดสนใจของโครงการริเริ่ม R&D UV{4}}

เทคโนโลยีหลอดปรอทมีความเจริญรุ่งเรืองอย่างมากในแง่ของการพัฒนาและการใช้งาน และได้รับการยกย่องว่าเป็นแหล่งกำเนิดแสงมาตรฐานมายาวนาน ในทางตรงกันข้าม เทคโนโลยี LED อัลตราไวโอเลตยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และมีศักยภาพมหาศาลสำหรับการเติบโตในอนาคต นอกจากนี้ ห่วงโซ่อุตสาหกรรม LED ยังครอบคลุมถึงการเติบโตของคริสตัล การตัดชิป การบรรจุชิป การบูรณาการโมดูลแหล่งกำเนิดแสง ตลอดจนการควบคุมแหล่งจ่ายไฟและการออกแบบระบบกระจายความร้อน แต่ละขั้นตอนส่งผลกระทบที่สำคัญต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย-แหล่งกำเนิดแสง UVLED ดังนั้น การทำความเข้าใจและขยายขอบเขตประสิทธิภาพของ LED จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนาระบบนิเวศ UV{5}}LED ทั้งหมด

เพื่อให้มีชัยในการแข่งขันในตลาด ความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงจุดแข็งของตนเองและจุดอ่อนของคู่แข่งเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากเราตั้งเป้าหมายที่จะแทนที่หลอดปรอทแบบเดิมด้วย UVLED การเปรียบเทียบเทคโนโลยีทั้งสองก่อนอื่นจึงเป็นสิ่งสำคัญ และวิเคราะห์ข้อดี ข้อเสีย และข้อจำกัดตามลำดับ

การเคลือบยูวีจะรักษาตัวได้เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงในสูตรจะดูดซับแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นจำเพาะ ทำให้เกิดอนุมูลอิสระ (หรือแคตไอออน/แอนไอออน) ที่เริ่มปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันของโมโนเมอร์ เพื่ออธิบายหลักการนี้ ขั้นแรกเราจะตรวจสอบสเปกตรัมการแผ่รังสีของหลอดปรอทและไฟ LED อัลตราไวโอเลต

QQ20260120-094635

แผนภูมินี้เป็นการเปรียบเทียบสเปกตรัมการปล่อยแสงของ UV LED และหลอดปรอทแบบคลาสสิกและพบเห็นได้ทั่วไป ดังที่สังเกตได้จากแผนภาพ สเปกตรัมการแผ่รังสีของหลอดปรอทมีความต่อเนื่อง ครอบคลุมตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลตไปจนถึงช่วงอินฟราเรด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความเข้มของแสงจะเข้มข้นใน UVB ถึงแถบ UVA คลื่นสั้น- ในทางตรงกันข้าม สเปกตรัมการปล่อยแสงของ LED นั้นค่อนข้างแคบ โดยมีแถบคลื่นที่พบบ่อยที่สุดสองแถบที่มีความยาวคลื่นสูงสุดที่ 365 นาโนเมตรและ 395 นาโนเมตร (รวมถึง 385 นาโนเมตร, 395 นาโนเมตร และ 405 นาโนเมตร)

ปัจจุบันเป็นประถมศึกษาแสงยูวีโดยความสามารถในการนำไปใช้ทางอุตสาหกรรมจะอยู่ภายในแถบ UVA โดยเฉพาะแหล่งกำเนิดแสง LED ที่มีความยาวคลื่น 365 นาโนเมตรและ 395 นาโนเมตร ดังแสดงในรูปที่ 1 ภายในช่วงความยาวคลื่นนี้ ตัวสร้างปฏิกิริยาด้วยแสงส่วนใหญ่จะมีค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของฟันกรามที่ค่อนข้างต่ำ ด้วยเหตุนี้ ระบบ UV- โดยทั่วไปจึงประสบปัญหาประสิทธิภาพการเริ่มต้นต่ำและการยับยั้งออกซิเจนอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นอันตรายต่อการบ่มพื้นผิว

หมายเหตุ: คำกล่าวอ้างที่มักกล่าวอ้างโดยผู้ผลิต UVLED หรือซัพพลายเออร์การเคลือบ UV LED หลายรายเกี่ยวกับ "ความสามารถในการขัดทรายที่ยอดเยี่ยมของการเคลือบ UV LED" พูดอย่างเคร่งครัดนั้นเป็นผลโดยตรงจากการบ่มพื้นผิวที่ไม่เพียงพอ ความท้าทายที่แท้จริงไม่ได้อยู่ที่ความสามารถในการทรายที่ดี แต่อยู่ที่การควบคุมความสามารถในการทรายได้- โดยมีความสมดุลระหว่างความต้านทานการสึกหรอและความง่ายในการขัด นอกจากนี้ ผู้ผลิตบางรายยังใช้แนวทางปฏิบัติที่หลอกลวง เช่น การติดตั้งหลอดปรอทด้านหลังอาร์เรย์ LED ซึ่งจริงๆ แล้วหลอดปรอทมีบทบาทในการบ่มที่โดดเด่น

