Podstawy technologii LED UV
| TechnikaNa przestrzeni ostatnich lat zanotowano znaczący postęp w technologii wytwarzania diod LED UV, dzięki czemu produkty te zdobywają coraz większą część rynku, skutecznie konkurując z tradycyjnymi lampami UV. Do głównych zalet diod LED UV w porównaniu do tradycyjnych źródeł światła zaliczyć można dużą trwałość, dużą szybkość przełączania oraz energooszczędność – podobnie jak w przypadku klasycznych diod LED pracujących w paśmie światła widzialnego. Ich obszar zastosowań obejmuje szerokie spektrum aplikacji – od dezynfekcji powierzchni do spektroskopii.
Dioda LED UV, podobnie jak zwykła dioda LED, jest zbudowana z wykorzystaniem wytworzonego w półprzewodniku złącza p-n, powstałego wskutek odpowiedniego domieszkowania wybranych obszarów materiału półprzewodnikowego. Przepływ ładunków elektrycznych przez złącze znajdujące się w stanie przewodzenia powoduje emisję światła – swobodne nośniki ładunku rekombinują, uwalniając foton, którego długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości przerwy energetycznej materiału, z którego wykonane jest złącze.
W celu otrzymania diody LED emitującej w paśmie UV konieczne jest zatem korzystanie z materiałów charakteryzujących się szeroką wartością przerwy energetycznej, tj. z III oraz V grupy układu okresowego. Określoną długość fali uzyskuje się zazwyczaj poprzez zmianę proporcji poszczególnych składników materiału półprzewodnikowego (np. glinu, indu czy galu).
Diody LED UV podlegają dalszej klasyfikacji ze względu na pasmo pracy. Wyróżnia się wersje UVA, UVB oraz UVC. Komponenty z zakresu UVA (tzw. bliskiego UV) wykonane są z InGaN (azotku galu domieszkowanego indem) na podłożu szafirowym. W paśmie UVB oraz UVC diody wykonuje się z azotku galu domieszkowanego glinem (AlGaN), przy czym dla uzyskania krótszej długości fali konieczne jest zwiększenie zawartości glinu w półprzewodniku.
Sprawność diod LED UV
Sprawność konwersji energii elektrycznej na promieniowanie świetlne może zostać wyrażona za pomocą wzoru na sprawność całkowitą (WPE, wall plug efficiency) elementu optycznego:
gdzie Pout to całkowita moc promieniowania świetlnego, I to natężenie prądu płynącego przez diodę, V to napięcie diody, nEQE to tzw. zewnętrzna sprawność kwantowa (stosunek liczby fotonów wyemitowanych przez diodę do liczby dostarczonych do niej elektronów), hv to energia pojedynczego fotonu, zaś e to ładunek elektryczny elektronu.
Równanie to pokazuje, że sprawność diody LED jest wprost proporcjonalna do zewnętrznej sprawności kwantowej, ta zaś w dużej mierze zależy od właściwości materiału, z którego wykonano złącze p-n. Diody LED UV charakteryzują się niestety znacząco niższą sprawnością niż ich odpowiedniki emitujące światło w paśmie widzialnym. O ile sprawność dla LED w paśmie widzialnym przekracza zazwyczaj 80%, o tyle w przypadku UVA współczynnik ten oscyluje w granicach 30%, zaś dla UVC nie przekracza obecnie 10%. Wraz z malejącą długością fali znacząco spada sprawność emisji, co przypisać można przede wszystkim niedoskonałościom w procesie wytwarzania materiałów półprzewodnikowych przeznaczonych do tego typu zastosowań. Złącza oparte na substancjach typu AlN oraz AlGaN osadzone na podłożach szafirowych charakteryzują się zazwyczaj stosunkowo dużą liczbą defektów wewnętrznych. Korzystanie z podłoży opartych na azotku glinu (AlN) pozwala na uzyskanie złączy lepszej jakości, jest jednak znacznie bardziej kosztowne.
Poprawa sprawności diod LED UV jest obecnie prawdopodobnie jednym z największych wyzwań stojących przed inżynierami rozwijającymi tę technologię. Kolejną trudność stanowi dobór odpowiednich materiałów obudowy diody, szczególnie w przypadku emisji w paśmie UVC. Znaczna część substancji charakteryzujących się wysoką transparentnością ulega szybkiej degradacji pod wpływem promieniowania UV dużej mocy, przez co w układach LED UV zazwyczaj nie jest możliwe bezpośrednie stosowanie materiałów i rozwiązań używanych powszechnie w diodach LED pracujących w paśmie widzialnym.
Właściwości termiczne
System chłodzenia pełni kluczową funkcję w kształtowaniu czasu życia, niezawodności oraz mocy promieniowania układów LED każdego typu, zaś szczególnie w przypadku LED UV, gdzie ilość rekombinacji nieradiacyjnych występujących w strukturze złącza jest wyjątkowo duża. Tego typu rekombinacje powodują zamianę energii elektrycznej w termiczną, są zatem bezpośrednio odpowiedzialne za niską sprawność urządzenia. W efekcie temperatura urządzenia podczas pracy szybko rośnie, powodując swego rodzaju dodatnie sprzężenie zwrotne – wzrost temperatury skutkuje wzrostem koncentracji wolnych nośników ładunku w materiale domieszkowanym, to zaś redukuje szerokość przerwy energetycznej. Jednocześnie prawdopodobieństwo powstania rekombinacji radiacyjnej (skutkującej emisją fotonu) maleje, przez co wzrasta liczba rekombinacji nieradiacyjnych, co przyspiesza dalsze nagrzewanie się elementu.
