UVA-, UVB- og UVC-LED-er: teknologi og måling
UVA-, UVB- og UVC-LED-er skiller seg fra hverandre i mer enn toppbølgelengden. Materialsystem, effektivitet, termisk belastning, spektral bandbredde, aldring og tilgjengelig optisk effekt endrer seg alle markant over hele UV-området. For en pålitelig anvendelse må derfor LED-data vurderes under definerte strøm- og temperaturforhold, og de må komplementeres med en egnet radiometrisk måling på brukspunktet.
UV-LED-er genererer ultrafiolett stråling i halvledere av aluminium-, gallium- og indiumnitrid. Sammensetningen bestemmer utsendelsesbølgelengdene i UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) og UVC (200–280 nm); 365 og 385 nm i UVA, 285 og 295 nm i UVB og 265 nm i UVC er vanlige. Målte spektre for de enkelte LED-typene kan lastes ned fra spektraldatabasen for UV-lamper og UV-LED-er.
EUs RoHS-direktiv begrenser bruken av kvikksilverholdige lamper; dagens status er beskrevet under RoHS og UV-lamper. Hvilke instrumenter Opsytec dermed tilbyr, vises under UV-LED-lyskilder.
Produksjon av ultrafiolette lysdioder
Elektromagnetisk stråling genereres generelt i III-V-halvledere, dvs. halvledere laget av grunnstoffer fra den tredje og femte hovedgruppen i det periodiske systemet, hvor bølgelengden til emisjonstoppen til UV-LED-er primært bestemmes av materialets faste løsningssammensetning.
Ved å legere halvlederne aluminiumnitrid (AlN), galliumnitrid (GaN) og indiumnitrid (InN) kan man oppnå emisjonsbølgelengder i UVA (400 nm–315 nm), UVB (315 nm–280 nm) og UVC (280 nm–200 nm).
Produksjonen av UV-LED-er involverer en rekke trinn:
Utforming av LED-heterostrukturen og chip-layouten, vekst av substratene og baselagene, epitaksi av halvlederheterostrukturen, prosessering av LED-enheter på wafernivå og til slutt separasjon av waferne til LED-chip og montering av disse i pakker. UV-LED-er består derfor av mange hundre halvlederlag hvis sammensetning og doping må tilpasses i henhold til den respektive funksjonaliteten.
Emisjonsbølgelengden til LED-ene bestemmes av sammensetningen og dopingen der UV-strålingen genereres. For alle trinn er det viktig at den elektriske effekten effektivt omdannes til optisk stråleeffekt. Wall-plug-effektiviteten (WPE) er en spesielt viktig parameter for anvendelsen. Den totale effektiviteten til UV-LED-er angir forholdet mellom den optiske stråleeffekten og den tilførte elektriske effekten.
UVA-emitterende UV-LED-er oppnår nå en WPE på rundt 30–40 %, mens blåemitterende LED-er allerede oppnår en svært høy WPE på rundt 80 %. LED-er med emisjon i det lave UVB- og UVC-området har derimot betydelig lavere WPE, under 5 % til 10 %. Av denne grunn er UVB- og UVC-LED-er gjenstand for kontinuerlig optimalisering og teknologisk utvikling. Som et resultat må tilgjengelige LED-typer etter en tid erstattes av etterfølgertyper.
Sammenligning av UV-LED-er for UVA, UVB & UVC
Sammenlignet med eldre UV-LED-er viser de nyeste UVB- og UVC-LED-ene betydelig høyere effektivitet og forbedret ytelse. Eldre UV-LED-er led ofte av høye driftstemperaturer og rask degradering, noe som er betydelig forbedret gjennom de nyeste utviklingene. Den nåværende generasjonen av UVB- og UVC-LED-er benytter avanserte kjøleteknologier og forbedrede halvlederstrukturer og optiske koblinger som ikke bare forlenger levetiden, men også øker effektiviteten.
UVB- og UVC-LED-er oppnår ennå ikke ytelsen og effekten til UVA-LED-er, men har klart å ta betydelig innpå i løpet av de siste årene.
