UVA, UVB ve UVC LED'ler: teknoloji ve ölçüm

Ultraviyole ışık yayan diyotların üretimi

Elektromanyetik radyasyon genellikle III-V yarı iletkenlerde, yani periyodik tablonun üçüncü ve beşinci ana gruplarından elementlerden oluşan yarı iletkenlerde üretilir; bu sırada UV LED'lerin emisyon tepe noktasının dalga boyu esas olarak malzemenin katı çözelti bileşimi tarafından belirlenir.

Alüminyum nitrür (AlN), galyum nitrür (GaN) ve indiyum nitrür (InN) yarı iletkenlerinin alaşımlandırılmasıyla, UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm - 280 nm) ve UVC (280 nm - 200 nm) aralığında emisyon dalga boyları elde edilebilir.

UV LED'lerin üretimi bir dizi adım içerir: 
LED heterostrüktürü ve çip düzeninin tasarımı, alt tabakaların ve taban katmanlarının büyütülmesi, yarı iletken heterostrüktürünün epitaksisi, LED cihazlarının wafer seviyesinde işlenmesi ve son olarak wafer'ların LED çiplerine ayrılması ve bunların paketler içinde montajı. Bu nedenle UV LED'ler, bileşimi ve katkılanması ilgili işlevselliğe göre ayarlanması gereken yüzlerce yarı iletken katmandan oluşur.

LED'lerin emisyon dalga boyu, UV radyasyonunun üretildiği bileşim ve katkılama ile belirlenir. Tüm adımlarda elektrik gücünün verimli bir şekilde optik ışınım gücüne dönüştürülmesi önemlidir. Duvar prizi verimliliği (WPE), uygulama için özellikle önemli bir parametredir. UV LED'lerin genel verimliliği, sağlanan elektrik gücüne karşı optik ışınım gücünün oranını gösterir.

UVA yayan UV LED'ler artık yaklaşık %30–40 WPE'ye ulaşmaktadır, mavi yayan LED'ler ise şimdiden yaklaşık %80'lik çok yüksek bir WPE'ye ulaşmaktadır. Buna karşılık, düşük UVB ve UVC aralığında emisyon yapan LED'ler, %5'in altından %10'a kadar önemli ölçüde daha düşük WPE değerlerine sahiptir. Bu nedenle UVB ve UVC LED'ler sürekli optimizasyon ve teknolojik gelişime tabidir. Bunun bir sonucu olarak, mevcut LED tipleri bir süre sonra yerlerini bir sonraki türlere bırakmak zorunda kalmaktadır.

UVA, UVB & UVC için UV LED'lerin karşılaştırılması

Daha eski UV LED'lerle karşılaştırıldığında, en yeni UVB ve UVC LED'ler önemli ölçüde daha yüksek verimlilik ve iyileştirilmiş performans göstermektedir. Eski UV LED'ler genellikle yüksek çalışma sıcaklıklarından ve hızlı bozulmadan mustaripti; bu durum en son gelişmelerle önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Mevcut UVB ve UVC LED nesli, sadece ömrü uzatmakla kalmayıp verimliliği de artıran ileri soğutma teknolojilerinden ve iyileştirilmiş yarı iletken yapılardan ve optik bağlantılardan yararlanmaktadır.

UVB ve UVC LED'ler henüz UVA LED'lerin performans ve çıkış gücüne ulaşmamıştır, ancak son yıllarda önemli ölçüde bu farkı kapatabilmişlerdir.

UVB ve UVC LED'ler ile UVA LED'ler, istenen dalga boylarına ve performans gereksinimlerine özel olarak uyarlanmış farklı alt tabakalardan ve farklı epitaksi süreçleriyle üretilmektedir. Alt tabaka ve epitaksi yönteminin seçimi, LED'lerin verimliliği, performansı ve maliyeti üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

365 nm ve 385 nm dalga boylarına sahip UVA LED'ler ile 265 nm'de (UVC) ve 285 nm ile 295 nm'de (UVB) kısa dalga boylu LED'ler arasındaki teknik bir karşılaştırma aşağıda gösterilmektedir. Bu tablo, verimlilik, çıkış gücü, kullanım ömrü ve tipik uygulamalar gibi genel parametreleri dikkate almaktadır.

