Elohopeahöyry, valoa emittoiva diodi (LED) ja eksimeeri ovat erillisiä UV-kovetuslampputekniikoita. Vaikka kaikkia kolmea käytetään erilaisissa fotopolymerointiprosesseissa musteiden, pinnoitteiden, liimojen ja pursoteiden silloittamiseen, säteilevän UV-energian generointimekanismit sekä vastaavan spektraalisen tehon ominaisuudet ovat täysin erilaisia. Näiden erojen ymmärtäminen on olennaista sovellusten ja formulaatioiden kehittämisessä, UV-kovetuslähteen valinnassa ja integroinnissa.
Elohopeahöyrylamput
Sekä elektrodikaarilamput että elektrodittomat mikroaaltolamput kuuluvat elohopeahöyrylamppujen luokkaan. Elohopeahöyrylamput ovat keskipaineisia kaasupurkauslamppuja, joissa pieni määrä alkuaineelohopeaa ja inerttiä kaasua höyrystetään plasmaksi suljetussa kvartsiputkessa. Plasma on erittäin korkeassa lämpötilassa oleva ionisoitu kaasu, joka pystyy johtamaan sähköä. Se tuotetaan kytkemällä sähköjännite kahden elektrodin väliin valokaarilampun sisällä tai lämmittämällä elektroditonta lamppua mikroaaltouunissa kotelossa tai ontelossa, joka on konseptiltaan samanlainen kuin kotitalouksien mikroaaltouuni. Höyrystyttyään elohopeaplasma emittoi laajakirjoista valoa ultravioletti-, näkyvän valon ja infrapunavalon aallonpituuksilla.
Sähkökaarilampun tapauksessa jännite virittää suljetun kvartsiputken. Tämä energia höyrystää elohopean plasmaksi ja vapauttaa elektroneja höyrystyneistä atomeista. Osa elektroneista (-) virtaa kohti lampun positiivista volframielektrodia eli anodia (+) ja UV-järjestelmän sähköpiiriin. Atomit, joista puuttuu uusia elektroneja, muuttuvat positiivisesti virittyneiksi kationeiksi (+), jotka virtaavat kohti lampun negatiivisesti varautunutta volframielektrodia eli katodia (-). Liikkuessaan kationit osuvat kaasuseoksen neutraaleihin atomeihin. Törmäys siirtää elektroneja neutraaleista atomeista kationeihin. Kun kationit saavat elektroneja, ne putoavat alemman energian tilaan. Energiaero purkautuu fotoneina, jotka säteilevät kvartsiputkesta ulospäin. Edellyttäen, että lamppu on asianmukaisesti virtaa saava, oikein jäähdytetty ja sitä käytetään käyttöikänsä aikana, jatkuvasti muodostuneiden uusien kationien (+) virtaus suuntautuu negatiiviseen elektrodiin eli katodiin (-), osuen useampiin atomeihin ja tuottaen jatkuvaa UV-valon säteilyä. Mikroaaltolamput toimivat samalla tavalla, paitsi että mikroaallot, jotka tunnetaan myös radiotaajuuslampuina (RF), korvaavat sähköpiirin. Koska mikroaaltolampuissa ei ole volframielektrodeja ja ne ovat yksinkertaisesti suljettuja kvartsiputkia, jotka sisältävät elohopeaa ja inerttiä kaasua, niitä kutsutaan yleisesti elektrodittomiksi.
Laajakaistaisten tai laajakirjoisten elohopeahöyrylamppujen UV-säteily kattaa ultravioletti-, näkyvän ja infrapuna-aallonpituudet suunnilleen yhtä suurin suhtein. Ultraviolettiosuus sisältää UVC- (200–280 nm), UVB- (280–315 nm), UVA- (315–400 nm) ja UVV- (400–450 nm) aallonpituuksia. Alle 240 nm:n aallonpituuksilla UVC-säteilyä lähettävät lamput tuottavat otsonia ja vaativat poistoilman tai suodatuksen.
