بخار جیوه، دیود ساطع‌کننده نور (LED) و اگزایمر، فناوری‌های متمایز لامپ پخت UV هستند. در حالی که هر سه در فرآیندهای مختلف فوتوپلیمریزاسیون برای ایجاد پیوند عرضی در جوهرها، پوشش‌ها، چسب‌ها و اکستروژن‌ها استفاده می‌شوند، مکانیسم‌های تولید انرژی UV تابشی و همچنین ویژگی‌های خروجی طیفی مربوطه کاملاً متفاوت هستند. درک این تفاوت‌ها در توسعه کاربرد و فرمولاسیون، انتخاب منبع پخت UV و ادغام آنها بسیار مهم است.
لامپ‌های بخار جیوه
لامپ‌های قوسی الکترودی و لامپ‌های مایکروویو بدون الکترود، هر دو در دسته بخار جیوه قرار می‌گیرند. لامپ‌های بخار جیوه نوعی لامپ تخلیه گازی با فشار متوسط هستند که در آنها مقدار کمی جیوه عنصری و گاز بی‌اثر در داخل یک لوله کوارتز مهر و موم شده به صورت پلاسما تبخیر می‌شوند. پلاسما یک گاز یونیزه شده با دمای فوق‌العاده بالا است که قادر به هدایت الکتریسیته است. این گاز با اعمال ولتاژ الکتریکی بین دو الکترود در داخل یک لامپ قوسی یا با قرار دادن یک لامپ بدون الکترود در مایکروویو در داخل یک محفظه یا حفره مشابه اجاق مایکروویو خانگی تولید می‌شود. پس از تبخیر، پلاسمای جیوه نور طیف گسترده‌ای را در طول موج‌های فرابنفش، مرئی و مادون قرمز ساطع می‌کند.
در مورد لامپ قوس الکتریکی، ولتاژ اعمال شده، لوله کوارتز آب‌بندی شده را انرژی می‌دهد. این انرژی، جیوه را به پلاسما تبدیل کرده و الکترون‌ها را از اتم‌های تبخیر شده آزاد می‌کند. بخشی از الکترون‌ها (-) به سمت الکترود تنگستن مثبت یا آند (+) لامپ و به مدار الکتریکی سیستم UV جریان می‌یابند. اتم‌هایی که الکترون‌های تازه از دست رفته دارند، به کاتیون‌های با انرژی مثبت (+) تبدیل می‌شوند که به سمت الکترود تنگستن با بار منفی یا کاتد (-) لامپ جریان می‌یابند. کاتیون‌ها هنگام حرکت، به اتم‌های خنثی در مخلوط گاز برخورد می‌کنند. این ضربه، الکترون‌ها را از اتم‌های خنثی به کاتیون‌ها منتقل می‌کند. با دریافت الکترون توسط کاتیون‌ها، آنها به حالت انرژی پایین‌تری فرو می‌روند. اختلاف انرژی به صورت فوتون‌هایی که از لوله کوارتز به بیرون تابش می‌کنند، تخلیه می‌شود. در صورتی که لامپ به طور مناسب تغذیه، به درستی خنک و در طول عمر مفید خود کار کند، منبع ثابتی از کاتیون‌های تازه ایجاد شده (+) به سمت الکترود منفی یا کاتد (-) جذب می‌شوند و با برخورد به اتم‌های بیشتر، انتشار مداوم نور UV را تولید می‌کنند. لامپ‌های مایکروویو به شیوه‌ای مشابه عمل می‌کنند، با این تفاوت که مایکروویوها، که به عنوان فرکانس رادیویی (RF) نیز شناخته می‌شوند، جایگزین مدار الکتریکی می‌شوند. از آنجایی که لامپ‌های مایکروویو الکترود تنگستن ندارند و صرفاً یک لوله کوارتز آب‌بندی شده حاوی جیوه و گاز بی‌اثر هستند، معمولاً به آنها بدون الکترود گفته می‌شود.
خروجی اشعه ماوراء بنفش لامپ‌های بخار جیوه با پهنای باند یا طیف گسترده، طول موج‌های ماوراء بنفش، مرئی و مادون قرمز را تقریباً به نسبت مساوی پوشش می‌دهد. بخش ماوراء بنفش شامل ترکیبی از طول موج‌های UVC (200 تا 280 نانومتر)، UVB (280 تا 315 نانومتر)، UVA (315 تا 400 نانومتر) و UVV (400 تا 450 نانومتر) است. لامپ‌هایی که UVC را در طول موج‌های زیر 240 نانومتر منتشر می‌کنند، ازن تولید می‌کنند و نیاز به اگزوز یا فیلتراسیون دارند.
