LED UVA, UVB e UVC: tecnologia e misurazione

Produzione di diodi a emissione di luce ultravioletta

La radiazione elettromagnetica viene generalmente generata in semiconduttori III-V, cioè semiconduttori composti da elementi del terzo e quinto gruppo principale della tavola periodica, per cui la lunghezza d'onda del picco di emissione dei LED UV è determinata principalmente dalla composizione della soluzione solida del materiale.

Legando i semiconduttori nitruro di alluminio (AlN), nitruro di gallio (GaN) e nitruro di indio (InN), è possibile ottenere lunghezze d'onda di emissione in UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) e UVC (280 nm - 200 nm).

La produzione di LED UV comporta una serie di fasi: 
progettazione dell'eterostruttura del LED e del layout del chip, crescita dei substrati e degli strati di base, epitassia dell'eterostruttura semiconduttrice, lavorazione dei dispositivi LED a livello di wafer e infine la separazione dei wafer in chip LED e il loro assemblaggio in package. I LED UV sono quindi costituiti da molte centinaia di strati semiconduttori la cui composizione e drogaggio devono essere adattati in base alla rispettiva funzionalità.

La lunghezza d'onda di emissione dei LED è determinata dalla composizione e dal drogaggio in cui viene generata la radiazione UV. Per tutte le fasi, è importante che la potenza elettrica venga convertita in modo efficiente in potenza di radiazione ottica. La wall-plug efficiency (WPE) è un parametro particolarmente importante per l'applicazione. L'efficienza complessiva dei LED UV indica il rapporto tra la potenza di radiazione ottica e la potenza elettrica fornita.

I LED UV a emissione UVA raggiungono oggi una WPE di circa il 30–40 %, mentre i LED a emissione blu raggiungono già una WPE molto elevata di circa l'80 %. Al contrario, i LED con emissioni nella gamma UVB e UVC bassa presentano WPE significativamente inferiori, inferiori al 5 % o al 10 %. Per questo motivo, i LED UVB e UVC sono soggetti a continua ottimizzazione e sviluppo tecnologico. Di conseguenza, i tipi di LED disponibili devono essere sostituiti da tipi successivi dopo un certo periodo di tempo.

Confronto tra LED UV per UVA, UVB & UVC

Rispetto ai LED UV più vecchi, gli ultimi LED UVB e UVC mostrano un'efficienza significativamente più elevata e prestazioni migliorate. I vecchi LED UV soffrivano spesso di temperature di esercizio elevate e di un rapido degrado, aspetto che è stato notevolmente migliorato dagli sviluppi più recenti. L'attuale generazione di LED UVB e UVC utilizza tecnologie di raffreddamento avanzate e strutture semiconduttrici e accoppiamenti ottici migliorati, che non solo prolungano la durata ma aumentano anche l'efficienza.

I LED UVB e UVC non raggiungono ancora le prestazioni e la potenza dei LED UVA, ma negli ultimi anni sono riusciti a recuperare notevolmente il ritardo.

I LED UVB e UVC, così come i LED UVA, sono realizzati con substrati diversi e mediante processi di epitassia diversi, appositamente adattati alle lunghezze d'onda desiderate e ai requisiti prestazionali. La scelta del substrato e del metodo di epitassia ha un impatto significativo sull'efficienza, sulle prestazioni e sui costi dei LED.

Di seguito viene riportato un confronto tecnico tra i LED UVA con lunghezze d'onda di 365 nm e 385 nm e i LED a lunghezza d'onda corta a 265 nm (UVC), nonché 285 nm e 295 nm (UVB). Questa tabella tiene conto di parametri generali come efficienza, potenza, durata di vita e applicazioni tipiche.

Spiegazioni:

Lunghezza d'onda di picco: La lunghezza d'onda alla quale il LED presenta l'emissione più elevata.

Potenza ottica: La potenza totale della luce emessa dal LED in milliwatt.

Efficienza: Il rapporto tra la potenza ottica emessa e la potenza elettrica assorbita.

Durata: Il tempo di funzionamento previsto del LED fino al punto in cui l'emissione scende a una determinata percentuale del suo valore originale, generalmente il 70% (L70).

Temperatura di esercizio: L'intervallo di temperatura nel quale il LED può funzionare in modo sicuro ed efficace.

