Trước khi đi sâu vào công nghệ-UV LED, trước tiên chúng ta phải làm rõ một số khái niệm cốt lõi để đảm bảo chúng ta đang thảo luận về cùng một chủ đề. Điều này sẽ ngăn chặn việc hiểu sai và giao tiếp có nhiều mục đích. Đây,tia cực tímđề cập đến các vật liệu có thể chữa được bằng tia UV-chẳng hạn như lớp phủ UV, mực UV và chất kết dính UV;DẪN ĐẾNbiểu thị cụ thể các nguồn sáng LED cực tím; VàĐèn LED-UV được định nghĩa là"Việc xử lý vật liệu UV sử dụng nguồn ánh sáng LED cực tím làm nguồn chiếu xạ".
Như chúng ta đều biết, nguồn ánh sáng lưu hóa thông thường cho lớp phủ UV là đèn thủy ngân-áp suất trung bình và-áp suất cao. Trong những năm gần đây, nhờ các chính sách bảo tồn năng lượng và bảo vệ môi trường, cùng với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ UVLED (đèn LED cực tím) đã đặt nền móng cho các ứng dụng-quy mô công nghiệp, thị trường đã chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ trong việc sử dụng đèn LED-UV. Các công nghệ mới nổi luôn thu hút sự quan tâm và nhiệt tình rộng rãi. Tuy nhiên, với tư cách là những người hoạt động trong ngành, việc hiểu rõ ràng về đèn LED-UV là điều bắt buộc. Tại đây, chúng tôi muốn chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu của mình trong lĩnh vực đèn LED-UV trong hai năm qua.
Sự thay đổi nguồn sáng (sự khác biệt giữa đèn LED và đèn thủy ngân sẽ được trình bày sau) đã dẫn đến sự thay đổi trong hệ thống xây dựng lớp phủ UV cũng như một cuộc cách mạng trong toàn bộ quy trình phủ và xử lý. Đối với hệ thống đèn LED-UV, chúng tôi xác định năm hướng nghiên cứu chính bao gồm cả khía cạnh kỹ thuật và thị trường.
Nghiên cứu về phương pháp chụp ảnh bằng đèn LED-UV
Như đã định nghĩa trước đó, quá trình chụp ảnh bằng đèn LED-UV phụ thuộc vàođèn LED tia cực tímnguồn để xử lý vật liệu UV. Vì vậy, đạt được hiệu quả chữa bệnh là mục tiêu chính của mọi nỗ lực nghiên cứu. Photocuring đòi hỏi hai thành phần không thể thiếu: ánh sáng (nguồn năng lượng) và vật liệu UV (bộ phận tiếp nhận). Sự thay đổi nguồn sáng chắc chắn sẽ phá vỡ trạng thái cân bằng của toàn bộ hệ thống, với cốt lõi nằm ở hoạt động R&D liên ngành để điều chỉnh lớp phủ UV phù hợp với nguồn sáng LED.
Người ta thừa nhận rộng rãi rằng bước sóng LED ngắn hơn tương ứng với mức năng lượng cao hơn và chi phí cao hơn. Ngược lại, các chất xúc tác quang hóa yêu cầu năng lượng kích thích thấp hơn sẽ có bước sóng hấp thụ dài hơn và cũng có giá cao hơn. Điều này tạo ra mối quan hệ giống như bập bênh{2}}giữa nguồn sáng và nguồn sáng. Do đó, việc mở rộng ranh giới hiệu suất của cả hai và xác định sự cân bằng tối ưu giữa nguồn sáng LED và vật liệu UV đã trở thành trọng tâm của các sáng kiến R&D LED-UV.
Nghiên cứu về hệ thống nguồn sáng LED
Công nghệ đèn thủy ngân rất trưởng thành về mặt phát triển và ứng dụng, từ lâu đã được coi là nguồn sáng tiêu chuẩn. Ngược lại, công nghệ đèn LED tia cực tím vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, có tiềm năng phát triển to lớn trong tương lai. Ngoài ra, chuỗi công nghiệp LED rất rộng, bao gồm phát triển tinh thể, cắt chip, đóng gói chip, tích hợp mô-đun nguồn sáng, cũng như thiết kế hệ thống tản nhiệt và kiểm soát nguồn điện. Mỗi giai đoạn đều có tác động quan trọng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng-nguồn sáng UVLED. Do đó, việc hiểu và mở rộng ranh giới hiệu suất của đèn LED là điều cần thiết để thúc đẩy toàn bộ hệ sinh thái đèn LED-UV.
