紫外线led行业分析

紫外线led行业分析（通用4篇）

紫外线led行业分析 篇1

有关紫外LED技术研究

出自：超毅电子浏览：1155添加时间：2012-11-21 16:3

4日前，国内对高出光效率、高可靠性紫外LED封装和紫外LED氧化钛装置的研发及其光催化降解次甲基蓝来处理有机污水进行了深入研究。

国外，日亚化学工业已功开发出发光波长为365nm、发光功率为100mW的紫外发光二极管。2008年理化学研究所和松下电工曾公布，采用GaN类半导体的InAlGaN开发出了发光中心波长为282nm，光输出功率为10mW的深紫外LED。波长更短的深紫外LED方面，NTT物性科学基础研究所采用AlN材料开发出了发光中心波长为210nm的深紫外LED。基于LED的紫外光通信调制方式研究适宜采用PPM调制方式。

最新技术发展正在将紫外LED的部分市场扩展到产品革新和性能的新高度。下一代紫外LED技术具有五个重要的优点：

1、增加寿命

在过去的十年，紫外LED的使用率明显下降，这是因为紫外线束容易分解LED的环氧树脂，从而将紫外LED的寿命降低至不足5千个小时。紫外LED的下一代技术以“硬化”或“防紫外线”环氧封装为特征，尽管提供的寿命将达到1万个小时，但仍远远满足不了大多数的应用。在过去的几个月里，新的技术解决了这个工程挑战。例如：在Lumex的新QuasarBrite紫外LED技术中，使用了带玻璃透镜的TO-46结实封装替换环氧树脂透镜，从而使其使用时间至少延长十倍，达到5万个小时。

2、效率

紫外LED的输出功率仅为输入功率的5%-8%。当波长为385nm及以上时，紫外LED的效率提高，但也只有输入功率的15%。随着出现的技术在不断地解决效率问题，更多的应用将开始采用紫外LED技术。

3、环境效益

紫外LED与荧光灯相比，紫外LED的能量消耗低70%。此外，紫外LED不含CCFL技术中常见的有害物质汞。由于紫外LED具有防振和耐冲击的作用，很少发生破损，从而减少了垃圾和费用花费。

4、性能

紫外LED能提供较小的光束角和均匀的光束。由于紫外LED不需要其他透镜就能得到紧凑的光束角和均匀的光束图，具有较低的能量消耗并增加了耐用性，所以与CCFL技术相比，紫外LED的使用成本少了一半。

5、广泛的用途

紫外LED当前的用途包括：光学传感器和仪器（230-400nm）、紫外线身份验证、条码（230-280nm）、表面积水的杀菌（240-280nm）、鉴别和体液检测和分析（250-405nm）、蛋白质分析和药物发明（270-300nm）、医学光照疗法（300-320nm）、高分子和油墨印刷（300-365nm）、辨伪（375-395nm）、表面除菌/美容除菌（390-410nm）。

紫外线led行业分析 篇2

紫外线灭菌是当前医院系统常用的日常灭菌手段之一,尤其是传染病房等高病菌地带,紫外线灭菌须强制执行。在地震、洪水等灾难现场的野外医院或治疗所,紫外线灭菌更是方便快捷的灭菌方式。另外一些注重卫生的机构,如饭店后厨、学校、幼儿园等,也常常采用紫外线这种灭菌方式。通常医院的紫外线灭菌设备为安装于房间内的紫外线灭菌灯以及可移动的紫外线灭菌灯车。但是传统的紫外线灭菌设备[1,2,3]由于采用的光源多为紫外线灯管,存在着诸多弊端和缺陷:

(1)功耗大,易损坏,使用成本高。紫外线灭菌灯的光源为荧光紫外线灯管,功率多为20~40 W,相对于目前民用节能灯具,显然功耗较大。另外,这种荧光灯管寿命相对较短,易损坏,使用成本高。以解放军总医院为例,全院约有紫外线灭菌灯车830多台,每年用于紫外线灭菌灯及相关配件费用高达20万元。

(2)对操作人员易产生伤害。传统紫外线灭菌灯具为荧光灯管形制,照射存在死角,其操作类似普通灯具,操作人员必须在灯具点亮后才能离开紫外线照射环境,要想关闭它也须再次进入该环境,在此期间,C波段紫外线可使人体皮肤受到伤害[4],即使短时间照射也可灼伤人体皮肤,人体皮肤遭受长期或高强度照射还可能导致患上皮肤癌。因此,传统灭菌灯对操作人员存在着安全隐患。

