Verwendung von UV-C-LEDs zur sicheren, effektiven und effizienten Bekämpfung von Krankheitserregern

Die COVID-19-Pandemie hat Ingenieure ermutigt, ultraviolettes (UV) Licht für Desinfektions- und Sterilisationsprodukte in Betracht zu ziehen, die SARS-CoV-2 (das Virus, das COVID-19 verursacht) „deaktivieren“. Herkömmliche Desinfektions- und Sterilisationsprodukte verwenden Niederdruck-Quecksilberdampflampen, um im erforderlichen UV-A-Spektrum zur Keimabtötung zu emittieren. Aber LEDs bieten viele Vorteile, darunter 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 über einem Jahrzehnt für industrielle Aushärtungsanwendungen verfügbar. Zur Deaktivierung von SARS-CoV-2 ist jedoch energiereicheres UV-C erforderlich.

In den letzten Jahren sind kommerzielle UV-C-LEDs 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, so dass ein angemessener Schutz ein wichtiger Bestandteil des Designprozesses ist.

In diesem Artikel werden kurz die Arten von UV-Strahlung und ihre Rolle bei der Desinfektion und der Bekämpfung von Krankheitserregern besprochen. Anschließend werden die Vorteile der Verwendung von LEDs als Strahlungsquelle sowie die damit verbundenen Herausforderungen beim Design beschrieben. Der Artikel stellt dann Lösungen für diese Herausforderungen anhand von Beispielen für UV-LEDs von OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics und SETi/Seoul Viosys vor.

Warum UV-Licht zur Erregerbekämpfung einsetzen?

UV-Strahlung reiht sich in das elektromagnetische Spektrum zwischen sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung ein und umfasst kurzwellige (400 bis 100 Nanometer (nm)) Photonen mit entsprechend hohen Energien. Die Wellenlänge der Strahlung ist umgekehrt proportional zur Frequenz: je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz (Abbildung 1).

Abbildung 1: Im elektromagnetischen Spektrum liegt die UV-Strahlung knapp unterhalb des sichtbaren Lichts bei einer Wellenlänge zwischen 100 und 400 nm und wird in die drei Typen A, B und C eingeteilt (Bildquelle: Government of Canada)

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, da 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 neuerdings 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. Beachten Sie, dass diese Bestrahlungsstärke das Virus nicht vollständig abtötet, aber seine RNA ausreichend stört, 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 fördert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vor dem Aufkommen von UV-C-LEDs waren Niederdruck-Quecksilberdampflampen die praktischste Quelle für UV-Licht. (Bildquelle: JKL Components)

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 geringerer 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.

Jüngste 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.Ingenieure 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 Milliwatt (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. OSRAM Opto Semiconductors, Inc. bietet zum Beispiel die SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636 an, eine UV-C-LED, die bei 275 nm emittiert. Die LED liefert zwischen 35 und 100 mW des gesamten Strahlungsflusses (je nach Bin-Auswahl) bei einem Durchlassstrom von 350 Milliampere (mA) und einer Durchlassspannung von 5 bis 6 Volt (Abbildung 3).

Abbildung 3: UV-C-LEDs bieten Emissionsspitzen im Bereich von 100 bis 280 nm. Für die Deaktivierung von SARS-CoV-2 liegt der ideale Wert zwischen 250 und 280 nm. Der Strahlungsfluss der hier gezeigten OSLON UV-C-LED von OSRAM erreicht seinen Höhepunkt bei 277 nm. (Bildquelle: Osram)

Ein weiteres Beispiel ist die ELUC3535NUB von Everlight Electronics, eine UV-C-LED für 270 bis 285 nm. Die Komponente basiert auf Keramik und bietet eine Strahlungsleistung von 10 mW bei einem Durchlassstrom von 100 mA und einer Durchlassspannung von 5 bis 7 Volt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die UV-C-LED von Everlight Electronics mit einer Wellenlänge von 270 bis 285 nm ist in einen Keramikkörper eingebaut. Die LED misst 3,45 x 3,45 mm. (Bildquelle: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys bietet seinerseits 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 Volt. 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 (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die UV-C-LED CUD5GF1B von SETi/Seoul Viosys weicht über einen Temperaturbereich von 50 ˚C nur um 1 nm von ihrer Emissionsspitze bei 255 nm ab. (Bildquelle: SETi/Seoul Viosys)