خروجی طیفی برای یک لامپ بخار جیوه را می‌توان با افزودن مقادیر کمی از ناخالصی‌ها، مانند آهن (Fe)، گالیوم (Ga)، سرب (Pb)، قلع (Sn)، بیسموت (Bi) یا ایندیوم (In) تغییر داد. فلزات اضافه شده ترکیب پلاسما و در نتیجه انرژی آزاد شده هنگام جذب الکترون توسط کاتیون‌ها را تغییر می‌دهند. لامپ‌هایی که دارای فلزات اضافه هستند، به عنوان ناخالصی، افزودنی و هالید فلزی شناخته می‌شوند. اکثر جوهرها، پوشش‌ها، چسب‌ها و اکستروژن‌های فرموله شده با اشعه ماوراء بنفش به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با خروجی لامپ‌های استاندارد ناخالصی شده با جیوه (Hg) یا آهن (Fe) مطابقت داشته باشند. لامپ‌های ناخالصی شده با آهن بخشی از خروجی اشعه ماوراء بنفش را به طول موج‌های بلندتر و نزدیک به مرئی تغییر می‌دهند که منجر به نفوذ بهتر از طریق فرمولاسیون‌های ضخیم‌تر و با رنگدانه‌های زیاد می‌شود. فرمولاسیون‌های UV حاوی دی اکسید تیتانیوم تمایل دارند با لامپ‌های ناخالصی شده با گالیوم (GA) بهتر عمل کنند. این به این دلیل است که لامپ‌های گالیوم بخش قابل توجهی از خروجی اشعه ماوراء بنفش را به سمت طول موج‌های بلندتر از 380 نانومتر تغییر می‌دهند. از آنجایی که افزودنی‌های دی‌اکسید تیتانیوم عموماً نور بالاتر از ۳۸۰ نانومتر را جذب نمی‌کنند، استفاده از لامپ‌های گالیوم با فرمولاسیون سفید، امکان جذب انرژی UV بیشتری را توسط آغازگرهای نوری در مقایسه با افزودنی‌ها فراهم می‌کند.
پروفایل‌های طیفی، به فرمول‌نویسان و کاربران نهایی، نمایش بصری از چگونگی توزیع خروجی تابشی برای یک طراحی خاص لامپ در طیف الکترومغناطیسی را ارائه می‌دهند. در حالی که جیوه بخار شده و فلزات افزودنی، ویژگی‌های تابشی تعریف‌شده‌ای دارند، ترکیب دقیق عناصر و گازهای بی‌اثر درون لوله کوارتز به همراه ساختار لامپ و طراحی سیستم پخت، همگی بر خروجی UV تأثیر می‌گذارند. خروجی طیفی یک لامپ غیر یکپارچه که توسط یک تأمین‌کننده لامپ در فضای باز تغذیه و اندازه‌گیری می‌شود، خروجی طیفی متفاوتی نسبت به لامپی خواهد داشت که در یک سر لامپ با بازتابنده و خنک‌کننده مناسب نصب شده است. پروفایل‌های طیفی به راحتی از تأمین‌کنندگان سیستم UV در دسترس هستند و در توسعه فرمولاسیون و انتخاب لامپ مفید هستند.
یک نمودار طیفی رایج، تابش طیفی را روی محور y و طول موج را روی محور x رسم می‌کند. تابش طیفی را می‌توان به روش‌های مختلفی از جمله مقدار مطلق (مثلاً W/cm2/nm) یا مقادیر دلخواه، نسبی یا نرمال‌شده (بدون واحد) نمایش داد. این نمودارها معمولاً اطلاعات را به صورت نمودار خطی یا نمودار میله‌ای که خروجی را در باندهای 10 نانومتری گروه‌بندی می‌کند، نمایش می‌دهند. نمودار خروجی طیفی لامپ قوس جیوه زیر، تابش نسبی را نسبت به طول موج برای سیستم‌های GEW نشان می‌دهد (شکل 1).
شکل ۱ »نمودارهای خروجی طیفی برای جیوه و آهن.
لامپ اصطلاحی است که برای اشاره به لوله کوارتز ساطع کننده اشعه ماوراء بنفش در اروپا و آسیا استفاده می‌شود، در حالی که آمریکای شمالی و جنوبی تمایل به استفاده از ترکیبی قابل تعویض از لامپ و حباب دارند. لامپ و سر لامپ هر دو به مجموعه کاملی اشاره دارند که لوله کوارتز و سایر اجزای مکانیکی و الکتریکی را در خود جای داده است.
لامپ‌های قوس الکترودی
سیستم‌های لامپ قوس الکترودی شامل یک سر لامپ، یک فن خنک‌کننده یا چیلر، یک منبع تغذیه و یک رابط انسان و ماشین (HMI) هستند. سر لامپ شامل یک لامپ (لامپ)، یک بازتابنده، یک پوشش یا محفظه فلزی، یک مجموعه شاتر و گاهی اوقات یک پنجره کوارتز یا محافظ سیم است. GEW لوله‌های کوارتز، بازتابنده‌ها و مکانیزم‌های شاتر خود را درون مجموعه‌های کاست نصب می‌کند که به راحتی می‌توان آنها را از پوشش یا محفظه سر لامپ بیرونی جدا کرد. جدا کردن یک کاست GEW معمولاً در عرض چند ثانیه با استفاده از یک آچار آلن انجام می‌شود. از آنجا که خروجی UV، اندازه و شکل کلی سر لامپ، ویژگی‌های سیستم و نیازهای تجهیزات جانبی بسته به کاربرد و بازار متفاوت است، سیستم‌های لامپ قوس الکترودی معمولاً برای یک دسته خاص از کاربردها یا انواع ماشین‌های مشابه طراحی می‌شوند.
