UVA-, UVB- ja UVC-LEDit: teknologia ja mittaus
UVA-, UVB- ja UVC-LEDit eroavat toisistaan enemmän kuin vain huippuaallonpituudeltaan. Materiaalijärjestelmä, hyötysuhde, lämpökuorma, spektrinen kaistanleveys, vanheneminen ja käytettävissä oleva optinen teho vaihtelevat merkittävästi koko UV-alueella. Luotettavaa käyttöä varten LED-tiedot on siksi arvioitava määritellyissä virran ja lämpötilan olosuhteissa, ja niitä on täydennettävä sopivalla radiometrisellä mittauksella käyttökohteessa.
UV-LEDit tuottavat ultraviolettisäteilyä alumiinin, galliumin ja indiumin nitridistä valmistetuissa puolijohteissa. Koostumus määrittää emissioaallonpituudet UVA-alueella (315–400 nm), UVB-alueella (280–315 nm) ja UVC-alueella (200–280 nm); yleisiä ovat 365 ja 385 nm UVA-alueella, 285 ja 295 nm UVB-alueella sekä 265 nm UVC-alueella. Yksittäisten LED-tyyppien mitatut spektrit ovat ladattavissa UV-lamppujen ja UV-LEDien spektritietokannasta.
Euroopan RoHS-direktiivi rajoittaa elohopeaa sisältäviä lamppuja; nykytilanne on esitetty kohdassa RoHS ja UV-lamput. Mitä laitteita Opsytec tarjoaa tämän seurauksena, näkyy kohdassa UV-LED-valonlähteet.
Ultraviolettivaloa emittoivien diodien valmistus
Sähkömagneettista säteilyä tuotetaan yleisesti III-V-puolijohteissa, eli puolijohteissa, jotka on valmistettu jaksollisen järjestelmän kolmannen ja viidennen pääryhmän alkuaineista, jolloin UV-LEDien emissiohuipun aallonpituus määräytyy ensisijaisesti materiaalin kiinteän liuoksen koostumuksen perusteella.
Seostamalla puolijohteita alumiininitridi (AlN), galliumnitridi (GaN) ja indiuminitridi (InN) voidaan saavuttaa emissioaallonpituuksia UVA-alueella (400 nm–315 nm), UVB-alueella (315 nm–280 nm) ja UVC-alueella (280 nm–200 nm).
UV-LEDien valmistus käsittää useita vaiheita:
LED-heterorakenteen ja sirun ulkoasun suunnittelu, substraattien ja pohjakerrosten kasvatus, puolijohdeheterorakenteen epitaksia, LED-komponenttien prosessointi kiekkotasolla ja lopuksi kiekkojen erottaminen LED-siruiksi ja niiden kokoaminen koteloihin. UV-LEDit koostuvat siten sadoista puolijohdekerroksista, joiden koostumus ja seostus on säädettävä kunkin toiminnallisuuden mukaan.
LEDien emissioaallonpituus määräytyy sen koostumuksen ja seostuksen perusteella, jossa UV-säteily syntyy. Kaikissa vaiheissa on tärkeää, että sähköteho muunnetaan tehokkaasti optiseksi säteilyteh oksi. Wall-plug-hyötysuhde (WPE) on erityisen tärkeä parametri sovelluksen kannalta. UV-LEDien kokonaishyötysuhde ilmaisee optisen säteilytehon suhteen syötettyyn sähkötehoon.
UVA-säteilyä emittoivat UV-LEDit saavuttavat nykyisin noin 30–40 %:n WPE:n, kun taas sinistä valoa emittoivat LEDit saavuttavat jo erittäin korkean noin 80 %:n WPE:n. Sitä vastoin LEDeillä, jotka emittoivat alhaisella UVB- ja UVC-alueella, on huomattavasti alhaisemmat WPE-arvot, alle 5 %:sta 10 %:iin. Tästä syystä UVB- ja UVC-LEDit ovat jatkuvan optimoinnin ja teknologisen kehityksen kohteena. Tämän seurauksena käytettävissä olevat LED-tyypit on jonkin ajan kuluttua korvattava seuraajatyypeillä.
