Postęp w technologii UV LED

Jedna bitwa już się zakończyła: diody LED pokonały konwencjonalne technologie źródeł światła widzialnego we wszystkich ważnych zastosowaniach oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. A co z zastosowaniami niewidzialnego światła w ultrafioletowej części spektrum? Te same cechy, które sprawiły, że diody LED stanowią tak atrakcyjne rozwiązanie dla oświetlenia ogólnego, sprawiają, że mogą być również użyte, przynajmniej teoretycznie, w aplikacjach wykorzystujących światło UV, przy utwardzaniu, dezynfekcji czy analizie chemicznej i syntezie. Te cechy diod LED to:

  • Mała powierzchnia emitująca światło, a także mały rozmiar obudowy,
  • Długa żywotność i niskie koszty konserwacji i napraw,
  • Praca przy niskim napięciu, a także niskie zużycie energii,
  • Dokładna długość fali emitowanego światła,
  • Brak szkodliwych składników chemicznych.

Cechy te skłoniły inżynierów-specjalistów w dziedzinie oświetlenia do zaprezentowania nowych innowacyjnych zastosowań dla światła UV. Umożliwiają również producentom urządzeń UV, by rozpatrywali diody LED jako zamiennik dla starszych technologii źródeł światła.

Chociaż zalety diod UV wyglądają atrakcyjnie na papierze, w praktyce tempo wdrażania technologii UV LED jest znacznie niższe niż w przypadku diod LED dla światła widzialnego. Teraz wydaje się, że wprowadzenie nowych produktów LED, obiecujących znaczne obniżenie kosztów jednostkowych, a także wyższą moc wyjściową zapoczątkuje falę rozwoju nowych produktów UV, oferując użytkownikom ograniczenie kosztów oraz korzyści środowiskowe i operacyjne.

Dlaczego rośnie popyt na źródła światła UV LED

Klasyfikacja części UV widma promieniowania elektromagnetycznego obejmuje zakres długości fal od 100 nm do 400 nm, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Pozycja światła UV w spektrum promieniowania elektromagnetycznego (Źródło: Seoul Viosys)

Ta część widma została podzielona na trzy rodzaje: UVA, UVB, a także UVC. Jak pokazuje tabela 1, do niektórych zastosowań lepiej nadaje się dana klasa światła UV.

Znaczenie światła UV wynika z silnych efektów chemicznych, a także biologicznych, jakie wywołuje w napromieniowanych obiektach. Efekty te są znacznie silniejsze niż przy zwykłym ogrzewaniu. Wiele praktycznych zastosowań promieniowania UV wynika z jego interakcji z cząsteczkami organicznymi.

Tabela nr 1 Właściwości i typowe zastosowania różnych klas światła UV

Typ światła UV Długość fali

Zakres (nm)

Właściwości
UVA 315-400

Nie wchłaniany przez warstwę ozonową

Utwardzanie polimerów: tusz, farba, powłoki, klej

Dezodoryzacja powietrza, redukcja patogenów w powietrzu

Pułapki na owady

Analiza medyczna i monitorowanie fizjologiczne

Fotochemia, synteza cząsteczek

Optyczne wykrywanie i obrazowanie barwników, atramentów i markerów

UVB 280-315

W większości pochłaniany przez warstwę ozonową

Leczenie

Światłolecznictwo

Ogrodnictwo, uprawa i obróbka po zbiorach

Analiza kryminalistyczna

UVC 100-280

Niemal w całości pochłaniany przez warstwę ozonową

Dezynfekcja powierzchni

Oczyszczanie wody

Przetwórstwo spożywcze

Na przykład energia fotonów UVA może być wykorzystana do aktywacji reakcji chemicznych za pomocą fotoinicjatorów, co jest użyteczne w zastosowaniach takich jak utwardzanie farby lub innych powłok, utwardzanie kleju lub lakieru oraz fotolitografia.

Do dezynfekcji i sterylizacji wymagane jest światło UVC. W utwardzaniu można zastosować kombinację światła UVC, UVB i UVA: na przykład UVC utwardza powierzchnię, podczas gdy bardziej penetrujące UVB i UVA utwardzają resztę materiału. UVB jest również preferowane w fototerapii, takiej jak leczenie łuszczycy, dla której zapewnia najlepsze połączenie skuteczności i bezpieczeństwa.

