大功率led紫外固化光學(xué)系統(tǒng)的研究

大功率led紫外固化光學(xué)系統(tǒng)的研究

0led照明需求不斷增長(zhǎng)隨著發(fā)熱技術(shù)的快速發(fā)展，這種設(shè)計(jì)的光照明設(shè)備（light）具有體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、亮度適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸進(jìn)入各種照明和紫外輻射應(yīng)用。隨著人們對(duì)照明應(yīng)用要求的變化和高光通量和高輻通量應(yīng)用需求的增加,大功率LED的需求不斷增長(zhǎng),且具體要求也在不斷變化。而在工業(yè)領(lǐng)域如紫外固化、光化學(xué)合成和光生物改性等,應(yīng)用的紫外光源的功率要求甚至達(dá)到了千瓦級(jí)以上(1~20kW)。1溫度固化性能好、高效、節(jié)能環(huán)保紫外光固化是指用紫外線(UV)照射有機(jī)涂層,使其產(chǎn)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接枝等反應(yīng),將低相對(duì)分子質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高相對(duì)分子質(zhì)量產(chǎn)物的化學(xué)過程。由于該固化反應(yīng)中不需要加熱,反應(yīng)體系中也基本不含有溶劑或只含有極少量的溶劑,且經(jīng)過輻照后液膜幾乎100%固化,因此反應(yīng)引起的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)排放量非常低,基本上不會(huì)污染環(huán)境,是一種綠色環(huán)保的固化技術(shù)。光固化技術(shù)還具有許多卓越的優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)速度非?？?固化所需時(shí)間僅有幾秒至幾十秒,能夠有效地提高生產(chǎn)率;固化溫度很低,不需要額外加熱,在室溫下就可以實(shí)現(xiàn)固化,比熱固化節(jié)能約90%,適用于不宜高溫固化的材料;固化產(chǎn)品性能優(yōu)良,耐腐蝕、耐磨損、強(qiáng)度高、抗沖擊;固化成本低,產(chǎn)量高,產(chǎn)品性價(jià)比好。所以光固化是一種高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)。長(zhǎng)期以來,光固化技術(shù)在國(guó)際上獲得飛速發(fā)展,其產(chǎn)品在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用,包括光固化涂料、光固化油墨、光固化膠粘劑、光固化保護(hù)套、光刻膠、激光三維成像、三維造型等。隨著全球?qū)Νh(huán)保的日益重視,美國(guó)、德國(guó)、日本、意大利等許多國(guó)家已通過立法來限制VOC排放量高的傳統(tǒng)涂料的使用,UV涂料等環(huán)保新材料已逐步取代傳統(tǒng)產(chǎn)品。近年來,紫外固化技術(shù)在地坪涂料中的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注和推廣,在歐美市場(chǎng)已取得了商業(yè)化的突破。地坪要求具有一定的強(qiáng)度和剛度,并且根據(jù)不同場(chǎng)所有不同的性能要求,例如防潮、防水、保暖、耐磨、耐腐蝕等。傳統(tǒng)的地坪涂料都采用化學(xué)方法,使涂料在自然條件下固化,一層涂料通常需要2~6h的干燥時(shí)間,完全固化則需要24h。而在一般地坪涂料的施工過程中,需要進(jìn)行多次打磨→涂漆→固化的過程,因此施工期限長(zhǎng),人力成本高。而紫外固化技術(shù)能使涂料在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)深層固化,大大縮短了工期,節(jié)約了成本。而且紫外涂層固化后表面具有非常良好的性能,完全能夠滿足各種場(chǎng)合對(duì)地坪的要求。2紫外輻射源結(jié)果紫外光源作為光固化反應(yīng)中必不可少的重要構(gòu)成之一,也有著巨大的需求量。根據(jù)統(tǒng)計(jì),在印刷行業(yè)中,1998年全球安裝的紫外光源固化裝置為4.2萬套,而到2007年已達(dá)到了8.5萬套,增長(zhǎng)了一倍以上。目前紫外固化技術(shù)在地坪涂料的應(yīng)用中還處于初期階段,隨著行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,對(duì)于紫外固化設(shè)備的需求也必然大幅增加。