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Messung der Bestrahlungsstärke von UV-Hochleistungslichtquellen (UV-Strahlenhärtung)

App. 019

UV-Strahlung hoher Intensität kommt in einer Reihe von Anwendungen vor. Zum Beispiel werden UV-Lichtquellen mit hoher Leistung häufig für die UV-Härtung verwendet, was eine Reihe von Messproblemen mit sich bringt, die gelöst werden müssen.

Die UV-Härtung ist ein photochemischer Prozess, bei dem die Polymerisation eingeleitet wird, indem in das Material eingemischte Photoinitiatoren energiereiches UV-Licht absorbieren [1]. Die Steuerung der Exposition der Werkstücke im Bezug UV-Energie (Zeit und Intensität) ist bei den Aushärtungsprozessen, die häufig für Beschichtungen, Druck, Klebstoffe, Vergussmassen und Vergussmassen verwendet werden, von wesentlicher Bedeutung. Um die UV-Energie zu überwachen und einzustellen, muss die Bestrahlungsstärke so nah wie möglich an der Oberfläche der bestrahlten Teile gemessen werden, um dieselbe Exposition darzustellen. Eine erfolgreiche Aushärtung erfordert die richtige UV-Dosis bei den für das jeweilige Material geeigneten Wellenlängen. Die Dosis, die in J/cm² gemessen wird, ist das Produkt aus UV-Intensität und Belichtungszeit (W/cm² x Sekunden). Die UV-Intensität (Bestrahlungsstärke) wird von einem UV-Radiometer in W/cm² gemessen, kann aber auch direkt als Dosis in J/cm² angezeigt werden. Ein geeignetes Radiometer muss auch in einer Umgebung mit hohen Temperaturen einsetzbar sein oder die Möglichkeit bieten, Temperatureffekte zu korrigieren. Da solche Radiometer eine außergewöhnliche Leistung für solche Anwendungen mit hoher Intensität ermöglichen, wird die Technologie auch für UV-Lithografieanwendungen eingesetzt (siehe App. 038 UV Messgeräte für Mask Aligner (Lithografie)).

Es gibt zwei Haupttypen von UV-Lichtquellen, die zur Erzeugung der benötigten hochintensiven UV-Strahlung verwendet werden:

1. Hochleistungs-Gasentladungslampen (z. B. Mitteldruck-Quecksilberlampen):

Diese Gasentladungslampen erzeugen intensive UV-Strahlung durch Verdampfen des Quecksilbers zu einem Plasmagas mit extrem hoher Temperatur in einer versiegelten Quarzröhre, die ein Inertgasgemisch enthält. Die spektrale Zusammensetzung kann bis zu einem gewissen Grad durch Zugabe von Dotiermetallen wie Eisen oder Gallium verändert werden. Das emittierte Licht ist hinsichtlich seiner spektralen Spitzen aufgrund inneratomarer Übergänge mit definierten Energien sehr gut definiert. Neben der UV-Strahlung erzeugen Gasentladungslampen auch eine sehr hohe IR-Strahlung aus dem Quarzmantel der Lampe, die für die erfolgreiche Härtung von Materialien sowohl hilfreich als auch hinderlich sein kann.

2. Hochleistungs-UV-LEDs (z.B. bei 365 nm):

In den letzten Jahren geht der Trend eindeutig zum Einsatz von Hochleistungs-LEDs als Lichtquellen. Mit den neuesten Entwicklungen bieten sie steigende UV-Leistungen sowie die Vorteile des sofortigen Einschaltens und der daraus resultierenden Energieeffizienz. In Verbindung mit den Vorteilen der Stabilität und der Lebensdauer [2] sind LEDs inzwischen sehr wettbewerbsfähig und werden sich weiter verbessern. Allerdings müssen andere Themen wie die Wellenlängenstabilität aufgrund von Erwärmungseffekten berücksichtigt werden. Da die Absorption innerhalb des Aushärtungsmaterials ebenfalls eng mit der Wellenlänge der Bestrahlung zusammenhängt, können Abweichungen hier zu Veränderungen des Aushärtungsprozesses und seiner Dauer führen. Die Dosisüberwachung aufgrund von Lebensdauerbeschränkungen ist natürlich weiterhin eine wichtige Aufgabe. Wie bereits erwähnt, haben sich LEDs für UV-Anwendungen deutlich verbessert, aber die Alterung ist ein wesentlicher Effekt [3].

Eine wichtige Tatsache: Die Ausgangsintensität sowohl von Gasentladungslampen als auch von LEDs nimmt mit der Zeit ab. Um sicherzustellen, dass die erforderliche Dosis erreicht wird, sollte die Bestrahlungsstärke daher genau überwacht werden. Anhand dieser Informationen können die Prozesszeiten angepasst werden, um sicherzustellen, dass der UV-Härtungsprozess im Material abgeschlossen ist. Auch die Zeitpläne für den Lampenwechsel können auf der Grundlage solcher radiometrischen Messungen optimiert werden.

