قبل التعمق في تكنولوجيا UV-LED، يجب علينا أولاً توضيح العديد من المفاهيم الأساسية للتأكد من أننا نناقش نفس الموضوع. سيؤدي هذا إلى منع التفسيرات الخاطئة والاتصال عبر -الأغراض. هنا،الأشعة فوق البنفسجيةتشير إلى المواد القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية-مثل طبقات الطلاء بالأشعة فوق البنفسجية، وأحبار الأشعة فوق البنفسجية، والمواد اللاصقة فوق البنفسجية؛قاديشير على وجه التحديد إلى مصادر ضوء LED فوق البنفسجية؛ والأشعة فوق البنفسجية -LED يتم تعريفه على أنه"معالجة المواد فوق البنفسجية باستخدام مصادر ضوء LED فوق البنفسجية كمصدر للإشعاع".
كما نعلم جميعًا، فإن مصدر ضوء المعالجة التقليدي للطلاءات فوق البنفسجية هو مصباح الزئبق ذو الضغط المتوسط- والضغط العالي-. في السنوات الأخيرة، مدفوعًا بسياسات الحفاظ على الطاقة وحماية البيئة، إلى جانب التقدم السريع في تقنية UVLED (LED فوق البنفسجية) التي أرست الأساس لتطبيقات النطاق الصناعي-، شهد السوق طفرة كبيرة في اعتماد UV-LED. تجذب التقنيات الناشئة دائمًا اهتمامًا وحماسًا واسع النطاق. ومع ذلك، كممارسين في الصناعة، فإن الفهم الواضح لـ UV{7}}LED أمر ضروري. وهنا، نود أن نشارك خبرتنا البحثية في مجال -LED للأشعة فوق البنفسجية على مدار العامين الماضيين.
أدى التحول في مصادر الضوء (سيتم تفصيل الاختلافات بين مصابيح LED ومصابيح الزئبق لاحقًا) إلى تحول في أنظمة صياغة طلاء الأشعة فوق البنفسجية بالإضافة إلى ثورة في عمليات الطلاء والمعالجة بأكملها. بالنسبة لنظام UV-LED، قمنا بتحديد خمسة اتجاهات بحثية رئيسية تشمل الأبعاد الفنية والسوقية.
بحث حول المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية-LED
كما هو موضح سابقًا، تعتمد المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية -LED علىضوء LED بالأشعة فوق البنفسجيةمصادر لعلاج المواد فوق البنفسجية. ولذلك، فإن تحقيق العلاج الفعال هو الهدف الأساسي لجميع الجهود البحثية. يتطلب العلاج الضوئي عنصرين لا غنى عنهما: الضوء (مصدر الطاقة) والمواد فوق البنفسجية (المستقبل). يؤدي التغيير في مصدر الضوء حتمًا إلى تعطيل توازن النظام بأكمله، حيث يكمن جوهره في البحث والتطوير متعدد التخصصات لمواءمة طبقات الأشعة فوق البنفسجية مع مصادر ضوء LED.
من المعترف به على نطاق واسع أن الأطوال الموجية الأقصر لـ LED تتوافق مع مستويات طاقة أعلى وتكاليف أعلى. على العكس من ذلك، فإن المحفزات الضوئية التي تتطلب طاقة إثارة أقل تتميز بأطوال موجية امتصاص أطول وتتطلب أيضًا أسعارًا أعلى. يؤدي هذا إلى إنشاء علاقة متأرجحة-بين مصادر الضوء والبادئين. ومن ثم، فإن توسيع حدود الأداء لكليهما وتحديد التوازن الأمثل بين مصادر ضوء LED ومواد الأشعة فوق البنفسجية أصبح محور تركيز مبادرات البحث والتطوير الخاصة بـ UV-LED.
بحث حول أنظمة مصدر الضوء LED
تكنولوجيا المصابيح الزئبقية ناضجة للغاية من حيث التطوير والتطبيق، وتعتبر منذ فترة طويلة مصدر الضوء القياسي. وفي المقابل، لا تزال تكنولوجيا LED للأشعة فوق البنفسجية في مهدها، وتتمتع بإمكانات هائلة للنمو في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، فإن سلسلة صناعة LED واسعة النطاق للغاية، وتشمل نمو البلورات، وتقطيع الرقائق، وتغليف الرقائق، وتكامل وحدة مصدر الضوء، بالإضافة إلى التحكم في مصدر الطاقة وتصميم نظام تبديد الحرارة. تؤثر كل مرحلة تأثيرًا حاسمًا على جودة المنتج النهائي-مصدر ضوء UVLED. لذلك، يعد فهم حدود أداء مصابيح LED وتوسيعها أمرًا ضروريًا لتطوير النظام البيئي للأشعة فوق البنفسجية -LED بالكامل.