Açıklamalar:

Tepe dalga boyu: LED'in en yüksek emisyona sahip olduğu dalga boyu.

Optik güç: LED tarafından yayılan ışığın miliwatt cinsinden toplam gücü.

Verim: Yayılan optik gücün emilen elektrik gücüne oranı.

Ömür: LED'in çıkış gücünün orijinal değerinin belirli bir yüzdesine, genellikle %70'e (L70) düştüğü noktaya kadar beklenen çalışma süresi.

Çalışma sıcaklığı: LED'in güvenli ve etkili şekilde çalışabildiği sıcaklık aralığı.

Tipik uygulamalar: Belirli LED'ler için en yaygın uygulamalar.

Tablodaki bu değerler genel niteliktedir ve üreticiye ve belirli LED modeline bağlı olarak değişebilir. UVC LED'lerin, özellikle daha kısa dalga boylarında, verim ve çıkış gücünün genellikle UVA LED'lerden daha düşük olduğunu belirtmek de önemlidir.

UVA LED'ler AlGaN katmanlarında genellikle daha düşük alüminyum içeriğine sahipken, UVB ve UVC LED'ler daha kısa dalga boylarına ulaşmak için daha yüksek alüminyum içeriği gerektirir. UVB ve UVC LED'ler için epitaksiyel biriktirme, daha yüksek alüminyum içeriği ve buna bağlı daha yüksek kristal kusurları nedeniyle teknik olarak daha zorludur. Bu durum daha yüksek üretim maliyetlerine ve daha düşük verimlere yol açar.

Ayrıca, üretim süreci nedeniyle yayılan dalga boyu dalgalanma gösterir. Bu nedenle UV LED'ler ayrıştırıldıktan sonra spektral olarak gruplandırılır; bu işlem binning olarak bilinir. LED farklı bir partiden değiştirildiğinde dalga boyunun hafifçe değişebileceğini belirtmek önemlidir. Klasik lambalarda ise emisyonu atomik geçişler ve parçacık çarpışmaları belirler. Bu nedenle klasik lambalarda emisyon değişmez.

Yukarıdaki tablo bileşenleri karşılaştırmaktadır; aşağıdaki hesap makinesi ise dalga boylarının kendisini karşılaştırmaktadır: foton enerjisi, frekans ve her şeyden önce joule başına foton sayısı. Bu son sütun, bir prosesin serbest bırakma değerinin neden 365 nm'den 395 nm'ye basitçe taşınamayacağını açıklamaktadır — aynı dozda, orada yaklaşık %8 daha fazla foton ulaşmaktadır.

UVA LED'lerin Uygulamaları

315 ila 400 nm aralığında dalga boylarına sahip UVA LED'ler, sayısız teknik, bilimsel ve endüstriyel alanda kullanılmakta olup tahribatsız muayenede (NDT) ve birçok yenilikçi uygulamada merkezi bir rol oynamaktadır.

Tahribatsız muayene (NDT): UVA LED'ler, NDT'nin bir alt alanı olan floresan testinde önemli bir araçtır. Test edilecek parçalara uygulanan floresan boyaları uyararak yüzey kusurlarını veya malzeme farklılıklarını görselleştirmek için kullanılırlar. Bu yöntem, çatlakları, üst üste binmeleri, gözenekleri ve diğer kusurları tespit etmek için havacılık, otomotiv ve metal işleme sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

UV kürleme: UVA LED'lerin en yaygın uygulamalarından biri, boya, yapıştırıcı ve kaplamaların UV kürlemesidir. Bu teknoloji baskı endüstrisinde, elektronik üretiminde (örneğin akıllı telefon ekranlarının yapıştırılmasında) kullanılmaktadır. UVA LED'ler, süreç sürelerini kısaltan ve enerji verimliliğini artıran hızlı ve hedefe yönelik kürleme avantajı sunar.

