Hocheffiziente UV-LEDs für Härtungsanwendungen

Im Bereich der herkömmlichen Beleuchtung wächst der Anteil von LEDs (Leuchtdioden) für eine Vielzahl von Anwendungen explosionsartig aufgrund ihrer geringen Leistungsaufnahme, ihrer langen Lebensdauer und der Tatsache, dass bei ihrer Herstellung umweltfreundliche Materialien Verwendung finden.

Die amerikanische Energiebehörde beispielsweise schätzt, dass die gesamte Energieeinsparung für den Zeitraum 2010 bis 2030 etwa 1488 Terawattstunden betragen wird, was bei heutigen Energiepreisen einem Betrag von 120 Milliarden US-Dollar entspricht, wobei außerdem die Kohlendioxidemissionen um 246 Millionen Tonnen sinken werden.

UV-LEDs werden auch zunehmend in Härtungsanwendungen eingesetzt – meist aus den gleichen Gründen: Hoher Wirkungsgrad, eine Lebensdauer von mehr als 10.000 Stunden, grüne Technologie ohne Probleme mit der Entsorgung von Quecksilber, kein Ozonausstoß und keine leichtflüchtigen Lösungsmittel. Außerdem wurde festgestellt, dass mit optimierten Rezepturen der Druckfarben und Klebstoffe eine überragend gute Qualität und Haltbarkeit der Härtung erreicht wird. Unternehmen, die UV-LEDs frühzeitig eingesetzt haben, haben sich langfristig für Umweltschutz und Energieeinsparung entschieden.

Was macht UV-LEDs so einzigartig?

LEDs sind Halbleiterstrahler und werden oft als Festkörperlichtquellen bezeichnet. Der Herstellungsprozess ist dem Verfahren zur Herstellung von Computerchips sehr ähnlich: Viele dünne Lagen von Halbleitern werden übereinander gelegt, und diese erzeugen Licht, wenn Strom durch sie fließt. Für Hochleistungs-UV-LEDs ist Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) das Material der Wahl. Die UV-LED-Chips sind sehr klein – nur etwa 1 mm groß – im Vergleich zum Gehäuse – welches die elektrischen Anschlüsse, den Kühlkörper und die Linse beherbergt.

Die Lichtemission von UV-LEDs ähnelt bezüglich der Wellenlängen sehr der von Lasern, da sie monochromatisch ist, d. h. es wird eine einzelne Wellenlänge emittiert. Die Wellenlänge einer UV-LED wird beim Herstellungsprozess festgelegt. Die Zugabe von mehr Aluminium zum Halbleitermix resultiert in UV-LEDs kürzerer Wellenlängen. Abb. 1 zeigt die Wellenlängen dreier verschiedener UV-LEDs. Die UV-LED-Wellenlänge muss auf das zu härtende Material abgestimmt werden.

UV-LEDs: Vorteile und Herausforderungen
UV-LEDs haben in einer Vielzahl von Anwendungen zahlreiche Vorteile gezeigt.
Leistungsaufnahme:
Wie schon bei herkömmlichen Beleuchtungsanwendungen mit LEDs zeigen UV-LEDs einen Vorteil aufgrund ihres niedrigen Energieverbrauchs, sofern ihr Einsatz für den jeweiligen Prozess optimiert ist. Des Weiteren verbessert sich der Wirkungsgrad der UV-LEDs fortwährend durch den Einsatz neuer Herstellungsverfahren.
Lange Lebensdauer:
UV-LEDs haben typischerweise eine Lebensdauer von mehr als 10.000 Betriebsstunden, wodurch der Wartungsaufwand und die Ausfallzeiten wegen Lampenwechsel erheblich verringert werden.
Grüne Technologie:
Die Kunden übernehmen zunehmend eine soziale Verantwortung für die Umwelt und den Energieverbrauch. Die Hersteller von Druckfarben, Klebern und Anlagen untersuchen, wie sie diesen Anforderungen gerecht werden können. UV-LEDs haben einen niedrigen Energieverbrauch, keine leichtflüchtigen Chemikalien, keinen Ozonausstoß und keine Probleme mit der Entsorgung von Quecksilber.
Sicherheit:
UV-LEDs bieten viele Vorteile bezüglich Sicherheit, z. B. Betrieb bei niedrigen Temperaturen, keine Glasröhren, keine die Haut schädigenden UVC-Wellenlängen und keine Belastung mit giftigem Ozon und Quecksilber.
Härtungsqualität:
In Zusammenarbeit mit Formulierern haben chemische Versuche gezeigt, dass Materialien, die mit UV-LED Härtung hergestellt wurden, haltbarer und widerstandsfähiger sind.
Einfache Integration:
UV-LED-Einheiten sind kompakt und leicht. Wassergekühlte Einheiten werden extern an die Wasserversorgung angeschlossen, und luftgekühlte Einheiten sind ebenfalls erhältlich. LEDs können ohne Verzögerung ein- und ausgeschaltet werden und benötigen weder Blenden noch Belüftungsöffnungen und auch keine externen Reflektoren oder Linsen. Aufgrund ihrer kleinen Abmessungen können LEDs einfach an jeden Formfaktor angepasst werden, z. B. 360-Grad Bestrahlung für In-situ-Härtung von Rohren oder Faserbeschichtungen. Die Minimodule können auch linear zu jeder beliebigen Länge zusammengebaut werden.
Keine Infrarotwärme:
Da UV-LEDs keine Infrarot-Strahlung abgeben, gelten sie als kalte Lichtquelle, was sie ideal für alle hitzeempfindlichen Materialien wie dünne Polymere, medizintechnische Geräte usw. macht.

