LEDs UVA, UVB y UVC: tecnología y medición
Los LEDs UVA, UVB y UVC se diferencian en más que su longitud de onda de pico. El sistema de materiales, la eficiencia, la carga térmica, el ancho de banda espectral, el envejecimiento y la potencia óptica disponible varían notablemente a lo largo del rango UV. Para una aplicación fiable, los datos del LED deben evaluarse por tanto en condiciones definidas de corriente y temperatura, y complementarse con una medición radiométrica adecuada en el punto de uso.
Los LEDs UV generan radiación ultravioleta en semiconductores de nitruro de aluminio, galio e indio. La composición determina las longitudes de onda de emisión en el UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) y UVC (200–280 nm); son habituales 365 y 385 nm en el UVA, 285 y 295 nm en el UVB y 265 nm en el UVC. Los espectros medidos de los distintos tipos de LED se pueden descargar en la base de datos espectral de lámparas UV y LEDs UV.
La Directiva europea RoHS restringe las lámparas que contienen mercurio; el estado actual se describe en RoHS y lámparas UV. Qué instrumentos ofrece Opsytec como resultado se muestra en fuentes de luz LED UV.
producción de diodos emisores de luz ultravioleta
la radiación electromagnética se genera generalmente en semiconductores III-V, es decir, semiconductores formados por elementos de los grupos tercero y quinto principales de la tabla periódica, por lo que la longitud de onda del pico de emisión de los LED UV está determinada principalmente por la composición de la solución sólida del material.
mediante la aleación de los semiconductores nitruro de aluminio (AlN), nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN), se pueden lograr longitudes de onda de emisión en UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) y UVC (280 nm - 200 nm).
la producción de LED UV implica una serie de pasos:
diseño de la heteroestructura del LED y del diseño del chip, crecimiento de los sustratos y capas base, epitaxia de la heteroestructura semiconductora, procesamiento de los dispositivos LED a nivel de oblea y, finalmente, la separación de las obleas en chips LED y su montaje en encapsulados. por lo tanto, los LED UV constan de muchos cientos de capas semiconductoras cuya composición y dopaje deben ajustarse según la funcionalidad respectiva.
la longitud de onda de emisión de los LED está determinada por la composición y el dopaje en los que se genera la radiación UV. para todos los pasos, es importante que la potencia eléctrica se convierta eficientemente en potencia radiante óptica. la eficiencia wall-plug (WPE) es un parámetro especialmente importante para la aplicación. la eficiencia global de los LED UV indica la relación entre la potencia radiante óptica y la potencia eléctrica suministrada.
los LED UV que emiten en UVA logran actualmente una WPE de alrededor del 30–40 %, mientras que los LED que emiten en azul ya alcanzan una WPE muy alta de alrededor del 80 %. en cambio, los LED con emisiones en el rango bajo de UVB y UVC presentan WPE significativamente más bajas, de menos del 5 % al 10 %. por esta razón, los LED UVB y UVC están sujetos a una optimización y un desarrollo tecnológico continuos. como resultado, los tipos de LED disponibles deben ser sustituidos por tipos sucesores al cabo de cierto tiempo.
comparación de LED UV para UVA, UVB y UVC
en comparación con los LED UV más antiguos, los últimos LED UVB y UVC muestran una eficiencia significativamente mayor y un rendimiento mejorado. los LED UV más antiguos a menudo sufrían de altas temperaturas de funcionamiento y una degradación rápida, lo que se ha mejorado considerablemente con los últimos desarrollos. la generación actual de LED UVB y UVC utiliza tecnologías de refrigeración avanzadas y estructuras semiconductoras y acoplamientos ópticos mejorados que no solo prolongan la vida útil, sino que también aumentan la eficiencia.
los LED UVB y UVC aún no alcanzan el rendimiento y la potencia de los LED UVA, pero han logrado recuperar terreno de forma significativa en los últimos años.
los LED UVB y UVC, así como los LED UVA, se fabrican a partir de diferentes sustratos y mediante diferentes procesos de epitaxia que están específicamente adaptados a las longitudes de onda y los requisitos de rendimiento deseados. la elección del sustrato y del método de epitaxia tiene un impacto significativo en la eficiencia, el rendimiento y el coste de los LED.
