可視LEDと比較して、UV LEDはわずか3000万ドルの静かな市場ですが、放射パワーと強度の最近の進歩により、UV硬化や偽造検出などのアプリケーションで水銀灯の置き換えが可能になったとLAURAPETERSは報告しています。
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この記事は、LEDMagazineの2012年2月号に掲載されました。
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可視スペクトルの下には、紫外線（UV）と呼ばれる波長帯があります。 100〜400 nmの範囲の放射線は、化粧品の殺菌、法医学分析の実行、材料の硬化（図1）、水の消毒など、さまざまな用途に効果的に使用できます。 今日、可視スペクトルのLEDの場合と同様に、UV LEDは、同様に多様な市場で確立されたUV光源に取って代わり始めたばかりです。
。 図1Firefly空冷UV-LEDベースの硬化システム（出典：Phoseon Technology）。
図。 1.1。
「数十億ドル規模のLED照明業界と比較すると、UV-LED市場は約3,000万ドルの丸め誤差ですが、急速に成長しています」と、ビレリカを拠点とするLuminusDevicesのグローバル産業および新規事業のディレクターであるMikeLimは述べています。 、マサチューセッツ。
UV-LED硬化を生産に移すために必要なさまざまな波長で、4W / cm2マークを超えるUV-LEDチップのフラックス密度の比較的最近の突破口により、UV硬化市場はUV-LED採用の最大の急増を享受しています。施設。 「LEDは初めて、UV LEDを既存の光源と競合させる電力密度に達しました」と、カリフォルニア州サンタクララに拠点を置くUVおよび可視LEDのプロバイダーであるLEDEnginのエミッターコンポーネントのゼネラルマネージャーであるUweThomasは述べています。
UV-A、B、C
硬化には、インク（印刷）、接着剤、またはコーティングである感光性材料の交差重合が含まれ、主に395 nm、385 nm、または365 nm、UV-Aスペクトルの一部である波長で実行されます（315 -400 nm）。 もう1つの重要なUV-Aアプリケーションは、マシンビジョンに基づく検査システムです。 この範囲のUV-LED懐中電灯は、不正な識別と通貨を検出するために使用され、水銀灯では困難な明るい環境で使用できるという利点があります。
UV-Bスペクトル（280-315 nm）では、UV LEDの用途には、硬化、医療光線療法、法医学分析、創薬などがあります。 市場調査会社のYoleDéveloppement（フランス、リヨン）は、今日のUV LEDアプリケーションの90％がUV-AおよびUV-B領域に基づいていると推定しています（図4）。 Yoleは、UV LEDの市場は2010年の2500万ドルから2016年には1億ドル以上に、毎年30％成長すると予測していると述べています。 図5は、オプトエレクトロニクス産業開発協会、国際オプトエレクトロニクス協会、および欧州フォトニクス産業コンソーシアムからのさらに楽観的な予測を示しています。
図2セラミックパッケージのマルチダイUVエミッター（出典：LED Engin）…
図。 2.2。
これらの用途を超えて、UV-B放射線は、日光にさらされた人間のビタミンDの自然な合成を含む有益な健康特性を持っていることが知られています。 UV-Bはまた、レッドレタスなどの特定の葉野菜でのポリフェノールの生成を促進します。 ポリフェノールは抗酸化作用があると信じられています。 「一般的に、これらの植物は今日温室で栽培されており、植物の成長を最大化するために、スペクトルのUV部分を意図的にフィルターで除去しています。 興味深いことに、これらの植物が収穫の少し前にUV-B LEDにさらされると、植物の質量を損なうことなくポリフェノール含有量が増加するという証拠があります。 、AZ、UVLEDを配布します。 これは、化学物質を使用せずに一部の食品の魅力を高めるための新しい方法です。 ポリフェノールは、抗発癌性、抗増殖性、抗変異原性があるとされているため、注目を集めています。 「「
より低いUV-Cスペクトル範囲（100〜280 nm）では、主なLEDアプリケーションは、空気および水の滅菌と、分光測定および蛍光測定を実行するものを含むさまざまな分析ツールです。 化学的および生物学的検出器もこのスペクトル範囲で機能します。
250〜275 nmの範囲のUVは、微生物のDNAとRNAを分解し、それらの繁殖を防ぐことによって、水、空気、および表面を殺菌します。 具体的には、275 nmは、水中の大腸菌などの病原体を根絶するための最も効果的な波長であると考えられています。 実際、サウスカロライナ州コロンビアに本拠を置くSensor Electronic Technology Inc.（SETi）のエンジニアは、275nmが水の消毒に最適な波長であると判断しました。 SETiは、40mW未満のUV電力を使用するインラインフロースルーシステムで飲料水の消毒を実証しました。
