UV-C LED-ek használata kórokozók elleni biztonságos, hatékony és eredményes védekezéshez

A COVID-19 világjárvány arra ösztönözte a mérnököket, hogy gondolkodjanak el azon, hogyan használható fel az ultraibolya (UV) fény fertőtlenítő és sterilizáló termékeknél, amelyek „inaktiválni” tudják a SARS-CoV-2-t (a COVID-19 járványt okozó vírust). A hagyományos fertőtlenítő és sterilizáló termékekben kisnyomású higanygőzlámpák találhatók, amelyek sugározni tudják a kórokozók megsemmisítéséhez szükséges UV-A spektrumú fényt. A LED-ek azonban számos előnyt kínálnak, többek között nagyobb hatásfokot, erősebb fénykibocsátást, hosszabb élettartamot és alacsonyabb élettartamköltséget.

Az UV-A LED-ek viszonylag könnyen előállíthatók – a kék fényű LED-eknek a láthatóhoz közeli spektrumtartományba történő adaptálásával –, és már több mint egy évtizede elérhetőek ipari gyógyító alkalmazásokhoz. A SARS-CoV-2 inaktiválásához azonban az energikusabb UV-C-re van szükség.

Az elmúlt néhány évben az UV-C LED-ek kereskedelmi forgalomban is elérhetővé váltak. Ezekre az eszközökre azonban nem tekinthetünk a hagyományos higanygőzlámpák egyszerű helyettesítőiként, mivel használatuk számos új tervezési problémával jár. A fertőtlenítő és sterilizáló termékeknél például nagy és pontosan szabályozott sugárzási teljesítményre van szükség a megfelelő működés biztosításához. Az UV-C LED-ek ráadásul nemcsak a baktériumokra és vírusokra, hanem az emberekre is veszélyesek, ezért a megfelelő védelem biztosítása is fontos része a tervezési folyamatnak.

Ez a cikk az UV-sugárzás típusait tárgyalja röviden, valamint annak a fertőtlenítésben és a kórokozók elleni védekezésben betöltött szerepét. Ezután ismerteti a LED-ek sugárzási forrásként való használatának előnyeit, és az ehhez kapcsolódó tervezési problémákat. A cikk ezután OSRAM Opto Semiconductors, Inc., Everlight Electronics és SETi/Seoul Viosys gyártmányú UV LED-eket használva fel példaként bemutat néhány megoldást ezekre a problémákra.

Miért érdemes UV-fényt használni a kórokozók elleni védekezésben

Az UV-sugárzás a látható fény és a röntgensugárzás közötti elektromágneses spektrumban található, amelyet megfelelően nagy energiájú és rövid hullámhosszú (400-100 nm) fotonok alkotnak. A sugárzás hullámhossza fordítottan arányos a frekvenciával vagyis minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb a frekvencia (1. ábra).

1. ábra: Az elektromágneses spektrumban az UV-sugárzás közvetlenül a látható fény alatt található, 100 és 400 nm közötti hullámhosszon, és három altípusra osztották: A, B és C. (Kép: Government of Canada)

Az UV-sugárzás és a biológiai anyagok kölcsönhatása alapján az UV-fényt három típusra osztották: UV-A (400-315 nm), UV-B (314-280 nm), és UV-C (279-100 nm). A Nap ezek közül mindhármat sugározza, de az ember elsősorban csak az UV-A-nak van kitéve, mivel kevés UV-B és kevés UV-C jut át a Föld ózonrétegén. Mindhárom UV-fénytípus mesterséges előállítására azonban számos módszer létezik, például a higanygőzlámpák és újabban az UV LED-ek.

Az UV-C sugárzás már jóval a jelenlegi világjárvány előtt is bevált technológia volt a kórokozók kiirtására. A hagyományos termékek higanygőzlámpákat használnak UV-forrásként. A SARS-CoV-2 elleni UV-C hatékonyságával kapcsolatos legújabb kutatások kimutatták, hogy a 250-280 nm hullámhosszú UV-fényt a vírus RNS-e előnyösen elnyeli, és a négyzetméterenkénti 17 joule (J/m²) erősségű teljes dózis a kórokozók 99,9 százalékát hatástalanítja. Megjegyzendő, hogy ez a szintű sugárzás nem öli meg teljesen a vírust, de annak RNS-ét eléggé megzavarja ahhoz, hogy megakadályozza a szaporodását, és ezáltal ártalmatlanná teszi, miközben korlátozza az emberi UV-expozíciót.

UV-fényforrások

Az UV-fény forrása hagyományosan a higanygőzlámpa volt. Ez egy gázkisüléses készülék, amelynél a plazma állapotba hozott (ionizált) fémből elektromos kisüléssel gerjesztett fényt bocsátódik ki. Egyes termékekbe olvasztott kvarcból készült ívcsövet építenek be, amely elősegíti a 185 nm-es UV-C hullámhosszon történő fertőtlenítési és sterilizálási célú csúcsemissziót (némi UV-A és UV-B emisszió mellett) (2. ábra).

