LEDs UVA, UVB e UVC: tecnologia e medição
LEDs UVA, UVB e UVC diferem em mais do que seu comprimento de onda de pico. Sistema de material, eficiência, carga térmica, largura de banda espectral, envelhecimento e potência óptica disponível mudam de forma acentuada ao longo da faixa UV. Para uma aplicação confiável, os dados dos LEDs precisam, portanto, ser avaliados sob condições definidas de corrente e temperatura e complementados por uma medição radiométrica adequada no ponto de uso.
Os LEDs UV geram radiação ultravioleta em semicondutores de nitreto de alumínio, gálio e índio. A composição define os comprimentos de onda de emissão nas faixas UVA (315–400 nm), UVB (280–315 nm) e UVC (200–280 nm); 365 e 385 nm no UVA, 285 e 295 nm no UVB e 265 nm no UVC são comuns. Espectros medidos de tipos individuais de LEDs estão disponíveis para download no banco de dados espectral para lâmpadas UV e LEDs UV.
A Diretiva europeia RoHS restringe lâmpadas contendo mercúrio; a situação atual está descrita em RoHS e lâmpadas UV. Quais instrumentos a Opsytec oferece como resultado disso é mostrado em fontes de luz LED UV.
Produção de diodos emissores de luz ultravioleta
A radiação eletromagnética é geralmente gerada em semicondutores III-V, ou seja, semicondutores compostos por elementos do terceiro e quinto grupos principais da tabela periódica, sendo que o comprimento de onda do pico de emissão dos LEDs UV é determinado principalmente pela composição da solução sólida do material.
Por meio da liga dos semicondutores nitreto de alumínio (AlN), nitreto de gálio (GaN) e nitreto de índio (InN), é possível obter comprimentos de onda de emissão em UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) e UVC (280 nm - 200 nm).
A produção de LEDs UV envolve uma série de etapas:
projeto da heteroestrutura do LED e do layout do chip, crescimento dos substratos e camadas de base, epitaxia da heteroestrutura semicondutora, processamento dos dispositivos LED em nível de wafer e, por fim, a separação dos wafers em chips LED e sua montagem em encapsulamentos. Os LEDs UV são, portanto, compostos por muitas centenas de camadas semicondutoras cuja composição e dopagem devem ser ajustadas de acordo com a respectiva funcionalidade.
O comprimento de onda de emissão dos LEDs é determinado pela composição e pela dopagem nas quais a radiação UV é gerada. Em todas as etapas, é importante que a potência elétrica seja convertida de forma eficiente em potência radiante óptica. A eficiência wall-plug (WPE) é um parâmetro particularmente importante para a aplicação. A eficiência geral dos LEDs UV indica a relação entre a potência radiante óptica e a potência elétrica fornecida.
Os LEDs UV que emitem UVA atualmente alcançam uma WPE de cerca de 30–40 %, enquanto os LEDs que emitem na cor azul já alcançam uma WPE muito alta, de cerca de 80 %. Em contrapartida, os LEDs com emissões na faixa inferior de UVB e UVC apresentam WPEs significativamente menores, abaixo de 5 % a 10 %. Por esse motivo, os LEDs UVB e UVC estão sujeitos a otimização contínua e desenvolvimento tecnológico constante. Como resultado, os tipos de LED disponíveis precisam ser substituídos por tipos sucessores após algum tempo.
Comparação de LEDs UV para UVA, UVB & UVC
Em comparação com os LEDs UV mais antigos, os LEDs UVB e UVC mais recentes apresentam eficiência significativamente maior e desempenho aprimorado. Os LEDs UV mais antigos frequentemente sofriam com altas temperaturas de operação e degradação rápida, o que foi significativamente melhorado pelos desenvolvimentos mais recentes. A atual geração de LEDs UVB e UVC utiliza tecnologias de resfriamento avançadas e estruturas semicondutoras e acoplamentos ópticos aprimorados, que não apenas prolongam a vida útil, mas também aumentam a eficiência.
Os LEDs UVB e UVC ainda não alcançam o desempenho e a potência dos LEDs UVA, mas conseguiram recuperar terreno significativamente nos últimos anos.
