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Alterung von UV-Lampen und UV-LEDs

Die Messung der Bestrahlungsstärke von UV-Hochleistungslichtquellen ist für UV-Strahlenhärtungsprozesse essenziell, da diese eine präzise Dosiskontrolle erfordern. Die UV-Härtung nutzt UV-Licht zur Polymerisation durch Photoinitiatoren in Materialien, wobei die Exposition entscheidend ist. Es werden UV-Radiometer verwendet, um die UV-Intensität und Dosis (J/cm²) genau zu messen, wobei die Detektoren eine hohe spektrale Empfindlichkeit aufweisen müssen, um den Anforderungen gerecht zu werden.

Lichtquellentypen zur Erzeugung der UV-Strahlung:

  1. Hochleistungs-Gasentladungslampen: Diese Lampen produzieren eine starke UV-Strahlung durch hochtemperaturverdampftes Quecksilber in einer Quarzröhre, mit der Möglichkeit, durch Dotierungsmetalle die spektrale Emission anzupassen.
  2. Hochleistungs-UV-LEDs: Sie bieten Vorteile wie Energieeffizienz, sofortige Einsatzbereitschaft und lange Lebensdauer, allerdings müssen Temperaturabhängige Wellenlängenstabilität und Alterungseffekte beachtet werden.

 

Lebendauer von UV-Lampen und UV-LEDs

Typ der UV-Lichtquelle Beschreibung typische Lampen-Lebendauer
UV-Lampe (Niederdruck) Eingesetzt in der (Wasser)-Desinfektion 8,000 - 12,000 Stunden
Amalgamlampen Höhere Effizienz und längere Lebensdauer 12,000 - 16,000 Stunden
UV-LED Energiesparend, für kleinere Anwendungen 10,000 - 20,000 Stunden
UV-LED-Module Modulare Einheiten, anpassbar und effizient 10,000 - 20,000 Stunden
Hochdrucklampen Sehr hohe UV-Intensität, breites Spektrum 500 - 2,000 Stunden
Pulsed Xenon-Lampen Intensive UV-Lichtblitze für Spitzenintensität 1,000 - 3,000 Stunden
Excimerlampen Spezifische, enge Wellenlängenbereiche 5,000 - 8,000 Stunden
UV-Lampe (Mitteldruck) Für industrielle Anwendungen geeignet 1,000 - 4,000 Stunden
UV-Lampe (Mitteldruck, dotiert) Dotiert mit Eisen oder Gallium für spezielle Spektren 600 - 2,000 Stunden
Xenonkurzbogenlampe Hohe Intensität und breites Spektrum 500 - 2,000 Stunden

Aufgrund der Alterung von UV-Lampen und UV-LEDs sind regelmäßige Messungen notwendig. Aber …

Warum altern UV-Lampen?

UV-Lampen altern aufgrund mehrerer physikalischer und chemischer Prozesse:

  1. Elektrodenerosion: Die Elektroden in der Lampe verschleißen im Laufe der Zeit durch den elektrischen Entladungsprozess, wodurch ihre Effizienz abnimmt.
  2. Materialverdampfung: Materialien innerhalb der Lampe, wie Quecksilber und Wolfram, können verdampfen und sich auf kälteren Teilen der Lampe niederschlagen, was die Lichtausbeute durch Absorption verringert.
  3. Phosphorverbrauch: Bei einigen UV-Lampen, die Phosphor verwenden, um UV-Licht in sichtbares Licht umzuwandeln, kann der Phosphor abbauen, was die Lichtintensität reduziert.
  4. Solarisierung: Die UV-Strahlung kann das Lampenmaterial, insbesondere das Quarzglas, im Laufe der Zeit verändern, wodurch die Durchlässigkeit für UV-Licht abnimmt.

Diese Faktoren führen zusammen dazu, dass die Lichtausbeute der Lampe im Laufe der Zeit nachlässt und regelmäßige Wartung oder Austausch erforderlich macht.

Und… 

Warum altern UV-LEDS?

Wie alle elektronische Bauteile unterliegen auch UV-LEDs einer Alterung. Wie bei allen Produkten unterscheidet sich die Produktqualität der UV-LED-Lampen erheblich.

Über die Lebensdauer von UV-LED-Lampen erfolgt eine kontinuierliche Abnahme der UV-Lichtleistung. Man spricht hier von einer Degradation. Zu den Faktoren, die die Altern von LEDs beeinflussen, zählen insbesondere die Betriebstemperatur und der Betriebsstrom.