อย่างไรก็ตาม เรายังทราบด้วยว่าในย่านคลื่น 365 นาโนเมตรและ 395 นาโนเมตร ไฟ LED ให้ความเข้มของแสงที่สูงกว่าหลอดปรอทอย่างมาก ซึ่งเอื้อให้เกิดการบ่มวัสดุ UV ในชั้นลึก-

(สำหรับการอ้างอิง ระบบการบ่มด้วยรังสียูวีแบบดั้งเดิมหลายระบบได้รวมเอาหลอดแกลเลียม (ที่มีความยาวคลื่นการปล่อยแสงที่โดดเด่น 415 นาโนเมตร) ไว้ข้างๆ หลอดปรอท เพื่อเพิ่ม-ประสิทธิภาพการบ่มในชั้นลึกอย่างแม่นยำ)

ด้านที่สอง: ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ LED โดยทั่วไปแล้ว UVLED จะถูกมองว่าประหยัดพลังงาน-มากกว่าหลอดปรอทมาก ผู้ผลิตหลายรายถึงกับอ้างว่าการนำ LED มาใช้สามารถลดการใช้พลังงานลงได้ 70% ในความเป็นจริง การยืนยันนี้เต็มไปด้วยความเข้าใจผิด เกิดจากปัจจัยสำคัญสองประการ ประการแรก องค์กรบางแห่งหันไปใช้การพูดเกินจริงเชิงอื้อฉาวเพื่อวัตถุประสงค์ทางการตลาด ประการที่สอง คนส่วนใหญ่ขาดความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับ LED และรวมแนวคิดที่แตกต่างกันสองประการเข้าด้วยกัน

ความเข้าใจผิดนี้มักเกิดขึ้นจากสมมติฐานที่ว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากหลอดปรอทเพียง 30% เท่านั้นที่เป็นรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ในขณะที่ UVLED ปล่อยแสง UV 100%. อย่างไรก็ตาม ตัวกำหนดที่แท้จริงของระดับการใช้พลังงานของระบบ-คือประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกและประสิทธิภาพแสงที่มีประสิทธิผล จริงๆ แล้วหลอดปรอทมีประสิทธิภาพในการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูง-ข้อเสียอยู่ที่ว่าแสงที่ปล่อยออกมาส่วนใหญ่ประกอบด้วยรังสีที่มองเห็นได้และรังสีอินฟราเรด โดยมีแสง UV (องค์ประกอบเดียวที่มีประโยชน์ในการบ่มวัสดุ UV) ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนเพียง 30% ในทางตรงกันข้าม UVLED มีประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ โดยปัจจุบันมีความยาวคลื่น UVA อยู่ที่ประมาณ 30% (ซึ่งเทียบเท่ากับประสิทธิภาพแสง UV ของหลอดปรอทโดยประมาณ)

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานไฟฟ้าที่เหลืออีก 70% จะถูกแปลงเป็นความร้อน สิ่งนี้อธิบายความแตกต่างที่สำคัญสองประการระหว่างเทคโนโลยีทั้งสอง:

LED ได้รับชื่อเสียงว่าเป็น "แหล่งกำเนิดแสงเย็น" เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นจะกระจายไปจากด้านหลังของแผงหลอดไฟ ปล่อยให้แสง-ที่เปล่งออกมาบนพื้นผิวเย็นเมื่อสัมผัส ในทางกลับกัน หลอดปรอทจะแผ่ความร้อนไปข้างหน้าผ่านตัวสะท้อนแสงและการปล่อยอินฟราเรด

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมแหล่งกำเนิดแสง UVLED โดยทั่วไปจึงต้องการ-ระบบทำความเย็นด้วยอากาศ และ UVLED กำลังสูง-ยังกำหนดให้หน่วยทำความเย็นน้ำ-มีขนาดเพื่อรองรับ 70% ของพลังงานไฟฟ้าของแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการกระจายความร้อนที่ส่วนหัวของหลอดไฟ

ข้อดีของการประหยัดพลังงานอย่างแท้จริง-ของ LED มาจากคุณลักษณะเฉพาะสองประการ ได้แก่ ความสามารถในการเปิด/ปิดได้ทันที และการฉายรังสีที่แม่นยำผ่านการออกแบบด้านการมองเห็น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแสงอย่างมีประสิทธิผล อย่างไรก็ตาม การใช้ประโยชน์จากประโยชน์เหล่านี้จำเป็นต้องบูรณาการเข้ากับเทคโนโลยีการตรวจจับอินฟราเรดและระบบควบคุมอัจฉริยะ-ซึ่งผู้ผลิตอุปกรณ์ UV LED ส่วนใหญ่ในตลาดปัจจุบันยังขาดความสามารถในการวิจัยและพัฒนาในการพัฒนา