Elohopeahöyrylampun spektraalista tehoa voidaan muuttaa lisäämällä pieniä määriä seostusaineita, kuten rautaa (Fe), galliumia (Ga), lyijyä (Pb), tinaa (Sn), vismuttia (Bi) tai indiumia (In). Lisätyt metallit muuttavat plasman koostumusta ja siten kationien elektronien vastaanottamisessa vapautuvaa energiaa. Lisättyjä metalleja sisältäviä lamppuja kutsutaan seostetuiksi, additiivisiksi ja metallihalogenidilampuiksi. Useimmat UV-formuloidut musteet, pinnoitteet, liimat ja pursotukset on suunniteltu vastaamaan joko tavallisten elohopea- (Hg) tai rauta- (Fe) seostettujen lamppujen tehoa. Rauta-seostetut lamput siirtävät osan UV-tehosta pidemmille, lähes näkyville aallonpituuksille, mikä johtaa parempaan tunkeutumiseen paksumpien, voimakkaasti pigmentoitujen formulaatioiden läpi. Titaanidioksidia sisältävät UV-formulaatiot kovettuvat yleensä paremmin galliumilla (GA) seostettujen lamppujen kanssa. Tämä johtuu siitä, että galliumlamput siirtävät merkittävän osan UV-tehosta yli 380 nm:n aallonpituuksille. Koska titaanidioksidilisäaineet eivät yleensä absorboi yli 380 nm:n valoa, valkoisten koostumusten käyttö galliumlamppujen avulla mahdollistaa sen, että fotoinitiaattorit absorboivat enemmän UV-energiaa kuin lisäaineet.
Spektriprofiilit tarjoavat formuloijille ja loppukäyttäjille visuaalisen esityksen siitä, miten tietyn lamppumallin säteilyteho jakautuu sähkömagneettiselle spektrille. Vaikka höyrystyneellä elohopealla ja lisäainemetalleilla on määritellyt säteilyominaisuudet, kvartsiputken sisällä olevien alkuaineiden ja inerttikaasujen tarkka seos sekä lampun rakenne ja kovetusjärjestelmän suunnittelu vaikuttavat kaikki UV-tehoon. Lampun toimittajan ulkoilmassa syöttämän ja mittaaman ei-integroidun lampun spektriteho on erilainen kuin lampun, joka on asennettu lamppupäähän asianmukaisesti suunnitellulla heijastimella ja jäähdytyksellä. Spektriprofiileja on helposti saatavilla UV-järjestelmien toimittajilta, ja ne ovat hyödyllisiä formulaation kehittämisessä ja lampun valinnassa.
Yleinen spektriprofiili kuvaa spektrisen irradianssin y-akselilla ja aallonpituuden x-akselilla. Spektraalinen irradianssi voidaan näyttää useilla tavoilla, mukaan lukien absoluuttinen arvo (esim. W/cm2/nm) tai mielivaltaiset, suhteelliset tai normalisoidut (yksiköttömät) mittaukset. Profiilit näyttävät tiedot yleensä joko viivakaaviona tai pylväskaaviona, joka ryhmittelee lähdön 10 nm:n kaistoihin. Seuraava elohopealampun spektraalinen lähtökaavio näyttää suhteellisen säteilytyksen aallonpituuden suhteen GEW:n järjestelmissä (kuva 1).
KUVA 1 »Elohopean ja raudan spektritehokartat.
Lamppu on termi, jota käytetään viittaamaan UV-säteilyä emittoivaan kvartsiputkeen Euroopassa ja Aasiassa, kun taas Pohjois- ja Etelä-Amerikassa käytetään usein keskenään vaihdettavaa polttimon ja lampun yhdistelmää. Sekä lamppu että lampun pää viittaavat koko kokoonpanoon, joka sisältää kvartsiputken ja kaikki muut mekaaniset ja sähköiset komponentit.
Elektrodikaarilamput
Elektrodikaarilamppujärjestelmät koostuvat lamppupäästä, jäähdytyspuhaltimesta tai jäähdyttimestä, virtalähteestä ja ihmisen ja koneen rajapinnasta (HMI). Lamppupää sisältää lampun (polttimon), heijastimen, metallikotelon tai -kotelon, suljinkokoonpanon ja joskus kvartsi-ikkunan tai -lankasuojan. GEW asentaa kvartsiputkensa, heijastimensa ja suljinmekanisminsa kasettikokoonpanojen sisään, jotka voidaan helposti irrottaa ulommasta lamppupään kotelosta tai kotelosta. GEW-kasetin irrottaminen tapahtuu tyypillisesti muutamassa sekunnissa käyttämällä yhtä kuusiokoloavainta. Koska UV-teho, lamppupään koko ja muoto, järjestelmän ominaisuudet ja apulaitteiden tarpeet vaihtelevat sovelluksen ja markkina-alueen mukaan, elektrodikaarilamppujärjestelmät suunnitellaan yleensä tiettyyn sovellusluokkaan tai vastaaviin konetyyppeihin.
