此文为年11月举行的“第四届CSAS技术与标准研讨会LEDUV光固化专题交流会”所作报告部分内容，报告题目是《浅谈“UV+LED”》，主要围绕“UV-LED固化”这个核心主题展开探讨。
何谓“UV+LED”？
首先我们要明确一个概念，何谓“UV+LED”？在这里，UV指的是UV涂料、UV油墨、UV胶黏剂等等紫外光固化材料；LED特指紫外LED光源；“UV+LED”则定义为“用紫外LED光源作为辐射源实现UV材料的固化”。
“UV+LED”的核心是什么？
图1、UV+LED的核心
那么UV-LED的核心是什么？核心在于固化，也就是那个“+”，这个“+”又离不开UV涂料和LED光源，所以我们在谈UV+LED的时候，既需要对UV-LED固化的研发，也需要UV的研发和LED的研发，再加上印刷和涂装工艺，这样才能构成一个完整的解决方案，而这个解决方案服务的对象正是我们下游的印刷企业和家具企业。
一个行业的发展，除了技术的跨界融合，还需要*策的支持，协会的指引，所以几个行业的协会或者联盟联合，研发对接、信息共享、增加互信，对项目的产业化落地会有很大的促进作用。
“UV+LED”的发展现状及发展前景
目前，LED固化在标签印刷、喷绘打印、3D打印、电子胶固化、PCB、胶印等等行业已经得到了广泛的应用，在光学膜、热熔胶、压敏胶等行业正处于起步的阶段，而在凹版印刷、家具涂装等行业正面临着技术的突破和成本的考验。由于LED与传统的汞灯相比具有许多优异的特性，所以LED的应用将会得到进一步的拓展，而面临突破的凹版印刷和家具涂装的体量也将远远超过目前应用的行业需求。
“UV+LED”的研发误区及正确方向
目前在UV+LED研发方面，存在着比较大的问题是：做LED研发的兄弟不知道做UV研发的兄弟需要什么，而做UV研发的兄弟不知道做LED研发的兄弟有什么。
我们在与客户交流的过程中发现，大部分UV涂料的客户对对LED光源的认识都还只是停留在“LED光源不就是一条灯嘛”的阶段，没有认识到LED光源是一个系统，更没有意识到UV-LED跟传统UV的巨大不同，所以大部分客户对研发用LED设备的预算都很小，宁愿在淘宝上面买一个几千块的LED光源，也不愿意多花一点钱买一台高性能的LED设备。我们以我们三年时间无数次的实验经验来告诉他们，应该买一台什么样的设备，才能更好的辅助他们的UV研发工作，但是收效甚微。
甚至还有的客户说，如果用了你们性能好的设备开发出来的配方，可能用别人家的设备就固化不了，所以我还是买一台差一点的回去，这样我的涂料配方的适用面就更广了。关于这个逻辑，其实是走入了一个误区。举个简单的例子，你的车子最快能开50公里时速，我的最快能开公里时速，你想开公里是不行的，但是我可以开50公里啊。
所谓工欲善其事必先利其器，UV+LED，UV和LED缺一不可，我们要做的是拓展各自的能力边界，让解决问题有了更多的可能。就像客户的要求是分，LED和UV各自的满分是分，现在UV已经走到95分了，而LED要是只有60分的话，客户的要求就无法得到满足，所以提高LED的分值不是需要而是必要的事情。
应用研发的核心是什么，是要解决实际应用的问题。我们下游客户的真正需求是什么？下游家具企业、地板企业，他们不懂，也不想懂，也不需要懂“UV-LED”是什么，他们只要“能用、达到效果”就行，具体怎么实现，是涂料、光源、设备供应商们的问题。而传统的做法，涂料的归涂料，光源的归光源，设备的归设备，但是UV-LED的特殊之处就在于，得有人把他们结合起来，否则一无是处，结果就是客户不满意，涂料商和设备商相互甩锅，涂料说是光源的问题，光源说是涂料的责任，其实都错了，携手才能解决问题。