لامپ‌های بخار جیوه نور را به صورت ۳۶۰ درجه از لوله کوارتز ساطع می‌کنند. سیستم‌های لامپ قوسی از بازتابنده‌هایی که در کناره‌ها و پشت لامپ قرار دارند، برای جذب و تمرکز بیشتر نور در فاصله مشخصی در جلوی سر لامپ استفاده می‌کنند. این فاصله به عنوان کانون شناخته می‌شود و جایی است که تابش بیشترین مقدار را دارد. لامپ‌های قوسی معمولاً در محدوده ۵ تا ۱۲ وات بر سانتی‌متر مربع در کانون ساطع می‌شوند. از آنجایی که حدود ۷۰٪ از خروجی UV از سر لامپ از بازتابنده می‌آید، تمیز نگه داشتن بازتابنده‌ها و تعویض دوره‌ای آنها بسیار مهم است. تمیز نکردن یا تعویض نکردن بازتابنده‌ها یکی از عوامل رایج در عدم کفایت فرآیند پخت است.
بیش از 30 سال است که GEW در حال بهبود کارایی سیستم‌های پخت خود، سفارشی‌سازی ویژگی‌ها و خروجی برای برآوردن نیازهای کاربردها و بازارهای خاص و توسعه مجموعه‌ای بزرگ از لوازم جانبی یکپارچه‌سازی است. در نتیجه، محصولات تجاری امروزی GEW شامل طراحی‌های محفظه جمع‌وجور، بازتابنده‌های بهینه‌شده برای بازتاب بیشتر UV و کاهش مادون قرمز، مکانیسم‌های شاتر یکپارچه بی‌صدا، دامن‌ها و شیارهای وب، تغذیه وب صدفی، اینرسی نیتروژن، سرهای تحت فشار مثبت، رابط کاربری صفحه لمسی، منابع تغذیه حالت جامد، راندمان عملیاتی بیشتر، نظارت بر خروجی UV و نظارت بر سیستم از راه دور است.
وقتی لامپ‌های الکترود فشار متوسط روشن هستند، دمای سطح کوارتز بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد و دمای پلاسمای داخلی چندین هزار درجه سانتیگراد است. هوای فشرده وسیله اصلی حفظ دمای صحیح عملکرد لامپ و حذف مقداری از انرژی مادون قرمز تابشی است. GEW این هوا را به صورت منفی تأمین می‌کند؛ این بدان معناست که هوا از طریق محفظه، در امتداد بازتابنده و لامپ کشیده می‌شود و از مجموعه خارج شده و از دستگاه یا سطح پخت دور می‌شود. برخی از سیستم‌های GEW مانند E4C از خنک‌کننده مایع استفاده می‌کنند که خروجی UV کمی بیشتر را ممکن می‌سازد و اندازه کلی سر لامپ را کاهش می‌دهد.
لامپ‌های قوس الکترودی دارای چرخه‌های گرم شدن و سرد شدن هستند. لامپ‌ها با حداقل خنک شدن روشن می‌شوند. این امر به پلاسمای جیوه اجازه می‌دهد تا به دمای عملیاتی مطلوب برسد، الکترون‌ها و کاتیون‌های آزاد تولید کند و جریان را برقرار سازد. هنگامی که سر لامپ خاموش می‌شود، خنک شدن برای چند دقیقه ادامه می‌یابد تا لوله کوارتز به طور یکنواخت خنک شود. لامپی که خیلی گرم شده باشد، دوباره روشن نمی‌شود و باید به خنک شدن ادامه دهد. طول چرخه شروع و خنک شدن، و همچنین تخریب الکترودها در طول هر ضربه ولتاژ، دلیل این است که چرا مکانیسم‌های شاتر پنوماتیک همیشه در مجموعه‌های لامپ قوس الکترود GEW ادغام می‌شوند. شکل 2 لامپ‌های قوس الکترودی خنک شونده با هوا (E2C) و خنک شونده با مایع (E4C) را نشان می‌دهد.
شکل ۲ »لامپ‌های قوسی الکترود با خنک‌کننده مایع (E4C) و خنک‌کننده هوا (E2C).
لامپ‌های LED فرابنفش
نیمه‌هادی‌ها مواد جامد و کریستالی هستند که تا حدودی رسانا هستند. جریان الکتریسیته از یک نیمه‌هادی بهتر از یک عایق عبور می‌کند، اما نه به خوبی یک هادی فلزی. نیمه‌هادی‌های طبیعی اما نسبتاً ناکارآمد شامل عناصر سیلیکون، ژرمانیوم و سلنیوم هستند. نیمه‌هادی‌های مصنوعی که برای خروجی و کارایی طراحی شده‌اند، مواد مرکبی هستند که ناخالصی‌ها دقیقاً در ساختار کریستالی آنها آغشته شده‌اند. در مورد LEDهای UV، نیترید گالیوم آلومینیوم (AlGaN) یک ماده رایج است.
نیمه‌هادی‌ها برای الکترونیک مدرن اساسی هستند و برای تشکیل ترانزیستورها، دیودها، دیودهای ساطع‌کننده نور و ریزپردازنده‌ها مهندسی شده‌اند. دستگاه‌های نیمه‌هادی در مدارهای الکتریکی ادغام شده و در داخل محصولاتی مانند تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها، لوازم خانگی، هواپیماها، اتومبیل‌ها، کنترل از راه دور و حتی اسباب‌بازی‌های کودکان نصب می‌شوند. این اجزای کوچک اما قدرتمند، عملکرد محصولات روزمره را ممکن می‌سازند و در عین حال به اقلام اجازه می‌دهند تا فشرده، نازک‌تر، سبک‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر باشند.
