Jaką sprawność osiągają diody UV LED?

Sprawność całkowita, zwana sprawnością wall-plug, odnosi optyczną moc promienistą do pobieranej mocy elektrycznej. Diody LED UVA osiągają około 30 do 40 %, diody emitujące światło niebieskie już około 80 %. Diody LED w głębokim zakresie UVB i UVC osiągają znacznie mniej, poniżej 5 do 10 %. Przyczyna leży w produkcji: krótsze długości fali wymagają wyższej zawartości aluminium w warstwach AlGaN, co komplikuje epitaksję, zwiększa liczbę defektów kryształu i obniża wydajność produkcji. Diody LED UVB i UVC są zatem stale rozwijane, a dostępne typy są po pewnym czasie zastępowane przez kolejne generacje.

Jak długo działają diody UV LED?

Diody LED UVA osiągają do 10 000 h pracy, diody LED UVB i UVC do 5 000 h. Trwałość jest zwykle podawana jako L70, czyli czas pracy, po którym moc promienista spadła do 70 % wartości początkowej. Dopuszczalna temperatura pracy również się różni: od −20 °C do +60 °C dla diod LED UVA, od −10 °C do +50 °C dla diod LED UVB i UVC. Ponieważ moc wyjściowa maleje w sposób ciągły w ciągu całej trwałości, regulacja procesu oparta na kontroli dawki jest preferowana w stosunku do stałego czasu ekspozycji.

Diody UV-A, UV-B i UV-C: technologia i pomiary

Q: Jak prawidłowo mierzyć impulsowe diody UV LED?

Decydujące jest rozróżnienie między wartością szczytową impulsu a wartością średnią w czasie. Przyrząd o długim czasie całkowania, taki jak spektrometr, pokazuje wartość średnią, czyli wartość szczytową pomnożoną przez współczynnik wypełnienia – poprawną dla dawki, ale błędną do oceny szczytowego natężenia napromienienia. Do pomiaru wartości szczytowej potrzebny jest przyrząd o paśmie znacznie przewyższającym częstotliwość impulsów lub pomiar wyzwalany impulsem.

Q: Co oznacza binning w przypadku diod UV LED?

Emitowana długość fali różni się z przyczyn produkcyjnych. Po rozdzieleniu płytek na pojedyncze chipy diody LED są zatem grupowane widmowo – to sortowanie nazywa się binningiem. Praktyczny skutek jest taki: jeśli dioda LED zostanie zastąpiona urządzeniem z innej partii, długość fali emisji może się nieznacznie przesunąć, a czujnik o wąskopasmowej charakterystyce wagowej wskaże wówczas inne wartości. Nie dotyczy to klasycznych lamp, ponieważ tam emisja jest określona przez przejścia atomowe i zderzenia cząstek i nie zmienia się przy wymianie lampy.

Diody UVA, UVB i UVC różnią się nie tylko szczytową długością fali. Układ materiałowy, wydajność, obciążenie termiczne, szerokość widmowa, starzenie oraz dostępna moc optyczna zmieniają się wyraźnie w całym zakresie UV. Aby zapewnić wiarygodne zastosowanie, dane diod LED muszą być zatem oceniane w określonych warunkach prądu i temperatury oraz uzupełnione odpowiednim pomiarem radiometrycznym w miejscu użycia.

Diody UV LED wytwarzają promieniowanie ultrafioletowe w półprzewodnikach z azotku glinu, galu i indu. Skład ustala długości emisji w zakresach UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) i UVC (200–280 nm); powszechnie stosowane są 365 i 385 nm w zakresie UVA, 285 i 295 nm w zakresie UVB oraz 265 nm w zakresie UVC. Zmierzone widma poszczególnych typów diod LED są dostępne do pobrania w bazie danych widmowych lamp UV i diod UV LED.

Europejska dyrektywa RoHS ogranicza stosowanie lamp zawierających rtęć; aktualny stan sprawy przedstawiono w części RoHS a lampy UV. Jakie urządzenia oferuje w związku z tym firma Opsytec, pokazano w części źródła światła UV-LED.