Os LEDs UVB e UVC, assim como os LEDs UVA, são fabricados a partir de diferentes substratos e por meio de diferentes processos de epitaxia, especificamente adaptados aos comprimentos de onda desejados e aos requisitos de desempenho. A escolha do substrato e do método de epitaxia tem um impacto significativo na eficiência, no desempenho e no custo dos LEDs.
A seguir, é apresentada uma comparação técnica entre LEDs UVA com comprimentos de onda de 365 nm e 385 nm e LEDs de comprimento de onda curto em 265 nm (UVC), bem como 285 nm e 295 nm (UVB). Esta tabela leva em consideração parâmetros gerais como eficiência, potência, vida útil e aplicações típicas.
| Parâmetros | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| Comprimento de onda de pico | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| Potência óptica | 10–1000 mW | 10–1000 mW | 1–30 mW | 1–30 mW | 1–30 mW |
| Eficiência (WPE) | 20–40% | 20–40% | 5–15% | 5–15% | 5–15% |
| Vida útil | Até 10.000 h | Até 10.000 h | Até 5.000 h | Até 5.000 h | Até 5.000 h |
| Temperatura de operação | -20 °C a +60 °C | -20 °C a +60 °C | -10 °C a +50 °C | -10 °C a +50 °C | -10 °C a +50 °C |
| Aplicações típicas | Cura, testes | Cura, testes | Desinfecção, esterilização | Desinfecção, esterilização | Desinfecção, esterilização |
Explicações:
Comprimento de onda de pico: O comprimento de onda no qual o LED tem a maior emissão.
Potência óptica: A potência total da luz emitida pelo LED em miliwatts.
Eficiência: A relação entre a potência óptica emitida e a potência elétrica absorvida.
Vida útil: O tempo de operação esperado do LED até o ponto em que a saída cai para uma determinada porcentagem de seu valor original, geralmente 70% (L70).
Temperatura de operação: A faixa de temperatura na qual o LED pode operar de forma segura e eficaz.
Aplicações típicas: As aplicações mais comuns para os LEDs específicos.
Esses valores na tabela são gerais e podem variar dependendo do fabricante e do modelo específico de LED. Também é importante observar que a eficiência e a saída dos LEDs UVC, especialmente em comprimentos de onda mais curtos, geralmente são menores do que as dos LEDs UVA.
Enquanto os LEDs UVA geralmente têm menor teor de alumínio nas camadas de AlGaN, os LEDs UVB e UVC exigem um teor de alumínio mais alto para atingir comprimentos de onda mais curtos. A deposição epitaxial para LEDs UVB e UVC é tecnicamente mais exigente devido ao maior teor de alumínio e aos defeitos cristalinos associados mais elevados. Isso leva a custos de produção mais altos e rendimentos mais baixos.
Além disso, o comprimento de onda emitido flutua devido ao processo de fabricação. Por esse motivo, os LEDs UV são espectralmente agrupados após a separação, um processo conhecido como binning. É importante observar que o comprimento de onda pode mudar ligeiramente se o LED for substituído por outro de um lote diferente. Já com as lâmpadas clássicas, as transições atômicas e as colisões de partículas determinam a emissão. Portanto, a emissão não muda com as lâmpadas clássicas.
Comparar comprimentos de onda
A tabela acima compara componentes; a calculadora abaixo compara os próprios comprimentos de onda: energia do fóton, frequência e, acima de tudo, fótons por joule. Essa última coluna explica por que a liberação de um processo não pode simplesmente ser transferida de 365 nm para 395 nm — na mesma dose, cerca de oito por cento mais fótons chegam lá.
Aplicações de LEDs UVA
Os LEDs UVA com comprimentos de onda na faixa de 315 a 400 nm são usados em numerosas áreas técnicas, científicas e industriais, desempenhando um papel central em ensaios não destrutivos (END) e em muitas outras aplicações inovadoras.
Ensaios não destrutivos (END): os LEDs UVA são uma ferramenta importante no ensaio por fluorescência, uma subárea dos END. Eles são usados para visualizar defeitos de superfície ou diferenças em materiais por meio da excitação de corantes fluorescentes aplicados às peças a serem testadas. Este método é comumente usado nas indústrias aeroespacial, automotiva e de metalurgia para identificar trincas, sobreposições, poros e outras imperfeições.
