Jak používat UV-C LED lampy pro bezpečnou a účinnou kontrolu nad patogeny

Pandemie COVID-19 povzbudila inženýry, aby zvážili ultrafialové (UV) světlo pro dezinfekční a sterilizační produkty, které „deaktivují“ SARS-CoV-2 (virus, který způsobuje COVID-19). Konvenční dezinfekční a sterilizační přípravky používají nízkotlaké rtuťové výbojky k vyzařování v požadovaném spektru UV-A pro eliminaci patogenů. LED diody ale nabízejí mnoho výhod, včetně vyšší účinnosti, vyššího světelného výkonu, delší životnosti a nižších nákladů na životnost.

LED diody UV-A se vyrábějí relativně snadno - přizpůsobením LED diod s modrým světlem blízkému spektrálnímu rozsahu, a jsou k dispozici pro průmyslové vytvrzovací aplikace již více než deset let. Deaktivace viru SARS-CoV-2 však vyžaduje energetičtější světlo UV-C.

V posledních několika letech jsou k dispozici komerční LED diody UV-C. Tato zařízení však nelze považovat za jednoduchou náhradu konvenčních rtuťových výbojek, protože přinášejí mnoho nových konstrukčních výzev. Například dezinfekční a sanitační výrobky vyžadují vysoký a přísně kontrolovaný zářivý tok, aby byla zajištěna správná funkce. LED diody UV-C navíc nejsou nebezpečné pouze pro bakterie a viry, ale jsou nebezpečné i pro člověka, takže adekvátní ochrana je důležitou součástí procesu návrhu.

V tomto článku budou stručně probrány jednotlivé typy UV záření a jeho úloha při dezinfekci a kontrole nad patogeny. Poté popíše výhody používání LED diod jako zdroje záření a související problémy s návrhem. Článek pak představí řešení těchto výzev pomocí příkladu UV LED odOSRAM Opto Semiconductors, Inc, ,Everlight Electronics , aSETi/Soul Viosys .

Proč používat UV světlo pro kontrolu patogenů?

UV záření zapadá do elektromagnetického spektra mezi viditelným světlem a rentgenovými paprsky a obsahuje fotony s krátkou vlnovou délkou (400 až 100 nanometrů (nm)) s odpovídajícími vysokými energiemi. Vlnová délka záření je nepřímo úměrná frekvenci: čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je frekvence (obrázek 1).

Obrázek 1: Podél elektromagnetického spektra dopadá UV záření těsně pod viditelné světlo na vlnové délce mezi 100 a 400 nm a je rozděleno do tří typů, A, B a C. (Zdroj obrázku: kanadská vláda)

Na základě interakce UV záření s biologickými materiály byly definovány tři typy UV světla: UV-A (400 až 315 nm); UV-B (314 až 280 nm); a UV-C (279 až 100 nm). Slunce produkuje všechny tři formy, ale expozice člověka je omezena hlavně na UV-A, protože do ozonové vrstvy Země proniká málo UV-B a žádné UV-C. Existuje však několik způsobů umělé výroby všech tří typů UV světla, například rtuťové výbojky a v poslední době UV LED.

UV-C záření bylo zavedenou technologií pro eradikaci patogenů dlouho před současnou pandemií. Konvenční výrobky používají jako zdroj UV rtuťové výbojky. Nedávný výzkum účinnosti UV-C na nemoc SARS-CoV-2 ukázal, že RNA viru přednostně absorbuje UV světlo o vlnové délce kolem 250 až 280 nm a celková dávka 17 joulů na metr čtvereční (J /m² ) deaktivuje 99,9 procent patogenů. Povšimněte si, že tato úroveň ozáření virus přímo nezabije, ale naruší jeho RNA natolik, že mu zabrání v replikaci, čímž se stane neškodným a zároveň omezí lidské UV záření.

Zdroje UV světla

Tradičním zdrojem ultrafialového světla je rtuťová výbojka. Jedná se o zařízení s plynovým výbojem se světlem vyzařujícím z plazmy odpařeného kovu, když je excitováno elektrickým výbojem. Některé produkty obsahují tavnou křemennou obloukovou trubici, která podporuje špičkové emise na vlnové délce UV-C 185 nm (kromě některých emisí UV-A a UV-B) pro účely dezinfekce a sterilizace (obrázek 2).

Obrázek 2: Před příchodem LED diod UV-C byly nízkotlaké rtuťové výbojky nejpraktičtějším zdrojem UV světla. (Zdroj obrázku:Komponenty JKL )

Rtuťové výbojky jsou relativně účinné a mají dlouhou životnost ve srovnání s konvenčními žárovkovými zdroji světla, ale jejich hlavní nevýhodou je uvolňování toxické rtuti do životního prostředí, pokud se žárovka při běžném používání nebo při likvidaci rozbije.