2. ábra: Az UV-C LED-ek megjelenése előtt a kisnyomású higanygőzlámpák voltak a legpraktikusabb UV-fényforrások. (Kép: JKL Components)

A higanygőzlámpák viszonylag hatékonyak és hosszú élettartamúak a hagyományos izzólámpákhoz képest, de fő hátrányuk, hogy mérgező higany kerül a környezetbe, ha az izzó normál használat során vagy a kidobáskor eltörik.

A fertőtlenítési és sterilizálási alkalmazásokban viszont az UV-C LED-ek ugyanazokat a kulcsfontosságú előnyöket nyújtják, mint a közönséges LED-ek az általános világításban, vagyis magasabb a hatásfokuk, nagyobb a fénykibocsátásuk, hosszabb az élettartamuk és alacsonyabbak az élettartamköltségeik. Ráadásul, bár a LED-ek ártalmatlanításakor még mindig óvatosnak kell lenni, nem jelentenek olyan környezeti veszélyt, mint a higanyalapú fényforrások.

Az UV-C LED-ek a kék LED-ek technológiájára épülnek. Ezek alumínium-gallium-nitrid (AlGaN) szubsztrátokat használnak a vörös LED-eknél szélesebb tiltott sávú (rövidebb hullámhosszú) sugárzók alapjaként. Az UV-C LED-ek hatásfoka azonban alacsonyabb mint a kék LED-eké, és többe is kerülnek azoknál, nagyrészt azért, mert a gallium-nitrid az UV-C sugárzás számára nem átlátszó. Ennek eredményeképpen viszonylag kevés kibocsátott UV-C foton kerül ki a lapkából.

A legújabb fejlesztéseknek köszönhetően – beleértve a p-kontaktusok reflektív fémezését, a mintázott szubsztrátokat, a felületek texturálását, a mikrokavitális hatásokat és a térfogatformálást – az UV LED-ek hatásfoka mára már megnőtt, és a kereskedelemben kapható termékek már elfogadható teljesítményt nyújtanak.A mérnököknek azonban tisztában kell lenniük azzal, hogy az eszközök hatásfoka alacsonyabb, mint a látható fényt kibocsátó LED-eké, és a fotonok kinyerésével járó további bonyolultság megnöveli a költségeket. A gyártók adatlapjain a hatásfokszámok általában nincsennek feltüntetve, hanem ehelyett a fluxust adják meg (mW-ban) adott meghajtóáram és feszültség esetén.

UV-C LED megoldások példái

Számos kereskedelmi forgalomban kapható UV-C LED van a piacon, amelyeket kifejezetten a kórokozók hatástalanításához optimális hullámhosszúságú sugárzás kibocsátására terveztek. Az OSRAM Opto Semiconductors, Inc. kínálatában például az SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636 található, amely egy 275 nm-en sugárzó UV-C LED. A LED 35 és 100 mW közötti teljes sugárzási teljesítményt biztosít (a kiválasztott osztálytól (binning) függően), 350 mA, 5-6 V nyitóirányú áram illetve feszültség mellett (3. ábra).

3. ábra: Az UV-C LED-ek a 100 és 280 nm közötti tartományban érik el a fénykibocsátás csúcspontját. A SARS-CoV-2 inaktiválásához ideális csúcs 250 és 280 nm között van. Az itt látható OSRAM OSLON UV-C LED sugárzási teljesítményének csúcspontja 277 nm-nél van. (Kép: OSRAM)

Egy másik példa az Everlight Electronics ELUC3535NUB jelölésű terméke, amely egy 270-285 nm-es UV-C LED. Az eszköz kerámia alapú, sugárzási teljesítménye 10 mW, 100 mA és 5-7 V nyitóirányú áram illetve feszültség mellett (4. ábra).

4. ábra: Az Everlight Electronics 270-285 nm-es UV-C LED-je egy kerámia testben található. A LED mérete 3,45 x 3,45 mm. (Kép: Everlight Electronics)

A SETi/Seoul Viosys a maga részéről a CUD5GF1B-t kínálja. A 255 nm-es sugárzású LED-et kerámia tokozásba szerelték, felületszerelt alkatrész, és alacsony hőellenállással rendelkezik. Az eszköz sugárzási teljesítménye 7 mW, 200 mA/7,5 V meghajtóáram illetve feszültség mellett. A hőmérséklet növekedésével a LED minimális eltérést mutat a kibocsátott hullámhossz tekintetében: mindössze 1 nm-rel tér el a 255 nm-es csúcsteljesítménytől 50˚C széles lapkahőmérséklet-tartományban. Ez fontos szempont egy olyan eszköz esetében, amely szigorúan szabályozott kimenetet igényel a vírusok megfelelő hatástalanításának biztosítása érdekében (5. ábra).

