在討論UV-LED之前，我們首先要明確幾個概念,，確保大家談?wù)摰氖峭粋€東西,，以免張冠李戴，出現(xiàn)雞跟鴨講的情況,。在這里,，UV指的是UV涂料、UV油墨,、UV膠黏劑等等紫外光固化材料;LED特指紫外LED光源;UV-LED則定義為“用紫外LED光源作為輻射源實現(xiàn)UV材料的固化”,。

　　眾所周知，傳統(tǒng)的UV涂料使用的固化光源是中高壓汞燈,，這兩年受節(jié)能,、環(huán)保等政策因素的影響,，也得益于UVLED(紫外LED)的快速發(fā)展，具備了可以工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ),，市場上掀起了一股UV-LED的熱潮,。新興的事物總是能夠引起大家的關(guān)注和追捧，但是作為一個從業(yè)者,，對UV-LED有一個清晰的了解是必須的，在這里,，我把我們這兩年在UV-LED領(lǐng)域研究的一些經(jīng)驗和大家做個分享,。

　　由于光源的改變(LED和汞燈的區(qū)別稍后再細(xì)說)，帶來了UV涂料配方體系的改變以及整個涂裝,、固化工藝的變革,。針對UV-LED這個系統(tǒng)，從技術(shù)到市場,，我們認(rèn)為有五個需要重點研究的方向,。

　　UV-LED光固化的研究

　　前面已經(jīng)給UV-LED做過定義，就是用紫外LED光源作為輻射源實現(xiàn)UV材料的固化,，所以實現(xiàn)固化是所有研究的第一要點,，光固化，光(能量源)和UV材料(受體)都是必不可少的,，光改變了,，必然帶來整個系統(tǒng)平衡的重構(gòu)，這里面的核心就是UV涂料和LED光源對接的跨學(xué)科研發(fā),。大家都知道,，LED的波長越短，能量級別越高,，價格越高;而光引發(fā)劑激發(fā)所需的能量越低,，吸收波長越長，價格也越高,。光源和引發(fā)劑剛好是一個蹺蹺板關(guān)系,，所以拓展各自的能力邊界，尋找LED光源和UV材料的最佳平衡點就成為了UV-LED研發(fā)的重點工作,。

　　LED光源系統(tǒng)的研究

　　汞燈技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,，所以傳統(tǒng)上我們都把汞燈看做是標(biāo)準(zhǔn)光源。而紫外LED的發(fā)展才剛剛起步,，未來的發(fā)展空間依然巨大;另外LED的產(chǎn)業(yè)鏈非常長,，從晶體的生長、芯片的切割,、到芯片的封裝,，再到光源模組的集成,，還涉及到電源的控制和散熱系統(tǒng)的設(shè)計等等，每一步對最終形成的產(chǎn)品——UVLED光源的質(zhì)量都有著非常重要的影響,，所以認(rèn)識LED的能力邊界,，拓展LED的能力邊界，對UV-LED整個體系的研發(fā)至關(guān)重要,。

　　1,、LED光源與汞燈的區(qū)別(優(yōu)點、缺點,，大眾對LED的理解誤區(qū))

　　所謂知自知彼百戰(zhàn)不殆,，既然我們要用UVLED來取代傳統(tǒng)的汞燈，那就必須要先了解汞燈和LED燈的區(qū)別,，各自有什么優(yōu)缺點等等,。因為UV涂料能夠固化，是因為配方里面的光引發(fā)劑吸收了某個波長的紫外光而產(chǎn)生自由基(或者陽離子,、陰離子)進而引發(fā)單體的聚合,，所以我們首先看一下汞燈和紫外LED的發(fā)射光譜圖。

圖1,、UV LED與汞燈的光譜分布圖

　　這張圖是大家經(jīng)常見到的很經(jīng)典的一張UV LED和汞燈的發(fā)射光譜的對比圖,，從圖上我們可以看到，汞燈的發(fā)射光譜是連續(xù)的,，從紫外到紅外都有,，特別是在UVB到短波的UVA這一段的光強比較集中，而LED的發(fā)射光譜比較窄,，常見的是峰值為365nm和395nm(包括385,、395、405nm)的這兩個波段,。

