От ламп к светодиодам *

Что вам представляется при слове «ультрафиолет»? Зонтики и залитые солнцем пляжи? Если вы владелец одного из 10 000 установленных по всему миру УФ-принтеров, вероятнее всего, ассоциации будут другими. А может, только рассчитываете примкнуть к наиболее быстро развивающемуся сегменту широкоформатной отрасли?

Похоже, темпы освоения индустрией УФ-технологий замедляться не будут — особенно с учётом многочисленных преимуществ УФ-отверждения. Но изменения происходят не только в полиграфии, а и в самой технологии: традиционные источники УФ-излучения постепенно сменяются светодиодами. Крошечные индикаторы с пульта управления телевизором развились до полноценных конкурентов осветительным приборам с лампами накаливания и флуоресцентными источниками освещения. В печатных устройствах следующего поколения светодиодная УФ-технология может сменить дуговые УФ-лампы.

Последствия для больших и малых типографий важные. В «широкоформатной» печатной отрасли грядут большие перемены, которые коснутся сфер применения печатных систем, сокращения себестоимости продукции, упрощения эксплуатации оборудования.

Последние 15 лет технология светодиодов (LED, light emitting diodes) продвигалась вперёд гигантскими шагами. В исследования и модернизацию вкладывались миллиарды долларов. Основная задача — найти традиционным лампам (накаливания и флуоресцентным) более энергоэффективную и экологичную замену. Активность повлекла за собой настоящий взрыв: отдача светодиодов практически удваивалась каждые 1,5 года, а себестоимость ватта сокращалась. Для светодиодов многочисленные исследования оказались выигрышными ещё и в том, что по эффективности отверждения они приблизились к требованиям ряда широкоформатных сегментов. Такие принтеры уже поступили в продажу, обязательно будут ещё. Но что представляют из себя светодиоды в сравнении с общепризнанными ртутными дуговыми лампами? Какие технологические сложности возникают с ними в современных широкоформатных принтерах, когда их планируется преодолеть?

Стремительно развиваясь, цифровая УФ-печать заняла центральное место в полиграфической отрасли. По данным аналитической компании IT Strategies, 17% всех широкоформатных заказов выполняется на цифровых УФ-принтерах, а к 2012 г. доля достигнет 28%. Подобный рост обусловлен расширением инсталляционной базы, увеличивающейся на 16% в год. В активе цифровой УФ-печати несомненные преимущества — универсальность принтера в отношении запечатываемых носителей, повышенная производительность благодаря быстрой сушке, сокращение потребности в ламинировании, снижение затрат за счёт экономии на чернилах. Кроме того, цифровая УФ-печать открывает новые сферы применения, включая износостойкую печать по керамической плитке и напольным покрытиям.

Базовый принцип УФ-печати — отверждение

Качество работы УФ-принтера напрямую зависит от степени отверждения чернил. Даже сам термин «отверждение» трактуется неоднозначно — в зависимости от стоящей перед техникой задачи. На каком носителе печатается изображение — на жёстком или гибком? О какой продукции речь — интерьерной или внешней? В табл. 1 представлены наиболее известные параметры, ассоциирующиеся у работающих с УФ-технологиями с ртутными лампами и отверждаемыми ими чернилами. Чтобы преуспеть на данном поприще, светодиодные лампы должны как минимум не уступать, а то и превосходить их по показателям отверждения во всех сферах применения.

Технология: дуговые лампы против светодиодных

Цифровая широкоформатная УФ-печать формировалась на дуговых ртутных лампах, с незначительными доработками позаимствованных из УФ-решений, обслуживающих трафаретную и флексографскую печать. В дуговых лампах свет генерируется возбуждением раскалённой плазмы (ртуть плюс газ-наполнитель) внутри герметичной кварцевой трубки — электрическим разрядом (пропускаемым через плазму током) или СВЧ-волнами. Атомы ртути в плазме поглощают энергию электрического тока или электромагнитных волн и отдают её в форме света. Процесс идёт при температуре свыше 500 ºС с выделением большого количества тепла. Диапазон генерируемых ртутными лампами волн — от УФ-спектра до видимого света и даже ИК-излучения. Само собой, для отверждения чернил необходимы только УФ-волны. Чтобы собрать максимальное их количество и направить на материал, нужны оптические рефлекторы.

Дуговые лампы генерируют мощное УФ-излучение, поэтому де факто являются стандартом. Широкий УФ-спектр позволил разработать универсальные и хорошо отверждаемые чернила. Соответственно, перед нами надёжная, сформировавшаяся и востребованная технология.

Недостатки дуговых ламп — необходимость доработок в конструкции принтера и ограничения по сферам применения. Во-первых, такие лампы выделяют значительное количество тепла, что приходится учитывать при разработке оборудования. Частично тепловая энергия передаётся и запечатываемому материалу, что для термочувствительных носителей чревато проблемами. Во-вторых, охлаждение ламп подразумевает мощный воздушный поток внутри принтера, а это дополнительные конструкционные сложности. Активация ламп и поддержка их стабильной работы контролируется сложной электроникой. Дуговые лампы высокой мощности (в принтерах сверхбольшого формата) выделяют озон — потенциально опасный газ, требующий специальной вентиляции. А отдача УФ-ламп после 500–1000 ч эксплуатации падает на 50%, создавая риск нестабильного печатного результата.

