Přejít na hlavní obsah Přejít na patičku stránky
professional
photonics.

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.

Kalkulátor běží zcela ve Vašem prohlížeči — žádná data nejsou přenášena.

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 délkaCharakteristikyTypický fotoiniciátor / kompatibilita materiáluTypické aplikace
365 nmNejvyšší fotonová energie ze čtyř vrcholů (3,39 eV); historicky i-linie rtuťových výbojek; má tendenci hlouběji pronikat do čirých materiálůKompatibilní s klasickými fotoiniciátory formulovanými pro rtuťové výbojky; často první volba pro stávající, nezměněná uvolnění lepidelSilnější, čiré zalévací hmoty; optické lepení; převod stávajících procesů s rtuťovými výbojkami na LED (UV-int; Incure Lab)
385 nmVyvážený poměr hloubky proniknutí a povrchového vytvrzení (3,22 eV); široká kompatibilita s mnoha dvojitě vytvrzujícími iniciátoryLepidla přeformulovaná pro LED vytvrzování s rozsahem v datovém listu 380–390 nmDíly se smíšenými požadavky na hloubkové a povrchové vytvrzení; linky provozující několik typů obrobků (Incure Lab)
395 nmPrůmyslový standard s vysokou energetickou účinností a dlouhou životností LED (3,14 eV); mnoho moderních formulací lepidel je přeformulováno na 390–400 nmŠiroká kompatibilita s materiály; částečně proniká UV-blokujícími přísadami, které začínají propouštět v blízké viditelné oblastiObecné průmyslové vytvrzování, výroba elektroniky, digitální tisk, vysoce produktivní sériové linky (UV-int)
405 nmNejnižší fotonová energie ze čtyř vrcholů (3,06 eV); blíže viditelnému světlu; efektivní povrchové vytvrzení, nižší hloubka proniknutí; minimální dodatečná tepelná zátěžRadikálové fotoiniciátory možné se sníženou účinností; rozsah formulace obvykle 400–410 nmPovrchové 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.

UV měřicí přístroje pro hodnocení norem a směrnic

Radiometr RMD Pro

Plně digitální ruční radiometr pro ozářenost a dávku se dvěma vstupy pro senzory a 8 GB pamětí.

UVpad E

Spektrální radiometr s externí snímací hlavou pro měření UV záření od 240 do 480 nm.

UV-LED řada L

Vzduchem chlazené UV-LED lampy řady L s vysokou ozářeností, modulární délkou.

Odborník na danou problematiku

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.