Radiațiile electromagnetice ultraviolet, numite și raze UV, cu lungimea de undă mai mică decât cea percepută de ochiul omenesc, variind între 100 … 400nm, sunt folosite eficient în multe aplicații industriale, medicale, instrumente de analiză, de verificare și validare, de purificare a aerului și a apei. Tehnologia LED UV, în curs de dezvoltare, conduce la aplicații noi și inovatoare, la prețuri competitive. Caracteristicile de bază ale LED UV sunt: consum mic de putere, curent mic de activare, toleranță mică a lungimii de undă, viață lungă, fiabilitate ridicată, și nu poluează mediul, fiind superioare lămpilor tradiționale UV, ce conțin mercur. Pentru prima dată, componentele LED UV au atins densități de putere peste 4W/cm2, făcându-le competitive cu lămpile UV bazate pe mercur în aplicații de solidificare prin polimerizare (vezi: LedEngin, Inc. www.ledengin.com). Piața LED-urilor de iluminat este de miliarde de dolari, dar piața actuală LED UV este mult mai mică, la nivelul a 100 milioane dolari în 2014, dar are creștere rapidă, estimându-se creșterea la 150 milioane dolari în anul 2016. Extinderea rapidă a utilizării polimerizării cernelurilor, adezivilor și acoperirilor, prin expunere la radiații UV, face ca estimarea de creștere a pieței LED UV să fie la peste 270 milioane dolari în anul 2017 (vezi: European Photonics Industry Consortium (EPIC), OLED&LED, www.epic-assoc.com).
Domeniile spectrale ale radiației UV
Radiațiile sau razele ultraviolete, descoperite în anul 1801 de fizicianul german J.W.Ritter, au denumirea de “ultraviolet” de la culoarea violet din spectrul luminii albe, care are o lungime de undă învecinată, dar ceva mai mare. Lumina naturală de la Soare conține și raze ultraviolete. Expunerea excesivă la raze UV, fie naturale, fie artificiale, dăunează corpului omenesc. Întreg domeniul UV are zone mai mici, definite prin considerații de efect: raze de bronzare, raze ce produc arsuri, radiații bactericide, radiații de polimerizare, de secvențiere ADN, de cataliză etc.
Vezi: www.intl-lighttech.com/support/application-notes
Standardul ISO-21348 definește domeniile radiației UV
Aplicațiile LED UV sunt foarte variate și corelate cu lungimea de undă a radiației UV
• 13,5nm: litografie ultravioletă extremă
• 30-200nm: fotoionizare, spectroscopie cu raze UV, producție de circuite integrate standard
• 230-400nm: senzori optici, diverse instrumente de analiză
• 240-280nm: sterilizare suprafețe și apă (absorbția în ADN are vârf la 260nm)
• 240-355nm: urmărire marcare și coduri de bare UV-ID, coloranți, cerneluri
• 250-300nm: analiză medico-legală
• 270-300nm: analiză de proteine, secvențiere ADN, descoperire de droguri
• 280-400nm: imagistică medicală de celule
• 300-320nm: fototerapie medicală pentru afecțiuni ale pielii (psoriazis, eczeme)
• 300-365nm: polimerizare lichide și cerneluri pentru imprimante
• 300-400nm: iluminare UV cu LED-uri, verificare bancnote
• 335-345nm: măsurare de gaze și nitrogen uree în sânge
• 350-370nm: distrugere insecte (muștele sunt atrase de radiația 365nm)
Vezi: Sensor Electronic Technology, Inc.- lider în fabricația de LED UV sub 365nm, APPLICATIONS, www.s-et.com
Tipuri de încapsulări LED UV
Produsele bazate pe LED UV se vând sub formă de componente discrete cu terminale, SMD, cipuri integrate în arii încapsulate și respectiv, gata asamblate în benzi cu cip-uri LED UV, lămpi de iluminat UV și lanterne UV. Alegerea se face ținând cont de aplicație, lungimea de undă, intensitatea emisiei UV, montare și modul de răcire.
