Hvordan bruke UV-C-lysdioder for sikker, effektiv og effektiv patogenkontroll

COVID-19-pandemien har oppfordret ingeniører til å vurdere ultrafiolett lys (UV-lys) for desinfeksjons- og steriliseringsprodukter som «deaktiverer» SARS-CoV-2 (viruset som forårsaker COVID-19, også kalt Coronavirus). Konvensjonelle desinfeksjons- og steriliseringsprodukter bruker kvikksølvdamplamper med lavt trykk for å avgi det påkrevde UV-A-spektret for eliminering av sykdomsframkallende stoffer. Men lysdioder gir mange fordeler, inkludert større effektivitet, høyere lysutgang, lengre levetid og lavere levetidskostnader.

UV-A lysdioder er relativt enkle å produsere – ved å tilpasse blå lysdioder til det nærsynlige spektralområdet – og har vært tilgjengelige i over ti år i utrustninger for industriell herding. Men SARS-CoV-2-deaktivering krever mer energisk UV-C.

I løpet av de siste årene har kommersielle UV-C-lysdioder blitt tilgjengelige. Disse enhetene kan imidlertid ikke betraktes som en enkel drop-in erstatning for konvensjonelle kvikksølvdamplamper fordi de introduserer mange nye designutfordringer. For eksempel krever desinfeksjons- og saneringsprodukter høy og stramt kontrollert strålestrøm for å sikre riktig drift. Dessuten er UV-C-lysdioder ikke bare farlige for bakterier og virus, men de er også farlige for mennesker, så tilstrekkelig beskyttelse er en viktig del av designprosessen.

Denne artikkelen vil kort ta for seg typene UV-stråling og dens rolle i sanering og patogenkontroll. Den vil deretter beskrive fordelene ved å bruke lysdioder som strålingskilde og de tilhørende utfordringene. Artikkelen vil deretter introdusere løsninger på disse utfordringene ved hjelp av eksempelvis UV-ledere fra OSRAM Opto Semiconductors, Inc,, Everlight Electronics, og SETi/Seoul Viosys.

Hvorfor bruke UV-lys til patogenkontroll?

UV-stråling passer inn i det elektromagnetiske spekteret mellom synlig lys og røntgenstråler og omfatter korte bølgelengder (400 til 100 nanometer (nm)) fotoner med tilsvarende høy energi. Strålingsbølgelengden er omvendt proporsjonal med frekvensen: Jo kortere bølgelengden er, desto høyere frekvens (figur 1).

Figur 1: Langs det elektromagnetiske spekteret faller UV-stråling like under synlig lys ved en bølgelengde på mellom 100 og 400 nm og er delt inn i tre typer, A, B og C. (Bildekilde: Government of Canada)

Basert på samspillet mellom UV-stråling og biologiske materialer har tre typer UV-lys blitt definert: UV-A (400 til 315 nm), UV-B (314 til 280 nm) og UV-C (279 til 100 nm). Solen produserer alle tre formene, men menneskers eksponering er hovedsakelig begrenset til UV-A fordi lite UV-B og ingen UV-C trenger inn i jordens ozonlag. Det finnes imidlertid flere metoder for kunstig produksjon av alle tre typer UV-lys, for eksempel kvikksølvdamplamper og, i nyere tid, UV-lysdioder.

UV-C-stråling var en etablert teknologi for å utrydde sykdomsframkallende stoffer lenge før den nåværende pandemien. Konvensjonelle produkter bruker kvikksølvdamplamper som UV-kilde. Nyere forskning på effekten av UV-C på SARS-CoV-2 (coronavirus) har vist at UV-lys med en bølgelengde på rundt 250 til 280 nm fortrinnsvis absorberes av virusets RNA, og en total dose på 17 joule per kvadratmeter (J/m²) deaktiverer 99,9 prosent av patogenene. Legg merke til at dette bestrålingsnivået ikke dreper viruset direkte, men det forstyrrer RNA tilstrekkelig til å hindre det i å formere seg, og dermed gjøre det ufarlig samtidig som det begrenser menneskelig UV-eksponering.

