UVA, UVB a UVC LED: technologie a měření
UVA, UVB a UVC LED se neliší pouze špičkovou vlnovou délkou. Materiálový systém, účinnost, tepelná zátěž, spektrální šířka pásma, stárnutí a dostupný optický výkon se v rámci UV rozsahu výrazně mění. Pro spolehlivé použití proto musí být údaje o LED posuzovány za definovaných podmínek proudu a teploty a doplněny vhodným radiometrickým měřením v místě použití.
UV LED generují ultrafialové záření v polovodičích z nitridu hliníku, gallia a india. Složení určuje emisní vlnové délky v pásmech UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) a UVC (200–280 nm); běžné jsou 365 a 385 nm v UVA, 285 a 295 nm v UVB a 265 nm v UVC. Naměřená spektra jednotlivých typů LED jsou k dispozici ke stažení ve spektrální databázi pro UV lampy a UV LED.
Evropská směrnice RoHS omezuje lampy obsahující rtuť; aktuální stav je popsán v části RoHS a UV lampy. Jaké přístroje z toho důvodu Opsytec nabízí, je uvedeno v části UV-LED zdroje světla.
Výroba ultrafialových diod emitujících světlo
Elektromagnetické záření se obecně generuje v polovodičích III-V, tedy polovodičích tvořených prvky ze třetí a páté hlavní skupiny periodické tabulky, přičemž vlnová délka emisního maxima UV LED je primárně určena složením tuhého roztoku materiálu.
Legováním polovodičů nitridu hlinitého (AlN), nitridu galia (GaN) a nitridu india (InN) lze dosáhnout emisních vlnových délek v pásmech UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) a UVC (280 nm - 200 nm).
Výroba UV LED zahrnuje řadu kroků:
Návrh heterostruktury LED a rozvržení čipu, růst substrátů a základních vrstev, epitaxe polovodičové heterostruktury, zpracování LED zařízení na úrovni waferu a nakonec rozdělení waferů na LED čipy a jejich montáž do pouzder. UV LED se proto skládají z mnoha stovek polovodičových vrstev, jejichž složení a dotace musí být upraveny podle příslušné funkčnosti.
Emisní vlnová délka LED je určena složením a dotací, ve kterých je generováno UV záření. Ve všech krocích je důležité, aby byl elektrický výkon efektivně přeměněn na optický zářivý výkon. Účinnost přeměny elektrické energie na optickou (wall-plug efficiency, WPE) je pro tuto aplikaci obzvláště důležitým parametrem. Celková účinnost UV LED udává poměr optického zářivého výkonu k dodávanému elektrickému výkonu.
UV LED emitující v pásmu UVA nyní dosahují WPE kolem 30–40 %, zatímco LED emitující modré světlo již dosahují velmi vysoké WPE kolem 80 %. Naproti tomu LED s emisí v nízkém pásmu UVB a UVC mají výrazně nižší WPE, méně než 5 % až 10 %. Z tohoto důvodu jsou UVB a UVC LED předmětem neustálé optimalizace a technologického vývoje. Výsledkem je, že dostupné typy LED musí být po určité době nahrazeny nástupnickými typy.
Srovnání UV LED pro UVA, UVB & UVC
Ve srovnání se staršími UV LED vykazují nejnovější UVB a UVC LED výrazně vyšší účinnost a lepší výkon. Starší UV LED často trpěly vysokými provozními teplotami a rychlou degradací, což se díky nejnovějšímu vývoji výrazně zlepšilo. Současná generace UVB a UVC LED využívá pokročilé chladicí technologie a vylepšené polovodičové struktury a optické vazby, které nejen prodlužují životnost, ale také zvyšují účinnost.
UVB a UVC LED zatím nedosahují výkonu a výstupu UVA LED, ale v posledních letech se jim podařilo výrazně přiblížit.
UVB a UVC LED, stejně jako UVA LED, se vyrábějí z různých substrátů a různými epitaxními procesy, které jsou speciálně přizpůsobeny požadovaným vlnovým délkám a výkonovým požadavkům. Volba substrátu a metody epitaxe má významný vliv na účinnost, výkon a náklady LED.
