Đèn hơi thủy ngân, đèn điốt phát quang (LED) và đèn excimer là ba công nghệ đèn chiếu tia cực tím (UV) khác nhau. Mặc dù cả ba đều được sử dụng trong các quy trình quang trùng hợp khác nhau để liên kết chéo mực in, lớp phủ, chất kết dính và các sản phẩm ép đùn, nhưng cơ chế tạo ra năng lượng tia cực tím cũng như đặc điểm của phổ phát xạ tương ứng lại hoàn toàn khác nhau. Hiểu rõ những khác biệt này rất quan trọng trong việc phát triển ứng dụng và công thức, lựa chọn nguồn chiếu tia cực tím và tích hợp hệ thống.
Đèn hơi thủy ngân
Cả đèn hồ quang điện cực và đèn vi sóng không điện cực đều thuộc loại đèn hơi thủy ngân. Đèn hơi thủy ngân là một loại đèn phóng điện khí áp suất trung bình, trong đó một lượng nhỏ thủy ngân nguyên tố và khí trơ được hóa hơi thành plasma bên trong một ống thạch anh kín. Plasma là một loại khí ion hóa có nhiệt độ cực cao, có khả năng dẫn điện. Nó được tạo ra bằng cách đặt điện áp giữa hai điện cực bên trong đèn hồ quang hoặc bằng cách sử dụng vi sóng để làm nóng đèn không điện cực bên trong một buồng hoặc khoang có cấu tạo tương tự như lò vi sóng gia dụng. Sau khi hóa hơi, plasma thủy ngân phát ra ánh sáng phổ rộng trải dài từ tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy đến tia hồng ngoại.
Trong trường hợp đèn hồ quang điện, điện áp đặt vào sẽ cấp năng lượng cho ống thạch anh kín. Năng lượng này làm bay hơi thủy ngân thành plasma và giải phóng các electron từ các nguyên tử bị bay hơi. Một phần electron (-) di chuyển về phía điện cực vonfram dương (+) của đèn và đi vào mạch điện của hệ thống tia cực tím. Các nguyên tử thiếu electron mới này trở thành các cation dương (+) di chuyển về phía điện cực vonfram âm (-) của đèn. Khi di chuyển, các cation va chạm với các nguyên tử trung tính trong hỗn hợp khí. Va chạm này truyền electron từ các nguyên tử trung tính sang các cation. Khi các cation nhận thêm electron, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự chênh lệch năng lượng được giải phóng dưới dạng photon phát ra từ ống thạch anh. Nếu đèn được cấp điện phù hợp, làm mát đúng cách và hoạt động trong suốt tuổi thọ hữu ích, một nguồn cung cấp liên tục các cation (+) mới được tạo ra sẽ hướng về phía điện cực âm (-), va chạm với nhiều nguyên tử hơn và tạo ra sự phát xạ tia cực tím liên tục. Đèn vi sóng hoạt động theo cách tương tự, ngoại trừ việc sóng vi ba, còn được gọi là tần số vô tuyến (RF), thay thế mạch điện. Vì đèn vi sóng không có điện cực vonfram và chỉ đơn giản là một ống thạch anh kín chứa thủy ngân và khí trơ, nên chúng thường được gọi là đèn không điện cực.
Ánh sáng tia cực tím phát ra từ đèn hơi thủy ngân băng thông rộng hoặc phổ rộng bao gồm các bước sóng cực tím, ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, với tỷ lệ xấp xỉ bằng nhau. Phần tia cực tím bao gồm hỗn hợp các bước sóng UVC (200 đến 280 nm), UVB (280 đến 315 nm), UVA (315 đến 400 nm) và UVV (400 đến 450 nm). Đèn phát ra tia UVC ở bước sóng dưới 240 nm tạo ra ozone và cần có hệ thống hút khí hoặc lọc.
Phổ phát xạ của đèn hơi thủy ngân có thể được thay đổi bằng cách thêm một lượng nhỏ chất pha tạp, chẳng hạn như: sắt (Fe), gali (Ga), chì (Pb), thiếc (Sn), bismuth (Bi) hoặc indi (In). Các kim loại được thêm vào làm thay đổi thành phần của plasma và do đó, làm thay đổi năng lượng giải phóng khi các cation nhận electron. Đèn có thêm kim loại được gọi là đèn pha tạp, đèn phụ gia và đèn halogen kim loại. Hầu hết các loại mực, lớp phủ, chất kết dính và sản phẩm ép đùn được pha chế bằng tia UV đều được thiết kế để phù hợp với phổ phát xạ của đèn pha tạp thủy ngân (Hg) hoặc sắt (Fe) tiêu chuẩn. Đèn pha tạp sắt làm dịch chuyển một phần phổ phát xạ UV sang các bước sóng dài hơn, gần vùng nhìn thấy được, giúp xuyên thấu tốt hơn qua các công thức đặc, có nhiều sắc tố. Các công thức UV chứa titan dioxide có xu hướng đóng rắn tốt hơn với đèn pha tạp gali (GA). Điều này là do đèn gali làm dịch chuyển một phần đáng kể phổ phát xạ UV về phía các bước sóng dài hơn 380 nm. Vì các chất phụ gia titan dioxide thường không hấp thụ ánh sáng trên 380 nm, việc sử dụng đèn gallium với công thức màu trắng cho phép các chất khởi tạo quang hóa hấp thụ nhiều năng lượng tia cực tím hơn so với các chất phụ gia.
