UVランプおよびUV LEDの経年劣化

UVランプおよびUV LEDは経年劣化するため、定期的な測定が必要です。しかし...

UVランプはなぜ劣化するのか？

UVランプは、いくつかの物理的・化学的過程により劣化します。

• 電極の消耗：ランプ内の電極は放電プロセスにより時間の経過とともに消耗し、効率が低下します。 
• 材料の蒸発：水銀やタングステンなどランプ内の材料が蒸発し、ランプの低温部分に付着することで、光の吸収により光出力が低下します。 
• 蛍りん光体の劣化：蛍りん光ランプでは、254 nmの放射線をUVAまたはUVBに変換する蛍りん光体が経時的に劣化し、放射照度が低下します。 
• ソラリゼーション：UV放射により、特に石英ガラスなどのランプ材料が経時的に変化し、UV光の透過率が低下することがあります。

 これらの要因が重なり、時間の経過とともにランプの光出力が低下するため、定期的な保守または交換が必要となります。

そして...

UV LEDはなぜ劣化するのか？

他のすべての電子部品と同様に、UV LEDも経年劣化の影響を受けます。すべての製品同様、UV LEDランプの製品品質にはかなりの差があります。UV LEDランプの使用寿命にわたり、UV光出力は継続的に低下します。これを劣化（デグラデーション）と呼びます。LEDの経年劣化に影響を与える要因としては、特に動作温度と動作電流が挙げられます。UV LEDが劣化する理由はいくつかあり、主に材料固有の特性および動作条件に関係しています：

• 熱劣化：電気エネルギーを光に変換する際に発生する熱が、LEDの半導体材料を損傷させ、効率を低下させることがあります。
• 酸化と水分：酸素および水分への露出は、LED内の材料、特に電極や化合物を損傷させることがあります。
• 材料疲労：温度変化による繰り返しの膨張と収縮が材料疲労を引き起こし、性能に影響を与えることがあります。

これらの要因が重なり、時間の経過とともにUVランプおよびUV LEDの出力が低下するため、光強度および寿命には限界があります。

初期のより急激な低下を伴うランインフェーズの後、劣化は数千時間にわたってほぼ線形に進行します。第二の故障メカニズムとして、UV LEDの突発故障があります。

UV LEDの突発故障は、静電放電（ESD）など複数のメカニズムによって引き起こされる可能性があり、突然の電力サージによって部品が損傷することがあります。また、LEDチップと端子を接続する微小なワイヤが故障するワイヤボンド不良が発生することもあります。

半導体材料自体の欠陥、例えば半導体層のクラックや欠損も、個々のUV LEDの突発故障を引き起こす可能性があります。これらの故障は多くの場合、予兆なく発生し、LEDの機能を即座に失わせます。

UV LEDは、経年劣化のいくつかの点で従来のUVランプより優れているとされています：

• 耐久性：UV LEDは良好な冷却により長い寿命を実現し、機械的損傷に対して敏感ではありません。
• 安定性：熱変動の影響を受けにくいため、時間の経過に対する波長安定性が優れています。
• 効率：UV LEDはエネルギーをより効率的に利用し、廃熱の発生が少ないため、使用寿命がさらに延びます。

UVランプとUV LEDの経年劣化の主な違い：

経年劣化における主な違いは、異なる光源が熱と材料疲労をどのように処理するかにあり、これがUV LEDの効率と長寿命に良い影響を与えています。

高出力ガス放電ランプおよびUV LEDのUV劣化を確認するためのUV測定機器の選定について、弊社が喜んでお手伝いいたします。Opsytecは、精密で信頼性の高いUV測定を保証する特別に開発された測定機器を提供しており、DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03に基づく校正にも対応しています。

この図は、UV LEDの典型的な劣化曲線を示しており、稼働開始後の最初の数時間で性能が急激に低下することが特徴です。この初期の低下の後、出力損失は安定し、時間の経過とともにほぼ線形の緩やかな劣化を示します。この継続的な光出力の低下は、LEDが使用寿命の終わりに達し、最終的に放射を全く発しなくなり完全に故障するまで続きます：

光源の経年劣化が、稼働中の生産工程や検査工程にどのような影響を及ぼすかについては、アプリケーションページの自動車産業におけるUV硬化および航空宇宙分野におけるUV技術をご覧ください。

光源はどの程度経年劣化しているのでしょうか。新品時の放射照度と現在測定した放射照度から劣化度が求められます。また、これにより、交換周期の終了時点でも必要な積算光量を確実に供給できるように設計する際の基準となる保守率が決まります。両方の値は、同じ分光範囲かつ同じ距離で測定する必要があります。

UV LEDの出力はどのようにモニタリングできますか？
動作電流や動作時間ではなく、作用点における放射照度を測定することによってです。UV LEDの放射パワーは継続的に低下します。決定的な要因は接合温度と駆動電流であり、接合温度が10 ℃上昇するごとにL70寿命は半減します。妥当な方法は、慣らし運転後の値を基準値として記録し、その割合で警告しきい値を設定することです。最大10,000 h（UVA）または5,000 h（UVB/UVC）という典型的な寿命値は、規定された動作条件下でのみ適用されます。

UVランプの経年劣化はどのように検出しますか？
同一条件下、すなわち同じ位置、同じ距離、同じ動作温度で測定した放射照度の低下によってです。電極の消耗、ランプの低温部分に凝縮する材料の蒸発、蛍光体の劣化、および石英ガラスのソラリゼーションという4つのプロセスが複合的に作用します。動作時間はあくまで目安に過ぎません。低圧ランプは8,000～12,000 h、中圧ランプは1,000～4,000 h、ドープ中圧ランプは600～2,000 hに達します。