Jak używać diod LED UV-C do bezpiecznego, skutecznego i wydajnego zwalczania patogenów

Pandemia COVID-19 zmotywowała inżynierów do rozważenia zastosowania światła ultrafioletowego (UV) w produktach do dezynfekcji i sterylizacji, które „dezaktywują” SARS-CoV-2 (wirusa wywołującego COVID-19). W konwencjonalnych produktach do dezynfekcji i sterylizacji do emitowania światła w wymaganym widmie UV-A w celu eliminacji patogenów wykorzystuje się niskoprężne lampy rtęciowe. Jednakże diody LED oferują wiele zalet, w tym większą sprawność, wyższą moc świetlną, dłuższą żywotność i niższe koszty eksploatacji.

Diody LED UV-A są stosunkowo łatwe w produkcji - poprzez dostosowanie diod LED światła niebieskiego do prawie widzialnego zakresu widma - i stosuje się je w przemyśle do utwardzania od kilkunastu lat. Jednak dezaktywacja wirusa SARS-CoV-2 wymaga mocniejszego promieniowania UV-C.

W ciągu ostatnich kilku lat na rynku pojawiły się diody LED UV-C. Jednak tych urządzeń nie można traktować jako prostego zamiennika konwencjonalnych lamp rtęciowych, ponieważ wprowadzają one wiele nowych wyzwań projektowych. Na przykład produkty do dezynfekcji i odkażania wymagają wysokiego i ściśle kontrolowanego strumienia promieniowania, aby zapewnić prawidłowe działanie. Ponadto diody LED UV-C są nie tylko niebezpieczne dla bakterii i wirusów, ale także dla ludzi, dlatego ważną częścią procesu projektowania jest odpowiednia ochrona.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono rodzaje promieniowania UV i jego rolę w odkażaniu i zwalczaniu patogenów. Dalej opisano korzyści wynikające ze stosowania diod LED jako źródła promieniowania, a także związane z tym wyzwania projektowe. Następnie przedstawiono rozwiązania tych problemów na przykładzie diod LED UV firm OSRAM Opto Semiconductors, Inc,, Everlight Electronics i SETi/Seoul Viosys.

Dlaczego używamy światła UV do zwalczania patogenów?

Promieniowanie UV mieści się w widmie elektromagnetycznym między światłem widzialnym a promieniowaniem rentgenowskim i obejmuje fotony o krótkiej fali (400-100nm) i odpowiednio wysokich energiach. Długość fali promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości: im krótsza fala, tym wyższa częstotliwość (ilustracja 1).

Ilustracja 1: w widmie elektromagnetycznym promieniowanie UV przypada na zakres tuż poniżej światła widzialnego o długości fali od 100 do 400 nm i dzieli się na trzy typy, A, B i C. (Źródło ilustracji: rząd Kanady)

Na podstawie interakcji promieniowania UV z materiałami biologicznymi zdefiniowano trzy rodzaje światła UV: UV-A (400 do 315nm); UV-B (314 do 280nm); i UV-C (279 do 100nm). Słońce wytwarza wszystkie trzy rodzaje, ale ekspozycja ludzi jest ograniczona głównie do typu UV-A, ponieważ przez warstwę ozonową Ziemi promieniowanie UV-B przenika w niewielkim stopniu a UV-C nie przenika wcale. Istnieje jednak kilka metod sztucznego wytwarzania wszystkich trzech rodzajów światła UV, na przykład lampy rtęciowe, a ostatnio także diody LED UV.

Promieniowanie UV-C było uznaną technologią zwalczania patogenów na długo przed obecną pandemią. W konwencjonalnych produktach jako źródło promieniowania UV wykorzystuje się lampy rtęciowe. Ostatnie badania nad skutecznością oddziaływania promieniowania UV-C na SARS-CoV-2 wykazały, że światło UV o długości fali około 250 do 280nm jest najlepiej absorbowane przez RNA wirusa, a całkowita dawka 17J/m² dezaktywuje 99,9 procent patogenów. Należy zwrócić uwagę, że ten poziom napromieniowania nie zabija wirusa od razu, ale zakłóca jego RNA na tyle, aby uniemożliwić jego replikację, czyniąc go nieszkodliwym przy jednoczesnym ograniczeniu ekspozycji ludzi na promieniowanie UV.