Светодиодная технология

Светоизлучающий диод — полупроводниковое устройство, преобразующее электричество в свет. Светодиоды появились в 60-х, вскоре после изобретения транзистора. Применялись в качестве индикаторов или для маломощного освещения, но сейчас всё шире используются как стандартные источники света и в специализированных сегментах, включая обработку фотоактивируемых материалов (отверждение чернил) и иллюминацию повышенной яркости.

Первые светодиоды создавались на базе полупроводниковых материалов, что шли на изготовление транзисторов и микропроцессоров. Управляя свойствами полупровод-ников, ток можно преобразовать в свет и тепло. Наиболее эффективные современные устройства превращают в свет 20% поступающей электроэнергии, остальная часть трансформируется в тепло и требует отвода во избежание перегрева светодиодов. Получаемая световая энергия концентрируется в узкой области УФ-спектра, и в этом основное отличие светодиодов от дуговых ламп, генерирующих полный спектр УФ-излучения вплоть до ИК-волн. Именно узкий УФ-спектр лежит в основе одного из главных их преимуществ — холодного отверждения. Разработка мощных светодиодов (особенно УФ-светодиодов высокой мощности) в конце 90-х открыла такие направления, как отверждение УФ-чернил в широкоформатных принтерах.

По сравнению с дуговыми лампами у светодиодов масса преимуществ (табл. 2). Первое и главное — концентрация генерируемого излучения в узкой области спектра. Поскольку световые волны чётко ограничены требованиями техпроцесса, а именно — необходимым для отверждения УФ-чернил диапазоном, существенно оптимизируется эффективность преобразования электрической энергии в световую по сравнению с дуговыми лампами. Вспомним, что в них только часть излучаемого освещения относится к УФ-спектру, основная же часть световой энергии к процессу отверждения отношения не имеет.

Отсутствие фильтрации световых волн может вызвать нежелательные вторичные эффекты, например, нагрев материала. Более эффективное преобразование светодиодами электрической энергии в световую означает достаточный для отверждения объём излучения при меньшей электрической мощности на входе — впустую расходуется меньше энергии. В случае со светодиодами лишняя энергия тоже выделяется в форме тепла. Но меньшая нагрузка на светодиодную систему в отношении нагрева позволяет делать устройства компактнее, без сложной электроники зажигателя, характерной для дуговых ламп.

Среди других преимуществ светодиодов — впятеро больший срок службы по сравнению с дуговыми лампами, снижающий общую стоимость владения оборудованием. Кроме того, LED-принтеры очень быстро включаются и выключаются — для них не нужны внутренние и внешние шторки-экраны. Световое излучение светодиодов контролируется регулировкой сигналов электромотора, влияющих на интенсивность электросигнала. Это ещё один повод отказаться от шторок, упростить конструкцию системы и повысить её надёжность. А благодаря высокой эффективности и отсутствию ртути, светодиоды — ещё и более экологически чистый вариант, чем дуговые лампы.

Но есть у LED-технологии и ограничения, поэтому используется она пока не особо широко. Самое главное из них — мощность, а именно — узкий спектр излучения. Вернёмся к табл. 2, вспомнив, что для качественного отверждения стандартных цифровых УФ-чернил необходимо УФ-излучение широкого спектра. Эти чернила создавались с расчётом на спектр ртутных ламп, поэтому при отверждении светодиодами неизбежны проблемы: неполное отверждение, липкая поверхность, вопросы к адгезии. Даже при полном отверждении чернил не исключены иные свойства продукции, выпущенной на принтерах со светодиодными лампами, а не с дуговыми.

До последнего времени имелись вопросы к LED-технологии и по поводу максимальной плотности достигающего материала потока излучения (его интенсивности). Чтобы готовая поверхность была качественной, без липкости, необходима достаточная концентрация излучения на материале. С дуговыми лампами вопросов нет: трубка длиной 15–25 см при энергопотреблении 600 Вт/дюйм легко обеспечивает интенсивность потока свыше 10 Вт/см² — за счёт параболических либо эллиптических отражателей. Этого более чем достаточно для хорошего поверхностного отверждения, а вот со светодиодами ситуация иная.

Светодиодные УФ-системы высокой мощности компонуются из групп отдельных полупроводниковых светодиодных чипов, т. н. матриц (рис. 1) размером 1×1 мм2 при отдаче 0,5 Вт на устройство. В принципе, компонуя матрицы «шахматкой», реально получить плотность потока излучения в 50 Вт/см² — больше, чем с дуговыми лампами.

На практике же всё упирается в необходимость охлаждения светодиодов, подвода к каждому устройству электричества и эффективному сбору генерируемого светодиодами излучения. В результате интенсивность не превышает 4 Вт/см². Для качественного поверхностного отверждения это минимально приемлемое значение, а в некоторых ситуациях и недостаточное.