UVB- og UVC-LED-er samt UVA-LED-er produseres fra forskjellige substrater og med forskjellige epitaksiprosesser som er spesifikt tilpasset de ønskede bølgelengdene og ytelseskravene. Valget av substrat og epitaksimetode har en betydelig innvirkning på effektiviteten, ytelsen og kostnaden til LED-ene.
En teknisk sammenligning mellom UVA-LED-er med bølgelengder på 365 nm og 385 nm og kortbølgede LED-er ved 265 nm (UVC) samt 285 nm og 295 nm (UVB) er vist nedenfor. Denne tabellen tar hensyn til generelle parametere som effektivitet, effekt, levetid og typiske bruksområder.
| Parameters | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| Toppbølgelengde | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| Optisk effekt | 10–1000 mW | 10–1000 mW | 1–30 mW | 1–30 mW | 1–30 mW |
| Effektivitet (WPE) | 20–40 % | 20–40 % | 5–15 % | 5–15 % | 5–15 % |
| Levetid | Opptil 10 000 timer | Opptil 10 000 timer | Opptil 5 000 timer | Opptil 5 000 timer | Opptil 5 000 timer |
| Driftstemperatur | -20 °C til +60 °C | -20 °C til +60 °C | -10 °C til +50 °C | -10 °C til +50 °C | -10 °C til +50 °C |
| Typiske bruksområder | Herding, testing | Herding, testing | Desinfeksjon, sterilisering | Desinfeksjon, sterilisering | Desinfeksjon, sterilisering |
Forklaringer:
Toppbølgelengde: Bølgelengden der LED-en har den høyeste emisjonen.
Optisk effekt: Den totale effekten av lyset som sendes ut av LED-en, i milliwatt.
Effektivitet: Forholdet mellom utsendt optisk effekt og absorbert elektrisk effekt.
Levetid: Den forventede driftstiden til LED-en fram til et punkt der utgangseffekten faller til en viss prosentandel av den opprinnelige verdien, vanligvis 70 % (L70).
Driftstemperatur: Temperaturområdet der LED-en kan drives sikkert og effektivt.
Typiske bruksområder: De vanligste bruksområdene for de spesifikke LED-ene.
Disse verdiene i tabellen er generelle og kan variere avhengig av produsent og spesifikk LED-modell. Det er også viktig å merke seg at effektiviteten og utgangseffekten til UVC-LED-er, spesielt ved kortere bølgelengder, som regel er lavere enn for UVA-LED-er.
Mens UVA-LED-er vanligvis har lavere aluminiuminnhold i AlGaN-lagene, krever UVB- og UVC-LED-er høyere aluminiuminnhold for å oppnå kortere bølgelengder. Epitaksial deponering for UVB- og UVC-LED-er er teknisk mer krevende på grunn av det høyere aluminiuminnholdet og de tilhørende høyere krystalldefektene. Dette fører til høyere produksjonskostnader og lavere utbytte.
I tillegg varierer den utsendte bølgelengden på grunn av produksjonsprosessen. Av denne grunn blir UV-LED-ene spektralt gruppert etter separasjon, en prosess kjent som binning. Det er viktig å merke seg at bølgelengden kan endre seg litt hvis LED-en byttes ut med en fra et annet parti. Med klassiske lamper er det derimot atomoverganger og partikkelkollisjoner som bestemmer emisjonen. Derfor endres ikke emisjonen med klassiske lamper.
Sammenlign bølgelengder
Tabellen ovenfor sammenligner komponenter; kalkulatoren nedenfor sammenligner selve bølgelengdene: fotonenergi, frekvens og først og fremst fotoner per joule. Den siste kolonnen forklarer hvorfor en prosessfrigivelse ikke ganske enkelt kan flyttes fra 365 nm til 395 nm — ved samme dose ankommer det der omtrent åtte prosent flere fotoner.
Bruksområder for UVA-LED-er
UVA-LED-er med bølgelengder i området 315 til 400 nm brukes på en rekke tekniske, vitenskapelige og industrielle felt, og spiller en sentral rolle innen ikke-destruktiv prøving (NDT) og mange andre innovative bruksområder.