Các biểu đồ phổ cung cấp cho các nhà pha chế và người dùng cuối một hình ảnh trực quan về cách phân bố bức xạ của một thiết kế đèn cụ thể trên toàn phổ điện từ. Mặc dù thủy ngân hóa hơi và các kim loại phụ gia có đặc tính bức xạ xác định, nhưng hỗn hợp chính xác của các nguyên tố và khí trơ bên trong ống thạch anh cùng với cấu tạo đèn và thiết kế hệ thống sấy đều ảnh hưởng đến lượng bức xạ UV phát ra. Phổ bức xạ của một đèn không tích hợp được cấp điện và đo bởi nhà cung cấp đèn trong không gian mở sẽ khác với phổ bức xạ của một đèn được gắn trong đầu đèn với gương phản xạ và hệ thống làm mát được thiết kế phù hợp. Các biểu đồ phổ có sẵn từ các nhà cung cấp hệ thống UV và rất hữu ích trong việc phát triển công thức và lựa chọn đèn.
Biểu đồ phổ thông thường thể hiện cường độ bức xạ phổ trên trục y và bước sóng trên trục x. Cường độ bức xạ phổ có thể được hiển thị theo nhiều cách, bao gồm giá trị tuyệt đối (ví dụ: W/cm2/nm) hoặc các giá trị tùy ý, tương đối hoặc chuẩn hóa (không có đơn vị). Các biểu đồ thường hiển thị thông tin dưới dạng biểu đồ đường hoặc biểu đồ cột, trong đó đầu ra được nhóm thành các dải 10 nm. Biểu đồ đầu ra phổ của đèn hồ quang thủy ngân sau đây cho thấy cường độ bức xạ tương đối so với bước sóng đối với các hệ thống của GEW (Hình 1).
HÌNH 1 »Biểu đồ phổ phát xạ của thủy ngân và sắt.
"Lamp" là thuật ngữ được sử dụng để chỉ ống thạch anh phát tia cực tím ở châu Âu và châu Á, trong khi người Bắc và Nam Mỹ thường sử dụng cả hai thuật ngữ bóng đèn và đèn. Cả "lamp" và "lamp head" đều dùng để chỉ toàn bộ cụm thiết bị bao gồm ống thạch anh và tất cả các bộ phận cơ khí và điện khác.
Đèn hồ quang điện cực
Hệ thống đèn hồ quang điện cực bao gồm đầu đèn, quạt làm mát hoặc bộ làm lạnh, bộ nguồn và giao diện người-máy (HMI). Đầu đèn bao gồm bóng đèn, gương phản xạ, vỏ kim loại, cụm màn chắn và đôi khi là cửa sổ thạch anh hoặc lưới bảo vệ bằng dây. GEW lắp đặt các ống thạch anh, gương phản xạ và cơ cấu màn chắn bên trong các cụm hộp chứa có thể dễ dàng tháo rời khỏi vỏ ngoài của đầu đèn. Việc tháo rời cụm hộp chứa của GEW thường được thực hiện trong vài giây bằng một cờ lê lục giác. Do công suất tia cực tím, kích thước và hình dạng tổng thể của đầu đèn, các tính năng của hệ thống và nhu cầu thiết bị phụ trợ khác nhau tùy theo ứng dụng và thị trường, nên hệ thống đèn hồ quang điện cực thường được thiết kế cho một loại ứng dụng nhất định hoặc các loại máy tương tự.
Đèn hơi thủy ngân phát ra ánh sáng 360° từ ống thạch anh. Hệ thống đèn hồ quang sử dụng các gương phản xạ đặt ở hai bên và phía sau đèn để thu và tập trung nhiều ánh sáng hơn vào một khoảng cách nhất định phía trước đầu đèn. Khoảng cách này được gọi là tiêu điểm và là nơi cường độ chiếu xạ lớn nhất. Đèn hồ quang thường phát ra cường độ từ 5 đến 12 W/cm2 tại tiêu điểm. Vì khoảng 70% lượng tia cực tím phát ra từ đầu đèn đến từ gương phản xạ, nên việc giữ cho gương phản xạ sạch sẽ và thay thế chúng định kỳ là rất quan trọng. Không vệ sinh hoặc thay thế gương phản xạ là một nguyên nhân phổ biến dẫn đến hiệu quả đóng rắn không đủ.