LED diody UV-C na druhé straně přinášejí dezinfekčním a sterilizačním aplikacím stejné klíčové výhody, jaké mají LED diody pro obecné osvětlení, včetně účinnosti, vyššího světelného výkonu, delší životnosti a nižších nákladů na životnost. Kromě toho, přestože je třeba při likvidaci LED diod věnovat pozornost, nepředstavují stejná ekologická rizika jako světelné zdroje na bázi rtuti.

LED diody UV-C jsou založeny na technologii modrých LED. Ty používají substráty nitridu hliníku a galia (AlGaN) jako platformu pro zářiče s širším pásmem (kratší vlnovou délkou) než červené LED diody. LED diody UV-C jsou však méně účinné a stojí více než modré LED diody, a to z velké části proto, že nitrid galia není pro záření UV-C transparentní. Výsledkem je, že z matrice unikne relativně málo emitovaných fotonů UV-C.

Ke zvýšení účinnosti UV LED diod se nyní používají výsledky nedávného vývoje včetně reflexní p-kontaktní metalizace, vzorovaných substrátů, texturovaných povrchů, efektů mikrokavitace a volumetrických tvarování, a komerční produkty nabízejí přiměřenou výkonnost.Konstruktéři by si však měli být vědomi toho, že zařízení vykazují nižší úrovně účinnosti, než LED diody s viditelným světlem a další složitost spojená s extrakcí fotonů zvyšuje náklady. Listy údajů výrobce se obecně vyhýbají číslům účinnosti a místo toho podrobně uvádějí tok (v miliwattech (mW)) pro daný proud a napětí měniče.

Příklad řešení UV-C LED

Na trhu je několik komerčních LED diod UV-C určených speciálně pro emisi záření s optimální vlnovou délkou pro deaktivaci patogenů. Například společnost OSRAM Opto Semiconductors, Inc. nabízíSU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, LED UV-C vyzařující při 275 nm. LED dioda poskytuje celkový zářivý tok mezi 35 a 100 mW (v závislosti na výběru přihrádky) při proudu 350 miliampérů (mA) a napětí 5 až 6 V v propustném směru (obrázek 3).

Obrázek 3: LED diody UV-C nabízejí špičkové emise v rozsahu 100 až 280 nm. Pro deaktivaci SARS-CoV-2 je ideální vrchol mezi 250 a 280 nm. Zde vyzařovaný světelný tok z OSRAM OSLON UV-C LED vrcholí při 277 nm. (Zdroj obrázku: OSRAM)

Dalším příkladem zařízení je Everlight ElectronicsELUC3535NUB, 270 až 285 nm UV-C LED. Zařízení je na keramické bázi s vyzařovaným výkonem 10 mW při proudu/napětí 100 mA, 5 až 7 V v propustném směru (obrázek 4).

Obrázek 4: LED LED UV-C společnosti Everlight Electronics s 270 až 285 nm je namontována v keramickém tělese. LED dioda měří 3,45 x 3,45 mm. (Zdroj obrázku: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys naopak nabízíCUD5GF1B . LED dioda, 255 nm emitor, je namontována v keramickém obalu pro umístění na povrch a má nízký tepelný odpor. Zářivý výkon zařízení je 7 mW při budicím proudu/napětí 200 mA/7,5 V. LED dioda vykazuje s rostoucí teplotou minimální odchylku vyzařované vlnové délky: odchyluje se pouze o 1 nm od svého špičkového výstupu 255 nm v rozsahu teplot 50 °C. Toto je důležité pro zařízení, které vyžaduje přísně kontrolovaný výstup, aby byla zajištěna dobrá deaktivace virů (obrázek 5).

Obrázek 5: UV-C LED CUD5GF1B společnosti SETi/Seoul Viosys se odchyluje pouze o 1 nm od svého špičkového výstupu 255 nm v rozsahu teplot 50 °C. (Zdroj obrázku: SETi/Soul Viosys)

Navrhování s LED diodami UV-C

LED diody s sebou přinášejí vlastní sadu návrhových výzev, takže je nepraktické pokoušet se přizpůsobit produkt navržený kolem světelného zdroje rtuťové páry tak, aby pojal LED diody UV-C. Z tohoto důvodu není náhrada rtuťových výbojek za LED diody UV-C v dezinfekčních nebo sterilizačních aplikacích pouhou výměnou jednoho zdroje světla za jiný.

Při výběru LED diod UV-C pro dezinfekci nebo sterilizaci by měl proces návrhu začít stanovením oblasti, na kterou bude nutné aplikovat světlo UV-C, a zářivého toku („ozáření“) ve wattech na metr čtvereční (W/m² ) potřebného k deaktivaci cílových patogenů ve vyzařované zóně.