الاختلافات بين مصادر ضوء LED ومصابيح الزئبق (المزايا والعيوب والمفاهيم الخاطئة الشائعة حول مصابيح LED)
لتحقيق الفوز في المنافسة في السوق، يعد الفهم الشامل لنقاط القوة ونقاط الضعف لدى المنافسين أمرًا ضروريًا. وبما أننا نهدف إلى استبدال مصابيح الزئبق التقليدية بمصابيح UVLED، فمن الضروري أولاً مقارنة التقنيتين وتحليل المزايا والعيوب والقيود الخاصة بكل منهما.
تعالج الطلاءات فوق البنفسجية لأن المحفزات الضوئية في تركيباتها تمتص الضوء فوق البنفسجي ذي أطوال موجية محددة، وتولد جذور حرة (أو كاتيونات/أنيونات) تبدأ بلمرة المونومر. لتوضيح هذا المبدأ، سنقوم أولاً بفحص أطياف انبعاث مصابيح الزئبق ومصابيح LED فوق البنفسجية.
هذا المخطط عبارة عن مقارنة كلاسيكية وشائعة لأطياف انبعاث مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية ومصابيح الزئبق. كما يمكن ملاحظة من الرسم البياني، فإن طيف انبعاث مصباح الزئبق مستمر، ويمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء. على وجه الخصوص، تتركز شدة الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية فئة B إلى نطاق الموجات القصيرة-من الأشعة فوق البنفسجية. على النقيض من ذلك، فإن طيف انبعاث LED ضيق نسبيًا، حيث يتميز النطاقان الموجيان الأكثر شيوعًا بأطوال موجية قصوى عند 365 نانومتر و395 نانومتر (بما في ذلك 385 نانومتر و395 نانومتر و405 نانومتر).
حاليا الابتدائيةضوء الأشعة فوق البنفسجيةمع التطبيق الصناعي يقع ضمن نطاق UVA، وتحديدًا مصادر ضوء LED ذات أطوال موجية تبلغ 365 نانومتر و395 نانومتر كما هو موضح في الشكل 1. ضمن نطاق الطول الموجي هذا، يظهر معظم المبتكرين الضوئيين معاملات انقراض مولية منخفضة نسبيًا. ونتيجة لذلك، تعاني أنظمة UV-LED عمومًا من انخفاض كفاءة البدء وتثبيط الأكسجين الشديد، مما يضر بمعالجة السطح.
ملحوظة: الادعاء الذي تقدمه العديد من الشركات المصنعة لـ UVLED أو موردي طلاء LED للأشعة فوق البنفسجية بشكل متكرر حول "قابلية الرمل الممتازة لطلاءات LED للأشعة فوق البنفسجية" هو، بالمعنى الدقيق للكلمة، نتيجة مباشرة لعدم كفاية معالجة السطح. لا يكمن التحدي الحقيقي في تحقيق قابلية رملية جيدة، ولكن في تمكين قابلية الرمل التي يمكن التحكم فيها- وتحقيق التوازن بين مقاومة التآكل وسهولة الصنفرة. علاوة على ذلك، تلجأ بعض الشركات المصنعة إلى ممارسات خادعة: تركيب مصباح زئبقي خلف مجموعة LED، حيث يلعب مصباح الزئبق دور المعالجة المهيمن.
ومع ذلك، نلاحظ أيضًا أنه في نطاقي الموجات 365 نانومتر و395 نانومتر، توفر مصابيح LED كثافة إضاءة أعلى بكثير من مصابيح الزئبق، مما يسهل معالجة الطبقة العميقة - من المواد فوق البنفسجية.
(كمرجع، تشتمل العديد من أنظمة المعالجة التقليدية بالأشعة فوق البنفسجية على مصباح الغاليوم (مع طول موجة انبعاث سائد يبلغ 415 نانومتر) جنبًا إلى جنب مع مصابيح الزئبق، وذلك على وجه التحديد لتعزيز فعالية معالجة الطبقة العميقة-.)