Trong hơn 30 năm, GEW đã không ngừng cải tiến hiệu quả của các hệ thống sấy, tùy chỉnh các tính năng và công suất để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng và thị trường cụ thể, đồng thời phát triển một danh mục lớn các phụ kiện tích hợp. Kết quả là, các sản phẩm thương mại hiện nay của GEW tích hợp thiết kế vỏ nhỏ gọn, gương phản xạ được tối ưu hóa để tăng khả năng phản xạ tia cực tím và giảm tia hồng ngoại, cơ chế cửa chớp tích hợp hoạt động êm ái, tấm chắn và khe dẫn màng, hệ thống cấp màng kiểu vỏ sò, khí trơ nitơ, đầu sấy áp suất dương, giao diện người vận hành màn hình cảm ứng, nguồn điện bán dẫn, hiệu suất hoạt động cao hơn, giám sát công suất tia cực tím và giám sát hệ thống từ xa.
Khi đèn điện cực áp suất trung bình hoạt động, nhiệt độ bề mặt thạch anh nằm trong khoảng từ 600 °C đến 800 °C, và nhiệt độ plasma bên trong lên đến vài nghìn độ C. Luồng khí cưỡng bức là phương pháp chính để duy trì nhiệt độ hoạt động chính xác của đèn và loại bỏ một phần năng lượng hồng ngoại bức xạ. GEW cung cấp luồng khí này theo hướng âm; điều này có nghĩa là không khí được hút qua vỏ máy, dọc theo gương phản xạ và đèn, rồi được thải ra ngoài cụm đèn và ra xa khỏi máy hoặc bề mặt cần xử lý. Một số hệ thống GEW, chẳng hạn như E4C, sử dụng làm mát bằng chất lỏng, cho phép tạo ra lượng tia UV lớn hơn một chút và giảm kích thước tổng thể của đầu đèn.
Đèn hồ quang điện cực có chu kỳ khởi động và làm nguội. Đèn được kích hoạt với quá trình làm nguội tối thiểu. Điều này cho phép plasma thủy ngân đạt đến nhiệt độ hoạt động mong muốn, tạo ra các electron và cation tự do, và cho phép dòng điện chạy qua. Khi đầu đèn tắt, quá trình làm nguội tiếp tục diễn ra trong vài phút để làm nguội đều ống thạch anh. Đèn quá nóng sẽ không thể kích hoạt lại và phải tiếp tục làm nguội. Độ dài của chu kỳ khởi động và làm nguội, cũng như sự xuống cấp của các điện cực trong mỗi lần kích hoạt điện áp là lý do tại sao các cơ cấu màn chắn khí nén luôn được tích hợp vào các cụm đèn hồ quang điện cực GEW. Hình 2 cho thấy đèn hồ quang điện cực làm mát bằng không khí (E2C) và làm mát bằng chất lỏng (E4C).
HÌNH 2 »Đèn hồ quang điện cực làm mát bằng chất lỏng (E4C) và làm mát bằng không khí (E2C).
Đèn LED UV
Chất bán dẫn là vật liệu rắn, tinh thể, có khả năng dẫn điện ở mức độ nhất định. Dòng điện chạy qua chất bán dẫn tốt hơn chất cách điện, nhưng không tốt bằng chất dẫn điện kim loại. Các chất bán dẫn tự nhiên nhưng kém hiệu quả bao gồm các nguyên tố silic, germani và selen. Các chất bán dẫn được chế tạo tổng hợp, được thiết kế để đạt hiệu suất và sản lượng cao, là các vật liệu phức hợp với các tạp chất được đưa vào cấu trúc tinh thể một cách chính xác. Trong trường hợp đèn LED tia cực tím (UV), nhôm gali nitrua (AlGaN) là một vật liệu thường được sử dụng.
Bán dẫn là thành phần cơ bản của điện tử hiện đại và được chế tạo để tạo thành bóng bán dẫn, điốt, điốt phát quang và vi xử lý. Các thiết bị bán dẫn được tích hợp vào mạch điện và gắn bên trong các sản phẩm như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng, thiết bị gia dụng, máy bay, ô tô, điều khiển từ xa và thậm chí cả đồ chơi trẻ em. Những linh kiện nhỏ bé nhưng mạnh mẽ này giúp các sản phẩm hàng ngày hoạt động, đồng thời cho phép các sản phẩm trở nên nhỏ gọn, mỏng hơn, nhẹ hơn và giá cả phải chăng hơn.
