Em relação aos LEDs visíveis, os LEDs UV são um mercado silencioso de apenas US $ 30 milhões, mas os avanços recentes em potência e intensidade radiante permitiram o deslocamento de lâmpadas de vapor de mercúrio em aplicações que incluem cura UV e detecção de falsificação, relata LAURA PETERS.
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Este artigo foi publicado na edição de fevereiro de 2012 da Revista LEDs.
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Abaixo do espectro visível encontra-se uma faixa de comprimentos de onda chamada ultravioleta (UV). Variando de 100 a 400 nm, a radiação pode ser efetivamente usada para esterilizar cosméticos, realizar análises forenses, curar materiais (Fig. 1) e desinfetar água, entre muitas outras aplicações. Hoje, como é o caso dos LEDs no espectro visível, os LEDs UV estão apenas começando a substituir as fontes UV estabelecidas em uma gama igualmente diversificada de mercados.
. FIG 1 Sistema de cura à base de LED UV refrigerado a ar Firefly (fonte: Phoseon Technology).
FIGO. 1
“Comparado com a indústria de iluminação LED multibilionária, o mercado de LED UV é um erro de arredondamento em torno de US $ 30 milhões, mas está crescendo rapidamente”, disse Mike Lim, diretor de novos negócios e industriais globais da Luminus Devices, com sede em Billerica , MA.
De longe, o mercado de cura UV está desfrutando do maior aumento na adoção de UV-LED devido ao avanço relativamente recente na densidade de fluxo de chips UV-LED além da marca de 4W / cm2 nos diferentes comprimentos de onda necessários para colocar a cura UV-LED em produção instalações. “Pela primeira vez, os LEDs atingiram as densidades de potência que tornam os LEDs UV competitivos com as fontes existentes”, disse Uwe Thomas, gerente geral de componentes de emissão da LED Engin, fornecedora de LEDs UV e visíveis com sede em Santa Clara, CA.
UV-A, B e C
A cura envolve a polimerização cruzada de um material fotossensível, que pode ser uma tinta (impressão), adesivo ou revestimento, e é realizada principalmente em 395 nm, 385 nm ou 365 nm, comprimentos de onda que fazem parte do espectro UV-A (315 -400 nm). Outra aplicação UV-A importante são os sistemas de inspeção baseados em visão de máquina. As lanternas UV-LED dessa faixa são usadas para detectar identificação e moeda fraudulentas e oferecem o benefício do uso em ambientes bem iluminados, o que é difícil com uma lâmpada de vapor de mercúrio.
No espectro UV-B (280-315 nm), as aplicações dos LEDs UV incluem cura, terapia de luz médica, análise forense e descoberta de medicamentos. Foi estimado pela empresa de pesquisa de mercado Yole Développement (Lyon, França) que 90% das aplicações de LED UV hoje são baseadas nas regiões UV-A e UV-B (Fig. 4). A Yole afirmou que espera que o mercado de LEDs UV cresça 30% ao ano, de US $ 25 milhões em 2010 para mais de US $ 100 milhões em 2016. A Fig. 5 mostra uma previsão ainda mais otimista da Optoelectronics Industry Development Association, da International Optoelectronics Association e do European Photonics Industry Consortium.
FIG 2 Emissor UV de matriz múltipla em um pacote de cerâmica (fonte: LED Engin) ...
FIGO. 2
Além dessas aplicações, a radiação UV-B é conhecida por ter propriedades benéficas à saúde, incluindo a síntese natural de vitamina D em humanos expostos à luz solar. UV-B também acelera a produção de polifenóis em certos vegetais folhosos, como a alface vermelha. Acredita-se que os polifenóis tenham qualidades antioxidantes. “Geralmente, essas plantas são cultivadas em estufas hoje, que filtram intencionalmente a porção UV do espectro para maximizar o crescimento das plantas. Curiosamente, temos evidências de que quando essas plantas são expostas a LEDs UV-B pouco tempo antes da colheita, seu conteúdo de polifenol é aumentado sem comprometer a massa da planta ", explicou Cary Eskow, diretor global de LEDs avançados e iluminação da Avnet Electronics Marketing em Phoenix , AZ, que distribui LEDs UV. Ele continuou ”Este é um novo método para aumentar o apelo de alguns alimentos sem o uso de produtos químicos. Os polifenóis também têm recebido atenção devido às suas supostas propriedades anticarcinogênicas, antiproliferativas e antimutagênicas. “
Na faixa espectral UV-C inferior (100-280 nm), as aplicações principais do LED são esterilização de ar e água e uma variedade de ferramentas analíticas, incluindo aquelas que realizam medições espectroscópicas e de fluorescência. Detectores químicos e biológicos também atuam nesta faixa espectral.
