UV—LED在光固化领域的应用现况和趋势

魏彬　林庆

摘要：随着技术的发展成熟，UV-LED（紫外发光二极管）的性能得到了很大提高，在光固化领域的市场份额也在快速扩大。文章介绍了UV-LED光固化的市场现况及其相对于传统UV光源的优势，最后分析了UV-LED光固化的现存问题并介绍相对应的技术研究趋势。

关键词：UV-LED；光固化领域；发光材料；照明技术；发光光谱 文献标识码：A

中图分类号：TN312 文章编号：1009-2374（2017）11-0092-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.047

1 概述

近年来，随着高亮度蓝光LED技术的成熟化，人们逐渐将研究重心转向以高铝组分III族氮化物为发光材料的UV-LED。鉴于UV-LED光固化更符合现代工业所倡导的高效、节能、环保理念，UV-LED大有逐步取代汞灯等传统气体放电UV光源的势头。然而，UV-LED光源的一些特点也制约了其高速发展，比如其光谱能量一般集中在半高宽为十几纳米的窄波段上，传统UV固化材料往往无法在UV-LED光源下高效固化。下文将介绍UV-LED光源的产业现况及特点，并就其问题及发展趋势进行剖析。

2 UV-LED光源现况

LED因具有诸多优势已经在照明领域坚实地开始了逐步取代传统照明技术的进程。类似地，在光固化领域，UV-LED光源也因相对于传统UV光源存在着诸多优势，得到了巨大的研发投入，取得了较大的技术进步。近年来大功率的UVA波段（395nm为主）LED光源正逐渐成为一种主流的固化技术，欧洲国际标签展（LabelExpo Europe）就是最好的证明。2011年的展会上仅展出了10台UV-LED设备，到2013年时则增加到了78台，数量增长了8倍。从油墨类型来看，2006年能够匹配UV-LED固化的油墨类型非常少，而2013年已经有超过20家油墨和材料供应商可以提供成熟的UV-LED固化油墨。至今，UV-LED辐射能量已可与传统UV固化光源持平甚至更高，辐照度达16W/cm2的UV-LED光源已正式进入量产两年以上，能基本满足快速工业固化的需要。据市场预测，2016年紫外线LED应用于光固化市场产值达8100万美元，2021年将达1.95亿美元，年复合成长率为19%。

UV-LED光源的优势可归纳为以下六个方面，从中不难看出其能够快速占据市场的原因：

2.1 节能

传统汞灯UV光源看上去亮度很高，这是因为它的光谱很宽，覆盖了可见光波段，而真正起有效固化作用的UV波段只占其中一小部分，输入功率中约70%能量以可见光、红外光和热能耗散掉了。相对而言，UV-LED辐射光谱较窄，90%以上光輸出集中在起固化作用的主波峰附近±10nm范围内，能量高度集中，有效发光效率高，不仅有利于缩短固化时间，且大大降低了能源消耗和二氧化碳排放量。

2.2 低热辐射

UV-LED光源含有极低的红外波段辐射，被认为是冷光源，因此即使近距离照射，工件表面的温升也非常低，不会因受热而大幅度变形。这样的特性在实际应用时会带来极大的优势，例如在液态感光阻焊油墨的曝光过程中不会使菲林片变形，降低了图像转移的失真程度，能更好地保证图和像的一致性；解决光通讯、显示产品生产中长期存在的热伤害问题，特别适合液晶面板封边、薄膜印刷等要求温升小的场合；解决大型喷绘设备传统的发热量大、工作人员难以忍受的问题。

2.3 长寿命

UV-LED光源寿命可达传统UV光源寿命的12倍以上，且使用寿命不受开关次数影响，光源更换频率大幅降低，耗材费用随之减少。

2.4 瞬间开合

UV-LED可做到瞬间开启或关闭，无需传统UV光源所必需的长时间预热及降温时间，工艺作业效率高。

2.5 无臭氧

UV-LED无臭氧的产生改善了工作环境，无需再安装捕捉和焚化设备来消除臭氧危害。

2.6 结构灵活

传统UV汞灯光源尺寸较大且为全周发光，因此光源形态较为固定。UV-LED颗粒尺寸小，可根据具体应用场景的需要设计成点、线、面光源等多种形态。光源设备与相关配套装置均可做到结构非常紧凑，节省空间。

3 UV-LED光源的发展

继续优化UV-LED的固化效果、扩大其适用领域是当前业界的主旋律。UV-LED对固化材料的固化效果是由光引发剂材料的UV吸收率决定的，因此UV-LED的发光光谱与光引发剂的吸收光谱的匹配程度对体系的固化起着直接的、决定性的作用。对大多数光引发剂材料来说，辐照波长一定要小于405nm才有较高的吸收率，且波长越短吸收率越高。从这个角度来说，用于固化的UV-LED应该尽量采用短波长的产品，但是由于物理限制和工艺原因，波长越短的芯片发光效率越低（光强越低），导致对于某些固化材料，反而采用波长较长的UV-LED可能固化效果更好。此外，不同应用领域有不同的固化厚度需求，由于透射率的影响，应用于表面薄层固化时更偏向于使用短波长的UV-LED，如喷墨打印的油墨固化更适用于采用365nm产品，而穿透深度较高的应用时更适用于长波长的产品，如3D打印采用395～405nm的产品。另外，价格也是用户重点考虑要素，随着波长变短，UV-LED价格也会成倍增加，可见UV-LED光源的选择实际上涉及到多方面的考虑。