(3)无定时功能,难以保证每次灭菌的时间。由于临床科室的工作繁忙,对于紫外线灭菌标准[5]的贯彻往往不够重视,尤其是某些传染病科室,传统灭菌灯缺乏定时功能,仅靠科室相关人员的主动操作有时难以达到灭菌的效果,从而引起不必要的交叉感染和医疗事故。

近年来,随着LED技术的飞速发展,以发光二极管作为光源以成为节约能源、提高灯具亮度、延长灯具使用寿命的一种有力手段,无论是电子设备、汽车工业、市政照明乃至医疗领域,LED都发挥着极其重要的作用。

紫外线LED,尤其是用于灭菌的245 nm(C波段)的紫外线LED的研制相对滞后于其他波长的LED,但是现在市场上也出现了越来越多的成熟产品,并且1~3 W的高亮度LED价格也越来越低,用LED光源来取代传统荧光光源制作紫外线灭菌设备将是大势所趋。

尽管现在LED光源已经有了很广泛的应用,但用于医院紫外线灭菌领域的LED光源尚不多见,因此,着手研究LED光源的紫外线灭菌灯具将会降低医院的灭菌成本,增大经济效益。

2 LED紫外线灯车的设计

2.1 移动式灯车外形设计

针对不同科室的灭菌要求和范围不同,提出了紫外线灯车的设计。使用灯车灭菌,应用灵活机动,较之每间病房安装紫外线灯大大降低了成本。灯车可任意摆放在室内,进行定时灭菌[6],平时可折叠存放。由于LED采用低压供电,使用电池亦可工作,因此灯车也适用于野外医疗灭菌要求。

图1所示为紫外线灭菌灯车外观示意图。项目拟采用球形灯头作为发光载体,由于采用LED作为光源,摆脱了紫外线荧光灯管过长以及对灯座依赖等局限性。LED阵列按理想形状随意布局,考虑到常规灯管存在照射死角,所以采用球形灯头和LED布局方法可以不用旋转灯管或灯座[7]即可最大限度地消除照射死角。

便携式紫外线灭菌设备是未来的一个发展方向[8]。考虑到紫外线灯车的便携性,灯车由便携式手提箱打开而成,球形灯头由四根支架固定,支架为三折式设计,可自由将灯头收回箱体。手提箱外壁可安装小型车轮,便于灯车打开后任意推动。灭菌灯车的控制系统安装在灯头的底座内。

2.2 供电系统

电源模块如图2所示,采用交流和直流双路供电。LED光源的优点之一就是其采用低压直流供电,功耗低,电路设计简单。交流供电时,将220 V交流电源通过变压器变压和整流电路将其降为低压直流,再通过DC-DC模块将电压调整到LED驱动电路和控制模块所需要的稳定电压,如图3所示,用于后续电路工作。在采用电池供电时,只需将电池电压调整到后续电路需要的电压即可。电池供电部分也可考虑改进为充电式电池设计,即增加充电电路,通过220 V交流电源为低压供电部分的电池充电。尽管引入这种设计提高了产品的成本,但为野外应急灭菌带来了方便。

2.3 控制系统设计

控制系统流程图如图4所示。系统由单片机作为主控芯片(如图5所示),当程序开始,执行5 s延迟,然后将LED驱动芯片使能管脚置高,开启LED驱动电路,使紫外线灯开始工作,同时开启定时器。当达到设定定时时间,单片机关闭LED驱动电路,紫外线灯关闭。如需调整定时时间,可启动定时设定开关,进行时间设定。相对于继电器设计的定时系统[9],通过单片机控制LED的驱动电路的使能信号的设计方案响应快,功耗低。

单片机选择TI公司的MSP430F2001[10],这款单片机具备如下特点:

(1)体积小,外形尺寸5 mm×6 mm,最小的PQFP封装尺寸为4.15 mm×4.15 mm,大大节约了控制电路板的尺寸;

(2)低功耗,工作模式电流仅为220μA,而休眠模式仅为0.5μA,完全能满足于便携需要;

(3)内部集成256 B Flash存储,可用于用户自行设定开关机时间等参数的存储;

(4)16位定时器可精确控制灭菌时间;

(5)1.8~3.6 V直流供电;

(6)成本低。

LED驱动芯片选择SW6100(如图6所示)。这是一款高亮度功率LED驱动器,可驱动1~8个大功率LED,内建脉宽调制(PWM)及双极型功率晶体管,外围电路简单,输出电流高达1.2 A。此外,SW6100内部集成调光功能,可通过一个0%~100%低频脉冲信号来控制LED的亮度,大大增强了紫外线灭菌灯的可操作性和将来的可扩展性。