Níže je uvedeno technické srovnání mezi UVA LED s vlnovými délkami 365 nm a 385 nm a krátkovlnnými LED při 265 nm (UVC), jakož i 285 nm a 295 nm (UVB). Tato tabulka zohledňuje obecné parametry, jako je účinnost, výstup, životnost a typické aplikace.
| Parametry | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| Špičková vlnová délka | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| Optický výkon | 10–1 000 mW | 10–1 000 mW | 1–30 mW | 1–30 mW | 1–30 mW |
| Účinnost (WPE) | 20–40 % | 20–40 % | 5–15 % | 5–15 % | 5–15 % |
| Životnost | Až 10 000 h | Až 10 000 h | Až 5 000 h | Až 5 000 h | Až 5 000 h |
| Provozní teplota | -20 °C až +60 °C | -20 °C až +60 °C | -10 °C až +50 °C | -10 °C až +50 °C | -10 °C až +50 °C |
| Typické aplikace | Vytvrzování, testování | Vytvrzování, testování | Dezinfekce, sterilizace | Dezinfekce, sterilizace | Dezinfekce, sterilizace |
Vysvětlení:
Špičková vlnová délka: Vlnová délka, při které má LED nejvyšší emisi.
Optický výkon: Celkový výkon světla vyzařovaného LED v miliwattech.
Účinnost: Poměr vyzářeného optického výkonu k absorbovanému elektrickému výkonu.
Životnost: Očekávaná provozní doba LED až do bodu, kdy výstup klesne na určité procento své původní hodnoty, obvykle 70 % (L70).
Provozní teplota: Teplotní rozsah, ve kterém může LED bezpečně a efektivně pracovat.
Typické aplikace: Nejběžnější aplikace pro konkrétní LED.
Tyto hodnoty v tabulce jsou obecné a mohou se lišit v závislosti na výrobci a konkrétním modelu LED. Je také důležité poznamenat, že účinnost a výstup UVC LED, zejména při kratších vlnových délkách, je obvykle nižší než u UVA LED.
Zatímco UVA LED mají obvykle nižší obsah hliníku ve vrstvách AlGaN, UVB a UVC LED vyžadují vyšší obsah hliníku pro dosažení kratších vlnových délek. Epitaxní depozice pro UVB a UVC LED je technicky náročnější díky vyššímu obsahu hliníku a s tím souvisejícím vyšším výskytem krystalových defektů. To vede k vyšším výrobním náladům a nižším výtěžnostem.
Navíc vyzařovaná vlnová délka kolísá v důsledku výrobního procesu. Z tohoto důvodu jsou UV LED po separaci spektrálně skupinovány, což je proces známý jako binning. Je důležité poznamenat, že vlnová délka se může mírně změnit, pokud je LED nahrazena z jiné šarže. U klasických lamp naopak emisi určují atomové přechody a srážky částic. Proto se emise u klasických lamp nemění.
Porovnání vlnových délek
Tabulka výše porovnává komponenty; kalkulačka níže porovnává samotné vlnové délky: energii fotonu, frekvenci a především počet fotonů na joule. Právě tento poslední sloupec vysvětluje, proč nelze technologický předpis jednoduše přesunout z 365 nm na 395 nm — při stejné dávce zde dopadne o zhruba osm procent více fotonů.
Aplikace UVA LED
UVA LED s vlnovými délkami v rozsahu 315 až 400 nm se používají v mnoha technických, vědeckých a průmyslových oborech a hrají klíčovou roli v nedestruktivním testování (NDT) a mnoha dalších inovativních aplikacích.
Nedestruktivní testování (NDT): UVA LED jsou důležitým nástrojem při fluorescenčním zkoušení, což je dílčí oblast NDT. Používají se k vizualizaci povrchových defektů nebo rozdílů v materiálech buzením fluorescenčních barviv aplikovaných na testované díly. Tato metoda se běžně používá v leteckém, automobilovém a kovoobráběcím průmyslu k identifikaci trhlin, přeložení, pórů a dalších vad.