در مورد خاص LEDها، مواد نیمه‌رسانا که به طور دقیق طراحی و ساخته شده‌اند، هنگام اتصال به منبع تغذیه DC، نوارهای نوری با طول موج نسبتاً باریکی را ساطع می‌کنند. نور فقط زمانی تولید می‌شود که جریان از آند مثبت (+) به کاتد منفی (-) هر LED جریان یابد. از آنجایی که خروجی LED به سرعت و به راحتی کنترل می‌شود و تقریباً تک‌رنگ است، LEDها برای استفاده به عنوان موارد زیر ایده‌آل هستند: چراغ‌های نشانگر؛ سیگنال‌های ارتباطی مادون قرمز؛ نور پس زمینه برای تلویزیون‌ها، لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و تلفن‌های هوشمند؛ علائم الکترونیکی، بیلبوردها و جامبوترون‌ها؛ و پخت با اشعه ماوراء بنفش.
یک LED یک اتصال مثبت-منفی (اتصال pn) است. این بدان معناست که یک قسمت از LED بار مثبت دارد و به عنوان آند (+) نامیده می‌شود و قسمت دیگر بار منفی دارد و به عنوان کاتد (-) نامیده می‌شود. در حالی که هر دو طرف نسبتاً رسانا هستند، مرز اتصال که در آن دو طرف به هم می‌رسند، که به عنوان ناحیه تخلیه شناخته می‌شود، رسانا نیست. هنگامی که ترمینال مثبت (+) یک منبع تغذیه جریان مستقیم (DC) به آند (+) LED متصل می‌شود و ترمینال منفی (-) منبع تغذیه به کاتد (-) متصل می‌شود، الکترون‌های با بار منفی در کاتد و جاهای خالی الکترون با بار مثبت در آند توسط منبع تغذیه دفع شده و به سمت ناحیه تخلیه رانده می‌شوند. این یک بایاس رو به جلو است و بر مرز غیر رسانا غلبه می‌کند. نتیجه این است که الکترون‌های آزاد در ناحیه نوع n از روی جای خالی در ناحیه نوع p عبور کرده و آن را پر می‌کنند. همانطور که الکترون‌ها از مرز عبور می‌کنند، به حالت انرژی پایین‌تری منتقل می‌شوند. افت انرژی مربوطه به صورت فوتون‌های نور از نیمه‌رسانا آزاد می‌شود.
مواد و ناخالصی‌هایی که ساختار کریستالی LED را تشکیل می‌دهند، خروجی طیفی را تعیین می‌کنند. امروزه، منابع پخت LED موجود در بازار، خروجی‌های فرابنفش با محوریت ۳۶۵، ۳۸۵، ۳۹۵ و ۴۰۵ نانومتر، تلرانس معمول ±۵ نانومتر و توزیع طیفی گاوسی دارند. هرچه اوج تابش طیفی (W/cm2/nm) بیشتر باشد، اوج منحنی زنگوله‌ای بالاتر است. در حالی که توسعه UVC بین ۲۷۵ تا ۲۸۵ نانومتر در حال انجام است، خروجی، طول عمر، قابلیت اطمینان و هزینه هنوز برای سیستم‌ها و کاربردهای پخت از نظر تجاری مقرون به صرفه نیستند.
از آنجایی که خروجی UV-LED در حال حاضر به طول موج‌های UVA بلندتر محدود می‌شود، یک سیستم پخت UV-LED خروجی طیفی پهن‌باند مشخصه لامپ‌های بخار جیوه با فشار متوسط را منتشر نمی‌کند. این بدان معناست که سیستم‌های پخت UV-LED طول موج‌های UVC، UVB، اکثر نور مرئی و مادون قرمز مولد گرما را منتشر نمی‌کنند. در حالی که این امر امکان استفاده از سیستم‌های پخت UV-LED را در کاربردهای حساس‌تر به گرما فراهم می‌کند، جوهرها، پوشش‌ها و چسب‌های موجود که برای لامپ‌های جیوه با فشار متوسط فرموله شده‌اند، باید برای سیستم‌های پخت UV-LED اصلاح شوند. خوشبختانه، تأمین‌کنندگان مواد شیمیایی به طور فزاینده‌ای در حال طراحی محصولات به صورت پخت دوگانه هستند. این بدان معناست که یک فرمولاسیون پخت دوگانه که برای پخت با لامپ UV-LED در نظر گرفته شده است، با لامپ بخار جیوه نیز پخت می‌شود (شکل 3).
شکل ۳ »نمودار خروجی طیفی برای LED.