Entwickeln mit UV-C-LEDs

LEDs bringen ihre eigenen Design-Herausforderungen mit sich, so dass es unpraktisch ist, zu versuchen, ein Produkt, das um eine Quecksilberdampf-Lichtquelle herum entwickelt wurde, anzupassen, um UV-C-LEDs unterzubringen. Aus diesem Grund ist der Ersatz von Quecksilberdampflampen durch UV-C-LEDs in Entkeimungs- oder Sterilisationsanwendungen nicht einfach nur ein Austausch einer Lichtquelle gegen eine andere.

Bei der Auswahl von UV-C-LEDs für die Desinfektion oder Sterilisation sollte der Planungsprozess mit der Bestimmung des Bereichs beginnen, auf den das UV-C-Licht angewendet werden muss, sowie des Strahlungsflusses („Bestrahlungsstärke“) in Watt pro Quadratmeter (Watt/m²), der erforderlich ist, um die Zielerreger in der bestrahlten Zone zu deaktivieren.

Betrachten Sie z. B. eine Anwendung zur Desinfektion der aus einem Klimakanal austretenden Luft. Ausgehend von den oben genannten 17 J/m² würde die Deaktivierung von Viren im Luftstrom in etwa fünf Sekunden bei einer Fläche von 0,25 m² ein System mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 4 Watt/m² (bei einer Gesamtleistung von 1 Watt) erfordern.

Sobald die gewünschte Bestrahlungsstärke berechnet ist, kann der Ingenieur ausrechnen, wie sie geliefert werden kann. Eine Faustregel ist, den Strahlungsfluss jeder LED zu berücksichtigen und die Gesamtbestrahlungsstärke durch diese Zahl zu teilen, um die Anzahl der LEDs zu ermitteln, die für jedes Produkt auf der Komponentenliste erforderlich sind.

Diese grobe Berechnung ist eine Vereinfachung, weil sie nicht berücksichtigt, wie dieser Fluss verteilt ist. Zwei Faktoren bestimmen, wie der Strahlungsfluss auf die Zieloberfläche auftrifft. Die erste ist der Abstand von der LED zum Objekt und die zweite ist der „Abstrahlwinkel“ der LED.

Wenn die LED als Punktquelle betrachtet wird, nimmt ihre Bestrahlungsstärke nach einem inversen Quadratgesetz ab. Wenn z. B. in 1 cm Entfernung vom Emissionspunkt die Bestrahlungsstärke 10 mW pro Quadratzentimeter (mW/cm²) beträgt, dann ist die Bestrahlungsstärke in 10 cm Entfernung auf 0,1 mW/cm² gesunken. Diese Berechnung setzt jedoch voraus, dass die LED in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt, was nicht der Fall ist. Stattdessen besitzen LEDs eine Primäroptik, die den Strahlungsfluss in eine bestimmte Richtung lenkt. Die Hersteller geben in der Regel den Abstrahlwinkel der LEDs im Datenblatt an. Dieser ist definiert als der Winkel, bei dem 50 Prozent der Spitzenbestrahlungsstärke auf beiden Seiten des Ursprungs erreicht werden.

Die oben beschriebenen UV-C-LEDs von OSRAM, Everlight Electronics und SETi/Seoul Viosys bieten Abstrahlwinkel von 120, 120 bzw. 125 Grad. Abbildung 6 zeigt das Bestrahlungsmuster für die UV-C-LED SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 von OSRAM. Im Diagramm zeigt die gestrichelte Linie zwischen 0,4 und 0,6 an, wo 50 % der Spitzenbestrahlungsstärke erreicht werden, was den Abstrahlwinkel (60 + 60 Grad) definiert.

Abbildung 6: Für das Bestrahlungsmuster der UV-C-LED SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 von OSRAM zeigt die gestrichelte Linie zwischen 0,4 und 0,6 an, wo 50 Prozent der Spitzenbestrahlungsstärke erreicht werden, was den Abstrahlwinkel (60 + 60 Grad) definiert. (Bildquelle: Osram)

Das Hauptmerkmal, das den Abstrahlwinkel bestimmt, ist das Verhältnis des LED-Chips zur Größe der Primäroptik. Um einen schmaleren Strahl zu erzeugen, ist daher ein kleinerer Emitter oder eine größere Optik (oder ein entsprechendes Gleichgewicht aus beidem) erforderlich. Der Kompromiss beim Design besteht darin, dass ein kleinerer Chip geringere Emissionen erzeugt, während größere Optiken schwieriger herzustellen sind, was die Preise in die Höhe treibt und die Steuerung des Abstrahlwinkels einschränkt.

