Що таке ультрафіолетові світлодіоди?

Ультрафіолетове світло знаходиться поза діапазоном видимого світла. Ультрафіолетові світлодіоди випромінюють саме такою частотою 100-400 нм. Це випромінювання необхідне проведення стерилізації, виробництві продуктів харчування чи косметики, щодо судово-медичних експертиз та інших важливих сферах сучасного життя.

Виготовляються ультрафіолетові світлодіоди присадкою на напівпровідниковий матеріал. Зазвичай для цього вибирається арсенід галію, який може продукувати інфрачервоне, червоне світло. Докладніше про влаштування такого типу світлодіодів написано нижче. Також на цю тематику наведено два відеоролики та науково-популярна стаття, яка допоможе глибше вникнути в матеріал.

Трохи історії

Вперше ідею виготовлення потужних світлодіодів у спектрі ультрафіолетового проміння реалізували інженери компанії Seoul Optodevice Co. LTD, яка є донькою китайського концерну Seoul Semiconductor. Перший комерційний, тобто масштабний, випуск відбувся ще в 2007 році, але за рахунок малої потужності та високої ціни пристрій не знайшов своєї ніші.

Пізніше інженери доопрацювали всі нюанси та випустили у 2011 році нове покоління ультрафіолетових світлодіодів, які мали потужність у 2 рази більшу та ресурс майже в 4 рази більший за вихідник. Такий значний ривок вперед став можливим тільки після винаходу способу корпусування кристалів у світлодіодах і значного зменшення теплового опору між кристалом і корпусом, в який він укладений.

Ультрафіолетові світлодіоди – це пристрої, які тільки починають замінювати звичні джерела УФ випромінювання в діапазоні від 100 до 400 нм, такі як газорозрядні лампи.

Але процес досі рухається вперед, знижуються теплові навантаження, ще більший потенціал, що дозволить незабаром замінити ртутні лампи більш сучасними аналогами.

Ультрафіолетовий світильник великого розміру.

Принцип дії

Ультрафіолетове випромінювання - не сприймається людським оком короткохвильова частина сонячного спектру, що займає діапазон між видимим випромінюванням і рентгенівським, але нижче за граничну межу.

• AlxGa1-xAs алюмінію галію арсенід;
• GaN нітрид галію – бінарна сполука галію та азоту;
• AlN алюмонітрид;
• InN Індія – бінарне з'єднання металу Індія та азоту.

УФ світлодіоди налаштовані на ближню область ультрафіолетового діапазону і випромінюють у діапазоні довжин хвиль 100-400 нм (фіолетовий колір).

Але при цьому серйозно налаштований на подальший розвиток технології з використанням звичайних дугових ламп для друку етикетки, декорування металу та інших промислових призначень.

Малькольм Рей, директор компанії GEW пояснює: «Відсоток електричної енергії, перетвореної на УФ-випромінювання у світлодіодів дуже схоже з цим показником у дугових ламп – від 25 до 30%. Загальні вимоги потужності для світлодіодної системи також подібні до даних звичайних систем – близько 100 Вт/см».

Це може стати сюрпризом, враховуючи, що саме енергозбереження вважається відмінною особливістю світлодіодів. Світлодіоди справді суттєво ефективніші в порівнянні з УФ-системами старого покоління, але, якщо провести аналогію із сучасними системами УФ-затвердіння, відмінності в роботі мінімальні», каже Рей.

Реальна перевага у використанні енергії у світлодіодних системах полягає в тому, що вони миттєво включаються та вимикаються, не вимагаючи циклів розігріву та режиму очікування, характерних для дугових ламп. Це значно знижує споживання невиробничої енергії та може зробити світлодіоди привабливою альтернативою з погляду енергозбереження для виробництв з малими тиражами та режимами очікування з високою витратою енергії».

Другий важливий фактор – ефективність витрат під час терміну служби. Світлодіоди потенційно працюють більше 20 000 годин, що приблизно в 7-10 разів довше, ніж у дугової лампи з її 2-3 тисяч годин.

Технічні характеристики

Розрахунковий час експлуатації складає 50 000 годин, але це показник ідеальних лабораторних умов. Насправді лампа служить набагато менше - до 30000 годин. споживаний струм -20 мА (для малопотужних), 350-700 мА (потужних);

• інтенсивність потоку – 500-4500 мкд;
• кут випромінювання - 90-120 °;
• максимальна температура нагріву 60 ° С;
• температура експлуатації -20/100°С.

Робота при стандартному струмі дозволяє використовувати прилади з УФ випромінюванням від звичайних блоків живлення 220V.

