Главная Продукция Оборудование

О UV-LED технологии

UV – LED технология

Для отверждения УФ-красок и УФ-чернил традиционно используются ртутные лампы. Их минусы хорошо известны: очень низкий КПД (порядка 0,5% в требуемом спектральном диапазоне); сравнительно короткий срок службы (см. График №1); сложная система управления; большое выделение тепла; выделение озона; трудности с утилизацией.
Альтернативная система отверждения на светодиодах УФ диапазона экологически безопасна (работают за пределами жесткого УФ излучения, в котором происходит выделения озона); имеет длительный срок службы; не имеет излучения в ИК диапазоне, что позволяет печатать практически на всех типах материалов, в том числе на материалах для которых недопустим нагрев. К недостаткам можно отнести узкий спектр излучения (385 +-5 нм), а также высокую начальную стоимость системы.
Использование в конструкции принтера блока УФ светодиодов вместо УФ лампы приносит ощутимый положительный эффект при эксплуатации, который можно оценить следующим образом: средний по производительности УФ принтер, оснащенный УФ лампами потребляет 4 кВт/ч энергии и требует замены комплекта ламп (как правило 2шт на принтер) каждые 600÷1000 часов работы. Сопоставимый по производительности УФ принтер, оборудованный системой УФ излучения на светодиодных модулях потребляет не более 0,26 кВт/ч энергии, а средний срок службы излучателей составляет около 40000 часов. Поэтому применение светодиодов является экономически целесообразным.

График №_1

Для получения необходимых характеристик светодиодной системы ультрафиолетового отверждения, специалистами нашей компании был проведен анализ научно-исследовательских работ производителей светодиодов, которые описывают граничные режимы работы диодов при максимальных токовых и температурных нагрузках. На основании этих данных была разработана система управления светодиодами и собран опытный образец светодиодного УФ излучателя с воздушной схемой охлаждения. Результаты тестирования излучателя показали, что достижение требуемой токовой нагрузки и соответствующей ей мощности оптического излучения невозможно без уменьшения ресурса светодиодов.
Для достижения приемлемого температурного режима охлаждения светодиодов был разработан и успешно испытан опытный образец ультрафиолетового излучателя на сверхярких диодах, оснащённого системой управления и системой охлаждения водой. В ходе испытаний были получены характеристики оптической мощности системы, определены габаритные размеры и вес системы, приемлемые для работы принтера. Было достигнуто охлаждение системы УФ-светодиодов до 50°С, тогда как сам производитель УФ-светодиодов смог добиться минимальной температуры охлаждения 90°С, при этом рабочая температура УФ-светодиода у производителя составляла 150°С. Согласно данным полученным от производителя, снижение рабочей температуры УФ-светодиодов и их кристаллов позволяет увеличить их срок службы. Это НОУ-ХАУ, результаты которого удалось получить инженерам отдела разработок компании САН.
УФ-ЛЕД (UV-LED) блок в таком исполнении был запущен в серийное производство в середине 2007 года и на данный момент установлено более трехсот УФ-блоков, которые успешно эксплуатируются на принтерах. У некоторых из установленных блоков время эксплуатации уже превысило 10 000 часов. В 2010 году ожидается выпуск усовершенствованного, более компактного УФ-светодиодного блока с увеличенной шириной поля засветки и большей оптической мощности излучения.