Elohopeahöyrylamput lähettävät kvartsiputkesta 360° valoa. Kaarilamppujärjestelmissä käytetään lampun sivuilla ja takana olevia heijastimia, jotka keräävät ja kohdistavat enemmän valoa tietylle etäisyydelle lampun pään eteen. Tätä etäisyyttä kutsutaan polttopisteeksi, ja se on se kohta, jossa säteilyvoimakkuus on suurin. Kaarilamput lähettävät tyypillisesti 5–12 W/cm2 valoa polttopisteessä. Koska noin 70 % lampun pään UV-säteilystä tulee heijastimesta, on tärkeää pitää heijastimet puhtaina ja vaihtaa ne säännöllisesti. Heijastimien puhdistamatta jättäminen tai vaihtamatta jättäminen on yleinen syy riittämättömään kovettumiseen.
GEW on yli 30 vuoden ajan parantanut kovetusjärjestelmiensä tehokkuutta, räätälöinyt ominaisuuksia ja tehoa tiettyjen sovellusten ja markkinoiden tarpeisiin sekä kehittänyt laajan valikoiman integrointilisävarusteita. Tämän seurauksena GEW:n nykyiset kaupalliset tuotteet sisältävät kompakteja kotelorakenteita, UV-heijastuksen parantamiseen ja infrapunasäteilyn vähentämiseen optimoituja heijastimia, hiljaisia integroituja suljinmekanismeja, verkkohelmoja ja -uria, simpukkamallista verkkosyöttöä, typpi-ineraatiota, positiivisesti paineistettuja päitä, kosketusnäytön käyttöliittymän, puolijohdevirtalähteitä, parempaa toiminnan tehokkuutta, UV-tehon valvontaa ja järjestelmän etävalvontaa.
Kun keskipaineelektrodilamput ovat käytössä, kvartsin pintalämpötila on 600–800 °C ja plasman sisälämpötila useita tuhansia celsiusasteita. Paineilma on ensisijainen keino ylläpitää oikeaa lampun käyttölämpötilaa ja poistaa osa säteilevästä infrapunaenergiasta. GEW syöttää tätä ilmaa negatiivisesti; tämä tarkoittaa, että ilmaa vedetään kotelon läpi heijastinta ja lamppua pitkin ja se poistuu kokoonpanosta poispäin koneesta tai kovetuspinnasta. Joissakin GEW-järjestelmissä, kuten E4C:ssä, käytetään nestejäähdytystä, joka mahdollistaa hieman suuremman UV-tehon ja pienentää lampun pään kokonaiskokoa.
Elektrodikaarilampuilla on lämmitys- ja jäähtymissyklit. Lamput sytytetään minimaalisella jäähdytyksellä. Tämä mahdollistaa elohopeaplasman nousun haluttuun käyttölämpötilaan, vapaiden elektronien ja kationien tuotannon ja virran kulun. Kun lamppupää sammutetaan, jäähdytys jatkuu muutaman minuutin ajan kvartsiputken tasaiseksi jäähdyttämiseksi. Liian lämmin lamppu ei syty uudelleen ja sen on jatkettava jäähtymistä. Käynnistys- ja jäähdytyssyklin pituus sekä elektrodien heikkeneminen jokaisen jännitesytytyksen aikana ovat syitä, miksi GEW-elektrodikaarilamppukokoonpanoissa on aina integroitu pneumaattisia suljinmekanismeja. Kuva 2 esittää ilmajäähdytteisiä (E2C) ja nestejäähdytteisiä (E4C) elektrodikaarilamppuja.
KUVA 2 »Nestejäähdytteiset (E4C) ja ilmajäähdytteiset (E2C) elektrodikaarilamput.
UV-LED-lamput
Puolijohteet ovat kiinteitä, kiteisiä materiaaleja, jotka ovat jossain määrin johtavia. Sähkö kulkee puolijohteen läpi paremmin kuin eristeen, mutta ei yhtä hyvin kuin metallijohteen. Luonnossa esiintyviä, mutta melko tehottomia puolijohteita ovat pii, germanium ja seleeni. Tehokkaasti ja tehokkaasti suunnitellut synteettisesti valmistetut puolijohteet ovat yhdistelmämateriaaleja, joissa epäpuhtaudet on kyllästetty tarkasti kiderakenteeseen. UV-LEDien tapauksessa alumiinigalliumnitridi (AlGaN) on yleisesti käytetty materiaali.
Puolijohteet ovat perustavanlaatuisia nykyaikaiselle elektroniikalle, ja niitä käytetään transistoreiden, diodien, valoa emittoivien diodien ja mikroprosessorien valmistukseen. Puolijohdekomponentteja integroidaan sähköpiireihin ja asennetaan tuotteisiin, kuten matkapuhelimiin, kannettaviin tietokoneisiin, tabletteihin, kodinkoneisiin, lentokoneisiin, autoihin, kaukosäätimiin ja jopa lasten leluihin. Nämä pienet mutta tehokkaat komponentit tekevät arkipäivän tuotteista toimivia ja samalla mahdollistavat esineiden kompaktiuden, ohuemmuuden, keveyden ja edullisemman rakenteen.