Źródła światła ultrafioletowego

Tradycyjnym źródłem światła ultrafioletowego (UV) jest lampa rtęciowa. Jest to gazowe urządzenie wyładowcze, w którym światło emitowane przez plazmę par metalu jest wzbudzane przez wyładowanie elektryczne. Niektóre produkty zawierają lampę wyładowczą ze szkła kwarcowego, która charakteryzuje się emisją szczytową przy długości fali UV-C 185nm (oprócz niektórych rodzajów promieniowania UV-A i UV-B) w dezynfekcji i sterylizacji (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przed pojawieniem się diod LED UV-C najbardziej praktycznym źródłem światła UV były niskoprężne lampy rtęciowe. (Źródło ilustracji: JKL Components)

Lampy rtęciowe są stosunkowo wydajne i trwałe w porównaniu z tradycyjnymi żarowymi źródłami światła, ale ich główną wadą jest uwalnianie toksycznej rtęci do środowiska, jeśli żarówka pęknie podczas normalnego użytkowania lub utylizacji.

Z drugiej strony diody LED UV-C w zastosowaniach dezynfekcyjnych i sterylizacyjnych oferują te same kluczowe zalety, jakie zapewniają diody LED w oświetleniu ogólnym, w tym skuteczność, wyższe natężenie światła, dłuższy okres i niższe koszty eksploatacji. Pomimo że nadal należy zachować ostrożność podczas utylizacji diod LED, nie stanowią one takiego samego zagrożenia dla środowiska, jak źródła światła zawierające rtęć.

Diody LED UV-C oparte są na technologii diod LED światła niebieskiego. Wykorzystują one podłoża z azotku galu-glinu (AlGaN) jako platformę dla źródeł promieniowania o szerszym paśmie wzbronionym (krótszej długości fali) niż czerwone diody LED. Jednak diody LED UV-C są mniej wydajne i droższe niż niebieskie diody LED, w dużej mierze dlatego, że azotek galu nie jest przezroczysty dla promieniowania UV-C. W rezultacie ze struktury uwalnianych jest stosunkowo niewiele emitowanych fotonów UV-C.

W celu zwiększenia skuteczności diod LED UV stosuje się obecnie najnowsze osiągnięcia, w tym odblaskową metalizację styku typu p, wzorzyste podłoża, teksturowane powierzchnie, efekty mikrowgłębień i kształtowanie objętościowe, a produkty komercyjne oferują teraz rozsądną wydajność.Inżynierowie powinni jednak mieć świadomość, że te urządzenia wykazują niższy poziom skuteczności niż diody LED światła widzialnego, a dodatkowa złożoność związana z ekstrakcją fotonów podnosi koszty. W arkuszach danych producenci co do zasady unikają podawania liczb dotyczących skuteczności, a zamiast tego podają szczegółowe informacje o strumieniu (w miliwatach (mW)) dla danego prądu i napięcia sterującego.

Przykładowe rozwiązania LED UV-C

Na rynku dostępnych jest kilka diod LED UV-C zaprojektowanych specjalnie do emitowania promieniowania o długości fali optymalnej do dezaktywacji patogenów. Firma OSRAM Opto Semiconductors Inc. oferuje na przykład diodę LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636 o długości fali 275nm. Wspomniana dioda LED dostarcza całkowity strumień promieniowania od 35 do 100mW (w zależności od wyboru binu) przy natężeniu 350mA i napięciu 5-6V w kierunku przewodzenia (lustracja 3).

Ilustracja 3: szczytowa emisja światła w przypadku diod LED UV-C występuje w zakresie od 100 do 280nm. W przypadku dezaktywacji SARS-CoV-2 idealny szczyt znajduje się między 250 a 280nm. Ukazany tutaj strumień promieniowania diody LED UV-C OSRAM OSLON osiąga szczyt przy 277nm. (Źródło ilustracji: OSRAM)

Innym przykładowym urządzeniem jest dioda LED UV-C ELUC3535NUB firmy Everlight Electronics, emitująca promieniowanie o długości od 270 do 285nm. Urządzenie wykorzystuje materiał ceramiczny i charakteryzuje się mocą promieniowania 10mW przy prądzie 100mA i napięciu od 5 do 7V w kierunku przewodzenia (Ilustracja 4).

