汽車工業中的紫外線固化與紫外線量測

紫外線固化是指黏著劑、塗層、灌封材料與印刷油墨在紫外線輻射照射下，透過光聚合反應產生光誘導交聯的過程。在車輛製造中，此製程被用於使黏接、塗層與印刷表面在數秒至數分鐘內即具承載能力，同時不會使對熱敏感的塑膠、電子或玻璃基材受到熱應力影響。技術上的目標，是在通常呈三維形狀的零件上，於每一點都能達到可重現的固化效果。其中的核心挑戰在於：輻照度與劑量在彎曲、傾斜或有陰影遮蔽的表面上會有很大差異，而光化學反應本身又同時取決於波長、強度與曝露時間——通常僅靠單一量測值並不足以描述此製程。

參考框架就是全球車輛生產本身：根據國際汽車製造商協會（OICA）的資料，2025 年全球共生產 96.4 百萬輛汽車，較前一年增加 3.9%；亞太地區單獨即占約 59.2 百萬輛，超過全球產量的 61%（OICA, 2026）。這些車輛中每一輛都含有大量黏接、塗佈或印刷的零件，而輻射固化製程正是這些應用的候選技術——從車身塗裝到感測器黏接皆然。

技術上尤其值得關注的是應用領域的轉變：車輛製造商正日益以紫外線固化系統取代雙組分環氧樹脂，用於黏接 ADAS 攝影機模組、全景車頂與電池組零件，因為固定時間可由數分鐘縮短至一分鐘以內（Mordor Intelligence, 2026）。移動性領域的紫外線黏著劑市場可分為驗證要求嚴格、審核週期長的 OEM／一級供應商（Tier-1）市場，以及較為分散的售後市場（IndexBox, n.d.）。第二個推動因素則來自法規：塗裝過程中揮發性有機化合物（VOC）限值日趨嚴格，促使塗裝製程由溶劑型轉向輻射固化系統，這也直接對製程監控與劑量測量產生新的要求。

四項發展正在改變車輛製造中的紫外線製程：

由水銀燈管轉向紫外線 LED：這種替代方式減少了水銀使用量與臭氧生成，但需要窄頻 LED 光譜與光起始劑吸收特性之間更精確的匹配，並需要與之相適的波長特定量測設備——為水銀燈管校正的寬頻感測器未必能正確代表窄頻 LED 光譜。2025 年發布的 ISO 10820 標準（針對發射峰值為 365 nm 的紫外線 A LED 照射裝置）顯示，標準化工作目前正跟隨此轉變（ISO 10820:2025）。

電動化帶來新的黏接與灌封位置：電動化車輛中的電池模組、電力電子元件與額外的感測器創造出新的、有時遮蔽嚴重的黏接與灌封幾何結構，增加了對雙重固化配方以及零件相關劑量驗證的需求。

法規驅動由溶劑型轉向輻射固化系統：北美、歐洲與亞洲日趨嚴格的 VOC 限值正加速塗裝製程由傳統方式轉向紫外線與紫外線 LED 固化，並因此提高傳統上以熱固化為主的塗裝生產線對配套製程量測技術的需求。

輻射源的微型化：小型紫外線 LED 點狀與面狀系統可整合進感測器與攝影機模組緊湊的安裝空間，但同時也加劇了本文所述的距離與角度相依性，因為在較短的工作距離下，微小的幾何偏差會產生相對更強的影響。

此應用領域的市場規模、成長率與資料來源，彙整於頁面 紫外線技術的市場發展。

在紫外線固化過程中，配方中所含的光起始劑會吸收具有適當能量的光子，並分解為反應性物種──在自由基系統（通常為丙烯酸酯類）中分解為自由基，在陽離子系統（通常為環氧樹脂類）中分解為引發開環聚合反應的酸。這些反應性物種會引發連鎖反應，使單體與寡聚物連結成三維交聯的聚合物網絡。與熱乾燥不同，固化過程中並無溶劑蒸發；固化是一種化學交聯反應，而非物理乾燥過程。反應僅在光子確實被吸收之處進行──因此入射光的量與光譜分布會直接決定反應速率與產率。自由基系統對氧氣敏感，氧氣會清除自由基並延緩表面的反應（氧氣抑制作用）；陽離子系統則不受此影響，但對濕度較為敏感，通常需要較長的後固化時間（暗反應）才能達到完全的最終強度。

