UVA、UVB、UVC LED:技術と測定
UVA、UVB、UVC LEDはピーク波長だけでなく、材料系、効率、熱負荷、スペクトル帯域幅、経年劣化、利用可能な光出力もUV領域全体で大きく異なります。信頼できる用途のためには、LEDデータを規定の電流・温度条件下で評価し、使用箇所での適切な放射計測によって補完する必要があります。
UV LEDは、アルミニウム、ガリウム、インジウムの窒化物半導体で紫外線を発生させます。組成によりUVA（315～400 nm）、UVB（280～315 nm）、UVC（200～280 nm）の発光波長が決まり、UVAでは365 nmと385 nm、UVBでは285 nmと295 nm、UVCでは265 nmが一般的です。個々のLEDタイプの測定スペクトルはUVランプおよびUV LED用スペクトルデータベースからダウンロードいただけます。
欧州のRoHS指令は水銀を含むランプを制限しており、現状についてはRoHSとUVランプで説明しています。これに伴いOpsytecが提供する機器についてはUV-LED光源をご覧ください。
紫外線発光ダイオードの製造
電磁放射は一般にIII-V族半導体、すなわち周期表の第3主族と第5主族の元素からなる半導体において生成され、UV LEDの発光ピークの波長は主に材料の固溶体組成によって決定されます。
半導体である窒化アルミニウム（AlN）、窒化ガリウム（GaN）、窒化インジウム（InN）を合金化することにより、UVA（400 nm～315 nm）、UVB（315 nm～280 nm）、UVC（280 nm～200 nm）の発光波長を実現できます。
UV LEDの製造には複数の工程が含まれます。
LEDヘテロ構造とチップレイアウトの設計、基板とベース層の成長、半導体ヘテロ構造のエピタキシー、ウェーハレベルでのLEDデバイスの加工、そして最後にウェーハをLEDチップに分離してパッケージに組み込むことです。したがってUV LEDは何百もの半導体層から構成され、それぞれの機能に応じて組成とドーピングを調整する必要があります。
LEDの発光波長は、UV放射が生成される組成とドーピングによって決定されます。すべての工程において、電気エネルギーを効率的に光放射エネルギーに変換することが重要です。ウォールプラグ効率（WPE）は、用途にとって特に重要なパラメータです。UV LEDの全体効率は、供給された電力に対する光放射出力の比率を示します。
UVAを発光するUV LEDは現在約30～40 %のWPEを達成していますが、青色発光LEDはすでに約80 %という非常に高いWPEを達成しています。それに対し、低UVBおよびUVC領域で発光するLEDは、5 %から10 %未満と大幅に低いWPEとなっています。このため、UVBおよびUVC LEDは継続的な最適化と技術開発の対象となっています。その結果、既存のLEDタイプは一定期間後に後継タイプに置き換えられる必要があります。
UVA、UVB＆UVC用UV LEDの比較
従来のUV LEDと比較して、最新のUVBおよびUVC LEDは著しく高い効率と改善された性能を示しています。従来のUV LEDは高い動作温度と急速な劣化に悩まされることが多くありましたが、最新の開発によりこれらは大幅に改善されました。現行世代のUVBおよびUVC LEDは、先進的な冷却技術と改良された半導体構造および光結合を採用しており、寿命の延長だけでなく効率の向上も実現しています。
UVBおよびUVC LEDは、UVA LEDの性能と出力にはまだ及びませんが、近年著しく差を縮めることができています。
UVBおよびUVC LED、そしてUVA LEDは、それぞれ異なる基板と異なるエピタキシー工程によって製造されており、所望の波長と性能要件に合わせて特別に調整されています。基板とエピタキシー方式の選択は、LEDの効率、性能、コストに大きな影響を与えます。
以下に、波長365 nmおよび385 nmのUVA LEDと、短波長のLEDである265 nm（UVC）ならびに285 nmおよび295 nm（UVB）との技術比較を示します。この表では、効率、出力、寿命、代表的な用途などの一般的なパラメータが考慮されています。
| パラメータ | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| ピーク波長 | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| 光出力 | 10～1000 mW | 10～1000 mW | 1～30 mW | 1～30 mW | 1～30 mW |