W rezultacie wzrost temperatury diody LED prowadzi do redukcji mocy promieniowania emitowanej przez ten element (rys. 3). Dłuższa praca przy zwiększonej temperaturze złącza może również skutkować obniżeniem żywotności oraz niezawodności układu.
Przykładowy wykres charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED UVC przedstawiono na rysunku 4. Jest ona podobna do tej znanej z klasycznej diody LED, charakteryzuje się jednak znacznie wyższą wartością napięcia przewodzenia, a to ze względu na wyższą szerokość przerwy energetycznej. Podobnie jak w przypadku klasycznych LED, moc emitowanego strumienia świetlnego jest proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez złącze, przy czym nie jest to zależność liniowa. Ze względu na wspomniane już kłopoty z nagrzewaniem się diody zbyt duża wartość natężenia prądu może prowadzić do istotnego wzrostu temperatury złącza, to zaś obniża moc emitowanego promieniowania.
|
Rekombinacja – połączenie się pary cząstek o przeciwnych ładunkach elektrycznych. W przypadku materiałów przewodnikowych rekombinacji podlegają pary elektron–dziura. Podczas rekombinacji elektron przechodzi z pasma przewodnictwa do jednego z wolnych stanów w paśmie walencyjnym. Uwolniona w tym procesie energia może zostać przekazana innemu nośnikowi lub wyemitowana w postaci fotonu (promieniowanie świetlne). |
Zastosowania
Diody LED przeznaczone do pracy w górnych obszarach pasma UVA są dostępne na rynku już od końca lat 90. ubiegłego wieku. Już od tego czasu powszechnie wykorzystywano jest w urządzeniach służących m.in. do weryfikacji oryginalności dokumentów (odczyt znaków wodnych na banknotach, dokumentach) oraz w kryminalistyce. Wymagania dotyczące mocy wyjściowej w tego typu zastosowaniach są bardzo niskie, a długości fal mieszczą się w zakresie 390‒420 nm. W początkowym okresie rozwoju technologii krótsze długości fal oraz większe moce wyjściowe nie były jeszcze dostępne. Ze względu na ich stosunkowo długą obecność na rynku i łatwość produkcji tego typu diody LED znaleźć można w katalogach wielu producentów, charakteryzują się też najniższą ceną spośród wszystkich układów LED UV.
Na przestrzeni ostatnich kilku lat zaobserwować można rosnące zapotrzebowanie na produkty z obszaru środkowej części pasma UVA. Promieniowanie tego typu wykorzystywane jest powszechnie w procesie utwardzania materiałów, zarówno w zastosowaniach przemysłowych, jak i użytkowych. Układy LED mają kilka istotnych zalet w porównaniu do tradycyjnie wykorzystywanych w tych procesach lamp rtęciowych lub fluorescencyjnych – wyższą sprawność, niższe rozmiary oraz mniejsze koszty serwisu. Diody pracujące w tym zakresie charakteryzują się znacząco wyższą ceną niż w przypadku górnej części pasma UVA, jednak oczekuje się, że w najbliższej przyszłości ich koszt obniży się ze względu na rosnący wolumen produkcji oraz postępy w procesie wytwarzania.
Diody emitujące promieniowanie z zakresu dolnej części pasma UVA oraz górnej części UVB (ok. 300‒350 nm) są wciąż swego rodzaju nowością w powszechnej sprzedaży. Mogą zostać wykorzystane w procesach przemysłowych, biomedycznych, jak też w różnego rodzaju czujnikach.
Diody z zakresu UVC i dolnej części pasma UVB (ok. 250‒300 nm) to dotychczas najmniej rozwinięta część branży LED UV. Panuje jednak powszechne przekonanie o dużych perspektywach rozwoju, związanych szczególnie z możliwością zastosowań tego typu produktów w systemach oczyszczania i dezynfekcji powietrza, wody oraz różnego typu powierzchni.
Środki bezpieczeństwa
Podczas projektowania urządzeń wykorzystujących źródła światła UV należy pamiętać o zapewnieniu odpowiednich środków bezpieczeństwa dla ich użytkowników. W zasadzie niemal każda ekspozycja na promieniowanie UV może stanowić zagrożenie dla człowieka. Najmniejsze zagrożenie stanowi emisja z zakresu UVA – krótkotrwały kontakt z promieniowaniem niskiej mocy nie powinien negatywnie odbić się na zdrowiu użytkownika.
Jednak zarówno promieniowanie UVB, UVC, jak i większe dawki UVA mogą prowadzić do chwilowego lub trwałego uszkodzenia wzroku (w tym całkowitej jego utraty) a także do powstania nowotworów skóry. Diody LED UVB oraz UVC w zasadzie zawsze powinny być zabezpieczone przed możliwością bezpośredniego kontaktu z użytkownikiem, zaś każde urządzenie emitujące UV powinno mieć odpowiednie oznaczenie (np. w formie nalepki z ostrzeżeniem).
Podsumowanie
Mimo że przed diodami UV wciąż wiele wyzwań i problemów, takich jak niska sprawność energetyczna czy wysoki koszt produkcji, jednak zalety diod UV LED już teraz czynią je atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych lamp UV w wielu obszarach zastosowań. Duże oczekiwania rynku oraz związane z tym wysokie nakłady na prace badawcze powinny w niedalekiej przyszłości przyczynić się do kolejnych postępów w rozwoju tej technologii, w efekcie zaś do jej dalszego upowszechnienia w obecnych i nowych obszarach zastosowań.
Damian Tomaszewski