工業紫外線固化可採用多種發光原理，其光譜、功率密度及運作特性均有顯著差異：

• 中壓水銀燈（氣體放電燈）：寬頻發射源，具有橫跨 UV-C、UV-B、UV-A 及可見光範圍的特徵發射線。此類燈管可提供高功率密度，且因光譜寬廣，亦適用於難以固化的含顏料配方，但需要暖機時間、會產生熱輻射，且燈管會持續老化。
• UV LED：窄頻光源，具有離散的發射峰值，實務上多為 365 nm、385 nm、395 nm 及 405 nm，並輔以 450 nm 的藍光 LED。此類光源可瞬間開啟、幾乎不發射紅外線，且老化較為均勻，但由於發射頻帶明顯較氣體放電燈窄，需要光起始劑吸收波長與 LED 發射波長更緊密匹配。
• 激子發射源（例如 172 nm，VUV）：極短波、高能量輻射，在空氣及材料中的穿透深度較淺。在汽車製造中，主要用於黏接前的表面活化與清潔，而非用於整體固化。
• 脈衝式氙氣閃光燈管：寬頻、脈衝輻射，具有高峰值功率，但對元件造成的平均熱負荷較低；適用於需要短暫、高強度照射脈衝而非連續照射的應用，例如高度熱敏感的基材。

對於製程設計與監控，有幾個物理量是重要的，且彼此無法互相替代：

• 輻照度（mW/cm² 或 W/cm²）：指單位面積、單位時間入射的輻射功率。它決定了瞬時反應速率，以及能否快速克服表面的氧氣抑制作用。
• 劑量 ／ 輻射曝露量（J/cm²）：為輻照度與曝露時間的乘積。它大致決定了交聯反應整體進行的程度──但僅在有限的條件下如此（請參閱下方的互易律說明）。
• 光譜分布 ／ 波長：決定黏著劑或塗層中所含的光起始劑是否能夠吸收光子。若光源與吸收帶之間沒有光譜重疊，無論輻射功率多大，反應都無法啟動。
• 照射時間：對於移動式或機器人導引的製程而言，並非固定值，而是路徑速度以及照射場幾何形狀在工件每一點上的函數。
• 工件溫度：會影響反應性物種的黏度與擴散速率，因而間接影響可達到的最終轉化率，在具有明顯暗反應的陽離子系統中尤其明顯。
• 表面氧氣濃度：決定自由基系統中抑制作用的程度，因而決定原本足夠的劑量是否仍會留下黏手、未完全固化的表面。
• 層厚與著色：透過材料中的光吸收，決定實際到達層下界面的輻射量（穿透深度）。

燈管的電功率並非光學劑量。安定器或驅動器所設定的電功率，並不能說明實際到達元件的輻照度。光學效率、反射器與保護視窗的污染、燈管或 LED 晶片的劣化，以及實際工作距離，皆會持續改變這一關係。若製程認可僅依據電功率設定值，一旦上述任何因素改變，該認可即失去有效性。

若不知道元件處的輻照度，僅有時間值是沒有意義的。「照射 30 秒」若未同時得知該時間內元件關鍵點實際所受的輻照度，則無法描述一個可重現的製程。

互易律僅在有限範圍內成立。光化學互易律（Bunsen-Roscoe 定律）假設僅有輻照度與時間的乘積——即劑量——決定結果，而不論強度與時間個別如何組合。對許多光聚合丙烯酸酯系統而言，此定律並不成立：一項針對 BisGMA/TEGDMA 光聚合物的實驗研究顯示，在劑量相同的情況下，較高輻照度所得的最終轉化率反而低於較低輻照度搭配相應較長時間所得的結果，因為最終轉化率與收縮應力取決於聚合速率本身，而非僅取決於劑量乘積（Wydra et al., 2014）。實務上的結論是：針對某一特定輻照度與時間組合所認可的劑量，不能在劑量乘積相同的情況下直接轉用於另一組合，而須重新驗證。