进入UV-LED时代，做研发必须要有整体思考的系统思维，要有跨界研发的开放包容，要有整包服务的成本概念。我们不再是卖给客户一盏灯，或者一桶油漆，而是要为客户提供一个整体的解决方案。
UVLED光源与设备行业的发展现状
当前UVLED光源与设备行业最大的问题在于上游研发和下游应用的脱节。
上游研发方面，除了UVC、UVB芯片的量子效率尚面临着技术的突破以外，UVA的发光效率已经达到比较高的水平，从MOCVD设备到晶圆生长，再到芯片切割、封装等等，都已经取得了长足的进步，与国外先进水平的差距进一步缩小，具备工业化应用的基础。
回到UVLED下游应用的层面，依然面临着许多问题：1、市场参与者的技术水平良莠不齐，大部分LED光源供应商缺乏基本的LED专业知识；2、很多企业是广告吹上天，疗效放一边；3、大部分设备厂商生产能力强、研发和设计能力弱；4、下游客户对UVLED光源认识不足，没有分辨好坏的能力，也缺乏应用的专业知识；5、粗制滥造的低价LED光源充斥市场，导致劣币驱逐良币，对UV-LED的推广带来很大的障碍。
前面介绍过，UVLED光源在一些行业，包括PCB印刷、标签印刷、铁罐印刷等等行业已经有了成熟的应用，但是从我们的市场调研情况来看，依然存在比较多的质量问题，譬如烧灯珠啦、固化不均匀（有的地方干，有的地方不干），电缆温度过高、光功率不稳定等等，根本原因就在于使用者不懂，生产者不专业，既没有把LED光源做好，也没把LED光源用好。
归根结底，是没弄明白，UVLED光源它不仅仅是一盏灯，它是一个系统工程。经常有客户问我“你们的一条灯卖多少钱？”，弄得我都不知道该怎么回答。借用同济大学金明教授的一句话“抛开剂量去谈*性都是耍流氓”，专业做LED的同志们应该都知道，LED光源的成本是跟功率正相关的，10千瓦的光源差不多就是5千瓦光源的两倍；而芯片的集成密度越高（也就是我们常说的光强越高）对技术的要求越高。
UVLED光源与设备的设计思路——没有最好，只有最合适
经常听到做UVLED设备的同行在宣传自家产品的时候，会说我的设备（光源）怎么怎么好，甚至比国外的产品都要好。但是纵观整个UVLED行业，也没有几家能真正说得清楚“怎么才算好”这个问题。
抛开LED光源与设备自身的技术水平不谈，我们所探讨的UVLED光源和设备是辐射固化的一个工具，脱离了应用的需求去谈论一个工具的好坏也无有是处。就像你在眉飞色舞的说你的法拉利跑车0-km的加速时间只需要3秒的时候，旁边一位开牧马人的跟你说“兄弟，咱们去越个野？”所以我们在探讨各项性能指标的时候，更加重要的是我们需要搞清楚，我们需要什么样的指标参数，然后怎么去实现。
图2、法拉利VS牧马人，谁更强？
我们必须要认识到一点，没有完美的东西，任何东西都有其特点，有其能力的边界，我们做应用研究，最重要的是把有限的资源发挥最大的作用，认识到每个产品、每种技术的优点缺点，根据我们实际应用的具体需求，找出最合适、最可行的方案。
回到辐射固化上面，我们目前用UVLED固化，从UV材料的角度看，主要涉及到三个大的应用领域的固化，涂料、油墨、胶粘剂（3D打印可以另开专题讨论），UV涂料目前主要是在木器家具的涂装上面应用，UV油墨主要在丝印、胶印、喷绘等印刷行业应用，UV胶粘剂涉及到电子、汽车等诸多领域的应用。每一个行业由于施工条件和应用领域的不同，对施工时的材料性能要求也不同，对固化后的涂层的性能要求也不同，除了对材料配方的设计千变万化以外，对固化用的LED光源的参数也是有所不同的。
没有对UV材料和UV固化有深刻的理解，做出来的LED光源一定是不能让客户满意的。大家也可以看得到，这两年很多涂装工厂上马了LED的固化设备，但是大部分都变成了摆设，这就是根本原因。