Ikke-destruktiv prøving (NDT): UVA-LED-er er et viktig verktøy innen fluorescensprøving, et delområde av NDT. De brukes til å synliggjøre overflatefeil eller forskjeller i materialer ved å eksitere fluorescerende fargestoffer som påføres delene som skal testes. Denne metoden brukes ofte i luftfarts-, bil- og metallbearbeidingsindustrien for å identifisere sprekker, overlappinger, porer og andre ufullkommenheter.
UV-herding: Et av de vanligste bruksområdene for UVA-LED-er er UV-herding av lakker, lim og belegg. Denne teknologien brukes i trykkeribransjen og i produksjon av elektronikk (f.eks. ved liming av smarttelefonskjermer). UVA-LED-er gir fordelen av rask og målrettet herding, noe som forkorter prosesstidene og øker energieffektiviteten.
Fotoinitiatorene som en tid har vært brukt i UV-herding og UV-trykk, er spesielt utviklet for å reagere på de tilsvarende UVA-bølgelengdene. Ytterligere bestråling med UVB-lys i området 280 til 300 nm kan forbedre herdeprosessen.
Medisinske bruksområder: Innen dermatologi brukes UVA-LED-er til fototerapi, særlig til behandling av hudlidelser som psoriasis og eksem. UVA-stråling kan bidra til å redusere betennelse og lindre symptomene på disse sykdommene.
Plantevekst og hagebruk: UVA-LED-er spiller en rolle i landbruksteknologi, særlig i kunstig belysning for plantevekst i drivhus. De kan bidra til å styre bestemte vekstprosesser og øke plantenes motstandskraft mot skadedyr. Bestråling med UVA fører til at plantene blir kortere i lengden.
Rettsmedisinske bruksområder: Innen rettsmedisin brukes UVA-LED-er til å synliggjøre biologiske spor som blod, sæd eller andre kroppsvæsker. Denne teknikken brukes også til å identifisere forfalskede dokumenter eller pengesedler.
Analytiske bruksområder: Innen kjemi og biokjemi brukes UVA-LED-er til å analysere stoffer ved hjelp av fluorescensspektroskopi. Denne metoden gjør det mulig å bestemme sammensetningen og konsentrasjonen av kjemiske forbindelser nøyaktig.
Bruksområder for UVB-LED-er
UVB-LED-er brukes i økende grad i medisinen til behandling av hudsykdommer som psoriasis og til vitamin D-syntese. Alternativt har eksimerlamper eller lasere med en bølgelengde på 308 nm vært brukt i dermatologi i mange år. UV-LED-er erstatter sakte klassiske UV-lamper. De øvrige bruksområdene er derfor:
Vitamin D-produksjon: UVB-stråling er avgjørende for den naturlige produksjonen av vitamin D i huden eller i mat. UVB brukes i apparater for å produsere vitamin D, vitamin D2 eller previtamin D3. Når UVB-lys med en bølgelengde mellom 290 og 315 nm treffer huden, brytes B-ringstrukturen i 7-DHC-molekylet ned. Denne prosessen kalles fotolyse.
I motsetning til mennesker, som syntetiserer vitamin D ved at huden eksponeres for UVB-stråling, produserer ikke planter vitamin D på samme måte. Når sopp og enkelte algearter eksponeres for UV-stråling, kan ergosterolet som finnes i cellene deres, omdannes til ergokalsiferol (vitamin D2) gjennom en fotolytisk reaksjon som ligner den som skjer når vitamin D3 syntetiseres i menneskehud. UVB-stråling bryter bestemte bindinger i ergosterolmolekylet, noe som fører til omdanning til previtamin D2. På samme måte som ved syntesen av vitamin D3 hos mennesker, omdannes det ustabile previtamin D2 til det stabile vitamin D2 gjennom varmeavhengig isomerisering.
Soling: I kosmetikkindustrien kan UVB-LED-er og UV-lamper brukes i solarier for å oppnå en jevn og kontrollert bruning av huden.
Fototerapi: I medisinsk behandling brukes UVB til fototerapi, særlig ved hudlidelser som psoriasis og vitiligo. UVB-stråling kan bidra til å normalisere de overaktive hudcellene og lindre symptomene på disse sykdommene.