Daher müssen bei der Auswahl von Radiometern, die für die Messung von UV-Lichtquellen zur Strahlenhärtung unter Verwendung von Gasentladungslampen hoher Intensität sowie von LEDs geeignet sind, die folgenden Kriterien erfüllt werden:

  • Detektordesign für minimale Alterung und Drift bei intensiver UV- und Wärmestrahlung
  • Cosinus-Sichtfeld-Detektor (kleiner f2-Wert) für hohe Genauigkeit der Bestrahlungsstärke-Messungen
  • Flacher Detektor, der eine Anpassung der Messebene an die Oberfläche des Werkstücks ermöglicht
  • Spektrale Empfindlichkeit der Detektoren abgestimmt auf die spektrale Empfindlichkeit der Photoinitiatoren und das Emissionsspektrum der Gasentladungslampe sowie der LEDs
  • Einfache Handhabung des Messgerätes
  • Schutz des Anwenders vor dem Risiko intensiver UV- und Wärmestrahlung
  • Schneller Rekalibrierungsservice und rückführbare Kalibrierung mit Optionen für ISO 17025 Kalibrierung und Prüfung

Gigahertz-Optik bietet verschiedene Messlösungen für UV-Strahlenhärtung an, die diese Anforderungen erfüllen.

RCH-xxx Series: Hochtemperatur-Detektorserie für verschiedene Lichtquellen

Für radiometrische Messungen in W/cm² und J/cm² (integrale Messungen) sind die Messköpfe der RCH-xxx Series von Gigahertz Optik GmbH bestens geeignet. Das innovative Design dieser bewährten Messköpfe sorgt dafür, dass der empfindliche Photodetektor sowohl thermisch isoliert als auch vor dem hohen UV-Anteil geschützt ist. Mit diesem Konzept erfüllt die RCH-Serie seit vielen Jahren die hohen Anforderungen der Strahlenhärtung.

Cure-Met: Ein Durchlaufgerät für die Strahlenhärtungsmessung

Gigahertz-Optik hat sein Wissen für integrale Messungen auch in die Cure-Met, eine UV-Curing Disk als Durchlaufmesslösung, übertragen. Sie bietet die Möglichkeit, auf Förderbändern platziert zu werden, um größere Aushärtungsanlagen zu durchlaufen. Dabei zeichnet sie beim Durchlauf kontinuierlich Daten im internen Speicher auf, um ein lokales Bestrahlungsstärkeprofil zu erstellen.

BTS256-UV: Ein hochpräzises UV-Spektralradiometer, optimiert für UV-Härtung

Eine andere Lösung ist unsere BTS256-UV Serie von Spektroradiometern. Sie bietet nicht nur eine integrale Messung, sondern zusätzlich auch spektrale Details. Besonders bei LED-basierten Lichtquellen bietet dies neue Möglichkeiten, z.B. die Wellenlänge zu überwachen sowie ein Binning bei der Auswahl geeigneter LEDs durchzuführen.

Kalibrierung

Bei jeder Art von radiometrischer Bestrahlungsstärkemessung ist die Kalibrierung des Detektors ein sehr kritischer Parameter für die Genauigkeit des endgültigen Messergebnisses. Ein unterschätztes Thema bei integralen Messungen ist die spektrale Fehlanpassung und deren Korrektur, um verschiedene Lichtquellen mit hoher Genauigkeit bzw. geringer Messunsicherheit zu messen (siehe App. 020 Reduzierte Messunsicherheit für UV-Radiometer). Mit anderen Worten, eine geringe Kalibrierunsicherheit, der Sie vertrauen können, ist wichtig. In diesem Zusammenhang bieten wir Kalibrierungen aus unserem DAkkS ISO 17025 akkreditierten Kalibrier- und Prüflabor an. Das bedeutet, dass bei den Prozessen höchste Standards gemäß ISO 17025 angewendet werden, um die Zuverlässigkeit und Rückführbarkeit unserer Kalibrierungen zu gewährleisten. Alle Kalibrierungen sind direkt rückführbar auf die PTB, das deutsche NMI oder vergleichbare NMIs. Unser Kalibrierlabor deckt den Wellenlängenbereich von 200 nm - 2500 nm und eine Vielzahl von optischen Messgrößen ab.

Referenzen

[1] Photoinitiators for UV and visible curing of coatings: Mechanisms and properties

[2] Lifetime Analysis of Commercial 3 W UV-A LED

[3] Degradation of external quantum efficiency of AlGaN UV LEDs grown by hydride vapor phase epitaxy