TWI453356B - 用於小型紫外線固化燈總成之紫外線發光二極體燈 - Google Patents

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Description

用於小型紫外線固化燈總成之紫外線發光二極體燈
本發明實質上係關於紫外線(UV)固化燈總成，且更特定而言係關於用於紫外線固化燈總成的一發光二極體(LED)燈。
本申請案主張於2009年12月23日申請的美國臨時專利申請案第61/289,518號之權利，該案以引用之方式全部併入本文中。
在各種製程中使用輻射能來處理施覆於廣泛範圍之材料的表面、膜及塗層。特定程序包含(但不限於)：固化(亦即，固定、聚合)、氧化、淨化及消毒。利用輻射能聚合或影響一所要之化學性質改變的程序迅速且與一熱處理相比通常較便宜。輻射亦可經局部化以控制表面程序並容許僅優先固化施覆輻射之處。亦可在至介面區域的塗層或薄膜內或者大部分塗層或薄膜中局部化固化。透過輻射源類型、物理性質(例如光譜特性)、輻射之空間及時間變動及固化化學性質(例如塗層成分)之選擇來達成固化程序之控制。
使用各種輻射源用於固化、固定、聚合、氧化、淨化或消毒應用。此類源之實例包含(但不限於)光子、電子或離子束源。典型光子源包含(但不限於)弧光燈、白熾燈、無電極燈以及各種電子及固態源(亦即雷射)。習知弧光類型紫外線燈系統及微波驅動紫外線燈系統使用由熔融石英玻璃或熔融矽石製成的管狀燈泡封套。
圖1係一微波供電紫外線固化燈總成之一透視圖，其展示先前技術中的一輻照器及一光遮蔽總成。圖2係圖1之燈總成的一部分橫截面圖，其展示一半橢圓形主要反射件及具有圓形橫截面之一光源。圖3係圖1之光遮蔽總成之一部分橫截面內視圖，其展示與一次要反射件及末端反射件相配的一半橢圓主要反射件及具有圓形橫截面之一光源。
現參考圖1至圖3，裝置10包含一輻照器12及一光遮蔽總成14。輻照器12包含具有一實質上光滑之半橢圓形狀的一主要反射件16，該主要反射件16具有開口18及複數個開口22，開口18用於接收微波輻射以激發一光源20(本文將於下文中討論)，開口22用於接收空氣流動以冷卻光源20。光源20包含一燈(例如一模組化燈，諸如具有一微波供電燈泡(例如具有一實質上圓形橫截面的管狀燈泡)的一微波供電燈，該微波供電燈泡不具有電極或玻璃至金屬密封)。光源20放置於由主要反射件16形成的半橢圓之內部焦點。光源20及主要反射件16沿移動出頁面(未展示)之方向中的一軸線性延伸。一末端反射件對24(展示一者)相對主要反射件16之側面終止以形成一實質上半橢圓形反射性圓柱體。圖1至圖3之光遮蔽總成14包含具有一實質上光滑橢圓形狀的一次要反射件25。一次要末端反射件對26(展示一者)在該次要反射件25之相對側面終止以形成一實質上半橢圓形的反射性圓柱體。
在末端反射件26之圓形開口28中接納具有圓形橫截面之一工件管30。開口28之中心及工件管30之軸典型定位於由主要反射件16形成之半橢圓之外焦點(亦即，由次要反射件25形成之半橢圓之焦距)。工件管28及次要反射件25沿移出頁面(未展示)之一方向中的一軸線性延伸。
在操作中，由一射頻(RF)輻射源(諸如定位於輻照器12中的一磁控管(未展示))激發光源20中之氣體為一電漿狀態。光源20中的受激發氣體之原子返回至一較低能量狀態，藉此發射紫外線光(UV)。紫外線光射線38從光源20向所有方向輻射，撞擊主要反射件16、次要反射件25及末端反射件24、26之內表面。大多數紫外線光射線38朝工件管30之中心軸反射。光源20及反射件設計經最佳化以在定位於工件管30內之一工作產品表面(同樣向頁面外線性傳播)產生最大峰值光強度(燈輻照度)。