LEDien erityistapauksessa tarkasti suunnitellut ja valmistetut puolijohdemateriaalit lähettävät suhteellisen kapeita valon aallonpituuskaistoja, kun ne on kytketty tasavirtalähteeseen. Valoa syntyy vain, kun virta kulkee kunkin LEDin positiivisesta anodista (+) negatiiviseen katodiin (-). Koska LEDien lähtöä voidaan säätää nopeasti ja helposti ja se on lähes monokromaattista, LEDit sopivat ihanteellisesti käytettäväksi: merkkivaloina; infrapunaviestintäsignaaleina; televisioiden, kannettavien tietokoneiden, tablettien ja älypuhelinten taustavalaistuksena; elektronisina kyltteinä, mainostauluina ja jumbotroneina; sekä UV-kovettuvina.
LED on positiivis-negatiivinen liitos (pn-liitos). Tämä tarkoittaa, että LEDin toisella osalla on positiivinen varaus, jota kutsutaan anodiksi (+), ja toisella osalla on negatiivinen varaus, jota kutsutaan katodiksi (-). Vaikka molemmat puolet ovat suhteellisen johtavia, liitoksen rajapinta, jossa kaksi osaa kohtaavat, eli ehtymisvyöhyke, ei ole johtavaa. Kun tasavirtalähteen positiivinen (+) napa on kytketty LEDin anodiin (+) ja lähteen negatiivinen (-) napa on kytketty katodiin (-), katodin negatiivisesti varautuneet elektronit ja anodin positiivisesti varautuneet elektronivakanssit hylkivät virtalähdettä ja työntyvät kohti ehtymisvyöhykettä. Tämä on eteenpäin suuntautuva esijännite, ja sen vaikutus on, että se ylittää ei-johtavan rajapinnan. Tuloksena on, että n-tyypin alueen vapaat elektronit ylittävät p-tyypin alueen vapaat paikat. Kun elektronit virtaavat rajapinnan yli, ne siirtyvät pienemmän energian tilaan. Vastaava energian lasku vapautuu puolijohteesta valofotoneina.
Kiteisen LED-rakenteen muodostavat materiaalit ja seostusaineet määräävät spektraalisen tehon. Nykyään kaupallisesti saatavilla olevilla LED-kovetuslähteillä on ultraviolettisäteily, jonka keskipisteet ovat 365, 385, 395 ja 405 nm, tyypillinen toleranssi on ±5 nm ja spektrijakauma on Gaussinen. Mitä suurempi on spektrisen säteilyvoimakkuuden huippu (W/cm2/nm), sitä korkeampi on kellokäyrän huippu. Vaikka UVC-kehitys on käynnissä 275 ja 285 nm:n välillä, teho, käyttöikä, luotettavuus ja kustannukset eivät ole vielä kaupallisesti kannattavia kovetusjärjestelmille ja -sovelluksille.
Koska UV-LED-valoteho rajoittuu tällä hetkellä pidempiin UVA-aallonpituuksiin, UV-LED-kovetusjärjestelmä ei lähetä keskipaineisille elohopealampuille ominaista laajakaistaista spektraalista tehoa. Tämä tarkoittaa, että UV-LED-kovetusjärjestelmät eivät lähetä UVC-, UVB-, useimpia näkyviä valoja eivätkä lämpöä tuottavia infrapuna-aallonpituuksia. Vaikka tämä mahdollistaa UV-LED-kovetusjärjestelmien käytön lämpöherkemmissä sovelluksissa, olemassa olevat keskipaineisille elohopealampuille suunnitellut musteet, pinnoitteet ja liimat on muotoiltava uudelleen UV-LED-kovetusjärjestelmiä varten. Onneksi kemikaalien toimittajat suunnittelevat yhä useammin kaksoiskovettuvia tuotteita. Tämä tarkoittaa, että UV-LED-lampulla kovettuvaksi tarkoitettu kaksoiskovetusformulaatio kovettuu myös elohopealampulla (kuva 3).
KUVA 3 »LEDin spektraalinen tehokaavio.