Trong trường hợp đặc biệt của đèn LED, các vật liệu bán dẫn được thiết kế và chế tạo chính xác sẽ phát ra các dải bước sóng ánh sáng tương đối hẹp khi được kết nối với nguồn điện một chiều. Ánh sáng chỉ được tạo ra khi dòng điện chạy từ cực dương (+) đến cực âm (-) của mỗi đèn LED. Vì đầu ra của đèn LED có thể được điều khiển nhanh chóng và dễ dàng, đồng thời gần như đơn sắc, nên đèn LED rất lý tưởng để sử dụng làm: đèn báo hiệu; tín hiệu truyền thông hồng ngoại; đèn nền cho TV, máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh; biển báo điện tử, bảng quảng cáo và màn hình lớn; và xử lý bằng tia cực tím.
Đèn LED là một mối nối dương-âm (mối nối pn). Điều này có nghĩa là một phần của đèn LED mang điện tích dương và được gọi là cực dương (+), phần còn lại mang điện tích âm và được gọi là cực âm (-). Mặc dù cả hai phía đều dẫn điện tương đối tốt, nhưng ranh giới giữa hai phía, được gọi là vùng suy giảm, lại không dẫn điện. Khi cực dương (+) của nguồn điện một chiều (DC) được nối với cực dương (+) của đèn LED, và cực âm (-) của nguồn được nối với cực âm (-), các electron mang điện tích âm ở cực âm và các lỗ trống electron mang điện tích dương ở cực dương bị nguồn điện đẩy về phía vùng suy giảm. Đây là một điện áp thuận, và nó có tác dụng vượt qua ranh giới không dẫn điện. Kết quả là các electron tự do trong vùng loại n sẽ vượt qua và lấp đầy các lỗ trống trong vùng loại p. Khi các electron chảy qua ranh giới, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn. Sự giảm năng lượng tương ứng được giải phóng từ chất bán dẫn dưới dạng các photon ánh sáng.
Các vật liệu và chất pha tạp tạo nên cấu trúc tinh thể LED quyết định quang phổ phát ra. Hiện nay, các nguồn LED dùng để sấy khô thương mại có quang phổ tia cực tím tập trung ở các bước sóng 365, 385, 395 và 405 nm, dung sai điển hình là ±5 nm và phân bố quang phổ Gaussian. Cường độ quang phổ cực đại (W/cm2/nm) càng lớn, đỉnh của đường cong hình chuông càng cao. Mặc dù việc phát triển UVC đang được tiến hành trong khoảng từ 275 đến 285 nm, nhưng quang phổ đầu ra, tuổi thọ, độ tin cậy và chi phí vẫn chưa khả thi về mặt thương mại đối với các hệ thống và ứng dụng sấy khô.
Do công suất phát xạ của đèn LED UV hiện chỉ giới hạn ở các bước sóng UVA dài hơn, nên hệ thống sấy bằng đèn LED UV không phát ra phổ rộng đặc trưng của đèn hơi thủy ngân áp suất trung bình. Điều này có nghĩa là hệ thống sấy bằng đèn LED UV không phát ra tia UVC, UVB, hầu hết ánh sáng nhìn thấy được và các bước sóng hồng ngoại sinh nhiệt. Mặc dù điều này cho phép hệ thống sấy bằng đèn LED UV được sử dụng trong các ứng dụng nhạy cảm với nhiệt hơn, nhưng các loại mực, lớp phủ và chất kết dính hiện có được pha chế cho đèn hơi thủy ngân áp suất trung bình phải được điều chỉnh lại công thức cho hệ thống sấy bằng đèn LED UV. May mắn thay, các nhà cung cấp hóa chất đang ngày càng thiết kế các sản phẩm có khả năng sấy kép. Điều này có nghĩa là công thức sấy kép được thiết kế để sấy bằng đèn LED UV cũng có thể sấy bằng đèn hơi thủy ngân (Hình 3).
HÌNH 3 »Biểu đồ phổ phát xạ của đèn LED.
