近年來，UV LED技術(shù)在性能和成本方面進(jìn)展非常迅速，因此我們必須對UV LED固化系統(tǒng)的測量設(shè)備和方法有充分的了解。本文重點(diǎn)介紹了UV LED固化系統(tǒng)的測量和特性描述，特別是在UVA波段內(nèi)。此外，還將討論紫外線(UV)的風(fēng)險和安全問題，并重點(diǎn)闡明UV LED的固有優(yōu)勢。

介紹

近年來，將UV LED而非傳統(tǒng)紫外燈集成到固化系統(tǒng)中的需求顯著增加。雖然使用紫外光源的應(yīng)用仍以傳統(tǒng)紫外燈為主，但法國市場研究公司Yole Dévelopment報告說，UV LED的市場份額從2014年的19.1%增加到2019年的41.4%。UV LED的總市場規(guī)模從2008年的2020萬美元增加到2015年的1.27億美元，到2019年進(jìn)一步增加到5.055億美元。

根據(jù)Yole Dévelopment的報告，聯(lián)合市場研究公司(Allied Market Research)所做的研究表明，全球UV LED市場規(guī)模預(yù)計將從2018年的2.711億美元，以17.3%的復(fù)合年均增長率，增加到2026年的12億美元。紫外固化市場，包括用于油墨、涂料和粘合劑等應(yīng)用，將占據(jù)UV LED市場規(guī)模的近60%，而且50%以上的用戶在亞洲。

紫外固化是利用紫外線的能量來啟動光化學(xué)反應(yīng)的過程，從而產(chǎn)生聚合物的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。UV LED的強(qiáng)勁增長主要取決于該技術(shù)相對于傳統(tǒng)紫外燈的吸引力。UV LED的一些優(yōu)點(diǎn)討論如下：

 · 緊湊性 · 

UV LED可采用機(jī)載芯片(COB)技術(shù)，用于系統(tǒng)表面安裝器件(SMD)封裝形式或模具形式。由于其"靈活性"，用于固化系統(tǒng)的UV LED光源的設(shè)計變得緊湊�？梢栽O(shè)計不同類型的固化系統(tǒng)，包括如面光源、點(diǎn)光源或模塊化系統(tǒng)。如果固化系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的紫外燈，則很難實(shí)現(xiàn)這種靈活性。

例如，考慮一個處于線纜末端的點(diǎn)光源紫外固化系統(tǒng)：基于傳統(tǒng)紫外燈的紫外固化系統(tǒng)，需要一個長的引導(dǎo)部件來將光線轉(zhuǎn)到固化點(diǎn)，這使得系統(tǒng)顯得笨重；而基于UV LED固化系統(tǒng)的設(shè)計，則只需要使用一個球形透鏡來匯聚光線即可，從而得到一個簡單而緊湊的設(shè)計，并具有更高效率的輸出。

 ·更長的產(chǎn)品壽命 · 

傳統(tǒng)紫外燈的典型壽命約為2,000小時，或微波燈的最長8,000小時，而UV LED的壽命一般可達(dá)20,000小時。UV LED制造商通常采用應(yīng)用于可見光波長LED的測試標(biāo)準(zhǔn)(LM-80和TM-21)來確定其使用壽命。

UV LED的使用壽命定義為在輸出衰減達(dá)到定義級別之前的運(yùn)行小時數(shù)，稱為Lp，這里的p是初始輸出功率的百分比。在可見光LED中，通常采用L70來確定LED的使用壽命。系統(tǒng)中光源更長的使用壽命有利于終端用戶，因?yàn)樗�的更換周期更長，系統(tǒng)停機(jī)時間更短，并且在長時間運(yùn)行中的穩(wěn)定性更好。如果UV LED系統(tǒng)在間歇性模式下運(yùn)行，則壽命可以更長。此外，光源壽命也高度取決于驅(qū)動電流，以及設(shè)備和環(huán)境溫度。

目前，與UVB和UVC波段運(yùn)行的UV LED相比，UVA波段的UV LED技術(shù)更加先進(jìn)和成熟。當(dāng)UV LED集成到系統(tǒng)中時(如發(fā)光件和固化系統(tǒng))，還必須考慮其他部件的壽命。因此，UV LED系統(tǒng)(如紫外光固化系統(tǒng))在UV LED封裝級別上的額定壽命，將比系統(tǒng)級別更短。所以，實(shí)際使用壽命由應(yīng)用場景下的使用條件來確定。然而，系統(tǒng)故障的根本原因，往往是環(huán)境、輔助系統(tǒng)的設(shè)計，以及終端用戶可能未遵循系統(tǒng)安裝的要求。

 · 環(huán)保(即無臭氧和無汞)· 

紫外燈的發(fā)射光譜從UVC到可見光譜顯示有多個峰值。在短波長范圍，通常為160-240nm，紫外線可以將氧氣轉(zhuǎn)換為臭氧(O3)。如果長期吸入臭氧的話，這一產(chǎn)生的臭氧可能成為一個健康問題。因此，建議正確配置設(shè)備周圍的通風(fēng)系統(tǒng)，以降低風(fēng)險。

