Inženirji so bili spodbujeni, da razmislijo o uporabi ultravijolične (UV) svetlobe za izdelke za razkuževanje in sterilizacijo, ki »deaktivirajo« SARS-CoV-2 (virus, ki povzroča COVID-19). Običajni izdelki za razkuževanje in sterilizacijo uporabljajo nizkotlačne svetilke z živosrebrno paro, ki oddajajo UV-A spekter, potreben za odstranjevanje patogenov.
Avtor: Rolf Horn
Digi-Key Electronics
2021-297-19
Vendar pa LED-ice ponujajo številne prednosti, vključno z večjo učinkovitostjo, večjo oddano svetlobo, daljšo življenjsko dobo in nižjimi stroški, ki nastanejo med življenjsko dobo.
UV-A LED-ice je mogoče izdelati relativno enostavno – s prilagoditvijo LED-ic z modro svetlobo na razpon spektra, ki je blizu vidnega, – in so na voljo že več kot desetletje za uporabo na področju industrijskega sušenja. Vendar pa deaktivacija SARS-CoV-2 zahteva bolj energičen UV-C spekter.
V zadnjih nekaj letih so postale na voljo komercialne UV-C LED-ice. Vendar jih ni mogoče preprosto zamenjati z običajnimi svetilkami z živosrebrno paro, saj uvajajo številne nove izzive glede načrtovanja. Izdelki za razkuževanje in higienizacijo na primer zahtevajo visok in strogo nadzorovan sevalni tok, da je mogoče zagotoviti pravilno delovanje. Poleg tega UV-C LED-ice niso nevarne samo za bakterije in viruse, ampak so nevarne tudi za ljudi, zato je ustrezna zaščita pomemben del postopka načrtovanja.
Ta članek na kratko opiše vrste UV sevanja in njegovo vlogo pri higienizaciji in nadzoru patogenov. Nato pa opiše prednosti uporabe LED-ic kot vir sevanja ter tudi s tem povezane izzive pri načrtovanju. Članek nato predstavi rešitve za te izzive na primeru UV LED-ic podjetij Luminus Devices, Vishay Semiconductor Opto Division in SETi/Seoul Viosys.
Zakaj za nadzor patogenov uporabiti UV svetlobo?
UV sevanje spada v elektromagnetni spekter med vidno svetlobo in rentgenskimi žarki ter obsega fotone kratke valovne dolžine (400 do 100 nanometrov (nm)) z ustreznimi visokimi energijami. Valovna dolžina sevanja je obratno sorazmerna s frekvenco: krajša ko je valovna dolžina, višja je frekvenca (slika 1).
Na osnovi interakcije UV svetlobe z biološkimi materiali so bile določene tri vrste UV svetlobe: UV-A (400 do 315 nm); UV-B (314 do 280 nm); in UV-C (279 do 100 nm). Sonce ustvarja vse tri oblike, vendar je izpostavljenost ljudi v glavnem omejena na UV-A, ker se skozi ozonski plašč Zemlje prebije zelo malo UV-B in nič UV-C svetlobe. Vendar pa obstaja več načinov umetnega ustvarjanja vseh treh vrst UV svetlobe, na primer svetilke z živosrebrno paro in pred nedavnim UV LED-ice.
UV-C sevanje je bila priznana tehnologija za izkoreninjanje patogenov že pred trenutno pandemijo. Običajni izdelki kot vir UV svetlobe uporabljajo svetilke z živim srebrom. Nedavne raziskave učinkovitosti UV-C svetlobe za SARS-CoV-2 so pokazale, da UV svetlobo z valovno dolžino približno 250 do 280 nm selektivno absorbira RNA virus, skupni odmerek 17 džulov na kvadratni meter (J/m2) pa deaktivira 99,9 odstotkov patogenov. Vedite, da ta stopnja sevanja ne ubije virusa popolnoma, vendar pa ovira RNA dovolj, da prepreči, da bi se razmnoževal, zaradi česar postane neškodljiv, ob tem pa omeji tudi izpostavljenost ljudi UV svetlobi.