在實際製程位置之外進行量測，會低估幾何效應。若輻照度是在燈頭處、於平坦的參考位置，或於單一樣品部位量測，該數值僅能說明實際照射場中的一個點。彎曲、內凹或傾斜的元件表面所接收的輻照度會與參考位置不同——通常明顯較低。

材料與幾何效應經常被低估。含顏料塗層與填充膠合劑對紫外線的散射與吸收，超出僅以層厚所能解釋的程度；元件公差會改變與光源的工作距離，進而以非線性方式改變輻照度。這兩種效應僅在其特定條件下成立，不能推廣至其他材料或元件幾何形狀。

在含色料或填料的系統中，光起始劑吸收、色料吸收與散射會相互競爭入射光子。舉例來說，二氧化鈦白色顏料在接近 400 nm 以下會強烈吸收紫外線輻射，僅在高於此範圍時才逐漸變得可穿透，因此長波 UV-LED 系統（395–450 nm）在色料塗層上能達到比短波光源更佳的透層固化效果，前提是所使用的光起始劑在該範圍內仍具足夠吸收能力。同時，起始劑吸收與光源發射之間的高度重疊會加速表面固化，但可能限制穿透深度，因為輻射已在最外層完全被吸收（John et al., 2023）。對於立體、具輪廓的零件而言，邊緣、凹陷與隱藏表面會全部或部分遭到遮蔽，無法直接受到照射。在這些陰影區域中，純紫外線化學反應仍維持液態；業界的解決方案是採用雙重固化系統，其主要透過紫外線交聯，而在未直接受到照射的區域，則透過濕氣、厭氧或熱反應進行次要交聯。

兩個簡單的模型有助於量化描述上述效應——兩者皆有明確陳述的限制。

Bunsen-Roscoe 回饋定律將輻射曝露量（劑量）定義為

H = E · t

其中 H 為劑量，單位為 J/cm²，E 為輻照度，單位為 W/cm²，t 為照射時間，單位為秒。該定律假設僅此乘積即可決定光化學結果。這要求輻照度在時間上恆定且均勻，並且是不含時間相依次要效應的光化學初級反應。如上所述，許多丙烯酸酯光聚合反應並不符合此要求，尤其是在高輻照度、短時間的情況下。實際上的結論是：劑量是必要但非充分的製程參數，必須始終與對應的輻照度一併記錄。

為了估算光聚合層的固化深度，立體光刻與積層製造相關文獻使用對數形式的工作曲線：

C_d = D_p · ln(H / H_c)

其中 C_d 為達成的固化深度，D_p 為材料特定的穿透深度參數，H 為施加的劑量，H_c 為在表面達到凝膠點所需的臨界劑量（Bennett, 2018）。該模型假設材料為光學均勻，且吸收遵循 Beer-Lambert 型定律，對於高度異質、多相或強散射的配方並不必然適用。實際上的結論與直覺相反：由於此關係為對數而非線性，將劑量加倍並不會使固化深度加倍——超過某一程度後，額外的穿透深度只能藉由不成比例地增加額外劑量才能獲得。

1. Annahmen. Ein UV-LED-Spot wird robotergeführt zur Punktverklebung eines Sensorgehäuses eingesetzt. Der ausgelegte Arbeitsabstand beträgt d₀ = 10 mm mit einer für Serienfertigung praxistypischen Nennbestrahlungsstärke E₀ in der Größenordnung mehrerer 1000 mW/cm² an dieser Position. Durch Bauteil- und Fixierungstoleranzen kann der tatsächliche Abstand in der Serie auf d₁ = 13 mm ansteigen (+30 %). Für Distanzen, die groß gegenüber der aktiven Emitterfläche sind, lässt sich die Abnahme der Bestrahlungsstärke näherungsweise über das quadratische Abstandsgesetz beschreiben; bei geringen Arbeitsabständen im Bereich weniger Millimeter ist diese Näherung nur eingeschränkt gültig und muss durch Messung oder eine Optiksimulation der konkreten LED-Optik verifiziert werden.