O UV na faixa de 250-275 nm esteriliza a água, o ar e as superfícies, quebrando o DNA e o RNA de microorganismos e evitando sua reprodução. Especificamente, acredita-se que 275 nm seja o comprimento de onda mais eficaz para erradicar patógenos como a E-coli na água. Na verdade, os engenheiros da Sensor Electronic Technology Inc. (SETi), com sede em Columbia, SC, determinaram que 275 nm é o comprimento de onda ideal para a desinfecção da água. SETi demonstrou desinfecção de água potável em um sistema de fluxo em linha usando menos de 40 mW de energia UV.
Alternativas para lâmpadas de arco de mercúrio
Nas operações de cura da produção, as lâmpadas de vapor de mercúrio são prejudicadas por uma vida útil curta (2.000-10.000 horas), tempos lentos de aquecimento e resfriamento e ampla distribuição de energia espectral. “Além disso, mais de 60% da energia que é aplicada a uma lâmpada de vapor de mercúrio típica é irradiada de volta como energia infravermelha, em outras palavras, calor,” disse Eskow. Ele acrescentou que a saída de UV de uma lâmpada de vapor de mercúrio cai rapidamente ao longo de sua vida operacional porque parte do material do eletrodo vaporiza, depositando um filme no interior do tubo de quartzo que o UV não pode penetrar. Como resultado, o usuário não pode prever facilmente a quantidade de UV gerada posteriormente ;. frequentemente, este é um parâmetro de processo crítico.
FIGO. 3. LEDs UV-C para aplicações germicidas, da Crystal IS, Inc. A empresa foi recentemente adquirida pela Asahi Kasel, com sede no Japão.
FIGO. 3 -
A lâmpada de mercúrio tem um pico principal em 365 nm, mas vários picos menores nas regiões visível e infravermelho (Fig. 7). Uma desvantagem para esses picos estranhos é a geração de calor durante a impressão e outras operações de cura. "Com plásticos e outros materiais sensíveis ao calor, houve desafios reais na impressão porque o meio fica distorcido com o calor da lâmpada de mercúrio", explicou Steve Metcalf, CEO e presidente da Air Motion Systems (AMS), fabricante de cura sistemas baseados em River Falls, WI. Ele deu exemplos que incluem cartões-presente de plástico ou cartões de crédito, que usam impressão litográfica alimentada por folha.
Metcalf acrescentou que muitas pessoas que não teriam considerado a cura UV devido à complexidade dos processos de cura padrão - a alta voltagem, o calor das lâmpadas de mercúrio e questões ambientais - agora considerarão a cura UV-LED porque subverte os aborrecimentos tradicionais do processo antigo .
Os LEDs UV trazem benefícios como saber exatamente qual nível de potência está sendo fornecido ao meio de cura, além de outras vantagens pelas quais os LEDs são conhecidos, como a capacidade de modular a largura de pulso da saída, afirmou Eskow.
A transição para LEDs UV também abriu a porta para formulações de cura mais ecológicas. Com a próxima geração de produtos que as empresas de tintas, revestimentos e adesivos estavam desenvolvendo, elas aproveitaram a oportunidade para eliminar os compostos orgânicos voláteis (VOCs) associados às formulações à base de solvente de produtos químicos anteriores.
Otimização de cura
Para dispositivos UV de comprimento de onda mais longo, de maneira semelhante à fabricação de LED azul, as camadas de epilação à base de InGaN são cultivadas em substratos de safira para produzir LEDs UV de 385, 395 e 405 nm para cura. Uma das principais vantagens dos dispositivos de comprimento de onda mais alto é que eles podem ser acionados com maior potência. “395 nm é realmente o ponto ideal para a cura de LED UV, porque em 405 nm a formulação é sensível à luz ambiente, então você quer estar um pouco abaixo de 400 enquanto é capaz de acionar os LEDs em alta potência”, disse Lim. Todos os principais fornecedores de formulações de cura (fotoiniciadores e resinas) trouxeram recentemente ao mercado tintas e revestimentos de comprimento de onda mais alto para atender a essa necessidade.
