Hur man använder UV-C-lysdioder för säker, effektiv och energisnål patogenkontroll

Covid-19-pandemin har fått ingenjörer att överväga UV-ljus för desinfektions- och steriliseringsprodukter som "inaktiverar" SARS-CoV-2 (viruset som orsakar covid-19). Konventionella desinfektions- och steriliseringsprodukter använder kvicksilverånglampor med lågt tryck för att avge ljus i det önskade UV-A-spektrat för att eliminera patogener. Men lysdioder har många fördelar, inklusive högre verkningsgrad, högre ljuseffekt, längre livslängd och lägre livslängdskostnader.

UV-A-lysdioder är relativt enkla att tillverka - genom att anpassa blåljusdioder till det nästan synliga spektralområdet - och har funnits i över ett decennium i industriella härdningstillämpningar. Men inaktivering av SARS-CoV-2 kräver mer energirika UV-C.

Under de senaste åren har UV-C-lysdioder blivit kommersiella tillgängliga. Dessa enheter kan emellertid inte betraktas som enkla ersättningsprodukter för konventionella kvicksilverånglampor, eftersom de medför många nya konstruktionsutmaningar. Exempelvis kräver desinfektions- och steriliseringsprodukter ett högt och snävt reglerat strålningsflöde för att säkerställa korrekt funktion. Dessutom är UV-C-lysdioder inte bara farliga för bakterier och virus, utan de är också farliga för människor, så ordentliga skyddsanordningar är en viktig del av konstruktionsprocessen.

Denna artikel diskuterar kort de olika typerna av UV-strålning och dess roll vid desinfektion och patogenkontroll. Den beskriver sedan fördelarna med att använda lysdioder som strålningskälla samt de förknippade konstruktionsutmaningarna. I artikeln presenteras sedan lösningar på dessa utmaningar med hjälp av exempel på UV-ljusdioder från OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics och SETi/Seoul Viosys.

Varför använda UV-ljus för patogenkontroll?

UV-strålning ligger i det elektromagnetiska spektrat mellan synligt ljus och röntgenstrålar och består av fotoner med korta våglängder (400 till 100 nm) med motsvarande höga energier. Strålningsvåglängden är omvänt proportionell mot frekvensen: ju kortare våglängden är, desto högre är frekvensen (figur 1).

Figur 1: I det elektromagnetiska spektrat finns UV-strålningen strax under synligt ljus med en våglängd på mellan 100 och 400 nm och den delas in i tre typer: A, B och C. (Bildkälla: Kanadas regering)

Grundat på interaktionen mellan UV-strålning och biologiska material, har tre typer av UV-ljus definierats: UV-A (400 till 315 nm), UV-B (314 till 280 nm) och UV-C (279 till 100 nm). Solen producerar alla tre formerna, men mänsklig exponering är huvudsakligen begränsad till UV-A eftersom bara lite UV-B och ingen UV-C tränger igenom jordens ozonskikt. Det finns dock flera metoder för konstgjord produktion av alla tre typer av UV-ljus, exempelvis kvicksilverånglampor och, mer nyligen, UV-lysdioder.

UV-C-strålning var en etablerad teknik för att eliminera patogener långt före den nuvarande pandemin. Konventionella produkter använder kvicksilverånglampor som UV-källa. Ny forskning om effekten av UV-C på SARS-CoV-2 har visat att UV-ljus med en våglängd på cirka 250 till 280 nm gärna absorberas av virusets RNA och en total dos om 17 joule per kvadratmeter (J/m²) inaktiverar 99,9 procent av patogenerna. Tänk på att denna bestrålningsnivå inte dödar viruset direkt, men det stör dess RNA tillräckligt för att förhindra att det replikerar sig, vilket gör det ofarligt, samtidigt som det begränsar UV-exponeringen för människor.

Källor till UV-ljus

Den traditionella källan för UV-ljus är kvicksilverånglampan. Detta är en gasurladdningsanordning med ljus som avges från plasma av den förångade metallen när den exciteras genom en elektrisk urladdning. Vissa produkter innehåller ett smält kvarts-bågrör som triggar en toppemission vid UV-C-våglängden 185 nm (förutom viss UV-A- och UV-B-emission) för desinfektions- och sterilisationsändamål (Figur 2).

Figur 2: Innan UV-C-lysdioder kom till var kvicksilverånglampor med lågt tryck den mest praktiska källan till UV-ljus. (Bildkälla: JKL-komponenter)

Kvicksilverånglampor är relativt effektiva och håller relativt länge jämfört med konventionella glödlampor, men deras främsta nackdel är frisättningen av giftigt kvicksilver i miljön om lampan går sönder under användning eller vid slutomhändertagandet.