Płytka półprzewodnikowa z diodami UV LED przed binningiem

Zewnętrzna wydajność kwantowa diod UV-LED dla diod UVA, UVB i UVC, źródło, TU Berlin, prof. Kneissl

Produkcja diod elektroluminescencyjnych emitujących światło ultrafioletowe

Promieniowanie elektromagnetyczne jest zazwyczaj generowane w półprzewodnikach III-V, tj. półprzewodnikach wykonanych z pierwiastków trzeciej i piątej głównej grupy układu okresowego, przy czym długość fali szczytu emisji diod UV LED jest przede wszystkim określona przez skład roztworu stałego materiału.

Poprzez stopowanie półprzewodników azotku glinu (AlN), azotku galu (GaN) i azotku indu (InN) można uzyskać długości fal emisji w zakresie UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) i UVC (280 nm - 200 nm).

Produkcja diod UV LED obejmuje szereg etapów:
projektowanie heterostruktury diody LED i układu chipu, wzrost podłoży i warstw bazowych, epitaksję heterostruktury półprzewodnikowej, przetwarzanie urządzeń LED na poziomie płytki (wafer) oraz wreszcie oddzielenie płytek na chipy LED i ich montaż w obudowach. Diody UV LED składają się zatem z wielu setek warstw półprzewodnikowych, których skład i domieszkowanie muszą być dostosowane odpowiednio do danej funkcjonalności.

Długość fali emisji diod LED jest określana przez skład i domieszkowanie, w których generowane jest promieniowanie UV. We wszystkich etapach ważne jest, aby moc elektryczna była efektywnie przekształcana w moc promieniowania optycznego. Sprawność ogólna (wall-plug efficiency, WPE) jest szczególnie istotnym parametrem dla zastosowania. Ogólna sprawność diod UV LED wskazuje stosunek mocy promieniowania optycznego do dostarczonej mocy elektrycznej.

Diody UV LED emitujące UVA osiągają obecnie WPE na poziomie około 30–40%, podczas gdy diody LED emitujące światło niebieskie osiągają już bardzo wysoką WPE na poziomie około 80%. Natomiast diody LED z emisją w niskim zakresie UVB i UVC mają znacznie niższe WPE, poniżej 5% do 10%. Z tego powodu diody UVB i UVC LED podlegają ciągłej optymalizacji i rozwojowi technologicznemu. W rezultacie dostępne typy diod LED muszą być po pewnym czasie zastępowane przez typy następcze.

Porównanie diod UV LED dla UVA, UVB i UVC

W porównaniu ze starszymi diodami UV LED, najnowsze diody UVB i UVC LED wykazują znacznie wyższą sprawność i lepszą wydajność. Starsze diody UV LED często cierpiały z powodu wysokich temperatur pracy i szybkiej degradacji, co zostało znacznie poprawione dzięki najnowszym rozwiązaniom. Obecna generacja diod UVB i UVC LED wykorzystuje zaawansowane technologie chłodzenia oraz udoskonalone struktury półprzewodnikowe i sprzężenia optyczne, które nie tylko wydłużają trwałość, ale również zwiększają sprawność.

Diody UVB i UVC LED nie osiągają jeszcze wydajności i mocy wyjściowej diod UVA LED, ale w ostatnich latach zdołały znacznie nadrobić zaległości.

Diody UVB i UVC LED, a także diody UVA LED, są produkowane z różnych podłoży i za pomocą różnych procesów epitaksji, które są specjalnie dostosowane do pożądanych długości fal i wymagań dotyczących wydajności. Wybór podłoża i metody epitaksji ma znaczący wpływ na sprawność, wydajność i koszt diod LED.

Poniżej przedstawiono techniczne porównanie diod UVA LED o długościach fal 365 nm i 385 nm oraz diod krótkofalowych przy 265 nm (UVC), a także 285 nm i 295 nm (UVB). Tabela ta uwzględnia ogólne parametry, takie jak sprawność, moc wyjściowa, trwałość i typowe zastosowania.

Parametry	UVA LED 365 nm	UVA LED 385 nm	UVC LED 265 nm	UVB LED 285 nm	UVB LED 295 nm
Szczytowa długość fali	365 nm	385 nm	265 nm	285 nm	295 nm
Moc optyczna	10–1000 mW	10–1000 mW	1–30 mW	1–30 mW	1–30 mW
Wydajność (WPE)	20–40%	20–40%	5–15%	5–15%	5–15%
Trwałość	Do 10 000 h	Do 10 000 h	Do 5000 h	Do 5000 h	Do 5000 h
Temperatura pracy	od -20 °C do +60 °C	od -20 °C do +60 °C	od -10 °C do +50 °C	od -10 °C do +50 °C	od -10 °C do +50 °C
Typowe zastosowania	Utwardzanie, testowanie	Utwardzanie, testowanie	Dezynfekcja, sterylizacja	Dezynfekcja, sterylizacja	Dezynfekcja, sterylizacja

Wyjaśnienia:

Szczytowa długość fali: Długość fali, przy której dioda LED osiąga najwyższą emisję.