UV-LEDien vertailu UVA-, UVB- ja UVC-alueilla
Vanhempiin UV-LEDeihin verrattuna uusimmat UVB- ja UVC-LEDit osoittavat huomattavasti korkeampaa hyötysuhdetta ja parannettua suorituskykyä. Vanhemmat UV-LEDit kärsivät usein korkeista käyttölämpötiloista ja nopeasta heikkenemisestä, mitä on merkittävästi parannettu uusimman kehityksen ansiosta. Nykyinen UVB- ja UVC-LEDien sukupolvi hyödyntää kehittyneitä jäähdytystekniikoita sekä parannettuja puolijohderakenteita ja optisia kytkentöjä, jotka eivät ainoastaan pidennä käyttöikää vaan myös lisäävät hyötysuhdetta.
UVB- ja UVC-LEDit eivät vielä saavuta UVA-LEDien suorituskykyä ja tehoa, mutta ovat pystyneet kuromaan merkittävästi umpeen eroa viime vuosina.
UVB- ja UVC-LEDit sekä UVA-LEDit valmistetaan erilaisista substraateista ja erilaisilla epitaksiaprosesseilla, jotka on erityisesti räätälöity halutuille aallonpituuksille ja suorituskykyvaatimuksille. Substraatin ja epitaksiamenetelmän valinnalla on merkittävä vaikutus LEDien hyötysuhteeseen, suorituskykyyn ja kustannuksiin.
Alla esitetään tekninen vertailu UVA-LEDien, joiden aallonpituudet ovat 365 nm ja 385 nm, ja lyhytaaltoisten LEDien, 265 nm (UVC) sekä 285 nm ja 295 nm (UVB), välillä. Tässä taulukossa otetaan huomioon yleiset parametrit, kuten hyötysuhde, teho, käyttöikä ja tyypilliset sovellukset.
| Parametrit | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| Huippuaallonpituus | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| Optinen teho | 10–1000 mW | 10–1000 mW | 1–30 mW | 1–30 mW | 1–30 mW |
| Hyötysuhde (WPE) | 20–40 % | 20–40 % | 5–15 % | 5–15 % | 5–15 % |
| Käyttöikä | Enintään 10 000 h | Enintään 10 000 h | Enintään 5 000 h | Enintään 5 000 h | Enintään 5 000 h |
| Käyttölämpötila | -20 °C – +60 °C | -20 °C – +60 °C | -10 °C – +50 °C | -10 °C – +50 °C | -10 °C – +50 °C |
| Tyypilliset käyttökohteet | Kovetus, testaus | Kovetus, testaus | Desinfiointi, sterilointi | Desinfiointi, sterilointi | Desinfiointi, sterilointi |
Selitykset:
Huippuaallonpituus: Aallonpituus, jolla LEDillä on suurin emissio.
Optinen teho: LEDin lähettämän valon kokonaisteho milliwatteina.
Hyötysuhde: Lähetetyn optisen tehon suhde absorboituun sähkötehoon.
Käyttöikä: LEDin odotettu käyttöaika siihen pisteeseen asti, jossa lähtöteho laskee tiettyyn prosenttiosuuteen alkuperäisestä arvostaan, tavallisesti 70 %:iin (L70).
Käyttölämpötila: Lämpötila-alue, jolla LED voi toimia turvallisesti ja tehokkaasti.
Tyypilliset sovellukset: Kyseisten LEDien yleisimmät käyttökohteet.
Taulukon arvot ovat yleisluonteisia ja voivat vaihdella valmistajan ja tietyn LED-mallin mukaan. On myös tärkeää huomata, että UVC-LEDien hyötysuhde ja teho, erityisesti lyhyemmillä aallonpituuksilla, ovat tyypillisesti alhaisempia kuin UVA-LEDien.
Vaikka UVA-LEDien AlGaN-kerroksissa on tyypillisesti pienempi alumiinipitoisuus, UVB- ja UVC-LEDit vaativat suuremman alumiinipitoisuuden lyhyempien aallonpituuksien saavuttamiseksi. UVB- ja UVC-LEDien epitaksiaalinen kasvatus on teknisesti vaativampaa suuremman alumiinipitoisuuden ja siihen liittyvien suurempien kidevirheiden vuoksi. Tämä johtaa korkeampiin tuotantokustannuksiin ja alhaisempiin saantoihin.