Ilustracja 4: dioda LED UV-C firmy Everlight Electronics emituje fale o długości od 270 do 285nm jest zamocowana w ceramicznym korpusie. Dioda LED ma wymiary 3,45 x 3,45mm. (Źródło ilustracji: Everlight Electronics)

Firma SETi/Seoul Viosys oferuje natomiast diodę CUD5GF1B. Dioda LED będąca źródłem promieniowania 255nm, jest zamontowana w ceramicznej obudowie do montażu powierzchniowego i charakteryzuje się niskim oporem cieplnym. Moc promieniowania urządzenia wynosi 7mW przy natężeniu prądu 200mA i napięciu zasilania 7,5V. Dioda LED wykazuje minimalne odchylenie długości emitowanej fali wraz ze wzrostem temperatury: odchylenie od szczytowej mocy wyjściowej 255nm wynosi zaledwie 1nm w zakresie temperatur struktury 50°C. Zapewnienie dobrej dezaktywacji wirusów (ilustracja 5) to ważna kwestia w przypadku urządzenia, które wymaga ściśle kontrolowanych parametrów wyjściowych.

Ilustracja 5: dioda LED UV-C CUD5GF1B firmy SETi/Seoul Viosys charakteryzuje się odchyleniem zaledwie o 1nm od szczytowej mocy wyjściowej 255nm w zakresie temperatury struktury 50°C. (Źródło ilustracji: SETi/Seoul Viosys)

Projektowanie z wykorzystaniem diod LED UV-C

Z diodami LED związany jest oddzielny wachlarz wyzwań projektowych, więc próba dostosowania produktu zaprojektowanego z myślą o rtęciowym źródle światła do diod LED UV-C jest niepraktyczna. Z tego powodu wymiana lamp rtęciowych na diody LED UV-C w zastosowaniach dezynfekcyjnych lub sterylizacyjnych to nie tylko kwestia zamiany jednego źródła światła na inne.

Gdy wybieramy diody LED UV-C do dezynfekcji lub sterylizacji, proces projektowania trzeba rozpocząć od określenia obszaru, w którym będzie wymagane zastosowanie światła UV-C oraz strumienia promieniowania („irradiancja”) w watach na metr kwadratowy (W/m²) wymaganego do dezaktywacji patogenów docelowych w naświetlanej strefie.

Rozważmy na przykład rozwiązanie do dezynfekcji powietrza wydostającego się z kanału klimatyzacji. Na podstawie powyższego wymagania 17J/m² dla powierzchni 0,25m², dezaktywacja wirusów w strumieniu powietrza w ciągu około pięciu sekund wymagałaby układu o irradiancji około 4W/m² (aby uzyskać łączną moc 1W).

Po obliczeniu irradiancji, inżynier może opracować sposób jej uzyskania. Co do zasady należy przeanalizować strumień promieniowania każdej diody LED i podzielić całkowitą irradiancję przez tę liczbę, aby uzyskać liczbę diod LED wymaganych dla każdego produktu z listy wstępnie wyselekcjonowanych komponentów.

Te przybliżone obliczenia są uproszczeniem, ponieważ nie uwzględniają rozkładu tego strumienia. O tym, jak strumień promieniowania pada na powierzchnię docelową, decydują dwa czynniki. Pierwszy to odległość diody LED od obiektu, a drugi to „kąt wiązki” diody LED.

Jeśli dioda LED jest traktowana jako źródło punktowe, jej irradiancja spada zgodnie z prawem odwrotnych kwadratów. Na przykład, jeśli w odległości 1cm od punktu emisji irradiancja wynosi 10mW/cm², wówczas w odległości 10cm spadnie do 0,1mW/cm². Jednak w tych obliczeniach przyjęto, że dioda LED promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach, co nie ma miejsca. Zamiast tego diody LED są wyposażone w podstawowe elementy optyczne, która kierują strumień promieniowania w określoną stronę. Producenci zazwyczaj podają kąt wiązki diod LED w arkuszu danych i jest on definiowany jako kąt, pod którym osiągane jest 50 procent irradiancji szczytowej po obu stronach źródła.

Kąty wiązek opisanych powyżej diod LED UV-C firm OSRAM, Electronics SETi/Seoul Viosys p wynoszą odpowiednio 120, 120 i 125 stopni. Ilustracja 6 przedstawia rozkład irradiancji diody LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 firmy OSRAM. Linia przerywana między 0,4 a 0,6 wskazuje na wykresie miejsce, gdzie osiągnięto 50 procent irradiancji szczytowej, co definiuje kąt wiązki (60 + 60 stopni).