Alegerea tipului de LED UV
LED UVA (315-400nm), LED UVB (280-315nm). Gamele LED UVA și LED UV Violet cu lungimi de undă spre Violet: 365nm, 375nm, 385nm, 395nm, 405nm au utilizări pe scară largă în dispozitivele medicale, de sterilizare, mașini de uscare cerneluri la imprimare, aparate de uz casnic, instrumentație, reflexie pe fosfor, fotocataliză, iluminat special. Pentru aplicații care cer putere mare, 1-5W și chiar mai mare, componentele LED UV de putere mică se dispun într-o matrice. Componentele LED UV convenționale sunt fabricate pentru emisie UVB și UVA la lungimile de undă: 265nm, 280nm, 310nm, 360-365nm, 365-370nm, 375-380nm, 385-395nm, 400-405nm, 405-410nm.
LED UVC (100-280nm) se utilizează pe scară largă pentru sterilizarea recipientelor, sticle, capace, sterilizarea la suprafață a alimentelor, a liniilor de producție de alimente, sterilizarea aerului pe linii de cosmetice, în canalizare, dezinfecția apei potabile, verificarea cavităților, tratament medical pe piele, realizarea de suprafețe sterile. Sterilizarea prin expunere la UVC are efect de până la 99,99%, în câteva zeci de minute. Componente LED UVC se fabrică cu lungime de undă convențională DUV (Deep UV): 265nm, 280nm, 310nm.
Lămpi de solidificare prin polimerizare UV
Procesul de întărire (solidificare) prin expunere la radiație UV cu lungime de undă definită (UV curing) se face prin polimerizarea unei pelicule de material lichid, având diluanți non volatili și inițiatori fotosensibili. Lămpile UV de întărire emit raze UV specifice: 395nm pentru cerneală, 365nm pentru adeziv.
Lanterne UV
Lanternele UV de mare putere cu LED UV în gamele 365nm, 375nm … 385nm, 395nm, 405nm, sunt dispozitive portabile, alimentate de la baterii, utilizate pe scară largă în: testare fluorescentă, inspecție cu particule magnetice fluorescente, detectare de scurgeri fluorescente, detectare în investigații penale, întărire UV prin polimerizare, cercetare arheologică, testare minerale, evaluare de bijuterii.
Piața LED UV este în expansiune
LED UV de polimerizare. Seria LED UV de întărire prin polimerizare, se referă la LED UV ce sunt o sursă de radiație UV pură, pentru un proces tehnologic în care nu trebuie să existe alte radiații (infraroșie, vizibilă, raze de lumină fără control etc.), astfel încât să existe o singură bandă de cip-uri LED UV pentru emisie de raze UV. Se înlocuiesc lămpi cu mercur (ce emit simultan radiații UV cu diferite lungimi de undă, cu degajare semnificativă de căldură și consum mare de putere electrică), cu componente LED UV ce emit doar o lungime de undă UV, într-o bandă îngustă, folosind o sursă de putere redusă de cel puțin zece ori.
Avantajele sunt importante: se reduce căldura ce trebuie eliminată (să nu afecteze materialul de bază) și simultan scade consumul de energie electrică. Vezi: UV LED Curing Community (http://uvledcommunity.org) ce stabilește liniile directoare de asigurare a compatibilității cerințelor pentru LED UV în întreaga industrie bazată pe polimerizare UV.
