Kampf gegen Viren, Keime & Co.
So gelingt das Design mit UV-C-LEDs
Ultraviolettes Licht hat sich zur Bekämpfung von Krankheitserregern bewährt. Doch es gibt unterschiedliche Arten sowohl von UV-Licht als auch von UV-Lichtquellen. Welche Vorteile LEDs in diesem Zusammenhang bieten und was bei der Auswahl der Komponenten sowie beim Design zu beachten ist.
Von Rolf Horn, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics
Die Covid-19-Pandemie hat der Desinfektion und Sterilisation mittels ultraviolettem (UV-)Licht neuen Vorschub beschert. Im Vergleich zu herkömmlichen Desinfektionslösungen mit zumeist Niederdruck-Quecksilberdampflampen, die im erforderlichen UV-A-Spektrum zur Keimabtötung emittieren, bieten LEDs viele Vorteile: größere Effizienz, höhere Lichtleistung, längere Lebensdauer und niedrigere Lebensdauerkosten. UV-A-LEDs sind relativ einfach herzustellen – durch Anpassung von Blaulicht-LEDs an die etwas höheren Frequenzen – und sind seit Langem für industrielle Aushärtungsanwendungen verfügbar. Zur Deaktivierung von SARS-CoV-2 ist jedoch energiereicheres UV-C erforderlich.
In den vergangenen Jahren sind UV-C- LEDs kommerziell verfügbar geworden. Allerdings können diese Komponenten nicht als einfacher direkter Ersatz für herkömmliche Quecksilberdampflampen betrachtet werden, da sie viele neue Herausforderungen an das Design stellen. Zum Beispiel erfordern Desinfektions- und Sterilisationsprodukte einen hohen und genau kontrollierten Strahlungsfluss, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Außerdem sind UV-C- LEDs nicht nur für Bakterien und Viren gefährlich, sondern auch für den Menschen, sodass ein angemessener Schutz ein wichtiger Bestandteil des Designprozesses ist.
Warum überhaupt UV-Licht zur Erregerbekämpfung?
UV-Strahlung reiht sich in das elektromagnetische Spektrum zwischen sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung ein. Es umfasst kurzwellige (400 bis 100 nm) Photonen mit entsprechend hohen Energien. Die Wellenlänge der Strahlung ist umgekehrt proportional zur Frequenz: je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz (Bild 1).
Basierend auf der Wechselwirkung von UV-Strahlung mit biologischen Materialien wurden drei Arten von UV-Licht definiert: UV-A (400 bis 315 nm), UV-B (314 bis 280 nm) und UV-C (279 bis 100 nm). Die Sonne produziert alle drei Formen, aber die Exposition des Menschen ist hauptsächlich auf UV-A beschränkt, weil nur wenig UV-B und kein UV-C in die Ozonschicht der Erde eindringen. Es gibt jedoch mehrere Methoden zur künstlichen Erzeugung aller drei Arten von UV-Licht, z. B. Quecksilberdampflampen und inzwischen auch UV-LEDs.
UV-C-Strahlung war schon lange vor der aktuellen Pandemie eine etablierte Technologie zur Ausrottung von Krankheitserregern. Konventionelle Produkte verwenden Quecksilberdampflampen als UV-Quelle. Neuere Untersuchungen zur Wirksamkeit von UV-C auf SARS-CoV-2 haben gezeigt, dass UV-Licht einer Wellenlänge von etwa 250 bis 280 nm bevorzugt von der RNA des Virus absorbiert wird und eine Gesamtdosis von 17 Joule pro Quadratmeter (J/m2) 99,9 Prozent der Erreger deaktiviert. Diese Bestrahlungsstärke tötet das Virus nicht vollständig ab, stört seine RNA aber ausreichend, um es an der Replikation zu hindern, wodurch es unschädlich gemacht wird, während die UV-Exposition des Menschen begrenzt wird.
Quellen für UV-Licht
Die traditionelle Quelle für UV-Licht ist die Quecksilberdampflampe. Dies ist ein Gasentladungsgerät, bei dem Licht aus dem Plasma des verdampften Metalls emittiert wird, wenn es durch eine elektrische Entladung angeregt wird. Einige Produkte enthalten eine Quarzbogenröhre, die eine Spitzenemission bei der UV-C-Wellenlänge von 185 nm (zusätzlich zu einer gewissen UV-A- und UV-B-Emission) für Desinfektions- und Sterilisationszwecke erzeugt (Bild 2).