Lisäksi lähetetty aallonpituus vaihtelee valmistusprosessin vuoksi. Tästä syystä UV-LEDit ryhmitellään spektrisesti erottelun jälkeen, prosessia kutsutaan binningiksi. On tärkeää huomata, että aallonpituus voi muuttua hieman, jos LED vaihdetaan eri erästä. Klassisissa lampuissa sen sijaan atomisiirtymät ja hiukkastörmäykset määrittävät emission. Tämän vuoksi emissio ei muutu klassisissa lampuissa.
Vertailkaa aallonpituuksia
Yllä oleva taulukko vertailee komponentteja; alla oleva laskin vertailee itse aallonpituuksia: fotonienergiaa, taajuutta ja ennen kaikkea fotoneja joulea kohti. Tämä viimeinen sarake selittää, miksi prosessivapautusta ei voida yksinkertaisesti siirtää 365 nm:stä 395 nm:iin — samalla annoksella siellä saapuu noin kahdeksan prosenttia enemmän fotoneja.
UVA-LEDien käyttökohteet
UVA-LEDejä, joiden aallonpituus on 315–400 nm, käytetään lukuisilla teknisillä, tieteellisillä ja teollisilla aloilla, ja niillä on keskeinen rooli rikkomattomassa testauksessa (NDT) ja monissa muissa innovatiivisissa sovelluksissa.
Rikkomaton testaus (NDT): UVA-LEDit ovat tärkeä työkalu fluoresenssitestauksessa, joka on NDT:n osa-alue. Niitä käytetään pintavikojen tai materiaalierojen visualisointiin herättämällä fluoresoivia väriaineita, jotka on levitetty testattaviin osiin. Tätä menetelmää käytetään yleisesti ilmailu-, autoteollisuus- ja metallinkäsittelyalalla halkeamien, päällekkäisyyksien, huokosten ja muiden virheiden havaitsemiseksi.
UV-kovetus: Yksi UVA-LEDien yleisimmistä käyttökohteista on maalien, liimojen ja pinnoitteiden UV-kovetus. Tätä teknologiaa käytetään painoteollisuudessa ja elektroniikan valmistuksessa (esim. älypuhelinten näyttöjen liimauksessa). UVA-LEDit tarjoavat nopean ja kohdennetun kovetuksen edun, mikä lyhentää prosessiaikoja ja lisää energiatehokkuutta.
UV-kovetuksessa ja UV-painamisessa jo pitkään käytetyt fotoinitiaattorit on suunniteltu erityisesti reagoimaan vastaaviin UVA-aallonpituuksiin. Lisäsäteilytys UVB-valolla 280–300 nm:n alueella voi parantaa kovetusprosessia.
Lääketieteelliset sovellukset: Ihotautiopissa UVA-LEDejä käytetään valohoitoon, erityisesti psoriasiksen ja ekseeman kaltaisten ihosairauksien hoitoon. UVA-säteily voi auttaa vähentämään tulehdusta ja lievittämään näiden sairauksien oireita.
Kasvien kasvatus ja puutarhanhoito: UVA-LEDeillä on merkitystä maatalousteknologiassa, erityisesti kasvihuoneiden keinovalaistuksessa kasvien kasvua varten. Ne voivat auttaa säätelemään tiettyjä kasvuprosesseja ja lisäämään kasvien vastustuskykyä tuholaisia vastaan. UVA-säteilytys lyhentää kasvien pituuskasvua.
Rikostekniset sovellukset: Rikosteknisessä tutkimuksessa UVA-LEDejä käytetään biologisten jälkien, kuten veren, siemennesteen tai muiden ruumiinnesteiden, visualisointiin. Tätä tekniikkaa käytetään myös väärennettyjen asiakirjojen tai käteisrahan tunnistamiseen.
Analyyttiset sovellukset: Kemiassa ja biokemiassa UVA-LEDejä käytetään aineiden analysointiin fluoresenssispektroskopian avulla. Tämä menetelmä mahdollistaa kemiallisten yhdisteiden koostumuksen ja pitoisuuden tarkan määrityksen.