Moc optyczna: Całkowita moc światła emitowanego przez diodę LED w miliwatach.

Wydajność: Stosunek emitowanej mocy optycznej do pobranej mocy elektrycznej.

Trwałość: Oczekiwany czas pracy diody LED do momentu, w którym jej moc wyjściowa spada do określonego procentu wartości początkowej, zazwyczaj 70% (L70).

Temperatura pracy: Zakres temperatur, w którym dioda LED może pracować bezpiecznie i efektywnie.

Typowe zastosowania: Najczęstsze zastosowania dla poszczególnych diod LED.

Wartości podane w tabeli mają charakter ogólny i mogą się różnić w zależności od producenta oraz konkretnego modelu diody LED. Należy również zauważyć, że wydajność i moc wyjściowa diod UVC, zwłaszcza przy krótszych długościach fali, są zazwyczaj niższe niż w przypadku diod UVA.

Podczas gdy diody UVA zazwyczaj zawierają mniejszą ilość aluminium w warstwach AlGaN, diody UVB i UVC wymagają wyższej zawartości aluminium, aby osiągnąć krótsze długości fali. Osadzanie epitaksjalne dla diod UVB i UVC jest technicznie bardziej wymagające ze względu na wyższą zawartość aluminium i związane z tym większe defekty kryształu. Prowadzi to do wyższych kosztów produkcji i niższej wydajności.

Ponadto emitowana długość fali waha się w zależności od procesu produkcyjnego. Z tego powodu diody UV są po separacji grupowane widmowo w procesie zwanym binningiem. Należy pamiętać, że długość fali może się nieznacznie zmienić, jeśli dioda LED zostanie zastąpiona diodą z innej partii produkcyjnej. W przypadku klasycznych lamp natomiast emisję determinują przejścia atomowe i zderzenia cząstek. Dlatego w przypadku klasycznych lamp emisja się nie zmienia.

Porównaj długości fali

Powyższa tabela porównuje komponenty; poniższy kalkulator porównuje same długości fali: energię fotonu, częstotliwość i przede wszystkim liczbę fotonów na dżul. Ta ostatnia kolumna wyjaśnia, dlaczego procesu nie można po prostu przenieść z 365 nm na 395 nm — przy tej samej dawce dociera tam o około osiem procent więcej fotonów.

Kalkulator działa w całości w przeglądarce Państwa urządzenia — żadne dane nie są przesyłane.

Fabryka roślinna w pomieszczeniu zamkniętym z diodami UV-LED, z zieloną sałatą oświetloną diodami UV-LED

Nieniszczące badanie diodami UV-LED w celu wykrywania pęknięć w metalu

Młoda kobieta podczas zabiegu na twarz z użyciem światła diod UV LED

Zastosowania diod LED UVA

Diody LED UVA o długościach fali w zakresie od 315 do 400 nm są wykorzystywane w licznych dziedzinach technicznych, naukowych i przemysłowych, odgrywając kluczową rolę w badaniach nieniszczących (NDT) i wielu innych innowacyjnych zastosowaniach.

Badania nieniszczące (NDT): Diody LED UVA są ważnym narzędziem w badaniach fluorescencyjnych, będących poddziedziną NDT. Służą do uwidaczniania wad powierzchniowych lub różnic w materiałach poprzez wzbudzanie barwników fluorescencyjnych naniesionych na badane części. Ta metoda jest powszechnie stosowana w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i metalowym do wykrywania pęknięć, zakładek, porów i innych niedoskonałości.

Utwardzanie UV: Jednym z najczęstszych zastosowań diod LED UVA jest utwardzanie UV farb, klejów i powłok. Ta technologia jest stosowana w przemyśle poligraficznym, w produkcji elektroniki (np. przy klejeniu ekranów smartfonów). Diody LED UVA oferują zaletę szybkiego i celowanego utwardzania, co skraca czasy procesów i zwiększa efektywność energetyczną.