Hệ thống chiếu sáng UV-LED của GEW phát ra công suất lên đến 30 W/cm2 tại cửa sổ phát sáng. Khác với đèn hồ quang điện cực, hệ thống chiếu sáng UV-LED không tích hợp gương phản xạ để tập trung tia sáng. Do đó, cường độ chiếu sáng cực đại của UV-LED xảy ra gần cửa sổ phát sáng. Các tia UV-LED phát ra sẽ phân tán khi khoảng cách giữa đầu đèn và bề mặt cần xử lý tăng lên. Điều này làm giảm sự tập trung ánh sáng và cường độ chiếu sáng đến bề mặt cần xử lý. Mặc dù cường độ chiếu sáng cực đại rất quan trọng đối với quá trình liên kết ngang, nhưng cường độ chiếu sáng càng cao không phải lúc nào cũng có lợi và thậm chí có thể ức chế mật độ liên kết ngang cao hơn. Bước sóng (nm), cường độ chiếu sáng (W/cm2) và mật độ năng lượng (J/cm2) đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý, và tác động tổng thể của chúng đến quá trình xử lý cần được hiểu rõ trong quá trình lựa chọn nguồn UV-LED.
Đèn LED là nguồn sáng Lambertian. Nói cách khác, mỗi đèn LED UV phát ra ánh sáng đồng đều trên toàn bộ bán cầu 360° x 180°. Nhiều đèn LED UV, mỗi đèn có kích thước khoảng một milimét vuông, được sắp xếp thành một hàng, một ma trận các hàng và cột, hoặc một số cấu hình khác. Các cụm nhỏ này, được gọi là mô-đun hoặc mảng, được thiết kế với khoảng cách giữa các đèn LED để đảm bảo sự hòa trộn ánh sáng qua các khoảng trống và tạo điều kiện làm mát cho diode. Nhiều mô-đun hoặc mảng sau đó được sắp xếp thành các cụm lớn hơn để tạo thành các hệ thống sấy khô bằng tia UV với nhiều kích thước khác nhau (Hình 4 và 5). Các thành phần bổ sung cần thiết để xây dựng một hệ thống sấy khô bằng đèn LED UV bao gồm bộ tản nhiệt, cửa sổ phát sáng, bộ điều khiển điện tử, nguồn điện DC, hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoặc máy làm lạnh, và giao diện người máy (HMI).
HÌNH 4 »Hệ thống LeoLED dành cho web.
HÌNH 5 »Hệ thống LeoLED dành cho các hệ thống chiếu sáng đa đèn tốc độ cao.
Vì hệ thống sấy bằng đèn LED UV không phát ra bước sóng hồng ngoại, chúng truyền ít năng lượng nhiệt đến bề mặt cần sấy hơn so với đèn hơi thủy ngân, nhưng điều này không có nghĩa là đèn LED UV nên được coi là công nghệ sấy nguội. Hệ thống sấy bằng đèn LED UV có thể phát ra cường độ bức xạ cực cao, và bước sóng tia cực tím là một dạng năng lượng. Bất kỳ năng lượng nào không được hấp thụ bởi chất hóa học sẽ làm nóng bộ phận hoặc chất nền bên dưới cũng như các bộ phận máy xung quanh.
Đèn LED UV cũng là các linh kiện điện tử có những điểm không hiệu quả do thiết kế và chế tạo chất bán dẫn thô cũng như các phương pháp sản xuất và các linh kiện được sử dụng để đóng gói đèn LED vào bộ phận xử lý lớn hơn. Trong khi nhiệt độ của ống thạch anh hơi thủy ngân phải được giữ ở mức từ 600 đến 800 °C trong quá trình hoạt động, nhiệt độ mối nối pn của LED phải duy trì dưới 120 °C. Chỉ có 35-50% điện năng cung cấp cho mảng LED UV được chuyển đổi thành tia cực tím (phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng). Phần còn lại được chuyển hóa thành nhiệt lượng cần được loại bỏ để duy trì nhiệt độ mối nối mong muốn và đảm bảo cường độ chiếu xạ, mật độ năng lượng và độ đồng nhất của hệ thống theo yêu cầu, cũng như tuổi thọ cao. LED vốn là các thiết bị bán dẫn có tuổi thọ cao, và việc tích hợp LED vào các cụm lớn hơn với hệ thống làm mát được thiết kế và bảo trì đúng cách là rất quan trọng để đạt được các thông số kỹ thuật về tuổi thọ cao. Không phải tất cả các hệ thống xử lý UV đều giống nhau, và các hệ thống xử lý LED UV được thiết kế và làm mát không đúng cách có khả năng quá nhiệt và hỏng hóc nghiêm trọng cao hơn.