В России готовых разработок УФ-отверждающих систем с использованием УФ-светодиодов нет. Это относиться как к УФ-светодиодным устройствам, так и к источникам излучения – УФ-светодиодам на основе наноструктур нитрида галлия (AlInGaN). В некоторых университетах и научных институтах России имеются разработки в этом направлении, но до стадии промышленного образца или прототипа они на данный момент не доведены. Например, сотрудники Новосибирского Института физики полупроводников СО РАН проводили работы по созданию кристаллов УФ-светодиодов на основе наноструктур нитрида галлия, но выращенные кристаллы впоследствии оказались непригодными для УФ отверждения. Санкт-Петербургский Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе так же имеет наработки по выращиванию наноструктур нитрида галлия, но до работающих прототипов еще далеко, т.к. технология требует множество доработок. По заверению сотрудников этого института, разработки будут продолжаться еще около 8 лет.
Также ведутся работы по созданию УФ-светодиодных блоков для отверждения зарубежными компаниями. Разработаны и производятся УФ-светодиодные блоки на основе светодиодов со спектром излучения 395 и 405 нм. Такие блоки используются только для так называемого Pinning’а (частичного отверждения чернил), иначе можно назвать «заморозкой» верхнего слоя капли чернил. Это делается для того, чтобы не допустить растекания капли на материале (для повышения детализации), после чего полное отверждение производится за счет облучения УФ-лампой. Данная технология отверждения при помощи УФ-светодиодов и УФ-ламп одновременно появилась из-за того, что на границе УФ излучения с видимым светом энергия квантов низкая и энергии излучения УФ-светодиодов недостаточно для полного отверждения чернил, поэтому чернила доотверждаются лампой. Такое решение не подходит для полного отверждения выпускаемых нами чернил из-за отсутствия в них фотоинициаторов, чувствительных к области излучения 395-405 нм. Так как эта область находится на границе видимого света, требуются методы светозащиты, как и в случае с традиционными фотопроцессами. Такая технология, предлагаемая Американской компанией “Phoseon”, является переходной на пути от УФ-ламп к УФ-свтодиодам. Мы первыми смогли воплотить технологии отверджения только УФ-светодиодами.
Существующие разработки по УФ-светодиодным блокам на 365 нм, имеют выходную мощность которая соответствуют 1,2 Вт/см2. Этого недостаточно для полного отверждения чернил при небольшом количестве проходов. Данным проектом занимается Английская компания «Integration Technology»
УФ-светодиодные блоки и чернила, разработанные нашей компанией, стали прототипами аналогичных продуктов других компаний. Нам известны факты, когда покупали наши УФ-светодиодные блоки компании, занимающиеся производством устройств УФ излучения, а через некоторое время выпускали аналогичный продукт. Но по своим техническим характеристикам они уступают УФ-блокам, разработанным компанией САН. Например, аналогичные УФ-светодиодные блоки Phoseon имеют в 3 раза меньшую мощность излучения в сравнении с УФ-светодиодными блоками компании САН. Срок службы УФ-светодиодных блоков компании САН составляет 40’000-100’000 часов, УФ-светодиодных блоков Fusion около 10’000 часов. Поэтому продукция компании САН превосходит аналоги, по техническим характеристикам.

В секторе рынка принтеров с УФ-отверждением чернил, в качестве источника УФ излучения доминируют ртутные УФ-лампы, которые установлены более чем в 90% УФ-принтеров в мире. Очень небольшой процент занимают микроволновые источники излучения, а также ксеноновые УФ-лампы. На сегодняшний день тенденция развития технологий идет к тому, что появились производители, которые предлагают использовать так называемые УФ-лампы «холодного свечения», которые не выделяют озон, работают при более низкой температуре (не нагревая материал), но их выходная мощность существенно ниже, чем мощность ртутных УФ-ламп. Отверждение классических свободнорадикальных (free radical ink) чернил УФ-лампами холодного свечения невозможно, поэтому химические концерны, производящие чернила, приступили к производству катионных (cationic ink) УФ-чернил, способных отверждаться лампами такого типа. Данная технология имеет свои преимущества и недостатки в сравнении с УФ-светодиодной технологией. К плюсам данной технологии можно отнести безвредность катионных УФ реагентов. Это единственный тип чернил, который после отверждения допускает прямой контакт с пищей. Также несомненным плюсом является отсутствие озона при работе таких ламп. К недостаткам относятся высокая цена ламп (сравнима со стоимостью УФ-светодиодного блока), небольшой срок службы (такой же, как и у традиционных ртутных ламп), высокая стоимость катионных УФ компонентов, из-за чего цена катионных чернил на рынке составляет около 300 евро за 1 литр, что препятствует широкому использованию данной технологии.
Также продолжаются разработки чернил, которые бы отверждались УФ-светодиодами. Для корректной работы пары излучатель-чернила, необходимы чернила, которые отверждаются под той мощностью и длиной волны, которую выдает излучатель. Использование сырья, не соответствующего параметрам излучателя, не даст эффекта отверждения, т.к. невозможно сделать чернила чувствительные к любой области УФ излучения, особенно это касается диапазона от 370 нм и выше. Приходится подбирать источники излучения и компоненты чернил, ориентированные на отверждение в той или иной области УФ диапазона. Мы нашли такой компромиссный вариант при использовании УФ-светодиодов с длиной волны в 365 нм (+-5 нм), которые имеют приемлемую мощность и стоимость на готовые устройства, сравнимые с ртутными УФ-лампами.
Альтернативным вариантом решения задачи отверждения чернил служит УФ-лампа, использование которой влечет за собой установку дополнительной системы вентиляции внутри принтера для удаления тепла, образующегося в результате работы ртутных УФ-ламп. Основная часть энергии таких ламп выделяется в спектре инфракрасного излучения.
Температура нагрева УФ-лампы достигает 600-700 градусов, что вызывает сложность при использовании для печати нетермостойких, тонких и легко воспламеняющихся материалов. Система охлаждения УФ-светодиодов разработанная компанией САН, позволяет достигать самого низкого уровня рабочей температуры без применения систем воздушного охлаждения, благодаря чему запечатываемый материал не нагревается выше 30°С.