Plantedyrking: UVB-LED-er har også bruksområder innen planteforedling, siden UVB-lys påvirker vekst, blomstringstid og sekundære metabolitter hos planter. Bestråling med UVB-lys kan bidra til å øke produksjonen av bestemte plantebestanddeler som vitaminer, aromaer og fargestoffer.
THC-produksjon i cannabis: Et spesifikt bruksområde for UVB-LED-er er optimalisering av THC-produksjonen i cannabis. UVB-stråling er kjent for å øke stresset i planter, noe som igjen kan øke produksjonen av sekundære planteforbindelser som THC. Dette brukes særlig i lovlige cannabisdyrkingsmiljøer for å forbedre potensen og kvaliteten på plantene.
Materialprøving: UVB brukes i akselerert aldringsprøving av materialer for å simulere solstråling og vurdere langtidsstabiliteten til plast, lakk og andre materialer.
Bruksområder for UVC-LED-er
Den fortløpende utviklingen av UVC-LED-er når det gjelder effektivitet, holdbarhet og kostnad, gjør dem til et stadig mer attraktivt alternativ på mange områder der kvikksølvdamplamper tradisjonelt har vært brukt. De generelle bruksområdene er derfor:
UV-desinfeksjon: et av de mest fremtredende bruksområdene for UVC er desinfeksjon av vann, overflater og luft. UVC-stråling er svært effektiv til å inaktivere bakterier, virus og andre mikroorganismer, ettersom den skader DNA-et eller RNA-et deres og dermed hindrer dem i å formere seg.
UVC-LED-er brukes i kompakte vannbehandlingssystemer for å fjerne sykdomsfremkallende bakterier fra drikkevann på bruksstedet, altså ved springen.
Overflatedesinfeksjon: På sykehus, i laboratorier og i næringsmiddelbearbeiding brukes bærbare eller fast installerte UVC-apparater som avgir UVC-stråling for å sterilisere verktøy, emballasje og arbeidsflater. Alternativt integreres UVC-lamper i klimaanlegg og ventilasjonssystemer for å rense luften for bakterier og hindre spredning av sykdom.
Sårbehandling: UVC-LED-er vil i fremtiden også bli brukt innen medisinsk behandling og sårbehandling, særlig til behandling av sår som er vanskelige å få til å gro, og av infeksjoner. Bruk av UVC-lys på infiserte sår kan hemme veksten av bakterielle patogener og fremme tilhelingen. Det er viktig å dosere strålingen nøyaktig for ikke å skade huden.
Direkte fotopolymerisering: UVC-LED-er brukes sjelden til fotopolymerisering: strålingen deres absorberes i det øverste harpikslaget, og den tilgjengelige effekten ligger langt under den til UVA-LED-er. For belegg, lim og 3D-utskriftsharpikser er UVA-LED-er på 365 til 405 nm normen.
Andre analytiske bruksområder:
UVC-LED-er fungerer som lyskilder i spektroskopi, der de brukes til å analysere kjemiske og biologiske prøver, for eksempel fluorescens- eller absorbansmåling i miljøovervåking.
Hvilken bølgelengde passer til UV-lim?
Fotoinitiatorer absorberer bare innenfor et begrenset bånd. En initiator som er utviklet for 365 nm, eksiteres knapt av en kilde på 405 nm – selv om den kilden er kraftigere. De industrielle UV-LED-toppene ved 365, 385, 395 og 405 nm er ulike kjemiske tilbud, ikke utskiftbare effektklasser (UV-int – valg av UV-bølgelengde; ScienceDirect – Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm). Valget starter med limets datablad og ender med en måling ved den faktiske kilden. En vanlig feilkilde: en typebetegnelse angir den nominelle toppbølgelengden, ikke den spektrale halvverdibredden (FWHM), produksjonstoleranser eller forskyvningen med sperresjikttemperaturen.
