Diody LED UV-C w urządzeniach do bezpiecznej i skutecznej dezynfekcji

Diody LED na pasmo UV-A są stosunkowo łatwe do wyprodukowania, gdyż powstają poprzez modyfikację niebieskich LED-ów. Stąd są one dostępne na rynku już od ponad dekady i wykorzystuje się je głównie jako aktywatory procesu utwardzania materiałów chemicznych. Ale dezynfekcja wymaga użycia promieniowania bardziej energetycznego tj. pasma UV-C. LED-y UV-C też są dostępne na rynku od paru lat, jednak nie można uznać ich za prosty zamiennik konwencjonalnych lamp rtęciowych, ponieważ wprowadzają wiele nowych wymagań projektowych, w tym dokładnego ukształtowania strumienia promieniowania, aby zapewnić prawidłowe działanie. Co więcej, diody UV-C są nie tylko niebezpieczne dla bakterii i wirusów, ale także dla ludzi, dlatego odpowiednia ochrona jest ważnym elementem działań.

W tym artykule omówiono rodzaje promieniowania UV i jego rolę w dezynfekcji, korzyści płynące z zastosowania diod LED, a także związane z tym wyzwania projektowe. W artykule zostaną następnie przedstawione elementy firm Luminus Devices, Vishay Semiconductor Opto Division i SETi/Seoul Viosys.

Światło UV do niszczenia patogenów

Promieniowanie UV zawiera się między światłem widzialnym a promieniowaniem rentgenowskim i obejmuje część widma o długości fali od 400 do 100 nm. Im krótsza długość fali tym większa energia i wyższa częstotliwość (rys. 1).

 

Rys. 1. Promieniowanie UV zajmuje widmo w zakresie 100–400 nm. Znajduje się ono tuż poniżej światła widzialnego i jest podzielone na trzy typy: A, B i C

Na podstawie oddziaływania promieniowania UV z materiałami biologicznymi zdefiniowano trzy rodzaje światła UV: A (400–315 nm), B (314– 280 nm) i C (279–100 nm). Słońce jest źródłem wszystkich tych zakresów, ale ekspozycja człowieka ogranicza się głównie do UV-A, ponieważ UV-B i UV-C zatrzymywane są przez warstwę ozonową Ziemi.

Istnieje kilka metod generacji wszystkich trzech rodzajów światła UV. Są to na przykład lampy rtęciowe i od niedawna, diody LED UV. UV-C, którego źródłem były lampy rtęciowe, było wykorzystywane do zwalczania patogenów na długo przed pandemią. Ostatnie badania nad skutecznością UV-C na SARS-CoV-2 wykazały, że fale o długości 250 do 280 nm są absorbowane przez RNA wirusa, a całkowita dawka rzędu 17 J/m² dezaktywuje 99,9% materiału biologicznego. Należy zauważyć, że ten poziom napromieniowania nie zabija wirusa całkowicie, ale zakłóca jego RNA wystarczająco, aby zapobiec jego replikacji, czyniąc go nieszkodliwym, jednocześnie ograniczając ekspozycję człowieka na UV.

Źródła światła UV

Tradycyjnym źródłem światła UV jest wyładowcza lampa rtęciowa, w której zachodzi wyładowanie w parach rtęci pod niskim ciśnieniem. Rurka ze szkła kwarcowego przepuszcza emisję o szczytowej długości fali UV-C 185 nm, dzięki czemu nadaje się ona do celów dezynfekcji i sterylizacji (rys. 2). Takie lampy są stosunkowo wydajne i trwałe w porównaniu do konwencjonalnych żarówek, ale ich główną wadą jest uwalnianie toksycznej rtęci do środowiska, jeśli żarówka pęknie podczas normalnego użytkowania lub podczas utylizacji.