Đèn lai Arc/LED
Trong bất kỳ thị trường nào mà công nghệ hoàn toàn mới được giới thiệu để thay thế công nghệ hiện có, đều có thể xuất hiện sự e ngại về việc áp dụng cũng như sự hoài nghi về hiệu suất. Người dùng tiềm năng thường trì hoãn việc áp dụng cho đến khi có một cơ sở người dùng ổn định, các nghiên cứu điển hình được công bố, các lời chứng thực tích cực bắt đầu lan truyền rộng rãi và/hoặc họ có được kinh nghiệm trực tiếp hoặc tham khảo từ các cá nhân và công ty mà họ biết và tin tưởng. Bằng chứng xác thực thường được yêu cầu trước khi toàn bộ thị trường hoàn toàn từ bỏ cái cũ và chuyển đổi hoàn toàn sang cái mới. Điều đáng nói là các câu chuyện thành công thường được giữ bí mật chặt chẽ vì những người tiên phong không muốn đối thủ cạnh tranh đạt được những lợi ích tương tự. Kết quả là, cả những câu chuyện có thật và những câu chuyện phóng đại về sự thất vọng đôi khi có thể lan truyền khắp thị trường, che giấu những ưu điểm thực sự của công nghệ mới và tiếp tục trì hoãn việc áp dụng.
Trong suốt lịch sử, và như một giải pháp thay thế cho sự miễn cưỡng trong việc áp dụng, các thiết kế lai thường được đón nhận như một cầu nối chuyển tiếp giữa công nghệ hiện có và công nghệ mới. Hệ thống lai cho phép người dùng tự tin hơn và tự quyết định cách thức và thời điểm sử dụng các sản phẩm hoặc phương pháp mới, mà không làm giảm khả năng hiện có. Trong trường hợp sấy bằng tia cực tím, hệ thống lai cho phép người dùng nhanh chóng và dễ dàng chuyển đổi giữa đèn hơi thủy ngân và công nghệ LED. Đối với các dây chuyền có nhiều trạm sấy, hệ thống lai cho phép máy in hoạt động hoàn toàn bằng đèn LED, hoàn toàn bằng đèn hơi thủy ngân, hoặc bất kỳ sự kết hợp nào giữa hai công nghệ này tùy thuộc vào yêu cầu của từng công việc.
GEW cung cấp hệ thống lai hồ quang/LED cho các nhà sản xuất bao bì dạng cuộn. Giải pháp này được phát triển cho thị trường lớn nhất của GEW, bao bì nhãn dạng cuộn hẹp, nhưng thiết kế lai này cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng dạng cuộn và không dạng cuộn khác (Hình 6). Hệ thống hồ quang/LED tích hợp một vỏ đầu đèn chung có thể chứa cả hộp đèn hơi thủy ngân hoặc đèn LED. Cả hai loại hộp đèn đều hoạt động bằng một hệ thống nguồn và điều khiển chung. Trí thông minh bên trong hệ thống cho phép phân biệt giữa các loại hộp đèn và tự động cung cấp nguồn điện, làm mát và giao diện người vận hành phù hợp. Việc tháo hoặc lắp đặt hộp đèn hơi thủy ngân hoặc đèn LED của GEW thường được thực hiện trong vài giây chỉ bằng một chiếc cờ lê lục giác.
HÌNH 6 »Hệ thống đèn LED/Arc dành cho web.
Đèn Excimer
Đèn excimer là một loại đèn phóng điện khí phát ra năng lượng tia cực tím gần như đơn sắc. Mặc dù đèn excimer có nhiều bước sóng khác nhau, nhưng các bước sóng phát ra tia cực tím phổ biến tập trung ở 172, 222, 308 và 351 nm. Đèn excimer 172 nm nằm trong dải tia cực tím chân không (100 đến 200 nm), trong khi 222 nm chỉ phát ra tia UVC (200 đến 280 nm). Đèn excimer 308 nm phát ra tia UVB (280 đến 315 nm), và 351 nm hoàn toàn là tia UVA (315 đến 400 nm).
Tia cực tím chân không (UV) có bước sóng 172 nm ngắn hơn và chứa nhiều năng lượng hơn so với UVC; tuy nhiên, chúng khó xuyên sâu vào các chất. Trên thực tế, bước sóng 172 nm bị hấp thụ hoàn toàn trong phạm vi từ 10 đến 200 nm trên cùng của các chất được xử lý bằng tia UV. Do đó, đèn excimer 172 nm chỉ có thể tạo liên kết chéo trên bề mặt ngoài cùng của các chất được xử lý bằng tia UV và phải được tích hợp cùng với các thiết bị đóng rắn khác. Vì bước sóng tia cực tím chân không cũng bị không khí hấp thụ, nên đèn excimer 172 nm phải được vận hành trong môi trường khí nitơ trơ.
