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LEDUV固化系统点光源和面光源紫外固化系统

发布时间:2023-03-21 人气:672

LEDUV固化系统点光源和面光源紫外固化系统

如前面所讨论,UV LED光源本质上比传统紫外光源的运行更安全。不过,消除紫外辐射暴露风险的一个重要要素就是培训,和提高终端用户的意识。

测量UV LED固化系统的指引

粘合剂产品聚合反应的最终质量和一致性,取决于许多因素。其中一个因素是紫外线输出的稳定性和一致性,包括辐射功率或辐照度。定期检查并监测固化系统的能量输出,以确保其功率或辐照度保持在预期水平,这一点十分重要。

本节将为测量紫外固化系统提供指引,尤其是对基于UV LED的固化系统。

UV LED固化系统的光学参数

一般来说,UV LED固化系统的基本光学参数包括:

a. 峰值波长

UV LED发出的波长由所选择的/工程化的半导体和掺杂材料所决定。与传统的紫外灯不同,UV LED的发射具有”相当于单色”的光谱(或者说是一个峰),具特定的峰值波长和相对狭窄的带宽,与可见的LED带宽相比,带宽通常介于9到15nm之间。需要使用光谱仪来描述UV LED固化系统的波长参数。

b. 峰值辐照度

辐照度是对从UV LED发射出来,到达特定应用场景表面的辐射能量强度的一个测量。它以W/cm2或mW/cm2的单位表示。辐照度随距离的增加而呈指数级下降。在UV LED固化系统的指标中,峰值辐照度被用作关键参数。根据定义,峰值辐照度是光度计或紫外能量计在参考点测量到的最高辐照度。

UV LED固化系统的指标数据表通常会给出峰值辐照度的测量位置,表明其是在发射窗口处,或离发射窗口特定距离处。但是,某些指标数据表没有给出准确的测量位置信息,包括距离和横向位置,如在所涉及区域的中心、边缘或角落。这会使得终端用户感到困惑,并可能使指标数据表的性能比较结果失效。

c.能量密度

能量密度的测量是指在特定时间的辐照度的集合,以每平方厘米的焦耳数(J/cm2)来表示。在传送带系统中,能量密度的测量通常被用作确定紫外固化能力的参数。终端用户可以调整传送带的速度来设置正确的能量密度,这时光源所发出强度是恒定的。

d.均匀性

另一个重要参数是分布在指定位置紫外光的均匀性。并非所有的紫外固化系统在整个固化区域都释放出一致的能量。分布不均可导致粘合剂固化质量差,甚至固化不够。

均匀性是特定距离和区域上能量分布的变化。它是通过对指定区域中最高和最低辐照度的比率来表征的,并以百分比来表示。为了建立工艺过程的一致性,终端用户可以在测量过程中调整测量位置来达到,并相应调整紫外固化系统。

本文未特别讨论的其他重要参数是,运行温度和环境温度。

如前所述,UV LED是对温度敏感的设备。输出功率随着温度的升高而降低,发光部件的寿命也会因此而缩短。UV LED固化系统需要根据制造商对系统冷却方式的说明来进行安置和操作,从而可以最大生产能力运行。

在以下部分中,我们将会对使用紫外能量计测量UV LED固化系统的辐照度的指南进行解释。

紫外能量计作为测量设备

如前一节所述,紫外能量计用于测量给定位置和距离的辐照度。它是用于监测和确保稳定的紫外固化过程的一种有用设备。紫外能量计也可用于:

保持可靠的紫外固化过程

确保紫外固化系统提供成功固化所需的良好辐照度和辐照剂量水平

在紫外固化过程中作为安全性的测量工具

紫外能量计足够敏感,可以测量杂散或反射能量的强度

测量光线穿透基材的透过率

它可以测量各种波长穿透基材的透过率,因为有时基材会吸收一些波长的能量。为了确保有效的固化过程,测量到达任何干预基材下方的固化点的光强至关重要。

图1 市面可获得的紫外能量计的形式 (a)手持式和(b)冰球型

根据外形和应用,市场上可获得的紫外能量计可分为手持式/魔杖端型和盘式/冰球型。对于生产线来说,两种类型的设计都需要是紧凑且易于操作的。

手持式紫外能量计适用于点和魔杖端型的固化系统。通常,它们附带适配器套件,以装配进紫外固化系统的光引导部件或连接器中。冰球式紫外能量计更适合测量传送带和瀑布式固化箱的紫外固化系统的辐照度或能量密度。图1展示了戴玛斯的紫外能量计样板。

在为紫外固化应用选择合适的紫外能量计时,需要考虑下面几个因素才能获得准确且可重复的测量结果:

紫外固化系统的光发射器

光发射器是固化系统中的紫外光源部分,它可以使用传统的紫外灯或UV LED来进行设计。通常,紫外光发射器由能量源、作为附加光学部件的反射器、透镜或紫外光级别的光学窗口,以及空气或液体冷却形式的热系统组成。

所有光源均发出紫外线,但光谱范围不同。传统的紫外灯具有较宽的光谱范围,包含从紫外光谱到少部分的可见光谱。而UV LED的辐射能量则在相对狭窄的紫外光谱范围内。

终端用户应该知道,可能需要使用不同的工具来测量传统紫外灯和UV LED的辐照度或能量。用于测量宽光谱紫外灯的紫外能量计,只能测量传统的紫外灯固化系统,而不能测量UV LED固化系统,因为它们测量的是一个特定的波长范围。为了测量UV LED系统,建议采用专门为该用途而调整的特定测量工具。

紫外能量计探测器的响应率

图2 戴玛斯紫外能量计和紫外光源光谱强度的典型光谱响应情况:(a) ACCUCAL50/160的探测器光谱,以及金属卤化物和汞灯的光谱;(b) ACCUCAL50L/160L的探测器频谱和UV LED的光谱

选择紫外能量计的关键参数是确定发射光源的波长。极为重要的是,发射光源的光谱必须在紫外能量计探测器的光谱响应范围内。但是,由于对辐射能量的量化范围不同,用于传统紫外灯的紫外能量计不应被用于测量UV LED灯源。

如果紫外能量计探测器在整个紫外光谱都具有在平坦顶部的响应率,这将会十分理想,但这种探测器的成本会很高,而且不便于使用,因此通常不会用于工业应用中。

对于使用UVA(如金属卤化物和汞灯)的粘合剂固化应用中,所使用探测器在360-365nm范围内的响应率最高,因为金属卤化物紫外灯和汞灯的光谱在这个范围内具有更高的峰值。如图2所示。

对于基于UV LED的固化系统,建议终端用户搞清楚紫外能量计是在哪个波长经过校准的。各种类型的紫外能量计可用于测量在单波长或多波长的辐照度以及剂量。

如果紫外能量计的测量模式调整为385nm,但是却用于测量UV LED固化系统的辐照度,而后者的峰值波长却为365nm,则测量结果不会是真实值的反映,只能被认定为相对值。不过这仍然可以用于过程稳定性的分析。

进行简单的测量,可以发现经过特定调整的紫外能量计所测量得到的辐照度之间的差异。设备设置的构建方式需要使得测量结果可靠且可重复。从表1的结果来看,使用两个紫外能量计,对峰值波长为365nm光源进行测量的偏差约为13%。

表1 采用不同紫外能量计对UV LED模块的测量结果。测试距离为25毫米

点光源和面光源的紫外固化系统

取得准确结果的另一个重要考量,是紫外能量计测量点光源和面光源紫外固化系统的能力。紫外点光源固化系统的发射器与光导或校准透镜相结合,形成聚焦和狭窄的输出光束。

点光源固化系统通常用于高强度地固化小面积部位,从而提供更快的固化时间。与点光源固化系统不同,面光源固化系统可用于同时固化较大面积部位或小面积部位。

为了测量紫外固化系统的辐照度,终端用户应确保光发射器和紫外能量计的探测器处于平行位置。倾斜的紫外能量计传感器会导致测量不准确。为了测量点光源固化系统的辐照度,紫外能量计垂直连接到光导或连接器相匹配孔洞的适配器上。