Cura UV: uma das aplicações mais comuns dos LEDs UVA é a cura UV de tintas, adesivos e revestimentos. Essa tecnologia é usada na indústria gráfica e na fabricação de eletrônicos (por exemplo, na colagem de telas de smartphones). Os LEDs UVA oferecem a vantagem de uma cura rápida e direcionada, o que reduz os tempos de processo e aumenta a eficiência energética.
Os fotoiniciadores que já são utilizados há algum tempo na cura UV e na impressão UV são especialmente desenvolvidos para reagir aos respectivos comprimentos de onda UVA. A irradiação adicional com luz UVB na faixa de 280 a 300 nm pode melhorar o processo de cura.
Aplicações médicas: na dermatologia, os LEDs UVA são usados para fototerapia, especialmente no tratamento de doenças de pele como psoríase e eczema. A radiação UVA pode ajudar a reduzir a inflamação e aliviar os sintomas dessas doenças.
Crescimento de plantas e horticultura: os LEDs UVA desempenham um papel na tecnologia agrícola, especialmente na iluminação artificial para o crescimento de plantas em estufas. Eles podem ajudar a controlar determinados processos de crescimento e aumentar a resistência das plantas a pragas. A irradiação com UVA faz com que as plantas encurtem em comprimento.
Aplicações forenses: na ciência forense, os LEDs UVA são usados para visualizar vestígios biológicos, como sangue, sêmen ou outros fluidos corporais. Essa técnica também é usada para identificar documentos ou notas de dinheiro falsificados.
Aplicações analíticas: na química e na bioquímica, os LEDs UVA são usados para analisar substâncias por espectroscopia de fluorescência. Esse método permite determinar com precisão a composição e a concentração de compostos químicos.
Aplicações de LEDs UVB
Os LEDs UVB estão sendo cada vez mais usados na medicina para o tratamento de doenças de pele, como psoríase, e para a síntese de vitamina D. Alternativamente, lâmpadas ou lasers de excímero com comprimento de onda de 308 nm são usados há muitos anos na dermatologia. Os LEDs UV estão substituindo lentamente as lâmpadas UV clássicas. As demais aplicações são, portanto:
Produção de vitamina D: a radiação UVB é fundamental para a produção natural de vitamina D na pele ou nos alimentos. O UVB é usado em dispositivos para produzir vitamina D, vitamina D2 ou pré-vitamina D3. Quando a luz UVB com comprimento de onda entre 290 e 315 nm atinge a pele, a estrutura do anel B da molécula de 7-DHC é decomposta. Esse processo é chamado de fotólise.
Diferentemente dos seres humanos, que sintetizam vitamina D por meio da exposição da pele à radiação UVB, as plantas não produzem vitamina D da mesma forma. Quando fungos e algumas espécies de algas são expostos à radiação UV, o ergosterol presente em suas células pode ser convertido em ergocalciferol (vitamina D2) por meio de uma reação fotolítica semelhante à que ocorre na síntese da vitamina D3 na pele humana. A radiação UVB rompe ligações específicas na molécula de ergosterol, o que leva à sua conversão em pré-vitamina D2. Assim como na síntese da vitamina D3 nos seres humanos, a pré-vitamina D2 instável é convertida na vitamina D2 estável por meio de isomerização dependente de calor.
Bronzeamento: na indústria cosmética, LEDs UVB e lâmpadas UV podem ser usados em dispositivos de bronzeamento para obter um bronzeado uniforme e controlado da pele.
Fototerapia: no tratamento médico, o UVB é usado para fototerapia, especialmente para doenças de pele como psoríase e vitiligo. A radiação UVB pode ajudar a normalizar as células da pele hiperativas e aliviar os sintomas dessas doenças.
Cultivo de plantas: os LEDs UVB também têm aplicações no melhoramento de plantas, já que a luz UVB afeta o crescimento, o período de floração e os metabólitos secundários das plantas. A irradiação com luz UVB pode ajudar a aumentar a produção de determinados constituintes das plantas, como vitaminas, aromas e corantes.