การสร้างโอโซน: สเปกตรัมการปล่อยก๊าซรวมถึงแสงอัลตราไวโอเลตไกล-ที่ต่ำกว่า 200 นาโนเมตร ซึ่งผลิตโอโซนในปริมาณมาก (นี่คือสาเหตุหลักของกลิ่นฉุนที่รายงานโดยคนงานในโรงงานที่ใช้ระบบหลอดปรอท)

มลพิษจากสารปรอทจากการกำจัด: หลอดปรอทมีอายุการใช้งานสั้นเพียง 800–1,000 ชั่วโมง การกำจัดหลอดไฟที่ใช้แล้วอย่างไม่เหมาะสมทำให้เกิดมลพิษจากสารปรอท ซึ่งเป็นปัญหาที่ยังคงแก้ไขไม่ได้จนถึงทุกวันนี้

รายงานระบุว่าพลังงานที่ต้องใช้ทุกปีเพื่อบำบัดขยะปรอทนั้นเทียบเท่ากับกำลังการผลิตรวมของเขื่อนสามโตรกสองแห่ง ที่แย่กว่านั้นคือ ปัจจุบันยังไม่มีเทคโนโลยีที่สามารถกำจัดสารปรอทออกจากกระแสของเสียได้อย่างสมบูรณ์

UV LED ปราศจากปัญหาเหล่านี้โดยสิ้นเชิง นับตั้งแต่อนุสัญญามินามาตะว่าด้วยดาวพุธมีผลบังคับใช้อย่างเป็นทางการในประเทศจีนเมื่อวันที่ 16 สิงหาคม 2017 การเลิกใช้หลอดปรอท-จึงถือเป็นวาระการประชุมอย่างเป็นทางการ แม้ว่าอนุสัญญาจะรวมการยกเว้นสำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์แบบปรอททางอุตสาหกรรมในกรณีที่ไม่มีทางเลือกอื่น แต่ก็ยังกำหนดว่าภาคีที่ลงนามอาจเสนอให้เพิ่มผลิตภัณฑ์ดังกล่าวลงในรายการที่ถูกจำกัดเมื่อมีสารทดแทนที่ใช้การได้ ดังนั้น ลำดับเวลาสำหรับการใช้หลอดปรอท-หมดระยะในการใช้งานการบ่มด้วยรังสียูวีจึงขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการพัฒนาอุตสาหกรรมของโซลูชัน UV LED

รองรับการบ่มที่แม่นยำเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การพิมพ์ 3D

ด้วยการจับคู่ LED กับเครื่องสร้างภาพแบบต่างๆ ช่วยให้สามารถควบคุมระดับการบ่มและความลึกได้อย่างแม่นยำ

การกำหนดค่าแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับแต่งได้ LED มีการออกแบบลูกปัดโคมไฟแบบโมดูลาร์ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับความยาว ความกว้าง และมุมการฉายรังสีได้อย่างยืดหยุ่น ความอเนกประสงค์นี้ช่วยให้สามารถสร้างแหล่งกำเนิดแสงแบบจุด แหล่งกำเนิดแสงแบบเส้น และแหล่งกำเนิดแสงในพื้นที่ ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะของกระบวนการบ่มที่หลากหลาย

ความยาวคลื่น:365 นาโนเมตร, 395 นาโนเมตร

การฉายรังสี (ความเข้มของแสง, ความหนาแน่นของพลังงานแสง): mW/cm²

ปริมาณพลังงานทั้งหมด: mJ/cm²

กระบวนการถ่ายภาพไม่สามารถดำเนินต่อไปได้หากไม่มีพารามิเตอร์หลักสามประการที่กล่าวถึงข้างต้น: ความยาวคลื่น ความเข้มของแสง และปริมาณพลังงานทั้งหมด ความยาวคลื่นจะกำหนดว่าตัวสร้างภาพด้วยแสงสามารถเปิดใช้งานได้หรือไม่ ความเข้มของแสงเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการเริ่มต้นของรังสียูวี และส่งผลโดยตรงต่อการบ่มพื้นผิว (ความต้านทานการยับยั้งออกซิเจน) และประสิทธิภาพการบ่มแบบลึก ในขณะที่ปริมาณพลังงานทั้งหมดช่วยให้มั่นใจได้ว่าวัสดุจะแข็งตัวอย่างทั่วถึง

