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UV光源的選擇,LED是萬能的嗎?

2021-09-16

工業上開始使用UV固化技術大概始自於1960 年代初期,德國木業公司利用UV固化材料將木材表面加上硬畫塗層。
而全球首次使用UV平版印刷則是由美國與英國於1970年開始成功地使用。
UV固化發展至今已成為非常重要的印刷技術。

 

一般而言,UV固化技術是一種以UV 光源照射化學物,而該化學物當中所含的”光啟始劑(Photoinitiator)”受到UV光源的激發,可以在極短時間內讓”聚合單體(Polymer)”產生膠合固化反應。


常見的光起始劑反應頻譜

圖一:常見的光起始劑反應頻譜

 

一開始,UV固化技術的UV光源都是以汞燈(Mercury)為主要的UV來源,汞燈的地位也一直處於無法被取代的地位。

但自從1993年,藍光LED技術被日亞化學中村修二博士發明開始,LED的頻譜即從藍光迅速的發展到紫外光的境界,也讓人開始思考,用UV LED取代汞燈的可能性,再加上汞曾經造成日本嚴重的水汙染導致人們患上水俁病,因而訂定出水俁公約強烈的限制汞的應用與開發。同時,似乎也讓UV LED成為極為重要的取代產品。

 

標準汞燈的發光頻譜

圖二:標準汞燈的發光頻譜

 


近幾年UV LED確實在發光效率上有極大的進展,從幾%的轉換效率到目前達到40%左右的水準,
讓人們喚起一股非常大的希望,也讓使用者極盡所能地希望能迅速的利用UV LED來取代汞燈的地位。

然而,事情並非我們所想像的那麼簡單,
UV LED確實能在UVA波段提供高校節能的UV光來源,但是,UVLED所提供的頻譜還是以介於365nm到405nm為主。
而市面上光起始劑的開發是經過數十年的發展,跟隨著汞燈的腳步一步一步的將光起始劑優化改良到目前的光景,
所以幾乎市面上的光起始劑開發,皆是以汞燈為其實驗所使用的光源

也因此光起始劑的反應波長不會僅限於在365nm~405nm之間,更多的是需要介於320nm~365nm之間的波長,或甚至需要介於200nm~320nm之間的波長,這些都是UV LED目前為止所無法有效提供的波段,也因此汞燈還是有其存在的必要性。

雖然水俁公約強烈的限制汞的開採與應用,但在工業的應用上還是不敢立即的實施,因為一旦盲目實施,可能超過一半的印刷業或是塗裝業都要馬上停擺。

 

那要如何選擇該使用UV LED還是汞燈呢?

關於是否能夠應用UV LED來取代汞燈,有兩個重要因素可以加入考量的行列,
其一為是否有其更換的經濟效益,其二為產品是否能達到與原有汞燈製程同樣的功效。

 

  1. 在同樣的累積能量下,UV LED能達到與汞燈同樣的品質,恭喜你,UV LED絕對是你最佳的選項,然而你能碰到這樣的機率大概小於10%,所以極難遇到。
  2. 在加強UV LED劑量之後而能達到與汞燈相同的品質,這時候就必須要考慮到經濟效益是否符合更換的必要,以超赫多年的經驗提供使用者一個參考的依據,如果UVLED需要的劑量在2~3倍的情況下可以完成固化,利用原本汞燈需要1000mJ/cm2,而UV LED可以在2000~3000mJ/cm2的情況下達到固化的目的,這時就有更進一步的評估空間,是否要用UV LED來取代汞燈。然而,如果需要的劑量大於3倍以上,即使換上UV LED,也不會帶來節能的效益,純粹只是滿足心靈上的節能而已。
  3. 如果使用UV LED而材料無法達成與汞燈相同的品質,其實完全沒有更換的必要。

 

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