Sự khác biệt giữa nguồn sáng LED và đèn thủy ngân (Ưu điểm, nhược điểm và những quan niệm sai lầm phổ biến về đèn LED)
Để chiếm ưu thế trong cạnh tranh trên thị trường, việc hiểu rõ điểm mạnh của mình và điểm yếu của đối thủ là điều cần thiết. Vì chúng tôi mong muốn thay thế đèn thủy ngân truyền thống bằng đèn UVLED nên trước tiên, điều quan trọng là phải so sánh hai công nghệ này và phân tích ưu điểm, nhược điểm cũng như hạn chế tương ứng của chúng.
Lớp phủ UV đóng rắn vì các chất xúc tác quang trong công thức của chúng hấp thụ ánh sáng cực tím có bước sóng cụ thể, tạo ra các gốc tự do (hoặc cation/anion) bắt đầu quá trình trùng hợp monome. Để minh họa nguyên lý này, trước tiên chúng ta sẽ kiểm tra quang phổ phát xạ của đèn thủy ngân và đèn LED tia cực tím.
Biểu đồ này là sự so sánh cổ điển và thường thấy về quang phổ phát xạ của đèn LED UV và đèn thủy ngân. Như có thể quan sát từ biểu đồ, phổ phát xạ của đèn thủy ngân là liên tục, trải dài từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại. Đặc biệt, cường độ ánh sáng tập trung ở dải UVA sóng ngắn đến{2}}UVB. Ngược lại, phổ phát xạ của đèn LED tương đối hẹp, với hai dải sóng phổ biến nhất có bước sóng cực đại là 365 nm và 395 nm (bao gồm 385 nm, 395 nm và 405 nm).
Hiện nay, chínhđèn tia cực tímcó khả năng ứng dụng công nghiệp nằm trong dải UVA, cụ thể là các nguồn sáng LED có bước sóng 365 nm và 395 nm như minh họa trong Hình 1. Trong phạm vi bước sóng này, hầu hết các chất xúc tác quang đều có hệ số tắt mol tương đối thấp. Do đó, hệ thống đèn LED-UV thường có hiệu suất khởi động thấp và sự ức chế oxy nghiêm trọng, gây bất lợi cho quá trình xử lý bề mặt.
Lưu ý: Tuyên bố thường được nhiều nhà sản xuất UVLED hoặc nhà cung cấp lớp phủ UV LED đưa ra về "khả năng chà nhám tuyệt vời của lớp phủ UV LED", nói đúng ra, là kết quả trực tiếp của việc xử lý bề mặt không đủ. Thử thách thực sự không nằm ở việc đạt được khả năng chà nhám tốt mà nằm ở việc cho phép khả năng chà nhám có thể kiểm soát được-tạo ra sự cân bằng giữa khả năng chống mài mòn và khả năng chà nhám dễ dàng. Hơn nữa, một số nhà sản xuất còn dùng đến các thủ đoạn lừa đảo: lắp đặt đèn thủy ngân phía sau dãy đèn LED, trong đó đèn thủy ngân thực sự đóng vai trò chữa bệnh chủ yếu.
Tuy nhiên, chúng tôi cũng lưu ý rằng ở dải sóng 365 nm và 395 nm, đèn LED mang lại cường độ ánh sáng cao hơn đáng kể so với đèn thủy ngân, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý-lớp sâu của vật liệu UV.
(Để tham khảo, nhiều hệ thống xử lý bằng tia cực tím truyền thống kết hợp đèn gali (với bước sóng phát xạ vượt trội là 415 nm) cùng với đèn thủy ngân, chính xác là để nâng cao hiệu quả xử lý lớp-sâu.)