Produção de THC em cannabis: uma aplicação específica dos LEDs UVB é a otimização da produção de THC em cannabis. Sabe-se que a radiação UVB aumenta o estresse nas plantas, o que, por sua vez, pode aumentar a produção de compostos secundários das plantas, como o THC. Isso é usado especialmente em ambientes legais de cultivo de cannabis para melhorar a potência e a qualidade das plantas.
Ensaios de materiais: o UVB é usado em ensaios de envelhecimento acelerado de materiais para simular a radiação solar e avaliar a estabilidade de longo prazo de plásticos, tintas e outros materiais.
Aplicações de LEDs UVC
O desenvolvimento progressivo dos LEDs UVC em termos de eficiência, durabilidade e custo os torna uma opção cada vez mais atraente para muitas áreas em que tradicionalmente eram usadas lâmpadas de vapor de mercúrio. Portanto, as aplicações gerais são:
Desinfecção UV: um dos usos mais destacados do UVC é a desinfecção de água, superfícies e ar. A radiação UVC é altamente eficaz na inativação de bactérias, vírus e outros microrganismos, pois danifica seu DNA ou RNA e, assim, impede sua reprodução.
Os LEDs UVC são usados em sistemas compactos de tratamento de água para remover germes patogênicos da água potável no ponto de uso, ou seja, na torneira.
Desinfecção de superfícies: em hospitais, laboratórios e no processamento de alimentos, são usados dispositivos UVC portáteis ou instalados permanentemente que emitem radiação UVC para esterilizar ferramentas, embalagens e superfícies de trabalho. Alternativamente, lâmpadas UVC são integradas a sistemas de ar-condicionado e ventilação para limpar o ar de germes e prevenir a propagação de doenças.
Cuidado de feridas: os LEDs UVC também serão usados no tratamento médico e no cuidado de feridas no futuro, especialmente para tratar feridas de difícil cicatrização e infecções. A aplicação de luz UVC em feridas infectadas pode inibir o crescimento de patógenos bacterianos e promover a cicatrização. É importante dosar a radiação com precisão para não danificar a pele.
Fotopolimerização direta: os LEDs UVC raramente são usados para fotopolimerização: sua radiação é absorvida na camada mais superficial da resina, e a potência disponível é muito inferior à dos LEDs UVA. Para revestimentos, adesivos e resinas de impressão 3D, os LEDs UVA de 365 a 405 nm são o padrão.
Outras aplicações analíticas:
Os LEDs UVC servem como fontes de luz em espectroscopia, onde são usados para analisar amostras químicas e biológicas, como medições de fluorescência ou absorbância no monitoramento ambiental.
Qual comprimento de onda é adequado para adesivos UV?
Os fotoiniciadores absorvem apenas dentro de uma faixa limitada. Um iniciador projetado para 365 nm é dificilmente excitado por uma fonte de 405 nm – mesmo que essa fonte seja mais potente. Os picos dos LEDs UV industriais em 365, 385, 395 e 405 nm são ofertas químicas diferentes, não classes de potência intercambiáveis (UV-int – Seleção do comprimento de onda UV; ScienceDirect – Sistemas fotoiniciadores específicos em 365, 385, 395 e 405 nm). A seleção começa com a ficha técnica do adesivo e termina com uma medição na fonte real. Uma fonte comum de erro: uma designação de tipo indica o comprimento de onda de pico nominal, não a largura espectral a meia altura (FWHM), as tolerâncias de fabricação ou o deslocamento com a temperatura de junção.