 

Rys. 2. Przez wiele lat głównym źródłem promieniowania UV-C były niskociśnieniowe lampy rtęciow

Diody LED UV-C mają te same zalety co te używane do oświetlenia ogólnego, w tym dużą skuteczność, wyższy strumień świetlny, dłuższą żywotność i niższe koszty eksploatacji. Jednocześnie nie stanowią one takiego samego zagrożenia dla środowiska, jak źródła światła oparte na rtęci.

Wykorzystują one podłoża z AlGaN i są mniej wydajne i kosztują więcej niż LED-y niebieskie, w dużej mierze dlatego, że azotek galu nie jest przezroczysty dla promieniowania UV-C. W rezultacie stosunkowo niewiele wyemitowanych fotonów UV-C wydostaje się ze struktury. Ale najnowsze osiągnięcia technologii, w tym metalizacja kontaktu "p" zapewniająca odblask, powierzchnie teksturowane, mikrowgłębienia i odpowiednie kształtowanie objętościowe warstwy aktywnej zwiększyły skuteczność diod LED UV, pozwalając na zastosowanie ich w produktach komercyjnych i zapewnienie rozsądnej wydajności. Faktem jest jednak, że mają one mniejszą wydajność niż LED-y na zakres widzialny, a poza tym są droższe. Dodatkowo karty katalogowe zwykle nie precyzują ich skuteczności i zamiast niej informują jedynie o strumieniu świetlnym dla danego prądu i napięcia podając wartość w miliwatach.

Przykładowe diody na UV-C

Na rynku dostępnych jest kilka komercyjnych diod UV-C przeznaczonych do systemów dezynfekcji. Na przykład Luminus Devices oferuje wersję z maksimum emisji przypadającą na 277 nm o oznaczeniu XBT-3535-UV-A130- CC275-01. Dostarcza od strumień 30 do 55 mW (w zależności od binu) pobierając do 350 mA przy napięciu 5–7,5 V (rys. 3).

 

Rys. 3. Szczyt emisji diod UV-C przypada na zakres od 100 do 280 nm. Do zastosowań związanych z dezaktywacją SARS-CoV-2 pik emisji powinien przypadać na 250–280 nm, jak dla pokazanej na rysunku diody XBT-3535-UV-A130-CC275-01 fi rmy Luminus Devices

 

Rys. 4. Dioda LED UV-C 277 nm firmy Vishay w obudowie ceramicznej o wymiarach 3,45×3,45×1,78 mm z kwarcowym okienkiem

Alternatywą do omówionego emitera jest dioda VLMU35CB20-275-120 firmy Vishay Semiconductor z pikiem emisji na 277 nm, zamknięta w ceramicznej obudowie z okienkiem kwarcowym. Jej moc promieniowania wynosi 14 mW przy zasilaniu 150 mA/6,5 V (rys. 4).

Jeszcze inny produkt tego typu – CUD5GF1B – proponuje firma SETi/ Seoul Viosys. Ta dioda ma pik emisji na 255 nm i jest zamontowana w obudowie ceramicznej SMD o małej rezystancji termicznej. Jej moc promieniowania wynosi 7 mW przy zasilaniu 200 mA/7,5 V. Jej zaletą jest minimalny wpływ temperatury na szczyt emisji, tylko o 1 nm w zakresie temperatur 25–80ºC. Jest to ważna kwestia w przypadku, gdy wymagana jest duża precyzja naświetlania (rys. 5).

 

Rys. 5. Długość fali dla maksimum emisji diody CUD5GF1B UV-C fi rmy SETi/Seoul Viosys zmienia się co najwyżej o 1 nm w stosunku do 255 nm w zakresie temperatur 25–80oC

Projektowanie urządzeń z diodami LED UV-C

Diody LED wymagają spełnienia wielu wymagań projektowych, stąd nie wykorzystuje się ich do modernizacji starszych produktów zaprojektowanych do lamp rtęciowego z użyciem LED-ów UV-C.

Wybierając diody LED UV-C do dezynfekcji lub sterylizacji, proces projektowania należy rozpocząć od określenia obszaru, na który światło UV-C będzie miało padać oraz strumienia promieniowania ("obszaru napromieniowania") w W/m² wymaganego do dezaktywacji patogenów.