Applicazioni tipiche: Le applicazioni più comuni per i LED specifici.

I valori riportati nella tabella sono generali e possono variare in base al produttore e al modello specifico di LED. È inoltre importante notare che l'efficienza e la resa dei LED UVC, in particolare alle lunghezze d'onda più corte, sono generalmente inferiori rispetto ai LED UVA.

Mentre i LED UVA presentano tipicamente un contenuto di alluminio inferiore negli strati AlGaN, i LED UVB e UVC richiedono un contenuto di alluminio più elevato per raggiungere lunghezze d'onda più corte. La deposizione epitassiale per i LED UVB e UVC è tecnicamente più impegnativa a causa del maggiore contenuto di alluminio e dei conseguenti maggiori difetti cristallini. Ciò comporta costi di produzione più elevati e rendimenti inferiori.

Inoltre, la lunghezza d'onda emessa varia a causa del processo di produzione. Per questo motivo, i LED UV vengono raggruppati spettralmente dopo la separazione, un processo noto come binning. È importante notare che la lunghezza d'onda può variare leggermente se il LED viene sostituito con uno di un lotto diverso. Nelle lampade classiche, invece, sono le transizioni atomiche e le collisioni tra particelle a determinare l'emissione. Pertanto, con le lampade classiche l'emissione non cambia.

La tabella sopra confronta i componenti; il calcolatore sottostante confronta le lunghezze d'onda stesse: energia del fotone, frequenza e soprattutto fotoni per joule. Quest'ultima colonna spiega perché un rilascio di processo non può essere semplicemente spostato da 365 nm a 395 nm — a parità di dose, lì arrivano circa l'otto percento in più di fotoni.

Applicazioni dei LED UVA

I LED UVA con lunghezze d'onda comprese tra 315 e 400 nm vengono impiegati in numerosi settori tecnici, scientifici e industriali e svolgono un ruolo centrale nei controlli non distruttivi (CND) e in molte altre applicazioni innovative.

Controlli non distruttivi (CND): i LED UVA sono uno strumento importante nei controlli con liquidi fluorescenti, un sottosettore dei CND. Vengono utilizzati per rendere visibili difetti superficiali o differenze nei materiali, eccitando i coloranti fluorescenti applicati ai pezzi da esaminare. Questo metodo è comunemente impiegato nell'industria aerospaziale, automobilistica e metalmeccanica per individuare cricche, ripiegature, porosità e altre imperfezioni.

Polimerizzazione UV: una delle applicazioni più diffuse dei LED UVA è la polimerizzazione UV di vernici, adesivi e rivestimenti. Questa tecnologia viene utilizzata nell'industria della stampa e nella produzione di componenti elettronici (ad es. nell'incollaggio degli schermi degli smartphone). I LED UVA offrono il vantaggio di una polimerizzazione rapida e mirata, che riduce i tempi di processo e aumenta l'efficienza energetica.

I fotoiniziatori impiegati da tempo nella polimerizzazione UV e nella stampa UV sono studiati appositamente per reagire alle corrispondenti lunghezze d'onda UVA. Un irraggiamento aggiuntivo con luce UVB nell'intervallo da 280 a 300 nm può migliorare il processo di polimerizzazione.

Applicazioni mediche: in dermatologia i LED UVA vengono impiegati per la fototerapia, in particolare per il trattamento di patologie cutanee come psoriasi ed eczema. La radiazione UVA può contribuire a ridurre le infiammazioni e ad alleviare i sintomi di queste malattie.

Crescita delle piante e orticoltura: i LED UVA svolgono un ruolo nella tecnica agricola, in particolare nell'illuminazione artificiale per la crescita delle piante in serra. Possono contribuire a controllare determinati processi di crescita e ad aumentare la resistenza delle piante ai parassiti. L'irraggiamento con UVA provoca un accorciamento in lunghezza delle piante.

Applicazioni forensi: nella scienza forense i LED UVA vengono utilizzati per rendere visibili tracce biologiche come sangue, sperma o altri fluidi corporei. Questa tecnica viene impiegata anche per identificare documenti o banconote contraffatti.

Applicazioni analitiche: in chimica e biochimica i LED UVA vengono utilizzati per analizzare sostanze mediante spettroscopia di fluorescenza. Questo metodo consente di determinare con precisione la composizione e la concentrazione dei composti chimici.