Quecksilberdampflampen sind im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen relativ effizient und langlebig, ihr größter Nachteil ist jedoch die Freisetzung von giftigem Quecksilber in die Umwelt, wenn der Kolben während des normalen Gebrauchs oder bei der Entsorgung zerbricht.
UV-C-LEDs hingegen bieten für Desinfektions- und Sterilisationsanwendungen die gleichen wichtigen Vorteile wie LEDs für die Allgemeinbeleuchtung, einschließlich Effizienz, höherer Lichtleistung, längerer Lebensdauer und geringeren Lebensdauerkosten. Außerdem müssen LEDs zwar immer noch mit Vorsicht entsorgt werden, stellen aber nicht die gleichen Umweltrisiken dar wie quecksilberhaltige Leuchtmittel.
UV-C-LEDs bauen auf der Technologie der blauen LEDs auf. Diese verwenden Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN)-Substrate als Plattform für Emitter mit breiterer Bandlücke (kürzere Wellenlänge) als rote LEDs. Allerdings sind UV-C-LEDs weniger effizient und kosten mehr als blaue LEDs, vor allem, weil Galliumnitrid für UV-C-Strahlung nicht transparent ist. Dadurch entweichen relativ wenige emittierte UV-C-Photonen aus der Matrize. Neueste Entwicklungen wie reflektierende p-Kontaktmetallisierung, strukturierte Substrate, texturierte Oberflächen, Mikrokavitätseffekte und volumetrische Formgebung werden jetzt eingesetzt, um die Effizienz von UV-LEDs zu erhöhen, und kommerzielle Produkte bieten jetzt eine angemessene Leistung. Entwickler sollten sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Komponenten einen geringeren Wirkungsgrad als LEDs mit sichtbarem Licht aufweisen und die zusätzliche Komplexität, die mit der Extraktion der Photonen verbunden ist, die Kosten in die Höhe treibt. Die Datenblätter der Hersteller vermeiden in der Regel Wirkungsgradangaben und geben stattdessen den Fluss in mW für einen bestimmten Antriebsstrom und eine bestimmte Spannung an.
Beispiele für UV-C-LEDs
Es gibt mehrere kommerzielle UV-C-LEDs auf dem Markt, die speziell dafür ausgelegt sind, Strahlung mit der optimalen Wellenlänge zur Inaktivierung von Krankheitserregern zu emittieren. Luminus Devices bietet zum Beispiel die XBT-3535-UV-A130-CC275-01 an, eine UV-C-LED, die bei 277 nm emittiert. Die LED liefert zwischen 30 und 55 mW Lichtstrom (abhängig von der Auswahl des Bin) bei 350 mA Betriebsstrom und 5 bis 7,5 V Betriebsspannung (Bild 3).
Eine Alternative zur XBT-3535-UV-A130-CC275-01 von Luminus Devices ist die VLMU35CB20-275-120, eine 277-nm-UV-C-LED von Vishay. Diese Komponente ist eine UV-C-LED auf Keramikbasis mit einem Quarzfenster, das zur Verlängerung der Lebensdauer beiträgt. Die Strahlungsleistung der LED beträgt 14 mW bei einem Ansteuerungsstrom von 150 mA und einer Spannung von 6,5 V (Bild 4).
SETi/Seoul Viosys bietet die CUD5GF1B an. Die LED, ein 255-nm-Emitter, ist in einem Keramikgehäuse für die Oberflächenmontage untergebracht und zeichnet sich durch einen geringen thermischen Widerstand aus. Die Strahlungsleistung der Komponente beträgt 7 mW bei einem Ansteuerungsstrom von 200 mA und einer Spannung von 6,5 V. Die LED zeigt eine minimale Abweichung der emittierten Wellenlänge mit steigender Temperatur: Sie weicht über einen Temperaturbereich von 50 ˚C nur um 1 nm von ihrer Spitzenausgabe von 255 nm ab. Dies ist eine wichtige Überlegung für ein Gerät, das eine streng kontrollierte Leistung benötigt, um eine gute Deaktivierung von Viren zu gewährleisten (Bild 5).
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