用於光源的微波供電、紫外線發射無電極燈具有若干缺點。微波供電紫外線發射無電極燈體積大、嘈雜且歸因於許多消耗部分而需要大規模製造及銷售基礎設施，因為一無電極燈之使用壽命相對短。至於當今光學器件，一無電極燈之聚焦光束寬度至多為大約1公分(相當於燈泡大小)，此導致未撞擊工作產品的大量光能量浪費。此外，由於電漿燈系統(有電極或無電極燈)中之熱因此亦浪費大量能量。由於燈通常含有少量水銀，因此其等造成環境處理危險。在當前操作中，當組裝並處置此類燈時用個人保護設備及繁冗的操作程序減輕人員之危險操作條件。
相應地，希望(但尚未提供)提供高峰值紫外線固化輻照器的有利於環境之有效固態光源。
藉由提供一種用於紫外線(UV)固化燈總成之紫外線發光二極體燈來解決上述問題並在此項技術中達成一技術性解決方案。將紫外線發射發光二極體陣列封裝在一起並沿經組態以聚焦紫外線輻射的至少一個光學組件(例如，折射性光學器件、反射性光學器件、適應性光學器件(adaptive optics)或超材料(metamaterials)長度配置以形成一紫外線發光二極體光學組件總成。可將該紫外線發光二極體光學組件總成製造為經模組化的。可端對端相接放置標準長度封裝以增加紫外線發光二極體光學組件總成之總輻照度。
一紫外線發光二極體燈總成可包括圍繞一工件管配置的複數個紫外線發光二極體光學組件總成，可從工件管可移除地***工件。可用一惰性氣體填充且可由石英或紫外線透明材料製成該工件管。可將一個或多個彎曲背部反射件放置於該工件管之另一側上，與該發光二極體總成相對。該彎曲背部反射件經組態以收集離開該工件管之紫外線光並將該光重新聚焦至該工件之另一側。該背部反射件之曲率決定該反射件與該工件管之間的工作距離。
可以一預封裝晶粒或裸晶粒形式提供紫外線發光二極體，該紫外線發光二極體於單一表面上線性組態或在多個表面上於各階處配置。對於多階層平台之情形，一下平台與至少一個上平台之間的側壁成角度或從該至少一個上平台向該下平台向內彎曲，使得該至少一個上平台與該下平台至少部分重疊。以此方式，與當上平台實質上垂直於下平台之情形相比該等晶粒更靠近彼此而配置。由於該等發光二極體晶粒更靠近彼此，因此來自該複數個發光二極體晶粒的組合輻照型樣已展示出超過習知線性配置大約每單位面積1.5倍之一功率增加。
在操作中，紫外線發光二極體晶粒發射具有一特定波長之紫外線輻射，此聚焦於一靜態或以一預定速度移動的工件(例如一光纖)上。一光學組件(例如一圓柱透鏡)將光線聚焦為實質上與該工件之幾何形狀匹配的一所要輻照型樣。
結合附圖考慮從下文呈現的一例示性實施例之詳細描述可更易於理解本發明，在該等附圖中相同參考符號指稱類似元件。
應理解附圖係出於闡釋本發明之概念之目的且並非按照比例。
圖4展示根據本發明之一實施例用於固化工作產品(例如光纖)之一紫外線發光二極體陣列總成之一幾何配置的一側視圖。將複數個紫外線發射發光二極體晶粒40封裝在一起成為一線性陣列42，發光二極體1至發光二極體N。紫外線發光二極體晶粒40可發射450奈米以下的一個或複數個光波長。
紫外線發光二極體晶粒40可與一個或多個光學組件44一起封裝。光學組件44例如可為(但不限於)折射性光學器件(例如透鏡、稜鏡等)、反射性光學器件(例如面鏡)、適應性光學器件(adaptive optics)、超材料(metamaterials)等。在一較佳實施例中，一個或多個光學組件44係一圓柱透鏡，其可以可移除地附接至紫外線發光二極體陣列42或貼附於紫外線發光二極體晶粒40以形成一紫外線發光二極體光學組件總成46。可將紫外線發光二極體光學組件總成46製成為模組化的，亦即每單位長度具有一特定長度及一特定數目之紫外線發光二極體晶粒40。可端對端相連放置標準長度封裝以增加紫外線發光二極體光學組件總成46之總輻照度。可由下文中關於圖6將討論的個別紫外線發光二極體晶粒40之間的間距控制沿紫外線發光二極體光學組件總成46之長度的輻照度均勻性。