a continuación se muestra una comparación técnica entre LED UVA con longitudes de onda de 365 nm y 385 nm y LED de longitud de onda corta a 265 nm (UVC), así como 285 nm y 295 nm (UVB). esta tabla tiene en cuenta parámetros generales como la eficiencia, la potencia, la vida útil y las aplicaciones típicas.
| Parámetros | LED UVA 365 nm | LED UVA 385 nm | LED UVC 265 nm | LED UVB 285 nm | LED UVB 295 nm |
| Longitud de onda de pico | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| Potencia óptica | 10–1000 mW | 10–1000 mW | 1–30 mW | 1–30 mW | 1–30 mW |
| Eficiencia (WPE) | 20–40 % | 20–40 % | 5–15 % | 5–15 % | 5–15 % |
| Vida útil | Hasta 10 000 h | Hasta 10 000 h | Hasta 5000 h | Hasta 5000 h | Hasta 5000 h |
| Temperatura de servicio | de -20 °C a +60 °C | de -20 °C a +60 °C | de -10 °C a +50 °C | de -10 °C a +50 °C | de -10 °C a +50 °C |
| Aplicaciones típicas | Curado, ensayos | Curado, ensayos | Desinfección, esterilización | Desinfección, esterilización | Desinfección, esterilización |
Explicaciones:
Longitud de onda de pico: La longitud de onda a la que el LED presenta la mayor emisión.
Potencia óptica: La potencia total de la luz emitida por el LED en milivatios.
Eficiencia: La relación entre la potencia óptica emitida y la potencia eléctrica absorbida.
Vida útil: El tiempo de funcionamiento previsto del LED hasta el punto en que la salida cae a un determinado porcentaje de su valor original, normalmente el 70 % (L70).
Temperatura de servicio: El rango de temperatura en el que el LED puede funcionar de forma segura y eficaz.
Aplicaciones típicas: Las aplicaciones más habituales para los LEDs específicos.
Estos valores de la tabla son generales y pueden variar según el fabricante y el modelo específico de LED. También es importante señalar que la eficiencia y la salida de los LEDs UVC, especialmente a longitudes de onda más cortas, suelen ser inferiores a las de los LEDs UVA.
Mientras que los LEDs UVA suelen tener un menor contenido de aluminio en las capas de AlGaN, los LEDs UVB y UVC requieren un mayor contenido de aluminio para lograr longitudes de onda más cortas. La deposición epitaxial para los LEDs UVB y UVC es técnicamente más exigente debido al mayor contenido de aluminio y a los mayores defectos cristalinos asociados. Esto conlleva mayores costes de producción y menores rendimientos.
Además, la longitud de onda emitida fluctúa debido al proceso de fabricación. Por este motivo, los LEDs UV se agrupan espectralmente tras la separación, un proceso conocido como binning. Es importante señalar que la longitud de onda puede cambiar ligeramente si se sustituye el LED por uno de un lote diferente. En cambio, en las lámparas clásicas, las transiciones atómicas y las colisiones de partículas determinan la emisión. Por lo tanto, la emisión no cambia con las lámparas clásicas.
Comparar longitudes de onda
La tabla anterior compara componentes; la calculadora siguiente compara las propias longitudes de onda: energía del fotón, frecuencia y, sobre todo, fotones por julio. Esa última columna explica por qué una liberación de proceso no puede trasladarse simplemente de 365 nm a 395 nm: con la misma dosis, allí llegan aproximadamente un 8 % más de fotones.
Aplicaciones de los LED UVA
Los LED UVA con longitudes de onda en el rango de 315 a 400 nm se utilizan en numerosos campos técnicos, científicos e industriales, desempeñando un papel central en los ensayos no destructivos (END) y en muchas otras aplicaciones innovadoras.
Ensayos no destructivos (END): los LED UVA son una herramienta importante en los ensayos por fluorescencia, un subcampo de los END. Se utilizan para visualizar defectos superficiales o diferencias en los materiales excitando tintes fluorescentes que se aplican a las piezas que se van a ensayar. Este método se emplea habitualmente en las industrias aeroespacial, del automóvil y de la metalurgia para identificar grietas, solapamientos, poros y otras imperfecciones.