| 効率（WPE） | 20～40% | 20～40% | 5～15% | 5～15% | 5～15% |
| 寿命 | 最大10,000時間 | 最大10,000時間 | 最大5,000時間 | 最大5,000時間 | 最大5,000時間 |
| 動作温度 | -20 °C～+60 °C | -20 °C～+60 °C | -10 °C～+50 °C | -10 °C～+50 °C | -10 °C～+50 °C |
| 代表的な用途 | 硬化、試験 | 硬化、試験 | 消毒、滅菌 | 消毒、滅菌 | 消毒、滅菌 |
説明:
ピーク波長: LEDが最も高い発光強度を示す波長です。
光出力: LEDから放射される光の全出力で、単位はミリワットです。
効率: 放射される光出力と吸収される電力の比率です。
寿命: LEDの出力が初期値の一定割合、通常は70%（L70）まで低下するまでの予想動作時間です。
動作温度: LEDが安全かつ効果的に動作できる温度範囲です。
代表的な用途: 各LEDの最も一般的な用途です。
この表の値は一般的なものであり、メーカーおよび具体的なLEDモデルによって異なる場合があります。また、UVC LEDの効率と出力は、特に短波長側においてUVA LEDよりも一般的に低いことにも注意が必要です。
UVA LEDはAlGaN層中のアルミニウム含有量が一般に低いのに対し、UVBおよびUVC LEDではより短い波長を実現するためにアルミニウム含有量を高める必要があります。UVBおよびUVC LEDのエピタキシャル成長は、アルミニウム含有量が高いことおよびそれに伴う結晶欠陥の増加により、技術的により難易度が高くなります。これにより、製造コストの上昇と歩留まりの低下が生じます。
さらに、製造工程により発光波長にはばらつきが生じます。このため、UV LEDは分離後にスペクトルごとに選別されます。これはビニングと呼ばれる工程です。異なるロットからLEDを交換した場合、波長がわずかに変化する可能性があることに注意が必要です。一方、従来型のランプでは、原子遷移および粒子衝突によって発光が決まります。したがって、従来型のランプでは発光は変化しません。
UVA LEDの用途
315～400 nmの波長帯を持つUVA LEDは、数多くの技術、科学、産業分野で使用されており、非破壊検査（NDT）をはじめとする多くの革新的な用途において中心的な役割を果たしています。
非破壊検査（NDT）：UVA LEDはNDTの一分野である蛍光探傷検査において重要なツールです。検査対象部品に塗布された蛍光染料を励起することで、表面欠陥や材料の差異を可視化するために使用されます。この方法は航空宇宙、自動車、金属加工の各産業で亀裂、重ね傷、気孔、その他の欠陥を特定するために一般的に用いられています。
UV硬化：UVA LEDの最も一般的な用途の一つは、塗料、接着剤、コーティングのUV硬化です。この技術は印刷業界や電子機器の製造（例：スマートフォンの画面の接着）で使用されています。UVA LEDは高速かつ的確な硬化を実現するという利点があり、これにより工程時間が短縮され、エネルギー効率が向上します。
以前からUV硬化やUV印刷で使用されている光開始剤は、対応するUVA波長に反応するように特別に設計されています。280～300 nmの範囲のUVB光を追加で照射することで、硬化プロセスを改善できます。
医療用途：皮膚科では、UVA LEDは光線療法に使用されており、特に乾癬や湿疹などの皮膚疾患の治療に用いられます。UVA照射はこれらの疾患の炎症を抑え、症状を緩和するのに役立ちます。
植物成長・園芸：UVA LEDは農業技術、特に温室内の植物成長のための人工照明において役割を果たします。特定の成長プロセスを制御し、害虫に対する植物の耐性を高めるのに役立ちます。UVAの照射により植物の草丈が短くなります。
法科学用途：法科学の分野では、UVA LEDは血液、精液、その他の体液などの生体痕跡を可視化するために使用されます。この技術は偽造文書や偽造紙幣の識別にも用いられます。
分析用途：化学および生化学の分野では、UVA LEDは蛍光分光法による物質の分析に使用されます。この方法により、化合物の組成と濃度を精密に決定することが可能になります。