Благодаря своим преимуществам, УФ-светодиоды, могут заменить УФ-лампы в других полиграфических технологиях, а также в областях, где используется полимеризация материалов, чувствительных к ультрафиолетовому излучению: медицина, приборостроение, машиностроение, электроника и других.
При использовании в качестве источников УФ-излучения УФ-светодиодов на основе наноструктур нитрида галлия мы получаем следующие показатели и преимущества, в сравнении с традиционными ламповыми источниками УФ-излучения:

Спектр излучения узкий широкий
КПД 15-20% 0,5-1%
Энергопотребление при одинаковой выходной мощности излучения 100 - 400 Вт/ч 1000 - 4000 Вт/ч
Время выхода на рабочую мощность (включения и выключения устройства) 0,1 секунды 2-3 минуты
Срок службы 40 000÷60 000 часов 600-1000 часов
Вредные вещества отсутствуют Пары ртути и соли тяжелых металлов, выделение озона в процессе работы
Излучение в ИК диапазоне отсутствует Большая часть излучения в ИК диапазоне
Рабочая температура 25-30°С 600-800°С
 

Единственным минусом УФ-светодиодов в сравнении с лампами является высокая цена. Однако, в перспективе, цена светодиодов – основного по стоимости компонента УФ-блока – будет снижаться. Кроме того, даже при текущей цене на УФ-светодиоды, приведенный ниже расчет показывает экономическую целесообразность использования светодиодов взамен ртутных ламп.
Цена УФ-светодиодного блока – 200 000 руб.
Цена аналогичной по выходной мощности излучения УФ-лампы (без блоков питания, управления и охлаждения) – 12 000 руб;
Срок службы УФ-светодиодного блока – 40 000 часов;
Срок службы лампы – 600 часов.
При сопоставлении срока службы УФ-ламп и УФ-светодиодов, за время работы УФ-светодиодного блока, потребуется заменить 67 ламп, что обойдется потребителю в 804 000 руб. что в 5 раз превышает стоимость УФ-светодиодного блока.
За год работы УФ-светодиодный блок потребит около 1 мВт электроэнергии, УФ-лампа – около 8 мВт.

При цене 1 кВт в 1,5 руб. УФ-светодиодный блок потребит 1500 руб. за год, а лампа 12 000 руб. Содержание ртути в одной лампе 0,1-0,2 г. На принтерах их стоит две. При сроке жизни в 600 часов, за год на принтере потребуется поменять 6 ламп. Это 0,6-1,2 г. ртути с одного принтера. С учетом того, что в мире работают примерно около 4000 принтеров, в окружающую среду ежегодно попадает только в результате эксплуатации УФ-принтеров около 4х кг ртути. УФ-светодиоды не содержат вредных компонентов.