2. Modell. E(d) = E₀ · (d₀/d)²

3. Rechnung. E(d₁) = E₀ · (10/13)² = E₀ · 0,592

4. Ergebnis. Die Bestrahlungsstärke sinkt näherungsweise auf 59 Prozent des Nennwerts, ein Verlust von rund 41 Prozent.

5. Technische Interpretation. Bleibt die Expositionszeit unverändert, sinkt die applizierte Dosis um denselben Faktor. Eine Bauteiltoleranz, die auf den ersten Blick unkritisch wirkt, kann damit die Dosis unter die kritische Dosis H_c aus der Arbeitskurve drücken und zu einer unvollständig ausgehärteten, aber äußerlich unauffälligen Klebestelle führen. Dies begründet, warum eine einmalige Messung an einem Musterbauteil in Nennposition die Serienstreuung nicht abdeckt und warum bauteilbezogene oder inline erfasste Dosiswerte für die Prozessabsicherung notwendig sind.

以下計算器可讓您使用自己的數值來檢查距離相依性：根據平方反比定律，輻照度會隨距離的平方而下降。該計算器同時提供光度學極限距離──低於此距離時，該定律將不再適用，因為光源已不再視為點光源。

三維塑膠件與車身零件的塗裝與印刷。 紫外線固化型透明漆與面漆正逐漸取代溶劂型系統，因為它們可在數秒內固化，且無需經過烘箱乾燥即可立即進行後續加工。此處的關鍵在於彎曲的三維表面上輻照度的均勻性，因為偏差會導致耐刮傷性與耐化學性不均。相關背景請參閱 工業印刷用紫外線量測。

感測器、相機與顯示模組的黏接。 先進駕駛輔助系統（ADAS）需要在鏡片、外殼與感測器晶片之間形成光學透明、低失真的黏接。紫外線膠可在不對敏感電子元件造成熱影響的情況下，實現精確的定量與短固定時間；一個已記錄的實例是用於現代車頭燈設計中主動對位光學元件的透明、耐高溫紫外線膠（UVEBTech / DELO, 2024）。此製程中的關鍵變數，是黏接縫隙內精確的空間解析劑量，以及光源與膠料光起始劑之間的光譜匹配，因為不匹配可能會損害光學透明度或耐黃變性。相關背景請參閱 紫外線黏接、灌封與封裝。

電動車電力電子、感測器與電池模組的灌封。 電池電芯、功率半導體與控制單元需要能快速固化、且不會對元件造成熱損傷的灌封與封裝材料。連接器、邊緣與外殼底部的陰影區域在此特別關鍵，因此需要採用具紫外線一次固化與二次固化的雙重固化配方。

螢光裂紋與滲漏檢測。 作為一種非破壞性檢測方法，UV-A 輻射照射可使螢光滲透劑在裂紋與滲漏處顯現指示。此製程的關鍵變數，是整個檢測區域內輻照度的均勻性，因為局部輻照度不足會導致缺陷無法被偵測到。

內裝材料的老化與光穩定性測試。 座艙表面、紡織品與塑膠零件會在照射腔室中，於明確定義的紫外線與陽光光譜下進行加速老化測試，以預測其在車輛使用壽命期間的耐色牢度、黃變與脆化情形。此處的關鍵在於依所採用參考光譜計算的光譜加權輻照度，以及測試期間的累積照射劑量。請參閱 紫外線老化、耐色牢度與光穩定性。

對於三維、以機器人導引的照射製程，施加的劑量並非固定值，而是沿路徑曲線上局部輻照度的積分——距離、入射角與路徑速度在每一點上共同作用。基於匯入的零件幾何形狀所進行的前期運算設計，能在實際設備建造之前找出弱點與陰影區；最終確認仍須在實際製程設備上進行，因為實際的光學、夾具與反射特性只能有限度地預測。光學模擬會針對匯入的零件幾何形狀進行此項運算。對於因零件幾何形狀而在根本上無法直接照射的陰影區，採用具備二次濕氣、厭氧或加熱固化的雙固化系統，是既定的解決方案。當機械、光學、安全技術與數據採集必須為特定的測試或製造任務共同開發時，此即屬於特殊設備工程的範疇。

製程保證基本上需要兩個量：構件處的輻照度，以及隨時間累積而得的劑量。兩者都應盡可能靠近實際作用點進行量測——也就是在構件本身或照射場中具代表性的位置，而非僅在燈具或系統輸出端量測。相關的量測不確定性來源包括感測器的角度相依性（斜向入射時的餘弦誤差）、感測器與實際光源發射光譜之間的光譜不匹配，以及校正對國家或國際標準的計量溯源性等因素。