UV vytvrzování: Jednou z nejběžnějších aplikací UVA LED je UV vytvrzování barev, lepidel a nátěrů. Tato technologie se používá v tiskařském průmyslu, při výrobě elektroniky (např. při lepení displejů chytrých telefonů). UVA LED nabízí výhodu rychlého a cíleného vytvrzování, což zkracuje dobu procesu a zvyšuje energetickou účinnost.
Fotoiniciátory, které se již delší dobu používají při UV vytvrzování a UV tisku, jsou speciálně navrženy tak, aby reagovaly na odpovídající vlnové délky UVA. Doplňkové ozařování UVB světlem v rozsahu 280 až 300 nm může proces vytvrzování zlepšit.
Lékařské aplikace: V dermatologii se UVA LED používají pro fototerapii, zejména při léčbě kožních onemocnění, jako je lupénka a ekzém. UVA záření může pomoci snížit zánět a zmírnit příznaky těchto onemocnění.
Růst rostlin a zahradnictví: UVA LED hrají roli v zemědělské technice, zejména při umělém osvětlení pro růst rostlin ve sklenících. Mohou pomoci regulovat určité růstové procesy a zvýšit odolnost rostlin vůči škůdcům. Ozařování UVA způsobuje zkrácení délky rostlin.
Forenzní aplikace: Ve forenzní vědě se UVA LED používají k vizualizaci biologických stop, jako je krev, sperma nebo jiné tělní tekutiny. Tato technika se také používá k identifikaci padělaných dokumentů nebo bankovek.
Analytické aplikace: V chemii a biochemii se UVA LED používají k analýze látek pomocí fluorescenční spektroskopie. Tato metoda umožňuje přesně určit složení a koncentraci chemických sloučenin.
Aplikace UVB LED
UVB LED se stále více používají v medicíně k léčbě kožních onemocnění, jako je lupénka, a k syntéze vitaminu D. Alternativně se v dermatologii již po mnoho let používají excimerové lampy nebo lasery s vlnovou délkou 308 nm. UV LED pomalu nahrazují klasické UV lampy. Další aplikace jsou tedy:
Produkce vitaminu D: UVB záření je klíčové pro přirozenou produkci vitaminu D v kůži nebo potravinách. UVB se používá v zařízeních pro produkci vitaminu D, vitaminu D2 nebo previtaminu D3. Když UVB světlo s vlnovou délkou mezi 290 a 315 nm dopadne na kůži, dojde k rozpadu B kruhové struktury molekuly 7-DHC. Tento proces se nazývá fotolýza.
Na rozdíl od lidí, kteří syntetizují vitamin D vystavením kůže UVB záření, rostliny neprodukují vitamin D stejným způsobem. Když jsou houby a některé druhy řas vystaveny UV záření, ergosterol přítomný v jejich buňkách může být přeměněn na ergokalciferol (vitamin D2) fotolytickou reakcí podobnou té, která probíhá při syntéze vitaminu D3 v lidské kůži. UVB záření rozbíjí specifické vazby v molekule ergosterolu, což vede k jeho přeměně na previtamin D2. Podobně jako při syntéze vitaminu D3 u lidí se nestabilní previtamin D2 přeměňuje na stabilní vitamin D2 tepelně závislou izomerizací.
Bronzování: V kosmetickém průmyslu lze UVB LED a UV lampy používat v zařízeních pro bronzování k dosažení rovnoměrného a řízeného zbarvení kůže.
Fototerapie: V lékařské léčbě se UVB používá pro fototerapii, zejména při kožních onemocněních, jako je lupénka a vitiligo. UVB záření může pomoci normalizovat nadměrně aktivní kožní buňky a zmírnit příznaky těchto onemocnění.
Pěstování rostlin: UVB LED mají také aplikace ve šlechtění rostlin, protože UVB světlo ovlivňuje růst, dobu kvetení a sekundární metabolity rostlin. Ozařování UVB světlem může pomoci zvýšit produkci určitých rostlinných složek, jako jsou vitaminy, aromatické látky a barviva.