此外，一些傳統(tǒng)的紫外固化系統(tǒng)使用基于汞的紫外燈作為光源發(fā)射器。如果紫外燈被打破，那么可能會產(chǎn)生汞的污染。因此，需要為處理基于汞的紫外燈的破損問題，制定必要的安全指引。

UV LED的發(fā)射光譜為單個峰，典型峰寬為9-15nm，可以進(jìn)行選擇。這樣就可以避開會產(chǎn)生臭氧的波長范圍，特別是使用UVA和UVB波段的紫外線固化應(yīng)用。此外，UV LED由半導(dǎo)體材料(氮化銦鎵[InGaN]型)制成，而這種材料安全得多，不包含有毒有害材料，且不需要復(fù)雜的處理工藝。

除了上述幾點(diǎn)之外，還有支持環(huán)保友好的其他優(yōu)點(diǎn)：耗電量少、無需預(yù)熱時間、可立刻投入使用，易于維護(hù)，且服務(wù)間隔時間更短。

隨著對UV LED固化應(yīng)用的需求不斷增加，終端用戶逐漸從基于紫外燈的固化系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基于UV LED的系統(tǒng)。

在固化應(yīng)用中使用UV LED而非紫外燈，雖然帶來了諸多優(yōu)點(diǎn)，但在性能和其他安全風(fēng)險方面仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，需要紫外固化系統(tǒng)集成商、測量設(shè)備提供商和終端用戶面對。

例如，終端用戶必須仔細(xì)研究粘合劑體系和UV LED系統(tǒng)，使粘合劑的吸收波長和LED的發(fā)射波長相匹配。終端用戶需要通過評估可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化固化工藝流程所需的峰值輻照度、能量和固化時間，來描述整個系統(tǒng)的特點(diǎn)。

另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，是對采用UV LED系統(tǒng)的固化應(yīng)用，進(jìn)行合適的能量輸出測量方法。使用適當(dāng)?shù)姆椒ê蜏y量工具(如紫外能量計)，可以準(zhǔn)確測量紫外固化系統(tǒng)的能量輸出。強(qiáng)烈建議對生產(chǎn)線中的能量輸出進(jìn)行這種測量，以確保達(dá)到產(chǎn)品的一致性。測量的目的是：

確保可靠的應(yīng)用性能

確保固化過程的可重復(fù)性和穩(wěn)定性

作為監(jiān)測固化系統(tǒng)衰減的預(yù)防手段

因此，本文旨在向UV LED固化系統(tǒng)的終端用戶，如經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝工程師、制造工程師和技術(shù)人員，提供使用適當(dāng)?shù)哪芰坑嫞瑢�UV LED固化系統(tǒng)進(jìn)行性能測量的綜述和建議。本文還涵蓋了運(yùn)行UV LED固化系統(tǒng)的風(fēng)險和安全問題。

紫外線輻射和安全問題

紫外線輻射以電磁波的形式出現(xiàn)，波長范圍介于X射線和可見光之間(10-400nm)。紫外線輻射源可以是自然的，如太陽，或人造的，如汞蒸氣燈、黑光燈、金屬鹵化物燈、UV LED和紫外激光等。根據(jù)波長范圍，紫外線輻射可分為：

UVA：315-400nm

UVB：280-315nm

UVC：180-280nm

真空UV/極紫外：10-180nm

雖然紫外線輻射對人類健康和環(huán)境(臭氧的產(chǎn)生)有負(fù)面影響，但紫外線輻射也可以造福我們的生活。它可以是維生素D的來源。在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中，紫外線輻射廣泛用于固化聚合物和油墨，以及醫(yī)用光療處理、法醫(yī)分析、水消毒、殺滅某些病毒、和為實(shí)現(xiàn)最佳光合作用的園藝照明等。

本節(jié)討論了在固化應(yīng)用中使用紫外線的安全性問題。膠粘劑固化應(yīng)用通常利用UVA波段的輻射，這主要是因?yàn)橛捎谂浞街兴�使用光引發(fā)劑的特性，大多數(shù)聚合物和油墨只能通過UVA來固化。

傳統(tǒng)紫外燈系統(tǒng)的最大危險，是發(fā)光件的紫外線輻射。暴露在過量紫外線輻射下對人類是危險的。紫外線輻射，特別是UVA和UVB波段，可導(dǎo)致白內(nèi)障和其他眼疾，以及皮膚癌，曬傷和皮膚加速老化。也有證據(jù)表明，紫外線輻射會降低免疫系統(tǒng)的效能。

現(xiàn)在市場上所提供的以傳統(tǒng)紫外燈為光源的固化系統(tǒng)中，這些燈不僅發(fā)出UVA，也有UVB，和一些可見光。

不過，使用UV LED系統(tǒng)本身就更安全：發(fā)光件的波長控制在UVA波段，帶寬較窄。因此，從安全角度來看，只需要使用簡單的預(yù)防措施，UV LED的風(fēng)險就更容易控制。

