UV-A LED diody se vyrábějí relativně snadno tím, že se upraví modrá LED dioda. Tyto diody se již více než deset let používají v průmyslu pro vytvrzování plastů. Zničení SARS-CoV-2 však vyžaduje energičtější světlo UV-C.
V posledních několika letech jsou k dispozici komerční LED diody UV-C. Ty však nelze považovat za jednoduchou náhradu rtuťových výbojek, protože je nutné upravit celkový design elektronického systému. Dezinfekční elektronické zařízení vyžadují vysoký a přesně kontrolovaný sálavý tok, aby byl zajištěn správný provoz. Spektrum UV-C navíc není nebezpečné pouze pro bakterie a viry, ale jsou nebezpečné i pro člověka. S tím souvisí návrh důmyslné ochrany, aby se zabránilo zranění při neodborné manipulaci.
Tento článek stručně pojednává o typech UV záření a jeho roli při desinfekčních a sterilizačních úkonech. Popíšeme si výhody používání LED diod jako zdroje záření, ale i související konstrukční problémy. Představíme si řešení od Luminus Devices, Vishay Semiconductor Opto Division a SETi/ Seoul Viosys.
Proč používat UV světlo pro eliminaci patogenů?
UV záření se nachází v části elektromagnetického spektra mezi viditelným světlem a rentgenovým zářením. Obsahuje fotony s krátkou vlnovou délkou (400 až 100 nm). Vlnová délka záření je nepřímo úměrná frekvenci: čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je frekvence (obrázek 1).
Obrázek 1: UV záření se nachází těsně pod viditelným světlem. Jeho vlnová délka je mezi 100 a 400 nm a dělí se na tři typy, A, B a C. (Zdroj obrázku: Government of Canada)
Na základě interakce UV záření s biologickými materiály byly definovány tři typy UV světla:
- UV-A (400 až 315 nm)
- UV-B (314 až 280 nm)
- UV-C (279 až 100 nm)
Slunce produkuje všechny tři formy, ale člověk je exponován hlavně UV-A, protože přes ozónovou vrstvu Země proniká jen málo UV-B a žádné UV-C. Existuje však několik metod pro umělou výrobu všech tří typů UV světla, například pomocí rtuťové výbojky nebo nověji pomocí UV LED diody.
UV-C záření bylo zavedenou technologií pro eliminaci patogenů dlouho před současnou pandemií. Nedávný výzkum účinnosti UV-C na SARS-CoV-2 ukázal, že ultrafialové světlo o vlnové délce kolem 250 až 280 nm je přednostně absorbováno strukturou RNA viru a celková dávka 17 joulů na metr čtvereční (J / m 2 ) deaktivuje 99,9 procent těchto patogenů. Tato úroveň ozáření virus přímo nezabije, ale dostatečně naruší jeho RNA strukturu, aby se zabránilo jeho replikaci, čímž se stane neškodným.
Zdroje UV světla
Tradičním zdrojem UV světla je rtuťová výbojka, kde se světlo vyzařuje z plazmy odpařeného kovu, které je excitováno elektrickým výbojem. Excitace je fyzikální proces, při kterém dochází k přechodu energetického stavu atomu, molekuly či iontu na vyšší energetickou hladinu. Některé výbojky obsahují trubičku z tavného křemenného oblouku, který umožňuje emisi světla o vlnové délce UV-C 185 nm (obrázek 2).
Obrázek 2: Před příchodem LED UV-C byly nejpraktičtějším zdrojem UV světla nízkotlaké rtuťové výbojky. (Zdroj obrázku: JKL Components )
Rtuťové výbojky jsou ve srovnání s běžnými žárovkovými zdroji světla relativně účinné a stálé, ale jejich hlavní nevýhodou je uvolňování toxické rtuti do životního prostředí. Pokud se žárovka rozbije, jednoduše ji vyhodíme do sběrného odpadu. Pokud se totéž stane s výbojkou nastává problém. V uzavřené místnosti se musí důkladně vyvětrat a být maximálně opatrný při úklidu.
LED UV-C přinášejí dezinfekčním a sterilizačním aplikacím stejné výhody, jako u běžných LED světel pro běžné osvětlení. Čili vyšší účinnost, vyšší světelný výkon a nižší provozní náklady během své životnosti. Při likvidaci LED UV-C lampy nehrozí stejná environmentální a bezpečnostní rizika jako světelné zdroje na bázi rtuti.
Základem LED UV-C diod jsou modré LED diody, které používají substrát nitridu hlinitého gália (AlGaN) pro emitor s širším pásmem (kratší vlnovou délkou) než červené LED. LED diody UV-C jsou však méně účinné a jejich cena je vyšší v porovnání s modrými LED diodami. Je to dáno tím, že nitrid gália není pro UV-C záření moc prostupný. To znamená, že relativně málo emitovaných UV-C fotonů unikne z matrice do okolí. Nicméně vývoj pokročil a tato negativní vlastnost se částečně eliminovala pomocí reflexní metalizaci p-kontaktu. Tím se dosáhlo zvýšení účinnosti a dostupné UV-C LED diody nabízejí i dostatečný výkon. Proto se datové listy obecně vyhýbají číslům účinnosti a místo toho podrobně uvádějí světelný tok v miliwattech (mW) pro daný proud a napětí.