عادة ما ينشأ هذا المفهوم الخاطئ من فرضية مفادها أن30% فقط من الضوء المنبعث من مصابيح الزئبق هو ضوء فوق بنفسجي (UV)، بينما تنبعث مصابيح UVLED 100% من ضوء الأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فإن المحددات الحقيقية لاستهلاك الطاقة على مستوى النظام- هي كفاءة التحويل الكهروضوئي وكفاءة الإضاءة الفعالة. تتميز مصابيح الزئبق في الواقع بكفاءة تحويل كهروضوئية عالية-ويكمن عيبها في حقيقة أن جزءًا كبيرًا من الضوء المنبعث يتكون من الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء، حيث تمثل الأشعة فوق البنفسجية (المكون الوحيد المفيد لمعالجة المواد فوق البنفسجية) 30% فقط. في المقابل، تتمتع مصابيح UVLED بكفاءة تحويل كهروضوئية أقل بكثير، وتحوم حاليًا حول 30% للأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية (وهو ما يعادل تقريبًا كفاءة ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمصابيح الزئبق).
ووفقا لقانون حفظ الطاقة، فإن الـ 70% المتبقية من الطاقة الكهربائية تتحول إلى حرارة. وهذا ما يفسر اختلافين رئيسيين بين التقنيتين:
اكتسبت مصابيح LED سمعتها باعتبارها "مصادر للضوء البارد" نظرًا لأن الحرارة المتولدة تتبدد من الجزء الخلفي من لوحة المصباح، مما يجعل السطح الذي ينبعث منه الضوء -باردًا عند اللمس. وعلى العكس من ذلك، تشع مصابيح الزئبق الحرارة إلى الأمام من خلال عاكساتها وانبعاثات الأشعة تحت الحمراء.
وهذا هو على وجه التحديد سبب احتياج مصادر ضوء UVLED بشكل عام إلى أنظمة تبريد-الهواء، كما أن مصابيح UVLED عالية الطاقة-تتطلب وحدات تبريد مائية-حجمها قادر على التعامل مع 70% من الطاقة الكهربائية لمصدر الضوء لتبديد حرارة رأس المصباح.
تنبع المزايا الحقيقية لتوفير الطاقة-لمصابيح LED من سمتين فريدتين: إمكانية التشغيل/الإيقاف الفوري والإشعاع الدقيق عبر التصميم البصري، مما يعزز كفاءة الإضاءة الفعالة. ومع ذلك، فإن الاستفادة من هذه الفوائد تتطلب التكامل مع تقنيات الكشف بالأشعة تحت الحمراء وأنظمة التحكم الذكية-التي تفتقر حاليًا معظم الشركات المصنعة لمعدات UV LED في السوق إلى القدرة على البحث والتطوير لتطويرها.
توليد الأوزون: يتضمن طيف انبعاثها ضوءًا فوق بنفسجيًا بعيدًا-أقل من 200 نانومتر، مما ينتج عنه كميات كبيرة من الأوزون. (هذا هو السبب الجذري للرائحة النفاذة التي أبلغ عنها عمال المصانع الذين يقومون بتشغيل أنظمة مصابيح الزئبق.)
التلوث بالزئبق الناتج عن التخلص منه: تتمتع مصابيح الزئبق بعمر خدمة قصير يصل إلى 800-1000 ساعة فقط. ويؤدي التخلص غير السليم من المصابيح المستهلكة إلى تلوث ثانوي بالزئبق، وهي مشكلة لا تزال مستعصية على الحل حتى يومنا هذا.
وتشير التقارير إلى أن الطاقة اللازمة سنويا لمعالجة نفايات الزئبق تعادل قدرة التوليد المجمعة لسدود الخوانق الثلاثة. والأسوأ من ذلك أنه لا توجد حالياً تكنولوجيا قابلة للتطبيق للتخلص التام من الزئبق في مجاري النفايات.
مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية خالية تمامًا من هذه المشكلات. منذ أن دخلت اتفاقية ميناماتا بشأن الزئبق حيز التنفيذ رسميًا في الصين في 16 أغسطس 2017، تم وضع -التخلص التدريجي من مصابيح الزئبق على جدول الأعمال الرسمي. وبينما تتضمن الاتفاقية إعفاءً لمصابيح الفلورسنت الزئبقية الصناعية حيث لا توجد بدائل، فإنها تنص أيضاً على أنه يجوز للأطراف الموقعة أن تقترح إضافة هذه المنتجات إلى القائمة المقيدة بمجرد توافر بدائل صالحة. ومن ثم، فإن الجدول الزمني للمرحلة الكاملة-للتخلص من مصابيح الزئبق في تطبيقات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية يتوقف بالكامل على التقدم التكنولوجي وتصنيع حلول UV LED.