當光源與光起始劑已知且穩定，僅需監控隨時間變化的製程穩定性時，寬頻量測——即在定義的光譜範圍內（例如 UV-A）擷取總輻照度——即已足夠，例如可使用 RMD Pro。當需要比較不同光源、新選用光起始劑或更換燈管類型時，則需要進行光譜解析量測，因為唯有光譜才能顯示發射光譜與吸收光譜是否重疊、重疊程度有多大——適合此用途的是光譜輻射計，例如 UVpad 或 UVpad E。當構件幾何為三維，或光源相對於構件移動時，則需要進行空間解析或構件相關的量測——為此，tinyTracker 會隨工件載具一同通過生產線；而在如脈衝光源或對週期時間要求嚴格的製程中，若照射時間內輻照度並非恆定，則需要進行時間解析量測。

在自動化生產線中，製程監控會由抽樣檢測轉為連續擷取。永久安裝於照射區的 線上感測器可在生產過程中持續記錄輻照度與劑量，並實現統計製程管制（SPC），在固化不足的構件離線之前，自動標示出偏離核可製程界限的情況。從技術角度而言，重要的並非數位介面本身，而是能將量測值歸屬至特定構件或生產批次的能力（可追溯性），以及能及早偵測燈管或 LED 老化效應的能力，例如透過在恆定電力驅動下持續下降的輻照度來判斷。在具備控制功能的系統中，這種老化趨勢可用於調整 LED 驅動電流或燈管功率，使施加的劑量在光源使用壽命內保持恆定（閉環控制）。

一項針對牙科用 BisGMA/TEGDMA 光聚合物之交互律有效性的實驗研究顯示，在劑量恆定的情況下，最終轉化率與收縮應力顯著取決於所使用的輻照度，而非如理想化交互律所假設的僅取決於劑量乘積：

「The reciprocity law concerning light dose–relationships applied to BisGMA/TEGDMA photopolymers: Theoretical analysis and experimental characterization」，J. W. Wydra, N. B. Cramer, J. W. Stansbury, C. N. Bowman，Dental Materials，2014，DOI：10.1016/j.dental.2014.02.021。此結果是否可轉用於其他丙烯酸酯系統，須逐一針對化學組成進行檢驗，但其背後的原理──即強度依賴性超越單純劑量──更廣泛地適用於自由基光聚合反應。

一項針對商用光聚合物定量特性化的研究提出了臨界劑量 H_c 與穿透深度參數 D_p 作為可量測、材料特定的數值，並發現多種樹脂與製造商規格之間的偏差最高可達十倍：

「Measuring UV Curing Parameters of Commercial Photopolymers used in Additive Manufacturing」，J. Bennett，Additive Manufacturing，2018，DOI：10.1016/j.addma.2017.10.009。對於車輛製造中的製程設計而言，這一點很重要，因為它顯示這些數值應針對實際使用的配方以實驗方式測定，而非直接採信一般性的製造商數據。

一項使用 Photo-DSC 針對丙烯酸酯光聚合物固化動力學的量熱研究顯示，反應熱與交聯程度會隨照射強度與曝光策略而大幅變化，且與單次全劑量曝光相比，分段、多步驟曝光可顯著降低峰值溫度：

「Curing Kinetic Analysis of Acrylate Photopolymer for Additive Manufacturing by Photo-DSC」，D. Drummer, F.-Z. Jiang，Polymers，2020，DOI：10.3390/polym12051080。對於電池與電子應用中較厚的灌封與黏接層而言，此方法提供了一種透過曝光策略而非僅靠配方變更來控制熱輸入的途徑。

近期一篇關於紫外線固化塗料技術現況的回顧文章總結了在哪些條件下，光起始劑與光源之間強烈的光譜重疊會加速表面固化，同時可能限制穿透深度：

「To Shed Light on the UV Curable Coating Technology: Current State of the Art and Perspectives」，J. John, J. Thomas, M. Patil, R. Patil，Journal of Composites Science，2023，DOI：10.3390/jcs7120513。