在操作中，紫外線發光二極體晶粒40發射一特定波長之紫外線輻射，該紫外線輻射聚焦於以一預定速度移動的一工件48(例如一光纖)上。光學組件44將光線聚焦為實質上與工件48之橫截面(例如寬度)匹配的一所要輻照型樣。在一較佳實施例中，在工件48位置的聚焦光束寬度50在大約0.5毫米至1.0毫米之範圍內。
傳送至以大約40公尺/秒速度移動的輻照工件48之一典型能量密度為大約0.4焦耳/平方公分。對於約0.5毫米之一輻照型樣寬度，關係式80=PLED (W)XNLED 成立，PLED (W)為各個發光二極體晶粒之「有效」輸出功率而NLED 為總發光二極體晶粒數目。從光學組件44中心至工件48的工件距離D可取決光學組件44之焦距而變化，但較佳介於1公分與10公分之間。從半圓柱透鏡之中心至工件48之距離為距離 D，而從紫外線發光二極體晶粒40之前表面至半圓柱透鏡中心之距離為距離d。在一較佳實施例中，d<<D。
圖5A展示根據本發明之實施例具有一單一紫外線發光二極體陣列封裝及一單一背部反射件之一紫外線發光二極體燈總成的一俯視圖，而圖5B展示根據本發明之一實施例具有複數個紫外線發光二極體陣列封裝(展示3個)的一紫外線發光二極體燈總成。原則上，可圍繞一工件管62配置一個或多個發光二極體陣列封裝60，工件從工件管62可移除地***(工件移動至工件管62之軸的下頁)。可用一惰性氣體工件管填充工件管(亦即實質上無氧)。在一較佳實施例中，工件管62可由石英製成。熟習此項技術者將瞭解可用提供足夠光學透明度的一較便宜玻璃管代替工件管62。可相對發光二極體陣列封裝60放置一個或多個彎曲背部反射件64。在此實例中，彎曲背部反射件64之焦距與光學組件44之焦距相同，導致工件管62直接放置於反射件64與光學組件44之間。彎曲背部反射件64經組態以收集離開工件管62的紫外線光並將光重新聚焦至工件之另一側。發光二極體燈光學器件(亦即發光二極體陣列封裝60及/或彎曲背部反射件64)可具有補償歸因於工件管62之光折射的光學器件。
工件管62需要週期性移除及清潔，且因此不應以一固定方式併入發光二極體燈總成中。
根據本發明之實施例，圖6A展示一典型線性封裝配置之經封裝紫外線發光二極體晶粒，而圖6B展示層列封裝配置之紫外線發光二極體晶粒。可購得在一實質上透明封裝72中(例如諸如Nichia NC4U13xE之可購得裝置)的發光二極體晶粒70。可在一封裝72中包含不止一個二極體。或者裸晶粒可經購買並線性配置(圖6A)或層列方式配置於多階平台74上(圖6B)。
現參考圖6B，一矩形封裝72內或不包含矩形封裝72的一個別發光二極體晶粒70發射的輻照型樣可為朗伯(Lambertian)式(亦即一餘弦分佈)。當晶粒/二極體封裝72配置於多階上時，一下平台78與至少一個上平台80之間的側壁76成角度或從該至少一個上平台80朝該下平台78向內彎曲，使得該至少一個上平台80與該下平台78至少部分重疊。(側壁之精確形狀亦取決於個別二極體輸出輻照型樣。)以此方式，與上平台實質上垂直於下平台之情形相比，晶粒係配置成彼此更接近。由於發光二極體晶粒70更接近彼此，因此來自複數個發光二極體晶粒70的組合輻照型樣已展示出超過圖6A之習知線性配置大約每單位面積1.5倍之一功率增加。此外，層列組態的空間輻照度均勻性大於線性單階組態之空間輻照度均勻性。
