隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)光二極管(LED)憑借體積小、壽命長、可靠性高、亮度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，由其制成的光源、燈具和照明器具產(chǎn)品逐漸進(jìn)入各種可見光照明和紫外輻照應(yīng)用領(lǐng)域。隨著人們對照明應(yīng)用要求的變化和高光通量和高輻通量應(yīng)用需求的增加，大功率LED 的需求不斷增長，且具體要求也在不斷變化。而在工業(yè)領(lǐng)域如紫外固化、光化學(xué)合成和光生物改性等，應(yīng)用的紫外光源的功率要求甚至達(dá)到了千瓦級以上(1～20 kW)。

    1.紫外固化技術(shù)

    紫外光固化是指用紫外線(UV)照射有機(jī)涂層，使其產(chǎn)生輻射聚合、輻射交聯(lián)和輻射接枝等反應(yīng)，將低相對分子質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成高相對分子質(zhì)量產(chǎn)物的化學(xué)過程。由于該固化反應(yīng)中不需要加熱，反應(yīng)體系中也基本不含有溶劑或只含有極少量的溶劑，且經(jīng)過輻照后液膜幾乎100%固化，因此反應(yīng)引起的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)排放量非常低，基本上不會污染環(huán)境，是一種綠色環(huán)保的固化技術(shù)。

    光固化技術(shù)還具有許多卓越的優(yōu)點(diǎn)

    反應(yīng)速度非?？?，固化所需時間僅有幾秒至幾十秒，能夠有效地提高生產(chǎn)率；

    固化溫度很低，不需要額外加熱，在室溫下就可以實(shí)現(xiàn)固化，比熱固化節(jié)能約90%，適用于不宜高溫固化的材料；

    固化產(chǎn)品性能優(yōu)良，耐腐蝕、耐磨損、強(qiáng)度高、抗沖擊；

    固化成本低，產(chǎn)量高，產(chǎn)品性價比好。

    所以光固化是一種高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)。

    長期以來，光固化技術(shù)在國際上獲得飛速發(fā)展，其產(chǎn)品在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，包括光固化涂料、光固化油墨、光固化膠粘劑、光固化保護(hù)套、光刻膠、激光三維成像、三維造型等。隨著全球?qū)Νh(huán)保的日益重視，美國、德國、日本、意大利等許多國家已通過立法來限制VOC 排放量高的傳統(tǒng)涂料的使用，UV 涂料等環(huán)保新材料已逐步取代傳統(tǒng)產(chǎn)品。

    近年來，紫外固化技術(shù)在地坪涂料中的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注和推廣，在歐美市場已取得了商業(yè)化的突破。地坪要求具有一定的強(qiáng)度和剛度，并且根據(jù)不同場所有不同的性能要求，例如防潮、防水、保暖、耐磨、耐腐蝕等。傳統(tǒng)的地坪涂料都采用化學(xué)方法，使涂料在自然條件下固化，一層涂料通常需要2～6 h 的干燥時間，完全固化則需要24 h。而在一般地坪涂料的施工過程中，需要進(jìn)行多次打磨→涂漆→固化的過程，因此施工期限長，人力成本高。而紫外固化技術(shù)能使涂料在數(shù)秒至數(shù)十秒內(nèi)深層固化，大大縮短了工期，節(jié)約了成本。而且紫外涂層固化后表面具有非常良好的性能，完全能夠滿足各種場合對地坪的要求。

    2.紫外光源

    紫外光源作為光固化反應(yīng)中必不可少的重要構(gòu)成之一，也有著巨大的需求量。根據(jù)統(tǒng)計，在印刷行業(yè)中，1998年全球安裝的紫外光源固化裝置為4.2 萬套，而到2007 年已達(dá)到了8.5 萬套，增長了一倍以上。目前紫外固化技術(shù)在地坪涂料的應(yīng)用中還處于初期階段，隨著行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，對于紫外固化設(shè)備的需求也必然大幅增加。

    當(dāng)前市場上供應(yīng)的紫外光源產(chǎn)品有多種不同類型，包括氣體放電燈如普通中高壓汞燈、微波中壓汞燈(無極燈)、脈沖氙燈等，以及紫外LED 光源，分別應(yīng)用于不同的行業(yè)。根據(jù)燈功率、輻射效率、光譜分布、價格成本等因素考量，這些類型的光源在紫外固化應(yīng)用中各有其優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

    圖1描繪了幾種常用紫外光源的光譜，包括低壓汞燈、UV 熒光燈、中高壓汞燈、氙燈、準(zhǔn)分子燈以及UVLED等，不同光源發(fā)出的紫外光譜存在很大的差異。在紫外固化反應(yīng)中必須要使用光引發(fā)劑，光引發(fā)劑吸收一定波長的能量，產(chǎn)生自由基、陽離子等，從而引發(fā)單體聚合交聯(lián)固化的反應(yīng)。但是不同光引發(fā)劑對光子波長的響應(yīng)范圍不同，因此在設(shè)計地坪涂料紫外固化的施工方案時，必須確保紫外光源與光引發(fā)劑的匹配。