Вимоги до конструкції

Маломощние діоди можуть бути виготовлені в класичному корпусі індикаторних LED ламп, але при цьому повинна бути повністю продумана система охолодження. Це можуть бути мембрани, що вібрують, або вбудовані вентилятори. Таке значення системі охолодження приділяється з тієї причини, що тільки 25% енергії УФ, що одержується при харчуванні, переводить у світ, інші 75% продукуються в тепло.

Підвищення робочої температури будь-якого світлодіода призводить до миттєвого зносу. Ультрафіолетовий за цими параметрами також не є винятком. Корпус, як і кріпильна основа повинні бути виготовлені з прозорого герметизуючого і заливального епоксидного компаунду або міцного пластику. Метал не застосовується, оскільки сильно знижує ККД лампи.

Сфера застосування

Область застосування UV конструкцій аналогічна до тієї ж, яку раніше займали ультрафіолетові лампи. Але при цьому світлодіоди компактніші за розміром, видають більший діапазон випромінювання, витрачають менше енергії і розраховані на тривалий термін роботи.

• Медицина та косметологія. У стоматології UV застосовують для роботи з пломбами та знезараження інструментів. У терапії для фізіопроцедур із поповнення нестачі вітаміну Д, при лікуванні гепатиту та зниження рівня білірубіну в крові новонароджених дітей. У косметології для соляріїв, окремих процедур, що омолоджують.
• Фармакологія Для низки лікарських препаратів.
• Промисловість та виробництво. Для роботи з фоточутливими композитними складами, що твердіють і полімеризуються під впливом таких променів.
• Криміналістика. Для проведення оперативних заходів, виявлення слідів крові, частинок, біологічних рідин у процесі слідства.
• Банківська сфера. За допомогою УФ-променів визначається справжність купюр, зчитуються мітки, що наносяться для певних цілей.
• Манікюрні процедури. Дедалі більше майстрів намагаються купити ультрафіолетові світлодіоди у вигляді спеціальної лампи для сушіння гелевих перманентних лаків (шеллак) та при нарощуванні нігтів гелевими складами.

Це лише найменша частина областей, де можуть використовуватись такі унікальні джерела світла. У багатьох країнах ведуться клінічні дослідження та розробки щодо впливу ультрафіолету на здоров'я, на здатність перешкоджати онкології, на потенційні можливості таких променів у сільському господарстві, промисловості та виробництві. Такі джерела з'явилися порівняно недавно, отже, зовсім скоро на нас чекають цікаві відкриття.

Переваги світлодіодних світильників у порівнянні з традиційними ламповими світильниками відображають дані, наведені в таблиці нижче. У ній прийнято такі позначення: ЛН – лампи розжарювання, КЛЛ – катодолюмінесцентні лампи, ЦД – світлодіоди, ІЧ – інфрачервоне випромінювання, УФ – ультрафіолетове випромінювання.

Таблиця порівняння світлодіодних та лампових світильників.

Безумовно, використання ультрафіолетових світлодіодів для затвердіння та полімеризації має найбільший попит. Сплеск такого попиту пов'язаний із відносно недавнім проривом у технології, що забезпечує щільність потоку УФ випромінювання світлодіодів на різних довжинах хвиль.

Якісне освітлення традиційними світильниками з лампами ДРЛ (дугова ртутна лампа) і ДНаТ (дугова трубчаста натрієва лампа) вимагає не тільки великої кількості електроенергії, але і значних витрат на сервісне обслуговування. Перевага світлодіодів очевидна – вони втричі енергоефективніші за світильники на основі ламп ДРЛ і вдвічі ефективніші за натрієві лампи.

Таблиця порівняння світлодіодних та лампових світильників.

При проведенні стоматологічного лікування використовується фоточутливий матеріал, що полімеризується, який може приймати різну твердість при таких довжинах хвиль, як 395 нм, 385 нм або 365 нм, які є частиною УФ-спектру (315 -400 нм).

Іншою важливою сферою застосування ультрафіолетових світлодіодів є область машинного зору. Ультрафіолетові детектори в цьому діапазоні використовуються для виявлення підробок банкнот і мають переваги при використанні в добре освітленому приміщенні, в якому утруднене використання ртутних ламп. В області спектру від 280 до 315 нм світлодіоди використовуються у медичній світловій терапії, при проведенні судової експертизи та при виробництві лікарських препаратів.

Крім цих варіантів застосування ультрафіолетових світлодіодів, існують різні способи застосування, що ґрунтуються на корисних властивостях для здоров'я, включаючи природний синтез вітаміну D в організмі людини при впливі сонячних променів.