سیستم‌های پخت UV-LED شرکت GEW تا 30 وات بر سانتی‌متر مربع در پنجره تابش، نور ساطع می‌کنند. برخلاف لامپ‌های قوس الکترودی، سیستم‌های پخت UV-LED فاقد بازتابنده‌هایی هستند که پرتوهای نور را به یک کانون متمرکز هدایت کنند. در نتیجه، اوج تابش UV-LED در نزدیکی پنجره تابش رخ می‌دهد. پرتوهای UV-LED ساطع شده با افزایش فاصله بین سر لامپ و سطح پخت، از یکدیگر دور می‌شوند. این امر غلظت نور و بزرگی تابشی را که به سطح پخت می‌رسد، کاهش می‌دهد. در حالی که اوج تابش برای ایجاد پیوند عرضی مهم است، تابش فزاینده همیشه مفید نیست و حتی می‌تواند مانع از افزایش چگالی پیوند عرضی شود. طول موج (نانومتر)، تابش (وات بر سانتی‌متر مربع) و چگالی انرژی (ژول بر سانتی‌متر مربع) همگی نقش‌های مهمی در پخت ایفا می‌کنند و تأثیر جمعی آنها بر پخت باید در طول انتخاب منبع UV-LED به درستی درک شود.
LEDها منابع لامبرتی هستند. به عبارت دیگر، هر LED UV خروجی یکنواخت رو به جلو را در یک نیمکره کامل 360 درجه در 180 درجه منتشر می‌کند. LEDهای UV متعدد، هر کدام به اندازه یک میلی‌متر مربع، در یک ردیف، ماتریسی از ردیف‌ها و ستون‌ها یا پیکربندی دیگری چیده شده‌اند. این زیرمجموعات، که به عنوان ماژول یا آرایه شناخته می‌شوند، با فاصله بین LEDها مهندسی شده‌اند که ترکیب در شکاف‌ها را تضمین می‌کند و خنک‌سازی دیود را تسهیل می‌کند. سپس چندین ماژول یا آرایه در مجموعه‌های بزرگتر چیده می‌شوند تا اندازه‌های مختلفی از سیستم‌های پخت UV را تشکیل دهند (شکل‌های 4 و 5). اجزای اضافی مورد نیاز برای ساخت یک سیستم پخت UV-LED شامل هیت سینک، پنجره ساطع‌کننده، درایورهای الکترونیکی، منابع تغذیه DC، سیستم خنک‌کننده مایع یا چیلر و رابط انسان و ماشین (HMI) است.
شکل ۴ »سیستم LeoLED برای وب.
شکل ۵ »سیستم LeoLED برای نصب چند لامپ با سرعت بالا.
از آنجایی که سیستم‌های پخت UV-LED طول موج‌های مادون قرمز ساطع نمی‌کنند، ذاتاً انرژی حرارتی کمتری نسبت به لامپ‌های بخار جیوه به سطح پخت منتقل می‌کنند، اما این بدان معنا نیست که UV-LEDها را باید به عنوان فناوری پخت سرد در نظر گرفت. سیستم‌های پخت UV-LED می‌توانند تابش‌های اوج بسیار بالایی ساطع کنند و طول موج‌های فرابنفش نوعی انرژی هستند. هر خروجی که توسط مواد شیمیایی جذب نشود، قطعه یا زیرلایه زیرین و همچنین اجزای اطراف دستگاه را گرم می‌کند.
LEDهای UV نیز اجزای الکتریکی با ناکارآمدی‌هایی هستند که ناشی از طراحی و ساخت نیمه‌هادی خام و همچنین روش‌ها و اجزای تولیدی مورد استفاده برای بسته‌بندی LEDها در واحد پخت بزرگتر است. در حالی که دمای یک لوله کوارتز بخار جیوه باید در حین کار بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد نگه داشته شود، دمای اتصال pn LED باید زیر ۱۲۰ درجه سانتیگراد باقی بماند. تنها ۳۵ تا ۵۰ درصد از برق مورد نیاز یک آرایه UV-LED به خروجی فرابنفش (بسیار وابسته به طول موج) تبدیل می‌شود. بقیه به گرمای حرارتی تبدیل می‌شود که باید برای حفظ دمای اتصال مطلوب و تضمین تابش مشخص سیستم، چگالی انرژی و یکنواختی و همچنین طول عمر طولانی، حذف شود. LEDها ذاتاً دستگاه‌های حالت جامد با عمر طولانی هستند و ادغام LEDها در مجموعه‌های بزرگتر با سیستم‌های خنک‌کننده با طراحی و نگهداری مناسب برای دستیابی به مشخصات طول عمر بالا بسیار مهم است. همه سیستم‌های پخت UV یکسان نیستند و سیستم‌های پخت UV-LED با طراحی و خنک‌سازی نامناسب، احتمال بیشتری برای گرم شدن بیش از حد و خرابی فاجعه‌بار دارند.
لامپ‌های هیبریدی قوسی/ال‌ای‌دی
در هر بازاری که فناوری کاملاً جدیدی به عنوان جایگزینی برای فناوری موجود معرفی می‌شود، می‌تواند در مورد پذیرش و همچنین شک و تردید در مورد عملکرد آن، نگرانی وجود داشته باشد. کاربران بالقوه اغلب پذیرش را تا زمانی که یک پایگاه نصب تثبیت‌شده تشکیل شود، مطالعات موردی منتشر شود، توصیفات مثبت به طور گسترده منتشر شود و/یا آنها تجربه یا ارجاعات دست اول را از افراد و شرکت‌هایی که می‌شناسند و به آنها اعتماد دارند، به دست آورند، به تأخیر می‌اندازند. اغلب قبل از اینکه کل بازار کاملاً از قدیمی دست بکشد و به طور کامل به جدید منتقل شود، شواهد محکمی لازم است. این کمکی نمی‌کند که داستان‌های موفقیت معمولاً به صورت اسرار محرمانه نگه داشته می‌شوند، زیرا پذیرندگان اولیه نمی‌خواهند رقبا از مزایای مشابه بهره‌مند شوند. در نتیجه، داستان‌های واقعی و اغراق‌آمیز ناامیدی گاهی اوقات می‌توانند در سراسر بازار طنین‌انداز شوند و شایستگی‌های واقعی فناوری جدید را استتار کرده و پذیرش را بیشتر به تأخیر بیندازند.