UVB-LEDien käyttökohteet
UVB-LEDejä käytetään yhä enemmän lääketieteessä ihosairauksien, kuten psoriasiksen, hoitoon ja D-vitamiinin synteesiin. Vaihtoehtoisesti ihotautiopissa on käytetty vuosikausia eksimeerilamppuja tai lasereita, joiden aallonpituus on 308 nm. UV-LEDit korvaavat hitaasti perinteiset UV-lamput. Muita käyttökohteita ovat siis:
D-vitamiinin tuotanto: UVB-säteily on ratkaisevan tärkeää D-vitamiinin luonnollisessa muodostumisessa ihossa tai ravinnossa. UVB:tä käytetään laitteissa D-vitamiinin, D2-vitamiinin tai previtamiini D3:n tuottamiseen. Kun UVB-valo, jonka aallonpituus on 290–315 nm, osuu ihoon, 7-DHC-molekyylin B-rengasrakenne hajoaa. Tätä prosessia kutsutaan fotolyysiksi.
Toisin kuin ihmiset, jotka syntetisoivat D-vitamiinia altistamalla ihonsa UVB-säteilylle, kasvit eivät tuota D-vitamiinia samalla tavalla. Kun sienet ja jotkin levälajit altistuvat UV-säteilylle, niiden soluissa oleva ergosteroli voi muuttua ergokalsiferoliksi (D2-vitamiini) fotolyyttisen reaktion kautta, joka muistuttaa ihmisen ihossa tapahtuvaa D3-vitamiinin synteesiä. UVB-säteily katkaisee ergosterolimolekyylin tiettyjä sidoksia, mikä johtaa sen muuttumiseen previtamiini D2:ksi. Samoin kuin D3-vitamiinin synteesissä ihmisillä, epävakaa previtamiini D2 muuttuu lämmöstä riippuvan isomerisaation kautta vakaaksi D2-vitamiiniksi.
Ruskettaminen: Kosmetiikkateollisuudessa UVB-LEDejä ja UV-lamppuja voidaan käyttää rusketuslaitteissa tasaisen ja hallitun ihonrusketuksen saavuttamiseksi.
Valohoito: Lääketieteellisessä hoidossa UVB:tä käytetään valohoitoon, erityisesti psoriasiksen ja vitiligon kaltaisiin ihosairauksiin. UVB-säteily voi auttaa normalisoimaan yliaktiivisia ihosoluja ja lievittämään näiden sairauksien oireita.
Kasvien viljely: UVB-LEDeillä on sovelluksia myös kasvinjalostuksessa, koska UVB-valo vaikuttaa kasvien kasvuun, kukinta-ajankohtaan ja sekundäärimetaboliitteihin. Säteilytys UVB-valolla voi auttaa lisäämään tiettyjen kasviaineiden, kuten vitamiinien, aromien ja väriaineiden, tuotantoa.
THC-tuotanto kannabiksessa: Erityinen UVB-LEDien käyttökohde on THC-tuotannon optimointi kannabiksessa. UVB-säteilyn tiedetään lisäävän kasvien stressiä, mikä voi vuorostaan lisätä sekundääristen kasviyhdisteiden, kuten THC:n, tuotantoa. Tätä käytetään erityisesti laillisissa kannabisviljelyolosuhteissa kasvien vaikutusasteen ja laadun parantamiseksi.
Materiaalitestaus: UVB:tä käytetään materiaalien nopeutetussa vanhenemistestauksessa auringonsäteilyn simuloimiseksi ja muovien, maalien ja muiden materiaalien pitkäaikaisen kestävyyden arvioimiseksi.
UVC-LEDien käyttökohteet
UVC-LEDien jatkuva kehitys tehokkuuden, kestävyyden ja kustannusten osalta tekee niistä yhä houkuttelevamman vaihtoehdon monilla alueilla, joilla perinteisesti on käytetty elohopeahöyrylamppuja. Yleisiä käyttökohteita ovat siis:
UV-desinfiointi: yksi UVC:n merkittävimmistä käyttötarkoituksista on veden, pintojen ja ilman desinfiointi. UVC-säteily on erittäin tehokas inaktivoimaan bakteereja, viruksia ja muita mikro-organismeja, koska se vahingoittaa niiden DNA:ta tai RNA:ta ja estää siten niiden lisääntymisen.
UVC-LEDejä käytetään kompakteissa vedenkäsittelyjärjestelmissä poistamaan taudinaiheuttajia juomavedestä käyttöpisteessä, eli hanassa.
Pintojen desinfiointi: Sairaaloissa, laboratorioissa ja elintarvikkeiden käsittelyssä käytetään kannettavia tai kiinteästi asennettuja UVC-laitteita, jotka säteilevät UVC-säteilyä työkalujen, pakkausten ja työpintojen sterilointiin. Vaihtoehtoisesti UVC-lamput integroidaan ilmastointi- ja ilmanvaihtojärjestelmiin ilman puhdistamiseksi taudinaiheuttajista ja tautien leviämisen estämiseksi.
