UV 燈管與 UV LED 的老化
UV 燈管與 UV LED 在運作期間會損失輻照度，且部分會改變其光譜——對於掺雜型發射器而言，變化甚至相當明顯。典型使用壽命範圍為高壓燈管 500 至 2,000 h、低壓燈管 8,000 至 12,000 h，UV LED 則為 10,000 至 20,000 h。只有透過已校正輻射計進行量測，才能顯示系統已偏移多少。
量測高功率紫外光源的輻照度，對於紫外線固化製程至關重要，因為這類製程需要精確的劑量控制。紫外線固化利用 UV 光使材料中的光起始劑發生聚合反應，其中曝光量至關重要。UV 輻射計用於精確量測 UV 強度與劑量（J/cm²），且感測器必須具備高光譜靈敏度，以符合相關要求。
用於產生 UV 輻射的光源類型：
- 高功率氣體放電燈管：
此類燈管利用石英管中高溫蒸發的汞產生強烈的 UV 輻射，並可透過金屬掺雜物調整其光譜發射。 - 高功率 UV LED：
其優點包括能源效率高、可立即使用及使用壽命長，但仍須考量與溫度相關的波長穩定性及老化效應。
當裝置與全新的 UV 校正 進行比較時，即可看出其偏移程度。
UV 燈管壽命因此無法僅以操作時數來表示：真正重要的是輻照度何時降至製程所需數值以下——而這取決於開關循環次數、溫度及汙染程度。
紫外線燈管與紫外線 LED 之壽命
| 紫外線光源類型 | 說明 | 典型燈管使用壽命 |
| 紫外線燈管（低壓） | 用於（水）消毒 | 8,000～12,000 小時 |
| 汞齊燈管 | 效率較高且使用壽命較長 | 12,000～16,000 小時 |
| 紫外線 LED | 節能；適用於較小型應用 | UVA 最高可達 10,000 小時，UVB/UVC 最高可達 5,000 小時 |
| 紫外線 LED 模組 | 模組化單元；可依需求客製 | UVA 最高可達 10,000 小時，UVB/UVC 最高可達 5,000 小時 |
| 高壓燈管 | 紫外線強度極高；光譜範圍廣 | 500～2,000 小時 |
| 脈衝氙氣燈管 | 提供高峰值強度之強烈紫外線閃光 | 1,000～3,000 小時 |
| 激子燈管 | 特定應用；窄頻譜 | 5,000～8,000 小時 |
| 紫外線燈管（中壓） | 適用於工業應用 | 1,000～4,000 小時 |
| 紫外線燈管（中壓、添加型） | 添加鐵或鎵以產生特殊光譜 | 600～2,000 小時 |
| 氙氣短弧燈管 | 高強度且光譜範圍廣 | 500～2,000 小時 |
由於紫外線燈管與紫外線 LED 的老化，定期量測是必要的。但是……
為什麼紫外線燈管會老化？
紫外線燈管會因為多種物理與化學過程而老化：
- 電極腐蝕：燈管中的電極會因放電過程隨時間磨損，降低其效率。
- 材料蒸發：燈管內的材料，如汞與鎢，可能會蒸發並沉積在燈管較冷的部位，透過吸收降低光輸出。
- 磷光體衰退：在螢光燈管中，磷光體會將 254 nm 的輻射轉換為 UVA 或 UVB；其會隨時間衰退，降低輻照度。
- 太陽化作用（Solarization）：紫外線輻射會隨時間改變燈管材料，特別是石英玻璃，降低紫外線的穿透率。
這些因素共同作用，使燈管的光輸出隨時間降低，因此需要定期維護或更換。
而且……
為什麼紫外線 LED 會老化？
如同所有電子元件，紫外線 LED 同樣會受到老化的影響。與所有產品一樣，紫外線 LED 燈的產品品質差異相當大。在紫外線 LED 燈的使用壽命期間，紫外線光輸出會持續下降，這稱為衰退（degradation）。影響 LED 老化的因素，特別包括操作溫度與操作電流。紫外線 LED 老化的原因有多種，主要與材料本身特性及操作條件有關：
- 熱衰退：電能轉換為光能過程中所產生的熱，可能損害 LED 的半導體材料，降低其效率。
- 氧化與潮氣：暴露於氧氣與潮氣中，可能損害 LED 內的材料，特別是電極與化合物。