FIGO. 4. A maioria das aplicações está nas partes UV-A e UV-B do espectro.
FIGO. 4 -
Além de produzir mais energia, os LEDs UV de maior comprimento de onda apresentam maior eficiência de tomada de parede. Por exemplo, a 365 nm, a potência de saída de um LED UV é de apenas 5 a 8% da potência de entrada. Em 385 nm, essa eficiência melhora, mas apenas para ~ 15%, tornando o chip de comprimento de onda mais alto a melhor escolha.
Os processos de cura exigem LEDs grandes e de alta potência (matriz / chip múltiplos) dispostos em uma matriz compacta em uma configuração de chip on-board, perto da janela do emissor com um sistema interno refrigerado a ar ou água para remover o calor do parte traseira do tabuleiro. “Não importa qual seja a intensidade de UV na janela do emissor, o que importa é a intensidade na superfície da mídia”, disse Metcalf. Dependendo do equipamento e da aplicação de cura, a mídia pode estar de 1 a 100 mm da janela do emissor, para a qual a AMS produziu ótica especial. Além disso, um PCB resfriado com metal é usado para dissipar o calor da matriz de LEDs.
O resfriamento de ar também é usado. Por exemplo, o sistema de cura mostrado na Fig. 1, que tem uma janela de emissor de 150 x 20 mm e densidade de fluxo de 4W / cm², pode ser usado para tintas, revestimentos ou adesivos de cura localizada. Hoje, o equipamento de cura UV-LED é frequentemente projetado especialmente para se adequar à aplicação. Metcalf descreve as grandes impressoras de banner plano como sendo capazes de usar LEDs de baixa potência, mas as tecnologias digitais, offset e flexográficas de alta velocidade requerem bancos espaçados de LEDs de alta densidade de fluxo. Mesmo que a radiação não seja visível, a óptica de colimação é utilizada para distribuir a radiação com um nível de potência uniforme através do meio alvo. A cura por jato de tinta digital foi o primeiro segmento a adotar LEDs UV devido à distância necessária próxima à mídia para que as cabeças de impressão tenham um desempenho ideal. Este foi um ajuste natural para lâmpadas UV-LED, pois a intensidade de cura é mais alta na janela do emissor.
FIGO. 5. Histórico e previsão do mercado de UV-LED.
FIGO. 5
Stacy Volk, especialista em comunicações de marketing da Phoseon Technology em Hillboro, OR, fabricante de sistemas de cura UV-LED, apontou algumas das vantagens adicionais associadas à cura UV-LED incluem uma intensidade de cura controlada, equipamento escalável e o fato de que o as máquinas são menores e compactas.
Um dos problemas enfrentados pela indústria de cura são as inconsistências na prática de medição e nas definições de parâmetros, por exemplo, definir a intensidade radiométrica. A UV LED Curing Association (www.uvledcuring.org) foi formada recentemente pelos fabricantes de cura Phoseon Technology, Integration Technology Limited e Lumen Dynamics para "definir diretrizes e garantir compatibilidade em toda a indústria", afirmou Bill Cortelyou, presidente e CEO da Phoseon Technology . A associação também busca ajudar a acelerar o desenvolvimento de aplicações especialmente adequadas para LEDs UV, educar pesquisadores, integradores e usuários finais sobre os benefícios dos LEDs UV e fornecer um fórum para comunicação e colaboração da indústria.
“Em nossos 15 anos de experiência em tecnologia de cura de LED, a indústria realizou avanços significativos que provaram que os LEDs são uma alternativa viável que oferece benefícios substanciais”, disse Allan Firhoj, presidente e CEO da Lumen Dynamics com sede em Ontário, Canadá. Ele acrescentou: “A UV LED Curing Association será fundamental para ajudar o mercado a obter conhecimento e visão sobre a tecnologia de LED UV e seus inúmeros benefícios comerciais.