适配器和连接器必须进行精确设计,以便总辐射能量能够毫无损失地照亮整个探测窗口。光穿过测量窗口也必须是均匀一致的。一些紫外能量计制造商提供标准和定制适配器和连接器,或专门设计用于测量面光源模式或特定点大小的紫外光测量模式。

测量过程中的横向位置和纵向位置

在生产线上,紫外能量计用于监测紫外固化系统的输出,以确保系统在指标范围内运行。出于这一原因,我们因此需要一致的辐照度。由于所测得的辐照度和距离相关,因此要实现可重复和一致的测量结果,每次测量的位置和方向必须相同。

此外,并非所有的面光源系统都在整个照射面上发射出完全一致的能量,这会导致整个照明区域的辐照度不同。因此,必须在工作距离处确定其均匀性,以达到良好和可重复的固化效果。

图3 在固定工作距离内,通过紫外能量计的测量位置来确定均匀性的示例

照明区内有少数测量点可以用于紫外能量计来绘制辐照均匀度图,如图3所示。如果辐照度图构建好了,则可以确定有效固化区域的尺寸,并与固化应用相匹配。

温度

所有半导体设备都对温度敏感。一般来说,紫外能量计的操作温度不应超过70°C。

如果探测器长时间暴露于紫外固化系统下,将使得探测器上的温度升高,会使得探测器的性能开始减弱。当前的技术水平使紫外能量计能够在毫秒间隔内进行辐照度或能量密度的计算,从而避免温度带来的误差。

此外,当紫外光发射器启动时,建议用户在温度达到稳定状态后再测量其辐照度,以确保读数的一致和准确。同时,需要确保在执行下一次测量之前,紫外能量计已经冷却下来。与传统的紫外固化系统相比,使用基于UV LED的固化系统的优势之一,是其预热时间更短。

紫外能量计的校准和维护

随着时间的推移,紫外能量计的组件会老化,从而导致测量精度降低。这在能量计使用频繁的情况下会更加严重。紫外能量计是一个娇弱的系统,特别是它的光学部件。光学部件的轻微变化或碎屑可能会显著影响测量结果。

因此,建议对紫外能量计进行定期维护和校准,包括清洁和适当保存。

为了保持最低的误差可能性,必须定期校准紫外能量计。校准过程中,需要确定所有重要参数的误差情况。校准过程通常基于标准件进行,可追溯到国家标准,并在指定环境条件下进行测量。大多数校准实验室遵循国家标准与技术研究所(NIST)制定的标准。结果和相关测量的不确定性将记录在校准证书上。

校准过程中的关键因素是,它应显示贯穿紫外能量计最终产品整个过程的不间断的传输比较链,且比较是源自国家标准实验室。

结论

随着技术的日益成熟,基于UV LED的固化系统的市场份额预计将逐年增加。UV LED比传统紫外灯相比具有固有优势,这不仅归功于性能,还得益于其环境友好和安全性的特点。

某些终端用户可能尚未使用合适的方法来使用紫外能量计进行能量输出的测量,这可能导致看似正确或接近期望值的虚假测量结果。需要为UV LED固化系统采用适当的测量方法,以确保结果的一致性,并消除使用紫外系统的风险。

此外,对于那些没有列出紫外能量计类型、辐照度测量位置以及紫外能量与探测器配合方式的数据,进行细致评估是十分重要的。

本文可作为终端用户获取UV LED固化系统准确和可重复测量结果的指南,尤其是使用紫外能量计进行的测量。

   

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