Hoe gebruikt u UV-C LED's voor een veilige, effectieve en efficiënte bestrijding van ziekteverwekkers?

De COVID-19 pandemie heeft ingenieurs ertoe aangezet ultraviolet (UV) licht te overwegen voor ontsmettings- en sterilisatieproducten die SARS-CoV-2 (het virus dat COVID-19 veroorzaakt) "deactiveren". Conventionele ontsmettings- en sterilisatieproducten gebruiken lagedruk kwikdamplampen om in het vereiste UV-A-spectrum uit te stralen voor de eliminatie van ziekteverwekkers. Maar LED's bieden vele voordelen, waaronder een grotere efficiëntie, een hogere lichtopbrengst, een langere levensduur en lagere levensduurkosten.

UV-A LED's zijn relatief gemakkelijk te vervaardigen door blauwe licht-LED's aan te passen aan het bijna-zichtbare spectrale bereik, en zijn al meer dan een decennium beschikbaar voor industriële uithardingstoepassingen. Maar SARS-CoV-2-deactivering vereist meer energetische UV-C.

De laatste jaren zijn commerciële UV-C LED's beschikbaar gekomen. Deze apparaten kunnen echter niet worden beschouwd als een eenvoudige vervanging voor conventionele kwikdamplampen, omdat zij veel nieuwe ontwerpuitdagingen introduceren. Desinfectie- en ontsmettingsproducten vereisen bijvoorbeeld een hoge en strikt gecontroleerde stralingsflux om een goede werking te verzekeren. Bovendien zijn UV-C LED's niet alleen gevaarlijk voor bacteriën en virussen, maar ook voor de mens, zodat adequate bescherming een belangrijk onderdeel van het ontwerpproces vormt.

In dit artikel zal kort worden ingegaan op de soorten UV-straling en de rol ervan bij de ontsmetting en de bestrijding van ziekteverwekkers. Vervolgens worden de voordelen van het gebruik van LED's als stralingsbron beschreven, alsmede de daarmee samenhangende ontwerpuitdagingen. In het artikel worden vervolgens oplossingen voor deze uitdagingen voorgesteld aan de hand van UV-LED's van OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics en SETi/Seoul Viosys.

Waarom UV-licht gebruiken voor de bestrijding van ziekteverwekkers?

UV-straling past in het elektromagnetisch spectrum tussen zichtbaar licht en röntgenstraling en bestaat uit fotonen met een korte golflengte (400 tot 100 nanometer (nm)) en een bijbehorende hoge energie. De golflengte van de straling is omgekeerd evenredig met de frequentie: hoe korter de golflengte, hoe hoger de frequentie (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In het elektromagnetisch spectrum valt UV-straling net onder zichtbaar licht bij een golflengte tussen 100 en 400 nm en wordt onderverdeeld in drie soorten, A, B en C. (Bron afbeelding: regering van Canada)

Op basis van de interactie van UV-straling met biologische materialen zijn drie soorten UV-licht gedefinieerd: UV-A (400 tot 315 nm); UV-B (314 tot 280 nm); en UV-C (279 tot 100 nm). De zon produceert alle drie vormen, maar de blootstelling van de mens blijft hoofdzakelijk beperkt tot UV-A omdat weinig UV-B en geen UV-C de ozonlaag van de aarde binnendringen. Er bestaan echter verschillende methoden voor de kunstmatige productie van alle drie soorten UV-licht, bijvoorbeeld kwikdamplampen en, meer recentelijk, UV-LED's.

UV-C-straling was reeds lang voor de huidige pandemie een gevestigde technologie voor de uitroeiing van ziekteverwekkers. Conventionele producten gebruiken kwikdamplampen als UV-bron. Recent onderzoek naar de doeltreffendheid van UV-C op SARS-CoV-2 heeft aangetoond dat UV-licht met een golflengte van ongeveer 250 tot 280 nm bij voorkeur wordt geabsorbeerd door het RNA van het virus, en dat een totale dosis van 17 joule per vierkante meter (J/m²) 99,9 % van de ziekteverwekkers inactiveert. Merk op dat dit niveau van bestraling het virus niet volledig doodt, maar het RNA voldoende verstoort om te voorkomen dat het zich vermenigvuldigt, waardoor het onschadelijk wordt en de blootstelling van de mens aan UV-straling wordt beperkt.