Applicazioni dei LED UVB

I LED UVB vengono impiegati sempre più in medicina per il trattamento di malattie della pelle come la psoriasi e per la sintesi della vitamina D. In alternativa, in dermatologia si utilizzano da molti anni lampade o laser a eccimeri con una lunghezza d'onda di 308 nm. I LED UV stanno lentamente sostituendo le classiche lampade UV. Le altre applicazioni sono quindi:

Produzione di vitamina D: la radiazione UVB è determinante per la produzione naturale di vitamina D nella pelle o negli alimenti. Gli UVB vengono utilizzati in dispositivi per produrre vitamina D, vitamina D2 o previtamina D3. Quando la luce UVB con una lunghezza d'onda compresa tra 290 e 315 nm colpisce la pelle, la struttura dell'anello B della molecola 7-DHC viene scissa. Questo processo si chiama fotolisi.

A differenza dell'uomo, che sintetizza la vitamina D esponendo la pelle alla radiazione UVB, le piante non producono vitamina D allo stesso modo. Quando i funghi e alcune specie di alghe vengono esposti alla radiazione UV, l'ergosterolo presente nelle loro cellule può essere convertito in ergocalciferolo (vitamina D2) mediante una reazione fotolitica simile a quella che avviene nella sintesi della vitamina D3 nella pelle umana. La radiazione UVB rompe legami specifici nella molecola dell'ergosterolo, portandone la conversione in previtamina D2. Analogamente alla sintesi della vitamina D3 nell'uomo, l'instabile previtamina D2 viene convertita nella stabile vitamina D2 attraverso un'isomerizzazione dipendente dal calore.

Abbronzatura: nell'industria cosmetica i LED UVB e le lampade UV possono essere impiegati in apparecchi abbronzanti per ottenere un'abbronzatura uniforme e controllata.

Fototerapia: nel trattamento medico gli UVB vengono utilizzati per la fototerapia, in particolare per patologie cutanee come psoriasi e vitiligine. La radiazione UVB può contribuire a normalizzare le cellule cutanee iperattive e ad alleviare i sintomi di queste malattie.

Coltivazione delle piante: i LED UVB trovano applicazione anche nella coltivazione delle piante, poiché la luce UVB influisce sulla crescita, sul periodo di fioritura e sui metaboliti secondari delle piante. L'irraggiamento con luce UVB può contribuire ad aumentare la produzione di determinati costituenti vegetali come vitamine, aromi e coloranti.

Produzione di THC nella cannabis: un'applicazione specifica dei LED UVB è l'ottimizzazione della produzione di THC nella cannabis. È noto che la radiazione UVB aumenta lo stress nelle piante, il che a sua volta può incrementare la produzione di composti vegetali secondari come il THC. Ciò viene utilizzato in particolare negli ambienti di coltivazione legale della cannabis per migliorare la potenza e la qualità delle piante.

Prove sui materiali: gli UVB vengono impiegati nelle prove di invecchiamento accelerato dei materiali per simulare la radiazione solare e valutare la stabilità a lungo termine di materie plastiche, vernici e altri materiali.

Applicazioni dei LED UVC

Il progressivo sviluppo dei LED UVC in termini di efficienza, durata e costo li rende un'opzione sempre più interessante per molti settori in cui tradizionalmente si utilizzavano lampade a vapori di mercurio. Le applicazioni generali sono pertanto:

Disinfezione UV: uno degli impieghi più noti degli UVC è la disinfezione di acqua, superfici e aria. La radiazione UVC è estremamente efficace nell'inattivare batteri, virus e altri microrganismi, poiché ne danneggia il DNA o l'RNA impedendone così la riproduzione.

I LED UVC vengono impiegati in sistemi compatti per il trattamento delle acque, per eliminare i germi patogeni dall'acqua potabile nel punto di utilizzo, ossia al rubinetto.

Disinfezione delle superfici: negli ospedali, nei laboratori e nella lavorazione degli alimenti si utilizzano dispositivi UVC portatili o installati in modo permanente che emettono radiazione UVC per sterilizzare utensili, imballaggi e superfici di lavoro. In alternativa, le lampade UVC vengono integrate negli impianti di climatizzazione e ventilazione per depurare l'aria dai germi e prevenire la diffusione delle malattie.