3 结论

基于LED的紫外线灭菌灯车具备了功耗低、寿命长、体积小、便携性强等优点,配置变压电路和可充电电池,既延续了医院科室接插电源的使用习惯,又可灵活地适应移动和便携需求。另外,可折叠收纳为手提箱的设计也为携带和存放提供了方便。下一阶段的研究工作重点是将该设计逐步付诸临床应用,并积累临床应用效果数据,为进一步改进做准备。

参考文献

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紫外线led行业分析 篇3

关键词： 紫外通信； Bouguer定律； 传输特性； 单次散射； LED

中图分类号： TN 929.12文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.010

引言

自由空间紫外光通信是一种新型的光通信方式，随着深紫外LED技术的发展，利用深紫外LED作为光源逐渐成为研究趋势[1]。紫外光通信通过驱动紫外LED来调制信号并加载到光载波中向自由空间发射出去，载有信息的光在自由空间中传输，由探测器接收、解调并还原出初始信号，来达到信息传输的目的。整个过程中，自由空间大气作为传输信道，深刻影响了紫外光通信的效率[23]。文中将在单次散射模型的基础上，对Bouguer定律进行修正，并结合LED的发光特点，构建LED光辐射的大气传输模型。

应用Bouguer定律来计算光的大气传输特性是目前计算光大气传输的常用方法，具有简单易用的特点。当光在散射介质中传播时，建立如图1所示的光传输示意图，光在大气中传输时，不断地受到大气中粒子的散射，每一粒子的散射都会使原光传输方向的光通量减弱，减少的那部分光会偏离原来方向而按照一定的规律分散传播，考虑光子在光传输路径上发生首次碰撞时的位置x处的光子散射情况。

在路径上传输一段距离后，依据Bouguer指数衰减定律，辐射照度可以表示为：Ex=E0exp（-δx）（1）式（1）中，E0是x=0处的光束辐照度，δ为体散射系数。该公式没有考虑任何前向散射的光通量。Bouguer定律没有考虑散射光传输到光束方向上的那一部分通量，利用Bouguer定律计算的光通量要小于探测器实际接收到的光通量[4]，因此需要对Bouguer定律进行修正，构建光传输模型，修正后的光传输模型要求考虑散射光传输到探测器的那一部分能量。

2单次散射下光通量传输模型

将到达接收机的辐射通量分为直射光（Bouguer定律计算的结果）和散射光两个部分，于是修正后的光传输模型为：I=Iincident+Iscatter（2）欲得到修正后的光传输模型，需要计算散射光，使用散射相函数来表征光辐射照度的散射分布情况[5]，基于单次散射情况，来分析接收机对光通量的接收情况。

4结论

文中在辐射传输理论基础上，针对Bouguer定律在原理和应用中的缺陷，在单次散射近似的基础上，对其进行修正，提出了修正后的光在大气中的传输模型，而后对大气中的前向散射和斜向散射的辐射照度做了详细的推导，并结合LED的配光曲线计算得出大气中LED光源辐射传输模型的解析式。为紫外光通信系统的设计提供参考。

参考文献：

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紫外线led行业分析 篇4

快速成形技术(Rapid Prototyping,RP)是一种基于数字化的新型成形技术,其叠层累加的思想突破了传统的加工模式,是制造技术领域的一次重大突破。某些液态树脂材料被特定波长的光束照射时,因发生聚合反应,而具有迅速地从液态变成固态的特性。利用树脂的这种特性,逐层、有选择地固化液态树脂,成形三维实体的方法称之为立体光固化快速成形法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)。

紫外光固化的发展离不开紫外光源,可以说,紫外光源的特性,如波长、光强、光源体积、工作条件、功率、价格等等,是制约紫外光固化快速成形技术发展的关键因素之一。目前,用于光固化快速成形设备中的紫外光源分为两类:高端快速成形设备大都采用紫外激光器,如美国3D Systems Corporation公司的快速成形设备;低端快速成形设备采用紫外灯,如西安交通大学研发的CPS快速成形设备[1]。

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点,是进行材料加工的理想光源。快速成形设备中常用的紫外激光光源包括氦镉(He–Cd)激光器(325 nm)、氩离子(Ar+)激光器(351~364 nm)、N2激光器(337 nm)、二极管泵浦Nd:YOV4三倍频激光器(355 nm)等。但激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵,导致快速成形设备的制造成本和使用成本过高,在一定程度上限制了紫外光固化快速成形技术的推广。另一方面,紫外灯以其价格优势占据了紫外光固化快速成形设备的低端市场。尽管紫外灯的成本较低,但其使用寿命短、光束质量差,且环境污染较严重。