وهو يدعم المعالجة الدقيقة الموضعية لتطبيقات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد.
من خلال إقران مصابيح LED مع محفزات ضوئية مختلفة، فإنها تسمح بالتحكم الدقيق في درجات المعالجة وأعماقها.
تكوين مصدر الضوء القابل للتخصيص تتميز مصابيح LED بتصميم حبة مصباح معياري، مما يسمح بتعديل مرن للطول والعرض وزاوية التشعيع. يتيح هذا التنوع إنشاء مصادر ضوء نقطية، ومصادر ضوء خطية، ومصادر إضاءة منطقة، مصممة خصيصًا لتلبية المتطلبات المحددة لعمليات المعالجة المتنوعة.
متطلبات معلمة مصدر الضوء لمعالجة المواد بالأشعة فوق البنفسجية
الطول الموجي:365 نانومتر، 395 نانومتر
الإشعاع (شدة الضوء، كثافة الطاقة الضوئية): ميجاوات/سم²
إجمالي جرعة الطاقة: مللي جول/سم²
لا يمكن أن تستمر عملية المعالجة الضوئية بدون المعلمات الأساسية الثلاثة المذكورة أعلاه: الطول الموجي، وشدة الضوء، وجرعة الطاقة الإجمالية. ويحدد الطول الموجي ما إذا كان من الممكن تنشيط المحفزات الضوئية؛ تحدد شدة الضوء كفاءة بدء الأشعة فوق البنفسجية وتؤثر بشكل مباشر على معالجة السطح (مقاومة تثبيط الأكسجين) وأداء المعالجة العميقة؛ بينما تضمن جرعة الطاقة الإجمالية معالجة شاملة للمادة.
بالمقارنة مع مصابيح الزئبق، فإن الميزة الأبرز لمصابيح LED تكمن في خصائصها القابلة للتركيب والضبط. ضمن حدود أداء LED نفسه، يمكن تحسين معلماته إلى أقصى حد لتلبية متطلبات المعالجة المحددة. في تجارب المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية - LED، يكون الهدف الأساسي هو التوسيع المستمر لحدود الأداء لكل من مصدر الضوء والمواد فوق البنفسجية، وتحديد التوازن الأمثل بينهما. بالنسبة لمصابيح LED على وجه التحديد، يعني هذا تحديد معلمات مصدر ضوء LED المثالية استنادًا إلى تركيبة الطلاء لتحقيق نتائج المعالجة المثالية.
مبدأ التلألؤ LED وحالة التطوير الحالية لرقائق UVLED
استنادًا إلى مبدأ انتقال الإلكترون (تم حذف التفاصيل؛ يمكن للقراء المهتمين الرجوع إلى الموارد عبر الإنترنت لمزيد من المعلومات)، عندما تعود الإلكترونات في الذرة من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية، فإنها تطلق طاقة على شكل إشعاع بأطوال موجية مختلفة (أي تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية مختلفة).
ولذلك، هناك طريقتان أساسيتان لتصنيع مصادر الضوء التي ينبعث منها الأشعة فوق البنفسجية-:
النهج الأول هو تحديد الذرة التي يقع فرق طاقة الإلكترون فيها بين الحالة المثارة والحالة الأرضية ضمن نطاق الطيف فوق البنفسجي تمامًا. مصابيح الزئبق التقليدية هي مصادر الضوء فوق البنفسجي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع بناءً على هذا المبدأ.
النهج الثاني يعزز مبدأ التلألؤ أشباه الموصلات (تم حذف التفاصيل؛ يمكن للقراء المهتمين الرجوع إلى الموارد عبر الإنترنت لمزيد من المعلومات). باختصار، عندما يتم تطبيق جهد أمامي على -أشباه الموصلات التي ينبعث منها ضوء، فإن الثقوب المحقونة من منطقة P- إلى منطقة N- والإلكترونات المحقونة من منطقة N- إلى منطقة P- تتحد مجددًا مع الإلكترونات في منطقة N- والثقوب في منطقة P- على التوالي ضمن بضعة ميكرومترات بالقرب من PN تقاطع، وتوليد إشعاع الفلورسنت عفوية.
كما هو معروف على نطاق واسع، فإن فجوة النطاق لمواد أشباه الموصلات من المجموعة III-V والتي تتراوح من نيتريد الألومنيوم إلى نيتريد الغاليوم أو نيتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN) تقع بدقة ضمن الطيف من الضوء الأزرق إلى الضوء فوق البنفسجي. ومن خلال ضبط نسبة مادة نيتريد الألومنيوم والإنديوم والجاليوم، يمكننا إنتاج مصادر ضوء فوق بنفسجي ومرئي عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية.