GEW:n UV-LED-kovetusjärjestelmät tuottavat jopa 30 W/cm2 valoa emittoivassa ikkunassa. Toisin kuin elektrodikaarilampuissa, UV-LED-kovetusjärjestelmissä ei ole heijastimia, jotka ohjaavat valonsäteitä keskitettyyn polttopisteeseen. Tämän seurauksena UV-LED:n säteilyhuippu saavutetaan lähellä emittoivaa ikkunaa. Säteilevät UV-LED-säteet hajaantuvat toisistaan lampun pään ja kovetuspinnan välisen etäisyyden kasvaessa. Tämä vähentää kovetuspinnalle saavuttavan valon pitoisuutta ja säteilyn suuruutta. Vaikka huippusäteilyteho on tärkeä silloittumisen kannalta, yhä suurempi säteilyteho ei ole aina edullinen ja voi jopa estää suuremman silloittumistiheyden. Aallonpituus (nm), säteilyteho (W/cm2) ja energiatiheys (J/cm2) ovat kaikki ratkaisevan tärkeitä kovettamisessa, ja niiden yhteinen vaikutus kovettumiseen tulisi ymmärtää oikein UV-LED-lähteen valinnassa.
LEDit ovat Lambertin muotoisia valonlähteitä. Toisin sanoen jokainen UV-LED säteilee tasaista eteenpäin suuntautuvaa valoa koko 360° x 180° puolipallon yli. Lukuisat UV-LEDit, joista jokainen on kooltaan millimetrin neliön luokkaa, on järjestetty yhteen riviin, rivien ja sarakkeiden matriisiin tai johonkin muuhun kokoonpanoon. Nämä osakokoonpanot, jotka tunnetaan moduuleina tai matriiseina, on suunniteltu siten, että LEDien välinen etäisyys varmistaa sekoittumisen rakojen yli ja helpottaa diodin jäähdytystä. Useat moduulit tai matriisit järjestetään sitten suurempiin kokoonpanoihin eri kokoisten UV-kovetusjärjestelmien muodostamiseksi (kuvat 4 ja 5). UV-LED-kovetusjärjestelmän rakentamiseen tarvittavia lisäkomponentteja ovat jäähdytyselementti, säteilyikkuna, elektroniset ohjaimet, tasavirtalähteet, nestejäähdytysjärjestelmä tai jäähdytin ja ihmisen ja koneen välinen käyttöliittymä (HMI).
KUVA 4 »LeoLED-järjestelmä verkkokäyttöön.
KUVA 5 »LeoLED-järjestelmä nopeaan monilamppuasennukseen.
Koska UV-LED-kovetusjärjestelmät eivät säteile infrapuna-aallonpituuksia, ne siirtävät luonnostaan vähemmän lämpöenergiaa kovettumispinnalle kuin elohopeahöyrylamput, tämä ei tarkoita, että UV-LEDejä pitäisi pitää kylmäkovetustekniikkana. UV-LED-kovetusjärjestelmät voivat säteillä erittäin korkeita säteilyhuippuja, ja ultraviolettiaallonpituudet ovat eräs energian muoto. Kaikki säteily, jota kemia ei absorboi, lämmittää alla olevaa osaa tai alustaa sekä ympäröiviä koneen osia.
UV-LEDit ovat myös sähkökomponentteja, joiden tehottomuus johtuu raakapuolijohteiden suunnittelusta ja valmistuksesta sekä valmistusmenetelmistä ja komponenteista, joita käytetään LEDien pakkaamiseen suurempaan kovetusyksikköön. Vaikka elohopeahöyrykvartsiputken lämpötila on pidettävä käytön aikana 600–800 °C:ssa, LEDien pn-liitoksen lämpötilan on pysyttävä alle 120 °C:ssa. Vain 35–50 % UV-LED-ryhmän sähköstä muuttuu ultraviolettisäteilyksi (erittäin aallonpituudesta riippuvainen). Loput muuttuu lämpöksi, joka on poistettava halutun liitoksen lämpötilan ylläpitämiseksi ja määritellyn järjestelmän säteilytehon, energiatiheyden ja tasaisuuden sekä pitkän käyttöiän varmistamiseksi. LEDit ovat luonnostaan pitkäikäisiä puolijohdelaitteita, ja LEDien integrointi suurempiin kokoonpanoihin oikein suunniteltujen ja huollettujen jäähdytysjärjestelmien kanssa on ratkaisevan tärkeää pitkän käyttöiän saavuttamiseksi. Kaikki UV-kovetusjärjestelmät eivät ole samanlaisia, ja väärin suunnitelluilla ja jäähdytetyillä UV-LED-kovetusjärjestelmillä on suurempi todennäköisyys ylikuumenemiseen ja katastrofaaliseen vikaantumiseen.