當(dāng)前市場(chǎng)上供應(yīng)的紫外光源產(chǎn)品有多種不同類型,包括氣體放電燈如普通中高壓汞燈、微波中壓汞燈(無極燈)、脈沖氙燈等,以及紫外LED光源,分別應(yīng)用于不同的行業(yè)。根據(jù)燈功率、輻射效率、光譜分布、價(jià)格成本等因素考量,這些類型的光源在紫外固化應(yīng)用中各有其優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。圖1描繪了幾種常用紫外光源的光譜,包括低壓汞燈、UV熒光燈、中高壓汞燈、氙燈、準(zhǔn)分子燈以及UV-LED等,不同光源發(fā)出的紫外光譜存在很大的差異。在紫外固化反應(yīng)中必須要使用光引發(fā)劑,光引發(fā)劑吸收一定波長(zhǎng)的能量,產(chǎn)生自由基、陽離子等,從而引發(fā)單體聚合交聯(lián)固化的反應(yīng)。但是不同光引發(fā)劑對(duì)光子波長(zhǎng)的響應(yīng)范圍不同,因此在設(shè)計(jì)地坪涂料紫外固化的施工方案時(shí),必須確保紫外光源與光引發(fā)劑的匹配。圖1(a)描繪的是低氣壓放電燈的光譜。從低壓汞燈的光譜中可以看到燈發(fā)出的主要是位于254nm的線光譜,另外還有少量297、313和365nm的紫外輻射。這是一種高效的紫外光源,通常其254nm輻射效率可達(dá)50%以上,而且放電設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單可靠,在殺菌、紫外固化、環(huán)境污染治理等方面都有著廣泛的應(yīng)用。圖1(a)中的另一條譜線是UV熒光燈的光譜,該燈實(shí)際上就是低壓汞燈燈管內(nèi)表面涂覆紫外熒光粉,254nm紫外輻射激發(fā)熒光粉后,在350nm附近產(chǎn)生較寬的帶光譜,同時(shí)與透射出的低壓汞燈其他輻射譜線疊加而成。其放電原理與低壓汞燈一致,但熒光粉的轉(zhuǎn)換效率<60%,導(dǎo)致部分輻射能量的損失,且紫外熒光粉的衰減很快。盡管低氣壓放電燈的紫外效率較高,但是單燈功率小,功率密度低,因此很難滿足大功率應(yīng)用的需求。目前中高壓汞燈是最常用的大功率紫外光源,光譜如圖1(b)所示,其功率密度能達(dá)到5~25kW/m,輻射強(qiáng)度很大,而且光譜范圍非常寬,覆蓋了紫外到可見區(qū)域。但是固化反應(yīng)中的光敏劑對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收響應(yīng)不同,有些光敏劑對(duì)輻射光有較強(qiáng)的選擇性,只有特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射光才能使反應(yīng)有效進(jìn)行,其他的輻射是無效的。因此這種寬光譜類型的光源,在實(shí)際的應(yīng)用中存在輻射能量的浪費(fèi)。微波中壓汞燈與普通中高壓汞燈類似,具有很高的功率密度,輻射強(qiáng)度大,光譜也相似,且比普通汞燈的啟動(dòng)時(shí)間短,但也存在與普通汞燈相類似的問題。而且由于采用微波驅(qū)動(dòng)的方式,微波汞燈的尺寸受到一定的限制。脈沖氙燈也是比較常用的紫外固化光源,其總體輻射強(qiáng)度較大,輸出熱量較低,能夠形成高脈沖的輻射。但是從1(b)可以看出,氙燈的輻射能量主要集中在可見和紅外區(qū)域,紫外輻射占總輻射的比例很小,因此用于紫外固化的效率是相對(duì)比較低的。圖1(c)是幾種準(zhǔn)分子紫外光源的光譜。準(zhǔn)分子光源最大的特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的窄帶光譜輻射,發(fā)出的紫外波長(zhǎng)寬度僅有幾個(gè)nm,因此非常適合用于波長(zhǎng)選擇性強(qiáng)的應(yīng)用。但是準(zhǔn)分子燈的輻射效率比汞燈要低,而且價(jià)格非常昂貴,成為制約其應(yīng)用的主要原因。伴隨著十多年來半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,固態(tài)紫外光源即紫外LED光源成為了紫外固化光源的新貴。眾所周知,LED具有能效高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、使用靈活方便的特點(diǎn),在可見照明領(lǐng)域,LED光源和燈具逐漸成為主流照明產(chǎn)品,正逐步取代從小功率到大功率的傳統(tǒng)照明光源。隨著紫外LED芯片的輻射效率提升和價(jià)格下降,紫外LED光源實(shí)現(xiàn)了在365nm以上UVA應(yīng)用領(lǐng)域的開拓,為特種紫外光源的研究和開發(fā)開啟了新的方向,有望逐步替代現(xiàn)有的汞燈等傳統(tǒng)氣體放電光源。