LED UV pentru sterilizare
După descoperirea ADN-ului, a apărut o înțelegere științifică a acțiunii radiației UVC împotriva agenților patogeni. Pe scurt, fotoni UVC cu lungime de undă de < 300nm, transportă suficientă energie pentru a determina dimerizarea de molecule ADN sau ARN, perturbând procesul de reproducere. Tehnologia de sterilizare UVC a parcurs un drum lung de la Niels Finsen - pionier al fototerapiei (distins cu Premiul Nobel pentru Medicină în 1903 pentru descoperirea că razele UV de la Soare pot distruge bacteria TBC) până la tehnologia actuală LED UV. Lămpile UV cu mercur au fost primele surse UV și sunt încă dominante ca surse de radiație UVC. Tehnologia avansată, pentru semiconductoare AlGaN, a făcut ca dispozitivele LED UV să devină o armă nouă, universală, împotriva bacteriilor, virusurilor, sporilor de mucegai și chiar paraziților mici. Spectrul UVC realizează dezinfectare cu acțiune rapidă, nu lasă în urmă reziduuri toxice, miros neplăcut sau gust rău și nu există temeri cu privire la creșterea rezistenței la medicamente. Aplicațiile cu LED UVC sunt: sterilizarea aerului și a apei, instrumente de analiză spectroscopice și măsurători de fluorescență, detectoare de chimicale și materiale biologice. Notă. Firma de cercetare a pieței de componente electronice, Yole Développement (Lyon, Franța), a estimat că 90% din aplicațiile actuale cu LED UV, se bazează pe radiațiile UVA și UVB, în domenii medicale, instrumente de analiză, dezinfectarea aerului și apei. Vezi: www.ledsmagazine.com/articles/print/volume-9 /issue-2/features/uv-leds
Dezinfectarea apei
Radiația UV în intervalul 250-280nm sterilizează apa. Sensor Technology Electronic Inc. (SETi) – lider mondial în producția de componente LED UV în gama 240nm – 360nm, a stabilit că 275nm este lungimea de undă optimă pentru eradicarea patogenilor, cum ar fi E.Coli în apă.
SETi a demonstrat dezinfectarea apei potabile într-un sistem de curgere liniară 0,5l/minut, folosind sub 35mW la 275nm.
Alte aplicații pentru LED UV
Radiațiile UVB sunt cunoscute de a avea proprietăți benefice pentru sănătate, inclusiv sinteza naturală de vitamina D la om, în pielea expusă moderat la lumina Soarelui. Radiația UVB accelerează de asemenea, producția de polifenoli (considerați că au calități antioxidante și anticancerigene) din anumite legume cu frunze, cum ar fi salata roșie. În general, aceste plante sunt cultivate în sere, filtrându-se în mod intenționat lumina în porțiunea UV a spectrului, pentru a maximiza creșterea plantelor.
S-a verificat că, atunci când aceste plante, cu puțin timp înainte de recoltare, sunt expuse la lumina LED UV în spectrul UVB, conținutul lor de polifenoli este stimulat, fără compromiterea plantelor.
Notă. Efectul bactericid al luminii 405nm a fost studiat pe grupuri de diverși agenți patogeni din genurile Salmonella, Shigella, Escherichia, Listeria și Mycobacterium. Lumină intensă de 405nm (violet/purple-blue), generată de dispozitive LED UV-Violet a inactivat bacterii în suspensie lichidă și de pe suprafețele expuse. Concluzia studiului, că și radiația de 405 nm inactivează diverse tipuri de bacterii în lichide și pe suprafețe, oferă avantajul de siguranță al radiației cu lungime de undă UV-Violet și în plus, eficiență energetică LED UV mai mare, știind că eficiența crește cu lungimea de undă. Vezi The Scientific World Journal, Volume 2012 (2012), Article ID 137805).
Alternativa la lămpile UV cu mercur
În operațiunile de producție cu polimerizare, lămpile cu vapori de mercur au viață scurtă (2.000-10.000 ore), încălzire și răcire lente, și o largă de distribuție de putere spectrală. Peste 60% din energia pe care o consumă o lampă tipică cu vapori de mercur, este radiată ca energie în infraroșu, şi anume căldură, care poate distorsiona materialele tipărite.
De aceea, cardurile de plastic litografiate nu pot fi uscate cu radiație UV dată de lămpi cu mercur. Emisia UV a lămpii cu vapori de mercur are un vârf principal la 365nm și scade rapid pe durata sa de funcționare, deoarece o parte din materialul de electrod se vaporizează și se depune o peliculă pe partea interioară a tubului de cuarț, prin care radiația UV nu o poate traversa. Ca urmare, utilizatorul nu poate prezice cantitatea de radiație UV generată ulterior, iar cantitatea este un parametru critic de proces. Folosirea de componente LED UV permite cunoașterea cu precizie a nivelului de putere livrat în mediul de întărire.