Příklad řešení UV-C LED
Na trhu existuje několik komerčních UV-C LED diod navržených speciálně pro desinfekci či sterilizaci. Například společnost Luminus Devices nabízí UV-C LED diodu XBT-3535-UV-A130-CC275-01 vyzařující světlo o vlnové délce 277 nm. LED dioda je schopna dodat 30 až 55 mW toku při proudu od 350 mA a napětí mezi 5 až 7,5 V (obrázek 3).
Obrázek 3: LED diody UV-C nabízejí maximální vyzařování v rozsahu 100 až 280 nm. Pro zničení patogenu SARS-CoV-2 je ideální vrchol mezi 250 až 280 nm. Zde zobrazená UV-C LED dioda XBT-3535-UV-A130-CC275-01 od Luminus Devices má vrchol při 277 nm. (Zdroj obrázku: Luminus Devices)
Alternativou k XBT-3535-UV-A130-CC275-01 je VLMU35CB20-275-120 od Vishay Semiconductor, která má vrcholovou hodnotu 277 nm. Dioda je postavena na keramické těle s křemičitým okénkem, které pomáhá prodloužit životnost. Sálavý výkon je 14 mW při proudu 150 mA a napětí 6,5 V (obrázek 4).
Obrázek 4: Vishay 277 nm UV-C LED je namontována v keramickém těle a má křemičité okénko pro delší životnost. LED má rozměry 3,45 x 3,45 x 1,78 mm. (Zdroj obrázku: Vishay)
SETi / Seoul Viosys nabízí UV-C LED diodu CUD5GF1B s vlnovou délkou 255 nm. Je umístěn také v keramickém pouzdře, které je uzpůsobeno pro povrchovou montáž a vyznačuje se nízkým tepelným odporem. Sálavý výkon je 7 mW při proudu 200 mA a napětí 7,5 V. Jeho největší výhodou je jeho stálost v teplotním rozsahu. LED vykazuje minimální odchylku emitované vlnové délky se zvyšující se teplotou. Odchyluje se pouze o 1 nm od své špičkové hodnoty 255 nm v teplotním rozsahu 25 až 80 °C. Stálost je důležitá pro zajištění správného dezinfekčního procesu. (obrázek 5).
Obrázek 5: UV-C LED CUD5GF1B od SETi / Seoul Viosys se odchyluje pouze o 1 nm od své špičkové hodnoty 255 nm v rozsahu teplot 25 až 50 °C. (Zdroj obrázku: SETi / Seoul Viosys)
Návrh s UV-C LED
UV-C LED diody mají úplně jiné konstrukční vlastnosti než rtuťové výbojky, a proto z tohoto důvodu nelze v zařízení pouze vyměnit jeden světelný zdroj za jiný. Při výběru LED UV-C pro dezinfekci by měl proces návrhu začít stanovením velikost plochy, na kterou bude třeba aplikovat UV-C světlo a radiační tok („ozáření“) ve wattech na metr čtvereční (watt / m 2 ).
Jednou z možností je dezinfekce vzduchu vycházejícího z klimatizace, kde 17 J / m 2 by na ploše 0,25 m2 by dezinfekce proudu vzduchu trvala přibližně pět sekund ozářením kolem 4 wattů / m 2 (čili pro plochu 0,25 m2 by to bylo 1 watt).
Jakmile máme vypočteno požadované ozáření, musíme vymyslet jak jej dodat. Musíme vzít v úvahu radiační tok každé LED a rozdělit celkovou intenzitu záření tímto počtem, aby se získal počet požadovaných LED pro danou aplikaci. Tento výpočet je značně zjednodušen, jelikož se nebere v úvahu, jak je tento tok distribuován. O dopadu radiačního toku na povrch rozhodují dva faktory. Vzdálenost LED k objektu a „úhel paprsku“ LED.
Pokud je LED dioda považována za bodový zdroj světla, její ozáření klesá podle zákona o inverzním čtverci. Například pokud je ve vzdálenosti 1 cm od bodu vyzařování ozáření 10 mW na centimetr čtvereční (mW / cm 2 ), pak 10 cm daleko ozáření klesne na 0,1 mW / cm 2.
Tento výpočet však předpokládá, že LED vyzařuje světlo rovnoměrně ve všech směrech. To však není pravda. LED mají optiku, která směruje sálavý tok v určitém směru. Výrobci obvykle uvádějí tento vyzařovací úhel v datovém listu, kde je definován jako úhel, při kterém je na obou stranách dosaženo 50 procent vrcholového ozáření.
Výše popsané UV-C LED diody od Luminus Devices, Vishay a SETi / Seoul Viosys mají vyzařovací úhly 130, 120 a 125 stupňů. Obrázek 6 ukazuje jak je takový úhel zobrazen v datovém listu pro XBT-3535-UV-A130-CC275-01. Tečkovaná čára vyznačuje místo, kde je dosaženo právě výše zmíněných 50 procent vrcholového ozáření. Tím se definuje úhel paprsku (65 + 65 stupňů).