Fotoinicjatory, które od pewnego czasu są stosowane w utwardzaniu UV i druku UV, są specjalnie zaprojektowane, aby reagować na odpowiednie długości fali UVA. Dodatkowe napromieniowanie światłem UVB w zakresie od 280 do 300 nm może poprawić proces utwardzania.

Zastosowania medyczne: W dermatologii diody LED UVA są stosowane w fototerapii, szczególnie w leczeniu schorzeń skóry, takich jak łuszczyca i egzema. Napromieniowanie UVA może pomóc zredukować stany zapalne i złagodzić objawy tych chorób.

Uprawa roślin i ogrodnictwo: Diody LED UVA odgrywają rolę w technice rolniczej, szczególnie w sztucznym oświetleniu do uprawy roślin w szklarniach. Mogą pomóc w kontrolowaniu określonych procesów wzrostu i zwiększać odporność roślin na szkodniki. Napromieniowanie UVA powoduje skrócenie długości roślin.

Zastosowania kryminalistyczne: W kryminalistyce diody LED UVA są wykorzystywane do uwidaczniania śladów biologicznych, takich jak krew, nasienie lub inne płyny ustrojowe. Ta technika jest również stosowana do identyfikacji sfałszowanych dokumentów lub banknotów.

Zastosowania analityczne: W chemii i biochemii diody LED UVA są stosowane do analizy substancji metodą spektroskopii fluorescencyjnej. Ta metoda umożliwia precyzyjne określenie składu i stężenia związków chemicznych.

Zastosowania diod LED UVB

Diody LED UVB są coraz częściej stosowane w medycynie do leczenia chorób skóry, takich jak łuszczyca, oraz do syntezy witaminy D. Alternatywnie w dermatologii od wielu lat stosuje się lampy ekscymerowe lub lasery o długości fali 308 nm. Diody LED UV powoli zastępują klasyczne lampy UV. Pozostałe zastosowania są zatem następujące:

Produkcja witaminy D: Napromieniowanie UVB ma kluczowe znaczenie dla naturalnej produkcji witaminy D w skórze lub w żywności. UVB jest stosowane w urządzeniach do produkcji witaminy D, witaminy D2 lub prewitaminy D3. Gdy światło UVB o długości fali od 290 do 315 nm dociera do skóry, dochodzi do rozerwania struktury pierścienia B cząsteczki 7-DHC. Ten proces nazywany jest fotolizą.

W przeciwieństwie do ludzi, którzy syntetyzują witaminę D poprzez wystawienie skóry na działanie promieniowania UVB, rośliny nie produkują witaminy D w ten sam sposób. Gdy grzyby i niektóre gatunki alg zostają wystawione na działanie promieniowania UV, obecny w ich komórkach ergosterol może zostać przekształcony w ergokalcyferol (witaminę D2) w wyniku reakcji fotolitycznej podobnej do tej, która zachodzi podczas syntezy witaminy D3 w ludzkiej skórze. Napromieniowanie UVB rozrywa określone wiązania w cząsteczce ergosterolu, co prowadzi do jej przekształcenia w prewitaminę D2. Podobnie jak w przypadku syntezy witaminy D3 u ludzi, niestabilna prewitamina D2 zostaje przekształcona w stabilną witaminę D2 w drodze izomeryzacji zależnej od temperatury.

Opalanie: W przemyśle kosmetycznym diody LED UVB i lampy UV mogą być stosowane w urządzeniach do opalania w celu uzyskania równomiernej i kontrolowanej opalenizny skóry.

Fototerapia: W leczeniu medycznym UVB jest stosowane w fototerapii, szczególnie w przypadku schorzeń skóry, takich jak łuszczyca i bielactwo. Napromieniowanie UVB może pomóc znormalizować nadmiernie aktywne komórki skóry i złagodzić objawy tych chorób.

Uprawa roślin: Diody LED UVB mają również zastosowanie w hodowli roślin, ponieważ światło UVB wpływa na wzrost, czas kwitnienia i metabolity wtórne roślin. Napromieniowanie światłem UVB może pomóc zwiększyć produkcję określonych składników roślinnych, takich jak witaminy, aromaty i barwniki.