Curado UV: una de las aplicaciones más comunes de los LED UVA es el curado UV de pinturas, adhesivos y recubrimientos. Esta tecnología se utiliza en la industria de la impresión y en la fabricación de electrónica (por ejemplo, en el encolado de pantallas de smartphones). Los LED UVA ofrecen la ventaja de un curado rápido y específico, lo que acorta los tiempos de proceso y aumenta la eficiencia energética.
Los fotoiniciadores que se utilizan desde hace tiempo en el curado UV y la impresión UV están diseñados específicamente para reaccionar a las longitudes de onda UVA correspondientes. La irradiación adicional con luz UVB en el rango de 280 a 300 nm puede mejorar el proceso de curado.
Aplicaciones médicas: en dermatología, los LED UVA se utilizan para la fototerapia, en particular para el tratamiento de afecciones cutáneas como la psoriasis y el eccema. La radiación UVA puede ayudar a reducir la inflamación y aliviar los síntomas de estas enfermedades.
Crecimiento vegetal y horticultura: los LED UVA desempeñan un papel en la tecnología agrícola, en particular en la iluminación artificial para el crecimiento de plantas en invernaderos. Pueden ayudar a controlar ciertos procesos de crecimiento y a aumentar la resistencia de las plantas a las plagas. La irradiación con UVA hace que las plantas se acorten en longitud.
Aplicaciones forenses: en la ciencia forense, los LED UVA se utilizan para visualizar rastros biológicos como sangre, semen u otros fluidos corporales. Esta técnica también se utiliza para identificar documentos o billetes falsificados.
Aplicaciones analíticas: en química y bioquímica, los LED UVA se utilizan para analizar sustancias mediante espectroscopía de fluorescencia. Este método permite determinar con precisión la composición y la concentración de compuestos químicos.
Aplicaciones de los LED UVB
Los LED UVB se utilizan cada vez más en medicina para el tratamiento de enfermedades cutáneas como la psoriasis y para la síntesis de vitamina D. De forma alternativa, en dermatología se han utilizado durante muchos años lámparas o láseres de excímero con una longitud de onda de 308 nm. Los LED UV están sustituyendo poco a poco a las lámparas UV clásicas. Por lo tanto, las demás aplicaciones son las siguientes:
Producción de vitamina D: la radiación UVB es fundamental para la producción natural de vitamina D en la piel o en los alimentos. El UVB se utiliza en dispositivos para producir vitamina D, vitamina D2 o previtamina D3. Cuando la luz UVB con una longitud de onda entre 290 y 315 nm incide sobre la piel, la estructura del anillo B de la molécula de 7-DHC se descompone. Este proceso se denomina fotólisis.
A diferencia de los seres humanos, que sintetizan vitamina D exponiendo la piel a la radiación UVB, las plantas no producen vitamina D de la misma manera. Cuando los hongos y algunas especies de algas se exponen a la radiación UV, el ergosterol presente en sus células puede convertirse en ergocalciferol (vitamina D2) mediante una reacción fotolítica similar a la que se produce cuando se sintetiza la vitamina D3 en la piel humana. La radiación UVB rompe enlaces específicos en la molécula de ergosterol, lo que provoca su conversión en previtamina D2. De forma similar a la síntesis de vitamina D3 en los seres humanos, la previtamina D2 inestable se convierte en vitamina D2 estable mediante isomerización dependiente del calor.
Bronceado: en la industria cosmética, los LED UVB y las lámparas UV pueden utilizarse en dispositivos de bronceado para lograr un bronceado uniforme y controlado de la piel.
Fototerapia: en el tratamiento médico, el UVB se utiliza para la fototerapia, en particular para afecciones cutáneas como la psoriasis y el vitíligo. La radiación UVB puede ayudar a normalizar las células cutáneas hiperactivas y a aliviar los síntomas de estas enfermedades.
Cultivo de plantas: los LED UVB también tienen aplicaciones en el cultivo de plantas, ya que la luz UVB afecta al crecimiento, al momento de la floración y a los metabolitos secundarios de las plantas. La irradiación con luz UVB puede ayudar a aumentar la producción de determinados componentes vegetales, como vitaminas, aromas y colorantes.