در طول تاریخ، و به عنوان مقابله با پذیرش بی‌میلانه، طرح‌های ترکیبی اغلب به عنوان پلی انتقالی بین فناوری موجود و فناوری جدید پذیرفته شده‌اند. فناوری‌های ترکیبی به کاربران این امکان را می‌دهند که اعتماد به نفس پیدا کنند و خودشان تعیین کنند که چگونه و چه زمانی باید از محصولات یا روش‌های جدید استفاده کنند، بدون اینکه قابلیت‌های فعلی را قربانی کنند. در مورد پخت با اشعه ماوراء بنفش، یک سیستم ترکیبی به کاربران این امکان را می‌دهد که به سرعت و به راحتی بین لامپ‌های بخار جیوه و فناوری LED جابجا شوند. برای خطوطی با چندین ایستگاه پخت، فناوری‌های ترکیبی به پرس‌ها اجازه می‌دهند تا ۱۰۰٪ LED، ۱۰۰٪ بخار جیوه یا هر ترکیبی از این دو فناوری را که برای یک کار خاص مورد نیاز است، اجرا کنند.
GEW سیستم‌های ترکیبی arc/LED را برای مبدل‌های وب ارائه می‌دهد. این راهکار برای بزرگترین بازار GEW، یعنی برچسب باریک web، توسعه داده شده است، اما طراحی ترکیبی در سایر کاربردهای وب و غیر وب نیز کاربرد دارد (شکل 6). arc/LED شامل یک محفظه سر لامپ مشترک است که می‌تواند یک کاست بخار جیوه یا LED را در خود جای دهد. هر دو کاست با یک سیستم برق و کنترل جهانی کار می‌کنند. هوش درون سیستم امکان تمایز بین انواع کاست‌ها را فراهم می‌کند و به طور خودکار برق، خنک‌کننده و رابط اپراتور مناسب را فراهم می‌کند. برداشتن یا نصب هر یک از کاست‌های بخار جیوه یا LED GEW معمولاً در عرض چند ثانیه با استفاده از یک آچار آلن انجام می‌شود.
شکل ۶ »سیستم قوسی/LED برای وب.
لامپ‌های اگزایمر
لامپ‌های اگزایمر نوعی لامپ تخلیه گازی هستند که انرژی فرابنفش شبه تک‌رنگ منتشر می‌کنند. در حالی که لامپ‌های اگزایمر در طول موج‌های متعددی موجود هستند، خروجی‌های فرابنفش رایج در طول موج‌های ۱۷۲، ۲۲۲، ۳۰۸ و ۳۵۱ نانومتر متمرکز شده‌اند. لامپ‌های اگزایمر ۱۷۲ نانومتر در باند فرابنفش خلاء (۱۰۰ تا ۲۰۰ نانومتر) قرار می‌گیرند، در حالی که ۲۲۲ نانومتر منحصراً UVC (۲۰۰ تا ۲۸۰ نانومتر) است. لامپ‌های اگزایمر ۳۰۸ نانومتر UVB (۲۸۰ تا ۳۱۵ نانومتر) و ۳۵۱ نانومتر UVA (۳۱۵ تا ۴۰۰ نانومتر) را منتشر می‌کنند.
طول موج‌های UV خلأ 172 نانومتر کوتاه‌تر و حاوی انرژی بیشتری نسبت به UVC هستند؛ با این حال، آنها برای نفوذ بسیار عمیق به مواد با مشکل مواجه هستند. در واقع، طول موج‌های 172 نانومتر به طور کامل در 10 تا 200 نانومتر بالای شیمی فرموله شده با UV جذب می‌شوند. در نتیجه، لامپ‌های اگزایمر 172 نانومتر فقط خارجی‌ترین سطح فرمولاسیون‌های UV را به هم متصل می‌کنند و باید در ترکیب با سایر دستگاه‌های پخت ادغام شوند. از آنجایی که طول موج‌های UV خلأ توسط هوا نیز جذب می‌شوند، لامپ‌های اگزایمر 172 نانومتر باید در جو خنثی نیتروژن کار کنند.