Haavanhoito: UVC-LEDejä tullaan käyttämään tulevaisuudessa myös lääketieteellisessä hoidossa ja haavanhoidossa, erityisesti vaikeasti parantuvien haavojen ja infektioiden hoidossa. UVC-valon kohdistaminen infektoituneisiin haavoihin voi estää bakteeripatogeenien kasvua ja edistää parantumista. On tärkeää annostella säteily tarkasti, jotta ihoa ei vahingoiteta.
Suora fotopolymerisaatio: UVC-LEDejä käytetään harvoin fotopolymerisaatioon: niiden säteily absorboituu hartsin uloimpaan kerrokseen, ja käytettävissä oleva teho on kauas alle UVA-LEDien tason. Pinnoitteissa, liimoissa ja 3D-tulostushartseissa normina ovat UVA-LEDit aallonpituudella 365–405 nm.
Muut analyyttiset sovellukset:
UVC-LEDit toimivat valonlähteinä spektroskopiassa, jossa niitä käytetään kemiallisten ja biologisten näytteiden analysointiin, kuten fluoresenssi- tai absorbanssimittauksissa ympäristön seurannassa.
Mikä aallonpituus sopii UV-liimoille?
Fotoinitiaattorit absorboivat vain rajoitetulla kaistalla. 365 nm:lle suunniteltua initiaattoria virittää tuskin 405 nm:n lähde – vaikka kyseinen lähde olisi tehokkaampi. Teollisten UV-LEDien huiput 365, 385, 395 ja 405 nm:ssä ovat erilaisia kemiallisia vaihtoehtoja, ei keskenään vaihdettavia tehoportaita (UV-int – UV wavelength selection; ScienceDirect – Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm). Valinta alkaa liiman tietolomakkeesta ja päättyy mittaukseen todellisella lähteellä. Yleinen virhelähde: tyyppimerkintä ilmoittaa nimellisen huippuaallonpituuden, ei spektrin puoliarvoleveyttä (FWHM), valmistustoleransseja tai siirtymää liitoslämpötilan mukaan.
365, 385, 395 tai 405 nm – spektrialueet ja käyttökohteet
| Aallonpituus | Ominaisuudet | Tyypillinen fotoinitiaattori- / materiaaliyhteensopivuus | Tyypilliset käyttökohteet |
|---|---|---|---|
| 365 nm | Neljän huipun suurin fotonienergia (3,39 eV); historiallisesti elohopeahöyrylamppujen i-viivan huippu; tunkeutuu tyypillisesti syvemmälle kirkkaisiin materiaaleihin | Yhteensopiva perinteisten, elohopealampuille formuloitujen fotoinitiaattorien kanssa; usein ensisijainen valinta olemassa oleville, muuttamattomille liimaversioille | Paksummat, kirkkaat valukappaleet; optinen liimaus; olemassa olevien elohopealamppuprosessien muuntaminen LED-tekniikkaan (UV-int; Incure Lab) |
| 385 nm | Tasapainoinen suhde tunkeutumissyvyyden ja pintakovetuksen välillä (3,22 eV); laaja yhteensopivuus monien kaksoiskovetteisten initiaattorien kanssa | Liimat, jotka on uudelleenformuloitu LED-kovetukseen tietolomakkeen alueella 380–390 nm | Osat, joissa on sekoitettuja vaatimuksia syvyys- ja pintakovetukselle; linjat, joilla ajetaan useita työkappaletyyppejä (Incure Lab) |
| 395 nm | Teollisuusstandardi, korkea energiatehokkuus ja pitkä LED-käyttöikä (3,14 eV); monet nykyaikaiset liimaformulaatiot on uudelleenformuloitu alueelle 390–400 nm | Laaja materiaaliyhteensopivuus; tunkeutuu osittain UV-suojaavien lisäaineiden läpi, jotka alkavat läpäistä lähellä näkyvää valoa | Yleinen teollinen kovetus, elektroniikan valmistus, digitaalinen painaminen, korkean tuotantomäärän sarjalinjat (UV-int) |
| 405 nm | Neljän huipun pienin fotonienergia (3,06 eV); lähempänä näkyvää valoa; tehokas pintakovetus, pienempi tunkeutumissyvyys; minimaalinen lisälämpökuorma | Vapaaradikaalifotoinitiaattorit mahdollisia heikentyneellä tehokkuudella; formulaatioalue tavallisesti 400–410 nm | Pintakovetus, lämpöherkät osat, 3D-tulostus- ja hammashartsit, lääketieteelliset liimat (Incure Lab) |
Huomautus: Taulukko kuvaa alan kirjallisuudesta johdettuja yleisiä taipumuksia. Mikä aallonpituus sopii tiettyyn tapaukseen, riippuu todellisuudessa käytettävästä fotoinitiaattorista ja liitettävän osan läpäisevyydestä, ja se on syytä mitata todellisesta kokoonpanosta – ei päätellä nimellisestä LED-merkinnästä.
