UV-LED テクノロジーについて詳しく説明する前に、同じ主題について議論していることを確認するために、まずいくつかの中心となる概念を明確にする必要があります。これにより、誤解や目的を越えたコミュニケーションが防止されます。-ここ、紫外線UV コーティング、UV インク、UV 接着剤などの UV- 硬化可能な材料を指します。導かれた特に紫外 LED 光源を指します。そしてUV-LED は次のように定義されます「紫外線LED光源を照射源としたUV材料の硬化」.
周知のとおり、UV コーティングの従来の硬化光源は中圧水銀ランプと高圧水銀ランプです。{0}{1}近年、省エネルギーと環境保護政策の推進と、産業規模のアプリケーションの基礎を築いた UVLED (紫外線 LED) 技術の急速な進歩により、市場では UV{4}} LED の採用が急増しています。新しいテクノロジーは常に幅広い注目と熱意を集めています。ただし、業界の実務者として、UV-LED を明確に理解することが不可欠です。ここでは、過去 2 年間にわたる UV-LED 分野での研究経験を共有したいと思います。
光源の変化（LED と水銀ランプの違いについては後で詳しく説明します）は、UV コーティング配合システムの変革と、コーティングおよび硬化プロセス全体の革命をもたらしました。 UV-LED システムに関して、技術面と市場面の両方にわたる 5 つの主要な研究方向を特定します。
UV-LED光硬化に関する研究
前に定義したように、UV-LED の光硬化は次のものに依存します。紫外線LEDライトUV 材料を硬化するための光源。したがって、効果的な硬化を達成することがすべての研究活動の主な目的です。光硬化には、光 (エネルギー源) と UV 材料 (受容体) という 2 つの不可欠な要素が必要です。光源を変更すると、システム全体のバランスが必然的に崩れますが、中核となるのは UV コーティングと LED 光源を調整する学際的な研究開発です。
LED の波長が短いほど、より高いエネルギー レベルとより高いコストに対応することは広く認識されています。逆に、より低い励起エネルギーを必要とする光開始剤は、より長い吸収波長を特徴とし、価格も高くなります。これにより、光源とイニシエーターの間にシーソーのような関係が生まれます。-したがって、両者の性能限界を拡大し、LED 光源と UV 材料の間の最適なバランスを特定することが、UV-LED 研究開発の取り組みの焦点となっています。
LED光源システムの研究
水銀ランプ技術は開発と応用の点で高度に成熟しており、長い間標準光源とみなされてきました。対照的に、紫外線 LED 技術はまだ初期段階にあり、将来の大きな成長の可能性を誇っています。さらに、LED 産業チェーンは非常に広範囲にわたり、結晶成長、チップのダイシング、チップのパッケージング、光源モジュールの統合に加え、電源制御や放熱システムの設計も含まれます。各段階は、最終製品である UVLED 光源の品質に重大な影響を及ぼします。{3}したがって、LED の性能限界を理解し、拡張することは、UV- LED エコシステム全体を発展させるために不可欠です。
LED光源と水銀灯の違い（LEDの長所、短所、よくある誤解）
市場競争で勝つためには、自社の強みと競合他社の弱みの両方を徹底的に理解することが不可欠です。当社は従来の水銀ランプを UVLED に置き換えることを目指しているため、最初に 2 つのテクノロジーを比較し、それぞれの利点、欠点、制限を分析することが重要です。
UV コーティングは、配合中の光開始剤が特定の波長の紫外線を吸収し、モノマーの重合を開始するフリーラジカル (またはカチオン/アニオン) を生成するために硬化します。この原理を説明するために、まず水銀ランプと紫外線 LED の発光スペクトルを調べます。
このチャートは、UV LED と水銀ランプの発光スペクトルの古典的で一般的な比較です。図からわかるように、水銀ランプの発光スペクトルは紫外域から赤外域まで連続しています。特に、光の強度は UVB から短波 UVA 帯域に集中しています。-対照的に、LED の発光スペクトルは比較的狭く、最も一般的な 2 つの波長帯は 365 nm と 395 nm (385 nm、395 nm、405 nm を含む) にピーク波長があります。
現在、プライマリ紫外線産業上の利用可能性のある光開始剤は UVA 帯域に分類され、具体的には図 1 に示す 365 nm および 395 nm の波長を持つ LED 光源です。この波長範囲内では、ほとんどの光開始剤は比較的低いモル吸光係数を示します。その結果、UV-LED システムは一般に、低い開始効率と深刻な酸素阻害に悩まされ、表面硬化に悪影響を及ぼします。