في حين أنه من الناحية النظرية، يمكن إنتاج ضوء بأي طول موجي عن طريق ضبط تركيبة المواد الانارة، إلا أن نطاق رقائق UVLED المتاحة للإنتاج التجاري يظل محدودًا جدًا بسبب القيود المختلفة. تتركز رقائق الطاقة العالية-المناسبة للتطبيقات الصناعية بشكل أساسي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (365–415 نانومتر). في السنوات الأخيرة، شهدت تقنيات UVB وUVC أيضًا تطورًا قويًا، ولكنها تقتصر بشكل أساسي على الأسواق المدنية والاستهلاكية منخفضة الطاقة-مثل التطهير والتعقيم.
هناك عدة أسباب رئيسية لذلك:
يحدد هيكل المادة البلورية كفاءة الإضاءة (كفاءة التحويل الكهروضوئي) ولا يزال من الممكن استخدام نيتريد الغاليوم (GaN) ونيتريد الغاليوم الإنديوم (InGaN) عالي الكفاءة في نطاق 365-405 نانومتر داخل UVA. على النقيض من ذلك، تعتمد رقائق UVB وUVC بالكامل على نيتريد الألومنيوم الغاليوم (AlGaN)-وهي مادة ذات كفاءة إضاءة منخفضة بطبيعتها-بدلاً من GaN وInGaN الأكثر استخدامًا. وذلك لأن GaN وInGaN يمتصان الضوء فوق البنفسجي الذي يقل عن 365 نانومتر. ونتيجة لذلك، فإن كفاءة الإضاءة لرقائق UVB وUVC منخفضة للغاية. على سبيل المثال، تتمتع شريحة LG مقاس 278 نانومتر بكفاءة تحويل كهروضوئية تبلغ 2% فقط.
تحديات تبديد الحرارة الناتجة عن انخفاض الكفاءة وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة، فإن كفاءة التحويل الكهروضوئي بنسبة 2% تعني أن 98% من الطاقة الكهربائية يتم تحويلها إلى حرارة. علاوة على ذلك، فإن عمر الخدمة وكفاءة الإضاءة لرقائق LED تتناسب عكسيا مع درجة الحرارة. يفرض توليد الحرارة العالية هذا متطلبات صارمة للغاية على أنظمة تبديد الحرارة. باستخدام تقنيات التبريد الحالية، من المستحيل تحقيق تبديد فعال للحرارة لرقائق UVB وUVC ذات الطاقة العالية-.
نفاذية منخفضة للأشعة فوق البنفسجية لمواد التغليف والعدساتلحماية رقائق LED، يعد التغليف أمرًا ضروريًا. نظرًا لأن مصابيح LED تبعث الضوء في كل الاتجاهات، فإن العدسات مطلوبة لتركيز شعاع الضوء. ومع ذلك، باستثناء زجاج الكوارتز، تتمتع معظم المواد بنفاذية منخفضة جدًا للأشعة فوق البنفسجية-وتنخفض النفاذية بشكل حاد مع قصر الطول الموجي. وبالتالي، على الرغم من أن كفاءة الإضاءة المتأصلة لرقائق UVB/UVC منخفضة بالفعل، إلا أن العدسات تمتص جزءًا كبيرًا من الضوء، مما يؤدي إلى إنتاج ضوء ضعيف للغاية قابل للاستخدام بالكاد يكفي للتطبيقات الصناعية.
إنتاجية كريستال منخفضة وتكاليف إنتاج عالية. يتم إنتاج رقائق UVB وUVC الحالية باستخدام نفس المفاعلات مثل رقائق UVA. بالإضافة إلى عيوب المواد المتأصلة، تؤدي مشكلات مثل معاملات التمدد الحراري غير المتطابقة بين الركيزة والبلورة إلى إنتاج بلورات منخفضة للغاية، مما يؤدي بدوره إلى إبقاء تكاليف الإنتاج مرتفعة بشكل فاحش.
بشكل عام، نظرًا لانخفاض كفاءة الإضاءة والتكاليف العالية والمتطلبات الصارمة لتبديد الحرارة لتقنيات الأشعة فوق البنفسجية (UVB) وUVC، فقد أدى تطوير{0}}طاقة عاليةضوء UVB وUVCوستظل مصادر التطبيقات الصناعية بعيدة المنال حتى يتم تحقيق اختراقات تكنولوجية كبيرة.