Quan niệm sai lầm này thường xuất phát từ tiền đề rằngchỉ 30% ánh sáng phát ra từ đèn thủy ngân là tia cực tím (UV), trong khi đèn UVLED phát ra 100% tia UV. Tuy nhiên, yếu tố thực sự quyết định mức tiêu thụ năng lượng ở cấp độ hệ thống-là hiệu suất chuyển đổi quang điện và hiệu suất ánh sáng hiệu quả. Đèn thủy ngân thực sự có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao-điểm yếu của chúng nằm ở chỗ phần lớn ánh sáng phát ra bao gồm tia nhìn thấy và tia hồng ngoại, trong đó tia UV (thành phần duy nhất hữu ích để xử lý vật liệu UV) chỉ chiếm 30%. Ngược lại, đèn UVLED có hiệu suất chuyển đổi quang điện thấp hơn đáng kể, hiện dao động khoảng 30% đối với bước sóng UVA (gần tương đương với hiệu suất ánh sáng tia cực tím của đèn thủy ngân).
Theo định luật bảo toàn năng lượng, 70% năng lượng điện còn lại được chuyển hóa thành nhiệt năng. Điều này giải thích hai điểm khác biệt chính giữa hai công nghệ:
Đèn LED nổi tiếng là "nguồn ánh sáng lạnh" vì nhiệt sinh ra sẽ tiêu tan ở mặt sau của bảng đèn, khiến bề mặt -phát sáng trở nên mát mẻ khi chạm vào. Ngược lại, đèn thủy ngân tỏa nhiệt về phía trước thông qua gương phản xạ và phát xạ hồng ngoại.
Đây chính xác là lý do tại sao các nguồn sáng UVLED thường yêu cầu hệ thống làm mát-không khí và đèn UVLED công suất-thậm chí còn yêu cầu các bộ làm mát-nước có kích thước để xử lý 70% năng lượng điện của nguồn sáng để tản nhiệt đầu đèn.
Lợi thế-tiết kiệm năng lượng thực sự của đèn LED xuất phát từ hai đặc điểm độc đáo: khả năng bật/tắt tức thì và chiếu xạ chính xác thông qua thiết kế quang học, giúp nâng cao hiệu quả chiếu sáng hiệu quả. Tuy nhiên, việc tận dụng những lợi ích này đòi hỏi phải tích hợp với các công nghệ-hệ thống điều khiển thông minh và phát hiện tia hồng ngoại mà hầu hết các nhà sản xuất thiết bị UV LED trên thị trường hiện đều thiếu năng lực R&D để phát triển.
Tạo ôzôn: Phổ phát xạ của chúng bao gồm-ánh sáng cực tím xa dưới 200 nm, tạo ra một lượng ôzôn đáng kể. (Đây là nguyên nhân sâu xa gây ra mùi hăng do công nhân nhà máy vận hành hệ thống đèn thủy ngân báo cáo.)
Ô nhiễm thủy ngân do thải bỏ: Đèn thủy ngân có tuổi thọ ngắn chỉ 800–1000 giờ. Việc xử lý đèn đã qua sử dụng không đúng cách sẽ dẫn đến ô nhiễm thủy ngân thứ cấp, một vấn đề vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.
Các báo cáo chỉ ra rằng năng lượng cần thiết hàng năm để xử lý chất thải thủy ngân tương đương với công suất phát điện tổng hợp của hai đập Tam Hiệp. Tệ hơn nữa, hiện nay chưa có công nghệ khả thi nào để loại bỏ hoàn toàn thủy ngân khỏi dòng thải.
Đèn LED UV hoàn toàn không gặp phải những vấn đề này. Kể từ khi Công ước Minamata về Thủy ngân chính thức có hiệu lực tại Trung Quốc vào ngày 16 tháng 8 năm 2017, việc loại bỏ-đèn thủy ngân đã được đưa vào chương trình nghị sự chính thức. Mặc dù Công ước bao gồm việc miễn trừ đối với đèn huỳnh quang thủy ngân công nghiệp khi không có lựa chọn thay thế nào, nhưng Công ước cũng quy định rằng các bên ký kết có thể đề xuất bổ sung các sản phẩm đó vào danh sách hạn chế khi có sẵn các sản phẩm thay thế khả thi. Do đó, mốc thời gian cho việc loại bỏ hoàn toàn-đèn thủy ngân trong các ứng dụng xử lý bằng tia cực tím hoàn toàn phụ thuộc vào tiến bộ công nghệ và công nghiệp hóa các giải pháp đèn LED UV.