UV kürleme ve UV baskıda bir süredir kullanılmakta olan fotobaşlatıcılar, ilgili UVA dalga boylarına tepki verecek şekilde özel olarak tasarlanmıştır. 280 ila 300 nm aralığındaki UVB ışığıyla ek ışınlama, kürleme sürecini iyileştirebilir.

Tıbbi uygulamalar: Dermatolojide UVA LED'ler, özellikle sedef hastalığı ve egzama gibi cilt rahatsızlıklarının tedavisinde fototerapi için kullanılmaktadır. UVA ışınlaması, iltihabın azaltılmasına ve bu hastalıkların semptomlarının hafifletilmesine yardımcı olabilir.

Bitki büyümesi ve bahçecilik: UVA LED'ler, özellikle seralarda bitki büyümesi için yapay aydınlatmada tarım teknolojisinde rol oynamaktadır. Belirli büyüme süreçlerinin kontrol edilmesine ve bitkilerin zararlılara karşı direncinin artırılmasına yardımcı olabilirler. UVA ile ışınlama, bitkilerin boyca kısalmasına neden olur.

Adli tıp uygulamaları: Adli bilimlerde UVA LED'ler, kan, sperm veya diğer vücut sıvıları gibi biyolojik izleri görselleştirmek için kullanılmaktadır. Bu teknik, sahte belgelerin veya banknotların tespit edilmesinde de kullanılmaktadır.

Analitik uygulamalar: Kimya ve biyokimyada UVA LED'ler, floresan spektroskopisi ile maddelerin analiz edilmesinde kullanılmaktadır. Bu yöntem, kimyasal bileşiklerin bileşimini ve konsantrasyonunu hassas şekilde belirlemeyi mümkün kılar.

UVB LED'lerin Uygulamaları

UVB LED'ler, sedef hastalığı gibi cilt hastalıklarının tedavisinde ve D vitamini sentezinde tıpta giderek daha fazla kullanılmaktadır. Alternatif olarak, dermatolojide 308 nm dalga boyuna sahip eksimer lambalar veya lazerler uzun yıllardır kullanılmaktadır. UV LED'ler, klasik UV lambalarının yerini yavaş yavaş almaktadır. Diğer uygulamalar ise şunlardır:

D vitamini üretimi: UVB ışınlaması, ciltte veya gıdalarda D vitamininin doğal üretimi için kritik öneme sahiptir. UVB, D vitamini, D2 vitamini veya previtamin D3 üretmek için cihazlarda kullanılır. 290 ila 315 nm arasında dalga boyuna sahip UVB ışığı cilde ulaştığında, 7-DHC molekülünün B halka yapısı parçalanır. Bu sürece fotoliz denir.

D vitaminini cildi UVB ışınlamasına maruz bırakarak sentezleyen insanların aksine, bitkiler D vitaminini aynı şekilde üretmez. Mantarlar ve bazı alg türleri UV ışınlamasına maruz kaldığında, hücrelerinde bulunan ergosterol, insan cildinde D3 vitamini sentezlenirken meydana gelene benzer bir fotolitik reaksiyonla ergokalsiferole (D2 vitamini) dönüştürülebilir. UVB ışınlaması, ergosterol molekülündeki belirli bağları kırarak previtamin D2'ye dönüşümüne yol açar. İnsanlarda D3 vitamini sentezine benzer şekilde, kararsız previtamin D2, ısıya bağlı izomerizasyon yoluyla kararlı D2 vitaminine dönüştürülür.

Bronzlaştırma: Kozmetik endüstrisinde, düzgün ve kontrollü bir cilt bronzlaşması elde etmek için bronzlaştırma cihazlarında UVB LED'ler ve UV lambaları kullanılabilir.

Fototerapi: Tıbbi tedavide UVB, özellikle sedef hastalığı ve vitiligo gibi cilt rahatsızlıkları için fototerapide kullanılmaktadır. UVB ışınlaması, aşırı aktif cilt hücrelerinin normalleşmesine yardımcı olabilir ve bu hastalıkların semptomlarını hafifletebilir.

