Leuchtdiode oder Lampe

Welche Chancen hat die LED-UV-Technologie in der grafischen Industrie?

Grundlagen der LED-UV-Technik (Teil 1)

Im Vorfeld der Drupa und auch während der Düsseldorfer Messe erregte das Schlagwort LED-UV viel Aufmerksamkeit in der grafischen Branche. Besondere Beachtung fand dabei die vom japanischen Maschinenhersteller Ryobi angekündigte Präsentation eines LED-UV-Trockners für den Bogenoffsetdruck. Wie ist die UV-Härtung von Farben und Lacken mittels Leuchtdioden einzuschätzen? Die vollmundigen Werbeaussagen verschiedener Anbieter klingen vielversprechend. Neben niedrigem Energieverbrauch und geringem Verschleiß sowie kompakter Bauweise und Wegfall der Aufwärmzeit soll das Fehlen von Infrarot-Strahlung auch einen geringeren Kühlungsaufwand erfordern. Dem steht als wichtigste Einschränkung gegenüber, dass aktuell noch kein ausreichendes Angebot an geeigneten Druckfarben oder Lacken verfügbar ist. Mit dem vorliegenden Beitrag – der in seinem ersten Teil die technischen Grundlagen erläutert – soll näher auf diese junge Technologie eingegangen werden, die im Alltag vor allem aus dem Beleuchtungsbereich geläufig ist.

Dass Festkörper bei einer elektrischen Anregung Licht erzeugen können, wurde schon im Jahr 1907 von Henry Joseph Round an einem Siliciumcarbid-Kristall (SiC) beobachtet. Dieses Phänomen macht sich die LED-Technik zunutze. Dabei steht die Abkürzung LED für ‚Light Emitting Diode’. Als Diode wird ein elektrisches Bauelement bezeichnet, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt (Durchlassrichtung) und in der anderen Richtung wie ein Isolator wirkt (Sperrrichtung). Fließt durch eine Lumineszenzdiode Strom in Durchlassrichtung, so gibt sie Energie in Form von sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung ab.

Elektrischen Strom in Licht umwandeln

Leuchtdioden basieren auf Halbleiterverbindungen, die den Strom direkt in Licht umwandeln. Welche Wellenlänge die abgegebene Strahlung einer solchen lichtemittierenden Diode hat, ist vom Material und dessen energetischen Bandlücke abhängig, das für das elektronische Halbleiter-Bauelement zum Einsatz kommt. Um den jeweiligen Spektralbereich vom Infraroten bis in den UVA-Bereich abzudecken, finden Halbleitermaterialien wie Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP), Galliumphosphid (GaP), Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Galliumnitrid (GaN) Anwendung.

Da jede LED nur Licht eines eng begrenzten Spektralbereichs abstrahlen kann, lässt sich weißes Licht damit nicht auf direktem Weg erzeugen. In der Praxis sind zwei Möglichkeiten anzutreffen, um trotzdem eine weiß leuchtende LED zu erhalten. Zum einen können LEDs der Farben Rot, Grün und Blau zu weißem Licht zusammengesetzt werden. Oder eine blaue, bzw. UV-LED wird in eine Leuchtmittelschicht (Prinzip einer Neonröhre) eingebettet, die das kurzwellige Licht in weißes Licht umwandelt.

Elektronen auf Wanderschaft

Nachfolgend ist in kurzen Zügen beschrieben, wie eine zur Farb- bzw. Lackhärtung erforderliche UV-Strahlung mittels LED-Technologie erzielt wird. Die weiter oben aufgeführten Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau. In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannte Valenzband, das die Energie der gebundenen Elektronen der Atome repräsentiert und ein höheres Energieband, genannt das Leitungsband, das die Energie der im Kristall frei beweglichen Elektronen charakterisiert. Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energie groß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zu ionisieren. Es existiert daher eine geringe aber entscheidende Leitfähigkeit. Sie hat auch den Namen Halbleiter geprägt.

Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, so bewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es ein ionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch, trifft, mit dem es rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozess verliert es die Energie, die der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energie kann in Form eines Photons abgegeben werden und bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts. Leuchtdioden gehören somit in die Kategorie der Luminiszenzstrahler. Das trifft in gleicher Weise für traditionelle UV-Lampen zu.

Die Entladungslampen, die in der grafischen Industrie eingesetzt werden, sind vor allem Quecksilberdampflampen. Sie bestehen in der Regel aus einem Glasrohr, das mit Gas- oder Metalldampf gefüllt ist, und an dessen Rohrenden Elektroden angebracht sind. Wird an diesen Elektroden eine ausreichend große Spannung angelegt, so bewegen sich freie Elektronen zur Anode, wo sie weitere Atome anregen bzw. ionisieren. Dabei wird Energie im Atom gespeichert, die in Form von UV-Strahlung freigesetzt wird, wenn die Atome aus dem angeregten Zustand in die niedrigere Energiestufe zurückkehren. Das abgegebenen Spektrum der Entladungslampen lässt sich durch ein Anheben des Drucks bis hin zu einem Emissionskontinuum verbreitern.

Leuchtdioden erzeugen monochrome Strahlung

Im Gegensatz dazu steht bei LED’s nur ein sehr schmales Wellenlängenfenster zur Verfügung (siehe Abbildung 2). Auf genau dieses Spektrum müssen Farben oder andere Beschichtungsmedien exakt abgestimmt sein, wenn sie mit Hilfe von LED-UV-Strahlern härtbar sein sollen. Hierin ist der Hauptgrund zu sehen, warum bislang noch kein kommerziell vermarketes Produktprogramm mit geeigneten Druckfarben oder Lacken angeboten wird.

Gängige LED-Systeme für die UV-Härtung konzentrieren sich in der Praxis gegenwärtig auf die Wellenlängen 395 nm sowie 365 nm. Weitere mögliche Spektralbereiche sind 350 nm, 385 nm, 405 nm. In wissenschaftlichen Veröffentlichungen werden außerdem noch die Wellenlängen 210, 250 nm, 275 nm und 290 nm erwähnt.

Mit UV-Leuchtdioden lassen sich Leistungswerte von einigen Watt pro Quadratzentimeter erzielen, und der Wirkungsgrad liegt je nach LED-UV-System zwischen 1 und 20 %. Dabei kann die grobe Faustregel gelten: je kürzer die Wellenlänge, desto geringer der Wirkungsgrad. Die Wellenlänge hat auch Auswirkungen auf die Preise von LED-Produkten. Je kürzerwellig die Emission sein soll, je höher die Herstellkosten.

LED-UV ist für die Druckindustrie überwiegend Neuland

Die meisten praktischen Anwendungen betreffen das Spektrum des sichtbaren Lichts, z.B. Leuchten im Wohnbereich, Innen- und Außenbereich sowie für die Automobilindustrie. Ein Beispiel für den kommerziellen Einsatz von LED ist das Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik. Im Vergleich dazu werden für die meisten UV-Anwendungen in der Druckindustrie deutlich höhere Leistungen und eine großflächigere Ausleuchtung mit LED-UV benötigt. Das lässt sich erreichen, indem eine größere Menge an LEDs in hoher Dichte zu sogenannten Clustern zusammengepackt werden. Wie die zukünftige Entwicklung der LED-UV-Technologie speziell im grafischen Bereich aussehen könnte und welche Herausforderungen zu bewältigen sind, damit sie sich breite Anwendungsgebiete in der Druckindustrie erschließen kann, wird ein weiterer Artikelteil behandeln.

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