Alegerea sursei de radiații UV: lampa cu mercur sau LED UV
Lampa UV cu mercur produce un spectru larg de radiații: lumină albastră-verzui vizibilă (500-600nm), radiații UV (între 100-400nm, cu benzi de aproximativ 10nm în gamele UVC, UVB, UVA, având vârf principal la 365nm) și radiație roșie-infraroșie (peste 650-700nm). Spectrul larg de radiații ale lămpii cu mercur conține radiații care produc ozon, ce trebuie eliminat. Componentele LED UV nu produc ozon, dar trebuie răcite cu aer sau apă prin sisteme ce cresc costurile.
Per ansamblu, componentele LED UV sunt mai avantajoase, conform tabelului comparativ de mai jos:
Trecerea la LED UV a deschis calea unor noi produse ecologice pentru industria de imprimare și etichetare (cerneluri, acoperire și adezive) și eliminarea treptată a compușilor organici volatili (VOC) asociați cu aplicațiile pe bază de solvenți. Utilizarea de componente LED UV cu lungimile precise de undă 250nm, 285nm și 300nm, plus alte avantaje, duce la renunțarea la lămpile cu vapori de mercur în această industrie.
Eficiența LED UV
Eficiența LED UV variază între 10 … 50% și depinde direct de lungimea de undă. Componentele LED UVA pot atinge 45-50%, dar cele UVB și UVC au eficiența sub 10%. De exemplu la 365nm, puterea de ieșire a unui LED UVB este doar 5-8% din puterea de intrare. La 385nm, această eficiență crește, ajungând la circa 15%, ceea ce face ca un LED UV cu lungime de undă mai mare, să fie cea mai bună alegere.
Aplicațiile care necesită putere mare, folosesc cip-uri LED UV ca o matrice configurată într-o capsulă sau pe o placă, cu un ghidaj optic și sistem de răcire cu aer sau apă pentru a îndepărta căldura de la partea din spate a plăcii. Nu contează ce intensitate UV este la fereastra emițătorului, dar contează intensitatea ajunsă la suprafața iradiată UV. Puterea UV necesară pe o suprafață țintă și distanța față de emițător se iau în considerare la alegerea componentelor LED UV. Astfel, pentru polimerizare, materialul imprimat poate fi la distanța de 1 … 100mm față de fereastra emițătorului, fiind necesară optică specială.
Note importante.
1. În radiometrie, puterea radiației electromagnetice ajunsă pe o suprafață, se numește iradianță (E) și depinde de intensitatea radiantă (I) produsă de o sursă punctuală de radiație (LED UV), unghiul de incidență (θ) la suprafață și de distanță (r): E= (I×cos θ)/r2 [W/m2], utilă pentru r > 5 ori diametrul sursei. Deci, puterea utilă scade cu pătratul distanței.
Vezi: http://metrology.hut.fi/courses/S-108.4110/2007/RADIOMETRIA.pdf
2. Iradianța E (W/cm2) pe o mică suprafață, în punctul P la distanță d față de o sursă liniară AB de radiație (UV lamp) de lungime L este dată de formulele:
E= F / (π × d)2 [W/m2] pentru d >> L,
respectiv E= F / (2π × d × L) [W/m2] pentru d < 0,5 L. F este fluxul total de radiație, în W. Vezi: www.pdffiller.com/258941-Philips20UV20Technology20 brochure pdf-Ultraviolet-purification -application
Întărirea cernelurilor în imprimarea digitală cu jet, a fost primul segment care a adoptat LED UV datorită distanței mici necesară între capetele de imprimare și mediul imprimat. Aceasta a fost o potrivire optimă pentru lămpi cu LED UV cu intensitatea mare de radiație la fereastra emițătorului. Alte avantaje care sunt asociate cu folosirea LED UV includ: intensitate controlată de întărire, echipamente scalabile și faptul că mașinile sunt mai mici și compacte.
Optica și încapsularea LED UV
Chiar dacă producătorii de componente LED UV au lucrat din greu pentru a îmbunătăți eficiența cuantică internă și eficiență optică, eficiența globală rămâne sub 20%, ceea ce înseamnă că o mare cantitate de căldură trebuie să fie disipată de la joncțiunea diodei.