Uma segunda associação, a International LED-UV Association (www.leduv.org), foi formada em setembro de 2011 no Japão para organizar os fabricantes de impressoras UV-LED, fabricantes de UV-LED e formuladores de tintas e revestimentos comprometidos com o desenvolvimento sustentável e as tecnologias de impressão UV-LED ecológicas.
Fabricantes de chips
As empresas que fabricam chips UV-LED incluem Crystal IS, com sede em Green Island, NY (Fig. 3) ;. Dowa Electronic Materials Co Ltd, com sede em Tóquio, Japão ;. Nichia Corp, com sede em Tokushima, Japão ;. SemiLEDs, com sede em Hsinchu, Taiwan; .. SETi e Seoul Optodevice Co Ltd, com sede em Kyunggi-do, Coreia, uma subsidiária integral da Seoul Semiconductor.
FIGO. 6. As matrizes de LED UVClean da SETi fornecem luz ultravioleta profunda de alta potência em 300-320 nm, a faixa ideal para fototerapias.
FIGO. 6
Os fabricantes de LED UV se concentram em melhorar continuamente a eficiência e a vida útil de seus dispositivos, reduzindo custos. A Seoul Optodevice tem um acordo de parceria de fabricação com a SETi, que fabrica uma ampla gama de LEDs e lâmpadas UV e executa tudo, desde o processamento de wafer até o design de lâmpadas personalizadas. A empresa fornece emissores de UV em pacotes de metal-vidro hermeticamente selados (TO-18, TO-39 e TO-3), com produtos padrão e soluções personalizadas abrangendo a faixa de comprimento de onda de 240 a 355 nm. A Figura 6 mostra exemplos de matrizes UV -LED em lâmpadas projetadas para fornecer radiação na faixa de 300-320 nm para aplicações de fototerapia, como o tratamento de doenças da pele, como psoríase ou eczema.
Tim Bettles, diretor de marketing e vendas da SETi afirmou que seu acordo de fabricação com a Seoul Optodevice foi projetado para ajudar a SETi a aumentar seus volumes de LEDs UV e lâmpadas enquanto reduz os custos. “Nossos primeiros produtos UV-LED foram lançados em 2004 e, desde então, percorremos um longo caminho tanto no desenvolvimento de tecnologia quanto na adoção pelo mercado. Agora estamos preparando a capacidade da SETi para fabricação de alto volume para atender às novas demandas provenientes dos principais mercados de consumo ”, disse Bettles. SETi anunciou recentemente a compra de uma nova instalação, onde planeja fabricar mais de 100 milhões de LEDs UV por ano.
Devin Tang, gerente de marketing da SemiLEDs, afirmou que a empresa possui uma linha completa de dados nus e LEDs de alta potência para montagem em superfície na faixa de 360-400 nm. Ele lembrou que os produtos da empresa se diferenciam dos demais no que diz respeito aos substratos de liga de cobre dos chips, que permitem alta condutividade térmica (400 W / mK) e substratos de silício nas embalagens, que reduzem custos.
A Epigap Optronic, com sede em Berlim, Alemanha, o principal distribuidor dos LEDs UV da Dowa, afirmou que a Dowa fabrica dados nus ou LEDs embalados de 265, 280, 310, 325 e 340 nm. A Nichia fabrica LEDs de alta potência de montagem em superfície de 365, 375 e 385 nm e lâmpadas de baixa potência. A Crystal IS fabrica LEDs UV de 260 nm e é a única empresa a produzir LEDs em substratos de AlN.
Problemas de processamento de wafer
Como foi indicado anteriormente, epilayers de InGaN e GaN, cultivados por MOCVD, são usados para LEDs UV de comprimento de onda mais alto fabricados em substratos de safira, mas em comprimentos de onda mais baixos, epilayers de AlGaN com conteúdo crescente de alumínio devem ser usados. Existem muitas composições diferentes envolvendo camadas de epilayers de AlGaN, AlINGaN, AlInN e AlN, mas qualquer que seja a composição, torna-se mais fácil cultivar materiais à base de AlGaN em substratos de AlN do que safira em algum ponto, o que encorajou o desenvolvimento de fornecedores de substratos de AlN como a Hexatech, com sede em Morrosville, NC. No entanto, os substratos de AlN estão disponíveis apenas em tamanhos pequenos e permanecem muito mais caros do que os wafers de safira, limitando assim este mercado.