注: 多くの UVLED メーカーまたは LED UV コーティング サプライヤーが頻繁に行う「LED UV コーティングの優れた研磨性」についての主張は、厳密に言えば、不十分な表面硬化の直接の結果です。本当の課題は、良好な研磨性を達成することではなく、耐摩耗性と研磨の容易さの間のバランスをとり、制御可能な研磨性を可能にすることにあります。-さらに、一部のメーカーは、LED アレイの背後に水銀ランプを設置するという欺瞞的な手法に頼っており、実際には水銀ランプが主要な硬化の役割を果たしています。
そうは言っても、365 nm と 395 nm の波長帯では、LED が水銀ランプよりも大幅に高い光強度を提供し、これにより UV 材料の深層硬化が促進されることにも注意してください。-
(参考までに、多くの従来の UV 硬化システムには、深層硬化効率を正確に高めるために、水銀ランプと並んでガリウム ランプ (主発光波長 415 nm) が組み込まれています。)
この誤解は通常、次のような前提から生じます。水銀ランプが発する光のわずか 30% が紫外線 (UV) であるのに対し、UVLED は 100% の紫外線を発します。。ただし、システム-レベルのエネルギー消費の真の決定要因は、光電変換効率と有効光効率です。実際、水銀ランプは高い光電変換効率を誇っています。-その欠点は、放出される光の大部分が可視光線と赤外線で構成され、UV 光（UV 材料の硬化に役立つ唯一の成分）の割合が 30% に過ぎないことです。対照的に、UVLED の光電変換効率は大幅に低く、現在 UVA 波長では約 30% で推移しています (これは水銀ランプの UV 光効率とほぼ同等です)。
エネルギー保存の法則によれば、電気エネルギーの残りの 70% は熱に変換されます。これは、2 つのテクノロジー間の 2 つの重要な違いを説明しています。
LED は、発生した熱がランプ パネルの背面から放散され、発光面が触れると冷たいままになるため、「冷たい光源」という評判を得ています。{0}}逆に、水銀ランプは反射板と赤外線放射を通じて熱を前方に放射します。
これがまさに、UVLED 光源が一般に空冷システムを必要とする理由であり、高出力 UVLED では、ランプ ヘッドの熱放散のために光源の電力の 70% を処理できるサイズの水冷ユニットが必須であることさえあります。{0}{1}{2}
LED の真の省エネ利点は、瞬時のオン / オフ機能と、効果的な光効率を高める光学設計による精密照射という 2 つのユニークな特性に由来します。{0}}ただし、これらの利点を活用するには、赤外線検出およびインテリジェントな制御システム技術との統合が必要です。-現在、市場にあるほとんどの UV LED 機器メーカーにはこれらの技術を開発するための研究開発能力がありません。
オゾンの生成: 発光スペクトルには 200 nm 未満の遠紫外線が含まれており、大量のオゾンが生成されます。{0} (これが、水銀灯システムを操作する工場労働者から報告される刺激臭の根本原因です。)
廃棄による水銀汚染: 水銀ランプの耐用年数はわずか 800 ～ 1,000 時間と短いです。使用済みランプを不適切に処分すると、二次的な水銀汚染が発生し、この問題は今日に至るまで解決が困難なままです。
報告書によると、水銀廃棄物の処理に年間必要なエネルギーは、三峡ダム2個の発電能力を合わせた量に相当するという。さらに悪いことに、現在、廃棄物の流れから水銀を完全に除去する実行可能な技術は存在しません。
UV LED にはこれらの問題がまったくありません。 2017 年 8 月 16 日に中国で水銀に関する水俣条約が正式に発効して以来、水銀ランプの段階的廃止が正式な議題となっています。-この条約には、代替品が存在しない工業用水銀蛍光灯の除外規定が含まれている一方、有効な代替品が入手可能になった場合には、署名国がそのような製品を制限リストに追加することを提案できることも規定されています。したがって、UV 硬化用途における水銀ランプの完全廃止のスケジュールは、完全に UV LED ソリューションの技術進歩と工業化にかかっています。{6}}
3D プリンティングなどのアプリケーション向けに局所的な精密硬化をサポートします。
LED と異なる光開始剤を組み合わせることで、硬化の程度と深さを正確に制御できます。
カスタマイズ可能な光源構成LED は、長さ、幅、照射角度を柔軟に調整できるモジュール式ランプ ビーズ設計を特徴としています。この多用途性により、さまざまな硬化プロセスの特定の要件を満たすように調整された点光源、線光源、および面光源の作成が可能になります。
UV 材料硬化の光源パラメータ要件
波長：365nm、395nm
放射照度 (光強度、光パワー密度): mW/cm²
総エネルギー線量: mJ/cm²