Nó hỗ trợ xử lý chính xác cục bộ cho các ứng dụng như in 3D.
Bằng cách ghép nối đèn LED với các bộ quang hóa khác nhau, nó cho phép kiểm soát chính xác mức độ và độ sâu xử lý.
Cấu hình nguồn sáng có thể tùy chỉnh Đèn LED có thiết kế hạt đèn mô-đun, cho phép điều chỉnh linh hoạt chiều dài, chiều rộng và góc chiếu xạ. Tính linh hoạt này cho phép tạo ra các nguồn sáng điểm, nguồn sáng đường và nguồn sáng khu vực, được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của các quy trình xử lý đa dạng.
Yêu cầu về thông số nguồn sáng để xử lý vật liệu UV
Bước sóng:365nm, 395nm
Bức xạ (Cường độ ánh sáng, Mật độ công suất quang): mW/cm2
Tổng liều năng lượng: mJ/cm2
Quá trình quang hóa không thể tiến hành nếu không có ba thông số cốt lõi nêu trên: bước sóng, cường độ ánh sáng và tổng liều năng lượng. Bước sóng xác định xem có thể kích hoạt bộ kích hoạt quang hay không; cường độ ánh sáng quyết định hiệu quả khởi động tia cực tím và tác động trực tiếp đến quá trình đóng rắn bề mặt (khả năng chống ức chế oxy) và hiệu suất đóng rắn sâu; trong khi tổng liều năng lượng đảm bảo xử lý triệt để vật liệu.
So với đèn thủy ngân, ưu điểm nổi bật nhất của đèn LED nằm ở đặc tính có thể điều chỉnh và điều chỉnh được. Trong giới hạn hiệu suất của đèn LED, các thông số của nó có thể được tối ưu hóa ở mức độ lớn nhất để đáp ứng các yêu cầu bảo dưỡng cụ thể. Trong các thử nghiệm quang hóa bằng đèn LED-UV, mục tiêu cốt lõi là liên tục mở rộng ranh giới hiệu suất của cả nguồn sáng và vật liệu UV, đồng thời xác định sự cân bằng tối ưu giữa chúng. Cụ thể đối với đèn LED, điều này có nghĩa là xác định các thông số nguồn sáng LED lý tưởng dựa trên công thức lớp phủ để đạt được kết quả xử lý tối ưu.
Nguyên lý phát quang LED và hiện trạng phát triển của chip UVLED
Dựa trên nguyên lý chuyển dịch điện tử (chi tiết bị lược bỏ; độc giả quan tâm có thể tham khảo các nguồn tài liệu trực tuyến để biết thêm thông tin), khi các electron trong nguyên tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, chúng giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ ở các bước sóng khác nhau (tức là phát ra sóng điện từ có bước sóng khác nhau).
Do đó, có hai cách tiếp cận chính để sản xuất nguồn ánh sáng phát ra tia UV:
Cách tiếp cận đầu tiên là xác định một nguyên tử có chênh lệch năng lượng electron giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản nằm chính xác trong phổ tử ngoại. Đèn thủy ngân truyền thống là nguồn ánh sáng tia cực tím được sử dụng rộng rãi nhất dựa trên nguyên tắc này.
Cách tiếp cận thứ hai tận dụng nguyên lý phát quang bán dẫn (chi tiết bị bỏ qua; độc giả quan tâm có thể tham khảo các tài nguyên trực tuyến để biết thêm thông tin). Tóm lại, khi đặt một điện áp thuận vào chất bán dẫn phát sáng-, các lỗ được đưa từ vùng P- sang vùng N- và các electron được đưa từ vùng N- sang vùng P- sẽ kết hợp lại với các electron ở vùng N- và các lỗ trống ở vùng P- tương ứng trong phạm vi vài micromet gần điểm nối PN, tạo ra bức xạ huỳnh quang tự phát.