Producción de THC en cannabis: una aplicación específica de los LED UVB es la optimización de la producción de THC en el cannabis. Se sabe que la radiación UVB aumenta el estrés en las plantas, lo que a su vez puede incrementar la producción de compuestos vegetales secundarios como el THC. Esto se utiliza especialmente en entornos de cultivo legal de cannabis para mejorar la potencia y la calidad de las plantas.
Ensayo de materiales: el UVB se utiliza en ensayos de envejecimiento acelerado de materiales para simular la radiación solar y evaluar la estabilidad a largo plazo de plásticos, pinturas y otros materiales.
Aplicaciones de los LED UVC
El desarrollo progresivo de los LED UVC en términos de eficiencia, durabilidad y coste los convierte en una opción cada vez más atractiva para muchos ámbitos en los que tradicionalmente se han utilizado lámparas de vapor de mercurio. Por lo tanto, las aplicaciones generales son las siguientes:
Desinfección UV: uno de los usos más destacados del UVC es la desinfección de agua, superficies y aire. La radiación UVC es altamente eficaz para inactivar bacterias, virus y otros microorganismos, ya que daña su ADN o ARN e impide así su reproducción.
Los LED UVC se utilizan en sistemas compactos de tratamiento de aguas para eliminar gérmenes patógenos del agua potable en el punto de uso, es decir, en el grifo.
Desinfección de superficies: en hospitales, laboratorios y en el procesamiento de alimentos se utilizan dispositivos UVC portátiles o instalados de forma permanente que emiten radiación UVC para esterilizar herramientas, envases y superficies de trabajo. De forma alternativa, las lámparas UVC se integran en sistemas de climatización y ventilación para depurar el aire de gérmenes y evitar la propagación de enfermedades.
Cuidado de heridas: en el futuro, los LED UVC también se utilizarán en el tratamiento médico y el cuidado de heridas, en particular para tratar heridas de difícil cicatrización e infecciones. La aplicación de luz UVC sobre heridas infectadas puede inhibir el crecimiento de patógenos bacterianos y favorecer la curación. Es importante dosificar la radiación con precisión para no dañar la piel.
Fotopolimerización directa: los LED UVC se utilizan raramente para la fotopolimerización: su radiación se absorbe en la capa de resina más superficial, y la potencia disponible está muy por debajo de la de los LED UVA. Para recubrimientos, adhesivos y resinas de impresión 3D, los LED UVA de 365 a 405 nm son la norma.
Otras aplicaciones analíticas:
Los LED UVC sirven como fuentes de luz en espectroscopía, donde se utilizan para analizar muestras químicas y biológicas, como la medición de fluorescencia o absorbancia en el control ambiental.
¿Qué longitud de onda es adecuada para los adhesivos UV?
Los fotoiniciadores solo absorben dentro de una banda limitada. Un iniciador diseñado para 365 nm apenas se excita con una fuente de 405 nm, incluso si esa fuente es más potente. Los picos de LED UV industriales en 365, 385, 395 y 405 nm son ofertas químicas diferentes, no clases de potencia intercambiables (UV-int – selección de longitud de onda UV; ScienceDirect – sistemas fotoiniciadores específicos a 365, 385, 395 y 405 nm). La selección comienza con la ficha técnica del adhesivo y termina con una medición en la fuente real. Una fuente de error habitual: una denominación de tipo indica la longitud de onda de pico nominal, no la anchura espectral a media altura (FWHM), las tolerancias de fabricación ni el desplazamiento con la temperatura de unión.