光硬化プロセスは、波長、光強度、総エネルギー量という上記の 3 つの主要パラメータがなければ進行できません。波長は光開始剤を活性化できるかどうかを決定します。光強度は UV 開始効率を決定し、表面硬化 (酸素阻害耐性) と深部硬化の性能に直接影響します。一方、総エネルギー量は材料の完全な硬化を保証します。
水銀ランプと比較した場合、LED の最も顕著な利点は、その配合と調整が可能な特性にあります。 LED 自体の性能制限内で、特定の硬化要件を満たすためにパラメータを最大限に最適化できます。 UV-LED 光硬化実験の主な目的は、光源と UV 材料の両方の性能限界を継続的に拡大し、それらの間の最適なバランスを特定することです。特に LED の場合、最適な硬化結果を達成するために、コーティング配合に基づいて理想的な LED 光源パラメータを決定することを意味します。
LEDの発光原理とUVLEDチップの開発状況
電子遷移の原理 (詳細は省略。興味のある読者は詳細についてオンライン リソースを参照してください) に基づいて、原子内の電子が励起状態から基底状態に戻るとき、異なる波長の放射線の形でエネルギーを放出します (つまり、さまざまな波長の電磁波を放射します)。
したがって、UV 放射光源を製造するには 2 つの主なアプローチがあります。{0}
最初のアプローチは、励起状態と基底状態の間の電子エネルギーの差が正確に紫外スペクトル内に収まる原子を特定することです。従来の水銀ランプは、この原理に基づいて最も広く使用されている UV 光源です。
2 番目のアプローチは、半導体発光原理を利用します (詳細は省略します。興味のある読者は詳細についてオンライン リソースを参照してください)。簡単に説明すると、順方向電圧が発光半導体に印加されると、P-領域からN-領域に注入された正孔、およびN-領域からP-領域に注入された電子が、それぞれPN接合付近の数マイクロメートル以内でN-領域の電子およびP-領域の正孔と再結合し、自発蛍光放射が発生します。
広く知られているように、窒化アルミニウムから窒化ガリウムまたは窒化インジウムガリウム（InGaN）に至るまでのIII-V族半導体材料のバンドギャップは、青色光から紫外光までのスペクトル内に正確に収まります。窒化アルミニウム・インジウム・ガリウムの材料比率を調整することで、幅広い波長の紫外・可視光源を実現できます。
理論的には、発光材料の組成を調整することであらゆる波長の光を生成できますが、商業生産に利用できる UVLED チップの範囲は、さまざまな制約により依然として非常に限られています。産業用途に適した高出力チップは、基本的に UVA 帯域 (365 ～ 415 nm) に集中しています。-近年、UVB 技術や UVC 技術も精力的に開発されていますが、基本的には消毒や滅菌などの低消費電力の民生市場および消費者市場に限定されています。-
これにはいくつかの主な理由があります。
結晶材料の構造が発光効率 (光電変換効率) を決定します。窒化ガリウム (GaN) と高効率の窒化インジウム ガリウム (InGaN) は、UVA 内の 365 ～ 405 nm の範囲で引き続き使用できます。{0}対照的に、UVB および UVC チップは、より一般的に使用されている GaN や InGaN ではなく、窒化アルミニウム ガリウム (AlGaN)-本質的に発光効率が低い材料-に完全に依存しています。これは、GaN と InGaN が 365 nm 未満の紫外光を吸収するためです。その結果、UVBおよびUVCチップの発光効率は非常に低くなります。たとえば、LGの278nmチップの光電変換効率はわずか2%です。
低効率による放熱の課題エネルギー保存則によれば、光電変換効率が2%ということは、電気エネルギーの98%が熱に変換されることを意味します。また、LEDチップの寿命と発光効率は温度に反比例します。このような高い発熱により、放熱システムには非常に厳しい要件が課されます。既存の冷却技術では、高出力 UVB および UVC チップの効果的な放熱を実現することはまったく不可能です。-
パッケージおよびレンズ材料の低い UV 透過率 LED チップを保護するには、カプセル化が不可欠です。 LEDは全方向に光を発するため、光束を集光するレンズが必要となります。ただし、石英ガラスを除けば、ほとんどの材料の UV 透過率は非常に低く、波長が短くなるにつれて透過率は急激に低下します。-。その結果、UVB/UVC チップの固有の発光効率はすでに低いにもかかわらず、光のかなりの部分がレンズによって吸収され、その結果、使用可能な光出力は非常に弱く、産業用途にはかろうじて十分です。
