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LED-Technik treibt die Innovationen

UV-C-Entkeimung auf dem Weg in den Massenmarkt

12. Mai 2021, 13:11 Uhr | Nicole Wörner

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Kosten und Verfügbarkeit sind Schlüsselfaktoren

Das Problem der Verfügbarkeit kostengünstiger Lichtquellen wird wiederum durch die LED-Technologie angegangen. Seit Langem sind LEDs in der Lage, UV-Licht zu erzeugen. Die LED ist ein wichtiger Bestandteil vieler Beleuchtungsprodukte, bei denen ein weißer Leuchtstoff verwendet wird, um die von einem LED-Array auf der Basis von Galliumnitrid-Materialien erzeugte UV-Strahlung in nutzbares sichtbares Licht umzuwandeln. Die kürzeren Wellenlängen im UV-C-Bereich erfordern jedoch neue Materialformen, die Galliumnitrid enthalten.

Heutige UV-C-LEDs verwenden Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) anstelle des Indiumgalliumnitrids (InGaN), das in blauen und grünen LEDs verwendet wird. Sie sind hinreichend ähnlich, um verwandte Epitaxieprozesse zu nutzen, was bedeutet, dass entweder Galliumnitrid-, Silizium- oder Siliziumkarbid-Wafer eingesetzt werden können. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Wafer während der Verarbeitung in der Lage sein müssen, höheren Temperaturen standzuhalten. Temperaturen von bis zu 1400 °C sind nötig, um hochwertige AlGaN-Kristalle durch Epitaxie abzuscheiden.

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Die Hersteller haben die Produktionsprobleme gelöst und bringen nun äußerst effiziente UV-C-Quellen auf Basis der LED-Technologie auf den Markt. Osram Opto Semiconductors hat UV-C-LEDs mit einer Spitzenwellenlänge von 275 nm eingeführt. Die SU CULBN1.VC ist für einen geringen Stromverbrauch ausgelegt und eignet sich für tragbare Anwendungen oder Haushaltsgeräte. Sie weist einen Ausgangsstrahlungsfluss von 4,7 mW und einen Halbwertswinkel von 120° auf. Mit dem gleichen Halbwertswinkel und einer Emissionsleistung von bis zu 42 mW eignet sich die SU CULDN1.VC für Anwendungen, die ein hohes Maß an UV-C-Abdeckung über einen ausgedehnten Bereich erfordern, z.B. bei der Fahrzeugreinigung oder der großflächigen Luft- und Wasseraufbereitung.

Ein Schlüsselfaktor beim Design der beiden Produkte von Osram ist die Verwendung einer einzigen Gehäusefläche. Mit einer einzigen Gehäusegröße unterstützen die Produkte die Entwicklung von Gerätesortimenten, die verschiedene Zielmärkte mit einem einzigen mechanischen Gehäuse abdecken. Die Verwendung eines Keramikgehäusedesigns bietet eine lange Lebensdauer und Wärmewiderstand.

Mit einem Halbwertswinkel von 60° und einem Ausgangsfluss von 3,5 mW eignet sich die von Vishay Semiconductors hergestellte VLMU35CL2.-275-120 für Designs, die gezielte UV-C-Anwendungen erfordern. Die Modelle CB2 und CT2 der Produktlinie erhöhen den Ausgangsfluss auf bis zu 10 mW bzw. 19 mW für Systeme, die Strahlung mit höherer Intensität im Wellenlängenbereich von 270 nm bis 285 nm erzeugen sollen. Die von Vishay angebotenen Produkte eignen sich für industrielle Anwendungen, die einen erweiterten Temperaturbereich benötigen, und können von –40 bis + 80 °C betrieben werden.

Für Systeme, die bestimmte Kombinationen von Ausgangsfluss, Wellenlänge und Abstrahlwinkel benötigen, hat Intelligent LED Solutions (ILS) eine breite Auswahl von Produkten entwickelt, die auf der LED-Technologie von TSLC basieren. Die Produktfamilien N3535 und N5050 ermöglichen die Auswahl von Wellenlängen im UV-C-Bereich von 260 bis 270 nm und 270 bis 290 nm zusätzlich zum Bereich von 300 bis 320 nm. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung des Ausgangs, um auf verschiedene Krankheitserreger abzuzielen.

Optik und Messung entscheidend

Herkömmliches Glas ist nicht transparent, aber sowohl Quarz als auch Silikon lassen UV-C-Strahlen durch. Das herkömmliche Silikon, das in anderen LEDs verwendet wird, kann sich unter intensiver UV-C-Bestrahlung zersetzen. Hersteller haben daher neue Formulierungen entwickelt, welche die Widerstandsfähigkeit des Silikons erhöhen. In einem üblichen Gehäusedesign wird ein Quarzfenster mit einer Fokussierlinse aus Silikon gekoppelt. ILS bietet die LEDiL Violet Optic an, um das Design von Flächenbestrahlungssystemen zu unterstützen. Dieses Array aus zwölf Silikonlinsen ermöglicht die einfache Unterbringung mehrerer UV-C-Lichtquellen in einem Gehäuse. Es ist in drei Abstrahlwinkeln von 14, 20 und 60 Grad erhältlich.

Bei einer Wellenlänge, die außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt und für die Gesundheit ebenso gefährlich ist wie für Viren, ist die Möglichkeit, die UV-C-Emissionen während der Entwicklung sicher zu überwachen, eine wichtige Voraussetzung. Mit dem UV-A/UV-C-Lichtmessgerät und Datenlogger SDL470 von Extech Instruments lässt sich die Leistung von UV-Lichtquellen über lange Zeiträume aufzeichnen. Der Datenlogger verfügt über Sonden für UV-A- sowie UV-C-Licht mit 254 nm, die typischerweise auf niedrigeren Ebenen durch die Sterilisationsprodukte erzeugt werden, die normalerweise eine Spitzenwerte um 270 nm erreichen. Die Abtastrate kann in einem Bereich von einer bis 3600 Sekunden eingestellt werden, für einen Kompromiss zwischen Langzeitaufzeichnungskapazität und zeitlicher Auflösung.

Die UV-C-Desinfektion mithilfe der LED-Technologie treibt die Entwicklung vieler neuartiger Anwendungen voran. Die Kombination von sensorgesteuerter KI mit Innovationen in der LED-Technologie hat das Potenzial, die gesundheitlichen Vorteile von UV-C-Licht besser nutzbar zu machen. Dabei wird jedoch die Unterstützung beim Design von entscheidender Bedeutung sein. Technische Distributoren wie Farnell bieten professionelle Beratung und Unterstützung, um Entwicklern dabei zu helfen, die Produkte zu finden, die für ihre Anwendungen am besten geeignet sind.