Kaari-/LED-hybridilamput
Millä tahansa markkinoilla, joilla upouutta teknologiaa otetaan käyttöön korvaamaan olemassa olevaa teknologiaa, käyttöönotto voi herättää sekä pelkoa että suorituskykyyn liittyviä epäilyksiä. Potentiaaliset käyttäjät usein lykkäävät käyttöönottoa, kunnes vakiintunut asennuskanta muodostuu, tapaustutkimuksia julkaistaan, positiivisia suosituksia alkaa levitä massatuotantona ja/tai he saavat ensi käden kokemuksia tai referenssejä tuntemiltaan ja luotettavilta henkilöiltä ja yrityksiltä. Usein tarvitaan vankkaa näyttöä ennen kuin koko markkina-alue luopuu kokonaan vanhasta ja siirtyy täysin uuteen. Ei auta, että menestystarinat ovat usein tiukasti pidettyjä salaisuuksia, koska varhaiset käyttöönottajat eivät halua kilpailijoiden saavuttavan vastaavia etuja. Tämän seurauksena sekä todelliset että liioitellut pettymystarinat voivat joskus kaikua markkinoilla peitellen uuden teknologian todelliset ansiot ja viivästyttäen käyttöönottoa entisestään.
Läpi historian ja vastahakoisen käyttöönoton vastahakoisena hybridirakenteita on usein omaksuttu siirtymävaiheen siltana nykyisen ja uuden teknologian välillä. Hybridit antavat käyttäjille mahdollisuuden saada itseluottamusta ja päättää itse, miten ja milloin uusia tuotteita tai menetelmiä tulisi käyttää, uhraamatta nykyisiä ominaisuuksia. UV-kovettamisen tapauksessa hybridijärjestelmä antaa käyttäjille mahdollisuuden vaihtaa nopeasti ja helposti elohopeahöyrylamppujen ja LED-tekniikan välillä. Linjoilla, joissa on useita kovetusasemia, hybridit mahdollistavat puristimien käytön 100 % LEDillä, 100 % elohopeahöyryllä tai millä tahansa näiden kahden tekniikan yhdistelmällä, jota tietty työ vaatii.
GEW tarjoaa valokaari-/LED-hybridijärjestelmiä verkkopainajille. Ratkaisu kehitettiin GEW:n suurimmalle markkinalle, kapearataisille etiketeille, mutta hybridimallia voidaan käyttää myös muissa verkko- ja muissa sovelluksissa (kuva 6). Valokaari-/LED-järjestelmässä on yhteinen lamppupään kotelo, johon mahtuu joko elohopeahöyry- tai LED-kasetti. Molemmat kasetit toimivat yleiskäyttöisellä virta- ja ohjausjärjestelmällä. Järjestelmän älykkyys mahdollistaa kasettityyppien erottamisen toisistaan ja tarjoaa automaattisesti sopivan virran, jäähdytyksen ja käyttöliittymän. GEW:n elohopeahöyry- tai LED-kasettien irrottaminen tai asentaminen onnistuu tyypillisesti muutamassa sekunnissa yhdellä kuusiokoloavaimella.
KUVA 6 »Kaari/LED-järjestelmä verkkoa varten.
Excimer-lamput
Eksimeerilamput ovat kaasupurkauslamppuja, jotka lähettävät lähes monokromaattista ultraviolettienergiaa. Vaikka eksimeerilamppuja on saatavilla useilla eri aallonpituuksilla, yleisimmät ultraviolettisäteilyt keskittyvät 172, 222, 308 ja 351 nm:iin. 172 nm:n eksimeerilamput kuuluvat tyhjiö-UV-alueelle (100-200 nm), kun taas 222 nm on yksinomaan UVC-aluetta (200-280 nm). 308 nm:n eksimeerilamput lähettävät UVB-aluetta (280-315 nm) ja 351 nm on yksinomaan UVA-aluetta (315-400 nm).
172 nm:n tyhjiö-UV-aallonpituudet ovat lyhyempiä ja sisältävät enemmän energiaa kuin UVC-aallonpituudet, mutta niillä on vaikeuksia tunkeutua syvälle aineisiin. Itse asiassa 172 nm:n aallonpituudet absorboituvat kokonaan UV-formuloitujen kemikaalien ylimmässä 10–200 nm:n paksuisessa kerroksessa. Tämän seurauksena 172 nm:n eksimeerilamput silloittavat vain UV-formulaatioiden uloimman pinnan ja ne on integroitava yhdessä muiden kovetuslaitteiden kanssa. Koska myös ilma absorboi tyhjiö-UV-aallonpituuksia, 172 nm:n eksimeerilamppuja on käytettävä typpi-inertokaasukehässä.