Konwencjonalne źródła a diody LED

Obecnie stosuje się konwencjonalne źródła światła UV. Takie lampy pozostają w powszechnym użyciu ze względu na ich stosunkowo niski koszt jednostkowy, a dokładniej – niski stosunek kosztu do mocy promieniowania, a także wysoką moc. Skuteczność aplikacji UV jest funkcją natężenia napromienienia i czasu ekspozycji. Na przykład aby zdezynfekować wodę w miejskim basenie, źródło światła UV musi napromieniować dużą objętość wody przepływającej ze stałą szybkością: wymaga to wysokiego natężenia napromienienia, ponieważ czas ekspozycji jest krótki.

Natomiast dezynfekcja wody pitnej przechowywanej w zbiorniku małej łodzi rekreacyjnej może być przeprowadzana powoli, co zapewnia długi czas ekspozycji, a tym samym wymaga niskiej mocy promieniowania, co stanowi idealne zastosowanie dla diod UV.

W rzeczywistości diody UV LED przewyższają konwencjonalne źródła światła UV niemal pod każdym względem: główną wadą diody LED jest to, że stosunek jej kosztu do mocy promieniowania jest znacznie wyższy niż w przypadku konwencjonalnych źródeł światła UV. Oznacza to, że dezynfekcja basenów będzie, podobnie jak obecnie, przeprowadzana nadal przy użyciu lamp łukowych UV.

Dla wielu zastosowań właściwości diod LED są jednak wyraźnie lepsze.

Różnice pomiędzy diodami UV LED a konwencjonalnymi źródłami światła

Właściwości konwencjonalnych źródeł światła UV Właściwości diod UV LED
Nieporęczny Kompaktowe opakowanie
Wielokierunkowa emisja światła i duża powierzchnia emitująca światło sprawiają, że wiązka światła jest trudna do kontrolowania Małe punktowe źródło światła może być skierowane na cel
Krucha szklana żarówka łatwo ulega uszkodzeniu lub pęknięciu Technologia półprzewodnikowa LED jest solidna i wytrzymuje wysokie natężenie wstrząsów i wibracji
Żywotność zazwyczaj mniejsza niż 2000 godzin Długa żywotność
Wysokie napięcie robocze Niskie napięcie przewodzenia
Rozkład promienistej mocy obejmuje szeroki zakres widma UV Długość fali może być dokładnie określona

Na przykład salony piękności wykorzystują światło UV do szybkiego utwardzania lakieru do paznokci. Tutaj diody LED prezentują swoje największe zalety:

  • Mały rozmiar i waga, co czyni sprzęt kompaktowym i łatwym w obsłudze,
  • Solidne i odporny na uderzenia bądź upadek z powierzchni roboczej,
  • Niskie napięcie robocze, co zapewnia bezpieczeństwo elektryczne użytkownikowi sprzętu.

Nowe zastosowania światła UV dzięki diodom LED

Diody LED wspierają również rozwój nowych zastosowań, w których konwencjonalne źródła światła, takie jak lampa rtęciowa, nie są odpowiednie. Na przykład mała dioda UVC LED może być zamontowana wewnątrz zbiornika ekspresu do kawy lub fontanny z wodą pitną. Pozwala to zahamować wzrost mikroorganizmów w wodzie. Takie zastosowanie jest szczególnie odpowiednie dla diod UV LED, ponieważ:

  • Dioda LED jest mała, więc łatwo ją umieścić w ciasnych miejscach,
  • Niskonapięciowa praca diody LED w wilgotnym otoczeniu jest bezpieczna elektrycznie,
  • Długa żywotność diody LED eliminuje potrzebę kosztownej wymiany lampy,

Te same właściwości diod UV LED są równie cenne w nowych, kompaktowych oczyszczaczach powietrza lub dezodoryzatorach. W tych urządzeniach światło UVA napromieniowuje katalizator pokryty dwutlenkiem tytanu, aby wytworzyć wolne rodniki, które rozkładają duże cząsteczki organiczne. Oczyszczacze te mogą być montowane w lodówkach i systemach klimatyzacyjnych. W samochodach mogą usuwać nieprzyjemne zapachy lotnych związków organicznych, takich jak dym papierosowy lub pozostałości gazowe z plastiku. W połączeniu z bakteriobójczym światłem UVC, oczyszczacz utrzymuje system klimatyzacji w samochodzie świeży i wolny od patogenów unoszących się w powietrzu. Jednocześnie zmniejsza częstotliwość czyszczenia i wymiany filtrów.

Wymienione wyżej praktyczne zalety źródeł światła UV LED zyskują teraz jeszcze większą wartość dzięki niedawnemu wprowadzeniu nowych produktów LED o lepszych specyfikacjach.