層列多階平台74可具有用於二極體操作之適當電連接及熱管理，如圖6A中展示的標準平坦平台。
本發明具有勝於傳統微波供電燈的若干優點。發光二極體紫外線固化燈在其等壽命內提供較少的環境污染及較低操作成本。一發光二極體燈僅使用具有數千小時之一使用壽命的固態裝置(二極體)。一發光二極體燈與傳統微波供電燈相比實質無消耗部分。使用傳統光學器件，則來自發光二極體的全部發射光線可聚焦於一光纖的一小區域上(小於500微米)，而當今固化平台僅可將輸出光線聚焦於大約1公分(10,000微米)。因此，一紫外線發光二極體燈可提供比微波燈或弧光燈小得多的佔用面積且可經較佳組態以在待固化之一光纖之圓柱幾何形狀之周圍被固定。此外，發光二極體燈可經模組化為較小區段以容許客戶設計。此等最後兩點皆可在很大程度上減少散射光並因此在一工業環境中安全工作。
由於傳統紫外線發光二極體燈當前受限的單色光譜及低功率，因此其等歸因於抑制氧氣而典型經受不足的固化結果並希望最大的處理速度。然而，在本發明中，光纖塗層：(i)在一適度無氧環境中固化，(ii)具有小型基板，且(iii)主要依賴於用於固化的UVA(320奈米至390奈米)頻帶。因此本發明之全部光學輸出可聚焦於小纖維面積上以產生用於固化光纖之高處理速度所需要的大能量密度。可針對UVA頻帶(可用較高功率之發光二極體)進一步最佳化塗層化學性質。
在使用惰性(低氧內容)環境的應用中，可利用短工作距離。本文中概述的一紫外線發光二極體燈可用於固化管之內部(或外部)上的塗層，該管空間高度受限制且環境清淨氧氣以改良固化效能。歸因於當今二極體之可用性，對UVA頻帶高度靈敏之化學性質較佳，然而，由於技術改良(發光二極體波長變得較短且輸出功率增加)因此紫外線發光二極體燈可應用於一較寬範圍之化學性質及因此之更多應用。例如噴墨式印刷需要一近工作距離，但化學性質需要UVA及UVC(240奈米至250奈米)頻帶且清淨大基板減少氧氣抑制問題毫無吸引力。然而，在已進行紫外線發光二極體材料及裝置之明顯改進之後，具有UVA及UVC波長兩者的一發光二極體燈可在很大程度上減少此等障礙。
應理解例示性實施例僅為本發明之闡釋且可由熟習此項技術者在不脫離本發明之範疇的情況下發明上述實施例的各種變體。因此意欲在下列申請專利範圍及其等等效物範疇中包含所有此類變體。
10．．．裝置
12．．．輻照器
14．．．光遮蔽總成
16．．．主要反射件
18．．．開口
20．．．光源
22．．．開口
24．．．末端反射件
25．．．次要反射件
26．．．末端反射件
28．．．工件管
30．．．工件管
38．．．紫外線光射線
40．．．紫外線發光二極體晶粒
42．．．紫外線發光二極體陣列
44．．．光學組件
46．．．紫外線發光二極體光學組件總成
48．．．工件
50．．．聚焦光束寬度
60．．．陣列封裝
62．．．工件管
64．．．反射件
70．．．發光二極體晶粒
72．．．封裝
74．．．多階平台
76．．．側壁
78．．．下平台
80．．．上平台
d．．．距離
D．．．距離
圖1係一紫外線固化燈總成之一透視圖，其展示先前技術中的一輻照器及一光遮蔽總成；
圖2係圖1之燈總成的一部分橫截面圖，其展示一半橢圓主要反射件及具有圓形橫截面之一光源；
圖3係結合圖1之光遮蔽總成的燈總成之一部分橫截面內視圖，其展示與一次要反射件及末端反射件相配的一半橢圓主要反射件及具有圓形橫截面之一光源；
圖4展示根據本發明之一實施例用於固化工作產品之一紫外線發光二極體陣列總成之一幾何配置的一側視圖；
圖5A展示根據本發明之一實施例具有一單一紫外線發光二極體陣列封裝及一單一背部反射件的一紫外線發光二極體燈總成之一俯視圖；