365, 385, 395 ou 405 nm – faixas espectrais e aplicações
| Comprimento de onda | Características | Fotoiniciador típico / compatibilidade de materiais | Aplicações típicas |
|---|---|---|---|
| 365 nm | Maior energia fotônica dos quatro picos (3,39 eV); historicamente o pico da linha i das lâmpadas de vapor de mercúrio; tende a penetrar mais profundamente em materiais transparentes | Compatível com fotoiniciadores clássicos formulados para lâmpadas de mercúrio; muitas vezes a primeira escolha para versões de adesivos existentes e não alteradas | Compostos de encapsulamento transparentes e mais espessos; colagem óptica; conversão de processos existentes de lâmpada de mercúrio para LED (UV-int; Incure Lab) |
| 385 nm | Relação equilibrada entre profundidade de penetração e cura superficial (3,22 eV); ampla compatibilidade com muitos iniciadores de cura dupla | Adesivos reformulados para cura por LED, com faixa de ficha técnica de 380–390 nm | Peças com exigências mistas de cura em profundidade e superficial; linhas que operam com vários tipos de peças (Incure Lab) |
| 395 nm | Padrão da indústria com alta eficiência energética e longa vida útil do LED (3,14 eV); muitas formulações modernas de adesivos são reformuladas para 390–400 nm | Ampla compatibilidade de materiais; penetra parcialmente aditivos bloqueadores de UV que começam a transmitir na faixa próxima ao visível | Cura industrial geral, fabricação de eletrônicos, impressão digital, linhas de produção em série de alto rendimento (UV-int) |
| 405 nm | Menor energia fotônica dos quatro picos (3,06 eV); mais próximo da luz visível; cura superficial eficiente, menor profundidade de penetração; carga térmica adicional mínima | Fotoiniciadores de radical livre possíveis com eficiência reduzida; faixa de formulação geralmente de 400–410 nm | Cura superficial, peças sensíveis ao calor, impressão 3D e resinas odontológicas, adesivos médicos (Incure Lab) |
Observação: a tabela descreve tendências gerais da literatura técnica. O comprimento de onda adequado para um caso específico depende do fotoiniciador realmente utilizado e da transmissão da peça a ser unida, devendo ser medido no conjunto real – e não deduzido a partir da designação nominal do LED.
Como planejar e liberar um processo de colagem ou encapsulamento a partir disso é mostrado em projeto de processos de colagem e encapsulamento UV; qual classe de material é adequada para a aplicação é abordado em seleção de adesivos, revestimentos e compostos de encapsulamento de cura UV.
Substratos & epitaxia para LEDs UV:
- LEDs UVA (315 nm a 400 nm):
A safira (óxido de alumínio) é frequentemente usada como substrato por ser barata e facilmente disponível. Outros substratos, como carbeto de silício (SiC) ou silício (Si), também são utilizados para aproveitar a condutividade térmica e a compatibilidade com as tecnologias de fabricação de semicondutores existentes. A camada epitaxial é depositada por deposição química de vapor metal-orgânico (MOCVD) e normalmente consiste em nitreto de gálio e alumínio (AlGaN), sendo o teor de alumínio ajustado de acordo com a emissão desejada.
- LEDs UVB (280 nm a 315 nm) e LEDs UVC (100 nm a 280 nm)
Os mesmos substratos usados para LEDs UVA são frequentemente utilizados também para LEDs UVB e UVC, mas os requisitos de qualidade e pureza do material são mais elevados, especialmente para os comprimentos de onda mais curtos na faixa UVC. Alternativamente, também são usados substratos nativos, como nitreto de alumínio (AlN), que permitem uma melhor correspondência de rede cristalina e, portanto, densidades de defeitos mais baixas. O AlGaN também é usado aqui como camada epitaxial, porém com um teor de alumínio mais elevado, a fim de alcançar os comprimentos de onda mais curtos. A camada epitaxial também é formada por MOCVD, com atenção especial ao controle de defeitos e à homogeneidade da camada.
Entrada de calor: LED UV em comparação com a lâmpada de descarga
Além da radiação UV utilizável, as lâmpadas UV emitem um grande componente infravermelho, pois o plasma e o envoltório quente da lâmpada irradiam grande parte de sua perda como calor. Com os LEDs UV, a perda é conduzida para o dissipador de calor ou para o resfriamento a água, não alcançando a peça como radiação. A entrada de calor radiativo é, portanto, consideravelmente menor.
Menor, no entanto, não significa desprezível: módulos de alta potência atingem níveis de irradiância de vários W/cm² na superfície do material irradiado – uma densidade de potência da ordem de um cooktop. Mesmo sem um componente infravermelho, a peça aquece de forma perceptível. Para substratos sensíveis à temperatura, o perfil temporal da irradiação deve, portanto, ser considerado junto com a dose, e a temperatura do componente faz parte da avaliação do processo.