Viri UV svetlobe
Tradicionalni vir UV svetlobe so svetilke z živosrebrno paro. Gre za plinsko pripravo, pri kateri svetlobo oddaja plazmo uplinjene kovine, ko jo vzbudi razelektritev. Nekateri izdelki uporabljajo obločno cevko iz taljenega kremena, ki omogoča največjo raven oddajanja pri valovni dolžini UV-C 185 nm (poleg oddajanja UV-A in UV-B) za namene razkuževanja in sterilizacije (slika 2).
Svetilke z živosrebrno paro so relativno učinkovite in dolgotrajne v primerjavi z običajnimi viri z žarilno nitko, vendar pa je njihova glavna slabost sproščanje strupenega živega srebra v okolje, če se žarnica zdrobi med običajno uporabo ali pri odstranjevanju.
UV-C LED-ice pa na področju razkuževanja in sterilizacije omogočajo enake ključne prednosti kot LED-ice pri običajnem razsvetljevanju, vključno z učinkovitostjo, višjo oddano svetlobo, daljšo življenjsko dobo in nižjimi stroški, ki nastanejo med življenjsko dobo. Čeprav je še vedno treba paziti pri odstranjevanju LED-ic, ne predstavljajo enake nevarnosti za okolje kot svetlobni viri na osnovi živega srebra.
UV-C LED-ice temeljijo na tehnologiji modih LED-ic. Te uporabljajo substrate aluminijevega galijevega nitrida (AlGaN) kot platformo za oddajnike s širšim zapornim pasom (krajšo valovno dolžino) kot rdeče LED-ice. Vendar so UV-C LED-ice manj učinkovite in dražje kot modre LED-ice, predvsem, ker galijev nitrid ni prosojen za UV-C sevanje. Posledično relativno malo oddanih fotonov UV-C dejansko uide iz čipa.
Nedavni dosežki, vključno z odbojno metalizacijo P-spoja, vzorčasti substrati, teksturirane površine, učinki mikrovdolbin in volumetrično oblikovanje, se sedaj uporabljajo za povečanje učinkovitosti UV LED-ic, komercialni izdelki pa zdaj omogočajo ustrezno delovanje. Vendar bi se inženirji morali zavedati, da naprave zagotavljajo nižje stopnje učinkovitosti kot LED-ice na osnovi vidne svetlobe, dodatna zapletenost ekstrakcije fotonov pa povzroča višje stroške. Podatkovni listi proizvajalcev običajno ne vsebujejo številskih podatkov o učinkovitosti in se namesto tega osredotočajo na tok (v milivatih (mW) določenega gonilnega toka in napetosti.
Primer rešitve UV-C LED-ic
Na trgu je več UV-C LED-ic, ki so zasnovane posebej za oddajanje sevanja na optimalni valovni dolžini za deaktivacijo patogenov. Na primer podjetje Luminus Devices ponuja XBT-3535-UV-A130-CC275-01, ki je UV-C LED-ica, ki oddaja pri 277 nm. LED-ica zagotavlja med 30 in 55 mW moči (odvisno od izbire razvrstitve po parametrih (»bin«)) pri 350 miliamperih (mA)/ in pri 5 do 7,5V napetosti (slika 3).
Alternativa XBT-3535-UV-A130-CC275-01 LED-ici podjetja Luminus Devices je VLMU35CB20-275-120, UV-C LED-ica z 277 nm, ki jo ponuja podjetje Vishay Semiconductor. Ta UV-C LED-ica je osnovana na keramiki z oknom iz kremenčevega stekla, ki pomaga podaljšati njeno življenjsko dobo. Moč sevanja LED-ice je 14 mW pri 150 mA/6,5-voltnim gonilnim tokom/napetostjo (slika 4).