結晶収量が低く、製造コストが高い 現在の UVB および UVC チップは、UVA チップと同じリアクターを使用して製造されています。固有の材料欠陥に加えて、基板と結晶間の熱膨張係数の不一致などの問題により、結晶の歩留まりが非常に低くなり、その結果、製造コストが法外に高くなり続けます。
全体として、UVB および UVC 技術は発光効率が低く、コストが高く、熱放散要件が厳しいため、高出力の技術の開発が必要です。-UVB および UVC 光大きな技術的進歩が達成されるまでは、産業用途のソースは見つからないままです。
LED光源システムの主な研究開発の焦点
LED チップは、LED 光源の重要なコンポーネントの 1 つにすぎません。 LED光源の研究開発を行う際には、系統的、総合的なアプローチ。 LEDの波長チューニングを超えて、研究開発範囲にはパッケージング技術、光学設計、放熱システム、電源システム、インテリジェント制御システムなどの一連の下流プロセスが含まれます。
現在、LED チップには 4 つの主流のパッケージ構造があります。
垂直マウント構造
フリップ-チップ構造
垂直構造
3D垂直構造
従来のLEDチップはサファイア基板を用いた垂直実装構造が一般的でした。この構造は、シンプルなデザインと成熟した製造プロセスを特徴としています。ただし、サファイアは熱伝導率が低いため、チップで発生した熱がヒートシンクに伝わりにくくなります-。この制限により、高出力 LED システムでの用途が制限されます。-。
フリップチップ パッケージングは、現在の開発トレンドの 1 つです。{0}垂直実装構造とは異なり、フリップチップ設計では熱がチップのサファイア基板を通過する必要がありません。{2}}代わりに、熱伝導率の高い基板 (シリコンやセラミックなど) に直接転写され、金属ベースを介して外部環境に放散されます。さらに、フリップチップ構造により外部の金ワイヤが不要になるため、チップの集積密度が向上し、単位面積あたりの光パワーが向上します。そうは言っても、垂直実装構造とフリップチップ構造には共通の欠陥があります。それは、LED の P 電極と N 電極がチップの同じ側に配置されているということです。これにより、電流が n- GaN 層を通って水平方向に流れるようになり、電流集中、局所的な過熱が発生し、最終的には駆動電流の上限閾値が制限されます。
垂直{0}}構造の青色光チップ-は、垂直マウント技術から進化しました。この設計では、従来のサファイア-基板チップを裏返して熱伝導性の高い基板に接合し、その後レーザーリフトによってサファイア基板から剥離します-。この構造は熱放散のボトルネックに効果的に対処しますが、複雑な製造プロセス-、特に困難な基板移送ステップ-を必要とするため、生産歩留まりが低くなります。それにもかかわらず、技術の進歩に伴い、UV LED の垂直パッケージングはますます成熟してきました。
最近、新しい 3D 垂直構造が提案されました。従来の縦型-構造のLEDチップと比較して、その主な利点には、金ワイヤボンディングが不要になり、より薄いパッケージプロファイルが可能になり、放熱性能が向上し、高駆動電流の統合が容易になることが含まれます。ただし、3D 垂直構造が商品化される前に、多くの技術的ハードルを克服する必要があります。
UVLED は一般に、一般的な照明用 LED に比べて発光効率が低いため、光抽出効率を最大化するには垂直構造のパッケージングが推奨されます。
LEDは全方向に光を発し、元々の発光効率が比較的低いため、有効光効率（正面照射の光効率）を高めるには科学的かつ合理的な光学設計が必要です。一般的な光学コンポーネントには、リフレクター、一次レンズ、二次レンズが含まれます。
さらに、紫外線は媒体を通過する際に大きく減衰します。したがって、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、強化ガラスなどのレンズ素材を選択する際には、複数の要素を評価する必要があります-。UV 透過率の高い素材を優先して選択する必要があります。-これにより、光出力が最大化されるだけでなく、長時間の UV 暴露下での材料の光吸収によって引き起こされる過度の温度上昇も防止されます。
前述したように、エネルギー保存則によれば、電気エネルギーの一部のみが光エネルギーに変換され、大部分は熱として放散されます。 UVA 帯域の場合、一般的なエネルギー変換比は、電気、光、熱それぞれ 10:3:7 です。 LED チップの実効耐用年数は、ジャンクション温度と密接に相関しています。光硬化プロセスでは、光出力密度が高いため、LED チップの高密度統合が必要になることが多く、放熱システムに厳しい要件が課せられます。{6}}
したがって、効率的な熱放散を達成し、すべての LED チップの接合温度が合理的でバランスのとれた範囲内に確実に維持されるようにするには、厳密な科学的設計、コンピューター シミュレーション、および実用的なテストが必要です。