Useimmat eksimeerilamput koostuvat kvartsiputkesta, joka toimii dielektrisenä esteenä. Putki on täytetty harvinaisilla kaasuilla, jotka kykenevät muodostamaan eksimeeri- tai eksipleksimolekyylejä (kuva 7). Eri kaasut tuottavat erilaisia molekyylejä, ja eri virittyneet molekyylit määräävät, mitä aallonpituuksia lamppu lähettää. Korkeajänniteelektrodi kulkee kvartsiputken sisäpuolella ja maadoituselektrodit ulkopuolella. Lamppuun syötetään jännitteitä pulsseina korkeilla taajuuksilla. Tämä saa elektronit virtaamaan sisäisen elektrodin sisällä ja purkautumaan kaasuseoksen poikki kohti ulkoisia maadoituselektrodeja. Tätä tieteellistä ilmiötä kutsutaan dielektriseksi estepurkaukseksi (DBD). Kun elektronit kulkevat kaasun läpi, ne vuorovaikuttavat atomien kanssa ja luovat energisoituneita tai ionisoituneita lajeja, jotka tuottavat eksimeeri- tai eksipleksimolekyylejä. Eksimeeri- ja eksipleksimolekyyleillä on uskomattoman lyhyt käyttöikä, ja kun ne hajoavat virittyneestä tilasta perustilaan, ne lähettävät kvasimonokromaattisen jakauman fotoneja.
KUVA 7 »Excimer-lamppu
Toisin kuin elohopeahöyrylampuissa, eksimeerlampun kvartsiputken pinta ei kuumene. Tämän seurauksena useimmat eksimeerlamput toimivat vain vähän tai ei ollenkaan jäähdytyksellä. Toisissa tapauksissa tarvitaan vain vähän jäähdytystä, joka tyypillisesti saadaan aikaan typpikaasulla. Lampun lämpöstabiilisuuden ansiosta eksimeerlamput käynnistyvät ja sammuvat välittömästi eivätkä vaadi lämmitys- tai jäähdytysjaksoja.
Kun 172 nm:n aallonpituudella säteileviä eksimeerilamppuja integroidaan sekä kvasimonokromaattisiin UVA-LED-kovetusjärjestelmiin että laajakaistaisiin elohopealamppuihin, syntyy mattapintaefektejä. UVA-LED-lamppuja käytetään ensin kemikaalin geeliyttämiseen. Kvasimonokromaattisia eksimeerilamppuja käytetään sitten pinnan polymerointiin, ja lopuksi laajakaistaiset elohopealamput silloittavat loput kemikaalista. Kolmen erillisissä vaiheissa sovelletun tekniikan ainutlaatuiset spektraaliset tuotokset tuottavat hyödyllisiä optisia ja toiminnallisia pintakovetusefektejä, joita ei voida saavuttaa millään UV-lähteellä yksinään.
172 ja 222 nm:n eksimeeriaallonpituudet tuhoavat tehokkaasti myös vaarallisia orgaanisia aineita ja haitallisia bakteereja, mikä tekee eksimeerilampuista käytännöllisiä pintojen puhdistukseen, desinfiointiin ja pintaenergiakäsittelyihin.
Lampun käyttöikä
GEW:n valokaarilamppujen käyttöikä on yleensä jopa 2 000 tuntia. Lampun käyttöikä ei ole absoluuttinen, koska UV-säteilyn teho heikkenee vähitellen ajan myötä ja siihen vaikuttavat useat tekijät. Lampun rakenne ja laatu sekä UV-järjestelmän käyttöolosuhteet ja formulaatioaineen reaktiivisuus. Oikein suunnitellut UV-järjestelmät varmistavat, että lampun (polttimon) tietyn rakenteen edellyttämä oikea teho ja jäähdytys saadaan aikaan.
GEW:n toimittamat lamput (polttimot) tarjoavat aina pisimmän käyttöiän, kun niitä käytetään GEW:n kovetusjärjestelmissä. Toissijaiset syöttölähteet ovat yleensä valmistaneet lampun näytteestä, eivätkä kopiot välttämättä sisällä samaa päätyliitintä, kvartsin halkaisijaa, elohopeapitoisuutta tai kaasuseosta, jotka kaikki voivat vaikuttaa UV-tehoon ja lämmöntuotantoon. Kun lämmöntuotantoa ei ole tasapainotettu järjestelmän jäähdytyksen kanssa, lampun teho ja käyttöikä kärsivät. Viileämmällä lämmöllä toimivat lamput lähettävät vähemmän UV-säteilyä. Kuumemmalla lampulla ei ole yhtä pitkä käyttöikä ja se vääntyy korkeissa pintalämpötiloissa.
Elektrodikaarilamppujen käyttöikää rajoittavat lampun käyttölämpötila, käyttötuntien määrä sekä sytytysten tai sytytysten määrä. Joka kerta, kun lamppuun sytytetään korkeajännitteinen valokaari käynnistyksen aikana, osa volframielektrodista kuluu pois. Lopulta lamppu ei syty uudelleen. Elektrodikaarilampuissa on suljinmekanismit, jotka aktivoituessaan estävät UV-säteilyn, vaihtoehtona lampun virran toistuvalle syklille ja vaihdolle. Reaktiivisemmat musteet, pinnoitteet ja liimat voivat pidentää lampun käyttöikää, kun taas vähemmän reaktiiviset koostumukset saattavat vaatia useammin lampun vaihtoa.