Pentru a atinge densități mari de flux necesare, trebuie ca aria emisivă să fie comandată la curentul maxim admis și fluxul de radiație să fie concentrat și ghidat prin mediu optic (silicon transparent) la lentilă. Doar o încapsulare ermetică de tip metal-sticlă e capabilă să disipeze densități de putere extreme, pe durata de viață a produsului. Prin înlocuirea lentilelor din plastic cu sticlă plană sau în formă de dom capabil de transmisie UV, se prelungește viața de la aproximativ 5.000 ore la 30.000 ore. Noile capsule de cupru și sticlă oferă avantajele de conductivitate termică ridicată și etanșeitate (vezi Schott Electronic Packaging, Germania).
Managementul termic pentru LED UV
Răcirea este foarte importantă pentru componentele LED UV, pentru a asigura siguranța și fiabilitatea sistemului, fiindcă trebuie eliminată 75-85% din energia electrică consumată, ce devine căldură. Avantajul LED UV este că poate fi ghidată căldura mai ușor pentru evacuare, comparativ cu lampa cu mercur.
Componentele LED UV discrete, în capsule cu rezistențe termice mici sau module cu factori de formă mici, dar cu densități de putere mari, fac absolut necesare soluții bune de management termic pentru a asigura performanța sistemului și fiabilitatea pe termen lung. Managementul termic bun necesită cunoașterea și înțelegerea următoarelor subiecte cheie:
• ce performanțe termice are un LED UV, legate de tipul de capsulă, geometria amprentei și rezistența termică, pentru alegerea soluției de disipare cea mai adecvată.
• selectarea materialului PCB: bazat pe aliaje de aluminiu sau cupru (MCPCB – metal core printed circuit board), fie bazat pe noile materiale termo-plastice și cu grafit, ce sunt mai ușoare decât aluminiul și au transfer mai bun decât cuprul.
• optimizarea circuitului imprimat pentru a maximiza disiparea de căldură.
• alegerea tipului de răcire (activă cu aer/apă sau naturală cu radiator), a tipului și geometriei radiatorului pentru a atinge performanțe termice și mecanice necesare, dar și selectarea materialelor de interfață pentru cel mai bun transfer termic între PCB și radiator, urmărind costul cel mai mic.
Notă. Componentele LED UV cer măsuri speciale la manevrare și montare: (1) manipulare anti-statică ESD, (MIL-STD-883E) Clasa 1; (2) nu se atinge niciodată suprafața frontală fiindcă murdăria duce la absorbția UV și deteriorarea componentei LED UV; (3) nu se spală cu solvenți și nu se curăță cu ultrasunete; (4) nu trebuie să funcționeze fără un radiator termic bine atașat la spate și fără controlul temperaturii pe LED UV, măsurată cu un senzor montat cât mai aproape (vezi www.philipslumileds.com, Support, Application Brief AB114); (5) nu sunt garantate, dacă se lipesc în baie sau manual, iar la lipire trebuie respectate temperatura și timpul maxim specificate; (6) se alimentează la sursă de curent constant la nivelul indicat în specificațiile LED-ului UV, respectând polaritatea anod (+), catod (-); (7) componentele LED UV sunt puternice și utile, dar radiația UV este periculoasă pentru piele și ochi și poate cauza cancer. Nu se privește radiația direct în funcționare, nici chiar pentru un timp scurt. Etichetele de avertizare de pe LED UV și produsele ce le conțin sunt clare.
Sursa de alimentare este critică
Sursa de putere sau driver-ul de curent care alimentează un dispozitiv cu LED UV trebuie selectate cu grijă. Se vor folosi numai surse de curent, respectând polaritatea.
Alimentarea de la sursă de tensiune, fără limitarea curentului, le distruge complet.
Important! Puteți alege și comanda sursele de putere adecvate, pentru orice aplicație LED, la ECAS ELECTRO – distribuitor autorizat al firmei Meanwell – un lider mondial în fabricația de surse standard cu comutare. (www.meanwel.com).
ECAS ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive și componente LED în orice spectru: vizibil, IR, UV și surse de alimentare LED.
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro