UVA、UVB 和 UVC LED：技术与测量
UVA、UVB 和 UVC LED 之间的差异不仅在于峰值波长。材料体系、效率、热负载、光谱带宽、老化特性和可用光功率在整个紫外波段范围内均有显著变化。因此，要实现可靠的应用，必须在规定的电流和温度条件下评估LED数据，并在使用点辅以适当的辐射度测量。
紫外LED利用铝、镓和铟的氮化物半导体产生紫外辐射。其组分决定了发射波长位于UVA（315～400 nm）、UVB（280～315 nm）和UVC（200～280 nm）范围内；常见的波长包括UVA中的365 nm和385 nm、UVB中的285 nm和295 nm，以及UVC中的265 nm。各LED型号的实测光谱可从紫外灯和紫外LED光谱数据库下载。
欧盟RoHS指令对含汞灯具作出了限制；有关现行规定的详细信息，请参见RoHS与紫外灯。Opsytec因此提供哪些仪器，请参见紫外LED光源。
紫外发光二极管的生产
电磁辐射通常在III-V族半导体中产生，即由元素周期表第三主族和第五主族元素构成的半导体，其中紫外LED发射峰的波长主要由材料的固溶体组成决定。
通过将半导体氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）和氮化铟（InN）进行合金化，可以实现UVA（400 nm～315 nm）、UVB（315 nm～280 nm）和UVC（280 nm～200 nm）范围内的发射波长。
紫外LED的生产涉及多个步骤：
LED异质结构和芯片布局的设计、衬底和基础层的生长、半导体异质结构的外延生长、晶圆级LED器件的加工，最后是将晶圆切割成LED芯片并进行封装组装。因此，紫外LED由数百个半导体层组成，其成分和掺杂必须根据各自的功能进行调整。
LED的发射波长由产生紫外辐射的层的成分和掺杂决定。在所有步骤中，重要的是将电功率高效地转换为光辐射功率。壁插效率（WPE）是应用中特别重要的参数。紫外LED的整体效率表示光辐射功率与所供应电功率之比。
发射UVA的紫外LED目前已实现约30～40%的WPE，而发射蓝光的LED已经实现了约80%的极高WPE。相比之下，发射低波段UVB和UVC的LED的WPE明显较低，不足5%至10%。因此，UVB和UVC LED正在持续进行优化和技术开发。因此，现有的LED型号在一段时间后必须被后续型号所取代。
UVA、UVB与UVC紫外LED的比较
与旧款紫外LED相比，最新的UVB和UVC LED显示出明显更高的效率和更好的性能。旧款紫外LED常常存在工作温度过高和快速衰减的问题，而最新的技术发展已显著改善了这一点。当前一代的UVB和UVC LED采用了先进的散热技术以及改进的半导体结构和光学耦合，不仅延长了使用寿命，还提高了效率。
UVB和UVC LED尚未达到UVA LED的性能和输出功率，但近年来已明显缩小了差距。
UVB和UVC LED以及UVA LED由不同的衬底材料制成，并采用专门针对所需波长和性能要求而定制的不同外延工艺。衬底和外延方法的选择对LED的效率、性能和成本有重大影响。
下文对波长为365 nm和385 nm的UVA LED与波长为265 nm（UVC）以及285 nm和295 nm（UVB）的短波LED进行了技术比较。该表格考虑了效率、输出功率、使用寿命和典型应用等通用参数。
| 参数 | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| 峰值波长 | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| 光功率 | 10～1000 mW | 10～1000 mW | 1～30 mW | 1～30 mW | 1～30 mW |
| 效率（WPE） | 20～40% | 20～40% | 5～15% | 5～15% | 5～15% |
| 寿命 | 最长10,000 h | 最长10,000 h | 最长5,000 h | 最长5,000 h | 最长5,000 h |
| 工作温度 | -20 °C～+60 °C | -20 °C～+60 °C | -10 °C～+50 °C | -10 °C～+50 °C | -10 °C～+50 °C |