　　當(dāng)前能工業(yè)化應(yīng)用的主要是UVA波段的近紫外光,，主要就是圖1所示的365nm和395nm兩個波長的LED光源，在這個波長范圍內(nèi),，大部分引發(fā)劑的摩爾消光系數(shù)都比較低,，所以UV-LED普遍存在引發(fā)效率低，氧阻聚嚴(yán)重的問題,，不利于表干(備注：當(dāng)前很多UVLED廠家或者做LEDUV涂料的廠家所宣稱的LEDUV打磨性好,，嚴(yán)格說來就是表面固化不好的結(jié)果，難的不是打磨性好,，而是如何實現(xiàn)打磨性的可調(diào)控,，既能耐磨又能好打磨。甚至還有些廠家掛羊頭賣狗肉，在LED燈的后面加設(shè)一條汞燈,，真正起作用的其實還是汞燈,。)但是，我們同時也看到,，在365nm和395nm這兩個波段,，LED的光強比汞燈要強很多，有利于UV材料的深層固化(很多傳統(tǒng)的UV固化設(shè)備,，會在汞燈后面加一個鎵燈(主發(fā)射波長為415nm),，目的就是為了加強深層固化。)

圖2,、3兩種常見光引發(fā)劑的吸收光譜圖

　　第二個我們要談的是LED的節(jié)能問題,，一般意義上，大家都認(rèn)為UVLED比汞燈要節(jié)能,，甚至很多廠家打出了用LED以后能夠降低70%的能耗的宣傳口號,。其實這里面有很大的誤區(qū),，有兩方面的原因：一是有些企業(yè)嘩眾取寵,，夸大宣傳;二是很多人根本就不了解LED，把兩個概念搞混了,。持這種觀點的一般是基于“汞燈發(fā)出來的光只有30%是紫外光,，而UVLED發(fā)出來的光全部都是紫外光”這個基礎(chǔ)得出來的結(jié)論，而真正影響系統(tǒng)能耗的是光電轉(zhuǎn)換效率和有效光效率,，汞燈的光電轉(zhuǎn)換效率是很高的,，只是汞燈發(fā)出來的光很大部分是可見光和紅外光，UV材料固化需要的紫外光只占30%,，而UVLED的光電轉(zhuǎn)換效率要低得多,，目前UVA的光電轉(zhuǎn)換效率只有大概30%(其實跟汞燈的紫外光效率差不多)，而根據(jù)能量守恒原理,，剩下70%的電就轉(zhuǎn)換成了熱(唯一的區(qū)別是LED的熱通過燈板從背面散出去了,，出光面是沒有熱量的，LED“冷光源”的稱號由此而來;而汞燈的熱則通過反射罩和紅外線從正面發(fā)出來,。),，這就是為什么UVLED光源一般都需要風(fēng)冷散熱,，大功率的UVLED光源還需要要按光源的電功率的70%配備一個水冷機來給燈頭散熱的原因,。真正能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的是LED可以即開即用,，能夠通過光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)精準(zhǔn)照射,，提高有效光效率的特點,，而這些需要紅外探測,，智能控制等等的配合,，對目前市場上大部分UVLED的設(shè)備廠商而言,，都沒有足夠的實力去進行這方面的研發(fā),。