365, 385, 395 o 405 nm: rangos espectrales y aplicaciones
| Longitud de onda | Características | Fotoiniciador típico / compatibilidad de materiales | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|---|
| 365 nm | Mayor energía fotónica de los cuatro picos (3,39 eV); históricamente el pico de la línea i de las lámparas de vapor de mercurio; tiende a penetrar más profundamente en materiales transparentes | Compatible con fotoiniciadores clásicos formulados para lámparas de mercurio; a menudo es la primera opción para versiones de adhesivos existentes y sin cambios | Compuestos de encapsulado transparentes más gruesos; unión óptica; conversión de procesos existentes con lámparas de mercurio a LED (UV-int; Incure Lab) |
| 385 nm | Relación equilibrada entre profundidad de penetración y curado superficial (3,22 eV); amplia compatibilidad con muchos iniciadores de doble curado | Adhesivos reformulados para curado con LED con un rango de ficha técnica de 380–390 nm | Piezas con exigencias mixtas de curado en profundidad y superficial; líneas que procesan varios tipos de piezas (Incure Lab) |
| 395 nm | Estándar de la industria con alta eficiencia energética y larga vida útil del LED (3,14 eV); muchas formulaciones modernas de adhesivos se reformulan a 390–400 nm | Amplia compatibilidad de materiales; penetra parcialmente aditivos bloqueadores de UV que empiezan a transmitir en el rango cercano al visible | Curado industrial general, fabricación de electrónica, impresión digital, líneas de serie de alto rendimiento (UV-int) |
| 405 nm | Menor energía fotónica de los cuatro picos (3,06 eV); más cercano a la luz visible; curado superficial eficiente, menor profundidad de penetración; carga térmica adicional mínima | Fotoiniciadores de radicales libres posibles con menor eficiencia; rango de formulación habitual de 400–410 nm | Curado superficial, piezas sensibles al calor, resinas de impresión 3D y dentales, adhesivos médicos (Incure Lab) |
Nota: la tabla describe tendencias generales de la bibliografía técnica. La longitud de onda adecuada para un caso concreto depende del fotoiniciador realmente utilizado y de la transmisión de la pieza a unir, y debe medirse en el conjunto real, no deducirse a partir de la denominación nominal del LED.
Cómo diseñar y validar un proceso de encolado o encapsulado a partir de esto se muestra en el diseño de procesos de encolado y encapsulado UV; qué clase de material se adapta a la aplicación se explica en la selección de adhesivos, recubrimientos y compuestos de encapsulado de curado UV.
Sustratos y epitaxia para LED UV:
- LED UVA (315 nm a 400 nm):
El zafiro (óxido de aluminio) se utiliza a menudo como sustrato, ya que es económico y fácilmente disponible. También se emplean otros sustratos, como carburo de silicio (SiC) o silicio (Si), para aprovechar la conductividad térmica y la compatibilidad con las tecnologías de fabricación de semiconductores existentes. La capa epitaxial se deposita mediante deposición química en fase vapor metalorgánica (MOCVD) y suele consistir en nitruro de galio y aluminio (AlGaN), ajustando el contenido de aluminio en función de la emisión deseada.
- LED UVB (280 nm a 315 nm) y LED UVC (100 nm a 280 nm)
A menudo se utilizan los mismos sustratos para los LED UVB y UVC que para los LED UVA, pero los requisitos de calidad y pureza del material son más altos, especialmente para las longitudes de onda más cortas del rango UVC. De forma alternativa, también se utilizan sustratos nativos como el nitruro de aluminio (AlN), que permiten un mejor ajuste reticular y, por lo tanto, densidades de defectos más bajas. Aquí también se utiliza AlGaN como capa epitaxial, pero con un mayor contenido de aluminio para lograr las longitudes de onda más cortas. La capa epitaxial también se forma mediante MOCVD, prestando especial atención al control de defectos y a la homogeneidad de la capa.
aporte de calor: LED UV comparado con la lámpara de descarga
Además de la radiación UV aprovechable, las lámparas UV emiten una gran componente infrarroja, ya que el plasma y la envolvente caliente de la lámpara irradian buena parte de sus pérdidas en forma de calor. En los LED UV, en cambio, la pérdida se conduce hacia el disipador o la refrigeración por agua y no llega a la pieza como radiación. Por tanto, el aporte de calor radiante es considerablemente menor.
Sin embargo, menor no significa insignificante: los módulos de alta potencia alcanzan niveles de irradiancia de varios W/cm² en la superficie del material irradiado, una densidad de potencia del orden de la de una placa de cocina. Incluso sin componente infrarroja, la pieza se calienta de forma notable. Por ello, en el caso de sustratos sensibles a la temperatura hay que tener en cuenta el perfil temporal de la irradiación además de la dosis, y la temperatura del componente forma parte de la evaluación del proceso.