水銀アークランプの代替品
生産硬化操作では、水銀灯は短い寿命（2000〜10,000時間）、遅いウォームアップおよびクールダウン時間、および広いスペクトルパワー分布によって妨げられます。 「さらに、一般的な水銀灯に適用されるエネルギーの60％以上が、赤外線エネルギー、つまり熱として放射されます」とEskow氏は述べています。 水銀灯のUV出力は、電極材料の一部が蒸発し、UVが透過できない石英管の内側に膜が堆積するため、動作寿命にわたって急速に低下し、その結果、ユーザーは簡単に予測できないと付け加えました。後で生成されるUVの量;。 多くの場合、これは重要なプロセスパラメータです。
図。 3. Crystal IS、Inc。の殺菌用UV-C LED。同社は最近、日本の旭化成に買収されました。
図。 3.3。
水銀ランプは365nmにメインピークがありますが、可視領域と赤外領域にいくつかの小さなピークがあります（図7）。 これらの無関係なピークの欠点は、印刷やその他の硬化操作中に熱が発生することです。 「プラスチックやその他の熱に弱い材料では、水銀ランプの熱によって媒体が歪むため、印刷に大きな課題がありました」と、硬化メーカーのAir Motion Systems（AMS）のCEO兼社長であるSteveMetcalf氏は説明します。ウィスコンシン州リバーフォールズを拠点とするシステム。 彼は、シートフィードの平版印刷を使用するプラスチックギフトカードやクレジットカードを含む例を挙げました。
Metcalfは、標準的な硬化プロセスの複雑さ（高電圧、水銀電球の熱、環境問題）のためにUV硬化を考慮しなかった多くの人々が、古いプロセスの従来の煩わしさを覆すため、UV-LED硬化を検討するようになると付け加えました。 。
Eskow氏によると、UV LEDは、硬化媒体に供給されている電力レベルを正確に把握するなどの利点に加えて、出力をパルス幅変調する機能など、LEDで知られている他の利点ももたらします。
UV LEDへの移行は、より環境に優しい硬化製剤への扉も開きました。 インク、コーティング、接着剤の企業が開発していた次世代の製品では、過去の化学薬品の溶剤ベースの製剤に関連する揮発性有機化合物（VOC）を段階的に廃止する機会を利用しました。
硬化の最適化
長波長UVデバイスの場合、青色LEDの製造と同様に、InGaNベースのエピ層をサファイア基板上に成長させて、硬化用の385、395、および405nmのUVLEDを生成します。 高波長デバイスの重要な利点の1つは、より高い電力で駆動できることです。 「395nmはUVLED硬化のスイートスポットです。405nmでは配合が周囲光に敏感であるため、高出力でLEDを駆動できる一方で、400をわずかに下回る必要があります」とLim氏は述べています。 硬化剤（光開始剤と樹脂）のすべての主要プロバイダーは、最近、このニーズを満たすために、より高波長のインクとコーティングを市場に投入しました。
図。 4.ほとんどのアプリケーションは、スペクトルのUV-AおよびUV-B部分にあります。
図。 4.4。
より多くの電力を生成することに加えて、より高い波長のUV LEDは、より高いウォールプラグ効率を特徴としています。 たとえば、365 nmでは、UV LEDの出力電力は入力電力のわずか5〜8％です。 385 nmでは、この効率は向上しますが、約15％にすぎないため、より高波長のチップがより適切な選択になります。
硬化プロセスでは、チップオンボード構成でタイトなマトリックスに配置された大型の高出力LED（複数のダイ/チップ）が必要です。エミッタウィンドウの近くに、空冷または水冷の内部システムを使用して熱を除去します。ボードの裏側。 「エミッタウィンドウでのUV強度は関係ありません。重要なのは、メディアの表面での強度です」とメットカルフ氏は述べています。 装置と硬化用途に応じて、メディアはエミッタウィンドウから1〜100 mmの位置にあり、AMSは特別な光学系を製造しています。 さらに、金属冷却PCBを使用して、LEDのマトリックスから熱を吸収します。
空冷も使用されます。 たとえば、図1に示す硬化システムは、エミッタウィンドウが150 x 20 mm、フラックス密度が4W /cm²で、スポット硬化インク、コーティング、または接着剤に使用できます。 今日、UV-LED硬化装置は、多くの場合、アプリケーションに適合するように特別に設計されています。 Metcalfは、大型フラットベッドバナープリンターを低電力LEDを使用できると説明していますが、高速デジタル、オフセット、およびフレキソ技術には、高フラックス密度LEDの間隔の狭いバンクが必要です。 放射線が見えない場合でも、コリメート光学系を利用して、ターゲットメディア全体に均一なパワーレベルで放射線を照射します。 デジタルインクジェット硬化は、プリントヘッドが最適に機能するためにメディアに近い距離が必要なため、UVLEDを採用した最初のセグメントでした。 硬化強度がエミッターウィンドウで最も高いため、これはUV-LEDランプに自然に適合しました。