Zvažte například aplikaci na dezinfekci vzduchu vycházejícího z potrubí klimatizace. Na základě výše popsaných požadavků 17 J/m² pro oblast 0,25 m² by deaktivace jakýchkoli virů v proudu vzduchu během přibližně pěti sekund vyžadovala systém emitující přibližně 4 W/m² (pro celkový výkon 1 W).

Jakmile bude vypočteno požadované vyzařování, konstruktér může vyřešit způsob jeho dodávky. Pravidlem je zvážit zářivý tok jednotlivých LED diod a vydělit tímto údajem celkové záření, aby byl známý počet LED diod požadovaných pro každý produkt v užším seznamu komponent.

Tento hrubý výpočet je zjednodušením, protože nebere v úvahu, jak je tento tok distribuován. Způsob, jakým zářivý tok dopadá na cílový povrch, určují dva faktory. První je vzdálenost od LED k objektu a druhá je „úhel paprsku“ LED.

Pokud je LED považována za bodový zdroj, její záření klesá podle zákona převrácených čtverců. Pokud má například ve vzdálenosti 1 cm od bodu emise záření hodnotu 10 mW na centimetr čtvereční (mW/cm² ), pak o 10 cm dále záření klesne na 0,1 mW/cm². Tento výpočet však předpokládá, že LED dioda vyzařuje stejně ve všech směrech, což není tento případ. Místo toho mají LED diody primární optiku, která orientuje zářivý tok určitým směrem. Výrobci obvykle uvádějí úhel paprsku LED v datovém listu, který je definován jako úhel, při kterém je po obou stranách původního směru dosaženo 50 procent špičkového záření.

Výše popsané UV-C LED diody od spolešností OSRAM, Everlight Electronics a SETi/Seoul Viosys mají úhel paprsku 120, 120 a 125 stupňů v uvedeném pořadí. Obrázek 6 znázorňuje vyzařovací schéma pro UV-C LED diodu SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 od společnosti OSRAM. Tečkovaná čára mezi 0,4 a 0,6 v diagramu sděluje, kde je dosaženo 50 procent špičkového záření, definující úhel paprsku (60 + 60 stupňů).

Obrázek 6: Pro ozařovací diagram OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED, tečkovaná čára mezi 0,4 a 0,6 udává, kde je dosaženo 50 procent špičkového ozáření, definování úhlu paprsku (60 + 60 stupňů). (Zdroj obrázku: OSRAM)

Klíčovou charakteristikou, která určuje úhel paprsku, je poměr LED matrice k velikosti primární optiky. Generování užšího paprsku proto vyžaduje menší zářič nebo větší optiku (nebo odpovídající vyvážení těchto dvou). Kompromisem v designu je, že menší matrice produkuje nižší emise, zatímco větší optiku je těžší vyrobit, což zvyšuje ceny a omezuje ovládání úhlu paprsku.

Komerční LED diody jsou obvykle dodávány s primární optikou montovanou ve výrobě, takže rozhodnutí o poměru matrice/optika je mimo kontrolu konstruktéra. Proto je důležité zkontrolovat úhel paprsku u produktů zařazených do užšího výběru, protože dvě identická výstupní zařízení od různých dodavatelů mohou mít zcela odlišné vyzařovací diagramy.

Zatímco vzdálenost LED od ozařovaného předmětu a úhel paprsku jsou dobrým počátečním vodítkem pro vyzařovací diagram, existují zdroje rozptylu. Například světelné diagramy LED diod od jednoho výrobce s teoreticky identickými výstupy a úhly paprsku se mohou značně lišit v intenzitě a kvalitě v závislosti na primárním optickém designu. Jediným způsobem, jak si být jisti skutečným vyzařovacím diagramem, je otestovat výstup produktů zařazených do užšího výběru.

Pokud má konstruktér k dispozici výstupní výkon LED, vzdálenost mezi LED diodami a povrchem, na kterém budou dezinfikované předměty položeny, úhel paprsku a skutečné emisní údaje, může vypočítat, kolik LED diod bude potřeba a jak by měly být umístěny, aby generovaly požadované záření nad aktivní oblastí.

Konečný výběr LED spočívá v požadovaném kompromisu mezi cenou, účinností a složitostí. Jelikož jsou UV-C LED diody drahé, jedním přístupem by mohlo být použití menšího počtu součástí s vyšším výkonem než většího počtu méně výkonných součástí. Výhoda tohoto scénáře spočívá v možném snížení nákladů na LED součásti a složitosti řadiče. Nevýhodou však zůstává, že kvůli své nízké účinnosti budou výkonnější součásti vyžadovat lepší regulaci teploty, aby byla zachována dlouhá životnost (vysoké teploty dramaticky snižují životnost LED diod). To vyžaduje větší chladiče, negující některé z předpokládaných úspor nákladů.