Um segundo ponto diz respeito à extremidade de comprimento de onda longo da faixa: LEDs que emitem acima de 400 nm são, estritamente falando, LEDs azuis. Aqui, o risco fotoquímico à retina ("blue light hazard") deve ser avaliado. Os fundamentos são descritos na página segurança do trabalho e segurança fotobiológica; para trabalhos de laboratório e colagem manual, câmaras de irradiação com LED UV fechadas são a solução mais segura.
A irradiância que efetivamente chega à peça pode ser monitorada durante o processo com medidores UV e radiômetros; a calibração para comprimentos de onda individuais de LED é realizada pelo laboratório de calibração acreditado.
Quais medidores registram o espectro, a irradiância e o fluxo radiante de LEDs UV de 365 a 405 nm é mostrado na página Tecnologia de medição para LEDs UV.
Perguntas frequentes sobre a medição de LEDs UV
Como medir corretamente LEDs UV pulsados?
A distinção decisiva é entre o valor de pico do pulso e o valor médio temporal. Um instrumento com tempo de integração longo, como um espectrômetro, mostra a média, ou seja, o valor de pico multiplicado pelo ciclo de trabalho – correto para a dose, incorreto para avaliar a irradiância de pico. Para o valor de pico, é necessário um instrumento cuja largura de banda esteja bem acima da frequência do pulso, ou uma medição acionada pelo pulso.
Qual eficiência os LEDs UV alcançam?
A eficiência global, conhecida como eficiência wall-plug, relaciona a potência radiante óptica com a potência elétrica consumida. LEDs UVA alcançam cerca de 30 % a 40 %, enquanto LEDs de emissão azul já alcançam cerca de 80 %. LEDs na faixa profunda de UVB e UVC são consideravelmente mais baixos, abaixo de 5 % a 10 %. O motivo está na fabricação: comprimentos de onda mais curtos exigem teores de alumínio mais altos nas camadas de AlGaN, o que dificulta a epitaxia, gera mais defeitos cristalinos e reduz o rendimento. Por isso, LEDs UVB e UVC estão em desenvolvimento contínuo, e os tipos disponíveis são substituídos por tipos sucessores após um certo tempo.
O que significa binning para LEDs UV?
O comprimento de onda emitido varia por razões de fabricação. Após a separação dos wafers, os chips de LED são, portanto, agrupados espectralmente – essa classificação é chamada de binning. A consequência prática: se um LED for substituído por um dispositivo de outro lote, o comprimento de onda de emissão pode variar ligeiramente, e um sensor com ponderação de banda estreita então indicará valores diferentes. Isso não ocorre com lâmpadas clássicas, pois nelas a emissão é determinada por transições atômicas e colisões de partículas e não varia quando a lâmpada é substituída.
Quanto tempo os LEDs UV duram?
LEDs UVA alcançam até 10.000 h de operação, LEDs UVB e UVC até 5.000 h. A vida útil geralmente é indicada como L70, ou seja, o tempo de operação após o qual a potência radiante caiu para 70 % do valor inicial. A temperatura de operação permitida também difere: de −20 °C a +60 °C para LEDs UVA, de −10 °C a +50 °C para LEDs UVB e UVC. Como a saída diminui continuamente ao longo da vida útil, a regulação de processo controlada por dose é preferível a um tempo de exposição fixo.
Dispositivos de medição UV para a avaliação de normas e diretrizes
Radiômetro RMD Pro
Radiômetro portátil totalmente digital para irradiância e dose, com duas entradas de sensor e 8 GB de memória.
UV-LED série L
Lâmpadas UV-LED refrigeradas a ar da série L com alta irradiância, modulares em comprimento.
Autor: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia é diretor-geral da Opsytec Dr. Gröbel GmbH em Ettlingen e chefia o laboratório de calibração acreditado. Após suas pesquisas sobre descargas de excímero de xenônio pulsado no Instituto de Tecnologia de Iluminação do KIT, seu foco atual está na tecnologia de medição de radiação óptica. Ele é vice-presidente do Comitê de Normas DIN FNL 7 "Radiação Óptica" e membro do Grupo de Projeto DVGW sobre Desinfecção UV.