Miten liimaus- tai valuprosessi suunnitellaan ja hyväksytään tästä lähtien, kuvataan kohdassa UV-liimaus- ja valuprosessien suunnittelu; mikä materiaaliluokka sopii sovellukseen, käsitellään kohdassa UV-kovettuvien liimojen, pinnoitteiden ja valumassojen valinta.
UV-LEDien substraatit & epitaksia:
- UVA-LEDit (315 nm–400 nm):
Safiiria (alumiinioksidia) käytetään usein substraattina, koska se on edullinen ja helposti saatavilla. Käytössä on myös muita substraatteja, kuten piikarbidia (SiC) tai piitä (Si), joiden avulla hyödynnetään lämmönjohtavuutta ja yhteensopivuutta olemassa olevien puolijohdevalmistustekniikoiden kanssa. Epitaksiaalinen kerros kasvatetaan metalliorgaanisella kaasufaasipinnoituksella (MOCVD) ja koostuu tyypillisesti alumiinigalliumnitridistä (AlGaN), jonka alumiinipitoisuutta säädetään halutun emissioaallonpituuden mukaan.
- UVB-LEDit (280 nm–315 nm) ja UVC-LEDit (100 nm–280 nm)
UVB- ja UVC-LEDeissä käytetään usein samoja substraatteja kuin UVA-LEDeissä, mutta materiaalin laatu- ja puhtausvaatimukset ovat korkeammat, erityisesti UVC-alueen lyhyempien aallonpituuksien osalta. Vaihtoehtoisesti käytetään myös natiiveja substraatteja, kuten alumiininitridiä (AlN), jotka mahdollistavat paremman hilasovituksen ja siten pienemmän vikatiheyden. Myös tässä käytetään AlGaN:ia epitaksiaalisena kerroksena, mutta korkeammalla alumiinipitoisuudella lyhyempien aallonpituuksien saavuttamiseksi. Epitaksiaalinen kerros muodostetaan samoin MOCVD-menetelmällä, jossa kiinnitetään erityistä huomiota vikojen hallintaan ja kerroksen homogeenisuuteen.
Lämmöntuotto: UV-LED verrattuna kaasupurkauslamppuun
Hyödyllisen UV-säteilyn lisäksi UV-lampuista säteilee suuri infrapunakomponentti, koska plasma ja lampun kuuma kuvunpinta säteilevät suuren osan häviöstään lämpönä. UV-LEDeissä häviö johdetaan sen sijaan pois jäähdytyselementtiin tai vesijäähdytykseen eikä se saavuta kappaletta säteilynä. Säteilevä lämmöntuotto on siksi huomattavasti pienempi.
Pienempi ei kuitenkaan tarkoita merkityksettömän vähäistä: tehokkaat moduulit saavuttavat säteilytettävän materiaalin pinnalla useiden W/cm² irradianssitasoja – tehotiheys on suuruusluokaltaan liesitason kaltainen. Jopa infrapunakomponentin puuttuessa kappale lämpenee huomattavasti. Lämpöherkkien substraattien kohdalla säteilytyksen aikaprofiili on siksi otettava huomioon annoksen ohella, ja komponentin lämpötila kuuluu prosessin arviointiin.
Toinen huomioitava asia koskee alueen pitkäaaltoista päätä: yli 400 nm:n aallonpituudella säteilevät LEDit ovat tarkkaan ottaen sinisiä LEDejä. Tässä yhteydessä on arvioitava fotokemiallinen verkkokalvovaara ("blue light hazard"). Perusteet on kuvattu sivulla työturvallisuus ja fotobiologinen turvallisuus; laboratoriotyöskentelyyn ja manuaaliseen liimaukseen suljetut UV-LED-säteilytyskammiot ovat turvallisempi ratkaisu.