Bronnen van UV-licht

De traditionele bron van UV-licht is de kwikdamplamp. Dit is een gasontladingsinrichting waarbij licht wordt uitgestraald door plasma van het verdampte metaal wanneer dit wordt geëxciteerd door een elektrische ontlading. Sommige producten bevatten een gesmolten kwartsboogbuis die de piekemissie bij de UV-C-golflengte van 185 nm bevordert (naast enige UV-A- en UV-B-emissie) voor ontsmettings- en sterilisatiedoeleinden (figuur 2).

Afbeelding 2: Vóór de komst van UV-C LED's waren lagedruk kwikdamplampen de meest praktische bron van UV-licht. (Bron afbeelding: JKL Components)

Kwikdamplampen zijn relatief efficiënt en gaan lang mee in vergelijking met conventionele gloeilampen, maar hun grootste nadeel is het vrijkomen van giftig kwik in het milieu als de lamp stuk gaat bij normaal gebruik of bij verwijdering.

UV-C LED's daarentegen bieden voor desinfectie- en sterilisatietoepassingen dezelfde belangrijke voordelen als LED's voor algemene verlichting, waaronder efficiëntie, hogere lichtopbrengst, langere levensduur en lagere levensduurkosten. Hoewel LED's nog steeds met zorg moeten worden weggegooid, leveren ze niet dezelfde milieurisico's op als kwikhoudende lichtbronnen.

UV-C LED's bouwen voort op de technologie van blauwe LED's. Deze maken gebruik van aluminium gallium nitride (AlGaN) substraten als platform voor emitters met een bredere bandgap (kortere golflengte) dan rode LED's. UV-C LED's zijn echter minder efficiënt en kosten meer dan blauwe LED's, grotendeels omdat galliumnitride niet transparant is voor UV-C straling. Daardoor ontsnappen relatief weinig uitgezonden UV-C-fotonen aan de matrijs.

Recente ontwikkelingen, waaronder reflecterende p-contactmetallisatie, gedessineerde substraten, gestructureerde oppervlakken, microcaviteitseffecten en volumetrische vormgeving, worden nu gebruikt om de efficiëntie van UV-LED's op te voeren, en commerciële producten bieden nu redelijke prestaties.Ingenieurs moeten zich er echter van bewust zijn dat de apparaten een lagere efficiëntie hebben dan zichtbaar-licht-LED's en dat de extra complexiteit in verband met het extraheren van fotonen de kosten opdrijft. In de gegevensbladen van de fabrikant worden de efficiëntienummers meestal vermeden en wordt in plaats daarvan de flux (in milliwatt (mW)) voor een bepaalde aandrijfstroom en spanning vermeld.

Voorbeeld UV-C LED-oplossingen

Er zijn verschillende commerciële UV-C LED's op de markt die speciaal zijn ontworpen om straling uit te zenden op de optimale golflengte voor het deactiveren van ziekteverwekkers. OSRAM Opto Semiconductors, Inc. biedt bijvoorbeeld de SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, een UV-C LED die uitzendt bij 275 nm. De LED levert tussen 35 en 100 mW totale stralingsflux (afhankelijk van de gekozen bin) bij een voorwaartse stroom/spanning van 350 milliampère (mA), 5 tot 6 volt (figuur 3).

Afbeelding 3: UV-C LED's bieden emissies met pieken in het bereik van 100 tot 280 nm. Voor de deactivering van SARS-CoV-2 ligt de ideale piek tussen 250 en 280 nm. De stralingsflux van de OSRAM OSLON UV-C LED die hier wordt getoond, bereikt een piek bij 277 nm. (Bron afbeelding: OSRAM)