Podjetje SETi/Seoul Viosys pa ponuja CUD5GF1B. LED-ica sveti z 255 nm in se nahaja v keramičnem ohišju za površinsko namestitev ter ima nizko toplotno upornost. Moč sevanja lučke je 7 mW pri 200 mA/7,5-voltnim gonilnim tokom/napetostjo. LED-ica ima minimalen odklon sevane valovne dolžine z vedno večjo temperaturo: odklon je samo 1 nm pri 255 nm in pri temperaturnem razponu čipa 50 ˚C. To je pomemben dejavnik pri LED-ici, ki zahteva strogo nadzorovano sevanje, da je mogoče zagotoviti dobro deaktivacijo virusov (slika 5).
Načrtovanje UV-C LED-ic
Načrtovanje LED-ic ima svoj nabor izzivov, zato poskus prilagoditve izdelka, ki je bil zasnovan na podlagi svetlobnega vira z živosrebrno paro, ne bi bil praktičen za UV-C LED-ice. Zato pri zamenjavi svetilk z živosrebrno paro z UV-C LED-icami na področju razkuževanja ali sterilizacije ni mogoče preprosto nadomestiti enega svetlobnega vira z drugim.
Ko izbirate UV-C LED-ice za razkuževanje ali sterilizacijo, je treba proces zasnove začeti tako, da se določi območje, na katerem bo uporabljena UV-C svetloba, ter sevalni tok (»obsevanje«) v vatih na kvadratni meter (vati/m2), ki je potreben za deaktivacijo ciljnih patogenov na obsevanem območju.
Na primer pri razkuževanju zraka iz prezračevalnega jaška. Na podlagi zgoraj predstavljene zahteve 17 J/m2 bi za deaktivacijo vseh virusov v toku zraka v približno petih sekundah na površini 0,25 m2 bil potreben sistem, ki omogoča obsevanje približno 4 vate/m2 (za skupno moč 1 vata).
Po izračunu želenega obsevanja lahko inženir načrtuje, kako bo to zagotovljeno. Splošno gledano je treba upoštevati sevalni tok vsake LED-ice in s to številko deliti skupno obsevanje. Rezultat tega je število lučk LED, ki so potrebne za vsak izdelke na ožjem seznamu sestavnih delov.
Pri tem grobem izračunu gre za poenostavitev, saj ne upošteva, kako je ta tok porazdeljen. To, kako sevalni tok vpliva na ciljno površino, določata dva dejavnika. Prvi je razdalja od LED-ice do predmeta, drugi pa »kot svetlobnega snopa« LED-ice.
Če se lučko LED smatra kot točkovni vir, se njeno obsevanje zmanjšuje v skladu z obratnim kvadratnim zakonom. Če je na primer pri 1 cm razdalje od točke oddajanja obsevanje 10 mW na kvadratni centimeter (mW/cm2), potem 10 cm stran obsevanje pade na 0,1 mW/cm2. Vendar ta izračun predvideva, da LED-ica sveti enakomerno v vse smeri, kar pa ni res. Namesto tega imajo LED-ice primarno optiko, ki usmerja sevalni tok v določeno smer. Proizvajalci običajno navedejo kot svetlobnega snopa LED-ice na podatkovnem listu, definiran pa je kot kot, pri katerem je na katerikoli strani izvora doseženih 50 odstotkov obsevanja na najvišji ravni.
Zgoraj opisane UV-C LED-ice podjetij Luminus Devices, Vishay in SETi/Seoul Viosys imajo kote svetlobnega snopa 130, 120 oziroma 125 stopinj. Slika 6 prikazuje vzorec obsevanja LED-ice podjetja Luminus Devices XBT-3535-UV-A130-CC275-01. Na shemi črtkana črta označuje, kje obsevanje na najvišji ravni dosega 50 odstotkov. To določa kot svetlobnega snopa (65 + 65 stopinj).