Kilder til UV-lys

Den tradisjonelle kilden til UV-lys er kvikksølvdamplampen. Dette er en gassutladningsenhet med lys som avgir fra plasma av det fordampede metallet når det er begeistret av en elektrisk utladning. Noen produkter inneholder et smeltet kvartsbuerør som oppmuntrer til topputslipp ved UV-C-bølgelengden på 185 nm (i tillegg til noen UV-A- og UV-B-utslipp) for desinfeksjons- og steriliseringsformål (figur 2).

Figur 2: Før det kom UV-C-lysdioder, var kvikksølvdamplamper med lavt trykk den mest praktiske kilden til UV-lys. (Bildekilde: JKL Components)

Kvikksølvdamplamper er relativt effektive og langvarige sammenlignet med konvensjonelle glødelamper, men deres største ulempe er utslipp av giftig kvikksølv i miljøet hvis pæren går i stykker under normal bruk eller ved avhending.

UV-C-lysdioder gir derimot desinfeksjons- og steriliseringsutstyr de samme viktige fordelene som lysdioder gir til generell belysning, inkludert effektivitet, høyere lysutgang, lengre levetid og lavere levetidskostnader. Dessuten må man være forsiktig når man kaster lysdioder, men de utgjør ikke de samme miljøfarene som kvikksølvbaserte lyskilder.

UV-C-lysdioder bygger på teknologien til blå lysdioder. Disse bruker aluminium galliumnitrid (AlGaN) substrater som en plattform for bredere båndavstand (kortere bølgelengde) emittenter enn røde lysdioder. UV-C-lysdioder er imidlertid mindre effektive og koster mer enn blå lysdioder, i stor grad fordi galliumnitrid ikke er gjennomsiktig for UV-C-stråling. Som et resultat slipper relativt få UV-C-fotoner ut av LED-brikken.

Nyere utvikling, inkludert reflekterende p-kontaktmetallisering, mønstrede underlag, teksturerte overflater, mikrohulromseffekter og volumetrisk forming, brukes nå til å øke effekten av UV-LEDer, og kommersielle produkter tilbyr nå rimelig ytelse.Men ingeniører bør være oppmerksomme på at enhetene har lavere effektnivåer enn lysdioder med synlig lys, og at den ekstra kompleksiteten forbundet med å ekstrahere fotoner øker kostnadene. Produsentdatablader unngår vanligvis effektivitetstall og i stedet detaljfluks (i milliwatt (mW)) for en gitt stasjonsstrøm og spenning.

Eksempel på UV-C-lysdiode-løsninger

Det finnes flere kommersielle UV-C-lysdioder på markedet som er designet spesielt for å avgi stråling ved optimal bølgelengde for deaktivering av sykdomsframkallende stoffer. OSRAM Opto Semiconductors, Inc tilbyr for eksempel SU CULDN1.VC- CULDN1.VC OSLON UV 3636, en UV-C-lysdiode-LED som avgir ved 275 nm. Lysdioden leverer mellom 35 og 100 mW av total strålingsfluks (avhengig av valg av beholder) fra en 350 milliampere (mA), 5 til 6 volt fremoverstrøm/spenning (figur 3).

Figur 3: UV-C-lysdioder gir utslipp som topper i området 100 til 280 nm. For SARS-CoV-2-deaktivering (coronavirus-deaktivering) er den ideelle toppen mellom 250 og 280 nm. Strålingsfluksen (strålingstetthet) from the OSRAM OSLON UV-C-lysdioden som vises her, er sterkest ved 277 nm. (Bildekilde: OSRAM)

Et annet eksempel på denne enheten er Everlight Electronics sin ELUC3535NUB, en UV-C LED med 270 til 285. Enheten er keramikkbasert med en strålingseffekt på 10 mW fra en 100 mA, 5 til 7 volt fremover strøm/spenning (figur 4).