Như đã biết rộng rãi, dải cấm của vật liệu bán dẫn nhóm III{0}}V từ nhôm nitrit đến gali nitrit hoặc indium gali nitrit (InGaN) nằm chính xác trong quang phổ từ ánh sáng xanh đến tia cực tím. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ vật liệu của nhôm indium gallium nitride, chúng ta có thể tạo ra các nguồn ánh sáng cực tím và khả kiến trên nhiều bước sóng.
Về mặt lý thuyết, ánh sáng ở bất kỳ bước sóng nào có thể được tạo ra bằng cách điều chỉnh thành phần của vật liệu phát quang, nhưng phạm vi chip UVLED có sẵn cho sản xuất thương mại vẫn còn khá hạn chế do nhiều hạn chế khác nhau. Chip công suất cao{1}}phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp về cơ bản tập trung ở dải UVA (365–415 nm). Trong những năm gần đây, công nghệ UVB và UVC cũng đã có sự phát triển mạnh mẽ, nhưng về cơ bản chúng chỉ giới hạn ở-thị trường tiêu dùng và dân dụng năng lượng thấp chẳng hạn như khử trùng và khử trùng.
Có một số lý do chính cho việc này:
Cấu trúc vật liệu tinh thể quyết định hiệu suất phát sáng (Hiệu suất chuyển đổi quang điện)Gallium Nitride (GaN) và hiệu suất cao Indium Gallium Nitride (InGaN) vẫn có thể được sử dụng cho phạm vi 365–405 nm trong UVA. Ngược lại, chip UVB và UVC hoàn toàn dựa vào Nhôm Gallium Nitride (AlGaN)-một loại vật liệu vốn có hiệu suất phát sáng thấp-thay vì GaN và InGaN được sử dụng phổ biến hơn. Điều này là do GaN và InGaN hấp thụ ánh sáng cực tím dưới 365 nm. Kết quả là hiệu suất phát sáng của chip UVB và UVC cực kỳ thấp. Ví dụ, chip 278 nm của LG có hiệu suất chuyển đổi quang điện chỉ 2%.
Những thách thức về tản nhiệt phát sinh từ hiệu suất thấp Theo định luật bảo toàn năng lượng, hiệu suất chuyển đổi quang điện 2% có nghĩa là 98% năng lượng điện được chuyển thành nhiệt. Hơn nữa, tuổi thọ và hiệu suất phát sáng của chip LED tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Sự sinh nhiệt cao như vậy đặt ra những yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt đối với hệ thống tản nhiệt. Với các công nghệ làm mát hiện tại, đơn giản là không thể đạt được khả năng tản nhiệt hiệu quả cho các chip UVB và UVC công suất cao-.
Độ truyền tia cực tím thấp của vật liệu đóng gói và thấu kính Để bảo vệ chip LED, việc đóng gói là điều cần thiết. Vì đèn LED phát ra ánh sáng đa hướng nên cần có thấu kính để tập trung chùm sáng. Tuy nhiên, ngoài thủy tinh thạch anh, hầu hết các vật liệu đều có độ truyền tia UV rất thấp-và độ truyền qua giảm mạnh khi bước sóng ngắn lại. Do đó, mặc dù hiệu suất phát sáng vốn có của chip UVB/UVC vốn đã thấp nhưng một phần đáng kể ánh sáng vẫn bị thấu kính hấp thụ, dẫn đến lượng ánh sáng hữu dụng cực kỳ yếu, hầu như không đủ cho các ứng dụng công nghiệp.
Năng suất tinh thể thấp và chi phí sản xuất cao Các chip UVB và UVC hiện tại được sản xuất bằng cách sử dụng cùng lò phản ứng như chip UVA. Ngoài các khiếm khuyết cố hữu của vật liệu, các vấn đề như hệ số giãn nở nhiệt không khớp giữa chất nền và tinh thể dẫn đến hiệu suất tinh thể cực thấp, từ đó khiến chi phí sản xuất ở mức cao.
Nhìn chung, do hiệu suất phát sáng thấp, chi phí cao và yêu cầu tản nhiệt nghiêm ngặt của công nghệ UVB và UVC nên sự phát triển của công nghệ-công suất caoÁnh sáng UVB và UVCnguồn cho các ứng dụng công nghiệp sẽ vẫn khó nắm bắt cho đến khi đạt được những đột phá lớn về công nghệ.