Bitki yetiştiriciliği: UVB ışığı bitkilerin büyümesini, çiçeklenme zamanını ve ikincil metabolitlerini etkilediğinden, UVB LED'lerin bitki yetiştiriciliğinde de uygulamaları bulunmaktadır. UVB ışığıyla ışınlama, vitaminler, aromalar ve renklendiriciler gibi belirli bitki bileşenlerinin üretiminin artırılmasına yardımcı olabilir.

Kenevirde THC üretimi: UVB LED'lerin özel bir uygulaması, kenevirde THC üretiminin optimize edilmesidir. UVB ışınlamasının bitkilerde stresi artırdığı bilinmektedir; bu da THC gibi ikincil bitki bileşiklerinin üretimini artırabilir. Bu durum özellikle yasal kenevir yetiştiriciliği ortamlarında bitkilerin potansini ve kalitesini iyileştirmek için kullanılmaktadır.

Malzeme testi: UVB, güneş ışınlamasını simüle etmek ve plastiklerin, boyaların ve diğer malzemelerin uzun vadeli kararlılığını değerlendirmek amacıyla hızlandırılmış yaşlandırma testlerinde kullanılmaktadır.

UVC LED'lerin Uygulamaları

UVC LED'lerin verimlilik, dayanıklılık ve maliyet açısından ilerleyen gelişimi, geleneksel olarak cıva buharlı lambaların kullanıldığı birçok alanda onları giderek daha cazip bir seçenek haline getirmektedir. Bu nedenle genel uygulamalar şunlardır:

UV dezenfeksiyonu: UVC'nin en öne çıkan kullanım alanlarından biri, su, yüzey ve hava dezenfeksiyonudur. UVC ışınlaması, bakteri, virüs ve diğer mikroorganizmaların DNA'sına veya RNA'sına zarar vererek çoğalmalarını önlediğinden inaktivasyonda son derece etkilidir.

UVC LED'ler, kullanım noktasında, yani muslukta içme suyundan patojen mikropları uzaklaştırmak için kompakt su arıtma sistemlerinde kullanılmaktadır.

Yüzey dezenfeksiyonu: Hastanelerde, laboratuvarlarda ve gıda işlemede, alet, ambalaj ve çalışma yüzeylerini sterilize etmek için UVC ışınlaması yayan taşınabilir veya sabit kurulu UVC cihazları kullanılmaktadır. Alternatif olarak, havayı mikroplardan arındırmak ve hastalık yayılımını önlemek için UVC lambaları klima ve havalandırma sistemlerine entegre edilmektedir.

Yara bakımı: UVC LED'ler gelecekte özellikle iyileşmesi zor yaraların ve enfeksiyonların tedavisinde tıbbi tedavi ve yara bakımında da kullanılacaktır. Enfekte yaralara UVC ışığı uygulanması, bakteriyel patojenlerin büyümesini engelleyebilir ve iyileşmeyi destekleyebilir. Cildi zarar görmesini engellemek için ışınlamanın hassas şekilde dozlanması önemlidir.

Doğrudan fotopolimerizasyon: UVC LED'ler fotopolimerizasyon için nadiren kullanılır: ışınlamaları en üst reçine katmanında absorbe edilir ve mevcut güç, UVA LED'lerinkinin çok altındadır. Kaplamalar, yapıştırıcılar ve 3D baskı reçineleri için 365 ila 405 nm arasındaki UVA LED'ler standarttır.

Diğer analitik uygulamalar:

UVC LED'ler, çevresel izlemede floresan veya absorbans ölçümü gibi kimyasal ve biyolojik numunelerin analiz edilmesinde kullanıldıkları spektroskopide ışık kaynağı olarak görev yapmaktadır.

UV yapıştırıcılar için hangi dalga boyu uygundur?

Fotobaşlatıcılar yalnızca sınırlı bir bant içinde absorbe eder. 365 nm için tasarlanmış bir başlatıcı, 405 nm'lik bir kaynak tarafından zar zor uyarılır - bu kaynak daha güçlü olsa bile. Endüstriyel UV LED'lerin 365, 385, 395 ve 405 nm'deki tepe noktaları birbirinin yerine geçebilecek güç sınıfları değil, farklı kimyasal seçeneklerdir (UV-int – UV dalga boyu seçimi; ScienceDirect – 365, 385, 395 ve 405 nm'de özel fotobaşlatma sistemleri). Seçim, yapıştırıcının veri sayfasıyla başlar ve gerçek kaynakta yapılan bir ölçümle sona erer. Yaygın bir hata kaynağı: bir tip tanımı, spektral yarı yükseklikte tam genişliği (FWHM), üretim toleranslarını veya bağlantı sıcaklığıyla oluşan kaymayı değil, nominal tepe dalga boyunu belirtir.