بیشتر لامپ‌های اگزایمر از یک لوله کوارتز تشکیل شده‌اند که به عنوان یک مانع دی‌الکتریک عمل می‌کند. این لوله با گازهای کمیابی که قادر به تشکیل مولکول‌های اگزایمر یا اگزیپلکس هستند، پر شده است (شکل 7). گازهای مختلف مولکول‌های متفاوتی تولید می‌کنند و مولکول‌های برانگیخته مختلف تعیین می‌کنند که کدام طول موج‌ها توسط لامپ ساطع شوند. یک الکترود ولتاژ بالا در امتداد طول داخلی لوله کوارتز و الکترودهای زمین در امتداد طول خارجی قرار دارند. ولتاژها با فرکانس‌های بالا به لامپ پالس می‌شوند. این باعث می‌شود الکترون‌ها در داخل الکترود داخلی جریان یافته و از مخلوط گاز به سمت الکترودهای زمین خارجی تخلیه شوند. این پدیده علمی به عنوان تخلیه مانع دی‌الکتریک (DBD) شناخته می‌شود. الکترون‌ها هنگام عبور از گاز، با اتم‌ها برهمکنش می‌کنند و گونه‌های پرانرژی یا یونیزه شده‌ای ایجاد می‌کنند که مولکول‌های اگزایمر یا اگزیپلکس را تولید می‌کنند. مولکول‌های اگزایمر و اگزیپلکس عمر فوق‌العاده کوتاهی دارند و با تجزیه شدن از حالت برانگیخته به حالت پایه، فوتون‌هایی با توزیع شبه تک‌رنگ ساطع می‌شوند.
شکل ۷ »لامپ اگزایمر
برخلاف لامپ‌های بخار جیوه، سطح لوله کوارتز لامپ اگزایمر داغ نمی‌شود. در نتیجه، اکثر لامپ‌های اگزایمر با خنک‌سازی بسیار کم یا بدون خنک‌سازی کار می‌کنند. در موارد دیگر، سطح پایینی از خنک‌سازی مورد نیاز است که معمولاً توسط گاز نیتروژن تأمین می‌شود. به دلیل پایداری حرارتی لامپ، لامپ‌های اگزایمر فوراً «روشن/خاموش» می‌شوند و نیازی به چرخه گرم شدن یا خنک شدن ندارند.
وقتی لامپ‌های اگزایمر با تابش ۱۷۲ نانومتر در ترکیب با سیستم‌های پخت شبه تک‌رنگ UVA-LED و لامپ‌های بخار جیوه پهن‌باند ادغام می‌شوند، اثرات سطحی مات ایجاد می‌شود. لامپ‌های UVA LED ابتدا برای ژل کردن مواد شیمیایی استفاده می‌شوند. سپس لامپ‌های اگزایمر شبه تک‌رنگ برای پلیمریزه کردن سطح استفاده می‌شوند و در نهایت لامپ‌های جیوه پهن‌باند بقیه مواد شیمیایی را به هم پیوند می‌دهند. خروجی‌های طیفی منحصر به فرد سه فناوری که در مراحل جداگانه اعمال می‌شوند، اثرات نوری و عملکردی مفیدی را در پخت سطحی ارائه می‌دهند که با هیچ یک از منابع UV به تنهایی قابل دستیابی نیست.
طول موج‌های اگزایمر ۱۷۲ و ۲۲۲ نانومتر نیز در از بین بردن مواد آلی خطرناک و باکتری‌های مضر مؤثر هستند، که این امر لامپ‌های اگزایمر را برای تمیز کردن، ضدعفونی کردن و تصفیه انرژی سطحی کاربردی می‌کند.
عمر لامپ
در رابطه با عمر لامپ یا حباب، لامپ‌های قوسی GEW عموماً تا ۲۰۰۰ ساعت عمر می‌کنند. عمر لامپ قطعی نیست، زیرا خروجی UV به تدریج با گذشت زمان کاهش می‌یابد و تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می‌گیرد. طراحی و کیفیت لامپ، و همچنین شرایط عملیاتی سیستم UV و واکنش‌پذیری فرمولاسیون اهمیت دارد. سیستم‌های UV با طراحی مناسب تضمین می‌کنند که توان و خنک‌سازی صحیح مورد نیاز برای طراحی خاص لامپ (لامپ) فراهم شود.
لامپ‌های (لامپ‌های) تأمین‌شده توسط GEW همیشه طولانی‌ترین عمر را در سیستم‌های پخت GEW ارائه می‌دهند. منابع تأمین ثانویه عموماً لامپ را از یک نمونه مهندسی معکوس کرده‌اند و کپی‌ها ممکن است حاوی اتصالات انتهایی، قطر کوارتز، محتوای جیوه یا مخلوط گاز یکسانی نباشند، که همگی می‌توانند بر خروجی UV و تولید گرما تأثیر بگذارند. هنگامی که تولید گرما با خنک‌کنندگی سیستم متعادل نباشد، لامپ هم از نظر خروجی و هم از نظر عمر دچار مشکل می‌شود. لامپ‌هایی که در دمای پایین‌تر کار می‌کنند، UV کمتری ساطع می‌کنند. لامپ‌هایی که در دمای بالاتر کار می‌کنند، دوام کمتری دارند و در دماهای سطح بالا تاب برمی‌دارند.