Trọng tâm R&D chính của hệ thống nguồn sáng LED
Chip LED chỉ là một thành phần quan trọng của nguồn sáng LED. Khi tiến hành R&D về nguồn sáng LED, chúng ta phải áp dụng mộtcó hệ thống,cách tiếp cận toàn diện. Ngoài việc điều chỉnh bước sóng LED, phạm vi R&D còn bao gồm một loạt các quy trình tiếp theo bao gồm công nghệ đóng gói, thiết kế quang học, hệ thống tản nhiệt, hệ thống cấp điện và hệ thống điều khiển thông minh.
Hiện tại, có bốn cấu trúc đóng gói chính cho chip LED:
Cấu trúc gắn dọc
Lật-Cấu trúc chip
Cấu trúc dọc
Cấu trúc dọc 3D
Chip LED thông thường thường sử dụng cấu trúc gắn thẳng đứng với đế sapphire. Cấu trúc này có thiết kế đơn giản và quy trình sản xuất hoàn thiện. Tuy nhiên, sapphire có độ dẫn nhiệt kém, khiến nhiệt do chip tạo ra khó truyền đến bộ tản nhiệt-, một hạn chế hạn chế ứng dụng của nó trong các hệ thống đèn LED công suất cao-.
Bao bì chip lật-đại diện cho một trong những xu hướng phát triển hiện nay. Không giống như cấu trúc gắn dọc, nhiệt trong thiết kế chip lật-không cần truyền qua nền sapphire của chip. Thay vào đó, nó được truyền trực tiếp sang các chất nền có độ dẫn nhiệt cao hơn (như silicon hoặc gốm) rồi tiêu tán ra môi trường bên ngoài thông qua đế kim loại. Ngoài ra, do cấu trúc chip lật-loại bỏ nhu cầu về dây vàng bên ngoài nên chúng cho phép mật độ tích hợp chip cao hơn và cải thiện công suất quang trên một đơn vị diện tích. Điều đó có nghĩa là cả cấu trúc chip lật và gắn dọc đều có một nhược điểm chung: các điện cực P và N của đèn LED nằm ở cùng một phía của chip. Điều này buộc dòng điện chạy theo chiều ngang qua lớp n{9}}GaN, dẫn đến dòng điện đông đúc, quá nhiệt cục bộ và cuối cùng là hạn chế ngưỡng trên của dòng điện truyền động.
Chip ánh sáng xanh dương có cấu trúc-dọc{1}}được phát triển từ công nghệ gắn dọc. Trong thiết kế này, chip nền sapphire thông thường-được lật và liên kết với một nền có tính dẫn nhiệt cao, sau đó được nâng bằng tia laser-ra khỏi nền sapphire. Cấu trúc này giải quyết hiệu quả nút thắt tản nhiệt nhưng liên quan đến các quy trình sản xuất phức tạp-, đặc biệt là bước chuyển chất nền đầy thách thức- dẫn đến năng suất sản xuất thấp. Tuy nhiên, với công nghệ tiên tiến, việc đóng gói dọc cho đèn LED UV ngày càng trở nên hoàn thiện hơn.
Một cấu trúc dọc 3D mới lạ gần đây đã được đề xuất. So với chip LED có cấu trúc dọc-truyền thống, ưu điểm chính của nó bao gồm việc loại bỏ liên kết dây vàng, cho phép cấu hình gói mỏng hơn, nâng cao hiệu suất tản nhiệt và tích hợp dòng điện cao dễ dàng hơn. Tuy nhiên, nhiều rào cản kỹ thuật phải được vượt qua trước khi các cấu trúc thẳng đứng 3D có thể được thương mại hóa.
Do đèn LED UV thường có hiệu suất phát sáng thấp hơn so với đèn LED chiếu sáng thông thường nên bao bì có cấu trúc thẳng đứng là lựa chọn ưu tiên để tối đa hóa hiệu quả khai thác ánh sáng.
Vì đèn LED phát ra ánh sáng đa hướng và hiệu suất phát sáng vốn có của chúng đã tương đối thấp nên cần có thiết kế quang học khoa học và hợp lý để nâng cao hiệu quả ánh sáng hiệu quả (tức là hiệu suất ánh sáng của chiếu xạ trực diện). Các thành phần quang học phổ biến bao gồm gương phản xạ, thấu kính chính và thấu kính phụ.