| 典型应用 | 固化、检测 | 固化、检测 | 消毒、灭菌 | 消毒、灭菌 | 消毒、灭菌 |
说明：
峰值波长：LED发射强度最高时所对应的波长。
光功率：LED发出光的总功率，单位为毫瓦。
效率：发出的光功率与吸收的电功率之比。
寿命：LED的预期工作时间，直至输出功率下降到初始值的某一百分比，通常为70%（L70）。
工作温度：LED能够安全有效运行的温度范围。
典型应用：特定LED最常见的应用领域。
表中数值为一般性数据，可能因制造商和具体LED型号而有所不同。另外需要注意的是，UVC LED的效率和输出，尤其是在较短波长下，通常低于UVA LED。
UVA LED的AlGaN层中铝含量通常较低，而UVB和UVC LED则需要更高的铝含量才能实现更短的波长。由于铝含量较高及相应产生的晶体缺陷增多，UVB和UVC LED的外延生长在技术上难度更大。这导致生产成本更高、良品率更低。
此外，由于制造工艺的原因，发射波长会存在波动。因此，紫外LED在分选后会按光谱进行分组，这一过程称为分档（binning）。需要注意的是，如果更换为不同批次的LED，波长可能会略有变化。而对于传统灯管而言，原子跃迁和粒子碰撞决定了其发射特性，因此传统灯管的发射不会发生变化。
UVA LED的应用
波长在315至400 nm范围内的UVA LED应用于众多技术、科学和工业领域，在无损检测（NDT）及许多其他创新应用中发挥着核心作用。
无损检测（NDT）：UVA LED是荧光检测（NDT的一个分支领域）中的重要工具。它们通过激发涂覆在待测部件上的荧光染料，用于显示表面缺陷或材料差异。这种方法常用于航空航天、汽车和金属加工行业，以识别裂纹、重叠、气孔和其他缺陷。
紫外固化：UVA LED最常见的应用之一是油漆、粘合剂和涂层的紫外固化。该技术应用于印刷行业、电子产品制造（例如智能手机屏幕粘接）。UVA LED具有快速、定向固化的优势，可缩短工艺时间并提高能效。
长期以来用于紫外固化和紫外印刷的光引发剂经过专门设计，以对相应的UVA波长做出反应。使用280至300 nm范围内的UVB光进行额外辐照可改善固化过程。
医疗应用：在皮肤科，UVA LED用于光疗，尤其是治疗银屑病和湿疹等皮肤病。UVA辐射有助于减轻炎症并缓解这些疾病的症状。
植物生长与园艺：UVA LED在农业技术中发挥作用，特别是在温室植物生长的人工照明中。它们有助于控制某些生长过程，并提高植物对害虫的抗性。UVA辐照会使植物株高缩短。
法医应用：在法医学中，UVA LED用于显示血液、精液或其他体液等生物痕迹。该技术也用于识别伪造文件或钞票。
分析应用：在化学和生物化学领域，UVA LED用于通过荧光光谱法分析物质。这种方法能够精确测定化学化合物的组成和浓度。
UVB LED的应用
UVB LED越来越多地用于医学领域，用于治疗银屑病等皮肤病以及维生素D合成。作为替代方案，波长为308 nm的准分子灯或激光器已在皮肤科应用多年。UV LED正在逐步取代传统紫外灯。其他应用包括：
维生素D生成：UVB辐射对皮肤或食品中维生素D的天然生成至关重要。UVB被用于生产维生素D、维生素D2或维生素D3前体的设备中。当波长在290至315 nm之间的UVB光照射到皮肤时，7-DHC分子的B环结构会被分解。这一过程称为光解。
与人类通过皮肤暴露于UVB辐射合成维生素D不同，植物不会以同样的方式产生维生素D。当真菌和某些藻类暴露于紫外辐射时，其细胞中存在的麦角固醇可通过类似于人体皮肤合成维生素D3的光解反应转化为麦角钙化醇（维生素D2）。UVB辐射会破坏麦角固醇分子中的特定化学键，从而使其转化为维生素D2前体。与人体内维生素D3的合成类似，不稳定的维生素D2前体通过热依赖性异构化转化为稳定的维生素D2。
晒黑：在化妆品行业，UVB LED和紫外灯可用于晒黑设备，以实现均匀、可控的皮肤晒黑效果。
光疗：在医学治疗中，UVB用于光疗，尤其是治疗银屑病和白癜风等皮肤病。UVB辐射有助于使过度活跃的皮肤细胞恢复正常，并缓解这些疾病的症状。
植物栽培：UVB LED在植物育种中也有应用，因为UVB光会影响植物的生长、开花时间和次生代谢产物。使用UVB光进行辐照有助于提高某些植物成分（如维生素、香味物质和着色剂）的产量。