Hầu hết các đèn excimer bao gồm một ống thạch anh đóng vai trò như một lớp chắn điện môi. Ống này được chứa đầy các khí hiếm có khả năng tạo thành các phân tử excimer hoặc exciplex (Hình 7). Các loại khí khác nhau tạo ra các phân tử khác nhau, và các phân tử bị kích thích khác nhau sẽ quyết định bước sóng nào được phát ra bởi đèn. Một điện cực cao áp chạy dọc theo chiều dài bên trong của ống thạch anh, và các điện cực nối đất chạy dọc theo chiều dài bên ngoài. Điện áp được xung vào đèn ở tần số cao. Điều này làm cho các electron chảy bên trong điện cực và phóng điện qua hỗn hợp khí về phía các điện cực nối đất bên ngoài. Hiện tượng khoa học này được gọi là phóng điện rào cản điện môi (DBD). Khi các electron di chuyển qua khí, chúng tương tác với các nguyên tử và tạo ra các loài được kích thích hoặc ion hóa tạo ra các phân tử excimer hoặc exciplex. Các phân tử excimer và exciplex có tuổi thọ cực kỳ ngắn, và khi chúng phân hủy từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, các photon có phân bố gần như đơn sắc được phát ra.
HÌNH 7 »Đèn Excimer
Không giống như đèn hơi thủy ngân, bề mặt ống thạch anh của đèn excimer không bị nóng. Do đó, hầu hết các đèn excimer hoạt động mà không cần hoặc chỉ cần rất ít làm mát. Trong một số trường hợp khác, cần một mức độ làm mát thấp, thường được cung cấp bởi khí nitơ. Nhờ tính ổn định nhiệt của đèn, đèn excimer bật/tắt tức thì và không cần chu kỳ làm nóng hoặc làm nguội.
Khi đèn excimer phát xạ ở bước sóng 172 nm được tích hợp kết hợp với cả hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED UVA bán đơn sắc và đèn hơi thủy ngân băng thông rộng, hiệu ứng làm mờ bề mặt sẽ được tạo ra. Đèn LED UVA được sử dụng đầu tiên để làm đông đặc hóa chất. Sau đó, đèn excimer bán đơn sắc được sử dụng để trùng hợp bề mặt, và cuối cùng đèn thủy ngân băng thông rộng liên kết chéo phần còn lại của hóa chất. Phổ phát xạ độc đáo của ba công nghệ được áp dụng ở các giai đoạn riêng biệt mang lại hiệu ứng làm cứng bề mặt quang học và chức năng có lợi mà không thể đạt được chỉ với một trong các nguồn tia UV riêng lẻ.
Các bước sóng excimer 172 và 222 nm cũng có hiệu quả trong việc tiêu diệt các chất hữu cơ nguy hiểm và vi khuẩn có hại, điều này làm cho đèn excimer trở nên thiết thực cho việc làm sạch bề mặt, khử trùng và xử lý năng lượng bề mặt.
Tuổi thọ bóng đèn
Về tuổi thọ bóng đèn, đèn hồ quang của GEW thường có tuổi thọ lên đến 2.000 giờ. Tuy nhiên, tuổi thọ bóng đèn không phải là tuyệt đối, vì lượng tia UV phát ra sẽ giảm dần theo thời gian và bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Thiết kế và chất lượng của đèn, cũng như điều kiện hoạt động của hệ thống UV và khả năng phản ứng của dung dịch đều quan trọng. Hệ thống UV được thiết kế đúng cách sẽ đảm bảo cung cấp công suất và khả năng làm mát cần thiết cho từng loại đèn (bóng đèn) cụ thể.
Đèn (bóng đèn) do GEW cung cấp luôn có tuổi thọ cao nhất khi được sử dụng trong hệ thống sấy khô của GEW. Các nguồn cung cấp thứ cấp thường sao chép đèn từ mẫu, và các bản sao có thể không có cùng đầu nối, đường kính thạch anh, hàm lượng thủy ngân hoặc hỗn hợp khí, tất cả đều có thể ảnh hưởng đến lượng tia UV phát ra và lượng nhiệt sinh ra. Khi lượng nhiệt sinh ra không được cân bằng với khả năng làm mát của hệ thống, đèn sẽ bị ảnh hưởng cả về hiệu suất và tuổi thọ. Đèn hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn sẽ phát ra ít tia UV hơn. Đèn hoạt động ở nhiệt độ cao hơn sẽ không bền lâu và bị biến dạng ở nhiệt độ bề mặt cao.
Tuổi thọ của đèn hồ quang điện cực bị giới hạn bởi nhiệt độ hoạt động của đèn, số giờ hoạt động và số lần khởi động hoặc đánh lửa. Mỗi lần đèn bị đánh lửa bằng hồ quang điện cao áp trong quá trình khởi động, một phần điện cực vonfram sẽ bị mòn. Cuối cùng, đèn sẽ không thể đánh lửa lại được nữa. Đèn hồ quang điện cực tích hợp cơ chế màn chắn, khi được kích hoạt, sẽ chặn tia cực tím phát ra thay vì phải liên tục bật tắt nguồn đèn. Các loại mực, lớp phủ và chất kết dính có tính phản ứng cao hơn có thể giúp kéo dài tuổi thọ đèn; trong khi đó, các công thức có tính phản ứng thấp hơn có thể yêu cầu thay đèn thường xuyên hơn.