Ilustracja 6: na rozkładzie irradiancji diody LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C firmy OSRAM, linia przerywana między 0,4 a 0,6 wskazuje, gdzie osiągnięto 50 procent irradiancji szczytowej, co definiuje kąt wiązki (60 + 60 stopni). (Źródło ilustracji: OSRAM)

Kluczową cechą określającą kąt wiązki jest stosunek struktury LED do rozmiaru optyki pierwotnej. Dlatego wytwarzanie węższej wiązki wymaga mniejszego źródła promieniowania lub większej optyki (lub odpowiedniej równowagi obu). Kompromis polega na tym, że mniejsza struktura generuje niższe emisje, podczas gdy większe elementy optyczne są trudniejsze do wykonania, co podnosi ceny i ogranicza kontrolę kąta wiązki.

Dostępne na rynku diody LED są zwykle dostarczane z fabrycznie zamontowanymi podstawowymi elementami optycznymi, więc decyzja o stosunku rozmiarów struktury do optyki jest poza kontrolą inżyniera-projektanta. Dlatego ważne jest, aby sprawdzić kąt wiązki wstępnie wyselekcjonowanych produktów, ponieważ dwa identyczne urządzenia wyjściowe od różnych dostawców mogą mieć zupełnie inne układy emisji.

Chociaż odległość diody LED od naświetlanego obiektu i kąt wiązki stanowią dobry punkt wyjściowy jeśli chodzi o ustalenie układu napromieniowywania, istnieją pewne źródła rozbieżności. Na przykład układy światła diod LED od jednego producenta, o teoretycznie identycznych parametrach wyjściowych i kątach wiązki mogą znacznie różnić się intensywnością i jakością w zależności od budowy podstawowych elementów optycznych. Jedynym sposobem na upewnienie się co do rzeczywistego rozkładu irradiancji jest przetestowanie wydajności wstępnie wyselekcjonowanych produktów.

Znając parametry wyjściowe diody LED, odległość między diodą a powierzchnią, na której będą znajdować się elementy do dezynfekcji, kąt wiązki i rzeczywiste dane dotyczące emisji, inżynier może obliczyć, ile diod LED będzie potrzebnych i jak należy je rozmieścić w celu wygenerowania pożądanej irradiancji na aktywnym obszarze.

Ostateczny dobór diod LED sprowadza się do wymaganego kompromisu między kosztem, wydajnością i złożonością. Diody LED UV-C są drogie, więc jednym ze sposobów mogłoby być użycie mniejszej liczby urządzeń o większej mocy zamiast większej liczby mniej wydajnych urządzeń. Zaletą tego podejścia jest to, że koszt komponentu LED może być niższy, a złożoność sterownika zmniejszona. Wadą natomiast jest to, że ze względu na niską skuteczność, mocniejsze urządzenia będą wymagały lepszego odprowadzania ciepła, aby zachować długi okres użytkowania (wysokie temperatury radykalnie skracają żywotność diod LED). Wymaga to większych radiatorów, co niweluje część przewidywanych oszczędności.

Projektowanie wtórnych elementów optycznych

Alternatywą dla dodawania kolejnych diod LED oraz zwiększenia ich mocy jest rozważenie zastosowania wtórnych elementów optycznych. Urządzenia te kolimują (wytwarzają równoległe wiązki światła o jednakowym natężeniu) na wyjściu UV-C z diody LED, aby skutecznie wyeliminować wszelkie efekty związane z kątem wiązki. Teoretycznie przy zastosowaniu kolimacji irradiancja na całej powierzchni docelowej powinna być jednorodna (niezależnie od rozmieszczenia diod), a dany poziom irradiancji powinien być osiągnięty przy mniejszej liczbie diod, ponieważ straty mocy będą mniejsze. Alternatywnie, za pomocą tej samej liczby diod LED, można osiągnąć wyższą irradiancję w porównaniu z projektem bez wtórnych elementów optycznych (350mW/m² w porównaniu z 175mW/m²) (ilustracja 7).