大麻中的THC生产：UVB LED的一个具体应用是优化大麻中THC的产量。已知UVB辐射会增加植物的应激反应，从而可增加THC等次生植物化合物的产量。这一方法特别应用于合法的大麻种植环境，以提高植株的效力和品质。
材料测试：UVB用于材料加速老化测试，以模拟太阳辐射，评估塑料、涂料和其他材料的长期稳定性。
UVC LED的应用
UVC LED在效率、耐用性和成本方面的不断发展，使其在许多传统上使用汞蒸气灯的领域中日益具有吸引力。因此，其一般应用包括：
紫外消毒：UVC最突出的用途之一是对水、表面和空气进行消毒。UVC辐射在灭活细菌、病毒和其他微生物方面非常有效，因为它会破坏其DNA或RNA，从而阻止其繁殖。
UVC LED用于紧凑型水处理系统，以在使用点（即水龙头处）去除饮用水中的致病菌。
表面消毒：在医院、实验室和食品加工领域，使用便携式或固定安装的UVC设备发射UVC辐射，对工具、包装和工作台面进行灭菌。作为替代方案，UVC灯也被集成到空调和通风系统中，以清除空气中的细菌，防止疾病传播。
伤口护理：未来，UVC LED还将用于医疗治疗和伤口护理，尤其是治疗难愈合的伤口和感染。将UVC光应用于受感染的伤口可抑制细菌病原体的生长，促进愈合。精确控制辐照剂量以避免损伤皮肤十分重要。
直接光聚合：UVC LED很少用于光聚合：其辐射会被最上层树脂吸收，且可用功率远低于UVA LED。对于涂层、粘合剂和3D打印树脂而言，365至405 nm的UVA LED是标准选择。
其他分析应用：
UVC LED作为光谱学中的光源，用于分析化学和生物样品，例如环境监测中的荧光或吸光度测量。
哪种波长适合紫外粘合剂？
光引发剂仅在有限的波段内吸收。专为365 nm设计的引发剂几乎不会被405 nm光源激发——即使该光源功率更高。工业UV LED在365、385、395和405 nm处的峰值代表不同的化学配方，而非可互换的功率等级（UV-int – UV wavelength selection；ScienceDirect – Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm）。选择应从粘合剂数据表开始，并以在实际光源下的测量结束。一个常见的错误来源是：型号名称标示的是标称峰值波长，而非光谱半高全宽（FWHM）、制造公差或随结温变化的偏移。
365、385、395或405 nm——光谱范围与应用
| 波长 | 特性 | 典型光引发剂/材料兼容性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 365 nm | 四个峰值中光子能量最高（3.39 eV）；历史上为汞蒸气灯的i线峰值；往往能更深地穿透透明材料 | 与为汞灯配制的传统光引发剂兼容；通常是现有、未变更的粘合剂产品的首选 | 较厚的透明灌封胶；光学粘接；将现有汞灯工艺转换为LED（UV-int；Incure Lab） |
| 385 nm | 穿透深度与表面固化之间比例均衡（3.22 eV）；与许多双重固化引发剂具有广泛兼容性 | 为LED固化重新配制、数据表范围为380–390 nm的粘合剂 | 对深度和表面固化有混合要求的部件；运行多种工件类型的生产线（Incure Lab） |
| 395 nm | 行业标准，能效高、LED使用寿命长（3.14 eV）；许多现代粘合剂配方重新配制为390–400 nm | 广泛的材料兼容性；部分可穿透在近可见光范围开始透射的紫外屏蔽添加剂 | 一般工业固化、电子产品制造、数字印刷、高产量批量生产线（UV-int） |
| 405 nm | 四个峰值中光子能量最低（3.06 eV）；更接近可见光；表面固化效率高，穿透深度较低；额外热负荷极小 | 可使用自由基光引发剂，但效率降低；配方范围通常为400–410 nm | 表面固化、热敏部件、3D打印和牙科树脂、医用粘合剂（Incure Lab） |
注：该表描述了技术文献中的一般趋势。特定情况下哪种波长合适，取决于实际使用的光引发剂以及接合部件的透过率，应在实际组件上进行测量——而非仅根据LED的标称型号来推断。
如何据此设计和确定粘接或灌封工艺的放行标准，请参见紫外粘接、灌封与封装工艺设计；哪种材料类别适合该应用，请参见紫外固化粘合剂、涂层与灌封材料的选择。
UV LED的基板与外延层：
- UVA LED（315 nm至400 nm）：