Een ander voorbeeld is de ELUC3535NUB van Everlight Electronics, een UV-C-LED met een golflengte van 270 tot 285 nm. Het toestel is keramisch met een stralingsvermogen van 10 mW bij een voorwaartse stroom/spanning van 100 mA, 5 tot 7 volt (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De UV-C-LED van 270 tot 285 nm van Everlight Electronics is gemonteerd in een keramische behuizing. De LED meet 3,45 x 3,45 mm. (Bron afbeelding: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys biedt van haar kant de CUD5GF1B aan. De LED, een 255 nm emitter, zit in een keramische behuizing voor opbouwmontage en heeft een lage thermische weerstand. Het stralingsvermogen van het apparaat is 7 mW bij een aandrijfstroom/-voltage van 200 mA/7,5 volt. De LED vertoont een minimale afwijking van de uitgestraalde golflengte bij toenemende temperatuur: hij wijkt slechts 1 nm af van zijn piekuitstraling van 255 nm over een temperatuurbereik van 50˚C. Dit is een belangrijke overweging voor een toestel dat een strikt gecontroleerde output vereist om een goede deactivering van virussen te verzekeren (figuur 5).

Afbeelding 5: SETi/Seoul Viosys' CUD5GF1B UV-C LED wijkt slechts 1 nm af van zijn piek output van 255 nm over een 50 ˚C die temperatuur bereik. (Bron afbeelding: SETi/Seoul Viosys)

Ontwerpen met UV-C LED's

LED's brengen hun eigen reeks ontwerpuitdagingen met zich mee, zodat het onpraktisch is te proberen een product dat is ontworpen rond een kwikdamplichtbron aan te passen om geschikt te worden gemaakt voor UV-C LED's. Daarom is het vervangen van kwikdamplampen door UV-C LED's in desinfectie- of sterilisatietoepassingen niet gewoon een kwestie van het verwisselen van de ene lichtbron voor de andere.

Bij de keuze van UV-C LED's voor desinfectie of sterilisatie moet het ontwerpproces beginnen met de bepaling van het gebied waarover het UV-C licht moet worden toegepast en de stralingsstroom ("irradiance") in watt per vierkante meter (watt/m²) die nodig is om de doelziekteverwekkers in de bestraalde zone te deactiveren.

Denk bijvoorbeeld aan een toepassing voor het desinfecteren van de lucht die uit een aircokanaal komt. Uitgaande van de hierboven geschetste vereisten van 17 J/m² zou voor een oppervlak van 0,25 m², om eventuele virussen in de luchtstroom in ongeveer vijf seconden te deactiveren, een systeem met een bestralingssterkte van ongeveer 4 watt/m² nodig zijn (voor een totaal vermogen van 1 watt).

Zodra de gewenste bestralingssterkte is berekend, kan de ingenieur uitwerken hoe deze kan worden geleverd. Een vuistregel is de stralingsflux van elke LED in aanmerking te nemen en de totale stralingssterkte door dat getal te delen om te komen tot het aantal LED's dat nodig is voor elk product op de shortlist van componenten.

Deze ruwe berekening is een vereenvoudiging omdat geen rekening wordt gehouden met hoe die flux wordt verdeeld. Twee factoren bepalen hoe de stralingsflux op het doeloppervlak terechtkomt. Het eerste is de afstand van de LED tot het voorwerp, en het tweede is de "stralingshoek" van de LED.

Indien de LED als een puntbron wordt beschouwd, neemt de bestralingssterkte af volgens een omgekeerde kwadratenwet. Indien bijvoorbeeld op 1 cm afstand van het emissiepunt de bestralingssterkte 10 mW per vierkante centimeter (mW/cm²) bedraagt, zal deze op 10 cm afstand gedaald zijn tot 0,1 mW/cm². Bij deze berekening wordt er echter van uitgegaan dat de LED in alle richtingen evenveel uitstraalt, wat niet het geval is. In plaats daarvan zijn LED's voorzien van primaire optieken die de stralingsstroom in een bepaalde richting sturen. Fabrikanten vermelden gewoonlijk de stralingshoek van de LED's in het gegevensblad, en deze wordt gedefinieerd als de hoek waarbij 50 procent van de piekstraling aan weerszijden van de oorsprong wordt bereikt.

De hierboven beschreven OSRAM, Everlight Electronics en SETi/Seoul Viosys UV-C LED's hebben stralingshoeken van respectievelijk 120, 120 en 125 graden. Afbeelding 6 toont het bestralingspatroon voor OSRAM's SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED. In het diagram geeft de stippellijn tussen 0,4 en 0,6 aan waar 50% van de piekstralingssterkte wordt bereikt, hetgeen de bundelhoek (60 + 60 graden) bepaalt.

