UV—LED在光固化領域的應用現況和趨勢

魏彬　林慶

摘要：隨著技術的發展成熟，UV-LED（紫外發光二極管）的性能得到了很大提高，在光固化領域的市場份額也在快速擴大。文章介紹了UV-LED光固化的市場現況及其相對于傳統UV光源的優勢，最后分析了UV-LED光固化的現存問題并介紹相對應的技術研究趨勢。

關鍵詞：UV-LED；光固化領域；發光材料；照明技術；發光光譜 文獻標識碼：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，隨著高亮度藍光LED技術的成熟化，人們逐漸將研究重心轉向以高鋁組分III族氮化物為發光材料的UV-LED。鑒于UV-LED光固化更符合現代工業所倡導的高效、節能、環保理念，UV-LED大有逐步取代汞燈等傳統氣體放電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光源的產業現況及特點，并就其問題及發展趨勢進行剖析。

2 UV-LED光源現況

LED因具有諸多優勢已經在照明領域堅實地開始了逐步取代傳統照明技術的進程。類似地，在光固化領域，UV-LED光源也因相對于傳統UV光源存在著諸多優勢，得到了巨大的研發投入，取得了較大的技術進步。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，歐洲國際標簽展（LabelExpo Europe）就是最好的證明。2011年的展會上僅展出了10臺UV-LED設備，到2013年時則增加到了78臺，數量增長了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年已經有超過20家油墨和材料供應商可以提供成熟的UV-LED固化油墨。至今，UV-LED輻射能量已可與傳統UV固化光源持平甚至更高，輻照度達16W/cm2的UV-LED光源已正式進入量產兩年以上，能基本滿足快速工業固化的需要。據市場預測，2016年紫外線LED應用于光固化市場產值達8100萬美元，2021年將達1.95億美元，年復合成長率為19%。

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

2.1 節能

傳統汞燈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，能量高度集中，有效發光效率高，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用時會帶來極大的優勢，例如在液態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、顯示產品生產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；解決大型噴繪設備傳統的發熱量大、工作人員難以忍受的問題。

2.3 長壽命

UV-LED光源壽命可達傳統UV光源壽命的12倍以上，且使用壽命不受開關次數影響，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閉，無需傳統UV光源所必需的長時間預熱及降溫時間，工藝作業效率高。

2.5 無臭氧

UV-LED無臭氧的產生改善了工作環境，無需再安裝捕捉和焚化設備來消除臭氧危害。

2.6 結構靈活

傳統UV汞燈光源尺寸較大且為全周發光，因此光源形態較為固定。UV-LED顆粒尺寸小，可根據具體應用場景的需要設計成點、線、面光源等多種形態。光源設備與相關配套裝置均可做到結構非常緊湊，節省空間。

3 UV-LED光源的發展

繼續優化UV-LED的固化效果、擴大其適用領域是當前業界的主旋律。UV-LED對固化材料的固化效果是由光引發劑材料的UV吸收率決定的，因此UV-LED的發光光譜與光引發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。對大多數光引發劑材料來說，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應該盡量采用短波長的產品，但是由于物理限制和工藝原因，波長越短的芯片發光效率越低（光強越低），導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，不同應用領域有不同的固化厚度需求，由于透射率的影響，應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產品，而穿透深度較高的應用時更適用于長波長的產品，如3D打印采用395～405nm的產品。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，首要的任務是優化發光光譜，以盡量覆蓋光引發劑的有效波長或盡可能多地針對不同應用領域的固化材料提供對特定波長優化的UV-LED產品；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，引起設備復雜性提高、工人操作不便、非平坦表面工件適用困難等問題；最后，改進重點還包括散熱技術這樣能從光源外部起作用改善光效的方面。下文整理了當前的一些進展：

3.1 芯片改進

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

然而，傳統光固化工藝中的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劑，從而實現高效固化。UVA波段的產品即使效率再高也很難直接替代大量現有工藝設備中的UV光源。當前一個很重要的趨勢就是加緊研發深紫外（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中壓汞燈的多波長連續譜，從而加快傳統光源換固態光源的進程。Kueller等人通過在藍寶石襯底上制備圖形ELO-AlN基板，使得藍寶石上的AlN層的位錯密度從1010cm-2減小到109cm-2。基于該ELO-AlN基板制作的LED，峰值波長為295nm時，輻射輸出功率可達到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，在氧化鋁襯底上生長GaN/AlGaN異質結構來制備UV-LED，電流密度可高達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構和電極圖案，實現了40.5mW的280nm DUV-LED，在結溫為45℃時壽命可達3000小時。

3.2 模塊封裝及散熱設計

雖然單個芯片顆粒的性能得到提升，但在實際應用中，為了提高生產效率，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計的核心要務已是產業共識。Schneider等人基于層流條件下熱傳導的微通道較短的原理設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，以提高熱傳導的面積，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計能夠達到800W/cm2。Horng等人采用復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固化燈進行水冷散熱研究，選用S形板管式水冷板對LED模塊進行散熱，運用CFD軟件對冷板進行數值計算，得出各個芯片的溫度分布及冷板內部的流動情況，實現了2kW輸入功率光源的較優化散熱效果，將芯片結溫控制在110℃以內，從而避免較嚴重的光衰，使所有模塊能夠持續高效地

運作。

3.3 光學設計

目前很多實際工業設備中的UV-LED光源光學系統采用的是LED陣列排布的形式，也即LED燈珠發出的光直接照射到工件表面，而沒有采用二次配光結構。這樣燈珠形成的光斑很容易與周圍燈珠形成的光斑重合，導致光斑均勻性差，且當工件變更需要變化輻照距離時，輻照強度及均勻度均明顯下降。文尚勝等人提出一種陣列式UV-LED固化面光源光學系統的設計方法。基于幾何光學及菲涅耳定律等相關理論，完成近朗伯光型LED透鏡自由曲面輪廓線的推導，結合理論公式計算出透鏡陣列排布時透鏡之間的最佳間距，使陣列結構更加緊湊的同時實現了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構和菲涅耳光學結構，提高了均勻性的同時還使得照度實現了20%的提高。

4 結語

近幾年來，UV-LED的芯片性能得到了快速提高。大功率UV-LED光源已經成為傳統UV放電燈的有效補充，并逐步開始了對其替代的征程，尤其在光固化行業，憑借節能環保、熱輻射低、光源靈活多樣化等各種優勢，勢必具有極大的市場前景。學術界和產業界在光譜優化、效率提升、封裝創新、熱管理和配光優化等多方面、全方位地積極、持續地開展研究及開發活動，可以預期UV-LED在包括醫療、檢測、消毒等更寬廣的領域將會有更大的發展。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）