UVB LEDの用途
UVB LEDは、乾癬などの皮膚疾患の治療やビタミンD合成のために医療分野で使用が拡大しています。これに対し、皮膚科では長年にわたり波長308 nmのエキシマランプやレーザーが使用されてきました。UV LEDは従来型のUVランプを徐々に置き換えつつあります。したがって、その他の用途は以下の通りです。
ビタミンD生成：UVB照射は皮膚または食品中のビタミンDの自然生成に不可欠です。UVBはビタミンD、ビタミンD2、またはプレビタミンD3を生成する装置で使用されます。波長290～315 nmのUVB光が皮膚に当たると、7-DHC分子のB環構造が分解されます。このプロセスは光分解と呼ばれます。
皮膚をUVB照射することでビタミンDを合成するヒトとは異なり、植物は同様の方法でビタミンDを生成しません。真菌類やいくつかの藻類種がUV照射を受けると、その細胞内に存在するエルゴステロールが、ヒトの皮膚でビタミンD3が合成される際と同様の光分解反応によってエルゴカルシフェロール（ビタミンD2）に変換されることがあります。UVB照射はエルゴステロール分子内の特定の結合を切断し、プレビタミンD2への変換をもたらします。ヒトにおけるビタミンD3の合成と同様に、不安定なプレビタミンD2は熱依存性の異性化によって安定なビタミンD2に変換されます。
タンニング：化粧品業界では、UVB LEDおよびUVランプはタンニング装置に使用され、均一で制御された肌の日焼けを実現できます。
光線療法：医療分野の治療では、UVBは光線療法、特に乾癬や白斑などの皮膚疾患に使用されます。UVB照射は過活動な皮膚細胞を正常化し、これらの疾患の症状を緩和するのに役立ちます。
植物栽培：UVB光は植物の成長、開花時期、二次代謝産物に影響を与えるため、UVB LEDは植物育種にも応用されています。UVB光の照射は、ビタミン、香気成分、色素などの特定の植物成分の生成を高めるのに役立ちます。
大麻におけるTHC生成：UVB LEDの特定の用途として、大麻におけるTHC生成の最適化があります。UVB照射は植物のストレスを増加させることが知られており、これが逆にTHCなどの二次植物化合物の生成を高めることがあります。これは特に合法的な大麻栽培環境において、植物の効力と品質を向上させるために利用されています。
材料試験：UVBは材料の促進耐候性試験において太陽光照射を模擬し、プラスチック、塗料、その他の材料の長期安定性を評価するために使用されます。
UVC LEDの用途
効率、耐久性、コストの面でのUVC LEDの継続的な進歩により、従来水銀蒸気ランプが使用されていた多くの分野において、UVC LEDはますます魅力的な選択肢となっています。したがって、一般的な用途は以下の通りです。
UV消毒：UVCの最も代表的な用途の一つは、水、表面、空気の消毒です。UVC照射は細菌、ウイルス、その他の微生物のDNAまたはRNAを損傷し、増殖を防ぐため、その不活化に高い効果を発揮します。
UVC LEDは、使用地点、すなわち水道の出口で飲料水から病原菌を除去するためのコンパクトな水処理システムに使用されています。
表面消毒：病院、研究所、食品加工現場では、UVC照射を放射する携帯型または固定型のUVC装置が、器具、包装、作業台面の殺菌に使用されています。あるいは、UVCランプは空調・換気システムに組み込まれ、空気中の細菌を除去し、感染症の拡大を防ぎます。
創傷治療：UVC LEDは今後、医療治療や創傷治療、特に治りにくい創傷や感染症の治療にも使用される予定です。感染した創傷にUVC光を照射することで、細菌性病原体の増殖を抑制し、治癒を促進できます。皮膚を損傷しないよう、照射量を精密に管理することが重要です。
直接光重合：UVC LEDは光重合にはほとんど使用されません。その放射は最上層の樹脂層で吸収されてしまい、利用可能な出力もUVA LEDに比べてはるかに低いためです。コーティング、接着剤、3Dプリント用レジンには、365～405 nmのUVA LEDが標準となっています。
その他の分析用途：
UVC LEDは分光法における光源として使用され、環境モニタリングにおける蛍光測定や吸光度測定など、化学的・生物学的サンプルの分析に利用されます。
UV接着剤にはどの波長が適しているか