UV-C-lysdioder ger å andra sidan för desinficering och sterilisering samma viktiga fördelar som lysdioder ger för allmän belysning, såsom högre verkningsgrad, högre ljuseffekt, längre livslängd och lägre kostnader under en livscykel. Även om man fortfarande måste vara aktsam när man kasserar lysdioder, utgör de inte samma miljöfara som kvicksilverbaserade ljuskällor.

UV-C-lysdioder bygger på Blue-LED-teknik. Dessa använder aluminium-galliumnitrid (AlGaN)-substrat som en plattform för ljusavgivning med bredare bandgap (kortare våglängd) än röda lysdioder. UV-C-lysdioder är dock mindre effektiva och kostar mer än blå lysdioder, till stor del eftersom galliumnitrid inte är transparent för UV-C-strålning. Som en följd av detta släpps relativt få emitterade UV-C-fotoner igenom rasterformen.

Den senaste teknikutvecklingen, inklusive reflekterande p-kontaktmetallisering, mönstrade substrat, strukturerade ytor, mikrokavitetseffekter och volymetrisk formning används nu för att öka effekten av UV-lysdioder, och kommersiella produkter erbjuder nu rimlig prestanda.Men ingenjörer bör vara medvetna om att produkterna har lägre verkningsgrader än lysdioder med synligt ljus, och den extra komplexiteten som är förknippad med att extrahera fotoner ökar kostnaderna. Tillverkares datablad undviker i allmänhet siffror om verkningsgrad och anger istället flöde (i mW) för en given drivström och -spänning.

Exempel på UV-C-LED-lösningar

Det finns flera kommersiella UV-C-lysdioder på marknaden speciellt utformade för att emittera strålning vid optimal våglängd för att inaktivera patogener. OSRAM Opto Semiconductors, Inc. erbjuder exempelvis SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, en UV-C-lysdiod som lyser vid 275 nm. Lysdioden levererar mellan 35 och 100 mW totalt strålningsflöde (beroende på hur karakteristikgränserna definieras) från 350 milliampere (mA), 5 till 6 volt ström/spänning i framriktningen (figur 3).

Figur 3: UV-C-lysdioder avger ett ljus som toppar i intervallet 100 till 280 nm. För SARS-CoV-2-inaktivering ligger den ideala toppen mellan 250 och 280 nm. Strålningsflödet från OSRAM OSLON UV-C LED som visas här når sin topp vid 277 nm. (Bildkälla: OSRAM)

Ett annat exempel är Everlight Electronics ELUC353535NUB, en UV-C LED med 270-285 nm. Enheten är keramisk med en strålningseffekt på 10 mW från 100 mA, 5 till 7 volt ström/spänning i framriktningen (figur 4).

Figur 4: Everlight Electronics 270-285 nm UV-C LED är monterad i ett keramiskt hölje. Lysdioden mäter 3,45 x 3,45 mm. (Bildkälla: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys erbjuder för sin del CUD5GF1B. Lysdioden, med 255 nm emitterad våglängd, är innesluten i en keramisk kapsling för ytmontering och har låg termisk resistans. Komponentens strålningseffekt är 7 mW vid 200 mA/7,5 volt drivström/-spänning. Lysdioden har minimal avvikelse från den emitterade våglängden med ökande temperatur: den avviker endast med 1 nm från sin toppeffekt på 255 nm över ett temperaturintervall på 50 °C. Detta är en viktig faktor för en komponent som kräver en snävt reglerad effekt för att säkerställa effektiv virusinaktivering (figur 5).

Figur 5: SETi/Seoul Viosys CUD5GF1B UV-C LED avviker endast med 1 nm från sin topputmatning på 255 nm över ett temperaturintervall om 50 °C. (Bildkälla: SETi / Seoul Viosys)

Konstruera med UV-C-lysdioder

Lysdioder har egna konstruktionsutmaningar, så det är opraktiskt att försöka anpassa en produkt konstruerad för en kvicksilverångljuskälla till att inrymma UV-C-lysdioder. Av den anledningen handlar utbyte av kvicksilverånglampor mot UV-C-lysdioder i desinfektions- och steriliseringstillämpningar inte bara om att byta en ljuskälla mot en annan.

Om man väljer UV-C-lysdioder för desinfektion eller sterilisering, bör konstruktionsprocessen börja med att fastställa vilken sorts yta UV-C-ljuset ska belysa och strålflödet ("bestrålningen") i watt per kvadratmeter (watt/m²) som krävs för att inaktivera specifika patogener i strålningszonen.