Navrhování sekundární optiky

Alternativou k přidání LED diod a/nebo zvýšení jejich výkonu je zvážení použití sekundární optiky. Tato zařízení kolimují (produkují paralelní světelné paprsky stejné intenzity) výstup UV-C z LED, aby účinně eliminovaly jakékoli efekty úhlu paprsku. S využitím kolimace by teoreticky mělo být ozáření na cílovém povrchu rovnoměrné (nezávislé na uspořádání LED diod) a dané úrovně ozáření by mělo být dosaženo s menším počtem LED diod, protože se bude plýtvat menším výkonem. Alternativně lze dosáhnout vyššího záření se stejným počtem LED diod jako u provedení bez sekundární optiky (350 mW/m² vs 175 mW/m² ) (Obrázek 7).

Obrázek 7: Kolimace emisí UV-C pomocí sekundární optiky (vlevo) zvyšuje ozáření cílové oblasti ve srovnání se systémem se stejným výstupem LED, ale s použitím (nekolimované) primární optiky. (Zdroj obrázku:LEDiL )

V praxi je ozáření sekundární optikou nižší než rovnoměrné, protože kolimace i těch nejlepších produktů je kvůli difrakci nedokonalá (ačkoli čím menší LED, tím lepší kolimace). Rovněž je často nutné dlouhé experimentování s umístěním LED a sekundární optiky, aby se zajistilo požadované ozáření z méně zařízení v porovnání s podobnou konstrukcí bez sekundární optiky.

Povšimněte si, že sekundární optika pro LED diody UV-C je vyrobena z jiných materiálů než ty, které se používají u LED s viditelným světlem. Běžnými řešeními jsou silikonové díly lisované vstřikováním, které dobře odrážejí vlnové délky UV-C a umožňují výrobu čoček složitých konstrukcí. Ke kolimaci UV-C lze také použít hliníkové reflektory. Kompromisem při použití sekundární optiky je úspora nákladů na použití menšího počtu LED diod oproti zvýšené složitosti návrhu v kolimátoru.

Bezpečnostní opatření

Ačkoli UV záření není schopno proniknout daleko pod lidskou kůži, je absorbováno a může způsobit krátkodobé poškození, jako jsou popáleniny a dlouhodobé poškození, jako jsou vrásky a předčasné stárnutí pokožky. V extrémních případech může vystavení UV záření způsobit rakovinu kůže. UV světlo je zvláště nebezpečné pro oči, kde může poškodit sítnici i rohovku. Při interakci se vzduchem může UV záření také produkovat ozón, který je při vysokých koncentracích považován za zdravotní riziko.

Díky těmto nebezpečím je dobrým zvykem navrhovat výrobky, které omezují vystavení UV-C záření a znemožňují uživatelům dívat se přímo na LED diodu. Jelikož je UV-C záření neviditelné, je také vhodné vybírat LED diody, které záměrně obsahují určité viditelné emise modrého světla. Tím je zřejmé, že jsou LED diody UV-C zapnuté.

Zejména u nemoci SARS-CoV-2 umožňuje začlenění sterilizačních jednotek do jednotek HVAC rychlou deaktivaci vzduchem přenášených virů a zároveň udržuje UV-C mimo dosah osob. Jinde probíhá výzkum LED diod, které lze namontovat na svítidla k ozařování povrchů s velmi nízkými hladinami UV-C, které jsou pro člověka neškodné, ale dlouhodobě poskytují dostatečné ozáření k deaktivaci všech virů na površích, jako jsou stoly, židle, podlahy a kliky dveří.

Závěr

UV-C záření lze použít k deaktivaci patogenů, jako jsou viry SARS-CoV-2, v dezinfekčních a sterilizačních produktech. Společným umělým zdrojem UV-C je však rtuťová výbojka, která vzhledem k obsahu těžkých kovů představuje při likvidaci problémy. LED diody UV-C nabízejí efektivnější a trvanlivější alternativu, která usnadňuje problémy s likvidací, a již je komerčně dostupná celá řada LED diod UV-C s emisními špičkami na vlnových délkách ideálně vhodných pro deaktivaci patogenů.

Tyto LED diody však nejsou jednoduchou alternativou a k maximalizaci jejich výhod je zapotřebí pečlivý design. Jak je popsáno, konstruktér musí začít s požadovaným ozářením na aktivním povrchu a dopracovat se k výpočtu počtu a uspořádání UV-C LED diod potřebných k dosažení tohoto ozáření. Konstruktér se také musí rozhodnout, zda se bude spoléhat na primární optiku LED, aby produkoval rovnoměrné ozáření, nebo zda použije sekundární optiku ke kolimaci výstupu UV-C pro dosažení optimálního diagramu při zohlednění nákladů na větší složitost.