Produkce THC v konopí: Specifickou aplikací UVB LED je optimalizace produkce THC v konopí. Je známo, že UVB záření zvyšuje stres rostlin, což může naopak zvýšit produkci sekundárních rostlinných sloučenin, jako je THC. To se využívá zejména v legálních prostředích pěstování konopí ke zlepšení účinnosti a kvality rostlin.
Testování materiálů: UVB se používá při zkouškách zrychleného stárnutí materiálů k simulaci slunečního záření a hodnocení dlouhodobé stability plastů, barev a dalších materiálů.
Aplikace UVC LED
Postupný vývoj UVC LED z hlediska účinnosti, odolnosti a nákladů z nich činí stále atraktivnější volbu pro mnoho oblastí, kde se tradičně používaly rtuťové výbojky. Obecné aplikace jsou tedy:
UV dezinfekce: jedním z nejvýznamnějších použití UVC je dezinfekce vody, povrchů a vzduchu. UVC záření je vysoce účinné při inaktivaci bakterií, virů a jiných mikroorganismů, protože poškozuje jejich DNA nebo RNA a tím zabraňuje jejich rozmnožování.
UVC LED se používají v kompaktních systémech úpravy vody k odstranění patogenních zárodků z pitné vody v místě použití, tj. u kohoutku.
Dezinfekce povrchů: V nemocnicích, laboratořích a při zpracování potravin se používají přenosná nebo pevně instalovaná zařízení UVC, která emitují UVC záření k sterilizaci nástrojů, obalů a pracovních ploch. Alternativně jsou UVC lampy integrovány do klimatizačních a ventilačních systémů k čištění vzduchu od zárodků a zabránění šíření nemocí.
Péče o rány: UVC LED budou v budoucnu také používány v lékařské léčbě a péči o rány, zejména při léčbě obtížně se hojících ran a infekcí. Aplikace UVC světla na infikované rány může inhibovat růst bakteriálních patogenů a podporovat hojení. Je důležité přesně dávkovat záření, aby nedošlo k poškození kůže.
Přímá fotopolymerizace: UVC LED se pro fotopolymerizaci používají jen zřídka: jejich záření je absorbováno v nejsvrchnější vrstvě pryskyřice a dostupný výkon je zdaleka nižší než u UVA LED. Pro nátěry, lepidla a pryskyřice pro 3D tisk jsou standardem UVA LED s vlnovou délkou 365 až 405 nm.
Další analytické aplikace:
UVC LED slouží jako zdroje světla ve spektroskopii, kde se používají k analýze chemických a biologických vzorků, například při měření fluorescence nebo absorbance při monitorování životního prostředí.
Jaká vlnová délka je vhodná pro UV lepidla?
Fotoiniciátory absorbují pouze v omezeném pásmu. Iniciátor navržený pro 365 nm je zdrojem o vlnové délce 405 nm jen málo excitován – i když je tento zdroj výkonnější. Průmyslové vrcholy UV LED při 365, 385, 395 a 405 nm představují odlišné chemické nabídky, nikoli zaměnitelné výkonové třídy (UV-int – výběr vlnové délky UV; ScienceDirect – specifické fotoiniciační systémy při 365, 385, 395 a 405 nm). Volba začíná datovým listem lepidla a končí měřením na skutečném zdroji. Běžný zdroj chyby: typové označení udává nominální vrcholovou vlnovou délku, nikoli spektrální šířku v polovině maxima (FWHM), výrobní tolerance ani posun s teplotou přechodu.