光開始剤は限られた帯域内でのみ吸収します。365 nm用に設計された開始剤は、より高出力であっても405 nmの光源にはほとんど励起されません。工業用UV LEDのピーク波長365、385、395、405 nmは、互換性のある出力クラスではなく、それぞれ異なる化学的選択肢です（UV-int – UV wavelength selection；ScienceDirect – Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm）。選定は接着剤のデータシートから始まり、実際の光源での測定によって終わります。よくある誤りの原因：型式名は公称ピーク波長を示すものであり、分光半値全幅（FWHM）、製造上の許容差、接合温度による波長シフトは示されていません。
365、385、395、405 nm ― 分光範囲と用途
| 波長 | 特性 | 典型的な光開始剤／材料適合性 | 典型的な用途 |
|---|---|---|---|
| 365 nm | 4つのピークの中で最も高い光子エネルギー（3.39 eV）。歴史的には水銀蒸気ランプのi線ピークに相当し、透明材料への浸透性が高い傾向がある | 水銀ランプ用に処方された従来型の光開始剤と適合性が高く、既存の未変更接着剤リリースの第一選択となることが多い | 厚手の透明ポッティング材、光学接着、既存の水銀ランプ工程からLEDへの転換（UV-int；Incure Lab） |
| 385 nm | 浸透深さと表面硬化のバランスが良い（3.22 eV）。多くのデュアルキュア型開始剤との広範な適合性 | データシート範囲380～390 nmでLED硬化用に再処方された接着剤 | 深部硬化と表面硬化の両方が求められる部品、複数の被着材を扱うライン（Incure Lab） |
| 395 nm | 高いエネルギー効率と長いLED寿命を持つ業界標準（3.14 eV）。多くの最新接着剤処方は390～400 nmに再設計されている | 広範な材料適合性。近可視光域で透過し始めるUV遮断添加剤を部分的に透過する | 一般的な工業硬化、電子機器製造、デジタル印刷、高スループットの量産ライン（UV-int） |
| 405 nm | 4つのピークの中で最も低い光子エネルギー（3.06 eV）。可視光に近く、効率的な表面硬化と低い浸透深さ、熱負荷の増加はごく僅か | 効率は低下するがラジカル系光開始剤も使用可能。処方範囲は通常400～410 nm | 表面硬化、熱に敏感な部品、3Dプリントおよび歯科用レジン、医療用接着剤（Incure Lab） |
注：この表は技術文献に基づく一般的な傾向を示すものです。具体的な事例にどの波長が適しているかは、実際に使用する光開始剤および接合部材の透過率に依存し、公称のLED型式名から推測するのではなく、実際の組立品で測定すべきです。
これに基づいて接着またはポッティングプロセスをどのように設計・リリースするかについては、UV接着・ポッティングプロセスの設計で解説しています。用途に適した材料クラスについては、UV硬化接着剤・コーティング・ポッティング材の選定で取り上げています。
UV LED用の基板とエピタキシー：
- UVA LED（315 nm～400 nm）：
サファイア（酸化アルミニウム）は安価で入手しやすいため、基板としてよく使用されます。熱伝導性や既存の半導体製造技術との適合性を活かすため、炭化ケイ素（SiC）やシリコン（Si）などの他の基板も使用されています。エピタキシャル層は有機金属化学気相成長法（MOCVD）によって成膜され、通常は窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）で構成され、所望の発光に応じてアルミニウム含有量が調整されます。
- UVB LED（280 nm～315 nm）およびUVC LED（100 nm～280 nm）
UVB LEDおよびUVC LEDにも、UVA LEDと同様の基板がよく使用されますが、材料の品質と純度に対する要求はより高く、特にUVC範囲の短波長ではその要求が厳しくなります。あるいは、窒化アルミニウム（AlN）などの自然基板も使用され、より良好な格子整合を実現し、それにより欠陥密度を低減できます。ここでもエピタキシャル層としてAlGaNが使用されますが、より短い波長を実現するためにアルミニウム含有量を高くします。エピタキシャル層もMOCVDによって形成され、欠陥の制御と層の均一性に特に注意が払われます。
熱入力：UV LEDと放電ランプの比較