要提高UV-LED在固化市场的渗透率，首要的任务是优化发光光谱，以尽量覆盖光引发剂的有效波长或尽可能多地针对不同应用领域的固化材料提供对特定波长优化的UV-LED产品；其次，提高辐射功率是永恒的话题，因低功率会造成固化光源必须紧挨着工件放置，引起设备复杂性提高、工人操作不便、非平坦表面工件适用困难等问题；最后，改进重点还包括散热技术这样能从光源外部起作用改善光效的方面。下文整理了当前的一些进展：

3.1 芯片改进

UV-LED一般采用AlGaN作为发光材料，但是AlGaN LED相比蓝光GaN LED芯片具有更高的穿透位错密度（Threading Dislocation Density，TDD），从而导致发光效率偏低，外量子效率会随着辐射峰值波长的减小而逐渐降低。随着制备技术近年的迅速发展，UVA波段芯片的效率已经得到极大提升，现在峰值波长在365nm的芯片的外量子效率（EQE）已经达到30%，385nm芯片可达50%，而405nm芯片效率更高达60%。这些进展使得365nm LED的单颗输出功率可达到12W，价格随着批量生产而大幅下降，已能完全满足产业化要求。

然而，传统光固化工艺中的UV汞灯的主要波峰在365nm、313nm、303nm等，而且是连续的，覆盖200～400nm的几乎全紫外光谱，大量UV固化材料正是利用这种特性，通过组合使用多种吸收波长的光引发剂，从而实现高效固化。UVA波段的产品即使效率再高也很难直接替代大量现有工艺设备中的UV光源。当前一个很重要的趋势就是加紧研发深紫外（DUV，主要指UVC）波段的芯片，通过组合使用覆盖UVC至UVA波段的多种芯片，有可能近似模拟传统中压汞灯的多波长连续谱，从而加快传统光源换固态光源的进程。Kueller等人通过在蓝宝石衬底上制备图形ELO-AlN基板，使得蓝宝石上的AlN层的位错密度从1010cm-2减小到109cm-2。基于该ELO-AlN基板制作的LED，峰值波长为295nm时，辐射输出功率可达到1.05mW，EQE约为0.67%；峰值波长为324nm时，辐射功率為3.8mW，EQE为1.1%。Kurin等人采用氯-氢化物气相外延（CHVPE）技术，在氧化铝衬底上生长GaN/AlGaN异质结构来制备UV-LED，电流密度可高达125A/cm2。峰值波长在360～365nm范围时，封装芯片的辐射输出功率为0.9mW。Fujioka等人通过改善外延层结构和电极图案，实现了40.5mW的280nm DUV-LED，在结温为45℃时寿命可达3000小时。

3.2 模块封装及散热设计

虽然单个芯片颗粒的性能得到提升，但在实际应用中，为了提高生产效率，满足大尺寸线光源、面光源的需求，一般需要通过封装技术组合多个颗粒形成光源模块，以获得足够的功率密度。例如，Schneider等人把98个395nm的LED芯片密集布置在封装面积为2.11cm2的陶瓷基板上，实现了13.1W/cm2的较高的辐射功率密度。另外，光源模块的有效散热对于辐射功率密度的提升以及长寿命的确保是光源设计的核心要务已是产业共识。Schneider等人基于层流条件下热传导的微通道较短的原理设计了针对高密度封装模块的散热器，众多短小的微通道相互并联，以提高热传导的面积，并采用水作为冷却液。采用铝或氧化铝陶瓷等低热阻材料为主体材料时，该散热器的热通量预计能够达到800W/cm2。Horng等人采用复合电镀工艺制备出掺杂金刚石的铜（Diamond-added Copper，DAC）散热器，其热阻仅为18.4K/W，低于纯铜的24.8K/W。与采用纯铜材料的散热器对比，可使得光源的辐射效率提高4.3%。崔晓钰等人针对高功率、高封装和较大出光面积的UV-LED固化灯进行水冷散热研究，选用S形板管式水冷板对LED模块进行散热，运用CFD软件对冷板进行数值计算，得出各个芯片的温度分布及冷板内部的流动情况，实现了2kW输入功率光源的较优化散热效果，将芯片结温控制在110℃以内，从而避免较严重的光衰，使所有模块能够持续高效地

运作。

3.3 光学设计

目前很多实际工业设备中的UV-LED光源光学系统采用的是LED阵列排布的形式，也即LED灯珠发出的光直接照射到工件表面，而没有采用二次配光结构。这样灯珠形成的光斑很容易与周围灯珠形成的光斑重合，导致光斑均匀性差，且当工件变更需要变化辐照距离时，辐照强度及均匀度均明显下降。文尚胜等人提出一种阵列式UV-LED固化面光源光学系统的设计方法。基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论，完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导，结合理论公式计算出透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距，使阵列结构更加紧凑的同时实现了95%以上的照度均匀度。Jasenak等人通过在光源模块的盖板玻璃引入棱镜微结构和菲涅耳光学结构，提高了均匀性的同时还使得照度实现了20%的提高。

4 结语

近几年来，UV-LED的芯片性能得到了快速提高。大功率UV-LED光源已经成为传统UV放电灯的有效补充，并逐步开始了对其替代的征程，尤其在光固化行业，凭借节能环保、热辐射低、光源灵活多样化等各种优势，势必具有极大的市场前景。学术界和产业界在光谱优化、效率提升、封装创新、热管理和配光优化等多方面、全方位地积极、持续地开展研究及开发活动，可以预期UV-LED在包括医疗、检测、消毒等更宽广的领域将会有更大的发展。

参考文献

[1] 投奔“新蓝海”，UV LED发展进程近况全接触[J].电子工业专用设备，2016，（11）.

[2] 赵欢.LED阵列型紫外固化光源的关键技术研究[D].大连海事大学，2008.

[3] 倪笠，崔晓钰，马柯.大功率UV-LED固化灯水冷散热器[J].光电子技术，2016，（2）.

（责任编辑：蒋建华）