Figur 4: Everlight Electronics sin 270 til 285 nm UV-C-lysdiode er montert i en keramisk kropp. Lysdioden måler 3,45 x 3,45 mm. (Bildekilde: Everlight Electronics)

For sin del tilbyr SETi/Seoul Viosys CUD5GF1B. Lysdioden, en 255 nm-emitter, er montert i en keramikkpakke for plassering av overflatemonteringen og har lav varmemotstand. Lysdiodens stråleeffekt er 7 mW fra en 200 mA / 7,5 volts driftstrøm/spenning. Lysdioden viser minimalt avvik av den utstrålte bølgelengden med økende temperatur: den avviker med bare 1 nm fra sin toppeffekt på 255 nm over et 50˚C temperaturområde på LED-brikken. Dette er en viktig betraktning for en enhet som krever en stramt kontrollert utgang for å sikre god deaktivering av virus (figur 5).

Figur 5: SETi/Seoul Viosys ’CUD5GF1B UV-C-lysdiode avviker med bare 1 nm fra sin toppeffekt på 255 nm over et 50˚C temperaturområde på LED-brikken. (Bildekilde: SETi/Seoul Viosys)

Utforming med UV-C-lysdioder

Lysdioder tar med seg sitt eget sett med utfordringer, så det er upraktisk å prøve å tilpasse et produkt utformet rundt en kvikksølvdamplyskilde for å imøtekomme UV-C-lysdioder. Derfor er det ikke bare et tilfelle av å bytte ut kvikksølvdamplamper med UV-C-lysdioder i desinfeksjons- eller steriliseringsutstyr å bytte en lyskilde mot en annen.

Når du velger UV-C-lysdioder for desinfeksjon eller sterilisering, bør designprosessen starte med en bestemmelse av området som UV-C-lyset må påføres over, og strålefluksen («bestråling») i watt per kvadratmeter (watt/m²) som kreves for å deaktivere målpatogener i den utstrålte sonen.

Vurder for eksempel en desinfeksjonsenhet for luften som kommer ut av en klimaanleggskanal. Basert på 17 J / m² krav skissert ovenfor, for et område på 0,25 m² , for å deaktivere virus i luftstrømmen på rundt fem sekunder, vil kreve et system med en bestråling på rundt 4 watt / m² (for en total effekt på 1 watt).

Når ønsket stråling er beregnet, kan ingeniøren finne ut hvordan den kan leveres. En tommelfingerregel er å vurdere strålefluksen til hver LYSDIODE og dele den totale strålingen med det tallet for å finne antall lysdioder som kreves for hvert produkt på komponentens shortliste.

Denne grove beregningen er en forenkling fordi den ikke tar hensyn til hvordan fluksen er fordelt. To faktorer bestemmer hvordan strålefluksen påvirker målflaten. Den første er avstanden fra lysdioden til gjenstanden, og den andre er lysdiodens «strålevinkel».

Hvis lysdioden betraktes som en punktkilde, reduseres dens bestråling i henhold til en omvendt firkantlov. For eksempel, hvis bestrålingen er 10 mW per centimeter kvadrert (mW/cm²) på 1 cm avstand fra utslippspunktet, vil bestrålingen ha falt til 0,1 mW/cm². Denne beregningen forutsetter imidlertid at lysdioden utstråler likt i alle retninger, noe som ikke er tilfellet. I stedet har lysdioder primæroptikk som leder strålefluksen i en bestemt retning. Produsentene angir vanligvis lysdiodestrålevinkelen i databladet, og dette er definert som vinkelen der 50 prosent av toppstrålingen nås på hver side av opprinnelsen.