出版品查詢工具列出了本公司所知的所有汽車相關出版品──可依裝置、領域與關鍵字搜尋。

輻照度與劑量有何不同？
輻照度（mW/cm²）描述目前每單位面積入射的輻射功率，而劑量（J/cm²）則是輻照度與曝露時間隨時間積分後的乘積。這兩個物理量都不可或缺，因為——如同互易律所述——相同的劑量在不同輻照度水準下可能產生不同的固化結果。輻照度、劑量與通量在形式上的差異，詳見輻射度量概述。

哪種波長適合用於汽車產業的 UV-LED 固化？
這取決於所使用配方中的光起始劑。常見的工業用 UV-LED 波長為 365、385、395、405 及 450 nm；重要的是 LED 的發射峰值需與光起始劑的吸收波段重疊，而非絕對波長本身。

為何在輻照度看似充足的情況下，紫外線固化仍會失敗？
常見原因包括光源與光起始劑之間缺乏光譜重疊、表面的氧氣抑制作用、零件幾何形狀造成的陰影區，或量測並非在實際作用點進行，因而高估了零件上的實際輻照度。

如何在三維零件上量測紫外線劑量？
透過與工件承載具一同移動的零件相關感測器，記錄零件在產線行進路徑中實際接收到的輻照度，並輔以在既定參考位置定期進行的量測，以持續監控設備狀態。

哪些因素會影響固化深度？
波長、光起始劑濃度與吸收光譜、配方中的顏料或填料含量，以及所施加的劑量。劑量與固化深度之間的關係是對數關係，而非線性關係。

何時寬頻量測已足夠，何時又需要光譜量測？
若用於監控已驗證且穩定的製程，寬頻量測即已足夠。當需要比較、更換或新選擇光源時，則必須進行光譜解析量測，因為唯有光譜才能顯示與光起始劑之間的實際重疊情形。

紫外線固化與紫外線老化測試有何差異？
紫外線固化是刻意利用紫外線輻射觸發交聯反應，使材料固化成型。相對地，紫外線老化測試則利用紫外線與模擬日光，預測材料在車輛預定使用壽命期間可能出現的劣化與變色情形。

• Wydra, J. W. et al. (2014): The reciprocity law concerning light dose–relationships applied to BisGMA/TEGDMA photopolymers. Dental Materials. DOI: 10.1016/j.dental.2014.02.021
• Bennett, J. (2018): Measuring UV Curing Parameters of Commercial Photopolymers used in Additive Manufacturing. Additive Manufacturing. DOI: 10.1016/j.addma.2017.10.009
• Drummer, D.; Jiang, F.-Z. (2020): Curing Kinetic Analysis of Acrylate Photopolymer for Additive Manufacturing by Photo-DSC. Polymers. DOI: 10.3390/polym12051080
• John, J. et al. (2023): To Shed Light on the UV Curable Coating Technology: Current State of the Art and Perspectives. Journal of Composites Science. DOI: 10.3390/jcs7120513
• ISO 10820:2025 – UV-A LED 照射裝置與輻射計量（ISO）；CIE 220:2016 – 紫外線輻射計之特性描述與校正方法（CIE）
• OICA – 2025 年全球機動車輛生產統計（OICA）；Mordor Intelligence – 紫外線固化型黏著劑市場報告 2025–2031（Mordor Intelligence）

這些應用在技術上與光學輻射量測的相鄰領域密切相關──例如 電子與半導體製造（類似的黏接與封裝製程）、光學與精密元件製造（類似的光學透明度要求）、光伏（類似的照射腔室與老化測試技術），以及更基礎的 紫外線黏接、灌封與封裝。

不確定三維元件的最差情況點——而不僅是最後量測所在的參考位置——實際上能接收到多少輻照度與劑量嗎？此問題只能在真實元件與製程配置上得到答案，而無法從電功率規格或通用時間值推算得知。若要在生產線上進行與元件相關的劑量驗證，適合使用 tinyTracker；若要在固定設備位置進行週期性檢查，則適合使用 RMD Pro。若要在光起始劑變更時進行光譜選擇或光源比較，可使用 UVpad 與 UVpad E。請就您的製程問題與我們聯絡。