　　第三點也是最重要的一點,，就是環(huán)保問題,。汞燈的環(huán)境污染主要有兩點：一是汞燈的發(fā)射光譜有200nm以下的遠(yuǎn)紫外光，會產(chǎn)生大量的臭氧(很多車間工人反映的用汞燈會覺得有臭味,，這就是根本原因);二是汞燈的使用壽命比較短,，只有800-1000小時，而廢棄的汞燈帶來的二次污染(汞污染),，一直是個難以解決的問題,。(據(jù)報道，每年處理汞廢棄物的能耗,，需要兩個三峽水電站的發(fā)電量,，而更要命的是，目前還沒有徹底處理廢棄汞的好辦法),。LED則沒有這樣的問題,。隨著《關(guān)于汞的水俁公約》自2017年8月16日在我國正式生效，去汞燈化就提上了日程,。雖然公約里面有備注,，暫時沒有可替代產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)用的汞熒光燈不在限制的名單之內(nèi)，但是也注明了,，如果締約方有可替代方案的情況下,，可以提請把相關(guān)的產(chǎn)品加入到限制名單。所以說,，UV固化用的汞燈產(chǎn)品什么時候能夠全面淘汰,，取決于UVLED在UV固化領(lǐng)域的發(fā)展情況。

　　其它的關(guān)于LED的優(yōu)點還有：LED是窄波長,，可以實現(xiàn)精準(zhǔn)固化(一方面是可以實現(xiàn)局部精準(zhǔn)固化,，譬如3D打印;另一方面可以通過不同引發(fā)劑的選擇，更好的實現(xiàn)不同程度的固化);LED光源是燈珠結(jié)構(gòu),，可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)長度,、寬度、照射角度等等,，做成點光源,、線光源、面光源,，滿足不同的照射工藝要求,。

　　2、實現(xiàn)UV材料固化的光源參數(shù)需求

　　波長 365nm,，395nm

　　輻射照度(光強,，光功率密度)mw/cm^2

　　總做功 mj/cm^2

　　在光固化的過程中，離不開上面三個主要的參數(shù)：波長、光強和總做功,，波長決定了光引發(fā)劑是否能夠被激發(fā),，光強決定了紫外光的引發(fā)效率，直接影響到表干(抗氧阻聚)和深層固化的效果,，而總做功則決定了是否能夠讓固化進行得徹底,。

　　LED與汞燈相比，最大的優(yōu)勢在于LED是有配方的,，是可調(diào)的,，在LED自身的能力范圍以內(nèi)，能夠最大程度的根據(jù)固化的需求進行配方的調(diào)節(jié),。在UV-LED的光固化實驗中,，就是不斷的拓展各自的能力邊界，尋找平衡點,。單就LED而言,，就是根據(jù)涂料的配方，找到實現(xiàn)最佳固化所需的LED的光源參數(shù),。

　　3,、LED的發(fā)光原理及UVLED芯片的發(fā)展現(xiàn)狀

　　根據(jù)電子躍遷的原理(具體不展開，感興趣的朋友自行百度),，原子的電子從激發(fā)態(tài)回歸到基態(tài),，會以不同波長的輻射來釋放能量(發(fā)射不同波長的電磁波),。

　　所以我們要制造一個能發(fā)射紫外線的東西,，第一種方法就是尋找一種原子，它的電子激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差剛好在紫外線的范圍,，我們傳統(tǒng)的汞燈就是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的UV光源,。

　　第二種方法就是利用半導(dǎo)體發(fā)光原理(具體不展開，感興趣的朋友自行百度,，簡單的說就是給發(fā)光半導(dǎo)體加上正向電壓之后,，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合,，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光,。)來制造UV波段的光源，大家都知道氮化鋁到氮化鎵或銦鎵氮(InGaN)系列的三五族半導(dǎo)體材料的禁帶寬度(band gap)剛好落在藍(lán)光到紫外光波段之間,，利用鋁銦鎵氮材料的配比變化,，我們可以做出各種不同波段的紫外線與可見光。

圖4,、不同材料配比的LED芯片的發(fā)射波長

　　雖然從理論上看,，什么波長的光都是能夠通過發(fā)光材料的配比來實現(xiàn)，受各種條件的制約，當(dāng)前可以商業(yè)化生產(chǎn)的UVLED芯片種類還是很有限,，工業(yè)化應(yīng)用的大功率芯片基本集中在3655nm-415nm的UVA波段,，這兩年UVB和UVC也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，不過也基本局限于消毒,、殺菌等低功率應(yīng)用的民用消費市場,。