図。 5.UV-LEDの市場の歴史と予測。
図。 5.5。
UV-LED硬化システムのメーカーであるオレゴン州ヒルボロにあるPhoseonTechnologyのマーケティングコミュニケーションスペシャリストであるStacyVolkは、UV-LED硬化に関連する追加の利点のいくつかには、制御された硬化強度、スケーラブルな機器、および機械はより小さく、コンパクトです。
硬化業界が直面している問題の1つは、測定の実践とパラメータの定義、たとえば放射強度の定義の不一致です。 PhoseonTechnologyの社長兼CEOであるBillCortelyouは、UV LED硬化協会（www.uvledcuring.org）は、硬化メーカーのPhoseon Technology、Integration Technology Limited、Lumen Dynamicsによって最近設立され、「ガイドラインを設定し、業界全体の互換性を確保」しています。 。 この協会はまた、UV LEDに特に適したアプリケーションの開発をスピードアップし、研究者、インテグレーター、エンドユーザーにUV LEDの利点について教育し、業界のコミュニケーションとコラボレーションのためのフォーラムを提供することを目指しています。
カナダのオンタリオ州に拠点を置くLumenDynamicsの社長兼CEOであるAllanFirhojは、次のように述べています。 「UVLED硬化協会は、市場がUVLED技術とその多くの商業的利益についての知識と洞察を得るのを助けるのに役立ちます。」と彼は付け加えました。
2番目の協会である国際LED-UV協会（www.leduv.org）は、2011年9月に日本で設立され、UV-LEDプリンターのメーカー、UV-LEDメーカー、および持続可能な開発に取り組むインクおよびコーティングの処方者を組織しています。環境に優しいUV-LED印刷技術。
チップメーカー
UV-LEDチップを製造する企業には、ニューヨーク州グリーンアイランドを拠点とするCrystal ISが含まれます（図3）。 東京に拠点を置くDowaElectronicMaterials Co Ltd;。 日亜化学工業、徳島、日本に拠点を置く;。 台湾の新竹に拠点を置くSemiLEDs; .. SETiと、韓国の京畿道に拠点を置くソウル半導体の完全子会社であるソウルオプトデバイス株式会社。
図。 6.SETiのUVCleanLEDアレイは、光線療法に最適な範囲である300〜320nmの非常に高出力の深紫外線を提供します。
図。 6.6。
UV-LEDメーカーは、コストを削減しながら、デバイスの効率と寿命を継続的に改善することに重点を置いています。 ソウルオプトデバイスは、幅広いUV LEDとランプを製造し、ウェーハ処理からカスタムランプ設計まですべてを実行するSETiと製造パートナーシップ契約を結んでいます。 同社は、密閉された金属ガラスパッケージ（TO-18、TO-39、TO-3）でUVエミッターを提供し、240〜355nmの波長範囲にわたる標準製品とカスタムソリューションを提供しています。 図6は、乾癬や湿疹などの皮膚状態の治療などの光線療法アプリケーション向けに300〜320nmの範囲の放射線を照射するように設計されたランプのUV-LEDアレイの例を示しています。
SETiのマーケティングおよびセールスディレクターであるTimBettlesは、Seoul Optodeviceとの製造契約は、SETiがコストを削減しながらUVLEDとランプの量を増やすのに役立つように設計されていると述べました。 「当社の最初のUV-LED製品は2004年に発売され、それ以来、技術開発と市場での採用の両方で長い道のりを歩んできました。 私たちは現在、主流の消費者市場からの新たな需要に応えるために、大量生産のためのSETiの能力を調整しています」とBettles氏は述べています。 SETiは最近、新しい施設の購入を発表しました。この施設では、年間1億個を超えるUVLEDを製造する予定です。
SemiLEDsのマーケティングマネージャーであるDevinTangは、同社には360〜400nmの範囲のベアダイスと表面実装の高出力パッケージLEDのフルラインがあると述べました。 彼は、同社の製品は、高い熱伝導率（400 W / mK）を可能にするチップの銅合金基板とパッケージ内のシリコン基板に関して他の製品と差別化されており、コストを削減すると述べました。