Cura delle ferite: in futuro i LED UVC verranno utilizzati anche nel trattamento medico e nella cura delle ferite, in particolare per il trattamento di ferite e infezioni difficili da guarire. L'applicazione di luce UVC su ferite infette può inibire la crescita degli agenti patogeni batterici e favorire la guarigione. È importante dosare la radiazione con precisione per non danneggiare la pelle.

Fotopolimerizzazione diretta: i LED UVC vengono raramente impiegati per la fotopolimerizzazione: la loro radiazione viene assorbita nello strato di resina più superficiale e la potenza disponibile è di gran lunga inferiore a quella dei LED UVA. Per rivestimenti, adesivi e resine per la stampa 3D lo standard è costituito dai LED UVA a 365–405 nm.

Altre applicazioni analitiche:

I LED UVC fungono da sorgenti luminose nella spettroscopia, dove vengono impiegati per analizzare campioni chimici e biologici, come ad esempio nella misurazione della fluorescenza o dell'assorbanza nel monitoraggio ambientale.

Quale lunghezza d'onda è adatta agli adesivi UV?

I fotoiniziatori assorbono soltanto entro una banda limitata. Un iniziatore progettato per 365 nm viene eccitato a malapena da una sorgente a 405 nm, anche se questa è più potente. I picchi industriali dei LED UV a 365, 385, 395 e 405 nm rappresentano proposte chimiche differenti, non classi di potenza intercambiabili (UV-int – Selezione della lunghezza d'onda UV; ScienceDirect – Sistemi fotoiniziatori specifici a 365, 385, 395 e 405 nm). La selezione inizia con la scheda tecnica dell'adesivo e termina con una misurazione sulla sorgente reale. Una fonte di errore frequente: una sigla di tipo indica la lunghezza d'onda di picco nominale, non la larghezza spettrale a metà altezza (FWHM), le tolleranze di produzione o lo spostamento in funzione della temperatura di giunzione.

365, 385, 395 o 405 nm – intervalli spettrali e applicazioni

Nota: la tabella descrive tendenze generali tratte dalla letteratura tecnica. Quale lunghezza d'onda sia adatta a un caso specifico dipende dal fotoiniziatore effettivamente impiegato e dalla trasmissione del pezzo da unire e dovrebbe essere misurata sull'assieme reale, non dedotta dalla designazione nominale del LED.

Come impostare e omologare su questa base un processo di incollaggio o di incapsulamento è illustrato in progettazione di processi di incollaggio e incapsulamento UV; quale classe di materiale sia adatta all'applicazione è trattato in selezione di adesivi, rivestimenti e masse di incapsulamento polimerizzabili ai UV.

Substrati ed epitassia per LED UV:

• LED UVA (da 315 nm a 400 nm):

Come substrato si utilizza spesso lo zaffiro (ossido di alluminio), poiché è economico e facilmente reperibile. Sono in uso anche altri substrati come il carburo di silicio (SiC) o il silicio (Si), per sfruttarne la conducibilità termica e la compatibilità con le tecnologie di produzione dei semiconduttori esistenti. Lo strato epitassiale viene depositato mediante deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD) ed è costituito tipicamente da nitruro di gallio-alluminio (AlGaN), regolando il contenuto di alluminio in funzione dell'emissione desiderata.

• LED UVB (da 280 nm a 315 nm) e LED UVC (da 100 nm a 280 nm)

Per i LED UVB e UVC si utilizzano spesso gli stessi substrati dei LED UVA, ma i requisiti di qualità e purezza dei materiali sono più elevati, soprattutto per le lunghezze d'onda più corte del campo UVC. In alternativa si impiegano anche substrati nativi come il nitruro di alluminio (AlN), che consentono un migliore accordo reticolare e quindi densità di difetti inferiori. Anche in questo caso l'AlGaN viene utilizzato come strato epitassiale, ma con un contenuto di alluminio più elevato per ottenere le lunghezze d'onda più corte. Anche lo strato epitassiale viene realizzato mediante MOCVD, prestando particolare attenzione al controllo dei difetti e all'omogeneità dello strato.