OSRAM, Everlight Electronics SETi/Seoul Viosys UV-C-lysdioder, beskrevet ovenfor, har strålevinkler på henholdsvis 120, 120 og 125 grader. Figur 6 viser bestrålingsmønsteret for OSRAMS SU-CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C-lysdiode. I diagrammet angir den prikkede linjen mellom 0,4 og 0,6 hvor 50 prosent av toppstrålingen nås, og definerer strålevinkelen (60 + 60 grader).

Figur 6: For bestrålingsmønsteret til OSRAM sin SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C-lysdiode, angir den prikkede linjen hvor 50 prosent av toppstrålingen nås, dette definerer strålevinkelen (60 + 60 grader). (Bildekilde: OSRAM)

Den viktigste egenskapen som bestemmer strålevinkelen, er forholdet mellom LED-brikken og størrelsen på primæroptikken. Derfor krever produksjon av en smalere stråle en mindre emitter eller større optikk (eller en passende balanse av de to). Utformingsbalansen er at en mindre LED-brikke gir lavere utslipp, mens større optikk er vanskeligere å lage, presser prisene opp og setter en grense for strålevinkelkontroll.

Kommersielle lysdioder leveres vanligvis med fabrikkmontert primæroptikk, så avgjørelsen om LED-brikke-/optikkforholdet er utenfor designingeniørens kontroll. Det gjør det viktig å gjennomgå strålevinkelen til utvalgte produkter fordi to identiske utgangsenheter fra forskjellige leverandører kan ha ganske forskjellige utslippsmønstre.

Selv om avstanden til lysdioden fra det bestrålede objektet og strålevinkelen er en god innledende veiledning til bestrålingsmønsteret, er det kilder til varians. Lysmønstrene til lysdioder fra en enkelt produsent, med teoretisk identiske utganger og strålevinkler, kan for eksempel variere betydelig i intensitet og kvalitet avhengig av den primære optiske utformingen. Den eneste måten å være sikker på det faktiske bestrålingsmønsteret på er å teste produksjonen av utvalgte produkter.

Bevæpnet med lysdiodeutgangen, avstanden mellom lysdioden og overflaten som elementene som skal desinfiseres vil sitte på, strålevinkelen og de faktiske utslippsdataene, kan ingeniøren beregne hvor mange lysdioder som vil være nødvendig og hvordan de bør plasseres for å generere ønsket stråling over det aktive området.

Det endelige valget av lysdioder kommer ned til ønsket balanse mellom kostnad, virkningsgrad og kompleksitet. UV-C-lysdioder er dyre, så en tilnærming kan være å bruke færre, kraftigere enheter istedenfor et større antall mindre kraftige enheter. Fordelen med dette scenariet er at lysdiode-komponentkostnaden kan bli lavere og driverkompleksiteten redusert. Ulempen er at på grunn av deres lave effektivitet, vil de mer kraftige enhetene kreve bedre termisk styring for å opprettholde lange levetider (høye temperaturer reduserer dramatisk lysdiode-levetid). Dette krever større kjøleribber, noe som opphever noen av de forventede kostnadsbesparelsene.

Utforming av sekundæroptikk

Et alternativ til å legge til lysdioder og/eller øke lysdiode-effekten er å vurdere å bruke sekundæroptikk. Disse innretningene kollimerer (produserer parallelle lysstråler med lik intensitet) UV-C-utgangen fra lysdioden for effektivt å eliminere eventuelle strålevinkeleffekter. I teorien, ved bruk av kollimasjon (kollimering), bør bestrålingen over måloverflaten være ensartet (uavhengig av lysdiodearrangementet), og et gitt bestrålingsnivå bør oppnås med færre lysdioder fordi mindre av utgangen vil gå tapt. Alternativt kan høyere bestråling oppnås med samme antall lysdioder som en design uten sekundær optikk (350 mW/m² vs 175 mW/m²) (figur 7).