DowaのUVLEDの主な販売代理店であるドイツのベルリンに拠点を置くEpigapOptronicは、Dowaが265、280、310、325、および340nmのベアダイスまたはパッケージ化されたLEDを製造していると述べました。 日亜化学工業は、365、375、385nmの表面実装高出力LEDと低出力ランプを製造しています。 CrystalISは260nm UV LEDを製造しており、AlN基板上にLEDを製造している唯一の会社です。
ウェーハ処理の問題
前に示したように、MOCVDによって成長させたInGaNとGaNのエピ層は、サファイア基板上に製造された高波長UV LEDに使用されますが、低波長では、アルミニウム含有量が増加するAlGaNのエピ層を使用する必要があります。 AlGaN、AlInGaN、AlInN、AlNエピ層の層を含む多くの異なる組成がありますが、組成がどうであれ、ある時点でサファイアよりもAlN基板上でAlGaNベースの材料を成長させることが容易になり、AlN基板サプライヤの開発が促進されました。ノースカロライナ州モロスビルを拠点とするHexatechなど。 それにもかかわらず、AlN基板は小さなサイズでしか入手できず、サファイアウェーハよりもはるかに高価なままであるため、この市場は制限されています。
図。 7.UVおよび可視領域での水銀灯のスペクトル出力。
図。 7。
最近、ボストン大学のTheodore Moustakasは、サファイア基板上にAIGaNベースの層を使用してより効率的な（高い内部量子効率）UV LEDデバイスを成長させるために、MBE（分子線エピタキシー）の使用を開拓しました。 このアプローチは、今日AlGaNを堆積するために使用されているさまざまなMOCVD技術と競合します。
光学とパッケージング
UV LEDメーカーは、内部量子効率と光学効率の改善に懸命に取り組んでいますが、全体的な効率は20％未満のままです。つまり、ダイオードの接合部から大量の熱を放散する必要があります。 「今日のチップ技術で必要な磁束密度を達成するには、マルチダイエミッタを最大電流で駆動する必要があります。 これは、製品の寿命の間、極端な電力密度を処理できるLEDパッケージでのみ可能です。 熱的に整合したストレスのないパッケージとガラスレンズは、UVLEDに関連する一般的なパッケージの故障モードを排除するのに役立ちます」とThomas氏は述べています。 彼は、熱抵抗が非常に低く、ダイ接合部から熱をすばやく伝導するLED Enginの特許取得済みの多層セラミック基板について説明しました（図2）。
一部のUVLEDアレイはセラミック基板にパッケージ化されていますが、多くのメーカー、特にシングルチップデバイスのメーカーは、UVの高い透過率を提供するガラストップを備えたTO缶タイプのスルーホールパッケージを使用しています。 エポキシレンズをUV透過可能なフラットまたはドーム型のガラスに置き換えることは比較的新しい開発であり、寿命を約5000時間から最大30,000時間まで延長することができました。 UVは、エポキシ材料の劣化を非線形的に加速し、寿命に直接影響します。 ガラスレンズは、耐久性と信頼性を向上させます。 もう1つの方法は、ガラスレンズとシリコーン封止材を組み合わせて、さらに高いフラックス密度と高い効率、さらに短い寿命（15,000〜20,000時間）に対応することです。
パッケージにハーメチックシールを使用するかどうかの選択は、チップ内の材料によって決まる場合があります。 「窒化アルミニウム基板は、ほとんどハーメチックパッケージの使用を指示します。アルミニウム含有量が多いほど、デバイスの酸素に対する親和性が高くなるため、ハーメチックシールがUVデバイスをより適切に保護します」と、製品開発マネージャーのフランクギンデルは説明します。ドイツ、ランツフートのショット電子パッケージング。 Schottの新しい銅およびガラスベースのパッケージは、高い熱伝導率と気密性の利点を提供します。
UVの危険性
UV LEDを非常に強力で有用なものにするのと同じ品質のいくつか、つまり低波長と高エネルギーを認識することが重要です。 それらを危険なものにする性質もありますUVLEDとその製品の警告ラベルは明確ですが、注意が必要です：。 UV-LEDは、動作中に目に見えない紫外線を放出します。これは、短時間でも目や皮膚に害を及ぼす可能性があります（光生物学的安全性の詳細については、この号のp.63に掲載されている一連の記事を参照してください。 。）
次のステップ
UVユーザーが水銀蒸気源からUVLEDに切り替えるのを妨げる可能性のある重要な問題を特定するように求められたとき、多くの業界参加者は、既存の業界の勢い、そしてもちろんコストを壊すことに帰着すると言います。 Limは、波長ポートフォリオの丸めが採用に大いに役立つと考えています。 「これらの3つの波長である250nm、285 nm、300 nmの優れたLEDを入手できれば、水銀アークランプの扉をほぼ閉めることができると思います。」