Kommerzielle LEDs werden in der Regel mit werksseitig montierten Primäroptiken geliefert, so dass die Entscheidung über das Verhältnis von Chip und Optik außerhalb der Kontrolle des Entwicklungsingenieurs liegt. Deshalb ist es wichtig, den Abstrahlwinkel der in die engere Wahl kommenden Produkte zu überprüfen, da zwei identische Ausgabeprodukte verschiedener Anbieter ganz unterschiedliche Abstrahlungsmuster haben können.

Während der Abstand der LED zum bestrahlten Objekt und der Abstrahlwinkel einen guten ersten Anhaltspunkt für das Bestrahlungsmuster darstellen, gibt es Quellen der Varianz. Zum Beispiel können die Lichtmuster von LEDs eines einzigen Herstellers mit theoretisch identischen Leistungen und Abstrahlwinkeln je nach primärem Optikdesign in Intensität und Qualität erheblich variieren. Die einzige Möglichkeit, sich über das tatsächliche Bestrahlungsmuster sicher zu sein, besteht darin, die Leistung der in die engere Wahl kommenden Produkte zu testen.

Mit der LED-Leistung, dem Abstand zwischen der LED und der Oberfläche, auf der die zu desinfizierenden Gegenstände sitzen, dem Abstrahlwinkel und den tatsächlichen Emissionsdaten kann der Ingenieur berechnen, wie viele LEDs benötigt werden und wie sie positioniert werden müssen, um die gewünschte Bestrahlungsstärke über der aktiven Fläche zu erzeugen.

Die endgültige Wahl der LED hängt von dem gewünschten Kompromiss zwischen Kosten, Effizienz und Komplexität ab. UV-C-LEDs sind teuer, so dass ein Ansatz darin bestehen könnte, weniger Komponenten mit höherer Leistung zu verwenden, anstatt eine größere Anzahl von Komponenten mit geringerer Leistung. Der Vorteil dieses Szenarios ist, dass die Kosten für die LED-Komponenten niedriger sein könnten und die Komplexität der Treiber reduziert wird. Der Nachteil ist, dass die leistungsfähigeren Komponenten aufgrund ihrer geringen Effizienz ein besseres Wärmemanagement erfordern, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten (hohe Temperaturen reduzieren die Lebensdauer der LEDs dramatisch). Dies erfordert größere Kühlkörper, was einen Teil der erwarteten Kosteneinsparungen zunichte macht.

Auslegen von Sekundäroptiken

Eine Alternative zum Hinzufügen von LEDs und/oder zur Erhöhung der LED-Leistung ist die Verwendung von Sekundäroptiken. Diese Komponenten kollimieren (erzeugen parallele Lichtstrahlen gleicher Intensität) den UV-C-Ausgang der LED, um jegliche Strahlungswinkeleffekte effektiv zu eliminieren. Theoretisch sollte bei Verwendung der Kollimation die Bestrahlungsstärke über die Zielfläche gleichmäßig sein (unabhängig von der Anordnung der LEDs), und eine bestimmte Bestrahlungsstärke sollte mit weniger LEDs erreicht werden, da weniger von der Leistung verschwendet wird. Alternativ kann mit der gleichen Anzahl von LEDs eine höhere Bestrahlungsstärke erreicht werden als bei einem Design ohne Sekundäroptik (350 mW/m² vs. 175 mW/m²) (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Kollimation der UV-C-Emission mit Hilfe einer Sekundäroptik (links) erhöht die Bestrahlungsstärke des Zielbereichs im Vergleich zu einem System mit der gleichen LED-Leistung, aber mit (nicht kollimierter) Primäroptik. (Bildquelle: LEDiL)

In der Praxis ist die Bestrahlungsstärke mit Sekundäroptiken weniger gleichmäßig, da die Kollimation selbst bei den besten Produkten aufgrund von Beugung unvollkommen ist (obwohl die Kollimation umso besser ist, je kleiner die LED ist). Außerdem sind oft langwierige Experimente mit der Positionierung von LEDs und Sekundäroptiken erforderlich, um die erforderliche Bestrahlungsstärke mit weniger Komponenten zu gewährleisten, verglichen mit einem ähnlichen Design ohne Sekundäroptik.