Rozważmy na przykład aplikację do dezynfekcji powietrza wychodzącego z kanału klimatyzacyjnego. Dla wymaganej energii 17 J/m² i powierzchni 0,25 m² dla czasu ekspozycji 5 s konieczne byłoby użycie źródła o mocy około 4 W/m².

Następnie trzeba rozważyć, w jaki sposób promieniowanie UV można dostarczyć na dezynfekowaną powierzchnię. Zasadą jest uwzględnienie strumienia promieniowania każdej diody LED i podzielenie całkowitego natężenia promieniowania przez tę liczbę, aby uzyskać liczbę diod LED wymaganych dla każdego produktu. To przybliżone obliczenie jest uproszczeniem, ponieważ nie bierze pod uwagę rozkładu tego strumienia. Dwa czynniki decydują o tym, jak strumień promieniowania pada na powierzchnię docelową. Pierwszy to odległość od diody LED do obiektu, a drugi to "kąt wiązki" diody.

Jeśli LED jest uważany za źródło punktowe, jej irradiancja spada zgodnie kwadratem odległości. Na przykład, jeśli w odległości 1 cm od punktu emisji jest to 10 mW/cm², to w odległości 10 cm irradiancja spadnie do 0,1 mW/cm². Obliczenia te zakładają jednak, że dioda LED promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, co nie jest prawdą, gdyż układ optyczny LED kieruje strumień promieniowania w określonym kierunku. Producenci zazwyczaj podają kąt wiązki diod LED, który jest definiowany jako taki obszar, przy którym osiąga się 50% szczytowego natężenia po obu stronach źródła.

Opisane powyżej LED-y Luminus Devices, Vishay i SETi/Seoul Viosys UV-C mają kąty wiązki odpowiednio 130º, 120º i 125º. Rysunek 6 przedstawia charakterystykę promieniowania diody XBT-3535-UV-A130-CC275-01. Linia przerywana wskazuje, gdzie osiągnięto 50% wartości szczytowej, co definiuje kąt wiązki (–65º…+65º).

 

Rys. 6. Linia przerywana na charakterystyce kształtu emisji wskazuje, gdzie osiągnięto 50% szczytowego natężenia promieniowania. Określa to kąt wiązki na –65o… +65o

Kąt rozsyłu determinuje stosunek wielkości struktury LED do rozmiaru optyki. Dlatego wytworzenie węższej wiązki wymaga użycia mniejszego emitera lub większej optyki (lub odpowiedniej równowagi tych dwóch elementów). Kompromis projektowy polega na tym, że im mniejszy chip tym mniejsza emisja, podczas gdy większa optyka jest trudniejsza do wykonania, bo podnosi cenę i ogranicza kontrolę kąta.

Dostępne w sprzedaży LED-y mają zazwyczaj fabrycznie zamontowaną optykę, więc tutaj rozważania dotyczące stosunku wielkości struktury do optyki są poza kontrolą projektanta. Dlatego ważne jest, aby sprawdzić kąt emisji wiązki, ponieważ dwa identyczne elementy mogą być tu zupełnie różne.

Chociaż wymagana odległość diody od naświetlanej powierzchni i kąt emisji tworzą dwa podstawowe parametry selekcji wstępnej, istnieją jeszcze dodatkowe aspekty. Na przykład charakterystyka emisji diod pochodzących od różnych producentów, przy identycznej mocy wyjściowej i kącie rozsyłu może się znacznie różnić w zależności od konstrukcji układu optycznego. Stąd jedynym sposobem na wiarygodne porównanie i przetestowanie produktów jest pomiar rzeczywistych wartości.

Dysponując taką wiedzą na podstawie odległości między emiterem LED a dezynfekowaną powierzchnią, inżynier może obliczyć, ile diod LED będzie potrzebnych i jak powinny być ustawione w celu wygenerowania pożądanego natężenia promieniowania na obszarze aktywnym.