365, 385, 395 nebo 405 nm – spektrální rozsahy a aplikace
| Vlnová délka | Charakteristiky | Typický fotoiniciátor / kompatibilita materiálu | Typické aplikace |
|---|---|---|---|
| 365 nm | Nejvyšší fotonová energie ze čtyř vrcholů (3,39 eV); historicky i-linie rtuťových výbojek; má tendenci hlouběji pronikat do čirých materiálů | Kompatibilní s klasickými fotoiniciátory formulovanými pro rtuťové výbojky; často první volba pro stávající, nezměněná uvolnění lepidel | Silnější, čiré zalévací hmoty; optické lepení; převod stávajících procesů s rtuťovými výbojkami na LED (UV-int; Incure Lab) |
| 385 nm | Vyvážený poměr hloubky proniknutí a povrchového vytvrzení (3,22 eV); široká kompatibilita s mnoha dvojitě vytvrzujícími iniciátory | Lepidla přeformulovaná pro LED vytvrzování s rozsahem v datovém listu 380–390 nm | Díly se smíšenými požadavky na hloubkové a povrchové vytvrzení; linky provozující několik typů obrobků (Incure Lab) |
| 395 nm | Průmyslový standard s vysokou energetickou účinností a dlouhou životností LED (3,14 eV); mnoho moderních formulací lepidel je přeformulováno na 390–400 nm | Široká kompatibilita s materiály; částečně proniká UV-blokujícími přísadami, které začínají propouštět v blízké viditelné oblasti | Obecné průmyslové vytvrzování, výroba elektroniky, digitální tisk, vysoce produktivní sériové linky (UV-int) |
| 405 nm | Nejnižší fotonová energie ze čtyř vrcholů (3,06 eV); blíže viditelnému světlu; efektivní povrchové vytvrzení, nižší hloubka proniknutí; minimální dodatečná tepelná zátěž | Radikálové fotoiniciátory možné se sníženou účinností; rozsah formulace obvykle 400–410 nm | Povrchové vytvrzení, díly citlivé na teplo, pryskyřice pro 3D tisk a dentální pryskyřice, lékařská lepidla (Incure Lab) |
Poznámka: Tabulka popisuje obecné tendence z odborné literatury. Která vlnová délka je vhodná pro konkrétní případ, závisí na skutečně použitém fotoiniciátoru a na propustnosti spojovaného dílu, a měla by být zjištěna měřením na reálné sestavě – nikoli odvozena z nominálního označení LED.
Jak z toho navrhnout a schválit proces lepení nebo zalévání, je uvedeno v části návrh procesů UV lepení a zalévání; která materiálová třída je vhodná pro danou aplikaci, je popsáno v části výběr UV vytvrzovaných lepidel, nátěrů a zalévacích hmot.
Substráty & epitaxe pro UV LED:
- UVA LED (315 nm až 400 nm):
Safír (oxid hlinitý) se často používá jako substrát, protože je levný a snadno dostupný. Používají se také jiné substráty, jako je karbid silicia (SiC) nebo silicium (Si), aby se využila tepelná vodivost a kompatibilita se stávajícími technologiemi výroby polovodičů. Epitaxní vrstva se nanáší metodou MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) a obvykle se skládá z nitridu galia a hliníku (AlGaN), přičemž obsah hliníku se upravuje podle požadované emise.
- UVB LED (280 nm až 315 nm) a UVC LED (100 nm až 280 nm)
Pro UVB a UVC LED se často používají stejné substráty jako pro UVA LED, avšak požadavky na kvalitu a čistotu materiálu jsou vyšší, zejména u kratších vlnových délek v oblasti UVC. Alternativně se používají také nativní substráty, jako je nitrid hliníku (AlN), které umožňují lepší shodu mřížky a tedy nižší hustotu defektů. I zde se jako epitaxní vrstva používá AlGaN, avšak s vyšším obsahem hliníku, aby bylo dosaženo kratších vlnových délek. Epitaxní vrstva se také vytváří metodou MOCVD, přičemž je věnována zvláštní pozornost kontrole defektů a homogenitě vrstvy.
Tepelná zátěž: UV LED ve srovnání s výbojkou
Kromě využitelného UV záření vyzařují UV výbojky velký podíl infračerveného záření, protože plazma a horký obal výbojky vyzařují velkou část své ztráty jako teplo. U UV LED je ztráta naopak odváděna do chladiče nebo vodního chlazení a nedostává se k dílu formou záření. Tepelná zátěž způsobená zářením je proto podstatně nižší.