Produkcja THC w konopiach: Szczególnym zastosowaniem diod LED UVB jest optymalizacja produkcji THC w konopiach. Wiadomo, że napromieniowanie UVB zwiększa stres u roślin, co z kolei może zwiększyć produkcję wtórnych związków roślinnych, takich jak THC. Jest to szczególnie wykorzystywane w legalnych środowiskach uprawy konopi w celu poprawy mocy i jakości roślin.

Badania materiałowe: UVB jest stosowane w przyspieszonych badaniach starzeniowych materiałów w celu symulacji promieniowania słonecznego i oceny długoterminowej stabilności tworzyw sztucznych, farb i innych materiałów.

Zastosowania diod LED UVC

Postępujący rozwój diod LED UVC pod względem wydajności, trwałości i kosztów sprawia, że stają się one coraz bardziej atrakcyjną opcją dla wielu obszarów, w których tradycyjnie stosowano lampy rtęciowe. Dlatego ogólne zastosowania są następujące:

Dezynfekcja UV: jednym z najbardziej znanych zastosowań UVC jest dezynfekcja wody, powierzchni i powietrza. Napromieniowanie UVC jest bardzo skuteczne w inaktywacji bakterii, wirusów i innych mikroorganizmów, ponieważ uszkadza ich DNA lub RNA, uniemożliwiając im rozmnażanie.

Diody LED UVC są stosowane w kompaktowych systemach uzdatniania wody w celu usuwania chorobotwórczych zarazków z wody pitnej w miejscu jej poboru, tj. przy kranie.

Dezynfekcja powierzchni: W szpitalach, laboratoriach i w przetwórstwie żywności stosowane są przenośne lub na stałe zainstalowane urządzenia UVC emitujące promieniowanie UVC do sterylizacji narzędzi, opakowań i powierzchni roboczych. Alternatywnie lampy UVC są integrowane z systemami klimatyzacji i wentylacji w celu oczyszczania powietrza z zarazków i zapobiegania rozprzestrzenianiu się chorób.

Pielęgnacja ran: Diody LED UVC będą również w przyszłości stosowane w leczeniu medycznym i pielęgnacji ran, szczególnie w leczeniu trudno gojących się ran i infekcji. Zastosowanie światła UVC na zainfekowanych ranach może hamować wzrost bakteryjnych patogenów i wspomagać gojenie. Ważne jest precyzyjne dawkowanie promieniowania, aby nie uszkodzić skóry.

Bezpośrednia fotopolimeryzacja: Diody LED UVC są rzadko stosowane do fotopolimeryzacji: ich promieniowanie jest pochłaniane w najwyższej warstwie żywicy, a dostępna moc jest znacznie niższa niż w przypadku diod LED UVA. W przypadku powłok, klejów i żywic do druku 3D standardem są diody LED UVA o długości fali od 365 do 405 nm.

Inne zastosowania analityczne:

Diody LED UVC służą jako źródła światła w spektroskopii, gdzie są wykorzystywane do analizy próbek chemicznych i biologicznych, np. do pomiaru fluorescencji lub absorbancji w monitoringu środowiska.

Jaka długość fali odpowiada klejom UV?

Fotoinicjatory absorbują tylko w ograniczonym paśmie. Inicjator zaprojektowany dla 365 nm jest ledwo wzbudzany przez źródło 405 nm – nawet jeśli to źródło jest mocniejsze. Szczyty przemysłowych diod LED UV przy 365, 385, 395 i 405 nm to różne oferty chemiczne, a nie zamienne klasy mocy (UV-int – wybór długości fali UV; ScienceDirect – specyficzne systemy fotoinicjujące przy 365, 385, 395 i 405 nm). Wybór zaczyna się od karty danych kleju, a kończy na pomiarze przy rzeczywistym źródle. Częste źródło błędu: oznaczenie typu podaje nominalną szczytową długość fali, a nie widmową szerokość połówkową (FWHM), tolerancje produkcyjne ani przesunięcie wraz z temperaturą złącza.