在光固化的过程中，离不开三个主要的参数：波长、光强和总做功，波长决定了光引发剂是否能够被引发，光强决定了紫外光的引发效率，直接影响到表干（抗氧阻聚）和深层固化的效果，而总做功则决定了是否能够让固化所需的引发剂完全引发。
图3、光强、时间与做功的关系图
所以我们在做LED光源方案的时候，需要了解客户所用的UV材料对波长的要求，固化需要的最少能量，固化需要的时间，辐照距离的远近，颜料和填料对光的吸收和反射等等数据。（大部分客户都无法提供相关数据，所以我们配备了专门的光固化实验室来进行测试，以提供方案设计的理论支持。）
在木器家具涂装领域，有腻子、底漆、面漆，有透明涂料，有实色涂料，每道工序对漆膜的性能要求不一样，对LED光源的波长、光强、总做功这三大要素的要求也就不一样。底漆要求的是更好的打磨性，面漆要求的是更高的丰满度和硬度，更好的耐磨、耐刮伤性能，所以底漆我们只需要单波长的光源，对光功率密度的要求也没那么高，而面漆则最好是多波长组合（搭配不同的引发剂，抗氧阻聚，兼顾表干和实干），并且在同样的总做功下需要更高的光功率密度。像透明涂料，可能我们的配方设计只需要nm波长的光源就可以实现固化，但是假如我们做白色涂料（填料为金红石型钛白粉），由于钛白粉在nm处有强吸收，这样就容易导致厚涂层的深层固化不好，必须要搭配nm甚至更长波长的光源才能很好的固化。
图4、不同白色颜料的吸光度曲线
图5、钛白粉的反射率曲线
图6、白色涂料（油墨）的UV吸收光谱图
而在油墨印刷行业，跟涂料涂装又有很大的差异。油墨比涂料的色彩更加丰富鲜艳，油墨印刷比涂料涂装的涂层要薄得多，油墨印刷比涂料涂装要求的速度更快，油墨固化后的涂层更加注重的是附着力和柔韧性，而涂料固化后的涂层更加注重的是硬度和耐磨耐刮性。因为施工工艺和对漆膜性能要求的巨大差异，必然带来配方设计的多样化，同时也对光源的要求也各有不同。举个简单的例子，为什么在油墨印刷行业，用得最多的是nm波长的LED光源？这里面的道理，很多做UV油墨研发的前辈都已经用大量的实验数据证明过了，主要是涉及到LED波长、光引发剂和颜料的透光窗口的问题。我记得中科院杨永源杨老师很早以前的一篇报告就已经很系统的讲过这个问题，大家有兴趣的话可以自己去看相关的资料，这里就不细说了。
图7、各种常用颜料的的吸光度曲线
再谈谈胶粘剂的问题。简单的举个例子，按胶粘剂的使用环境，有分粘接后固化和固化后粘接两种。两种不同的应用，对固化效果的要求各有千秋，倒过来的也就对LED光源有了不同的需求。这方面的差异，胶粘剂行业的研发人员应该也深有体会。
UVLED光源跟传统的汞灯光源最大的不同是，汞灯的发射光谱和各波长的比例基本是固定的，只有功率大小的区别，甚至功率大小的调节空间也很有限。而LED是配方型的，可以根据需要自由搭配组合，为精准固化提供了更多的选择。当然，基于目前LED的技术发展情况，我们可以做的选择还很有限，但是我相信在LED和UV的同行们的共同努力之下，前途是光明的，未来是美好的。
“UV+LED”的发展方向（个性化、标准化、差异化）
关于这个问题，我跟做光引发剂的同行和做LED芯片的同行都有过深入的探讨，当前普遍存在的忧虑是，做引发剂的担心投入了大量的资金和时间精力去开发长波长引发、又具备无色高效等性能的光引发剂，结果UVC芯片的技术有了重大突破，那么所有投入就白费了；而做LED的同志们又担心，费了好大的力气去把UVC的发光效率提上来了，结果市场的需求却只有一点点，根本覆盖不了研发的成本。个人觉得，光引发剂的研发已经快走到极致，别的不说，无色和可见光引发本就是矛盾，高活性和稳定性也是一个硬币的正反面。而LED尚有提升的空间，但是受材料的限制，空间也有限，当然，再提升个两三倍，也可以为涂料配方的设计创造出巨大的空间。