Figur 7: UV-C-utslippskollimasjon ved hjelp av sekundæroptikk (venstre) øker bestrålingen av målområdet sammenlignet med et system med samme lysdiode-utgang, men ved hjelp av (ikke-kollimert) primæroptikk. (Bildekilde: LEDiL)

I praksis er bestrålingen med sekundæroptikk mindre enn ensartet fordi kollimasjon fra selv de beste produktene er ufullkommen på grunn av diffraksjon (selv om, jo mindre lysdiode, desto bedre kollimasjon). Også langvarige eksperimenter med posisjonering av lysdioder og sekundæroptikk er ofte nødvendig for å sikre nødvendig bestråling fra færre enheter, sammenlignet med en lignende design uten sekundæroptikk.

Merk at sekundæroptikken for UV-C-lysdioder er produsert av andre materialer enn de som brukes med lysdioder for synlig lys. Vanlige løsninger er injeksjonsstøpte silikondeler som reflekterer UV-C-bølgelengder godt og muliggjør produksjon av komplekse linsedesign. Aluminiumsreflektorer kan også brukes til kollimering av UV-C. Avviklingen ved bruk av sekundæroptikk er kostnadsbesparelsene ved å bruke færre lysdioder mot den økte kompleksiteten av design i kollimatoren.

Sikkerhetsregler

Selv om UV-stråling ikke er i stand til å trenge langt gjennom menneskehud, absorberes den og kan forårsake kortsiktige skader som forbrenninger og langsiktige skader som rynker og for tidlig aldring av huden. I ekstreme tilfeller kan UV-eksponering forårsake hudkreft. UV-lys er spesielt farlig for øynene der det kan skade både netthinnen og hornhinnen. Ved interaksjon med luft kan UV-stråling også produsere ozon som anses som en helserisiko ved høye konsentrasjoner.

Disse farene gjør det til god praksis å designe produkter som begrenser eksponering for UV-C-lys og gjør det umulig for brukere å se direkte på lysdioden. Fordi UV-C er usynlig, er det også god praksis å velge lysdioder som bevisst inkluderer noen synlige blålysutslipp. Dette gjør det åpenbart når UV-C-lysdiodene er slått på.

Særlig for SARS-CoV-2 (coronavirus) gir det å inkorporere steriliseringsenheter i klimmanlegg-enheter (HVAC) mulighet for rask luftbåren virusdeaktivering samtidig som UV-C holdes unna mennesker. Andre steder forskes det på lysdioder som kan monteres på lysarmaturer for å bestråle overflater med svært lave nivåer av UV-C som er ufarlige for mennesker, men over lange perioder gir tilstrekkelig bestråling for å deaktivere eventuelle virus på overflater som bord, stoler, gulv og dørhåndtak.

Konklusjon

UV-C-stråling kan brukes til å deaktivere sykdomsframkallende stoffer som SARS-CoV-2 (coronavirus) i desinfeksjons- og steriliseringsprodukter. Den vanligste kunstige kilden til UV-C er kvikksølvdamplampen, som gir utfordringer ved disponering på grunn av tungmetallinnholdet. UV-C-lysdioder tilbyr et mer effektivt og langvarig alternativ som letter avhendingsproblemer, og en rekke UV-C-lysdioder har blitt kommersielt tilgjengelige med utslippstopper ved bølgelengder som er ideelt egnet til patogendeaktivering.

Disse lysdiodene er imidlertid ikke et enkelt drop-in alternativ, og det kreves nøye design for å maksimere fordelene. Som beskrevet må en konstruktør starte med ønsket stråling på den aktive overflaten og jobbe tilbake for å beregne antall og plassering av UV-C-lysdiodene som er nødvendige for å oppnå denne strålingen. Konstruktøren må også bestemme om han eller hun skal stole på lysdiodenes primære optikk for å produsere jevn bestråling, eller om han eller hun skal bruke sekundær optikk for å kollimere UV-C-utgangen for optimalt mønster mens han eller hun tar hensyn til kostnaden for større kompleksitet.