Ngoài ra, tia cực tím bị suy giảm cao khi truyền qua môi trường. Do đó, phải đánh giá nhiều yếu tố khi chọn vật liệu thấu kính-chẳng hạn như thủy tinh thạch anh, thủy tinh borosilicat và kính cường lực-với ưu tiên dành cho những vật liệu có độ truyền tia UV cao. Điều này không chỉ tối đa hóa lượng ánh sáng mà còn ngăn chặn sự tăng nhiệt độ quá mức do sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu khi tiếp xúc với tia cực tím kéo dài.
Như đã đề cập ở trên, theo định luật bảo toàn năng lượng, chỉ một phần năng lượng điện được chuyển hóa thành năng lượng ánh sáng, còn một phần lớn bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Đối với dải UVA, tỷ lệ chuyển đổi năng lượng điển hình lần lượt là 10:3:7 cho điện, ánh sáng và nhiệt. Tuổi thọ hiệu quả của chip LED có mối tương quan chặt chẽ với nhiệt độ đường giao nhau của chúng. Trong quá trình quang hóa, mật độ công suất quang cao thường yêu cầu tích hợp-mật độ cao của chip LED, điều này đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt đối với hệ thống tản nhiệt.
Do đó, để đạt được khả năng tản nhiệt hiệu quả và đảm bảo rằng nhiệt độ tiếp giáp của tất cả các chip LED vẫn nằm trong phạm vi cân bằng và hợp lý đòi hỏi phải có thiết kế khoa học nghiêm ngặt, mô phỏng máy tính và thử nghiệm thực tế.
Nghiên cứu công thức phủ UV
Hạn chế của Photoinitiators & Phương pháp tiếp cận cấp độ hệ thống-đối với khả năng phản ứng nhựa và monomeNhư được minh họa trong phần giới thiệu trước về công nghệ LED, nguồn sáng LED-công suất cao phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp hiện bị giới hạn ở dải UVA, cụ thể là các bước sóng trên 365 nm. Sau khi đã xác định ranh giới hiệu suất của các nguồn sáng LED, giờ đây chúng ta có thể thấy rằng việc lựa chọn các chất xúc tác quang tương thích là khá hạn chế, vì hầu hết các chất xúc tác quang đều thể hiện hệ số tắt mol thấp ở bước sóng trên 365 nm.
Để giải quyết vấn đề hiệu suất khởi động thấp của các bộ xúc tác quang hóa tương thích với đèn LED-, các nỗ lực R&D không nên chỉ giới hạn ở chính các bộ xúc tác quang hóa. Thay vào đó, chúng ta cần áp dụng quan điểm-ở cấp độ hệ thống tích hợp nhựa, monome, chất xúc tác quang và thậm chí cả các chất phụ gia phụ vào một khung nghiên cứu tổng thể, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống UV LED.
Thiết kế công thức và phát triển quy trình phủ cho quá trình xử lý bằng đèn LED (Tác động của chất xúc tác quang, nhựa, monome, nhiệt độ, độ khô bề mặt, do khô, chất màu và chất độn) Để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng tia cực tím bước sóng dài-của chất xúc tác quang hóa, thường cần phải kết hợp các vòng benzen, nitơ (N), phốt pho (P) và các nguyên tử khác vào cấu trúc phân tử của chúng. Mặc dù việc sửa đổi này tăng cường khả năng hấp thụ tia cực tím-bước sóng dài nhưng nó cũng dẫn đến tăng màu sắc của các chất xúc tác quang hóa.
Hơn nữa, do hiệu suất hấp thụ ánh sáng thấp của các chất khởi đầu này nên số lượng lớn nhựa có khả năng phản ứng cao và monome-thường là-nhựa acrylic và monome có chức năng cao-phải được thêm vào để tăng tốc độ phản ứng tổng thể của hệ thống phủ. Tuy nhiên, phương pháp này có xu hướng tạo ra các lớp phủ có độ cứng cao nhưng độ linh hoạt kém, điều này hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng.