- 材料疲勞：因溫度變化而反覆膨脹與收縮，可能造成材料疲勞，影響效能
這些因素共同作用，使紫外線燈管與紫外線 LED 的輸出隨時間降低，這意味著其光強度與使用壽命是有限的。
在經過初期較大幅度下降的磨合階段後，衰退過程在接下來的數千個小時內幾乎呈線性進行。第二種故障機制則是紫外線 LED 的突發性失效。
紫外線 LED 的突發性失效可能由多種機制造成，包括靜電放電（ESD），其可能因瞬間電力衝擊而損壞元件。也可能發生打線接合（wire bond）失效，即連接 LED 晶片與接腳的微小導線失效。
半導體材料本身的缺陷，例如半導體層中的裂縫或缺陷，也可能導致個別紫外線 LED 突然失效。這類故障通常沒有預警，並導致 LED 立即失去功能。
在老化的某些方面，紫外線 LED 被認為優於傳統紫外線燈管：
- 耐用性：在良好散熱條件下，紫外線 LED 可達到更長的使用壽命，且對機械損傷不敏感。
- 穩定性：由於較不受熱波動影響，紫外線 LED 隨時間具有更好的波長穩定性。
- 效率：紫外線 LED 使用能源更有效率，產生較少的廢熱，進一步延長其使用壽命。
紫外線燈管與紫外線 LED 老化的主要差異：
因此，老化方面的主要差異在於不同光源處理熱與材料疲勞的方式，這對紫外線 LED 的效率與耐久性有正面影響。
本公司樂於協助貴公司選擇適合的紫外線量測裝置，以檢測高功率氣體放電燈管與紫外線 LED 的紫外線老化情形。Opsytec 提供專門開發的量測裝置，確保精確且可靠的紫外線量測，並可依 DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 進行校正。
下圖說明了紫外線 LED 典型的老化曲線，其特徵為在最初幾個小時的運作中效能急劇下降。此初始下降之後，功率損失趨於穩定，並隨時間呈現漸進、幾乎呈線性的衰退。這種光發射的持續降低會一直持續，直到 LED 達到使用壽命終點，最終完全失效，不再發出任何輻射：
光源老化對於正在運行的生產與檢驗流程意味著什麼，可參閱應用頁面 汽車產業中的紫外線固化 與 航太產業的紫外線技術。
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老化與效能監測常見問答
如何監測 UV LED 的輸出功率？
應在作用位置量測輻照度，而非透過工作電流或工作時數來判斷。UV LED 的輻射功率會持續衰減；關鍵因素為接面溫度與驅動電流，接面溫度每上升 10 °C，L70 lifetime 便會減半。較可靠的做法是在初次運轉（run-in）後記錄一個初始值作為基準，並以其百分比設定警示門檻。常見的壽命數值，UVA 最高可達 10,000 h、UVB/UVC 最高可達 5,000 h，僅適用於指定的操作條件下。
如何偵測 UV 燈管的老化？
透過在相同條件下量測到的輻照度下降來判斷——於相同位置、相同距離及相同操作溫度下量測。有四種過程共同作用：電極侵蝕、材料蒸發並凝結於燈管較冷部位、螢光粉劣化，以及石英玻璃的日光褪色（solarisation）。工作時數僅可作為粗略參考：低壓燈管可達 8,000 至 12,000 h，中壓燈管為 1,000 至 4,000 h，摻雜型中壓燈管則為 600 至 2,000 h。
作者：Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia 是位於 Ettlingen 的 Opsytec Dr. Gröbel GmbH 之總經理，並主持該公司已獲認證的校正實驗室。在 KIT 照明技術研究所從事脈衝氙氣激發準分子放電之研究後，他目前的研究重點為光學輻射量測技術。他同時擔任 DIN 標準委員會 FNL 7「光學輻射」的副主席，並為 DVGW 紫外線消毒專案小組之成員。