蓝宝石（氧化铝）因价格低廉且易于获取，常被用作基板。碳化硅（SiC）或硅（Si）等其他基板也在使用，以利用其导热性以及与现有半导体制造技术的兼容性。外延层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）沉积而成，通常由氮化镓铝（AlGaN）组成，铝含量根据所需发射波长进行调整。
- UVB LED（280 nm至315 nm）和UVC LED（100 nm至280 nm）
UVB和UVC LED通常使用与UVA LED相同的基板，但对材料质量和纯度的要求更高，尤其是对于UVC范围内较短的波长。作为替代方案，也可使用氮化铝（AlN）等本征基板，以实现更好的晶格匹配，从而降低缺陷密度。此处也使用AlGaN作为外延层，但铝含量更高，以实现更短的波长。外延层同样通过MOCVD形成，此过程中特别注重缺陷控制和层的均匀性。
热输入：紫外LED与放电灯的比较
除了可利用的紫外辐射外，紫外灯还会发出大量红外成分，因为等离子体和高温灯管外壳会以热的形式辐射出大部分损耗。而在紫外LED中，损耗则通过散热器或水冷被导走，不会以辐射形式到达工件。因此，辐射性热输入显著更低。
但更低并不意味着可以忽略：大功率模组在被辐照材料表面可达到数 W/cm² 的辐照度——这一功率密度相当于电磁炉的量级。即使没有红外成分，工件也会明显升温。因此，对于温度敏感的基材，除剂量之外还必须考虑辐照的时间曲线，工件温度也应纳入工艺评估之中。
第二点涉及该范围的长波端：发射波长在 400 nm 以上的LED严格来说属于蓝光LED。此时必须评估视网膜光化学危害（"蓝光危害"）。相关基础知识请参见职业安全与光生物安全页面；对于实验室工作和手工粘接，封闭式紫外LED辐照箱是更安全的解决方案。
实际到达工件的辐照度可在工艺过程中使用紫外测量仪与辐射计进行监测；针对各个LED波长的校准由经认可的校准实验室完成。
哪些测量仪可记录365～405 nm紫外LED的光谱、辐照度和辐射通量，请参阅紫外LED测量技术页面。
紫外LED测量常见问题
如何正确测量脉冲紫外LED？
关键区别在于脉冲峰值与时间平均值之间的差异。积分时间较长的仪器，例如光谱仪，显示的是平均值，即峰值乘以占空比——对于剂量而言是正确的，但用于判断峰值辐照度则是错误的。要测量峰值，需要带宽远高于脉冲频率的仪器，或采用基于脉冲触发的测量方式。
紫外LED能达到怎样的效率？
整体效率，即所谓的插头效率，是光辐射功率与所消耗电功率之比。UVA LED可达到约30%～40%，而蓝光LED则已达到约80%。深紫外UVB和UVC范围内的LED效率明显更低，低于5%～10%。原因在于制造工艺：波长越短，AlGaN层所需的铝含量越高，这使外延生长更加复杂，产生更多晶体缺陷，并降低良率。因此UVB和UVC LED仍在持续研发中，现有型号在一段时间后会被后续型号取代。
紫外LED的分档（binning）是什么意思？
由于制造原因，发射波长会有所不同。晶圆切割后，LED芯片会按光谱进行分组——这种分选称为分档（binning）。由此产生的实际影响是：如果将LED替换为来自不同批次的器件，发射波长可能会略有偏移，此时具有窄带加权特性的传感器就会显示出不同的数值。这种情况不会出现在传统灯具上，因为其发射光谱由原子跃迁和粒子碰撞决定，更换灯管时不会发生偏移。
紫外LED的使用寿命有多长？
UVA LED的工作寿命最长可达10,000 h，UVB和UVC LED最长可达5,000 h。使用寿命通常以L70表示，即辐射功率下降至初始值70%时所对应的工作时间。允许的工作温度也有所不同：UVA LED为−20 °C～+60 °C，UVB和UVC LED为−10 °C～+50 °C。由于输出功率会随使用寿命持续下降，采用剂量控制的工艺调节方式比固定曝光时间更为可取。
作者：Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia是位于Ettlingen的Opsytec Dr. Gröbel GmbH的总经理，并负责领导该公司通过认可的校准实验室。在KIT照明技术研究所从事脈冲氙气激子放电研究之后，他目前的研究重点是光学辐射测量技术。他是DIN标准委员会FNL 7「光学辐射」的副主席，也是DVGW紫外线消毒项目组的成员。