Wie bei jedem Technologiesprung müssen auch hier einige Überlegungen angestellt werden. Obwohl die anfänglichen Investitionskosten höher sind, kann die Kapitalrendite erheblich sein.

Die diskrete Wellenlänge von UV-LEDs erfordert Fotoinitiatoren mit einer Spitzensensitivität gegenüber der Lichtquelle. „Formulierer bestätigen aber, dass UV-LEDs die Quelle der Wahl sind. Sie haben Produkte auf den Markt gebracht, die für die Aktivierung durch UV-LEDs optimiert sind. Und schließlich sind die verfügbaren verlässlichen UV-LEDs zurzeit auf eine Mindestwellenlänge von 365 nm beschränkt und somit nicht für Anwendungen mit ultrakurzen Wellenlängen geeignet. Allerdings gehen Voraussagen dahin, dass bis zur Mitte des Jahrzehnts LEDs für Anwendungen in der Medizin und zur Entkeimung verfügbar sein werden.“, berichtet Harald Maiweg, Leiter der Division Optoelektronik bei Heraeus Noblelight.

Heraeus hat schon 1904 mit der Original Hanau Höhensonne die UV-Lampe marktreif gemacht und ist seit mehr als hundert Jahren im Bereich der UV-Anwendungen tätig. Kunden profitieren von der Kompetenz, der Erfahrung und des Know-hows in Entwicklung und Herstellung von UV-Strahlern, Komponenten und UV-LED Systemen. Der neu gegründete Division Optoelektronik von Heraeus Noblelight baut auf diesem Wissen auf und entwickelt hoch leistungsfähige UV-LED-Lösungen für Härtungsanwendungen an. Mehr über Heraeus Noblelight, UV-LEDs und andere Speziallichtquellen erfahren Sie hier: www.heraeus-noblelight.com. Um Ihre Anwendung kostenlos analysieren zu lassen, kontaktieren Sie uns bitte unter hng-optoelectronics@heraeus.com.

Heraeus Noblelight GmbH mit Sitz in Hanau, mit Tochtergesellschaften in den USA, Großbritannien, Frankreich, China und Australien, gehört weltweit zu den Markt- und Technologieführern bei der Herstellung von Speziallichtquellen. Heraeus Noblelight wies 2011 einen Jahresumsatz von 103 Millionen € auf und beschäftigte weltweit 728 Mitarbeiter. Das Unternehmen entwickelt, fertigt und vertreibt Infrarot- und Ultraviolett-Strahler für Anwendungen in industrieller Produktion, Umweltschutz, Medizin und Kosmetik, Forschung und analytischen Messverfahren.

Heraeus
Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen mit einer über 160-jährigen Tradition. Unsere Kompetenzfelder umfassen die Bereiche Edelmetalle, Materialien und Technologien, Sensoren, Biomaterialien und Medizinprodukte, Dentalprodukte sowie Quarzglas und Speziallichtquellen. Mit einem Produktumsatz von 4,8 Mrd. € und einem Edelmetallhandelsumsatz von 21,3 Mrd. € sowie weltweit über 13.300 Mitarbeitern in mehr als 120 Gesellschaften hat Heraeus eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an:
Heraeus Noblelight GmbH
Heraeusstraße 12-14
D-63450 Hanau

Vertrieb
Marko Hofmann
P : +49 6181 35-4627
E: hng-optoelectronics@heraeus.com
Presse:
Juliane Henze
P: +49 6181 35-8539
E: juliane.henze@heraeus.com