365, 385, 395 eller 405 nm – spektralområder og bruksområder
| Bølgelengde | Egenskaper | Typisk fotoinitiator / materialkompatibilitet | Typiske bruksområder |
|---|---|---|---|
| 365 nm | Høyest fotonenergi av de fire toppene (3,39 eV); historisk sett i-linjetoppen til kvikksølvdamplamper; trenger som regel dypere ned i klare materialer | Kompatibel med klassiske fotoinitiatorer som er formulert for kvikksølvlamper; ofte førstevalget for eksisterende, uendrede limfrigivelser | Tykkere, klare støpemasser; optisk liming; konvertering av eksisterende kvikksølvlampeprosesser til LED (UV-int; Incure Lab) |
| 385 nm | Balansert forhold mellom inntrengningsdybde og overflateherding (3,22 eV); bred kompatibilitet med mange dual-cure-initiatorer | Lim som er reformulert for LED-herding med et databladområde på 380–390 nm | Deler med blandede krav til dybde- og overflateherding; linjer som kjører flere typer arbeidsstykker (Incure Lab) |
| 395 nm | Industristandard med høy energieffektivitet og lang levetid for LED-en (3,14 eV); mange moderne limformuleringer er reformulert til 390–400 nm | Bred materialkompatibilitet; trenger delvis gjennom UV-blokkerende tilsetningsstoffer som begynner å transmittere i det nær-synlige området | Generell industriell herding, elektronikkproduksjon, digitaltrykk, serielinjer med høy gjennomstrømning (UV-int) |
| 405 nm | Lavest fotonenergi av de fire toppene (3,06 eV); nærmere synlig lys; effektiv overflateherding, lavere inntrengningsdybde; minimal ekstra termisk belastning | Frie radikale fotoinitiatorer mulig med redusert effektivitet; formuleringsområdet er vanligvis 400–410 nm | Overflateherding, varmefølsomme deler, 3D-utskrift og dentalharpikser, medisinske lim (Incure Lab) |
Merk: Tabellen beskriver generelle tendenser fra den tekniske litteraturen. Hvilken bølgelengde som passer i et konkret tilfelle, avhenger av fotoinitiatoren som faktisk brukes og av transmisjonen til fugedelen, og bør måles på den reelle sammenstillingen – ikke utledes av den nominelle LED-betegnelsen.
Hvordan du legger opp og frigir en lime- eller støpeprosess ut fra dette, vises under utforming av UV-lime- og støpeprosesser; hvilken materialklasse som passer til bruksområdet, er omtalt under valg av UV-herdende lim, belegg og støpemasser.
Substrater og epitaksi for UV-LED-er:
- UVA-LED-er (315 nm til 400 nm):
Safir (aluminiumoksid) brukes ofte som substrat fordi det er rimelig og lett tilgjengelig. Andre substrater som silisiumkarbid (SiC) eller silisium (Si) er også i bruk for å utnytte varmeledningsevnen og kompatibiliteten med eksisterende produksjonsteknologier for halvledere. Det epitaksiale laget avsettes ved metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD) og består vanligvis av aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), der aluminiuminnholdet justeres etter ønsket emisjon.
- UVB-LED-er (280 nm til 315 nm) og UVC-LED-er (100 nm til 280 nm)
De samme substratene brukes ofte for UVB- og UVC-LED-er som for UVA-LED-er, men kravene til materialkvalitet og renhet er høyere, særlig for de kortere bølgelengdene i UVC-området. Alternativt brukes også native substrater som aluminiumnitrid (AlN), som gir bedre gittertilpasning og dermed lavere defekttettheter. AlGaN brukes også her som epitaksialt lag, men med høyere aluminiuminnhold for å oppnå de kortere bølgelengdene. Det epitaksiale laget dannes også ved hjelp av MOCVD, der det legges særlig vekt på kontroll av defekter og lagets homogenitet.
Varmetilførsel: UV-LED sammenlignet med utladningslampen
Foruten den nyttige UV-strålingen avgir UV-lamper en stor infrarød komponent, fordi plasmaet og det varme lamperøret utstråler mye av tapet sitt som varme. Med UV-LED ledes tapet i stedet bort til kjøleelementet eller vannkjølingen og når ikke delen som stråling. Den strålingsbaserte varmetilførselen er derfor betydelig lavere.
Lavere betyr imidlertid ikke ubetydelig: høyeffektmoduler oppnår irradiansnivåer på flere W/cm² på overflaten av materialet som bestråles – en effekttetthet på størrelse med en kokeplate. Selv uten en infrarød komponent varmes delen merkbart opp. For temperaturfølsomme substrater må derfor bestrålingens tidsforløp vurderes sammen med dosen, og komponenttemperaturen hører hjemme i prosessvurderingen.