365, 385, 395 lub 405 nm – zakresy widmowe i zastosowania

Długość fali	Charakterystyka	Typowy fotoinicjator / kompatybilność materiałowa	Typowe zastosowania
365 nm	Najwyższa energia fotonów spośród czterech szczytów (3,39 eV); historycznie linia i lamp rtęciowych; ma tendencję do głębszej penetracji materiałów przezroczystych	Kompatybilny z klasycznymi fotoinicjatorami opracowanymi dla lamp rtęciowych; często pierwszy wybór przy istniejących, niezmienionych recepturach klejów	Grubsze, przezroczyste masy zalewowe; łączenie optyczne; konwersja istniejących procesów z lampami rtęciowymi na LED (UV-int; Incure Lab)
385 nm	Zrównoważony stosunek głębokości penetracji i utwardzania powierzchniowego (3,22 eV); szeroka kompatybilność z wieloma inicjatorami dwustopniowego utwardzania	Kleje przeformułowane do utwardzania LED z zakresem na karcie danych 380–390 nm	Części o mieszanych wymaganiach dotyczących głębokości i utwardzania powierzchniowego; linie obsługujące kilka typów detali (Incure Lab)
395 nm	Standard branżowy o wysokiej efektywności energetycznej i długiej trwałości LED (3,14 eV); wiele nowoczesnych receptur klejów jest przeformułowanych na 390–400 nm	Szeroka kompatybilność materiałowa; częściowo przenika przez dodatki blokujące UV, które zaczynają przepuszczać światło w zakresie bliskim widzialnemu	Ogólne utwardzanie przemysłowe, produkcja elektroniki, druk cyfrowy, wysokowydajne linie seryjne (UV-int)
405 nm	Najniższa energia fotonów spośród czterech szczytów (3,06 eV); bliżej światła widzialnego; wydajne utwardzanie powierzchniowe, niższa głębokość penetracji; minimalne dodatkowe obciążenie termiczne	Fotoinicjatory rodnikowe możliwe przy obniżonej wydajności; zakres receptury zwykle 400–410 nm	Utwardzanie powierzchniowe, części wrażliwe na ciepło, druk 3D i żywice dentystyczne, kleje medyczne (Incure Lab)

Uwaga: Tabela opisuje ogólne tendencje wynikające z literatury technicznej. To, która długość fali pasuje do konkretnego przypadku, zależy od faktycznie stosowanego fotoinicjatora oraz od transmisji łączonej części i powinno zostać zmierzone na rzeczywistym zespole – a nie wywnioskowane z nominalnego oznaczenia LED.

Jak na tej podstawie zaprojektować i zwolnić proces klejenia lub zalewania, pokazano w części projektowanie procesów klejenia i zalewania UV; jaka klasa materiałów pasuje do danego zastosowania, opisano w części wybór klejów, powłok i mas zalewowych utwardzanych UV.

Podłoża i epitaksja dla diod LED UV:

Diody LED UVA (od 315 nm do 400 nm):

Szafir (tlenek glinu) jest często stosowany jako podłoże, ponieważ jest niedrogi i łatwo dostępny. Stosowane są również inne podłoża, takie jak węglik krzemu (SiC) lub krzem (Si), aby wykorzystać przewodność cieplną i kompatybilność z istniejącymi technologiami produkcji półprzewodników. Warstwa epitaksjalna jest nakładana metodą osadzania z fazy gazowej związków metaloorganicznych (MOCVD) i zazwyczaj składa się z azotku glinowo-galowego (AlGaN), przy czym zawartość glinu jest dostosowywana w zależności od pożądanej emisji.

Diody LED UVB (od 280 nm do 315 nm) i diody LED UVC (od 100 nm do 280 nm)

Dla diod LED UVB i UVC często stosowane są te same podłoża, co dla diod LED UVA, jednak wymagania dotyczące jakości i czystości materiału są wyższe, szczególnie dla krótszych długości fali w zakresie UVC. Alternatywnie stosowane są również podłoża rodzime, takie jak azotek glinu (AlN), które umożliwiają lepsze dopasowanie sieci krystalicznej, a tym samym niższe gęstości defektów. Również tutaj jako warstwa epitaksjalna stosowany jest AlGaN, ale z wyższą zawartością glinu, aby uzyskać krótsze długości fali. Warstwa epitaksjalna jest również formowana metodą MOCVD, przy czym szczególną uwagę zwraca się na kontrolę defektów i jednorodność warstwy.

Wprowadzanie ciepła: dioda UV LED w porównaniu z lampą wyładowczą

Oprócz użytecznego promieniowania UV lampy UV emitują znaczny udział podczerwieni, ponieważ plazma i gorąca obudowa lampy oddają dużą część strat w postaci ciepła. W przypadku diod UV LED straty są odprowadzane do radiatora lub chłodzenia wodnego i nie docierają do elementu w formie promieniowania. Wprowadzanie ciepła promienistego jest zatem znacznie niższe.