التركيز الرئيسي على البحث والتطوير لأنظمة مصدر ضوء LED
تعد شريحة LED مكونًا مهمًا واحدًا فقط لمصدر ضوء LED. عند إجراء البحث والتطوير على مصادر ضوء LED، يجب علينا اعتماد أمنهجي,نهج شمولي. إلى جانب ضبط الطول الموجي LED، يشمل نطاق البحث والتطوير سلسلة من العمليات النهائية بما في ذلك تكنولوجيا التغليف والتصميم البصري وأنظمة تبديد الحرارة وأنظمة إمداد الطاقة وأنظمة التحكم الذكية.
حاليًا، هناك أربعة هياكل تعبئة رئيسية لرقائق LED:
هيكل جبل عمودي
اقلب-هيكل الشريحة
الهيكل العمودي
هيكل عمودي ثلاثي الأبعاد
تعتمد رقائق LED التقليدية عادة على هيكل تركيب عمودي مع ركيزة من الياقوت. يتميز هذا الهيكل بتصميم بسيط وعمليات تصنيع ناضجة. ومع ذلك، فإن الياقوت له موصلية حرارية ضعيفة، مما يجعل من الصعب على الحرارة الناتجة عن الشريحة أن تنتقل إلى المشتت الحراري- وهو قيد يقيد تطبيقه في أنظمة LED عالية الطاقة-.
يمثل تغليف الشرائح-Flip أحد اتجاهات التطوير الحالية. على عكس هياكل التركيب الرأسي، لا تحتاج الحرارة في تصميمات الرقائق المقلوبة-إلى المرور عبر ركيزة الياقوت الخاصة بالرقاقة. وبدلاً من ذلك، يتم نقله مباشرة إلى ركائز ذات موصلية حرارية أعلى (مثل السيليكون أو السيراميك) ثم يتبدد في البيئة الخارجية عبر قاعدة معدنية. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن هياكل الشرائح -تقلّب الحاجة إلى أسلاك ذهبية خارجية، فإنها توفر كثافة تكامل أعلى للرقاقة وقوة بصرية محسنة لكل وحدة مساحة. ومع ذلك، تشترك هياكل الشريحة ذات التركيب الرأسي والقلب- في عيب مشترك: حيث توجد أقطاب P وN الكهربائية الخاصة بمصابيح LED على نفس الجانب من الشريحة. يؤدي هذا إلى إجبار التيار على التدفق أفقيًا عبر طبقة n{9}}GaN، مما يؤدي إلى ازدحام التيار وارتفاع درجة الحرارة الموضعي، وفي النهاية الحد من الحد الأعلى لتيار المحرك.
شرائح الضوء-الزرقاء ذات البنية الرأسية-تطورت من تقنية التركيب العمودي. في هذا التصميم، يتم قلب شريحة الركيزة- التقليدية من الياقوت وربطها بركيزة شديدة التوصيل للحرارة، متبوعة برفع الليزر-من ركيزة الياقوت. يعالج هذا الهيكل بشكل فعال عنق الزجاجة الخاص بتبديد الحرارة، ولكنه يتضمن عمليات تصنيع معقدة - وخاصة خطوة نقل الركيزة الصعبة - والتي تؤدي إلى انخفاض عوائد الإنتاج. ومع ذلك، مع تقدم التكنولوجيا، أصبح التغليف العمودي لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية ناضجًا بشكل متزايد.
تم مؤخرًا اقتراح هيكل رأسي ثلاثي الأبعاد جديد. بالمقارنة مع شرائح LED ذات الهيكل الرأسي التقليدي-، تشتمل مزاياها الأساسية على التخلص من ربط الأسلاك الذهبية، وتمكين ملفات تعريف الحزمة الأقل سمكًا، وتحسين أداء تبديد الحرارة، والتكامل الأسهل لتيارات القيادة العالية. ومع ذلك، يجب التغلب على العديد من العقبات التقنية قبل أن يتم تسويق الهياكل الرأسية ثلاثية الأبعاد تجاريًا.
نظرًا لأن مصابيح UVLED تظهر بشكل عام كفاءة إضاءة أقل مقارنةً بمصابيح LED للإضاءة العامة، فإن تعبئة الهيكل الرأسي هي الخيار المفضل لزيادة كفاءة استخلاص الضوء إلى أقصى حد.