UV-LEDs altern aus mehreren Gründen, die hauptsächlich mit den inhärenten Materialeigenschaften und Betriebsbedingungen zusammenhängen:

  1. Thermische Degradation: Die Wärme, die bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht entsteht, kann die Halbleitermaterialien der LEDs schädigen und ihre Effizienz verringern.
  2. Oxidation und Feuchtigkeit: Exposition gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit kann die Materialien in der LED schädigen, besonders die Elektroden und die Verbindungen.
  3. Materialermüdung: Durch die wiederholte Ausdehnung und Kontraktion aufgrund von Temperaturschwankungen können Materialermüdungen auftreten, die die Leistung beeinträchtigen.

Diese Faktoren führen zusammen dazu, dass die Leistung der UV-Lampen und UV-LEDs über die Zeit abnimmt, was bedeutet, dass ihre Lichtintensität und Lebensdauer begrenzt sind.

Von Beginn an zeigt sich ein exponentiell abfallendes Degenerationsverhalten, was nach einigen tausend Stunden langsam auf einen Grenzwert zusteuert. Ein zweiter Ausfallmechanismus sind spontane Ausfälle von UV-LEDs. 

Spontane Ausfälle von UV-LEDs können durch mehrere Mechanismen verursacht werden, darunter Elektrostatische Entladungen (ESD), die Bauteile durch einen plötzlichen Stromstoß beschädigen können. Weiterhin kann es zu Drahtbondfehlern kommen, bei denen die winzigen Drähte, die die LED-Chips mit den Anschlüssen verbinden, versagen. 

Auch Fehler im Halbleitermaterial selbst, wie Risse oder Defekte in den Halbleiterschichten, können zu einem plötzlichen Ausfall einzelner UV-LEDs führen. Diese Ausfallarten treten oft ohne Vorwarnung auf und führen zu einem sofortigen Funktionsverlust der LED.

UV-LEDs gelten in einigen Aspekten der Alterung als überlegen im Vergleich zu traditionellen UV-Lampen:

  1. Langlebigkeit: UV-LEDs haben typischerweise eine längere Lebensdauer, da sie weniger anfällig für thermische Degradation und mechanische Beschädigungen sind.
  2. Stabilität: Sie bieten eine bessere Wellenlängenstabilität über die Zeit, weil sie weniger von thermischen Schwankungen beeinflusst werden.
  3. Effizienz: UV-LEDs nutzen die Energie effizienter und erzeugen weniger Abwärme, was die Lebensdauer zusätzlich verlängert.

Die Hauptunterschiede zwischen der Alterung von UV-Lampen und UV-LEDs:

Die Hauptunterschiede in der Alterung liegen also in der Art und Weise, wie die verschiedenen Lichtquellen Wärme und Materialermüdung verarbeiten, was die Effizienz und Langlebigkeit von UV-LEDs positiv beeinflusst.

Für die Auswahl UV Messgeräte zur Kontrolle der UV-Alterung von Hochleistungs-Gasentladungslampen und UV-LEDs stehen wir gerne zur Verfügung. Opsytec bietet hierfür speziell entwickelte Messgeräte an, die eine präzise und zuverlässige UV-Messung gewährleisten und auch ISO 17025 konforme Kalibrierungen ermöglichen.

Das dargestellte Diagramm illustriert die typische Alterungskurve einer UV-LED, charakterisiert durch einen initial starken Leistungsabfall in den ersten Betriebsstunden. Nach dieser anfänglichen Abnahme stabilisiert sich der Leistungsverlust und folgt einer graduellen, nahezu linearen Degradation über die Zeit. Diese kontinuierliche Verringerung der Lichtemission setzt sich fort, bis die LED am Ende ihrer Lebensdauer angelangt ist und schließlich vollständig ausfällt, ohne jegliche Strahlung zu emittieren:

Empfohlene Messgeräte für die UV-Alterung

RMD Pro

Radiometer mit hoher Dynamik, für Bestrahlungsstärke & Dosis, 8 GB Speicher

RM-12

Präzises Handmessgerät für Bestrahlungs- und Beleuchtungsstärken

UVpad E

Spektralradiometer für UVA, UVB und UVC

UVpad

Das flachste spektral messende UV Radiometer der Welt

curelog

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