　　這里面主要有幾方面的原因：1、晶體材料的結(jié)構(gòu)決定了發(fā)光效率(光電轉(zhuǎn)換效率)的高低,。由于UV-A中的365-405nm還可以采用氮化鎵(GaN)和發(fā)光效率高的銦鎵氮(InGaN),。UV-B和UV-C則整個結(jié)構(gòu)都是采用發(fā)光效率低的鋁鎵氮(AlGaN)材料，而不是目前大家熟悉的氮化鎵和銦鎵氮,，因為這兩種材料會吸收365nm波長以下的紫外光,。這樣的結(jié)果就是UVB和UVC的發(fā)光效率極低，以LG的278nm芯片為例,，整個光電轉(zhuǎn)換的效率只有2%,。2、根據(jù)能量守恒原理,，2%的光電轉(zhuǎn)換效率,，意味著有98%的電轉(zhuǎn)換成了熱，而LED芯片的使用壽命和發(fā)光效率又跟溫度成反比,，這么高的發(fā)熱量,，對散熱的要求極高，按現(xiàn)有的散熱方式,，根本無法做到大功率的UVB和UVC芯片的有效散熱,。3、為了保護LED芯片,，必須要對芯片進行封裝,，LED發(fā)光是全方位的，需要加裝透鏡聚光,，而除了石英玻璃以外,，大部分材質(zhì)的紫外光透過率都很低，波長越短,，透過率呈直線下滑,，這樣在發(fā)光效率本來就低的情況下，還要被透鏡吸收掉一大部分,，可以透出來的光就更弱了,，幾乎無法實現(xiàn)工業(yè)的應(yīng)用。4,、當(dāng)前的UVB和UVC的芯片也是基于UVA的反應(yīng)爐生長晶體,，除了材料自身的缺陷以外,，還有襯底與晶體的熱伸縮系數(shù)不匹配等等問題存在，導(dǎo)致晶體的良率極低,，成本居高不下,。

　　整體而言，由于UVB和UVC的發(fā)光效率低,、成本高,、對系統(tǒng)散熱有更高的要求，在技術(shù)有了更重大的突破之前,，工業(yè)用的大功率UVB和UVC光源都難以實現(xiàn),。

圖5、LG公司不同規(guī)格的LED芯片在額定電流下的發(fā)光效率
(UVC：278nm,，UVB：305nm,，UVA：365nm、385nm,、395nm,、405nm)

圖6、高硼硅玻璃不同波長的光透過率

　　4,、LED光源系統(tǒng)的研發(fā)要點

　　LED芯片只是LED光源的一個重要組成部分,，我們做LED光源的研發(fā)，需要作為一個整體進行系統(tǒng)的研究,。除了LED的波長,，還涉及到后面一系列的封裝工藝、光學(xué)設(shè)計,、散熱系統(tǒng),、電源系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等等,。

　　目前LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)主要有4種,，即: 正裝結(jié)構(gòu),、倒裝結(jié)構(gòu),、垂直結(jié)構(gòu)和三維垂直結(jié)構(gòu)。目前普通的LED 芯片采用藍(lán)寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)簡單,，制作工藝比較成熟。但由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱性能較差,，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上,，在大功率LED 應(yīng)用中受到了限制。

　　倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一,，與正裝結(jié)構(gòu)相比,，熱量不必經(jīng)過芯片的藍(lán)寶石襯底,，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，進而通過金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中,。另外,，由于倒裝結(jié)構(gòu)無需外接金線，芯片的集成密度可以做得很高,，提高單位面積的光功率,。不過，倒裝結(jié)構(gòu)跟正裝結(jié)構(gòu)都有共同的缺陷,，就是LED p,、n電極在LED的同一側(cè)，電流須橫向流過n-GaN層,，導(dǎo)致電流擁擠,，局部發(fā)熱量高，限制了驅(qū)動電流的上限,。