随着LED(Light Emitting Diode,LED)材料生长技术的发展和制备工艺的完善,商品化LED的发光效率几乎每十年提高一个数量级,其性能的提高推动了LED的应用发展,从汽车车灯到白光照明,从全彩色大屏幕显示到多媒体信息存储等,应用范围日益广泛。相对激光器和汞灯等传统光源,LED具有成本低、体积小、无环境污染、耗电量低、寿命长等优点,其内在特征决定了它有较高的性价比。虽然目前已出现基于LED的新型紫外光固化用点光源产品,但这类产品不足之处在于输出光束光斑较大,无法满足光固化快速成形加工工艺的要求。为此,针对我国光固化快速成形的现状,面向各类院校和中小企业教育、研发需求,本研究设计了一个基于单片紫外LED(Ultraviolet Light Emitting Diode,UV LED)的光源系统,应用于光固化快速成形设备。

1 光固化快速成形中的光源系统

对不同波长的光,光敏树脂有不同的吸收率。基于光固化成形机理,光源辐射出的光线应与光敏树脂的光吸收谱线相匹配,使光敏树脂同光线相互作用而发生光化学反应、引发固化成形。由于大部分光敏剂在紫外区的光系数较大,较低的光能量密度就可使树脂固化,所以光固化成形工艺通常采用波长范围一般为250~380 nm,光波输出功率大于20 mW,工作状态为连续波的紫外光源。

在光固化成形中,光敏树脂对紫外光的吸收遵循Beer-Lambert定律[2],即:紫外光的能量密度E随着透射深度的增加呈指数衰减。理论及试验表明,只有当液态光敏树脂接受的紫外线能量密度E超过一定的阈值EC后,才会产生凝胶(凝胶态是液态和固态之间的临界状态),固化深度Cd与EC的关系可写成[3]:

式中:Dp为光敏树脂的透射深度,定义为光能量密度衰减为入射能量密度的1/e时的深度。Dp越小,表明单位体积树脂对紫外光吸收越多。Emax为树脂表面最大能量密度,其与光源功率PL、扫描速度Vs、固化面上光点半径ω0及固化阈值EC之间满足:

进一步化简,固化深度Cd:

固化的线宽Lw:

对于光固化快速成形系统,只有当固化深度大于固化层厚度时,相邻两层之间才能有效地粘结,否则,制件层间会产生剥离,影响制件精度,甚至导致制件失败。式(3)~式(4)表明,固化深度,扫描线宽与扫描速度、固化面上聚焦光斑的大小及功率等指标有关。扫描速度快,树脂固化需要的光功率大;光斑大,则树脂固化深度浅,扫描线宽。因此,紫外光源系统是紫外光固化快速成形设备的重要组成部分,其光学技术指标,如聚光能力、均匀性、光斑大小等,将直接影响到树脂固化的最终效果。

2 光固化快速成形中的紫外LED光源系统设计

LED实质上是利用半导体材料制作的正向偏置的P-N结二极管[4],当P-N结两端注入正向电流时,注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光。与激光不同,这种发射过程属于自发发射过程,发射的是非相干光。

本研究设计了一个基于单片紫外LED的光源系统,应用于光固化快速成形设备。在25℃环境温度下,所选LED芯片的波长在360~370 nm范围,且典型波长为365 nm波段;发光面尺寸为1 mm×1 mm,发散角为±60°左右;在500 mA工作电流驱动下,发射的光功率为110~154 mW。

所设计的单片紫外LED光源系统示意框图如图1所示,光源系统主要由电路部分和光学部分组成,其中电路部分包括光源的驱动电路;光学部分则具体包括光源耦合系统、整形聚焦系统。

如前所述,UV LED光学系统的特性将直接决定着树脂固化成形质量及效率。结合所研发的新型光固化快速成形设备的特点,该UV LED光源应满足以下技术指标:

1)树脂固化面上的光功率≥20 mW,光斑直径D≤0.3 mm;

2)光源系统结构紧凑,体积小,距液面工作距离≥5 mm;

3)光源功率可调;

4)光源系统稳定,且能长时间运行。

2.1 基于单片LED的光学整形聚焦系统设计

严格意义上讲,LED是面光源。为简化设计,结合所选LED芯片特点,本研究近似地将LED芯片看成是类点光源,LED与聚焦系统直接耦合,采用多透镜系统对光源进行整形聚焦。