[stextbox також прискорює виробництво певних поліфенолів у листових овочах, таких як червоний салат. Поліфеноли, як вважається, мають антиоксидантні властивості.Зазвичай такі рослини вирощуються в теплиці, де забезпечується навмисне відфільтровування УФ частини спектру, щоб максимізувати зростання рослин.[/stextbox]

Цікаво, що коли рослини піддаються впливу з боку ультрафіолетових світлодіодів на короткий час перед збиранням врожаю, вміст поліфенолів підвищується без шкоди для рослинної маси. Це новий спосіб підвищення привабливості деяких продуктів без використання хімічних речовин. Поліфеноли також привертають увагу вчених у зв'язку з їхніми передбачуваними протираковими та антимутагенними властивостями.

У нижній частині ультрафіолетового спектру (100-280 нм), основними областями застосування ультрафіолетових світлодіодів є стерилізація повітря та води. Хімічні та біологічні детектори також працюють у цій галузі спектру. У межах робочого діапазону в 250-275 нм ультрафіолетові світлодіоди можуть забезпечувати стерилізацію води та повітря, а також руйнувати ДНК та РНК мікроорганізмів для запобігання їх розмноженню.

Світіння біологічних плям.

Особливості енергетичного ККД

Енергетична ефективність - це співвідношення спожитої електричної потужності до потужності світлового випромінювання. Ультрафіолетові світлодіоди, що застосовуються для світлотехніки, дозволяють трансформувати енергію у відповідне вузьке світлове випромінювання, коли кристали зазнають теплових втрат. Щоб уникнути цього, створюються спеціальні конструкції для надання параметрів світлодіодів максимального терміну експлуатації.

[stextbox випромінюванні у світлодіодах практично відсутні ультрафіолетові складові, через що вони ефективні порівняно з тепловими. При оптимальному тепловому режимі можуть перетворювати приблизно 25% усієї спожитої енергії.[/stextbox]

Тепловий режим

З метою максимальної ефективності ультрафіолетових світлодіодів, які четверту частину трансформують у світло, а решта трьох – у тепло, при їх дизайні необхідно враховувати конвекцію, теплопровідність, а також випромінювання.

Параметр конвекції

Враховується корпус світильника. Необхідне забезпечення хороших контактів із повітряними потоками. Як відведення тепла можливе використання вібруючих мембран або міні-вентиляторів.

Ультрафіолетове випромінювання у нічному клубі.

Параметр випромінювання

Поверхня світлового приладу, до якої закріплюють світлодіод чи його аналог – світлодіодний модуль має бути з металевої основи, оскільки впливає коефіцієнт випромінювання. При контакті з поверхнею повинен утворюватись максимальний спектральний коефіцієнт випромінювання.

Параметр теплопровідності

Для охолодження використовують відведення тепла на основі спеціальних конструкцій корпусу. Зазначені конструкції повинні бути з матеріалів, що мають невеликий тепловий опір. В силу вищесказаного світлодіоди є більш гнучкими та пристосовуваними до конкретних потреб. «У промисловості, де універсальність та швидкість все більше цінуються користувачами, світлодіоди є сучасним рішенням для передових та вузькоспрямованих застосувань, а крім того, рішенням на майбутнє для використання у всіх випадках, де продуктивність, потужність та вартість будуть більш конкурентними порівняно з тими ж самими. параметрами в системах із дуговими лампами», каже Рей. «Ми в GEW вважаємо, що нескладні рішення є найкращими.

Світлодіоди є найпростішою та найефективнішою технологією для деяких друкованих застосувань, особливо для струминного друку.Наші світлодіодні рішення для цього виду промисловості можна дуже просто встановити на флексографську машину, але це не означає, що опція буде автоматично найкращою для кожного клієнта».

Вартість світлодіодних фарб та систем, ймовірно, падатиме, а продуктивність збільшуватиметься. На сьогоднішній день світлодіоди – це дорожча альтернатива, але якщо поточні тенденції збережуться, вони стануть привабливою пропозицією в майбутньому. Враховуючи, що виробники етикеток не захочуть дублювати фарби на складі спеціальними, що підходять до світлодіодних систем і не матимуть бажання освоювати новий процес, потреба в енергоефективних системах з використанням дугових ламп зростатиме.

Висновок

Детальніше про світлодіоди міститься в статті Все про ультрафіолетові світлодіоди. Якщо у вас залишилися питання, можна поставити їх у коментарях на сайті. Також у нашій групі ВК можна ставити запитання та отримувати на них докладні відповіді від професіоналів.