نظرًا لأن مصابيح LED تبعث الضوء في كل الاتجاهات، وتكون كفاءتها المضيئة المتأصلة منخفضة نسبيًا بالفعل، فإن التصميم البصري العلمي والعقلاني مطلوب لتعزيز كفاءة الإضاءة الفعالة (أي كفاءة الإضاءة للإشعاع الأمامي). تشمل المكونات البصرية الشائعة العاكسات والعدسات الأولية والعدسات الثانوية.
بالإضافة إلى ذلك، يتعرض الضوء فوق البنفسجي لتوهين عالي عند مروره عبر الوسائط. ولذلك، يجب تقييم عوامل متعددة عند اختيار مواد العدسات-مثل زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات والزجاج المقسى-مع إعطاء الأولوية للمواد ذات نفاذية الأشعة فوق البنفسجية العالية. وهذا لا يزيد من إنتاج الضوء فحسب، بل يمنع أيضًا الارتفاع المفرط في درجة الحرارة الناتج عن امتصاص ضوء المادة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية لفترة طويلة.
كما ذكرنا سابقًا، وفقًا لقانون حفظ الطاقة، يتحول جزء فقط من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية، بينما يتبدد جزء كبير منها على شكل حرارة. بالنسبة لنطاق UVA، تبلغ نسبة تحويل الطاقة النموذجية 10:3:7 للكهرباء والضوء والحرارة على التوالي. يرتبط عمر الخدمة الفعال لرقائق LED ارتباطًا وثيقًا بدرجة حرارة الوصلات الخاصة بها. في عملية المعالجة الضوئية، غالبًا ما تتطلب كثافة الطاقة الضوئية العالية تكاملًا عالي الكثافة-لشرائح LED، مما يفرض متطلبات صارمة على أنظمة تبديد الحرارة.
وبالتالي، فإن تحقيق تبديد الحرارة بكفاءة وضمان بقاء درجة حرارة الوصل لجميع شرائح LED ضمن نطاق معقول ومتوازن يتطلب تصميمًا علميًا صارمًا، ومحاكاة حاسوبية، واختبارًا عمليًا.
بحث عن تركيبات طلاء للأشعة فوق البنفسجية
حدود المحفزات الضوئية ومنهج مستوى النظام- فيما يتعلق بتفاعل الراتنج والمونومر كما هو موضح في المقدمة السابقة لتقنية LED، فإن مصادر ضوء LED عالية الطاقة -المناسبة للتطبيقات الصناعية تقتصر حاليًا على نطاق الأشعة فوق البنفسجية فئة A، وتحديدًا الأطوال الموجية التي تزيد عن 365 نانومتر. بعد تحديد حدود أداء مصادر ضوء LED، يمكننا الآن أن نرى أن اختيار المحفزات الضوئية المتوافقة محدود إلى حد ما، حيث أن معظم المبدئين الضوئيين يظهرون معاملات انقراض مولية منخفضة عند أطوال موجية أعلى من 365 نانومتر.
لمعالجة مشكلة انخفاض كفاءة بدء تشغيل أجهزة البادئ الضوئي المتوافقة مع LED-، يجب ألا تقتصر جهود البحث والتطوير على البادئين الضوئيين أنفسهم. بدلاً من ذلك، نحتاج إلى اعتماد منظور على مستوى النظام-يدمج الراتنجات والمونومرات والمحفزات الضوئية وحتى الإضافات المساعدة في إطار بحث شامل، وبالتالي تعزيز كفاءة المعالجة لأنظمة الأشعة فوق البنفسجية LED.
تصميم التركيبة وتطوير عملية الطلاء لمعالجة LED (تأثيرات المبدئات الضوئية، والراتنجات، والمونومرات، ودرجة الحرارة، وجفاف السطح، من خلال الجفاف، والأصباغ والمواد المالئة) لتحسين امتصاص ضوء الأشعة فوق البنفسجية ذو الطول الموجي الطويل- بواسطة المبدئات الضوئية، غالبًا ما يكون من الضروري دمج حلقات البنزين والنيتروجين (N) والفوسفور (P) والذرات الأخرى في بنياتها الجزيئية. في حين أن هذا التعديل يعزز امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي الطويل-، فإنه يؤدي أيضًا إلى زيادة تلوين المحفزات الضوئية.
علاوة على ذلك، نظرًا لانخفاض كفاءة امتصاص الضوء لهذه البادئات، يجب إضافة كميات كبيرة من الراتنجات والمونومرات عالية التفاعل-نموذجيًا عالية-الراتنجات والمونومرات الأكريليكية الوظيفية-لتسريع معدل التفاعل الإجمالي لنظام الطلاء. ومع ذلك، فإن هذا النهج يميل إلى إنتاج طلاءات ذات صلابة عالية ولكن مرونة ضعيفة، مما يحد من نطاق تطبيقاتها.