    圖1幾種常用紫外光源的相對光譜功率分布

     圖1(a)描繪的是低氣壓放電燈的光譜。從低壓汞燈的光譜中可以看到燈發(fā)出的主要是位于254 nm 的線光譜，另外還有少量297、313 和365 nm 的紫外輻射。這是一種高效的紫外光源，通常其254 nm 輻射效率可達(dá)50%以上，而且放電設(shè)備相對簡單可靠，在殺菌、紫外固化、環(huán)境污染治理等方面都有著廣泛的應(yīng)用。圖1(a)中的另一條譜線是UV 熒光燈的光譜，該燈實(shí)際上就是低壓汞燈燈管內(nèi)表面涂覆紫外熒光粉，254 nm 紫外輻射激發(fā)熒光粉后，在350 nm 附近產(chǎn)生較寬的帶光譜，同時與透射出的低壓汞燈其他輻射譜線疊加而成。其放電原理與低壓汞燈一致，但熒光粉的轉(zhuǎn)換效率<60%, 導(dǎo)致部分輻射能量的損失，且紫外熒光粉的衰減很快。盡管低氣壓放電燈的紫外效率較高，但是單燈功率小，功率密度低，因此很難滿足大功率應(yīng)用的需求。

    目前中高壓汞燈是最常用的大功率紫外光源，光譜如圖1(b)所示，其功率密度能達(dá)到5～25 kW/m, 輻射強(qiáng)度很大，而且光譜范圍非常寬，覆蓋了紫外到可見區(qū)域。但是固化反應(yīng)中的光敏劑對不同波長光的吸收響應(yīng)不同，有些光敏劑對輻射光有較強(qiáng)的選擇性，只有特定波長范圍內(nèi)的輻射光才能使反應(yīng)有效進(jìn)行，其他的輻射是無效的。因此這種寬光譜類型的光源，在實(shí)際的應(yīng)用中存在輻射能量的浪費(fèi)。

    微波中壓汞燈與普通中高壓汞燈類似，具有很高的功率密度，輻射強(qiáng)度大，光譜也相似，且比普通汞燈的啟動時間短，但也存在與普通汞燈相類似的問題。而且由于采用微波驅(qū)動的方式，微波汞燈的尺寸受到一定的限制。

    脈沖氙燈也是比較常用的紫外固化光源，其總體輻射強(qiáng)度較大，輸出熱量較低，能夠形成高脈沖的輻射。但是從1(b)可以看出，氙燈的輻射能量主要集中在可見和紅外區(qū)域，紫外輻射占總輻射的比例很小，因此用于紫外固化的效率是相對比較低的。

    圖1(c)是幾種準(zhǔn)分子紫外光源的光譜。準(zhǔn)分子光源最大的特點(diǎn)是能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的窄帶光譜輻射，發(fā)出的紫外波長寬度僅有幾個nm，因此非常適合用于波長選擇性強(qiáng)的應(yīng)用。但是準(zhǔn)分子燈的輻射效率比汞燈要低，而且價格非常昂貴，成為制約其應(yīng)用的主要原因。

    伴隨著十多年來半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，固態(tài)紫外光源即紫外LED 光源成為了紫外固化光源的新貴。眾所周知，LED 具有能效高、壽命長、節(jié)能環(huán)保、使用靈活方便的特點(diǎn)，在可見照明領(lǐng)域，LED 光源和燈具逐漸成為主流照明產(chǎn)品，正逐步取代從小功率到大功率的傳統(tǒng)照明光源。隨著紫外LED 芯片的輻射效率提升和價格下降，紫外LED 光源實(shí)現(xiàn)了在365 nm 以上UVA 應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，為特種紫外光源的研究和開發(fā)開啟了新的方向，有望逐步替代現(xiàn)有的汞燈等傳統(tǒng)氣體放電光源。圖1(d)是不同芯片的UV- LED 光譜，可以看到目前UV-LED 在365 nm 以上有多種不同的中心波長可以選擇，因而可以滿足光引發(fā)劑的使用要求。根據(jù)Anyaogu等人對氙（Xe）燈系統(tǒng)、汞燈系統(tǒng)以及紫外LED光源固化木質(zhì)涂層、PC 涂層等反應(yīng)中的結(jié)果比較，紫外LED 基本能夠達(dá)到與傳統(tǒng)氣體放電光源相同的效果，固化后涂層的特性能滿足要求。