Obrázek 6: Vyzařovací úhel UV-C LED diody XBT-3535-UV-A130-CC275-01 od společnosti Luminus Devices. Tečkovaná čára zobrazuje, kde je dosaženo 50 procent vrcholového záření. Čili úhel paprsku (65 + 65 stupňů). (Zdroj obrázku: Luminus Devices)
Klíčovou charakteristikou, která určuje úhel paprsku, je poměr matrice LED k velikosti primární optiky. Proto výroba užšího paprsku vyžaduje menší emitor nebo větší optiku (nebo odpovídající vyvážení těchto dvou). Konstrukční kompromis spočívá v tom, že menší matrice produkuje nižší emise, zatímco větší optiku je těžší vyrobit.
Komerční diody LED se obvykle dodávají s primární optikou namontovanou již z výroby. Proto je důležité zkontrolovat úhel paprsku u námi vytipovaných UV-C LED diod, protože dvě stejné LED diody od různých dodavatelů mohou mít zcela odlišné vlastnosti. Například teoreticky identický výstup a úhel paprsku se mohou značně lišit v intenzitě a kvalitě v závislosti na optickém provedení. Jediným způsobem, jak si být jistý výběrem je prakticky otestovat danou součástku. Konečná volba LED závisí na kompromisu mezi cenou, účinností a složitosti zapojení.
Návrh sekundární optiky
Zvýšení výkonu UV-C LED lze provést pomocí sekundární optiky. UV-C LED diody produkují paralelní světelné paprsky stejné intenzity. Abychom tyto všechny paprsky využili, musíme přidat optiku, která zajistí jejich odraz na požadovanou plochu. Tomu se říká kolimace paprsků.
Díky kolimace by mělo dojít k rovnoměrnému ozáření požadovaného povrchu nezávisle na uspořádání LED. Dané úrovně ozáření by mělo být dosaženo s menším počtem LED, protože se využijí všechny paralelní paprsky. Kolimací lze zvýšit výkon ze 175 mW / m2 až na hodnotu 350 mW / m2.(obrázek 7).
Obrázek 7: Kolimace pomocí sekundární optiky (vlevo) zvyšuje ozáření cílové oblasti. (Zdroj obrázku: LEDiL )
V praxi je ozáření sekundární optikou nerovnoměrné, protože kolimace i těch nejlepších produktů je kvůli difrakci nedokonalá. Často je také zapotřebí zdlouhavého experimentování s umístěním LED diod a sekundární optiky, aby se zajistilo požadované ozáření.
Sekundární optika pro LED UV-C je vyrobena z jiných materiálů, než jaké se používají u LED s viditelným světlem. Běžnými řešeními jsou vstřikované silikonové díly, které dobře odrážejí vlnovou délky UV-C a umožňují výrobu složitých designů čoček. Hliníkové reflektory lze také použít ke kolimaci UV-C. Vždy se musí zvolit kompromis mezi úspora nákladů kvůli použití méně LED diod a a zvýšené složitosti návrhu kolimátoru.
Bezpečnostní opatření
UV záření není schopno proniknout hluboko do lidské kůže. Proto je na povrchu absorbováno a může způsobit krátkodobé poškození kůže, jako jsou popáleniny, ale i dlouhodobé poškození, jako jsou vrásky a předčasné stárnutí pokožky. V extrémních případech může expozice UV záření způsobit rakovinu kůže. UV světlo je zvláště nebezpečné pro oči, kde může poškodit sítnici i rohovku. Při interakci se vzduchem může UV záření také produkovat ozon, který je při vysokých koncentracích považován za zdravotní riziko.Tato nebezpečí ztěžují navrh konečných produktů.
UV-C záření je pro lidské oko neviditelné, a proto je vhodné vybírat LED diody, které záměrně obsahují určité viditelné emise modrého světla. Tímto způsobem je zřejmé, že jsou LED diody UV-C zapnuty.
Zejména u SARS-CoV-2 je zabudování sterilizačních jednotek do HVAC zařízení rychlou zbraní proti vzduchem přenášeného viru a současně je zdroj UV-C mimo dosah lidí. Provádí se výzkum LED diod, které ozařují plochy jen s velmi nízkou úrovní UV-C (pro člověka neškodné), ale pokud ozařování trvá delší dobu poskytují dostatečnou ochranu vůči škodlivým patogenům na povrchu domácího nábytku (stůl, židle kliky od dveří, podlahy atd.).
Závěr
UV-C záření lze použít k likvidaci patogenů jako je SARS-CoV-2. Běžným umělým zdrojem UV-C je rtuťová výbojka, která při likvidaci představuje problém kvůli obsahu těžkých kovů. LED UV-C nabízejí efektivnější a stálost výstupního záření. Tyto LED však nejsou jednoduchou alternativou a je třeba pečlivě navrhnout design, abychom co nejvíce zužitkovali jejich výhody.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Steven Keeping.