Điều đó nói lên rằng, hệ số tắt phân tử nhìn chung thấp của chất xúc tác quang LED UV cũng mang lại một lợi thế riêng: chúng cho phép độ truyền ánh sáng tia cực tím cao hơn qua lớp phủ, điều này có lợi cho việc xử lý sâu các màng dày.
Yêu cầu về hiệu suất lớp phủ đối với các điều kiện bảo quản, vận chuyển, xây dựng và quy trình ứng dụng khác nhau Trong ngành sơn, các kỹ thuật ứng dụng khác nhau như sơn lăn, sơn phun và sơn rèm đặt ra các yêu cầu về độ nhớt riêng biệt trên lớp phủ. Trong khi đó, các chất nền khác nhau đòi hỏi đặc tính phủ phù hợp về khả năng thấm ướt và độ bám dính. Ngoài ra, các điều kiện vận chuyển và bảo quản khác nhau đòi hỏi mức độ ổn định bảo quản tương ứng của lớp phủ. Vì vậy, tất cả các yếu tố này phải được xem xét đầy đủ trong quá trình thiết kế công thức lớp phủ.
Yêu cầu về hiệu suất của màng phủ cho các ứng dụng đa dạng Các lĩnh vực ứng dụng khác nhau đặt ra các yêu cầu về hiệu suất khác nhau đối với màng phủ, bao gồm độ bóng, đặc tính đo màu, độ cứng, tính linh hoạt, khả năng chống mài mòn và chống va đập. Do đó, việc phát triển lớp phủ phải đạt được sự cân bằng giữa hiệu quả xử lý và hiệu suất của màng.
Nghiên cứu về quy trình phủ
Lớp phủ là một quá trình kỹ thuật có hệ thống. Việc tối ưu hóa quy trình phủ có thể mở rộng hơn nữa ranh giới ứng dụng của công nghệ LED-UV. Như một ngành công nghiệp đã nói,"Ba phần phụ thuộc vào lớp phủ, bảy phần phụ thuộc vào quy trình sử dụng". Cuối cùng, cả lớp phủ và nguồn sáng đều chỉ đạt được hiệu suất mong muốn thông qua ứng dụng thích hợp.
Hơn nữa, tối ưu hóa quy trình phủ kết hợp với lớp phủ UV và nguồn sáng LED có thể bù đắp đáng kể những hạn chế của cả vật liệu và nguồn sáng. Ví dụ: sưởi ấm có thể làm giảm độ nhớt của lớp phủ có hàm lượng-nhựa-cao vốn có độ nhớt quá cao ở nhiệt độ phòng, khiến chúng phù hợp với các phương pháp ứng dụng khác nhau. Ngoài ra, gia nhiệt có thể cải thiện tính lưu động của hệ thống phủ, tăng cường hoạt động phân tử, đảm bảo các phản ứng xử lý ban đầu hoàn thiện hơn và mang lại bề mặt màng mịn hơn.
Nghiên cứu về chuỗi công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn
Trong hai năm qua, tình trạng thiếu hụt và giá các chất xúc tác quang tăng vọt do các chiến dịch bảo vệ môi trường gây ra đã gây ra thiệt hại rõ rệt cho các doanh nghiệp hạ nguồn và cản trở nghiêm trọng sự phát triển của công nghệ LED UV. Điều này nhấn mạnh rằng sự kết nối của các chuỗi công nghiệp thượng nguồn và hạ nguồn cũng như sự thông suốt của hệ thống chuỗi cung ứng là những đảm bảo cơ bản cho sự phát triển lành mạnh của một ngành cũng như sự thành công trên thị trường của các sản phẩm và công nghệ của ngành đó.
Trong khi nhiều ngành phát triển từ đầu thông qua động lực thúc đẩy lẫn nhau của đổi mới công nghệ, phát triển công nghiệp và nhu cầu tăng đột biến, những yếu tố này phải được đánh giá toàn diện trong quá trình thị trường hóa.
Hơn nữa, từ góc độ đầu tư, việc nghiên cứu và triển khai chuỗi ngành thượng nguồn và hạ nguồn không chỉ có thể đảm bảo nguồn cung ổn định khi sản phẩm gia nhập thị trường mà còn giúp doanh nghiệp chia sẻ cổ tức từ tăng trưởng của ngành.