Ilustracja 7: kolimacja emisji UV-C przy użyciu wtórnych elementów optycznych (po lewej) zwiększa irradiancję obszaru docelowego w porównaniu z układem z taką samą mocą wyjściową LED, ale wykorzystującym (niekolimowane) podstawowe elementy optyczne. (Źródło ilustracji: LEDiL)

W praktyce irradiancja z wtórnymi elementami optycznymi jest mniej niż jednorodna, ponieważ kolimacja nawet najlepszych produktów jest niedoskonała z powodu dyfrakcji (chociaż im mniejsza dioda LED, tym lepsza kolimacja). Ponadto często potrzebne jest długie eksperymentowanie z pozycjonowaniem diod LED i wtórnych elementów optycznych, aby zapewnić wymagane natężenie napromienienia z mniejszej liczby urządzeń, w porównaniu z podobną konstrukcją bez optyki wtórnej.

Należy zauważyć, że wtórne elementy optyczne dla diod LED UV-C są wykonane z innych materiałów niż te stosowane w diodach LED światła widzialnego. Typowe rozwiązania to formowane wtryskowo części silikonowe, które dobrze odbijają fale UV-C i pozwalają na wykonanie złożonych konstrukcji soczewkowych. Do kolimacji promieniowania UV-C można również użyć reflektorów aluminiowych. Kompromisem w przypadku korzystania z wtórnych elementów optycznych jest oszczędność kosztów wynikających z zastosowania mniejszej liczby diod LED w porównaniu ze zwiększoną złożonością wynikającą z projektowania kolimatora.

Środki ostrożności

Chociaż promieniowanie UV nie jest w stanie penetrować głęboko ludzkiej skóry, jest wchłaniane i może powodować uszkodzenia krótkotrwałe, takie jak oparzenia i długotrwałe, takie jak zmarszczki i przedwczesne starzenie się skóry. W skrajnych przypadkach ekspozycja na promieniowanie UV może powodować raka skóry. 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 ograniczają ekspozycję na światło UV-C i uniemożliwiają użytkownikom patrzenie bezpośrednio na diodę LED. Ponieważ światło UV-C jest niewidoczne, dobrą praktyką jest również wybieranie diod LED, które celowo emitują pewną ilość widocznego światła niebieskiego. Dzięki temu staje się oczywiste, kiedy diody LED UV-C są włączone.

Włączenie urządzeń sterylizacyjnych do urządzeń klimatyzacyjno-wentylacyjnych, w szczególności w przypadku SARS-CoV-2, umożliwia szybką dezaktywację wirusów przenoszonych drogą powietrzną, bez narażania ludzi na promieniowanie UV-C. Oprócz tego prowadzone są badania nad diodami LED, które można montować w oprawach oświetleniowych w celu naświetlania powierzchni przy zachowaniu bardzo niskiego poziomu promieniowania UV-C nieszkodliwego dla ludzi, które jednak przy długim czasie ekspozycji byłoby wystarczające, aby dezaktywować wszelkie wirusy na powierzchniach takich jak stoły, krzesła, podłogi i klamki.

Podsumowanie

Promieniowanie UV-C można wykorzystać do dezaktywacji patogenów, takich jak SARS-CoV-2, w produktach do dezynfekcji i sterylizacji. Powszechnym sztucznym źródłem UV-C jest lampa rtęciowa, która stanowi wyzwanie przy utylizacji ze względu na zawartość metali ciężkich. Diody LED UV-C stanowią bardziej wydajną i trwalszą alternatywę, która nie stwarza problemów z utylizacją. Na rynku pojawiło się wiele diod LED UV-C charakteryzujących się szczytową emisją przy długościach fal idealnie dostosowanych do dezaktywacji patogenów.

Jednak nie wystarczy zastąpić starego rozwiązania omawianymi diodami LED - aby zmaksymalizować ich zalety, wymagany jest szczegółowy projekt. Projektant musi rozpocząć od ustalenia irradiancji, którą chce uzyskać na powierzchni czynnej i na tej podstawie obliczyć liczbę i rozmieszczenie diod LED UV-C potrzebnych do jej uzyskania. Projektant musi również zdecydować, czy polegać na podstawowych elementach optycznych diod LED, aby otrzymać równomierną irradiancję, czy też zastosować wtórne elementy optyczne do kolimacji wyjścia UV-C w celu uzyskania optymalnego układu, mając na uwadze koszt wynikający z większej złożoności.