Nowe produkty LED przyspieszają wprowadzanie technologii

W zastosowaniach związanych z utwardzaniem, takich jak suszenie lakieru w studiu paznokci, szybkość ma zasadnicze znaczenie. Koreluje z natężeniem promieniowania UV. W porównaniu z tradycyjnymi technologiami, kompaktowe źródła światła LED są łatwiejsze do skierowania na obiekt i instalacji blisko celu, ograniczając straty optyczne do minimum i kierując natężenie promieniowania na mały obszar docelowy.

Wprowadzenie nowych modułów z wieloma matrycami pozwala kompaktowym źródłom światła LED osiągnąć jeszcze wyższe natężenie promieniowania. Dobrym przykładem jest nowy moduł Nichia NVCUQ096A-D4 UVA przedstawiony na rysunku 2. Przy szczytowej długości fali 385 nm wytwarza on moc optyczną 150 W w wiązce ± 30°. Moduł ma niewielką powierzchnię – zaledwie 25 x 45 mm.

Rysunek 2. Moduł Nichia NVCUQ096A-D4 UVA o wymiarach 25 x 45 mm

Seoul Viosys wprowadza również ciekawe innowacje na rynku UV LED. Podczas gdy typowe diody UVC mają pionową strukturę chipów w oprawie ceramicznej domkniętej okienkiem ze szkła kwarcowego, Seoul Viosys zoptymalizowali oprawy w skali chipów pod marką WICOP UV. Ta „bezobudowowa” technologia montażu powierzchniowego niweluje zarówno koszty, jak i straty optyczne związane z tradycyjną architekturą ceramiczną i szkłem kwarcowym.

Po wdrożeniu w nowych projektach urządzeń UV diody UV WICOP mogą zapewnić wyższą moc optyczną na mniejszej przestrzeni przy niższym koszcie jednostkowym.

Z technologią UV WICOP w zakresie UVA rywalizuje linia produktów LUXEON UV FC od Lumileds. FC oznacza technologię platformy FlipChip, jak to przedstawiono na rysunku 3. Produkty linii LUXEON UV FC, które mają matrycę o powierzchni 1 mm2, są dostarczane jako dioda LED Chip-Scale Package (CSP), która może zostać ponownie nałożona na powierzchnię za pomocą standardowych urządzeń i procesów wykorzystywanych do montażu powierzchniowego.

Przykłady zastosowań tych urządzeń obejmują gotowe, w pełni upakowane emitery UVA. Zarówno LUXEON UV U1 (1 mm2), jak i LUXEON UV U2 (2 mm2) korzystają z technologii FlipChip firmy Lumileds.

Wsparcie integracji diod UV LED w projektowaniu

Wybór, a także specyfikacja diod UV LED to kluczowe zadania w projektowaniu systemu. Producenci diod LED przydzielają produkowane jednostki do pojemników, umożliwiając nabywcy określenie produktów według strumienia (mocy wyjściowej), napięcia przewodzenia i szczytowej długości fali.

Wybór spośród szerokiej oferty rynkowej diod UV LED będzie łatwiejszy dzięki użyciu oprogramowania do porównywania produktów, na przykład Usable Light Tool od Future Lighting Solutions. Użytkownik może określić wymagany strumień i długość fali, a narzędzie dostarczy szczegółową listę produktów spełniających specyfikację. Korzystanie z takiej wyszukiwarki pozwala zaoszczędzić wiele godzin żmudnych poszukiwań w arkuszach danych online, zapewniając cenną analizę porównawczą.

Projektanci systemów mogą również użyć tego narzędzia, wraz z wytycznymi twórców aplikacji Future Lighting Solutions, aby odpowiednio określić komponenty pomocnicze:

  • Sterowniki LED są łatwo dostępne, zapewniają stały prąd wyjściowy i dowolne standardowe napięcie wyjściowe
  • Optyka do sterowania wiązką zaczyna pojawiać się na rynku oświetleniowym.

Standardowe termoplasty LED nie są przezroczyste dla światła UV, ale firma LEDiL opracowała silikonową optykę, która jest kompatybilna z diodami UVA. Trwają prace rozwojowe nad optyką diod UVB i UVC.

Dzięki wsparciu ekspertów w dziedzinie technologii optycznej i oprogramowaniu Future Lighting Solutions projektanci sprzętu oświetleniowego UV mogą teraz bezpiecznie korzystać z najnowszych diod UV LED. Korzystają w ten sposób z obiecanej przez tę technologię oszczędności przestrzeni, kosztów i energii.

Rysunek 3. Diody LED linii LUXEON UV FC, widoki z góry i z tyłu. (Źródło: Lumileds)

O autorze

Dyrektor techniczny na region EMEA, Future Lighting Solutions