Beachten Sie, dass die Sekundäroptiken für UV-C-LEDs aus anderen Materialien gefertigt werden als bei LEDs für sichtbares Licht. Gängige Lösungen sind spritzgegossene Silikonteile, die UV-C-Wellenlängen gut reflektieren und die Herstellung komplexer Linsendesigns ermöglichen. Zur Kollimation von UV-C können auch Aluminiumreflektoren eingesetzt werden. Der Kompromiss bei der Verwendung von Sekundäroptiken ist die Kostenersparnis durch die Verwendung von weniger LEDs gegenüber der erhöhten Komplexität des Designs im Kollimator.

Sicherheitsvorkehrungen

Obwohl UV-Strahlung die menschliche Haut nicht weit durchdringen kann, wird sie absorbiert und kann kurzfristige Schäden wie Verbrennungen und langfristige Schäden wie Falten und vorzeitige Hautalterung verursachen. In extremen Fällen kann die UV-Belastung Hautkrebs verursachen. UV-Licht ist besonders gefährlich für die Augen, wo es sowohl die Netzhaut als auch die Hornhaut schädigen kann. Bei Wechselwirkung mit der Luft kann UV-Strahlung auch Ozon erzeugen, das in hohen Konzentrationen als gesundheitsgefährdend gilt.

Aufgrund dieser Gefahren ist es sinnvoll, Produkte so zu konstruieren, dass die Exposition gegenüber UV-C-Licht begrenzt ist und der Benutzer nicht direkt in die LED schauen kann. Da UV-C unsichtbar ist, ist es auch eine gute Praxis, LEDs zu wählen, die absichtlich einige sichtbare blaue Lichtemissionen enthalten. Dadurch wird deutlich, wann die UV-C-LEDs eingeschaltet sind.

Insbesondere bei SARS-CoV-2 ermöglicht der Einbau von Sterilisationseinheiten in HLK-Anlagen eine schnelle Deaktivierung des über die Luft übertragenen Virus, während das UV-C von Menschen ferngehalten wird. Andernorts wird an LEDs geforscht, die in Leuchten eingebaut werden können, um Oberflächen mit sehr niedrigen UV-C-Werten zu bestrahlen, die für den Menschen unschädlich sind, aber über lange Zeiträume eine ausreichende Bestrahlung bieten, um Viren auf Oberflächen wie Tischen, Stühlen, Böden und Türgriffen zu deaktivieren.

Fazit

UV-C-Strahlung kann zur Deaktivierung von Krankheitserregern wie SARS-CoV-2 in Desinfektions- und Sterilisationsprodukten eingesetzt werden. Die übliche künstliche UV-C-Quelle ist jedoch die Quecksilberdampflampe, die aufgrund des Schwermetallgehalts bei der Entsorgung Probleme bereitet. UV-C-LEDs bieten eine effizientere und langlebigere Alternative, die das Entsorgungsproblem vereinfacht, und eine Reihe von UV-C-LEDs sind inzwischen im Handel erhältlich, die Emissionsspitzen bei Wellenlängen aufweisen, die ideal für die Deaktivierung von Krankheitserregern geeignet sind.

Diese LEDs sind jedoch keine einfache direkt einsetzbare Alternative und es bedarf eines sorgfältigen Designs, um ihre Vorteile zu maximieren. Wie beschrieben, muss ein Entwickler mit der gewünschten Bestrahlungsstärke auf der aktiven Fläche beginnen und die Anzahl und Anordnung der UV-C-LEDs berechnen, die benötigt werden, um diese Bestrahlungsstärke zu erreichen. Der Designer muss auch entscheiden, ob er sich auf die primäre Optik der LEDs verlässt, um eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke zu erzeugen, oder ob er eine sekundäre Optik einsetzt, um die UV-C-Leistung für ein optimales Muster zu kollimieren, wobei er die Kosten für die größere Komplexität berücksichtigen muss.