    表1 幾種主要紫外光源的參數(shù)比較

     表1 列舉并比較了幾種紫外光源的效率、功率密度等參數(shù)。從表1 中可以明確看出，UV-LED 的整個系統(tǒng)能效具有無可比擬的競爭優(yōu)勢，其系統(tǒng)能效是中高壓汞燈的4～5倍，而且是可以滿足大功率應(yīng)用要求的。

    相比于目前以氣體放電燈作為紫外光源的固化裝置，紫外LED 固化系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)有：

    1.LED光譜范圍窄，有效波長輻射效率高。紫外LED 發(fā)出的光譜比較窄，半寬僅有十幾個nm，光譜能量集中。而近年來紫外LED 芯片技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，目前主波長365 nm 以上的LED 芯片發(fā)光效率可達(dá)40%以上。汞燈等光源盡管總輻射效率比較高，但是由于其光譜組成非常復(fù)雜，涵蓋紫外到可見區(qū)域，所以有效的紫外波段輻射效率相對較低。因此，只要滿足UV-LED 的輻射中心波長與涂料中光引發(fā)劑的響應(yīng)波長的匹配性，那么紫外LED 燈具的輻射利用效率就更高。

    2.結(jié)構(gòu)緊湊，單位面積的輻射功率(即功率密度)大。在對地坪涂料進(jìn)行快速固化的過程中，固化反應(yīng)對紫外輻射的功率密度有較高的要求，采用的紫外光源的功率達(dá)到了千瓦級以上。而LED 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，芯片集成封裝制成的燈具可以實(shí)現(xiàn)很高的功率密度，能夠得到較強(qiáng)的輻照度，而且整個系統(tǒng)裝置能夠制作得比較輕巧便捷，便于施工操作。

    3.單面出光，系統(tǒng)效率高。中高壓汞燈等氣體放電光源是向全空間發(fā)射紫外光的，因此在實(shí)際應(yīng)用中為了提高效率，固化反應(yīng)系統(tǒng)中通常配有反射罩，燈具效率只有約60%，造成較大的輻射損失。而LED 是半空間出光的，紫外輻射的方向性較好，燈具效率可達(dá)90%。

    4.使用壽命長，可即開即關(guān)。長壽命是LED 的主要優(yōu)點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的氣體放電燈使用壽命一般只有1000～4000 h，而紫外LED 的使用壽命可以達(dá)到20000～30000h。此外，汞燈等氣體放電光源啟動較慢，燈從啟動到穩(wěn)定工作需要0.5～1h，且壽命受電極影響很大，頻繁開關(guān)燈會嚴(yán)重影響電極性能從而大大縮短燈的壽命，所以這些燈在使用過程中必須持續(xù)燃點(diǎn)，能耗大。而LED 的壽命與開關(guān)次數(shù)沒有明顯關(guān)聯(lián)，又能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時啟動，所以可以僅在需要進(jìn)行紫外輻射時點(diǎn)燈，其實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣體放電燈的壽命。另外，紫外LED 燈具這種即開即關(guān)的特點(diǎn)也能夠避免不必要的電力消耗，更加符合節(jié)能環(huán)保的要求。

    5.無熱輻射，安全性更高。汞燈等氣體放電光源除了產(chǎn)生紫外輻射等以外，放電過程中還會形成大量的可見和近紅外熱量損耗。為了維持燈內(nèi)放電物質(zhì)的蒸氣壓，因此光源的表面溫度非常高(放電管表面溫度達(dá)700～900℃)。在地坪施工尤其是室內(nèi)環(huán)境施工過程中，可能會產(chǎn)生一些揮發(fā)性的易燃易爆氣體，遇到汞燈等光源的高溫照射，容易引起燃燒或爆炸等安全事故。而LED 是一種“冷光源”，其發(fā)出的光中不含紅外輻射，且LED 芯片產(chǎn)生的熱量通過散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計從背面基板導(dǎo)出并采用合理的制冷設(shè)施冷卻散熱，因此光源表面溫度低，也不會在被照射表面產(chǎn)生熱量積聚，能夠避免此類事故的發(fā)生。

    3.紫外光源與光引發(fā)劑的匹配

    目前為止，高輻射效率的UV-LED 發(fā)出的中心波長都在365nm 以上，因此在選擇與UV-LED 固化系統(tǒng)匹配的涂料配方時，必須要選用在長波處具有較大吸收光譜的光引發(fā)劑。而采用汞燈作為紫外光源的固化系統(tǒng)中，最常用的是光引發(fā)劑1173（2-羥基-甲基苯基丙烷-1-酮）。該光引發(fā)劑的吸收光譜在短波300nm 左右有很大的吸收峰，但是在長波380nm 附近吸收率很低，如圖2 所示。因此，該種光引發(fā)劑并不適用于UV-LED 固化系統(tǒng)。使用UV-LED 固化系統(tǒng)應(yīng)該選擇吸收光譜較長的光引發(fā)劑，如光引發(fā)劑819 苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲?；? 氧化膦等。