Et annet punkt gjelder den langbølgede enden av området: LED-er som avgir stråling over 400 nm er strengt tatt blå LED-er. Her må den fotokjemiske netthinnefaren («blue light hazard») vurderes. Grunnlaget er beskrevet på siden arbeidssikkerhet og fotobiologisk sikkerhet; for laboratoriearbeid og manuell liming er lukkede UV-LED-bestrålingskamre den sikrere løsningen.
Irradiansen som faktisk når delen kan overvåkes under prosessen med UV-målere og radiometre; kalibrering for individuelle LED-bølgelengder utføres av det akkrediterte kalibreringslaboratoriet.
Hvilke måleinstrumenter som registrerer spektrum, irradians og strålingsfluks fra UV-LED-er ved 365 til 405 nm, vises på siden Måleteknikk for UV-LED-er.
Ofte stilte spørsmål om måling av UV-LED-er
Hvordan måles pulserende UV-LED-er korrekt?
Det avgjørende er å skille mellom pulsens toppverdi og tidsmiddelverdien. Et instrument med lang integrasjonstid, som et spektrometer, viser gjennomsnittet, altså toppverdi multiplisert med driftssyklus – korrekt for dosen, men feil for å vurdere toppirradiansen. For toppverdien trengs et instrument med båndbredde godt over pulsfrekvensen, eller en måling triggert på pulsen.
Hvilken effektivitet oppnår UV-LED-er?
Den totale effektiviteten, kjent som wall-plug-effektivitet, setter den optiske strålingseffekten i forhold til den elektriske effekten som trekkes. UVA-LED-er oppnår omtrent 30 til 40 %, blåemitterende LED-er allerede rundt 80 %. LED-er i det dype UVB- og UVC-området ligger betydelig lavere, under 5 til 10 %. Årsaken ligger i produksjonen: kortere bølgelengder krever høyere aluminiuminnhold i AlGaN-lagene, noe som kompliserer epitaksien, gir flere krystalldefekter og senker utbyttet. UVB- og UVC-LED-er er derfor under kontinuerlig utvikling, og tilgjengelige typer erstattes av nye typer etter en tid.
Hva betyr binning for UV-LED-er?
Den utsendte bølgelengden varierer av produksjonsmessige årsaker. Etter at wafrene er delt opp, grupperes LED-brikkene derfor spektralt – denne sorteringen kalles binning. Den praktiske konsekvensen: dersom en LED byttes ut med en enhet fra en annen batch, kan emisjonsbølgelengden forskyve seg litt, og en sensor med smalbånds veiing vil da vise andre verdier. Dette skjer ikke med klassiske lamper, fordi emisjonen der bestemmes av atomære overganger og partikkelkollisjoner og ikke forskyver seg når lampen byttes.
Hvor lenge varer UV-LED-er?
UVA-LED-er oppnår opptil 10 000 driftstimer, UVB- og UVC-LED-er opptil 5 000. Levetiden angis vanligvis som L70, altså driftstiden etter hvilken strålingseffekten har falt til 70 % av startverdien. Den tillatte driftstemperaturen er også forskjellig: −20 °C til +60 °C for UVA-LED-er, −10 °C til +50 °C for UVB- og UVC-LED-er. Fordi effekten avtar kontinuerlig over levetiden, er dosekontrollert prosessregulering å foretrekke fremfor en fast eksponeringstid.
UV-måleinstrumenter for evaluering av standarder og retningslinjer
Radiometer RMD Pro
Heldigitalt håndholdt radiometer for irradians og dose med to sensorinnganger og 8 GB minne.
Forfatter: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia er daglig leder av Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Etter sin forskning på pulserende xenon-eksimerutladninger ved Institute of Lighting Technology ved KIT, er hans nåværende fokus på optisk strålingsmåleteknologi. Han er nestleder for DIN Standards Committee FNL 7 «Optical Radiation», og medlem av DVGW-prosjektgruppen for UV-desinfeksjon.