Tänk exempelvis på en tillämpning för desinficering av luften från en ventilationskanal. Givet de ovan beskrivna kraven på 17 J/m² för ett område på 0,25 m², skulle det för att inaktivera virus i luftströmmen på cirka fem sekunder, krävas ett system med en bestrålning på ca. 4 W/m² (och en total effekt på 1 W).

När den önskade bestrålningen har beräknats, kan konstruktören räkna ut hur detta kan levereras. En tumregel är att ta hänsyn till strålningsflödet för varje lysdiod och dela den totala bestrålningen med denna siffra för att få fram antalet lysdioder som krävs för varje färdig produkt.

Denna grova beräkning är en förenkling eftersom den inte tar hänsyn till hur detta flöde är fördelat. Två faktorer avgör hur strålningsflödet påverkar målytan. Den första är avståndet från lysdioden till objektet, och den andra är lysdiodens “strålvinkel”.

Om lysdioden betraktas som en punktkälla minskar dess bestrålning enligt en omvänt kvadratisk lag. Om strålningen på exempelvis 1 cm avstånd från emissionspunkten är 10 mW per kvadratcentimeter (mW/cm²), kommer strålningen 10 cm bort att ha sjunkit till 0,1 mW/cm². Denna beräkning förutsätter dock att lysdioden strålar lika i alla riktningar, vilket inte är fallet. Lysdioder har istället en primäroptik som styr strålningsflödet i en viss riktning. Tillverkare listar vanligtvis LED-strålningsvinkeln i databladet, och detta definieras som den vinkel vid vilken 50 procent av toppstrålningstätheten uppnås på båda sidor om utgångspunkten.

De OSRAM-, Everlight Electronics- och SETi/Seoul Viosys UV-C-lysdioder som beskrivs ovan har strålvinklar på 120, 120 respektive 125 grader. Figur 6 visar strålningsmönstret för OSRAMs UV-C LED SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18. I diagrammet visar den streckade linjen mellan 0,4 och 0,6 var 50 procent av den högsta strålningsintensiteten uppnås, vilket definierar strålningsvinkeln (60 + 60 grader).

Figur 6: För bestrålningsmönstret för OSRAMs UV-C LED SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 anger den streckade linjen mellan 0,4 och 0,6 var 50 procent av den högsta bestrålningen uppnås, vilket definierar strålningsvinkeln (60 + 60 grader). (Bildkälla: OSRAM)

Nyckelkarakteristiken som avgör strålvinkeln är förhållandet mellan LED-substratet och storleken på primäroptiken. För att producera en smalare stråle krävs därför en mindre ljusemitter eller större optik (eller en lämplig balans mellan de två). Konstruktionsavvägningen är att ett mindre substrat ger en lägre ljusemission, medan större optik är svårare att göra, vilket pressar upp priserna och sätter en gräns för strålvinkelregleringen.

Kommersiella lysdioder levereras vanligtvis med fabriksmonterad primäroptik, så beslutet om substrat/optik-förhållande ligger bortom konstruktörens kontroll. Det gör det viktigt att granska strålvinkeln för de olika kandidatprodukterna eftersom två komponenter med identisk uteffekt från olika leverantörer kan ha helt olika emissionsmönster.

Även om avståndet från lysdioden till det bestrålade föremålet och strålvinkeln är en bra fingervisning om bestrålningsmönstret, finns det variationskällor. Exempelvis kan ljusmönstren för lysdioder från en enda tillverkare, med teoretiskt identiska utgångar och strålvinklar, variera avsevärt i intensitet och kvalitet beroende på primäroptikens konstruktion. Det enda sättet att vara säker på det faktiska bestrålningsmönstret är att testa effekten från produkterna på listan med kandidater.

Med kännedom om lysdiodens uteffekt, avståndet mellan lysdioden och ytan på vilken föremålen som ska desinficeras är placerade, strålvinkeln och den faktiska emissionskarakteristiken, kan konstruktören beräkna hur många lysdioder som kommer behövas och hur de ska placeras för att generera önskad strålningstäthet över det aktiva området.

Det slutliga valet av lysdiod hamnar i slutändan om önskad avvägning mellan kostnad, verkningsgrad och komplexitet. UV-C-lysdioder är dyra, så en metod kan vara att använda färre enheter med högre effekt, snarare än ett större antal mindre kraftfulla komponenter. Fördelen med detta scenario är att kostnaden för LED-komponenten kan bli lägre och drivkretsens komplexitet minskas. Nackdelen är att på grund av deras låga effektivitet, kommer kraftfullare komponenter att kräva ett bättre termiskt arrangemang för att hålla länge (höga temperaturer minskar dramatiskt lysdioders livslängd). Detta kräver större kylflänsar, vilket förtar en del av de förväntade kostnadsbesparingarna.