當(dāng)涉及到紫外線暴露的最大值時，大多權(quán)威人士都會遵循美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會議(ACGIH)建議的紫外線暴露閾值(TLV)。

UVA波長區(qū)域(315-400nm)的建議TLV值，在持續(xù)時間大于1,000秒(約16.7分鐘)的情況下，不應(yīng)超過1.0mW/cm2，持續(xù)暴露時間不應(yīng)超過1,000秒，總能量不應(yīng)超過1.0J/cm2。對于1mW/cm2這個值，我們進(jìn)行一下類比，它相當(dāng)于是在新英格蘭地區(qū)春天的晴朗無云天氣下，使用紫外能量計對太陽直射情況下進(jìn)行測量的典型強(qiáng)度水平。

對眼睛的影響

圖1 眼組織對紫外線輻射的眼內(nèi)過濾情況

紫外線照射眼睛與白內(nèi)障和視網(wǎng)膜退化有關(guān)。角膜和晶狀體是眼睛吸收紫外線輻射的最重要組織。據(jù)沃爾什(Walsh)公司的報告，角膜吸收的UVB最多(波長低于300nm)，晶狀體則吸收UVA(波長低于370nm)，如圖1所示。

因此，建議用戶在操作紫外光源或靠近紫外固化系統(tǒng)時，佩戴紫外線級的安全防護(hù)眼鏡。防護(hù)眼鏡必須符合OSHA和ANZIZ87.1標(biāo)準(zhǔn)。對紫外輻射防護(hù)，安全防護(hù)眼鏡以字母"U"標(biāo)示，后面跟上2到6的數(shù)字表示等級，6表示通過眼鏡的紫外輻射值最低。

在選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)眼鏡時，建議考慮以下因素：(1)安全防護(hù)眼鏡抵御在特定工作場所中，紫外輻射以外其他危害的能力；(2)可提供不受限制的視野和活動能力；(3)不能對員工所佩戴任何其他個人防護(hù)設(shè)備功能的任何影響或限制。

除安全防護(hù)眼鏡外，還可使用防護(hù)罩，從而最大限度地減少終端用戶暴露在紫外線下，因?yàn)楣袒瘷C(jī)中的紫外線發(fā)射器可能會從應(yīng)用表面釋放出雜散的輻射能量。雜散輻射能量泄漏的可能性很高，因?yàn)樗�可能源于各種表面材料的反射，以及不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)安裝或設(shè)計。

紫外線防護(hù)罩可以由黑色陽極化或有黑色涂層的金屬片制成，以及硬質(zhì)塑料薄膜(通常是亞克力和聚碳酸酯)或柔性薄膜，如可阻隔紫外線的柔性聚氨酯薄膜。與金屬相比，塑料材料在非常低的溫度下就會熔化，因此在使用亞克力或聚碳酸酯材料制成的屏蔽材料時，必須和紫外光源保持足夠距離，以避免紫外光源(尤其是傳統(tǒng)紫外燈)產(chǎn)生的熱量所導(dǎo)致的任何形式的軟化。

對皮膚的影響

紫外線輻射對皮膚的影響可分為兩類：

急性，在暴露后幾個小時內(nèi)就會出現(xiàn)的影響；

慢性，具長期和累積的效果，可能多年內(nèi)都不會出現(xiàn)。

紫外線輻射的急性影響可能顯示為皮膚發(fā)紅：紅斑或曬傷。慢性影響則包括，皮膚加速老化和皮膚癌。

此外，紫外線輻射對皮膚組織的影響與皮膚灼傷有關(guān)，這增加了患皮膚癌的可能性。UVA輻射可滲透到皮膚組織的深處，與皮膚過早老化有關(guān)，且可能導(dǎo)致皮膚癌。

為保護(hù)皮膚免受紫外線輻射，建議終端用戶穿著合適的手套和外套。丁腈橡膠，乳膠或編織緊密的織物等手套材料，適合保護(hù)皮膚免受大量的UVA和UVB的輻射。深色和閃亮的飾面可以通過吸收和反射，從而防止紫外線輻射穿透皮膚。與乙烯基手套相比，這些類型手套的紫外線傳輸更低。在操作紫外線裝置過程中，建議穿長袖外套，以確保皮膚不會暴露在紫外線輻射下。

為了降低紫外線輻射暴露的風(fēng)險，必須仔細(xì)設(shè)計控制措施，以盡量減少眼睛和皮膚暴露在紫外線下，并防止暴露量的累積。所需采取的預(yù)防措施取決于風(fēng)險評估結(jié)果。如果終端用戶不確定紫外固化系統(tǒng)所配備安全設(shè)備的質(zhì)量，那么他們應(yīng)該使用紫外線計/紫外能量計來測量相應(yīng)位置的雜散輻射能量。

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