Ključna značilnost, ki določa kot svetlobnega snopa je razmerje med LED čipom in velikostjo primarne optike. Zato izdelava ožjega snopa zahteva manjši oddajnik ali zmogljivejši optiko (ali ustrezno ravnotežje med obema). Kompromis pri načrtovanju je, da manjši čip ustvarja nižje emisije, medtem ko je zmogljivejšo optiko težje izdelati, zaradi česar so cene višje, nadzor kota svetlobnega snopa pa je omejen.
Komercialnim LED-icam je običajno priložena tovarniško nameščena primarna optika, zato odločitev glede razmerja med čipom in optiko ni v rokah inženirja načrtovalca. Zato je pomembno pregledati kot svetlobnega snopa izdelkov na ožjem seznamu, ker imata lahko identični izhodni napravi različnih dobaviteljev zelo različne vzorce oddajanja.
Medtem ko sta razdalja LED-ice od obsevanega predmeta in kot svetlobnega snopa dobro začetno vodilo za vzorec obsevanja, obstajajo viri razlikovanja. Na primer svetlobni vzorci LED-ic istega proizvajalca s teoretično identičnim sevanjem in koti svetlobnih snopov se lahko odvisno od zasnove primarne optike bistveno razlikujejo glede na intenzivnost in kakovost. Edini način, da se prepričate glede dejanskega vzorca obsevanja je, da preizkusite sevanje izdelkov na ožjem seznamu.
Na podlagi sevanja LED-ice, razdalje med LED-ico in površino, na kateri bodo artikli, ki jih je treba razkužiti, kota svetlobnega snopa in dejanskih podatkov o oddajanju svetlobe lahko inženir izračuna, koliko LED-ic bo potrebnih in kako jih je treba namestiti, da je mogoče ustvariti želeno obsevanje aktivnega območja.
Zadnja izbira pri LED-icah je želeni kompromis med stroškom, učinkovitostjo in zapletenostjo. UV-C LED-ice so drage, zato je en od pristopov lahko uporaba manjšega števila visoko zmogljivih LED-ic namesto večjega števila manj zmogljivih LED-ic. Prednost tega scenarija je, da so lahko stroški sestavnih delov LED-ic nižji, zapletenost gonilnikov pa je manjša. Slabost pa je, da bodo zaradi njihove nizke učinkovitosti bolj zmogljive LED-ice zahtevale boljše toplotno upravljanje, da je mogoče ohraniti dolgo življenjsko dobo (visoke temperature dramatično znižajo življenjsko dobo LED-ic). Zaradi tega so potrebna hladilna telesa, ki nekoliko ublažijo pričakovane prihranke.
Načrtovanje sekundarne optike
Alternativa dodajanju LED-ic in/ali povečevanju zmogljivosti LED-ic je uporaba sekundarne optike. Te naprave ustvarjajo kolimirano svetlobo (proizvajajo vzporedne svetlobne snope enake intenzivnosti) sevanja UV-C iz LED-ice, ki učinkovito odstrani vse učinke kota svetlobnega snopa. V teoriji bi pri uporabi kolimacije obsevanje na ciljni površini moralo biti poenoteno (neodvisno od razporeditve LED-ic), dano stopnjo obsevanja pa bi lahko dosegli z manjšim številom LED-ic, ker bi bilo manj neželenega sevanja. Namesto tega je višje obsevanje mogoče doseči z istim številom LED-ic kot z zasnovo brez sekundarne optike (350 mW/m2 v primerjavi s 175 mW/m2) (slika 7).
V praksi obsevanje s sekundarno optiko ni enakomerno, ker je kolimacija tudi najboljših izdelkov nepopolna zaradi difrakcije (čeprav velja, da manjša kot je LED-ica, boljša je kolimacija). Prav tako so pogosto potrebni dolgotrajni poskusi pri pozicioniranju LED-ic in sekundarne optike, da je mogoče zagotoviti zahtevano obsevanje z manjšim številom LED-ic v primerjavi s podobno zasnovo brez sekundarne optike.