Afbeelding 6: Voor het bestralingspatroon van OSRAM's SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED, geeft de stippellijn tussen 0,4 en 0,6 aan waar 50 procent van de piekbestralingssterkte wordt bereikt, wat de stralingshoek (60 + 60 graden) definieert. (Bron afbeelding: OSRAM)

Het belangrijkste kenmerk dat de stralingshoek bepaalt, is de verhouding tussen het aantal LED's en de grootte van de primaire optiek. Om een smallere bundel te produceren is dus een kleinere emitter of een grotere optiek nodig (of een goed evenwicht tussen die twee). De afweging bij het ontwerp is dat een kleinere matrijs een lagere emissie oplevert, terwijl grotere optieken moeilijker te maken zijn, wat de prijzen opdrijft en een beperking inhoudt van de bundelhoekregeling.

Commerciële LED's worden gewoonlijk geleverd met in de fabriek gemonteerde primaire optiek, zodat de beslissing over de verhouding tussen matrijs en optiek buiten de controle van de ontwerper ligt. Daarom is het belangrijk om de stralingshoek van de producten op de shortlist te controleren, omdat twee identieke uitgangstoestellen van verschillende leveranciers heel verschillende emissiepatronen kunnen hebben.

Hoewel de afstand van de LED tot het bestraalde voorwerp en de stralingshoek een goede eerste aanwijzing vormen voor het bestralingspatroon, zijn er variatiebronnen. Zo kunnen de lichtpatronen van LED's van één fabrikant, met theoretisch identieke vermogens en stralingshoeken, aanzienlijk verschillen in intensiteit en kwaliteit, afhankelijk van het ontwerp van de primaire optiek. De enige manier om zeker te zijn van het werkelijke bestralingspatroon is het testen van de output van de producten op de shortlist.

Gewapend met de LED-output, de afstand tussen de LED en het oppervlak waarop de te desinfecteren voorwerpen zich bevinden, de stralingshoek en de werkelijke emissiegegevens, kan de ingenieur berekenen hoeveel LED's er nodig zijn en hoe ze moeten worden geplaatst om de gewenste bestralingssterkte over het actieve gebied te genereren.

De uiteindelijke keuze voor een LED komt neer op de gewenste afweging tussen kosten, efficiëntie en complexiteit. UV-C-LED's zijn duur, dus een benadering zou kunnen zijn om minder apparaten met een hoger vermogen te gebruiken in plaats van een groter aantal apparaten met minder vermogen. Het voordeel van dit scenario is dat de kosten van de LED-componenten lager kunnen uitvallen en de complexiteit van de driver kan worden verminderd. Het nadeel is dat de krachtigere apparaten, vanwege hun lage efficiëntie, een beter thermisch beheer vereisen om een lange levensduur te handhaven (hoge temperaturen verkorten de levensduur van LED's drastisch). Dit vereist grotere koellichamen, waardoor een deel van de verwachte kostenbesparingen teniet wordt gedaan.

Ontwerpen van secundaire optiek

Een alternatief voor het toevoegen van LED's en/of het verhogen van het vermogen van LED's is het gebruik van secundaire optiek te overwegen. Deze apparaten collimeren (produceren parallelle lichtbundels van gelijke intensiteit) de UV-C-uitstraling van de LED om eventuele bundelhoekeffecten effectief te elimineren. In theorie zou bij gebruik van collimatie de bestralingssterkte over het doeloppervlak uniform moeten zijn (onafhankelijk van de plaatsing van de leds), en zou een bepaald bestralingsniveau moeten worden bereikt met minder leds omdat minder van het uitgangsvermogen wordt verspild. Anderzijds kan met hetzelfde aantal leds een hogere bestralingssterkte worden bereikt als met een ontwerp zonder secundaire optiek (350 mW/m² vs 175 mW/m²) (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: UV-C-collimatie van de emissie met secundaire optiek (links) verhoogt de bestralingssterkte van het doelgebied in vergelijking met een systeem met dezelfde LED-output maar met (ongecollimeerde) primaire optiek. (Bron afbeelding: LEDiL)

In de praktijk is de bestralingssterkte met secundaire optiek minder dan uniform, omdat de collimatie van zelfs de beste producten onvolmaakt is als gevolg van diffractie (hoewel geldt: hoe kleiner de LED, hoe beter de collimatie). Ook moet vaak langdurig worden geëxperimenteerd met de plaatsing van LED's en secundaire optiek om de vereiste bestralingssterkte van minder apparaten te garanderen, vergeleken met een soortgelijk ontwerp zonder secundaire optiek.