365, 385, 395 veya 405 nm - spektral aralıklar ve uygulamalar

Not: Tablo, teknik literatürden elde edilen genel eğilimleri açıklamaktadır. Hangi dalga boyunun belirli bir duruma uygun olduğu, fiilen kullanılan fotobaşlatıcıya ve birleştirilen parçanın geçirgenliğine bağlıdır ve nominal LED tanımından çıkarım yapmak yerine gerçek montajda ölçülmelidir.

Buradan bir yapıştırma veya potlama sürecinin nasıl tasarlanıp devreye alınacağı UV yapıştırma ve potlama süreçlerinin tasarlanması altında gösterilmektedir; hangi malzeme sınıfının uygulamaya uygun olduğu ise UV ile kürlenen yapıştırıcılar, kaplamalar ve potlama bileşiklerinin seçimi altında ele alınmaktadır.

UV LED'ler için alt tabakalar & epitaksi:

• UVA LED'ler (315 nm ila 400 nm):

Safir (alüminyum oksit), ucuz ve kolay temin edilebilir olduğundan sıklıkla alt tabaka olarak kullanılır. Termal iletkenlik ve mevcut yarı iletken üretim teknolojileriyle uyumluluk avantajlarından yararlanmak için silisyum karbür (SiC) veya silisyum (Si) gibi diğer alt tabakalar da kullanılmaktadır. Epitaksiyel katman, Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) yöntemiyle biriktirilir ve tipik olarak, istenen emisyona bağlı olarak alüminyum içeriği ayarlanan alüminyum galyum nitrürden (AlGaN) oluşur.

• UVB LED'ler (280 nm ila 315 nm) ve UVC LED'ler (100 nm ila 280 nm)

UVB ve UVC LED'ler için de genellikle UVA LED'lerdekiyle aynı alt tabakalar kullanılır, ancak özellikle UVC aralığındaki daha kısa dalga boyları için malzeme kalitesi ve saflığına ilişkin gereksinimler daha yüksektir. Alternatif olarak, daha iyi kafes uyumu sağlayan ve dolayısıyla daha düşük kusur yoğunlukları elde edilmesini mümkün kılan alüminyum nitrür (AlN) gibi doğal alt tabakalar da kullanılmaktadır. AlGaN, burada da epitaksiyel katman olarak kullanılır, ancak daha kısa dalga boylarına ulaşmak için daha yüksek alüminyum içeriğiyle. Epitaksiyel katman da MOCVD kullanılarak oluşturulur; bu sırada kusurların kontrolüne ve katmanın homojenliğine özellikle dikkat edilir.

UV lambaları, kullanılabilir UV ışınımının yanı sıra büyük bir kızılötesi bileşen de yayar, çünkü plazma ve sıcak lamba haznesi kayıplarının büyük bir kısmını ısı olarak yayar. UV LED'lerde ise kayıp bunun yerine soğutucuya veya su soğutmasına iletilir ve parçaya ışınım olarak ulaşmaz. Bu nedenle ışınımsal ısı girişi önemli ölçüde daha düşüktür.

Ancak daha düşük olması, ihmal edilebilir anlamına gelmez: yüksek güçlü modüller, ışınlanan malzemenin yüzeyinde birkaç W/cm² düzeyinde irradyans seviyelerine ulaşır – bu, bir ocak yüzeyi büyüklüğünde bir güç yoğunluğudur. Kızılötesi bileşen olmasa bile parça belirgin şekilde ısınır. Bu nedenle sıcaklığa hassas alt tabakalarda dozun yanı sıra ışınlamanın zaman profili de dikkate alınmalı ve bileşen sıcaklığı süreç değerlendirmesinin bir parçası olmalıdır.