Upoštevajte, da je sekundarna optika za UV-C LED-ice izdelana iz materialov, ki se razlikujejo od tistih, ki jih uporabljajo LED-ice z vidno svetlobo. Pogoste rešitve so brizgano vliti silikonski deli, ki dušijo valovne dolžine UV-C svetlobe in omogočajo izdelavo zapletenih zasnov leč. Za kolimacijo UV-C je mogoče uporabiti tudi odbojnike iz aluminija. Kompromis pri uporabi sekundarne optike je med prihranki zaradi uporabe manjšega števila LED-ic in večjo zapletenostjo načrtovanja kolimatorja.
Varnostni ukrepi
Medtem ko se UV sevanje ne more prebiti daleč skozi človeško kožo, se vendarle absorbira in lahko povzroči kratkotrajne poškodbe, kot so opekline in dolgotrajne poškodbe, kot so gube in prezgodnje staranje kože. V izrednih primerih lahko izpostavljenost UV svetlobi povzroči kožnega raka. UV svetloba je še posebej nevarna za oči, saj lahko poškoduje tako retino kot roženico. Pri interakciji z zrakom lahko UV sevanje proizvede tudi ozon, ki se pri velikih koncentracijah smatra kot tveganje za zdravje.
Zaradi teh nevarnosti je dobra praksa, da se izdelke načrtuje tako, da omejujejo izpostavljenost UV-C svetlobi in da uporabnikom preprečujejo, da bi lahko gledali neposredno v LED-ico. Ker je UV-C svetloba nevidna, je prav tako dobra praksa, da izberete LED-ice, ki namenoma vključujejo nekoliko vidnega modrega spektra. Tako postane očitno, kdaj so UV-C LED-ice vklopljene.
Še posebej za SARS-CoV-2 vključevanje sterilizacijskih enot v enote za ogrevanje, hlajenje in prezračevanje (HVAC) omogoča hitro deaktivacijo zračno prenosljivega virusa, istočasno pa UV-C svetloba ne ovira ljudi. Potekajo tudi raziskave LED-ic, ki jih je mogoče namestiti na svetilna telesa za obsevanje površin z zelo nizkimi stopnjami UV-C sevanja, ki so neškodljive za ljudi, vendar skozi daljša obdobja zagotavljajo zadostno obsevanje, ki deaktivira vse viruse na površinah, kot so mize, stoli, tla in kljuke.
Zaključek
V izdelkih za razkuževanje in sterilizacijo je UV-C sevanje mogoče uporabiti za deaktivacijo patogenov, kot je SARS-CoV-2. Vendar je pogost umetni vir UV-C sevanja svetilka z živosrebrno paro, kar predstavlja izzive pri odstranjevanju, saj vsebuje težko kovino. UV-C LED-ice ponujajo bolj učinkovito alternativno z daljšo življenjsko dobo, ki olajša težave z odstranjevanjem, komercialno razpoložljivih pa je postalo več UV-C LED-ic, ki zagotavljajo oddajanje na najvišji ravni pri valovnih dolžinah, ki so idealne za deaktivacijo patogenov.
Vendar te LED-ice ne morejo kar preprosto zamenjati drugih rešitev in zahtevajo skrbno načrtovanje, da je mogoče maksimizirati njihove prednosti. Kot je opisano, mora načrtovalec začeti z želeno stopnjo obsevanja aktivne površine in šele nato izračunati število in razporeditev UV-C LED-ic, potrebnih, da je mogoče doseči to obsevanje. Načrtovalec se mora tudi odločiti, ali naj se zanaša na primarno optiko LED-ic za proizvodnjo enakomernega obsevanja ali pa na uporabo sekundarne optike za koliminacijo UV-C sevanja za optimalni vzorec, ob tem pa mora upoštevati tudi strošek večje zapletenosti.