UVコーティング配合の研究
光開始剤の限界と樹脂とモノマーの反応性に対するシステム レベルのアプローチ-LED テクノロジーの前述の紹介で説明したように、産業用途に適した高出力 LED 光源は現在、UVA 帯域、特に 365 nm を超える波長に限定されています。- LED 光源の性能限界を定義したので、ほとんどの光開始剤は 365 nm を超える波長で低いモル吸光係数を示すため、互換性のある光開始剤の選択はかなり制限されていることがわかります。
LED 互換の光開始剤の開始効率が低いという問題に対処するには、研究開発の取り組みを光開始剤自体に限定すべきではありません。{0}代わりに、樹脂、モノマー、光開始剤、さらに補助添加剤を総合的な研究フレームワークに統合するシステム レベルの視点を採用し、それによって LED UV システムの硬化効率を高める必要があります。{2}
LED 硬化のための配合設計とコーティング プロセスの開発（光開始剤、樹脂、モノマー、温度、表面乾燥、乾燥による影響、顔料および充填剤の影響）光開始剤による長波長 UV 光の吸収を改善するには、多くの場合、ベンゼン環、窒素（N）、リン（P）、その他の原子を分子構造に組み込む必要があります。-この修飾により長波長の UV 吸収が強化されますが、光開始剤の着色も増加します。-
さらに、これらの開始剤の光吸収効率が低いため、コーティング システム全体の反応速度を促進するには、大量の高反応性樹脂とモノマー、-通常は高官能性アクリル樹脂とモノマー-を添加する必要があります。-ただし、このアプローチでは、硬度は高いものの柔軟性に乏しいコーティングが生成される傾向があり、その用途の範囲が制限されます。
とはいえ、LED UV 光開始剤のモル吸光係数は一般的に低いため、コーティング層を通過する UV 光の透過率が高く、厚膜の深い硬化に役立ちます。という独特の利点もあります。
さまざまな保管、輸送、施工条件および塗布プロセスにおけるコーティング性能要件コーティング業界では、ローラーコーティング、スプレーコーティング、カーテンコーティングなどのさまざまな塗布技術により、コーティングに異なる粘度要件が課せられます。一方、異なる基材には、濡れ性と接着性の点でカスタマイズされたコーティング特性が求められます。さらに、輸送および保管条件が変化すると、コーティングの保管安定性にも対応するレベルが必要になります。したがって、コーティング配合設計の際には、これらすべての要素を十分に考慮する必要があります。
多様な用途に対する塗膜性能要件 用途分野によって、光沢、比色特性、硬度、柔軟性、耐摩耗性、耐衝撃性など、塗膜に求められる性能は異なります。したがって、コーティングの開発では、硬化効率と膜の性能のバランスを取る必要があります。
塗装プロセスの研究
コーティングは体系的なエンジニアリングプロセスです。コーティングプロセスを最適化することで、UV-LED 技術の応用範囲をさらに拡大できます。業界の格言としては、「3 つの部分はコーティングに依存し、7 つの部分は塗布プロセスに依存します。」。最終的には、コーティングと光源の両方が、適切に適用された場合にのみ、意図した性能を達成します。
さらに、UV コーティングや LED 光源と組み合わせてコーティング プロセスを最適化することで、材料と光源の両方の制限を大幅に補うことができます。たとえば、加熱すると、室温では粘度が高すぎる樹脂含有量の高いコーティングの粘度が低下し、さまざまな塗布方法に適したものになります。--さらに、加熱によりコーティングシステムの流動性が向上し、分子活性が高まり、より完全な初期硬化反応が保証され、より滑らかなフィルム表面が得られます。
産業チェーンの上流と下流に関する研究
過去 2 年間、環境保護キャンペーンに端を発した光開始剤の不足と価格の高騰により、下流企業に目に見える損失が生じ、LED UV 技術の開発が著しく妨げられてきました。これは、上流と下流の産業チェーンの接続性とサプライチェーンシステムの円滑さが、産業の健全な発展とその製品と技術の市場での成功の基本的な保証であることを強調しています。
多くの産業は技術革新、産業発展、需要急増の相互強化のダイナミクスを通じてゼロから進化しますが、市場化のプロセスではこれらの要因を包括的に評価する必要があります。
さらに、投資の観点から見ると、上流と下流の産業チェーンの調査と展開を行うことで、製品が市場に投入される際の安定供給を確保できるだけでなく、企業が業界の成長の配当を共有することも可能になります。
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-for-halloween.html