Merk op dat de secundaire optiek voor UV-C-LED's wordt vervaardigd uit andere materialen dan die welke worden gebruikt voor LED's met zichtbaar licht. Gangbare oplossingen zijn spuitgegoten siliconen onderdelen die de UV-C golflengten goed reflecteren en de productie van complexe lensontwerpen mogelijk maken. Aluminium reflectoren kunnen ook worden gebruikt om UV-C te collimeren. De afweging bij het gebruik van secundaire optiek is de kostenbesparing door het gebruik van minder LED's tegen de grotere complexiteit van het ontwerpen in de collimator.

Voorzorgsmaatregelen

Hoewel UV-straling niet ver door de menselijke huid kan dringen, wordt zij wel geabsorbeerd en kan zij schade op korte termijn veroorzaken, zoals brandwonden, en schade op lange termijn, zoals rimpels en vroegtijdige huidveroudering. In extreme gevallen kan blootstelling aan UV huidkanker veroorzaken. UV-licht is bijzonder gevaarlijk voor de ogen, waar het zowel het netvlies als het hoornvlies kan beschadigen. In wisselwerking met de lucht kan UV-straling ook ozon produceren, dat bij hoge concentraties als een gevaar voor de gezondheid wordt beschouwd.

Deze gevaren maken het een goede praktijk om producten te ontwerpen die de blootstelling aan UV-C-licht beperken en het de gebruikers onmogelijk maken rechtstreeks in de LED te kijken. Omdat UV-C onzichtbaar is, is het ook een goede gewoonte leds te kiezen die opzettelijk ook wat zichtbaar blauw licht uitstralen. Hierdoor is het duidelijk wanneer de UV-C LED's zijn ingeschakeld.

Met name voor SARS-CoV-2 kan door de integratie van sterilisatie-units in HVAC-units het virus in de lucht snel worden gedeactiveerd terwijl de UV-C buiten het bereik van mensen wordt gehouden. Elders wordt onderzoek verricht naar LED's die in verlichtingsarmaturen kunnen worden aangebracht om oppervlakken te bestralen met zeer lage niveaus UV-C die onschadelijk zijn voor de mens, maar gedurende lange perioden voldoende bestraling bieden om eventuele virussen op oppervlakken zoals tafels, stoelen, vloeren en deurklinken te inactiveren.

Conclusie

UV-C-straling kan worden gebruikt om ziekteverwekkers zoals SARS-CoV-2 in desinfectie- en sterilisatieproducten te inactiveren. De gebruikelijke kunstmatige bron van UV-C is echter de kwikdamplamp, die problemen oplevert bij de verwijdering vanwege het gehalte aan zware metalen. UV-C LED's bieden een efficiënter en langduriger alternatief dat de afvalverwijderingsproblemen verlicht, en er is een aantal UV-C LED's in de handel gekomen met emissiepieken op golflengten die bij uitstek geschikt zijn om ziekteverwekkers te deactiveren.

Deze LED's zijn echter geen eenvoudig in te bouwen alternatief en een zorgvuldig ontwerp is vereist om de voordelen ervan te maximaliseren. Zoals beschreven moet een ontwerper beginnen met de gewenste bestralingssterkte op het actieve oppervlak en vervolgens het aantal en de plaatsing van de UV-C LED's berekenen die nodig zijn om die bestralingssterkte te bereiken. De ontwerper moet ook beslissen of hij vertrouwt op de primaire optiek van de LED's om een gelijkmatige bestraling te produceren, of dat hij secundaire optiek gebruikt om de UV-C-uitstraling te collimeren voor een optimaal patroon, waarbij hij rekening moet houden met de kosten van een grotere complexiteit.