圖5B展示根據本發明之一實施例具有複數個紫外線發光二極體陣列封裝的一紫外線發光二極體燈總成之一俯視圖；
圖6A展示根據本發明之一實施例的紫外線發光二極體晶粒之一線性封裝配置；及
圖6B展示根據本發明之一實施例的紫外線發光二極體晶粒之一平台上的一層列封裝配置。
40．．．紫外線發光二極體晶粒
42．．．紫外線發光二極體陣列
44．．．光學組件
46．．．紫外線發光二極體光學組件總成
48．．．工件
50．．．聚焦光束寬度
d．．．距離
D．．．距離

Claims (18)

  1. 一種用於固化一工作產品之固化燈總成，其包括：一工件管，其經組態以接收該工作產品；至少一個光學組件，其經配置以實質上平行於該工件管；及一陣列之發光二極體(LED)，其配置於具有至少兩階之一層列平台上，其中一第一發光二極體定位於該層列平台之一第一階上且一第二發光二極體定位於該層列平台之一第二階上，其中自該陣列之發光二極體發射的光由該至少一個光學組件聚焦於該工件管上以固化該工作產品，其中該層列平台之該第二階比該層列平台之該第一階更接近該光學組件，其中該層列平台之該第二階與該層列平台之該第一階至少部分重疊，使得與該層列平台之該第一階與該層列平台之該第二階不重疊之情形相比，該等第一與第二發光二極體被配置成彼此更靠近。
  2. 如請求項1之總成，其中連接該層列平台之該第一階及該層列平台之該第二階的該層列平台之一表面係平坦的。
  3. 如請求項1之總成，其中連接該層列平台之該第一階及該層列平台之該第二階的該層列平台之一表面係彎曲的。
  4. 如請求項1之總成，其進一步包含實質上平行於該工件 管及遠離該層列平台定位的一彎曲反射件，其中該彎曲反射件經組態以將從該陣列之發光二極體發射而遠離該工件管的光重新聚焦而實質上返回至該工件管上。
  5. 如請求項4之總成，其中該長形彎曲反射件之一曲率決定該長形彎曲反射件與該工件管間之一工作距離。
  6. 如請求項1之總成，其中該總成係模組化的。
  7. 如請求項1之總成，其中該陣列之發光二極體發射具有至少一種波長的紫外線(UV)光。
  8. 如請求項1之總成，其中該陣列之發光二極體之各者為一預封裝晶粒或裸晶粒。
  9. 如請求項1之總成，其中該陣列之發光二極體之各者以一朗伯(Lambertian)型樣發光。
  10. 如請求項1之總成，其中該陣列之發光二極體與該至少一個光學組件之間的一距離實質上小於該至少一個光學組件與該工件管之間的一距離。
  11. 如請求項1之總成，其中該至少一個光學組件為折射性光學器件、反射性光學器件、適應性光學器件(adaptive optics)及超材料(metamaterials)之一者。
  12. 如請求項11之總成，其中該至少一個光學組件為一透鏡。
  13. 如請求項1之總成，其中該透鏡形成一彎曲半圓柱體，具有接近該工件管之一平坦表面。
  14. 如請求項1之總成，其中該工件管實質上空心。
  15. 如請求項12之總成，其中該工件管對紫外線光實質上透 明。
  16. 如請求項13之總成，其中該工件管由石英製成。
  17. 如請求項12之總成，其中該工件管實質上用惰性氣體填充。
  18. 如請求項12之總成，其中該工件係可移除地***該工件管中。
TW099145644A 2009-12-23 2010-12-23 用於小型紫外線固化燈總成之紫外線發光二極體燈 TWI453356B (zh)

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