    圖2 紫外光源與光引發(fā)劑吸收的光譜匹配

    可以用“有效紫外利用效率”來評價固化系統(tǒng)中光源與光引發(fā)劑的匹配性。該參數(shù)綜合考量了紫外光源的輻射效率以及光引發(fā)劑的吸收譜，而沒有考慮光源的實(shí)際功率，有助于對應(yīng)用體系的整體效率進(jìn)行客觀評價，不僅可用于紫外固化系統(tǒng)，也可以用于其他紫外應(yīng)用。

    表2 UV耐污地坪消光面漆參考配方

    以UV 耐污地坪消光面漆為例，其參考配方如表2所示。配方中采用了光引發(fā)劑1173，與中壓汞燈相配合，能達(dá)到較好的固化效果，其有效紫外利用效率為0.058，而中心波長為380 nm 的UV-LED 與該光引發(fā)劑的有效紫外利用效率僅為0.014，只有中壓汞燈的1/4。而如果采用光引發(fā)劑819，則配合UV-LED 的有效紫外利用效率可達(dá)1.118，遠(yuǎn)大于配合中壓汞燈的0.226。因此光引發(fā)劑819 與UV-LED 的匹配性更好。

    當(dāng)然，光引發(fā)劑在紫外固化反應(yīng)中的效率對于整體效率的評價也會造成影響，但有效紫外利用效率的提出，為紫外光源與光引發(fā)劑的方案選擇提供了參考依據(jù)。而不同光引發(fā)劑之間的比較，需要對各種光引發(fā)劑的吸收譜進(jìn)行更加定量地測定，這還有待進(jìn)一步的研究工作。

    4.高效大功率紫外LED 光固化系統(tǒng)

    為了滿足光固化工業(yè)應(yīng)用對大功率紫外光源的照明需求，針對現(xiàn)有的大功率LED 封裝技術(shù)難點(diǎn)，我們研究開發(fā)了千瓦級以上的大功率紫外LED 光固化系統(tǒng)。該LED 固化系統(tǒng)采用銅板與氮化鋁板的三明治封裝結(jié)構(gòu)，直接以銅板作為電極連接，AlN 板作為絕緣導(dǎo)熱板，實(shí)現(xiàn)了高功率密度的封裝結(jié)構(gòu)。

    圖3 地坪涂料LED 紫外固化系統(tǒng)及其光源模組

    采用銅板電極代替薄膜電路板連接，可以將LED模組的電流負(fù)載能力提高10倍以上，解決了印刷電路板薄膜的限流問題，增大了LED 模組的驅(qū)動電流，將單位面積的封裝功率提高到20～500 W/cm2。在大功率集成封裝中，為LED 芯片的串并聯(lián)組合提供了更多的選擇，能夠更為合理地設(shè)計燈具的電壓和電流等參數(shù)，降低了對驅(qū)動電源的設(shè)計要求。

    AlN板作為銅板正負(fù)電極之間、銅板電極與散熱器之間的絕緣層，既能達(dá)到良好的絕緣效果，又能夠確保芯片熱量的高效導(dǎo)出，從而改善LED 模組的散熱特性。而且AlN 板表面無需鍍金屬膜，制作工藝簡單，能夠有效提高成品率，降低制造成本。

    另外，LED模組封裝中采用自制的高效導(dǎo)熱膠作為粘結(jié)材料。該導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)120 W/(m K)以上，確保了芯片與基板、銅板與AlN 板之間的熱傳導(dǎo)，降低了封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱阻，進(jìn)一步優(yōu)化了LED模組的散熱性能。

    圖3 為自主研發(fā)的一款地坪涂料LED 紫外固化系統(tǒng)和光源模組的照片。這種移動式的紫外固化系統(tǒng)的輸入功率密度達(dá)到200 W/cm2，總功率14kW，結(jié)構(gòu)小巧，操作方便，施工簡單，能很好地應(yīng)用于各種不同的地坪固化處理。

    5.結(jié)語

    紫外固化作為一種高效環(huán)保的綠色技術(shù)，近年來得到快速地發(fā)展和推廣。尤其隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，紫外固化應(yīng)用存在著巨大的市場潛力。在這種發(fā)展趨勢下，急需開發(fā)大功率紫外LED 光固化系統(tǒng)以滿足應(yīng)用的需求。針對大功率LED 模組封裝中存在的技術(shù)難點(diǎn)，已發(fā)明了采用銅板與AlN 板的三明治封裝結(jié)構(gòu)，有效改善了大功率LED 模組的散熱性能，提高了模組的載流能力，并設(shè)計研發(fā)出了千瓦級以上的紫外LED 光固化系統(tǒng)。