Hệ thống đèn LED UV vốn dĩ có tuổi thọ cao hơn so với đèn thông thường, nhưng tuổi thọ của đèn LED UV cũng không phải là tuyệt đối. Giống như đèn thông thường, đèn LED UV cũng có giới hạn về mức độ hoạt động và thường phải hoạt động ở nhiệt độ mối nối dưới 120 °C. Việc vận hành quá tải và làm mát không đủ sẽ làm giảm tuổi thọ, dẫn đến sự xuống cấp nhanh hơn hoặc hỏng hóc nghiêm trọng. Không phải tất cả các nhà cung cấp hệ thống đèn LED UV hiện nay đều cung cấp các thiết kế đáp ứng tuổi thọ cao nhất được quy định là hơn 20.000 giờ. Các hệ thống được thiết kế và bảo trì tốt hơn sẽ hoạt động được hơn 20.000 giờ, còn các hệ thống kém chất lượng hơn sẽ hỏng trong thời gian ngắn hơn nhiều. Tin tốt là các thiết kế hệ thống LED tiếp tục được cải thiện và có tuổi thọ cao hơn với mỗi lần nâng cấp thiết kế.
Ozon
Khi các tia UVC có bước sóng ngắn hơn tác động lên các phân tử oxy (O2), chúng khiến các phân tử oxy (O2) tách thành hai nguyên tử oxy (O). Các nguyên tử oxy tự do (O) sau đó va chạm với các phân tử oxy khác (O2) và tạo thành ozon (O3). Vì trioxy (O3) kém bền hơn dioxy (O2) ở mặt đất, ozon dễ dàng chuyển hóa trở lại thành một phân tử oxy (O2) và một nguyên tử oxy (O) khi nó trôi nổi trong không khí. Các nguyên tử oxy tự do (O) sau đó kết hợp lại với nhau trong hệ thống khí thải để tạo ra các phân tử oxy (O2).
Đối với các ứng dụng sấy khô bằng tia cực tím trong công nghiệp, ozone (O3) được tạo ra khi oxy trong khí quyển tương tác với các bước sóng tia cực tím dưới 240 nm. Các nguồn sấy khô bằng hơi thủy ngân băng thông rộng phát ra tia UVC trong khoảng từ 200 đến 280 nm, trùng lặp một phần với vùng tạo ozone, và đèn excimer phát ra tia cực tím chân không ở 172 nm hoặc tia UVC ở 222 nm. Ozone được tạo ra bởi đèn sấy khô bằng hơi thủy ngân và đèn excimer không ổn định và không phải là mối lo ngại đáng kể về môi trường, nhưng cần phải loại bỏ nó khỏi khu vực xung quanh người lao động vì nó gây kích ứng đường hô hấp và độc hại ở nồng độ cao. Vì các hệ thống sấy khô bằng đèn LED UV thương mại phát ra tia UVA trong khoảng từ 365 đến 405 nm, nên ozone không được tạo ra.
Ozone có mùi tương tự như mùi kim loại, dây điện cháy, clo và tia lửa điện. Khứu giác của con người có thể phát hiện ozone ở nồng độ thấp tới 0,01 đến 0,03 phần triệu (ppm). Mặc dù nồng độ này thay đổi tùy thuộc vào từng người và mức độ hoạt động, nhưng nồng độ lớn hơn 0,4 ppm có thể dẫn đến các tác dụng phụ về hô hấp và đau đầu. Cần lắp đặt hệ thống thông gió thích hợp trên các dây chuyền sấy khô bằng tia cực tím để hạn chế sự tiếp xúc của người lao động với ozone.
Các hệ thống sấy bằng tia cực tím thường được thiết kế để thu gom khí thải khi nó thoát ra khỏi đầu đèn, sau đó dẫn khí thải ra xa người vận hành và ra ngoài tòa nhà, nơi nó tự phân hủy trong điều kiện có oxy và ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, đèn không tạo ozone còn tích hợp thêm chất phụ gia thạch anh giúp ngăn chặn các bước sóng tạo ozone, và các cơ sở muốn tránh việc dẫn ống hoặc khoét lỗ trên mái nhà thường sử dụng bộ lọc ở đầu ra của quạt hút.
Thời gian đăng bài: 19/06/2024