Integrera sekundäroptiken

Ett alternativ till att lägga till fler dioder och/eller öka deras effekt är att använda sekundäroptik. Dessa komponenter kollimerar (producerar parallella ljusstrålar med lika intensitet) UV-C-ljuset från lysdioden för att effektivt eliminera eventuella strålningsvinkeleffekter. Om kollimering används bör, i teorin, bestrålningen över målytan vara homogen (oberoende av arrangemanget av lysdioder), och en viss nivå av bestrålningstäthet bör uppnås med färre lysdioder eftersom mindre av uteffekten går förlorad. Alternativt kan högre strålningstäthet uppnås med samma antal lysdioder som för en konstruktion utan sekundäroptik (350 mW/m² mot 175 mW/m²) (Figur 7).

Figur 7: UV-C-emissionskollimering med sekundäroptik (till vänster) ökar strålningstätheten i målområdet jämfört med ett system med samma LED-uteffekt men med (okollimerad) primäroptik. (Bildkälla: LEDiL)

I praktiken är strålningstätheten med sekundäroptik inte homogen, eftersom kollimeringen även från de bästa produkterna är ofullkomlig på grund av diffraktion (även om kollimeringen blir bättre ju mindre lysdioden är). Dessutom behövs ofta långa experiment med positionering av lysdioder och sekundäroptik för att bekräfta att den önskade strålningstätheten kan uppnås med färre komponenter, jämfört med en liknande konstruktion utan sekundäroptik.

Var medveten om att sekundäroptiken för UV-C-lysdioder tillverkas av andra material än de som används för lysdioder med synligt ljus. En vanlig lösning är att formspruta silikondelar som reflekterar UV-C-våglängder väl och möjliggör tillverkning av komplexa linsformer. Aluminiumreflektorer kan också användas för att kollimera UV-C-ljus. Avvägningen vid användning av sekundäroptik är kostnadsbesparingarna vid användning av färre lysdioder mot den ökade komplexiteten i en konstruktion med kollimator.

Säkerhetsåtgärder

Även om UV-strålning inte kan tränga in långt i människohuden, absorberas den och kan orsaka kortvariga skador, såsom brännskador, och långtidsskador som rynkor och för tidigt hudåldrande. I extrema fall kan UV-exponering orsaka hudcancer. UV-ljus är särskilt farligt för ögonen och kan skada både näthinnan och hornhinnan. Vid interaktion med luften kan UV-strålning också producera ozon som anses vara en hälsorisk vid höga koncentrationer.

Givet dessa faror rekommenderas det att konstruera produkter som begränsar exponeringen för UV-C-ljus och gör det omöjligt för användare att titta direkt på lysdioden. Eftersom UV-C är osynlig är det också bra att välja lysdioder som avsiktligt innehåller några synliga blå ljusstrålar. Detta gör det tydligt när UV-C-lysdioderna är påslagna.

Specifikt för SARS-CoV-2 möjliggör integreringen av steriliseringsenheter i HVAC-anläggningar snabb inaktivering av luftburna virus, samtidigt som UV-C hålls borta från människor. På andra håll bedrivs forskning om lysdioder som kan monteras på ljusarmaturer för att bestråla ytor med mycket låga nivåer av UV-C som är ofarliga för människor, men som under långa exponeringsperioder ger tillräcklig bestrålning för att inaktivera virus på ytor som bord, stolar, golv och dörrhandtag.

Slutsats

UV-C-strålning kan användas för att inaktivera patogener som SARS-CoV-2 i desinfektions- och steriliseringsprodukter. Den konventionella konstgjorda källan till UV-C är dock en kvicksilverånglampa, vilken är svår att slutomhänderta på ett miljövänligt vis pga. sitt tungmetallinnehåll. UV-C-lysdioder erbjuder ett mer effektivt och långsiktigt alternativ och eliminerar problemet med slutomhändertagande, och ett antal UV-C-lysdioder med emissionstoppar i våglängder som är idealiska för patogen inaktivering är nu kommersiellt tillgängliga.

Dessa lysdioder kan dock inte bara stoppas in som reservdelar i en gammal slutprodukt. Ett omsorgsfullt konstruktionsarbete krävs för att maximera fördelarna. Som beskrivits måste en konstruktör börja med den önskade strålningstätheten på den aktiva ytan och arbeta sig bakåt för att beräkna antalet och placeringen av UV-C-lysdioderna som behövs för att uppnå denna bestrålningsnivå. Konstruktören måste också välja om det är bäst att använda lysdiodernas primäroptik för att ge jämn bestrålning eller använda sekundäroptik för att kollimera UV-C-utgången för ett optimalt mönster, samtidigt som kostnaderna för den högre komplexiteten tas i beaktande.