Niższe nie oznacza jednak pomijalne: moduły dużej mocy osiągają natężenie napromienienia rzędu kilku W/cm² na powierzchni napromieniowywanego materiału – gęstość mocy porównywalną z płytą kuchenną. Nawet bez udziału podczerwieni element wyraźnie się nagrzewa. Dla podłoży wrażliwych na temperaturę należy zatem uwzględniać przebieg czasowy napromieniowania obok dawki, a temperatura elementu powinna być częścią oceny procesu.

Druga kwestia dotyczy długofalowego końca zakresu: diody LED emitujące powyżej 400 nm to ściśle rzecz biorąc diody niebieskie. W tym przypadku należy ocenić fotochemiczne zagrożenie dla siatkówki ("blue light hazard"). Podstawy opisano na stronie bezpieczeństwo pracy i bezpieczeństwo fotobiologiczne; do pracy laboratoryjnej i ręcznego klejenia bezpieczniejszym rozwiązaniem są zamknięte komory napromieniowania UV LED.

Natężenie napromienienia rzeczywiście docierające do elementu można monitorować podczas procesu za pomocą mierników UV i radiometrów; wzorcowanie dla poszczególnych długości fali LED przeprowadza akredytowane laboratorium wzorcujące.

Jakie mierniki rejestrują widmo, natężenie napromienienia i strumień promieniowania diod LED UV w zakresie od 365 do 405 nm, pokazuje strona Technika pomiarowa dla diod LED UV.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące pomiaru diod LED UV

Jak prawidłowo mierzyć impulsowe diody LED UV?
Decydujące znaczenie ma rozróżnienie między wartością szczytową impulsu a wartością średnią w czasie. Przyrząd o długim czasie całkowania, taki jak spektrometr, pokazuje wartość średnią, czyli wartość szczytową pomnożoną przez współczynnik wypełnienia – poprawną dla dawki, ale nieodpowiednią do oceny szczytowego natężenia napromienienia. Do pomiaru wartości szczytowej potrzebny jest przyrząd, którego pasmo przenoszenia znacznie przekracza częstotliwość impulsów, lub pomiar wyzwalany impulsem.

Jaką sprawność osiągają diody LED UV?
Sprawność całkowita, zwana sprawnością wall-plug, odnosi optyczną moc promieniowania do pobieranej mocy elektrycznej. Diody LED UVA osiągają od 30 do 40 %, a diody emitujące światło niebieskie już około 80 %. Diody LED w głębokim zakresie UVB i UVC osiągają znacznie mniej, poniżej 5 do 10 %. Przyczyna leży w procesie produkcji: krótsze długości fali wymagają wyższej zawartości aluminium w warstwach AlGaN, co komplikuje epitaksję, powoduje więcej defektów kryształu i obniża wydajność produkcji. Dlatego diody LED UVB i UVC są przedmiotem ciągłego rozwoju, a dostępne typy są po pewnym czasie zastępowane przez typy następcze.

Co oznacza binning w przypadku diod LED UV?
Emitowana długość fali różni się ze względów produkcyjnych. Po podziale płytek na pojedyncze elementy chipy LED są zatem grupowane widmowo – ta segregacja nazywana jest binningiem. Praktyczna konsekwencja: jeśli dioda LED zostanie zastąpiona urządzeniem z innej partii, długość fali emisji może się nieznacznie przesunąć, a czujnik o wąskopasmowej charakterystyce wagowej wskaże wtedy inne wartości. W przypadku klasycznych lamp nie ma to miejsca, ponieważ emisja jest tam determinowana przejściami atomowymi i zderzeniami cząstek i nie zmienia się przy wymianie lampy.

Jak długo działają diody LED UV?
Diody LED UVA osiągają do 10 000 h pracy, diody LED UVB i UVC do 5 000 h. Trwałość podaje się zazwyczaj jako L70, czyli czas pracy, po którym moc promieniowania spadła do 70 % wartości początkowej. Różni się także dopuszczalna temperatura pracy: od −20 °C do +60 °C dla diod LED UVA, od −10 °C do +50 °C dla diod LED UVB i UVC. Ponieważ moc wyjściowa spada w sposób ciągły w trakcie eksploatacji, regulacja procesu sterowana dawką jest korzystniejsza niż stały czas ekspozycji.