ومع ذلك، فإن معاملات الانقراض المولية المنخفضة عمومًا لمحفزات الأشعة فوق البنفسجية LED توفر أيضًا ميزة فريدة: فهي تسمح بنفاذية أعلى للضوء فوق البنفسجي من خلال طبقة الطلاء، مما يفضي إلى المعالجة العميقة للأغشية السميكة.
متطلبات أداء الطلاء لمختلف ظروف التخزين والنقل والبناء وعمليات التطبيق في صناعة الطلاء، تفرض تقنيات التطبيق المختلفة مثل الطلاء الأسطواني والطلاء بالرش وطلاء الستائر متطلبات لزوجة مميزة على الطلاءات. وفي الوقت نفسه، تتطلب الركائز المختلفة خصائص طلاء مخصصة من حيث قابلية البلل والالتصاق. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب اختلاف ظروف النقل والتخزين مستويات مقابلة من استقرار تخزين الطلاءات. ولذلك، كل هذه العوامل يجب أن تؤخذ بعين الاعتبار بشكل كامل أثناء تصميم صياغة الطلاء.
متطلبات أداء فيلم الطلاء لتطبيقات متنوعة تفرض مجالات التطبيق المختلفة متطلبات أداء مختلفة على أفلام الطلاء، بما في ذلك اللمعان، والخصائص اللونية، والصلابة، والمرونة، ومقاومة التآكل ومقاومة التأثير. وبالتالي، يجب أن يحقق تطوير الطلاء توازنًا بين فعالية المعالجة وأداء الفيلم.
بحث عن عمليات الطلاء
الطلاء هو عملية هندسية منهجية. يمكن أن يؤدي تحسين عمليات الطلاء إلى زيادة توسيع حدود تطبيق تقنية UV-LED. وكما يقول المثل الصناعي،"ثلاثة أجزاء تعتمد على الطلاء، وسبعة أجزاء تعتمد على عملية التطبيق". وفي نهاية المطاف، لا تحقق كل من الطلاءات ومصادر الضوء الأداء المقصود إلا من خلال التطبيق المناسب.
علاوة على ذلك، فإن تحسين عمليات الطلاء جنبًا إلى جنب مع الطلاء بالأشعة فوق البنفسجية ومصادر ضوء LED يمكن أن يعوض بشكل كبير عن القيود المفروضة على كل من المواد ومصادر الضوء. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي التسخين إلى تقليل لزوجة الطلاءات عالية المحتوى من -الراتنجات- والتي تكون شديدة اللزوجة في درجة حرارة الغرفة، مما يجعلها مناسبة لطرق التطبيق المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتسخين أن يحسن سيولة نظام الطلاء، ويعزز النشاط الجزيئي، ويضمن تفاعلات معالجة أولية أكثر اكتمالاً وينتج أسطح غشاء أكثر سلاسة.
البحث في سلاسل الصناعة الأولية والنهائية
على مدى العامين الماضيين، أدى النقص والارتفاع الكبير في أسعار أجهزة التنشيط الضوئي الناجمة عن حملات حماية البيئة إلى إلحاق خسائر ملموسة بالمؤسسات النهائية وأعاق بشدة تطوير تقنية LED للأشعة فوق البنفسجية. وهذا يؤكد أن الاتصال بين سلاسل الصناعة الأولية والنهائية وسلاسة أنظمة سلسلة التوريد هي الضمانات الأساسية للتنمية الصحية للصناعة ونجاح منتجاتها وتقنياتها في السوق.
وفي حين أن العديد من الصناعات تتطور من الصفر من خلال ديناميكيات يعزز بعضها بعضا مثل الابتكار التكنولوجي والتنمية الصناعية وزيادة الطلب، فإن هذه العوامل يجب تقييمها بشكل شامل أثناء عملية التسويق.
علاوة على ذلك، من منظور الاستثمار، فإن إجراء البحوث ونشر سلاسل الصناعة الأولية والنهائية لا يمكن أن يضمن فقط إمدادات مستقرة عندما تدخل المنتجات إلى السوق، ولكن أيضًا يمكّن الشركات من المشاركة في أرباح نمو الصناعة.
http://www.benweilight.com/professional-lighting/uv-lighting/uv-light-black-light-for-halloween.html