Oltre alla radiazione UV utilizzabile, le lampade UV emettono una componente infrarossa considerevole, poiché il plasma e l'involucro caldo della lampada irradiano gran parte della loro perdita come calore. Con i LED UV la perdita viene invece condotta via verso il dissipatore o il raffreddamento ad acqua e non raggiunge il pezzo come radiazione. L'apporto termico radiativo è quindi notevolmente inferiore.

Inferiore non significa tuttavia trascurabile: i moduli ad alta potenza raggiungono livelli di irradianza di diversi W/cm² sulla superficie del materiale irraggiato – una densità di potenza dell'ordine di un piano cottura. Anche senza una componente infrarossa il pezzo si riscalda in modo percepibile. Per i substrati sensibili alla temperatura occorre quindi considerare, oltre alla dose, anche il profilo temporale dell'irraggiamento, e la temperatura del componente rientra nella valutazione del processo.

Un secondo aspetto riguarda l'estremità a lunghezza d'onda maggiore dell'intervallo: i LED che emettono sopra i 400 nm sono, in senso stretto, LED blu. In questo caso va valutato il rischio fotochimico retinico ("blue light hazard"). I fondamenti sono descritti nella pagina sicurezza sul lavoro e sicurezza fotobiologica; per il lavoro in laboratorio e l'incollaggio manuale, le camere di irraggiamento a LED UV chiuse rappresentano la soluzione più sicura.

L'irradianza effettivamente raggiunta dal pezzo può essere monitorata durante il processo con radiometri e misuratori UV; la taratura per singole lunghezze d'onda LED viene eseguita dal laboratorio di taratura accreditato.

Quali misuratori rilevano spettro, irradianza e flusso radiante dei LED UV da 365 a 405 nm è illustrato nella pagina Tecnica di misura per LED UV.

Come si misurano correttamente i LED UV pulsati?
La distinzione decisiva è tra il valore di picco dell'impulso e il valore medio nel tempo. Uno strumento con un tempo di integrazione lungo, come uno spettrometro, mostra il valore medio, cioè il valore di picco moltiplicato per il duty cycle – corretto per la dose, sbagliato per valutare l'irradianza di picco. Per il valore di picco è necessario uno strumento la cui larghezza di banda sia ben superiore alla frequenza dell'impulso, oppure una misura sincronizzata sull'impulso.

Quale efficienza raggiungono i LED UV?
L'efficienza complessiva, nota come wall-plug efficiency, rapporta la potenza radiante ottica alla potenza elettrica assorbita. I LED UVA raggiungono circa il 30–40 %, i LED a emissione blu già circa l'80 %. I LED nella gamma UVB e UVC profondo sono considerevolmente inferiori, sotto il 5–10 %. La ragione sta nella produzione: le lunghezze d'onda più corte richiedono contenuti di alluminio più elevati negli strati AlGaN, il che complica l'epitassia, produce più difetti cristallini e riduce il rendimento. I LED UVB e UVC sono quindi in continuo sviluppo, e i tipi disponibili vengono sostituiti dopo un certo tempo da tipi successivi.

Cosa significa il binning per i LED UV?
La lunghezza d'onda emessa varia per motivi produttivi. Dopo la separazione dei wafer, i chip LED vengono quindi raggruppati spettralmente – questa selezione si chiama binning. La conseguenza pratica: se un LED viene sostituito con un dispositivo di un lotto diverso, la lunghezza d'onda di emissione può spostarsi leggermente, e un sensore con pesatura a banda stretta mostrerà quindi valori diversi. Questo non accade con le lampade classiche, perché in quel caso l'emissione è determinata da transizioni atomiche e collisioni di particelle e non si sposta quando si cambia la lampada.

Quanto durano i LED UV?
I LED UVA raggiungono fino a 10.000 ore di funzionamento, i LED UVB e UVC fino a 5.000. La durata è solitamente indicata come L70, cioè il tempo di funzionamento dopo il quale la potenza radiante è scesa al 70 % del suo valore iniziale. Anche la temperatura di esercizio consentita differisce: da −20 °C a +60 °C per i LED UVA, da −10 °C a +50 °C per i LED UVB e UVC. Poiché la potenza diminuisce continuamente durante la vita utile, una regolazione del processo controllata dalla dose è preferibile a un tempo di esposizione fisso.