　　垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)光芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,，這種芯片是將傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍(lán)寶石襯底激光剝離,。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問題,，但工藝復(fù)雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個過程實現(xiàn)難度大,，生產(chǎn)合格率也較低,。不過隨著技術(shù)的發(fā)展，UVLED的垂直封裝已經(jīng)越來越成熟,。

　　現(xiàn)在又有一種新的三維垂直結(jié)構(gòu)提出,，與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比，三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢在于無需打金線,，使得其封裝的厚度更薄,、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅(qū)動電流,。但是三維垂直結(jié)構(gòu)距離真正的應(yīng)用尚有許多問題需要解決,。

　　由于UVLED發(fā)光效率跟照明LED相比普遍效率較低，為了實現(xiàn)更高的出光效率,，一般選擇垂直結(jié)構(gòu)封裝,。

圖7、幾種不同的封裝結(jié)構(gòu)示意圖

　　由于LED發(fā)光是全方位的,，在發(fā)光效率本來就不高的情況下,，為了實現(xiàn)更高的有效光效率(正面照射的光效率)，還需要進行科學(xué)合理的光學(xué)設(shè)計,，譬如反射杯,、一次透鏡,、二次透鏡等等。另外,，由于紫外光在介質(zhì)中的光衰減率較高,，所以在透鏡的材質(zhì)選擇上又要進行多項評估(石英玻璃、高硼硅玻璃,、鋼化玻璃等等),，盡量選擇紫外光透過率高的材質(zhì)(同時也是為了避免在長時間紫外光照射下材料吸光而溫度上升)。

　　前面有說過,，根據(jù)能量守恒原理,，電能轉(zhuǎn)化成光能的同時，也有一大部分轉(zhuǎn)化成熱能(UVA波段,，電：光：熱=10：3：7),，而LED芯片的有效使用壽命跟節(jié)溫密切相關(guān)，在光固化的過程中,，為了提供更高的光功率密度,，往往需要把LED芯片高密度集成，這樣對散熱就提出了很高的要求,，如何實現(xiàn)高效的散熱,，并且確保所有的LED芯片的節(jié)溫在一個合理均衡的范圍，也都需要科學(xué)的設(shè)計,、計算機的模擬和實際的測試,。

　　UV涂料配方的研究

　　1、光引發(fā)劑的局限,，從系統(tǒng)的角度去思考,，樹脂，單體的活性

　　從前面的LED的介紹可以看到,，當(dāng)前適合工業(yè)生產(chǎn)用的大功率LED光源,，波長局限在UVA波段，并且主要是365nm以上的波段,。確定了LED光源的能力邊界之后,，回過頭來看引發(fā)劑，其實可選擇的范圍就變得很有限,，大部分引發(fā)劑在365nm以上波段的摩爾消光系數(shù)都很低,。為了解決LED光引發(fā)劑引發(fā)效率低是問題，除了引發(fā)劑本身的開發(fā)以外,，我們也應(yīng)該從系統(tǒng)的角度去思考，把樹脂,、單體和引發(fā)劑,，甚至一些輔助的助劑,，都納入一個整體來研究，提高LEDUV的固化效率,。

　　2,、要實現(xiàn)LED固化的涂料配方及涂裝工藝設(shè)計(引發(fā)劑、樹脂,、單體,、溫度，表干,、實干,，顏料、填料的影響)

　　為了提高引發(fā)劑對長波長紫外光的吸收,，往往需要在分子結(jié)構(gòu)里面加入苯環(huán),，N，P等原子,，提高光引發(fā)劑對長波長紫外光吸收的同時,，也帶來了顏色的加深。并且由于引發(fā)劑的吸光效率太低,，為了提高涂料的整體反應(yīng)速度,，需要加入大量高反應(yīng)活性的樹脂和單體，一般是高官能度的丙烯酸樹脂和單體,，這同時會帶來漆膜的硬度高而脆性大的問題,，局限了漆膜的應(yīng)用范圍。