圖1(d)是不同芯片的UV-LED光譜,可以看到目前UV-LED在365nm以上有多種不同的中心波長(zhǎng)可以選擇,因而可以滿足光引發(fā)劑的使用要求。根據(jù)Anyaogu等人對(duì)氙(Xe)燈系統(tǒng)、汞燈系統(tǒng)以及紫外LED光源固化木質(zhì)涂層、PC涂層等反應(yīng)中的結(jié)果比較,紫外LED基本能夠達(dá)到與傳統(tǒng)氣體放電光源相同的效果,固化后涂層的特性能滿足要求。表1列舉并比較了幾種紫外光源的效率、功率密度等參數(shù)。從表1中可以明確看出,UV-LED的整個(gè)系統(tǒng)能效具有無可比擬的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),其系統(tǒng)能效是中高壓汞燈的4~5倍,而且是可以滿足大功率應(yīng)用要求的。相比于目前以氣體放電燈作為紫外光源的固化裝置,紫外LED固化系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)有:(1)LED光譜范圍窄,有效波長(zhǎng)輻射效率高。紫外LED發(fā)出的光譜比較窄,半寬僅有十幾個(gè)nm,光譜能量集中。而近年來紫外LED芯片技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,目前主波長(zhǎng)365nm以上的LED芯片發(fā)光效率可達(dá)40%以上。汞燈等光源盡管總輻射效率比較高,但是由于其光譜組成非常復(fù)雜,涵蓋紫外到可見區(qū)域,所以有效的紫外波段輻射效率相對(duì)較低。因此,只要滿足UV-LED的輻射中心波長(zhǎng)與涂料中光引發(fā)劑的響應(yīng)波長(zhǎng)的匹配性,那么紫外LED燈具的輻射利用效率就更高。(2)結(jié)構(gòu)緊湊,單位面積的輻射功率(即功率密度)大。在對(duì)地坪涂料進(jìn)行快速固化的過程中,固化反應(yīng)對(duì)紫外輻射的功率密度有較高的要求,采用的紫外光源的功率達(dá)到了千瓦級(jí)以上。而LED體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,芯片集成封裝制成的燈具可以實(shí)現(xiàn)很高的功率密度,能夠得到較強(qiáng)的輻照度,而且整個(gè)系統(tǒng)裝置能夠制作得比較輕巧便捷,便于施工操作。(3)單面出光,系統(tǒng)效率高。中高壓汞燈等氣體放電光源是向全空間發(fā)射紫外光的,因此在實(shí)際應(yīng)用中為了提高效率,固化反應(yīng)系統(tǒng)中通常配有反射罩,燈具效率只有約60%,造成較大的輻射損失。而LED是半空間出光的,紫外輻射的方向性較好,燈具效率可達(dá)90%。(4)使用壽命長(zhǎng),可即開即關(guān)。長(zhǎng)壽命是LED的主要優(yōu)點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的氣體放電燈使用壽命一般只有1000~4000h,而紫外LED的使用壽命可以達(dá)到20000~30000h。此外,汞燈等氣體放電光源啟動(dòng)較慢,燈從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作需要0.5~1h,且壽命受電極影響很大,頻繁開關(guān)燈會(huì)嚴(yán)重影響電極性能從而大大縮短燈的壽命,所以這些燈在使用過程中必須持續(xù)燃點(diǎn),能耗大。而LED的壽命與開關(guān)次數(shù)沒有明顯關(guān)聯(lián),又能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)啟動(dòng),所以可以僅在需要進(jìn)行紫外輻射時(shí)點(diǎn)燈,其實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣體放電燈的壽命。另外,紫外LED燈具這種即開即關(guān)的特點(diǎn)也能夠避免不必要的電力消耗,更加符合節(jié)能環(huán)保的要求。(5)無熱輻射,安全性更高。汞燈等氣體放電光源除了產(chǎn)生紫外輻射等以外,放電過程中還會(huì)形成大量的可見和近紅外熱量損耗。為了維持燈內(nèi)放電物質(zhì)的蒸氣壓,因此光源的表面溫度非常高(放電管表面溫度達(dá)700~900oC)。在地坪施工尤其是室內(nèi)環(huán)境施工過程中,可能會(huì)產(chǎn)生一些揮發(fā)性的易燃易爆氣體,遇到汞燈等光源的高溫照射,容易引起燃燒或爆炸等安全事故。