FIGO. 7. Saída espectral de uma lâmpada de vapor de mercúrio em regiões ultravioleta e visíveis.
FIGO. 7
Recentemente, Theodore Moustakas, da Boston University, foi o pioneiro no uso de MBE (epitaxia de feixe molecular) para desenvolver dispositivos LED UV mais eficientes (alta eficiência quântica interna) usando camadas baseadas em AIGaN em substratos de safira. Esta abordagem competiria com as várias técnicas de MOCVD usadas para depositar AlGaN hoje.
Óptica e embalagem
Mesmo que os fabricantes de LED UV tenham trabalhado muito para melhorar a eficiência quântica interna e a eficiência óptica, a eficiência geral permanece abaixo de 20%, o que significa que uma grande quantidade de calor deve ser dissipada da junção do diodo. “Para atingir as densidades de fluxo exigidas com as tecnologias de chip de hoje, os emissores de múltiplas matrizes precisam ser acionados na corrente mais alta. Isso só é possível com um pacote de LED capaz de lidar com densidades de energia extremas durante a vida útil do produto. Uma embalagem sem estresse combinada termicamente e lentes de vidro ajudam a eliminar os modos de falha comuns da embalagem associados aos LEDs UV ”, disse Thomas. Ele descreveu o substrato de cerâmica multicamada patenteado da LED Engin com resistência térmica extremamente baixa que conduz rapidamente o calor da junção da matriz (Fig. 2).
Embora algumas matrizes de LED UV sejam empacotadas em substratos de cerâmica, muitos fabricantes, particularmente de dispositivos de chip único, usam pacotes de orifício tipo TO-can com um topo de vidro que oferece alta transmissão de UV. A substituição de lentes epóxi por vidro plano ou em forma de cúpula com capacidade de transmissão de UV é um desenvolvimento relativamente novo e que permitiu uma extensão da vida útil de cerca de 5.000 horas até 30.000 horas. O UV acelera a degradação do material epóxi de maneira não linear, impactando diretamente a vida útil. As lentes de vidro fornecem durabilidade e confiabilidade aprimoradas. Outra alternativa é combinar uma lente de vidro com um encapsulante de silicone para acomodar uma densidade de fluxo ainda maior e maior eficiência, mas com vida útil mais curta (15.000-20.000 horas).
A escolha de usar vedação hermética na embalagem é algumas vezes determinada pelos materiais no chip. “Um substrato de nitreto de alumínio quase dita o uso de uma embalagem hermética, porque quanto maior o teor de alumínio, maior a afinidade do dispositivo com o oxigênio, portanto, uma vedação hermética protegerá melhor o dispositivo UV”, explicou Frank Gindele, gerente de desenvolvimento de produto da Schott Electronic Packaging em Landshut, Alemanha. O novo pacote baseado em cobre e vidro da Schott oferece as vantagens de alta condutividade térmica e hermeticidade.
Perigos de UV
É importante reconhecer que algumas das mesmas qualidades que tornam os LEDs UV muito poderosos e úteis - seu baixo comprimento de onda e alta energia -. São também as qualidades que os tornam perigosos Os rótulos de advertência nos LEDs UV e seus produtos são claros, mas vale a pena observar:. Os LEDs UV emitem radiação ultravioleta invisível quando em operação, que pode ser prejudicial aos olhos ou pele, mesmo por breves períodos (Para mais informações sobre segurança fotobiológica, consulte nossa série de artigos, a Parte 3 da qual aparece na página 63 deste número .)
Próximos passos
Quando solicitados a identificar o principal problema que pode impedir os usuários de UV de mudar de fontes de vapor de mercúrio para LEDs de UV, muitos participantes da indústria dizem que se trata de quebrar o momentum existente da indústria e, claro, o custo. Lim acha que o arredondamento do portfólio de comprimento de onda ajudaria muito na adoção. “Acho que se conseguirmos bons LEDs de 250 nm, 285 nm e 300 nm, esses três comprimentos de onda, podemos praticamente fechar a porta para lâmpadas de arco de mercúrio.”