เมื่อเปรียบเทียบกับหลอดปรอท ข้อได้เปรียบที่โดดเด่นที่สุดของ LED อยู่ที่คุณสมบัติที่กำหนดสูตรและปรับแต่งได้ ภายในขีดจำกัดประสิทธิภาพของ LED เอง พารามิเตอร์ของ LED สามารถปรับให้เหมาะสมที่สุดในขอบเขตสูงสุดเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการบ่มเฉพาะ ในการทดลองการถ่ายภาพด้วยแสง UV- LED วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อขยายขอบเขตประสิทธิภาพของทั้งแหล่งกำเนิดแสงและวัสดุ UV อย่างต่อเนื่อง และระบุความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างสิ่งเหล่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ LED หมายถึงการกำหนดพารามิเตอร์แหล่งกำเนิดแสง LED ในอุดมคติโดยพิจารณาจากสูตรการเคลือบเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การบ่มที่เหมาะสมที่สุด

ตามหลักการของการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอน (ละเว้นรายละเอียด ผู้อ่านที่สนใจอาจดูข้อมูลเพิ่มเติมจากแหล่งข้อมูลออนไลน์) เมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมเปลี่ยนจากสถานะตื่นเต้นเป็นสถานะพื้น พวกมันจะปล่อยพลังงานในรูปของรังสีที่ความยาวคลื่นต่างกัน (กล่าวคือ ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกัน)

ดังนั้น มีสองวิธีหลักในการผลิตแหล่งกำเนิดแสง UV-:

แนวทางแรกคือการระบุอะตอมที่พลังงานอิเล็กตรอนแตกต่างกันระหว่างสถานะตื่นเต้นและสถานะพื้นดินอยู่ภายในสเปกตรัมอัลตราไวโอเลต หลอดปรอทแบบดั้งเดิมเป็นแหล่งกำเนิดแสง UV ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดตามหลักการนี้

แนวทางที่สองใช้ประโยชน์จากหลักการเรืองแสงของเซมิคอนดักเตอร์ (ละรายละเอียดไว้ ผู้อ่านที่สนใจอาจดูข้อมูลเพิ่มเติมจากแหล่งข้อมูลออนไลน์) โดยสรุป เมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าถูกจ่ายให้กับ-สารกึ่งตัวนำที่เปล่งแสง รูที่ถูกฉีดจากบริเวณ P- ไปยังบริเวณ N- และอิเล็กตรอนที่ถูกฉีดจากบริเวณ N- ไปยังบริเวณ P- จะรวมตัวกันอีกครั้งด้วยอิเล็กตรอนในบริเวณ N- และรูในบริเวณ P- ตามลำดับภายในไม่กี่ไมโครเมตรใกล้กับทางแยก PN รังสีฟลูออเรสเซนต์ที่เกิดขึ้นเอง

ดังที่ทราบกันอย่างแพร่หลาย ช่องว่างแถบของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์กลุ่ม III-V ตั้งแต่อะลูมิเนียมไนไตรด์ไปจนถึงแกลเลียมไนไตรด์หรืออินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ตกอยู่ในช่วงสเปกตรัมตั้งแต่แสงสีน้ำเงินไปจนถึงแสงอัลตราไวโอเลตอย่างแม่นยำ ด้วยการปรับอัตราส่วนวัสดุของอะลูมิเนียม อินเดียม แกลเลียม ไนไตรด์ เราจึงสามารถผลิตแหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตและแหล่งกำเนิดแสงที่มองเห็นได้ตลอดช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลาย

QQ20260120-100951 QQ20260120-100959

แม้ว่าในทางทฤษฎี แสงทุกความยาวคลื่นสามารถสร้างขึ้นได้โดยการปรับองค์ประกอบของวัสดุเรืองแสง แต่ช่วงของชิป UVLED ที่มีจำหน่ายสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ยังคงค่อนข้างจำกัดเนื่องจากข้อจำกัดต่างๆ ชิปกำลังสูง-ที่เหมาะสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมโดยพื้นฐานแล้วจะเข้มข้นในย่านรังสี UVA (365–415 นาโนเมตร) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยี UVB และ UVC ก็มีการพัฒนาที่รุนแรงเช่นกัน แต่โดยพื้นฐานแล้วเทคโนโลยีเหล่านี้จำกัดอยู่เฉพาะในตลาดพลเรือนและผู้บริโภคที่ใช้พลังงานต่ำ- เช่น การฆ่าเชื้อโรคและการฆ่าเชื้อ

มีเหตุผลสำคัญหลายประการสำหรับสิ่งนี้:

โครงสร้างวัสดุคริสตัลกำหนดประสิทธิภาพการส่องสว่าง (ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และประสิทธิภาพสูง-อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ยังคงสามารถใช้ได้ในช่วง 365–405 นาโนเมตรภายใน UVA ในทางตรงกันข้าม ชิป UVB และ UVC อาศัยอะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ (AlGaN)-ซึ่งเป็นวัสดุที่มีประสิทธิภาพการส่องสว่างต่ำโดยธรรมชาติ-แทนที่จะใช้ GaN และ InGaN ที่ใช้กันทั่วไป เนื่องจาก GaN และ InGaN ดูดซับแสงอัลตราไวโอเลตที่ต่ำกว่า 365 นาโนเมตร ส่งผลให้ประสิทธิภาพการส่องสว่างของชิป UVB และ UVC ต่ำมาก ตัวอย่างเช่น ชิป 278 นาโนเมตรของ LG มีประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริคเพียง 2%

ความท้าทายในการกระจายความร้อนที่เกิดจากประสิทธิภาพต่ำ ตามกฎหมายการอนุรักษ์พลังงาน ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก 2% หมายความว่า 98% ของพลังงานไฟฟ้าถูกแปลงเป็นความร้อน นอกจากนี้ อายุการใช้งานและประสิทธิภาพการส่องสว่างของชิป LED ยังแปรผกผันกับอุณหภูมิอีกด้วย การสร้างความร้อนสูงเช่นนี้ทำให้เกิดข้อกำหนดที่เข้มงวดอย่างยิ่งกับระบบกระจายความร้อน ด้วยเทคโนโลยีระบายความร้อนที่มีอยู่ เป็นไปไม่ได้เลยที่จะกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับชิป UVB และ UVC กำลังสูง-

การส่งผ่านรังสี UV ต่ำของบรรจุภัณฑ์และวัสดุเลนส์เพื่อปกป้องชิป LED การห่อหุ้มถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากไฟ LED ปล่อยแสงรอบทิศทาง เลนส์จึงจำเป็นต้องรวมลำแสงไว้ อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากแก้วควอทซ์แล้ว วัสดุส่วนใหญ่มีการส่งผ่านรังสียูวีต่ำมาก-และการส่งผ่านจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง ด้วยเหตุนี้ แม้ว่าประสิทธิภาพการส่องสว่างโดยธรรมชาติของชิป UVB/UVC จะต่ำอยู่แล้ว แต่ส่วนสำคัญของแสงถูกเลนส์ดูดซับไว้ ส่งผลให้กำลังแสงที่ใช้งานได้น้อยมาก ซึ่งแทบจะไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

ผลผลิตคริสตัลต่ำและต้นทุนการผลิตสูง ชิป UVB และ UVC ปัจจุบันผลิตโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์เดียวกันกับชิป UVA นอกเหนือจากข้อบกพร่องของวัสดุโดยธรรมชาติแล้ว ปัญหาต่างๆ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่ไม่ตรงกันระหว่างซับสเตรตและคริสตัล ส่งผลให้ได้ผลผลิตคริสตัลต่ำมาก ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตสูงอย่างไม่น่าเชื่อ

โดยรวมแล้ว เนื่องจากประสิทธิภาพการส่องสว่างต่ำ ต้นทุนสูง และข้อกำหนดการกระจายความร้อนที่เข้มงวดของเทคโนโลยี UVB และ UVC การพัฒนาพลังงานสูง-แสงยูวีบีและยูวีซีแหล่งที่มาสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมจะยังคงเข้าใจยากจนกว่าจะบรรลุความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญ

QQ20260120-101511

ชิป LED เป็นเพียงส่วนประกอบที่สำคัญอย่างหนึ่งของแหล่งกำเนิดแสง LED เมื่อดำเนินการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดแสง LED เราจะต้องนำอย่างเป็นระบบแนวทางแบบองค์รวม นอกเหนือจากการปรับความยาวคลื่น LED แล้ว ขอบเขตการวิจัยและพัฒนายังครอบคลุมกระบวนการขั้นปลายหลายชุด รวมถึงเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ การออกแบบการมองเห็น ระบบกระจายความร้อน ระบบจ่ายไฟ และระบบควบคุมอัจฉริยะ

ปัจจุบันมีโครงสร้างบรรจุภัณฑ์หลักสี่ประการสำหรับชิป LED:

โครงสร้างการติดตั้งในแนวตั้ง

พลิก-โครงสร้างชิป

โครงสร้างแนวตั้ง

โครงสร้างแนวตั้ง 3 มิติ

โดยทั่วไปแล้ว ชิป LED ทั่วไปจะใช้โครงสร้างการยึดในแนวตั้งพร้อมซับสเตรตแซฟไฟร์ โครงสร้างนี้มีการออกแบบที่เรียบง่ายและกระบวนการผลิตที่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม แซฟไฟร์มีค่าการนำความร้อนต่ำ ซึ่งทำให้ความร้อนที่เกิดจากชิปถ่ายโอนไปยังแผงระบายความร้อนได้ยาก- ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่จำกัดการใช้งานในระบบ-ระบบ LED กำลังสูง

บรรจุภัณฑ์ชิป Flip- แสดงถึงหนึ่งในแนวโน้มการพัฒนาในปัจจุบัน แตกต่างจากโครงสร้างการยึดในแนวตั้ง การออกแบบชิปแบบพลิก-ความร้อนไม่จำเป็นต้องผ่านซับสเตรตแซฟไฟร์ของชิป แต่จะถูกถ่ายโอนโดยตรงไปยังซับสเตรตที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (เช่น ซิลิคอนหรือเซรามิก) จากนั้นจึงกระจายออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอกผ่านฐานโลหะ นอกจากนี้ เนื่องจากโครงสร้างชิปแบบฟลิป-ไม่จำเป็นต้องใช้ลวดทองภายนอก จึงทำให้มีความหนาแน่นในการรวมชิปที่สูงขึ้น และปรับปรุงกำลังแสงต่อหน่วยพื้นที่ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างชิปทั้งแบบยึดในแนวตั้งและแบบพลิก-มีข้อบกพร่องร่วมกัน นั่นคือ อิเล็กโทรด P และ N ของ LED อยู่ที่ด้านเดียวกันของชิป แรงนี้บังคับให้กระแสไหลในแนวนอนผ่านชั้น n-GaN ทำให้เกิดความแออัดในปัจจุบัน ความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด และท้ายที่สุดก็จำกัดขีดจำกัดด้านบนของกระแสขับเคลื่อน

ชิปแสง-โครงสร้างสีน้ำเงินแนวตั้ง-วิวัฒนาการมาจากเทคโนโลยีการติดตั้งในแนวตั้ง ในการออกแบบนี้ ชิปซับสเตรตแซฟไฟร์-แบบธรรมดาจะถูกพลิกและเชื่อมเข้ากับซับสเตรตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง ตามด้วยการยกเลเซอร์-ออกจากซับสเตรตแซฟไฟร์ โครงสร้างนี้จัดการกับปัญหาคอขวดในการกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน- โดยเฉพาะขั้นตอนการถ่ายโอนวัสดุพิมพ์ที่ท้าทาย- ซึ่งส่งผลให้ผลผลิตต่ำ อย่างไรก็ตาม ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้า บรรจุภัณฑ์แนวตั้งสำหรับ UV LEDs จึงมีความสมบูรณ์มากขึ้น

เพิ่งมีการเสนอโครงสร้างแนวตั้ง 3 มิติแบบใหม่ เมื่อเปรียบเทียบกับชิป LED ที่มีโครงสร้างแนวตั้ง-แบบดั้งเดิม ข้อได้เปรียบหลักๆ ของชิปคือการขจัดพันธะลวดทอง ทำให้ได้โปรไฟล์แพ็คเกจที่บางลง ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่เพิ่มขึ้น และการรวมกระแสไฟขับเคลื่อนสูงได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม จะต้องเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการก่อนจึงจะสามารถวางโครงสร้างแนวตั้ง 3 มิติในเชิงพาณิชย์ได้

เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว UVLED จะแสดงประสิทธิภาพการส่องสว่างที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ LED สำหรับแสงสว่างทั่วไป บรรจุภัณฑ์ที่มีโครงสร้างแนวตั้งจึงเป็นตัวเลือกที่ต้องการในการเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดแสงให้สูงสุด

เนื่องจากไฟ LED ปล่อยแสงรอบทิศทาง และประสิทธิภาพการส่องสว่างโดยธรรมชาติของไฟนั้นค่อนข้างต่ำอยู่แล้ว การออกแบบเชิงแสงทางวิทยาศาสตร์และมีเหตุผลจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพแสงที่มีประสิทธิผล (กล่าวคือ ประสิทธิภาพแสงของการฉายรังสีที่ด้านหน้า) ส่วนประกอบทางแสงทั่วไป ได้แก่ ตัวสะท้อนแสง เลนส์หลัก และเลนส์รอง

นอกจากนี้ แสงอัลตราไวโอเลตยังมีการลดทอนสูงเมื่อผ่านตัวกลาง ดังนั้น จึงต้องประเมินปัจจัยหลายประการเมื่อเลือกวัสดุเลนส์-เช่น แก้วควอทซ์ แก้วบอโรซิลิเกต และกระจกนิรภัย- โดยให้ความสำคัญกับวัสดุที่มีการส่องผ่าน UV สูง ซึ่งไม่เพียงเพิ่มแสงสว่างให้สูงสุดเท่านั้น แต่ยังป้องกันการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่มากเกินไปซึ่งเกิดจากการดูดกลืนแสงของวัสดุภายใต้การสัมผัสรังสียูวีเป็นเวลานาน

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ตามกฎหมายการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานไฟฟ้าเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นพลังงานแสง ในขณะที่สัดส่วนขนาดใหญ่จะกระจายไปในรูปของความร้อน สำหรับแถบรังสี UVA อัตราการแปลงพลังงานโดยทั่วไปคือ 10:3:7 สำหรับไฟฟ้า แสง และความร้อน ตามลำดับ อายุการใช้งานที่มีประสิทธิภาพของชิป LED มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อ ในกระบวนการถ่ายภาพ ความหนาแน่นของพลังงานแสงสูงมักจะต้องมีการรวมชิป LED ที่มีความหนาแน่นสูง- ซึ่งกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับระบบกระจายความร้อน

ดังนั้น การบรรลุการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและการรับรองว่าอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของชิป LED ทั้งหมดยังคงอยู่ในช่วงที่เหมาะสมและสมดุล จำเป็นต้องมีการออกแบบทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และการทดสอบภาคปฏิบัติ

ข้อจำกัดของตัวริเริ่มด้วยแสงและ-แนวทางในระดับระบบต่อปฏิกิริยาของเรซินและโมโนเมอร์ ดังที่แสดงไว้ในการแนะนำเทคโนโลยี LED ก่อนหน้านี้ แหล่งกำเนิดแสง LED กำลังสูง-ที่เหมาะสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมปัจจุบันถูกจำกัดอยู่ที่แถบ UVA โดยเฉพาะความยาวคลื่นที่สูงกว่า 365 นาโนเมตร หลังจากกำหนดขอบเขตประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสง LED แล้ว ตอนนี้เราจะเห็นได้ว่าการเลือกตัวสร้างภาพด้วยแสงที่เข้ากันได้นั้นค่อนข้างจำกัด เนื่องจากตัวสร้างภาพส่วนใหญ่มีค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของฟันกรามต่ำที่ความยาวคลื่นสูงกว่า 365 นาโนเมตร

เพื่อแก้ไขปัญหาประสิทธิภาพการเริ่มต้นต่ำของตัวริเริ่มการถ่ายภาพที่เข้ากันได้กับ LED- ความพยายามด้านการวิจัยและพัฒนาไม่ควรจำกัดอยู่เพียงตัวของตัวริเริ่มการถ่ายภาพเท่านั้น แต่เราจำเป็นต้องนำมุมมองระดับระบบ-มาใช้ซึ่งรวมเอาเรซิน โมโนเมอร์ ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง และแม้แต่สารเติมแต่งเสริมเข้าไว้ในกรอบการวิจัยแบบองค์รวม ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการบ่มของระบบ UV LED

การออกแบบการกำหนดสูตรและการพัฒนากระบวนการเคลือบสำหรับการบ่มด้วย LED (ผลกระทบของตัวกระตุ้นด้วยแสง เรซิน โมโนเมอร์ อุณหภูมิ ความแห้งของพื้นผิว ผ่านความแห้ง เม็ดสีและสารตัวเติม) เพื่อปรับปรุงการดูดซับแสง UV ความยาวคลื่นยาว-โดยตัวกระตุ้นด้วยแสง มักจะจำเป็นต้องรวมวงแหวนเบนซีน ไนโตรเจน (N) ฟอสฟอรัส (P) และอะตอมอื่น ๆ เข้าไปในโครงสร้างโมเลกุลของพวกมัน แม้ว่าการปรับเปลี่ยนนี้จะช่วยเพิ่มการดูดซับรังสียูวีที่มีความยาวคลื่น- แต่ยังทำให้ตัวสร้างภาพมีสีเพิ่มขึ้นด้วย

นอกจากนี้ เนื่องจากตัวเริ่มต้นเหล่านี้มีประสิทธิภาพการดูดกลืนแสงต่ำ จึงต้องเติมเรซินและโมโนเมอร์ที่มีปฏิกิริยาสูงจำนวนมาก-โดยทั่วไปแล้วจะมี-อะคริลิกเรซินและโมโนเมอร์ที่มีฟังก์ชันการทำงานสูง- เพื่อเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยรวมของระบบการเคลือบ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีแนวโน้มที่จะผลิตสารเคลือบที่มีความแข็งสูงแต่มีความยืดหยุ่นต่ำ ซึ่งทำให้จำกัดขอบเขตการใช้งาน

อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของฟันกรามที่ต่ำโดยทั่วไปของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง UV แบบ LED ยังมีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใคร กล่าวคือ ช่วยให้สามารถส่งผ่านแสง UV ผ่านชั้นเคลือบได้สูงขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการบ่มฟิล์มหนาได้ลึก