对于未来UVLED的发展方向，除了对现有汞灯体系进行全方位的替代以外，更加重要的是发挥LED特有的优势，拓展新的应用领域。如果UVCLED芯片的发光效率能够取得重大突破，我们当然可以说“汞灯可以做的，LED一样可以做，汞灯做不了的，LED照样能做”。在当前的技术能力下，我们更加需要的是扬长避短，在固化领域，LED效果更好的用LED，LED效果达不到的，暂时用汞灯，而不一定非要追求全面替代。
譬如在家具漆涂装领域，耐*变的清漆、高光白的面漆，由于UVALED能引发的引发剂大部分都有颜色，并且引发效率低，所以汞灯的效果更好；而在底漆固化上，LED的深层固化效果好，表干略差，刚好可以满足底漆需要打磨的要求；譬如在胶印和柔印领域，由于油墨会添加大量的颜料和填料，大部分紫外光会被颜料和填料吸收而导致深层固化不佳，而大部分颜料在nm处都有透光窗口，nm的UVLED正好可以量身定做。
又譬如在UV胶粘剂行业，需要达到所需的粘接力，胶层的表面就不能干得太好，LED的深层固化好表干不佳的特点刚好可以满足应用的要求。
还有在光学膜的固化中，由于胶层在两层塑料薄膜里面，大部分塑料薄膜对nm以下波长的紫外光有强吸收，汞灯的UVB和UVC波段的发射光都被浪费掉了，反而UVALED的效率更高。
除了这些传统的应用领域，我们更应发挥LED的特征优势，拓展更多的应用。
譬如由于LED冷光源的特征，对一些热敏感的基材，LED跟汞灯相比就有了天然的优势。又譬如无氧固化，在无氧的环境里面，没有了氧阻聚的影响，对光强的要求不高，LED的高穿透性反而能够实现更均匀的固化。
LED更重要的两个特点：窄波长和点发光，让精准固化和异形件固化成为可能。
精准固化，除了可以利用LED的窄波长的特点，通过不同的波长组合和不同的引发剂配比，实现引发效率和固化程度的控制，并且还可以利用LED点发光的特点，制造出点光源、线光源和面光源，实现不同位置的固化，让精准固化成为可能。
而LED光源的形状和大小可调，也让异形的固化炉、机械手搭载LED灯头的设计更加灵活，也让大功率的手持灯实现了小型化，让施工更加便捷。
图10、传统UV手持灯和UVLED手持灯的对比
除了表面固化的应用以外，由于LED的波长、形状、光强都可以灵活调节，甚至可以把UVLED拓展至本体聚合，设计流动式的管道反应器，搭载LED光源，实现安全、快速、聚合度可控、均匀的聚合单体生产。
发挥协会和联盟的力量
从研发到生产，从技术到市场，每一步都充满挑战。一个行业的发展，除了行业里面企业自身的努力以外，也需要行业协会及联盟的支持。回看LED照明的发展历程，假如没有国家*策的支持，没有联盟的努力，很难想象中国的LED照明能够取得今天的成就。
在“UV+LED”领域，我们也希望联盟能够发挥重大的作用：1、让行业的发展得到国家*策和科技基金的支持；2、制定行业标准，提高准入门槛，避免劣币驱逐良币的事情发生；3、引导行业方向，不要滥上乱上项目，确保行业健康有序发展。
总结：UV-LED（辐射固化）是个系统工程，除了拓展各自的能力边界以外，更加需要跨学科的研发对接，结合应用领域的不同需求，综合考虑效果、成本、原材料供应的稳定性等等因素，寻找最理想的平衡点。
拓展各自的能力边界，但是凡事皆有极限，如何整合现有的技术资源甚为关键。任何创新要想取得成功都会面临诸多的困难，技术的进步、时间的检验、相互的信任、利益的平衡，节能环保、自动化智能化、定制化标准化是大的发展方向，所谓天下大势浩浩汤汤，顺之者昌逆之者亡，大势所趋，让我们一起顺势而为，顺风飞扬吧。
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