UVランプは、利用可能な紫外線に加えて赤外線成分を多く放射します。これは、プラズマおよび高温のランプ外壁が損失の多くを熱として放射するためです。UV LEDの場合、損失はヒートシンクや水冷側に伝導され、放射として被照射物に到達することはありません。そのため、放射による熱入力は大幅に低くなります。
ただし、低いからといって無視できるわけではありません。高出力モジュールでは、被照射材料表面での放射照度が数 W/cm²に達することがあり、これはコンロ調理器並みの出力密度です。赤外線成分がなくても、部材は目に見えて温度上昇します。そのため、温度に敏感な基材については、積算光量とあわせて照射の時間プロファイルを考慮する必要があり、部材温度もプロセス評価に含めるべきです。
もう一つの論点は、波長域の長波長側に関するものです。400 nmを超えて発光するLEDは、厳密には青色LEDに分類されます。この場合、光化学的な網膜障害（いわゆる「ブルーライトハザード」）を評価する必要があります。基本事項については労働安全および光生物学的安全性のページで説明していますが、実験室作業や手作業による接着には、密閉型のUV LED照射チャンバーがより安全な解決策です。
実際に部材に到達する放射照度は、UVメーターおよび放射計によりプロセス中に監視できます。個々のLED波長に対する校正は、認定校正機関が実施します。
365～405 nmのUV LEDのスペクトル、放射照度、放射束を測定できる測定器は、UV LED向け測定技術のページで紹介しています。
UV LEDの測定に関するよくある質問
パルスUV LEDはどのように正しく測定されますか？
決定的な区別はパルスピーク値と時間平均値の間にあります。分光放射計のように積分時間が長い機器は平均値、すなわちピーク値にデューティ比を乗じた値を示します。これは積算光量には正しい値ですが、ピーク放射照度の判断には誤りとなります。ピーク値を得るには、帯域幅がパルス周波数を十分に上回る機器、またはパルスにトリガーした測定が必要です。
UV LEDはどの程度の効率を達成しますか？
壁面効率（wall-plug efficiency）と呼ばれる総合効率は、光放射パワーを消費電力に対して関連付けたものです。UVA LEDは約30～40 %、青色発光LEDはすでに約80 %に達します。深紫外のUVBおよびUVC領域のLEDはかなり低く、5～10 %未満です。この理由は製造方法にあります。波長が短くなるほどAlGaN層のアルミニウム含有率を高める必要があり、それによりエピタキシャル成長が複雑になり、結晶欠陥が増え、歩留まりが低下します。そのためUVBおよびUVC LEDは継続的に開発が進められており、既存の製品はしばらくすると後継製品に置き換えられます。
UV LEDにおけるビニングとは何ですか？
発光波長は製造上の理由でばらつきが生じます。そのためウェハーを個片化した後、LEDチップはスペクトル特性ごとにグループ分けされます。この選別作業をビニングと呼びます。実務上の影響として、LEDが別のロットの製品に交換された場合、発光波長がわずかに変化することがあり、狭帯域重み付けを持つセンサではその際に異なる値が表示されます。これは従来型ランプでは起こりません。なぜなら従来型ランプでは発光が原子遷移や粒子衝突によって決まり、ランプを交換しても変化しないためです。
UV LEDの寿命はどのくらいですか？
UVA LEDは最大10,000時間、UVBおよびUVC LEDは最大5,000時間に達します。寿命は通常L70として示され、これは放射パワーが初期値の70 %まで低下するまでの動作時間を意味します。許容動作温度も異なり、UVA LEDでは−20 ℃～+60 ℃、UVBおよびUVC LEDでは−10 ℃～+50 ℃です。出力が寿命にわたって継続的に低下するため、固定の照射時間よりも積算光量管理によるプロセス制御が望ましいといえます。
著者:マーク・パラヴィア博士
マーク・パラヴィア博士（Dr.-Ing.）は、エッティンゲンにあるOpsytec Dr. Gröbel GmbHの代表取締役であり、認定校正機関を統括しています。KITの照明工学研究所でパルスキセノンエキシマ放電に関する研究に従事した後、現在は光放射計測技術に注力しています。同氏はDIN規格委員会FNL 7「光放射」の副委員長を務め、DVGWの紫外線消毒プロジェクトグループのメンバーでもあります。