Un segundo aspecto se refiere al extremo de onda larga del rango: los LED que emiten por encima de 400 nm son, en sentido estricto, LED azules. En este caso hay que evaluar el riesgo fotoquímico para la retina ("blue light hazard"). Los fundamentos se describen en la página seguridad laboral y seguridad fotobiológica; para trabajos de laboratorio y encolado manual, las cámaras de irradiación LED UV cerradas son la solución más segura.
La irradiancia que realmente llega a la pieza puede monitorizarse durante el proceso con medidores UV y radiómetros; la calibración para longitudes de onda LED individuales la realiza el laboratorio de calibración acreditado.
Qué medidores registran el espectro, la irradiancia y el flujo radiante de los LED UV de 365 a 405 nm se muestra en la página Tecnología de medición para LED UV.
Preguntas frecuentes sobre la medición de LEDs UV
¿Cómo se miden correctamente los LEDs UV pulsados?
La distinción decisiva es entre el valor de pico del pulso y el valor medio temporal. Un instrumento con un tiempo de integración largo, como un espectrómetro, muestra el promedio, es decir, el valor de pico multiplicado por el ciclo de trabajo – correcto para la dosis, incorrecto para evaluar la irradiancia de pico. Para el valor de pico se necesita un instrumento cuyo ancho de banda esté muy por encima de la frecuencia de pulso, o una medición sincronizada con el pulso.
¿Qué eficiencia alcanzan los LEDs UV?
La eficiencia global, conocida como eficiencia wall-plug, relaciona la potencia radiante óptica con la potencia eléctrica consumida. Los LEDs UVA alcanzan aproximadamente de un 30 % a un 40 %, mientras que los LEDs de emisión azul ya rondan el 80 %. Los LEDs en el rango UVB y UVC profundo son considerablemente más bajos, por debajo del 5 % al 10 %. La razón está en la fabricación: las longitudes de onda más cortas requieren un mayor contenido de aluminio en las capas de AlGaN, lo que complica la epitaxia, produce más defectos cristalinos y reduce el rendimiento. Por ello, los LEDs UVB y UVC están en desarrollo continuo, y los tipos disponibles se sustituyen por tipos sucesores al cabo de un tiempo.
¿Qué significa el binning para los LEDs UV?
La longitud de onda emitida varía por razones de fabricación. Tras la separación de las obleas, los chips LED se agrupan espectralmente – esta clasificación se denomina binning. La consecuencia práctica: si un LED se sustituye por un dispositivo de un lote diferente, la longitud de onda de emisión puede desplazarse ligeramente, y un sensor con ponderación de banda estrecha mostrará entonces valores diferentes. Esto no ocurre con las lámparas clásicas, porque en ellas la emisión viene determinada por transiciones atómicas y colisiones de partículas y no varía al cambiar la lámpara.
¿Cuánto duran los LEDs UV?
Los LEDs UVA alcanzan hasta 10 000 horas de funcionamiento, los LEDs UVB y UVC hasta 5000. La vida útil suele indicarse como L70, es decir, el tiempo de funcionamiento tras el cual la potencia radiante ha caído al 70 % de su valor inicial. La temperatura de servicio admisible también difiere: de −20 °C a +60 °C para los LEDs UVA, de −10 °C a +50 °C para los LEDs UVB y UVC. Dado que la potencia disminuye continuamente a lo largo de la vida útil, la regulación de proceso controlada por dosis es preferible a un tiempo de exposición fijo.
Dispositivos de medición UV para la evaluación de normas y directrices
Radiómetro RMD Pro
Radiómetro portátil totalmente digital para irradiancia y dosis, con dos entradas de sensor y 8 GB de memoria.
Serie L de LED UV
Lámparas LED UV de la serie L refrigeradas por aire, con alta irradiancia y longitud modular.
Autor: Dr. Mark Paravia
El Dr.-Ing. Mark Paravia es el director general de Opsytec Dr. Gröbel GmbH en Ettlingen y dirige el laboratorio de calibración acreditado. Tras sus investigaciones sobre descargas de excímero de xenón pulsadas en el Institute of Lighting Technology del KIT, su interés actual se centra en la tecnología de medición de radiación óptica. Es vicepresidente del comité de normalización DIN FNL 7 «Optical Radiation» y miembro del grupo de proyecto de la DVGW sobre desinfección UV.