由于单片UV LED的发散角偏大,且光功率相对较低,为满足光固化快速成形工艺的要求,所设计的单片UV LED聚焦系统是一个大数值孔径、短焦距的光学系统。如图2,单片UV LED发出的光束先经倒置的非球面聚焦透镜扩束成平行光,再经第二片非球面透镜、第三片透镜聚焦于工作面。非球面透镜有很好的光学性能,引入的球差小,能很好地校正波前误差,无需在光学系统中加入特殊元件进行象差校正。使用非球面透镜能使光学系统大大简化,在小尺寸条件下设计出性能较好、结构简单的高精度透镜结构。

通过Zemax光学设计软件[5],光源系统的数值孔径NA≥0.5,聚焦光斑直径D≤0.3 mm,焦距为5 mm,树脂固化面上的光功率≥30 mW。光学系统的材料采用紫外通用的高透过率石英玻璃,且为减小菲涅尔反射损耗,各镜双面均镀365 nm光学增透膜。

2.2 LED光源驱动系统设计

光固化成形为材料的叠层累加工艺,系统的运行时间长达数十小时,因此,光源驱动系统应保证LED芯片长时间发射出功率稳定、波长稳定的紫外光束。

研究表明,LED的工作特性,特别是长时间运行时的工作特性如波长、功率等受控制电流、环境温度等的影响较大。一方面,LED为电流驱动型器件,其输出特性不仅跟本身的材料、工艺有着紧密的联系,驱动电流的稳定性也将直接影响波长和输出功率的稳定性;另一方面,LED芯片的工作物质是P-N结,其特点是易受温度影响,对温度变化敏感。温度升高不仅使输出功率下降,而且影响波长的稳定性。通常,工作温度的不稳定是LED性能恶化、寿命减少的主要因素,只有提供恒定的工作温度,才能保证LED芯片具有稳定的输出功率和最大的工作效率。

如图3所示,本研究所设计的恒稳控制系统由UV LED控制器及其外围电路组成,主要完成对温度、功率的采样、计算;对外部控制指令的接收和处理。为保证LED芯片运行于恒温环境,本研究采用半导体电致冷器TEC(Thermoelectric Cooling,TEC)作为LED芯片温度调节的执行器件。TEC依据帕尔帖效应工作,通过控制电流的方向实现TEC致冷和加热;通过电流大小的改变,控制TEC致冷量和加热量。TEC具有体积小、致冷效率高、无污染等特点,特别适用于有限空间的致冷。数字式温度传感器对UV LED芯片进行温度检测,当检测温度小于设定温度值时,通过驱动电路使TEC致热;当检测信号大于设定温度值时,通过驱动电路使TEC致冷,从而实现UV LED芯片的恒温控制。光敏二极管用于对光功率进行检测,实时调整工作电流,实现对LED的恒功率控制。

试验表明,此驱动系统实现了对单片UV LED芯片的恒稳控制,树脂固化面上的光波长、功率稳定,达到了预期指标,满足光固化快速成形工艺的要求。

3 结论

本研究对紫外LED光源在光固化快速成形设备上的应用进行了探讨,并将所设计的单片UV LED光源系统应用于华中科技大学材料科学与工程学院快速成形中心所研发的紫外光固化快速成形设备上,光源实验装置见图4。结果表明,采用本研究设计的紫外LED光源,光强分布均匀稳定、能够满足紫外光固化过程对光源的指标要求,具有可操作性。

该单片紫外LED光源系统具有结构简单的突出优点,采用优化的光学聚焦系统,使发散角≥100°的LED光束聚焦,且树脂固化面上的光功率≥30 mW,光斑直径D≤0.3 mm。该系统设计已获国家发明专利授权[6]。

对紫外LED光源在光固化快速成形中的应用研究刚起步,受目前紫外LED芯片技术参数(特别是功率大小)的限制,所设计的基于单片LED光源系统聚焦后的光斑大小尚不能与激光光源聚焦后的光斑大小媲美;同时,因聚焦面上功率较弱,导致制件加工速度较慢。未来,提高LED光源功率,以便进行高速光固化成形的方法有两个,其一,增加LED芯片的数量,采用阵列结构,配合先进的耦合技术,在树脂固化面上获得较高功率的紫外光;其二,随着LED技术的发展,高功率的紫外LED芯片问世。

与配置激光器、汞灯等光源的光固化成形设备相比,以LED为光源的成形机在保证一定制件精度和速度的基础上,具有低设备造价和低运行成本的突出特点,具有较高的性能价格比。它的研制和开发,为快速成形技术的发展提供了一个新的思路,有助于推动快速成形技术在我国的研究和应用。

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