　　當(dāng)然,，LED光引發(fā)劑的摩爾消光系數(shù)普遍較低,，也有其獨特的優(yōu)勢，紫外光在涂層的透過率較高,，有利于厚涂層的深層固化,。

　　3、不同存儲,、運輸,、施工條件和施工工藝對涂料本身的性能要求

　　在涂裝領(lǐng)域，有輥涂,、噴涂,、淋涂等等不同的施工工藝，對涂料的粘度有不同的要求,，而不同的基材,，對涂料的浸潤性、附著力等等也有不一樣的要求,。而運輸,、存儲的條件對涂料本身的存儲穩(wěn)定性也有不同的要求,，所以在涂料配方設(shè)計的時候，要把這些因素都考慮進去,。

　　4,、不同的應(yīng)用對漆膜性能的要求

　　因為不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對漆膜的性能,，譬如光澤度,、色度、硬度,、韌性,、耐磨、抗沖擊等等,，都會有不同的要求,。所以在進行涂料開發(fā)的時候，要兼顧固化效果與漆膜性能的平衡,。

　　涂裝工藝的研究

　　涂裝是系統(tǒng)工程,，涂裝工藝的優(yōu)化，能夠進一步拓寬UV-LED的應(yīng)用邊界,。俗話說三分涂料七分工,，涂料也好，光源也好,，最終都是要通過涂裝來實現(xiàn)最后的交付,。而結(jié)合UV涂料和LED光源，進行涂裝工藝的優(yōu)化,，也能很大程度上彌補涂料和光源的不足,。譬如可以通過加熱降低樹脂含量較高常溫下粘度比較高的涂料的粘度，滿足不同涂裝方式的要求;還可以通過加熱讓體系的流動性更好,，分子活躍度提高,，初始固化反應(yīng)更徹底，漆膜表面更平整等等,。

　　上下游產(chǎn)業(yè)鏈的研究

　　過去兩年由于環(huán)保風(fēng)暴導(dǎo)致的光引發(fā)劑缺貨,，價格暴漲，已經(jīng)讓下游企業(yè)感受到切身之痛,，也極大的制約了LEDUV的發(fā)展,。由此可見，上下游產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)欠褙炌?，供?yīng)鏈體系是否順暢,，是一個行業(yè)能否健康發(fā)展，產(chǎn)品與技術(shù)能否取得市場化成功的基礎(chǔ)和保障。雖然很多行業(yè)都是從無到有,，技術(shù)的創(chuàng)新,，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，需求的爆發(fā),，是相輔相成，互相促進的,，但是我們在市場化的過程中,，也必須要把這些問題進行綜合考量。

　　另外,，從投資的角度來看,，進行上下游產(chǎn)業(yè)鏈的研究和布局，一方面可以確保產(chǎn)品走向市場時的供應(yīng)穩(wěn)定,，另一方面可以分享行業(yè)發(fā)展紅利,。

　　從產(chǎn)品研發(fā)的角度看，一方面可以通過創(chuàng)新,，取得技術(shù)上的突破,，完善產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，形成解決方案;另一方面應(yīng)該基于現(xiàn)有的供應(yīng)鏈體系和產(chǎn)業(yè)鏈特點,，通過對現(xiàn)有資源的整合來形成解決方案,。研發(fā)講究創(chuàng)新，在于先進性,，而工業(yè)生產(chǎn),，更加注重的是穩(wěn)定性和可靠性，原材料的易得性也是在配方研發(fā)時要考慮的問題,。

　　總而言之,，從技術(shù)到產(chǎn)品，從研發(fā)到市場,，需要更全局的思考,，需要更開放的合作，需要強大的資源整合能力,。兵無常態(tài),，水無常形，并沒有一招打遍天下的絕招,。在應(yīng)用的市場,，沒有最好，只有最合適的,。所以探索永無止境,，唯有不忘初心，砥礪前行。

編輯：嚴(yán)志祥