Не так давно появились светодиодные группы с интенсивностью излучения в 8 Вт/см², ведутся разговоры о разработках решений с плотностью потока 12 и 16 Вт/см². Но даже если такие группы решат проблему интенсивности, останется вопрос с их стоимостью. Чтобы справиться с лишним теплом, потребуется жидкое охлаждение светодиодных групп. Для принтеров широкого и сверхширокого форматов это означает конструкционные сложности с добавлением ещё одной системы подачи жидкости и охладителя.

Многие поставщики УФ-чернил, обратив внимание на данную проблему, разработали новые составы, реагирующие конкретно на УФ-излучение светодиодов. Задача не из простых, если учесть многочисленные качества, которым должны соответствовать отверждённые чернила — цветовая гамма, стабильность, стойкость к дневному свету, адгезия, поверхностное и полное отверждение, гибкость/жёсткость, запах. 1,5 года назад появились чернила, требующие для полного отверждения меньше энергии (в некоторых случаях до трёх раз). При этом нужные поверхностные и адгезионные свойства обеспечиваются даже со светодиодным спектром излучения.

Последняя проблема, ограничивающая популяризацию светодиодных систем в работающих с УФ-технологиями цифровых типографиях, — стоимость. Поскольку это новая технология, светодиодные УФ-принтеры, как правило, дороже работающих на ртутных дуговых лампах. Цена напрямую зависит от количества задействованных при сборке светодиодных матриц. Размер группы определяется шириной и скоростью печати: чем ниже и медленнее принтер, тем меньше его светодиодная группа. Ещё один влияющий на цену фактор — тип светодиодной матрицы. Краски эффективнее отверждаются светом из дальней части УФ-спектра, но такие светодиоды дороже. При этом цена на УФ-светодиоды постепенно снижается — за последние 10 лет больше чем в 10 раз.

Вложения в светодиодные УФ-принтеры во многом окупаются их преимуществами — и для производителя принтера, и для владельца типографии. Упрощается конструкция системы, снижая её себестоимость. Меньшей для такого принтера будет и стоимость эксплуатации, в т. ч. за счёт экономии электроэнергии. Благодаря длительному сроку службы светодиодов и надёжности технологии сокращаются затраты на сервисное и техническое обслуживание, не говоря уже о том, что не приходится каждые 500–1000 часов менять дорогостоящие лампы. Отверждение при пониженной температуре открывает перед полиграфистами новые рынки термочувствительных материалов, расширяя потенциал бизнеса.

Положение дел и перспективы широкого внедрения

Несмотря на все ограничения, светодиодное отверждение используется весьма эффективно. Первые поставщики оборудования уже комплектуют LED-технологиями коммерческие модели принтеров — Inca Spyder 150, Sun Company LLC NEO, Mimaki UJV-160 и Roland VersaUV LEC-300.

Чтобы светодиодное УФ-отвер-ждение получило широкое распространение в сегменте широкоформатных принтеров, необходимы три условия:

• эквивалентное отверждение чернил, без компромиссов;
• удачная реализация в архитектуре широкоформатных принтеров;
• экономичность.

Светодиодная УФ-индустрия в сотрудничестве с производителями принтеров и поставщиками красок успешно работает над реализацией всех трёх задач. Адаптация, вероятнее всего, будет проходить локально, определяясь целевыми сферами применения принтера и наличием соответствующих УФ-чернил. Пока интеграция светодиодного отверждения идёт в сегменте малопроизводительных принтеров с небольшой шириной печати. Для них мощность, плотность излучения и стоимость элементов системы отверждения уже достигли оптимальных значений. В течение ближайших пяти лет, по мере совершенствования технологии в трёх указанных направлениях, мы станем свидетелями интеграции светодиодных систем УФ-отверждения в более производительные и технологичные модели принтеров (рис. 2).

Выводы

Рынок цифровой широкоформатной печати продолжает быстро развиваться, задействуя по мере формирования новые технологии. Индустрия готова освоить впечатляющие достижения в сфере светодиодных источников УФ-излучения, поставив себе на службу их надёжность и функциональность. Это позволит создать новое поколение принтеров — с более широким спектром выпускаемой продукции, повышенной надёжностью, более простых и дешёвых в эксплуатации. Поэтому при слове «ультрафиолет» не стоит вспоминать о солнечных очках — задумайтесь о светодиодах!

	Об авторах: Джон Кута (john.kuta@EXFO.com), директор по развитию бизнеса подразделения EXFO Life Science & Industrial. Отвечает за разработку и вопло-щение корпоративной УФ-стратегии на рынке цифровой печати. Пришёл в EXFO в 1998 г.: директор по развитию в 2000–2003 гг., директор по исследованиям и разработкам в 2003–2007 гг.
	Нидаль Аббас (nidal.abbas@EXFO.com), менеджер направления УФ-отверждения в EXFO. Восемь лет был менеджером отдела системных разработок в Motorola, три года — старшим продукт-менеджером в Tyco. Сейчас курирует линейки продуктов Excelerate и OmniCure, отвечая за разработку и внедрение стратегических и тактических маркетинговых инициатив.