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการเคลือบสำหรับการจัดเก็บ การขนส่ง สภาพการก่อสร้าง และกระบวนการใช้งานที่แตกต่างกัน ในอุตสาหกรรมการเคลือบ เทคนิคการใช้งานต่างๆ เช่น การเคลือบแบบลูกกลิ้ง การเคลือบแบบสเปรย์ และการเคลือบม่าน กำหนดความต้องการความหนืดที่แตกต่างกันในการเคลือบ ในขณะเดียวกัน พื้นผิวที่แตกต่างกันต้องการคุณสมบัติการเคลือบที่ปรับแต่งตามความต้องการ ในแง่ของความสามารถในการเปียกน้ำและการยึดเกาะ นอกจากนี้ สภาพการขนส่งและการเก็บรักษาที่แตกต่างกันทำให้ระดับความเสถียรในการเก็บรักษาสำหรับสารเคลือบสอดคล้องกัน ดังนั้นปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้จะต้องได้รับการพิจารณาอย่างถี่ถ้วนในระหว่างการออกแบบสูตรการเคลือบ

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของฟิล์มเคลือบสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ขอบเขตการใช้งานที่แตกต่างกันกำหนดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกันสำหรับฟิล์มเคลือบ รวมถึงความมันเงา คุณสมบัติการวัดสี ความแข็ง ความยืดหยุ่น ความต้านทานการเสียดสี และความต้านทานแรงกระแทก ดังนั้น การพัฒนาสารเคลือบจึงต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการบ่มและประสิทธิภาพของฟิล์ม

การเคลือบผิวเป็นกระบวนการทางวิศวกรรมที่เป็นระบบ การปรับปรุงกระบวนการเคลือบให้เหมาะสมสามารถขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี UV- LED ได้อีก ดังคำกล่าวของอุตสาหกรรมที่ว่า"สามส่วนขึ้นอยู่กับการเคลือบ ส่วนเจ็ดส่วนขึ้นอยู่กับกระบวนการสมัคร". ท้ายที่สุดแล้ว ทั้งการเคลือบและแหล่งกำเนิดแสงจะบรรลุประสิทธิภาพตามที่ต้องการผ่านการใช้งานที่เหมาะสมเท่านั้น

นอกจากนี้ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการเคลือบร่วมกับการเคลือบ UV และแหล่งกำเนิดแสง LED สามารถชดเชยข้อจำกัดของทั้งวัสดุและแหล่งกำเนิดแสงได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น การให้ความร้อนสามารถลดความหนืดของสารเคลือบที่มี-เรซิน-สูงซึ่งมีความหนืดมากเกินไปที่อุณหภูมิห้อง ทำให้เหมาะสมกับวิธีการใช้งานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ การให้ความร้อนยังช่วยเพิ่มความลื่นไหลของระบบการเคลือบ เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโมเลกุล รับรองว่าปฏิกิริยาการบ่มเริ่มต้นจะสมบูรณ์ยิ่งขึ้น และทำให้พื้นผิวฟิล์มเรียบเนียนขึ้น

ในช่วงสองปีที่ผ่านมา การขาดแคลนและราคาที่พุ่งสูงขึ้นของผู้ริเริ่มการถ่ายภาพซึ่งเกิดจากการรณรงค์ปกป้องสิ่งแวดล้อมได้สร้างความสูญเสียที่จับต้องได้ให้กับองค์กรปลายน้ำ และขัดขวางการพัฒนาเทคโนโลยี LED UV อย่างรุนแรง สิ่งนี้ตอกย้ำว่าการเชื่อมต่อของห่วงโซ่อุตสาหกรรมต้นน้ำและปลายน้ำ และความราบรื่นของระบบห่วงโซ่อุปทานเป็นการรับประกันพื้นฐานสำหรับการพัฒนาที่ดีของอุตสาหกรรมและความสำเร็จในตลาดของผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยี

ในขณะที่หลายอุตสาหกรรมพัฒนาตั้งแต่เริ่มต้นผ่านการเสริมแรงร่วมกันของนวัตกรรมทางเทคโนโลยี การพัฒนาอุตสาหกรรม และความต้องการที่เพิ่มขึ้น ปัจจัยเหล่านี้จะต้องได้รับการประเมินอย่างครอบคลุมในระหว่างกระบวนการทางการตลาด

นอกจากนี้ จากมุมมองของการลงทุน การทำวิจัยและปรับใช้ห่วงโซ่อุตสาหกรรมต้นน้ำและปลายน้ำไม่เพียงแต่รับประกันอุปทานที่มั่นคงเมื่อผลิตภัณฑ์เข้าสู่ตลาด แต่ยังช่วยให้องค์กรต่างๆ แบ่งปันเงินปันผลจากการเติบโตของอุตสาหกรรมอีกด้วย