Ostateczny wybór sprowadza się do pożądanego kompromisu między kosztem, skutecznością i złożonością. Diody LED UV-C są drogie, więc jednym z rozwiązań może być użycie mniejszej liczby emiterów o większej mocy niż odwrotnie. Zaletą wówczas jest poza kosztem diod także mniejsza złożoność sterownika. Minusem jest to, że ze względu na małą skuteczność LED, urządzenia o dużej wydajności będą wymagały lepszego zarządzania temperaturą, aby utrzymać długą żywotność, bo wysoka temperatura radykalnie skraca żywotność diod. Wymaga to użycia większych radiatorów, co neguje niektóre z przewidywanych oszczędności.

Projektowanie dodatkowej optyki

Alternatywą dla dodawania kolejnych diod lub zwiększania mocy emiterów jest rozważenie zastosowania dodatkowej optyki (wtórnej). Elementy te kolimują emisję, tj. wytwarzają równoległą wiązkę światła o równym natężeniu, niwelując zmiany wynikające ze zmian natężenia wynikających z ograniczonego kąta emisji. Teoretycznie z kolimatorem irradiancja na powierzchni docelowej powinna być jednolita (niezależna od rozmieszczenia diod), a dany poziom promieniowana można osiągnąć przy mniejszej liczbie LED, ponieważ mniej mocy zostanie stracone. Alternatywnie, wyższe natężenie promieniowania można osiągnąć przy tej samej liczbie diod LED, w porównaniu do wersji bez optyki wtórnej (350 mW/ m² vs. 175 mW/m², rys. 7).

W praktyce irradiancja z optyką wtórną jest mniej jednorodna, ponieważ kolimacja nawet w najlepszych produktach jest niedoskonała ze względu na zjawisko dyfrakcji (chociaż im mniejsza dioda LED, tym lepsza kolimacja). Ponadto często potrzebne są długie eksperymenty z rozmieszczeniem diod LED i optyki wtórnej, aby zapewnić wymagane natężenie promieniowania przy mniejszej liczbie emiterów w porównaniu z podobnym projektem bez takiej optyki. Elementy optyki dla diod UV-C są wykonane z innych materiałów niż te stosowane w świetle widzialnym. Powszechnie stosowanymi rozwiązaniami są formowane wtryskowo kształtki silikonowe i odbłyśniki aluminiowe, które dobrze odbijają zakres UV-C.

 

Rys. 7. Użycie kolimatora przy użyciu optyki wtórnej (po lewej) zwiększa napromieniowanie obszaru docelowego

Środki ostrożności

Chociaż promieniowanie UV nie jest w stanie wniknąć głęboko w ludzką skórę, jest absorbowane i może powodować oparzenia. Światło UV jest szczególnie niebezpieczne dla oczu, ponieważ może uszkodzić zarówno siatkówkę, jak i rogówkę. W interakcji z powietrzem promieniowanie UV może również wytwarzać ozon, który w wysokich stężeniach jest uważany za zagrożenie dla zdrowia.

Zagrożenia te sprawiają, że dobrą praktyką jest projektowanie produktów, które uniemożliwiają użytkownikom bezpośrednie patrzenie na LED-y. Ponieważ promieniowanie UV-C jest niewidoczne, dobrą praktyką jest również wybieranie emiterów, które celowo mają widoczną emisję niebieskiego światła. Dzięki temu staje się oczywiste, kiedy diody działają.

Podsumowanie

Mimo, że najpopularniejszym sztucznym źródłem promieniowania UV-C jest lampa rtęciowa, coraz częściej diody LED UV-C stanowią bardziej wydajną i trwalszą alternatywę, która dodatkowo nie wymaga kosztownej utylizacji. Niemniej użycie diod nie jest łatwe i aby zmaksymalizować ich zalety, wymagane jest staranne zaprojektowanie części optycznej.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/