عمر لامپ‌های قوسی الکترودی توسط دمای کارکرد لامپ، تعداد ساعات کارکرد و تعداد دفعات روشن یا خاموش شدن محدود می‌شود. هر بار که در هنگام روشن شدن لامپ، قوس ولتاژ بالا به آن زده می‌شود، مقداری از الکترود تنگستن ساییده می‌شود. در نهایت، لامپ دیگر روشن نمی‌شود. لامپ‌های قوسی الکترودی دارای مکانیزم‌های شاتر هستند که در صورت فعال شدن، خروجی UV را به عنوان جایگزینی برای چرخه مکرر توان لامپ مسدود می‌کنند. جوهرها، پوشش‌ها و چسب‌های واکنش‌پذیرتر ممکن است منجر به عمر طولانی‌تر لامپ شوند. در حالی که فرمولاسیون‌های واکنش‌پذیر کمتر ممکن است نیاز به تعویض مکرر لامپ داشته باشند.
سیستم‌های UV-LED ذاتاً عمر طولانی‌تری نسبت به لامپ‌های معمولی دارند، اما طول عمر UV-LED نیز مطلق نیست. همانند لامپ‌های معمولی، LEDهای UV نیز محدودیت‌هایی در میزان سختی راه‌اندازی دارند و عموماً باید با دمای اتصال زیر ۱۲۰ درجه سانتیگراد کار کنند. LEDهای بیش از حد راه‌اندازی و LEDهای با خنک‌کنندگی کم، طول عمر را به خطر می‌اندازند و منجر به تخریب سریع‌تر یا خرابی فاجعه‌بار می‌شوند. در حال حاضر همه تأمین‌کنندگان سیستم UV-LED طرح‌هایی را ارائه نمی‌دهند که بالاترین طول عمر تعیین‌شده بیش از ۲۰۰۰۰ ساعت را داشته باشند. سیستم‌هایی که بهتر طراحی و نگهداری می‌شوند، بیش از ۲۰۰۰۰ ساعت دوام می‌آورند و سیستم‌های بی‌کیفیت در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه‌تری از کار می‌افتند. خبر خوب این است که طرح‌های سیستم LED همچنان در حال بهبود هستند و با هر تکرار طراحی، عمر طولانی‌تری دارند.
ازون
وقتی طول موج‌های کوتاه‌تر UVC به مولکول‌های اکسیژن (O2) برخورد می‌کنند، باعث می‌شوند مولکول‌های اکسیژن (O2) به دو اتم اکسیژن (O) تقسیم شوند. سپس اتم‌های اکسیژن آزاد (O) با سایر مولکول‌های اکسیژن (O2) برخورد کرده و ازن (O3) را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که تری اکسیژن (O3) در سطح زمین نسبت به دی اکسیژن (O2) پایداری کمتری دارد، ازن به راحتی با عبور از هوای اتمسفر به یک مولکول اکسیژن (O2) و یک اتم اکسیژن (O) تبدیل می‌شود. سپس اتم‌های اکسیژن آزاد (O) در سیستم اگزوز با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا مولکول‌های اکسیژن (O2) را تولید کنند.
برای کاربردهای پخت با اشعه ماوراء بنفش صنعتی، ازن (O3) هنگامی تولید می‌شود که اکسیژن اتمسفر با طول موج‌های ماوراء بنفش زیر 240 نانومتر واکنش نشان دهد. منابع پخت بخار جیوه پهن باند، UVC بین 200 تا 280 نانومتر منتشر می‌کنند که بخشی از ناحیه تولید ازن را همپوشانی می‌کند و لامپ‌های اگزایمر، UVC خلأ را در 172 نانومتر یا UVC را در 222 نانومتر منتشر می‌کنند. ازن ایجاد شده توسط بخار جیوه و لامپ‌های پخت اگزایمر ناپایدار است و نگرانی زیست‌محیطی قابل توجهی ایجاد نمی‌کند، اما لازم است که از ناحیه اطراف کارگران حذف شود زیرا در سطوح بالا محرک تنفسی و سمی است. از آنجایی که سیستم‌های پخت UV-LED تجاری، UVA بین 365 تا 405 نانومتر منتشر می‌کنند، ازن تولید نمی‌شود.
ازن بویی شبیه به بوی فلز، سیم در حال سوختن، کلر و جرقه الکتریکی دارد. حس بویایی انسان می‌تواند ازن را تا غلظت‌های پایین ۰.۰۱ تا ۰.۰۳ قسمت در میلیون (ppm) تشخیص دهد. اگرچه این مقدار بسته به فرد و سطح فعالیت متفاوت است، غلظت‌های بیشتر از ۰.۴ ppm می‌تواند منجر به اثرات نامطلوب تنفسی و سردرد شود. برای محدود کردن قرار گرفتن کارگران در معرض ازن، باید تهویه مناسب روی خطوط پخت UV نصب شود.
سیستم‌های پخت با اشعه ماوراء بنفش عموماً به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هوای خروجی از سر لامپ‌ها را مهار کنند تا بتوان آن را از اپراتورها دور کرد و به خارج از ساختمان منتقل کرد، جایی که به طور طبیعی در حضور اکسیژن و نور خورشید تجزیه می‌شود. از طرف دیگر، لامپ‌های بدون ازن حاوی یک افزودنی کوارتز هستند که طول موج‌های تولیدکننده ازن را مسدود می‌کند و تأسیساتی که می‌خواهند از کانال‌کشی یا ایجاد سوراخ در سقف اجتناب کنند، اغلب از فیلترهایی در خروجی فن‌های اگزوز استفاده می‌کنند.
زمان ارسال: ۱۹ ژوئن ۲۰۲۴