而LED是一種“冷光源”,其發(fā)出的光中不含紅外輻射,且LED芯片產(chǎn)生的熱量通過散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從背面基板導(dǎo)出并采用合理的制冷設(shè)施冷卻散熱,因此光源表面溫度低,也不會(huì)在被照射表面產(chǎn)生熱量積聚,能夠避免此類事故的發(fā)生。3光引發(fā)劑的選用目前為止,高輻射效率的UV-LED發(fā)出的中心波長(zhǎng)都在365nm以上,因此在選擇與UV-LED固化系統(tǒng)匹配的涂料配方時(shí),必須要選用在長(zhǎng)波處具有較大吸收光譜的光引發(fā)劑。而采用汞燈作為紫外光源的固化系統(tǒng)中,最常用的是光引發(fā)劑1173(2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮)。該光引發(fā)劑的吸收光譜在短波300nm左右有很大的吸收峰,但是在長(zhǎng)波380nm附近吸收率很低,如圖2所示。因此,該種光引發(fā)劑并不適用于UV-LED固化系統(tǒng)。使用UV-LED固化系統(tǒng)應(yīng)該選擇吸收光譜較長(zhǎng)的光引發(fā)劑,如光引發(fā)劑819苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦等?？梢杂谩坝行ё贤饫眯省眮碓u(píng)價(jià)固化系統(tǒng)中光源與光引發(fā)劑的匹配性。該參數(shù)綜合考量了紫外光源的輻射效率以及光引發(fā)劑的吸收譜,而沒有考慮光源的實(shí)際功率,有助于對(duì)應(yīng)用體系的整體效率進(jìn)行客觀評(píng)價(jià),不僅可用于紫外固化系統(tǒng),也可以用于其他紫外應(yīng)用。以UV耐污地坪消光面漆為例,其參考配方如表2所示。配方中采用了光引發(fā)劑1173,與中壓汞燈相配合,能達(dá)到較好的固化效果,其有效紫外利用效率為0.058,而中心波長(zhǎng)為380nm的UV-LED與該光引發(fā)劑的有效紫外利用效率僅為0.014,只有中壓汞燈的1/4。而如果采用光引發(fā)劑819,則配合UV-LED的有效紫外利用效率可達(dá)1.118,遠(yuǎn)大于配合中壓汞燈的0.226。因此光引發(fā)劑819與UV-LED的匹配性更好。當(dāng)然,光引發(fā)劑在紫外固化反應(yīng)中的效率對(duì)于整體效率的評(píng)價(jià)也會(huì)造成影響,但有效紫外利用效率的提出,為紫外光源與光引發(fā)劑的方案選擇提供了參考依據(jù)。而不同光引發(fā)劑之間的比較,需要對(duì)各種光引發(fā)劑的吸收譜進(jìn)行更加定量地測(cè)定,這還有待進(jìn)一步的研究工作。4led封裝性能為了滿足光固化工業(yè)應(yīng)用對(duì)大功率紫外光源的照明需求,針對(duì)現(xiàn)有的大功率LED封裝技術(shù)難點(diǎn),我們研究開發(fā)了千瓦級(jí)以上的大功率紫外LED光固化系統(tǒng)。該LED固化系統(tǒng)采用銅板與氮化鋁板的三明治封裝結(jié)構(gòu),直接以銅板作為電極連接,AlN板作為絕緣導(dǎo)熱板,實(shí)現(xiàn)了高功率密度的封裝結(jié)構(gòu)。采用銅板電極代替薄膜電路板連接,可以將LED模組的電流負(fù)載能力提高10倍以上,解決了印刷電路板薄膜的限流問題,增大了LED模組的驅(qū)動(dòng)電流,將單位面積的封裝功率提高到20~500W/cm2。在大功率集成封裝中,為L(zhǎng)ED芯片的串并聯(lián)組合提供了更多的選擇,能夠更為合理地設(shè)計(jì)燈具的電壓和電流等參數(shù),降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)要求。AlN板作為銅板正負(fù)電極之間、銅板電極與散熱器之間的絕緣層,既能達(dá)到良好的絕緣效果,又能夠確保芯片熱量的高效導(dǎo)出,從而改善LED模組的散熱特性。而且AlN板表面無需鍍金屬膜,制作工藝簡(jiǎn)單,能夠有效提高成品率,降低制造成本。另外,LED模組封裝中采用自制的高效導(dǎo)熱膠作為粘結(jié)材料。該導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)120W/(m·K)以上,確保了芯片與基板、銅板與AlN板之間的熱傳導(dǎo),降低了封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱阻,進(jìn)一步優(yōu)化了LED模組的散熱性能。圖3為自主研發(fā)的一款地坪涂料LED紫外固化系統(tǒng)和光源模組的照片。這種移動(dòng)式的紫