Nižší však neznamená zanedbatelná: vysoce výkonné moduly dosahují na povrchu ozařovaného materiálu ozářenosti několika W/cm² – hustoty výkonu srovnatelné s varnou deskou. I bez infračervené složky se díl znatelně zahřívá. U teplotně citlivých substrátů je proto třeba kromě dávky zohlednit i časový průběh ozařování a teplota součásti patří do hodnocení procesu.
Druhý bod se týká dlouhovlnného konce rozsahu: LED emitující nad 400 nm jsou přísně vzato modré LED. Zde je třeba posoudit fotochemické riziko poškození sítnice ("blue light hazard"). Základy jsou popsány na stránce bezpečnost práce a fotobiologická bezpečnost; pro laboratorní práce a ruční lepení jsou bezpečnějším řešením uzavřené ozařovací komory UV LED.
Ozářenost skutečně dopadající na díl lze během procesu sledovat pomocí UV měřicích přístrojů a radiometrů; kalibraci pro jednotlivé vlnové délky LED provádí akreditovaná kalibrační laboratoř.
Které měřiče zaznamenávají spektrum, ozářenost a zářivý tok UV LED v rozsahu 365 až 405 nm, ukazuje stránka Měřicí technika pro UV LED.
Časté otázky k měření UV LED
Jak se správně měří pulzní UV LED?
Rozhodující je rozlišení mezi špičkovou hodnotou pulzu a časovým průměrem. Přístroj s dlouhou integrační dobou, jako je spektrometr, zobrazuje průměr, tedy špičkovou hodnotu vynásobenou střídou – správné pro dávku, ale nesprávné pro posouzení špičkové ozářenosti. Pro špičkovou hodnotu je zapotřebí přístroj, jehož šířka pásma je výrazně nad frekvencí pulzů, nebo měření spouštěné synchronně s pulzem.
Jaké účinnosti dosahují UV LED?
Celková účinnost, známá jako wall-plug efficiency, udává poměr optického zářivého výkonu k odebíranému elektrickému příkonu. UVA LED dosahují přibližně 30 až 40 %, modře zářící LED již kolem 80 %. LED v oblasti hlubokého UVB a UVC jsou výrazně nižší, pod 5 až 10 %. Důvodem je výrobní proces: kratší vlnové délky vyžadují vyšší obsah hliníku ve vrstvách AlGaN, což komplikuje epitaxi, zvyšuje počet krystalových defektů a snižuje výtěžnost. UVB a UVC LED jsou proto neustále dále vyvíjeny a dostupné typy jsou po určité době nahrazovány nástupnickými typy.
Co znamená binning u UV LED?
Vyzařovaná vlnová délka se z výrobních důvodů liší. Po rozdělení waferů jsou proto čipy LED spektrálně tříděny – toto třídění se nazývá binning. Praktický důsledek: pokud je LED nahrazena kusem z jiné šarže, může se vlnová délka emise mírně posunout, a senzor s úzkopásmovým vážením pak zobrazí odlišné hodnoty. U klasických výbojek k tomu nedochází, protože zde je emise určena atomovými přechody a srážkami částic a při výměně výbojky se nemění.
Jak dlouhá je životnost UV LED?
UVA LED dosahují až 10 000 provozních hodin, UVB a UVC LED až 5 000. Životnost se obvykle udává jako L70, tedy provozní doba, po které zářivý výkon klesne na 70 % počáteční hodnoty. Liší se také přípustná provozní teplota: −20 °C až +60 °C pro UVA LED, −10 °C až +50 °C pro UVB a UVC LED. Protože výkon během životnosti neustále klesá, je řízení procesu na základě dávky vhodnější než pevně stanovená doba ozařování.
Autor: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia je jednatelem společnosti Opsytec Dr. Gröbel GmbH v Ettlingenu a vede akreditovanou kalibrační laboratoř. Po svém výzkumu pulzních xenonových excimerových výbojů na Institutu světelné techniky KIT se nyní zaměřuje na měřicí techniku optického záření. Je místopředsedou normalizační komise DIN FNL 7 „Optické záření" a členem projektové skupiny DVGW pro UV dezinfekci.