Kappaleeseen todellisuudessa saapuvaa irradianssia voidaan seurata prosessin aikana UV-mittareilla ja radiometreillä; yksittäisten LED-aallonpituuksien kalibroinnin suorittaa akkreditoitu kalibrointilaboratorio.
Sivulla UV-LEDien mittaustekniikka näytetään, millä mittalaitteilla UV-LEDien spektri, irradianssi ja säteilyvuo mitataan aallonpituuksilla 365–405 nm.
Usein kysytyt kysymykset UV-LEDien mittaamisesta
Miten pulssitettuja UV-LEDejä mitataan oikein?
Ratkaiseva ero on pulssin huippuarvon ja aikakeskiarvon välillä. Mittalaite, jonka integrointiaika on pitkä, kuten spektrometri, näyttää keskiarvon eli huippuarvon kerrottuna käyttöjaksolla (duty cycle) – oikein annoksen kannalta, mutta väärin huippuirradianssin arvioimiseen. Huippuarvon mittaamiseen tarvitaan laite, jonka kaistanleveys on selvästi pulssitaajuutta suurempi, tai pulssiin liipaistu mittaus.
Minkä hyötysuhteen UV-LEDit saavuttavat?
Kokonaishyötysuhde, niin sanottu wall-plug-hyötysuhde, suhteuttaa optisen säteilytehon otettuun sähkötehoon. UVA-LEDit saavuttavat noin 30–40 %, siniset LEDit jo noin 80 %. Syvän UVB- ja UVC-alueen LEDit jäävät huomattavasti alhaisemmiksi, alle 5–10 %:iin. Syy löytyy valmistuksesta: lyhyemmät aallonpituudet edellyttävät suurempaa alumiinipitoisuutta AlGaN-kerroksissa, mikä vaikeuttaa epitaksiaa, lisää kidevirheitä ja alentaa saantoa. Siksi UVB- ja UVC-LEDejä kehitetään jatkuvasti, ja saatavilla olevat tyypit korvataan jonkin ajan kuluttua seuraajamalleilla.
Mitä binning tarkoittaa UV-LEDien yhteydessä?
Säteilty aallonpituus vaihtelee valmistussyistä. Kiekkojen erottelun jälkeen LED-sirut ryhmitellään siksi spektrisesti – tätä lajittelua kutsutaan binningiksi. Käytännön seuraus: jos LED korvataan eri erästä peräisin olevalla laitteella, emissioaallonpituus voi siirtyä hieman, ja kapeakaistaisesti painotettu anturi näyttää tällöin eri arvoja. Näin ei tapahdu klassisten lamppujen kohdalla, koska niissä emissio määräytyy atomisiirtymien ja hiukkastörmäysten perusteella eikä siirry lampun vaihdon yhteydessä.
Kuinka kauan UV-LEDit kestävät?
UVA-LEDit saavuttavat jopa 10 000 käyttötuntia, UVB- ja UVC-LEDit jopa 5 000. Käyttöikä ilmoitetaan yleensä L70-arvona, eli käyttöaikana, jonka jälkeen säteilyteho on laskenut 70 %:iin alkuperäisestä arvostaan. Myös sallittu käyttölämpötila vaihtelee: UVA-LEDeille −20 °C – +60 °C, UVB- ja UVC-LEDeille −10 °C – +50 °C. Koska teho laskee jatkuvasti käyttöiän aikana, annosohjattua prosessinsäätöä kannattaa suosia kiinteän säteilytysajan sijaan.
UV-mittalaitteet standardien ja ohjeiden arviointiin
Radiometri RMD Pro
Täysin digitaalinen käsiradiometri irradianssin ja annoksen mittaamiseen, kahdella anturitulolla ja 8 Gt:n muistilla.
UV-LED-sarja L
Ilmajäähdytteiset L-sarjan UV-LED-lamput korkealla irradianssilla, moduloitavissa pituuden mukaan.
Kirjoittaja: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen nykyinen painopisteensä on optisessa säteilyn mittaustekniikassa. Hän toimii DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtajana ja on DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.