UV-LED-järjestelmät ovat luonnostaan pidempikestoisia kuin perinteiset lamput, mutta UV-LEDien käyttöikä ei ole ehdoton. Kuten perinteisillä lampuilla, UV-LEDeillä on rajansa siinä, kuinka kovaa niitä voidaan ohjata, ja niiden on yleensä toimittava alle 120 °C:n liitoslämpötiloissa. LEDien yliajo ja alijäähdytys heikentävät käyttöikää, mikä johtaa nopeampaan heikkenemiseen tai katastrofaaliseen vikaantumiseen. Kaikki UV-LED-järjestelmien toimittajat eivät tällä hetkellä tarjoa malleja, jotka täyttävät yli 20 000 tunnin korkeimmat vakiintuneet käyttöiät. Paremmin suunnitellut ja huolletut järjestelmät kestävät yli 20 000 tuntia, ja heikommat järjestelmät vikaantuvat paljon lyhyemmässä ajassa. Hyvä uutinen on, että LED-järjestelmien suunnittelu paranee jatkuvasti ja kestää pidempään jokaisella suunnitteluversiolla.
Otsoni
Kun lyhyemmät UVC-aallonpituudet osuvat happimolekyyleihin (O2), ne aiheuttavat happimolekyylien (O2) jakautumisen kahdeksi happiatomiksi (O). Vapaat happiatomit (O) törmäävät sitten muihin happimolekyyleihin (O2) ja muodostavat otsonia (O3). Koska trihappi (O3) on maanpinnan tasolla vähemmän vakaa kuin dihappi (O2), otsoni palautuu helposti happimolekyyliksi (O2) ja happiatomiksi (O) kulkiessaan ilmakehän läpi. Vapaat happiatomit (O) yhdistyvät sitten uudelleen toisiinsa pakokaasujärjestelmässä muodostaen happimolekyylejä (O2).
Teollisissa UV-kovetussovelluksissa otsonia (O3) syntyy, kun ilmakehän happi on vuorovaikutuksessa alle 240 nm:n ultraviolettisäteilyn aallonpituuksien kanssa. Laajakaistaiset elohopeahöyrykovetuslähteet lähettävät UVC-säteilyä aallonpituudella 200–280 nm, mikä on osittain päällekkäistä otsonin muodostumisalueen kanssa, ja eksimeerilamput lähettävät tyhjiö-UV-säteilyä aallonpituudella 172 nm tai UVC-säteilyä aallonpituudella 222 nm. Elohopeahöyry- ja eksimeerikovetuslamppujen tuottama otsoni on epävakaata eikä aiheuta merkittävää ympäristöongelmaa, mutta se on tarpeen poistaa työntekijöiden välittömästä läheisyydestä, koska se ärsyttää hengitysteitä ja on myrkyllistä suurina pitoisuuksina. Koska kaupalliset UV-LED-kovetusjärjestelmät lähettävät UVA-säteilyä aallonpituudella 365–405 nm, otsonia ei synny.
Otsonilla on samankaltainen haju kuin metallilla, palavalla johdolla, kloorilla ja sähkökipinällä. Ihmisen hajuaisti pystyy havaitsemaan otsonia jopa 0,01–0,03 miljoonasosaa (ppm). Vaikka pitoisuus vaihtelee henkilön ja aktiivisuustason mukaan, yli 0,4 ppm:n pitoisuudet voivat aiheuttaa haitallisia hengitystievaikutuksia ja päänsärkyä. UV-kovetuslinjoille on asennettava asianmukainen ilmanvaihto työntekijöiden otsonille altistumisen rajoittamiseksi.
UV-kovetusjärjestelmät on yleensä suunniteltu pidättämään lamppujen päistä poistuvaa poistoilmaa, jotta se voidaan johtaa kanavointiin pois käyttäjien luota ja rakennuksen ulkopuolelle, missä se luonnollisesti hajoaa hapen ja auringonvalon läsnä ollessa. Vaihtoehtoisesti otsonittomat lamput sisältävät kvartsilisäaineen, joka estää otsonia tuottavien aallonpituuksien leviämisen, ja laitokset, jotka haluavat välttää kanavien rakentamisen tai reikien leikkaamisen kattoon, käyttävät usein suodattimia poistopuhaltimien ulostulossa.
Julkaisun aika: 19. kesäkuuta 2024