İkinci bir husus, aralığın uzun dalga boylu ucuyla ilgilidir: 400 nm'nin üzerinde ışıma yapan LED'ler, sıkı anlamda mavi LED'lerdir. Burada fotokimyasal retina tehlikesi ("mavi ışık tehlikesi") değerlendirilmelidir. Temel bilgiler iş güvenliği ve fotobiyolojik güvenlik sayfasında açıklanmıştır; laboratuvar çalışmaları ve manuel yapıştırma işlemleri için kapalı UV LED ışınlama kabinleri daha güvenli bir çözümdür.

Parçaya fiilen ulaşan irradyans, süreç sırasında UV ölçüm cihazları ve radyometreler ile izlenebilir; münferit LED dalga boyları için kalibrasyon, akredite kalibrasyon laboratuvarı tarafından gerçekleştirilir.

365 ila 405 nm'deki UV LED'lerin spektrumunu, ışınım yoğunluğunu ve ışınım akısını hangi ölçüm cihazlarının kaydettiğini UV LED'ler için ölçüm tekniği sayfası göstermektedir.

Darbeli UV LED'ler doğru şekilde nasıl ölçülür?
Belirleyici ayrım, darbe tepe değeri ile zaman ortalaması arasındadır. Spektrometre gibi uzun entegrasyon süresine sahip bir cihaz, ortalamayı gösterir; yani tepe değeri çarpı görev döngüsü – doz için doğru, tepe irradyansın değerlendirilmesi için yanlıştır. Tepe değer için, bant genişliği darbe frekansının çok üzerinde olan bir cihaza veya darbeyle tetiklenen bir ölçüme gerek vardır.

UV LED'ler ne kadar verim sağlar?
Duvar prizi verimliliği (wall-plug efficiency) olarak bilinen toplam verim, optik ışınım gücünü çekilen elektrik gücüyle ilişkilendirir. UVA LED'ler yaklaşık %30 ila %40'a, mavi ışık yayan LED'ler ise zaten %80 civarına ulaşır. Derin UVB ve UVC aralığındaki LED'ler ise %5 ila %10'un altında, önemli ölçüde daha düşüktür. Bunun nedeni üretimde yatmaktadır: daha kısa dalga boyları, AlGaN katmanlarında daha yüksek alüminyum içeriği gerektirir; bu da epitaksiyi zorlaştırır, daha fazla kristal kusuru oluşturur ve verimi düşürür. Bu nedenle UVB ve UVC LED'ler sürekli geliştirilmektedir ve mevcut tipler bir süre sonra yeni tiplerle değiştirilmektedir.

UV LED'ler için binning (sınıflandırma) ne anlama gelir?
Yayılan dalga boyu üretim nedenleriyle değişkenlik gösterir. Wafer'lar ayrıldıktan sonra LED çipleri bu nedenle spektral olarak gruplandırılır – bu sıralama işlemi binning olarak adlandırılır. Pratik sonuç şudur: bir LED farklı bir partiden gelen bir cihazla değiştirilirse, emisyon dalga boyu hafifçe kayabilir ve dar bant ağırlıklandırmalı bir sensör bu durumda farklı değerler gösterir. Bu durum klasik lambalarda görülmez, çünkü orada emisyon atomik geçişler ve parçacık çarpışmaları tarafından belirlenir ve lamba değiştirildiğinde kaymaz.

UV LED'ler ne kadar dayanır?
UVA LED'ler 10.000 çalışma saatine, UVB ve UVC LED'ler ise 5.000 çalışma saatine kadar ulaşır. Ömür genellikle L70 olarak belirtilir; bu, ışınım gücünün başlangıç değerinin %70'ine düştüğü çalışma süresidir. İzin verilen çalışma sıcaklığı da farklılık gösterir: UVA LED'ler için −20 °C ila +60 °C, UVB ve UVC LED'ler için −10 °C ila +50 °C. Çıkış gücü ömür boyunca sürekli azaldığından, sabit bir ışınlama süresi yerine doz kontrollü proses düzenlemesi tercih edilmelidir.