5. ábra: A SETi/Seoul Viosys CUD5GF1B UV-C LED mindössze 1 nm-rel tér el a 255 nm-es csúcsteljesítményétől 50˚C széles lapkahőmérséklet-tartományban. (Kép: SETi/Seoul Viosys)

Tervezés UV-C LED-ekkel

A LED-ek használata saját tervezési problémákat hoz magával, ezért nem célszerű egy higanygőz alapú fényforrás köré tervezett terméket egy UV-C LED befogadására átalakítani. Ezért, a fertőtlenítési vagy sterilizálási alkalmazásokban a higanygőzlámpáknak UV-C LED-ekkel történő kiváltása nem csupán abból áll, hogy az egyik fényforrást helyettesítjük egy másikkal.

Az UV-C LED-ek fertőtlenítési vagy sterilizálási célra történő kiválasztásakor a tervezést annak a területnek a meghatározásával kell kezdeni, amelyre az UV-C fényt vetíteni kell, valamint meg kell határozni azt, hogy a besugárzott zónában a célzott kórokozók hatástalanításához W/m²-ben mekkora sugárzási teljesítményre („besugárzott felületi teljesítményre”) van szükség.

Vegyük példaként egy légkondicionáló csatornából távozó levegő fertőtlenítését. A fent vázolt 17 J/m²-es követelményeket alapul véve, 0,25 m²-es terület esetén a légáramban lévő vírusok körülbelül öt másodperc alatt történő hatástalanításához körülbelül 4 W/m²-es besugárzott felületi teljesítményű rendszerre lenne szükség (1 W összteljesítmény mellett).

A szükséges besugárzott felületi teljesítmény kiszámítását követően, a mérnök kisakkozhatja, hogy az hogyan biztosítható. Egyik ökölszabályként, figyelembe kell venni az egyes LED-ek sugárzási teljesítményét, el kell osztani ezzel a számmal a teljes besugárzott felületi teljesítményt, így megkapható az egyes termékekhez szükséges LED-ek száma a szűkített alkatrészlistán.

Ez csupán egy durva, egyszerűsített számítás, mivel a fluxus eloszlása nincs figyelembe véve. Két tényezőtől függ, hogy a sugárzási teljesítmény hogyan hat a célfelületre. Az első a LED és a tárgy közötti távolság, a második pedig a LED „sugárzási szöge”.

Ha a LED-et pontforrásnak tekintjük, akkor annak besugárzott felületi teljesítménye négyzetarányosan csökken. Például, ha a sugárzási ponttól 1 cm távolságban a besugárzott felületi teljesítmény 10 mW/cm², akkor 10 cm távolságban ez az érték 0,1 mW/cm²-re csökken. Ez a képlet azonban arra alapoz, hogy a LED minden irányba egyformán sugároz, ami nem így van. Ehelyett a LED-ek elsődleges optikával rendelkeznek, amely a sugárzást egy adott irányba irányítja. A gyártók általában a LED-ek sugárzási szögét adják meg az adatlapon, és definíció szerint ez az a szög, amelynél a sugárzás eléri a csúcsérték 50 százalékát az origó mindkét oldalán.

A fent említett OSRAM, Everlight Electronics és SETi/Seoul Viosys UV-C LED-ek sugárzási szöge sorrendben 120, 120 és 125 fok. A 6. ábrán az OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED besugárzott felületi teljesítményének görbéje látható. Az ábrán a 0,4 és 0,6 közötti szaggatott vonal jelzi, hogy hol éri el a sugárzás a csúcsérték 50 százalékát, ami meghatározza a sugárzási szöget (60 + 60 fok).

6. ábra: Az OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED besugárzott felületi teljesítményét ábrázoló görbéjénél a 0,4 és 0,6 közötti szaggatott vonal azt jelzi, hogy hol éri el a sugárzás a csúcsérték 50 százalékát, ami meghatározza a sugárzási szöget (60 + 60 fok). (Kép: OSRAM)

A sugárzási szöget meghatározó legfontosabb tényező a LED lapka és az elsődleges optika méreteinek aránya. Keskenyebb sugár előállításához kisebb sugárzóra vagy nagyobb optikára (vagy a kettő közötti megfelelő egyensúlyra) van szükség. A tervezési kompromisszum az, hogy kisebb lapka esetén a sugárzás kisebb, míg a nagyobb optikákat nehezebb elkészíteni, ami megnöveli az árakat és korlátozza a sugárzási szögek szabályozhatóságát.

A kereskedelmi forgalmoban kapható LED-eket általában gyárilag felszerelt elsődleges optikával szállítják, így a lapka/optika arány tekintetében a tervezőmérnök nem dönthet. Ezért fontos a kiválasztott termékek sugárzási szögének felülvizsgálata, mivel két azonos kimenetű eszköz különböző beszállítók esetében egészen eltérő sugárzási mintázattal rendelkezhet.

Bár a LED és a besugárzott tárgy közötti távolság és a sugárzási szög jó kiindulási pont a sugárzási minta meghatározásakor, vannak eltérési források. Például egy azonos gyártótól származó, elméletileg azonos teljesítményű és sugárzási szögű LED-ek által generált fényminták az elsődleges optika kialakításától függően intenzitásban és minőségben jelentősen eltérhetnek egymástól. Az egyetlen módja annak, hogy megbizonyosodjunk a tényleges besugárzási mintázatról, a kiválasztott termékek kimenetének tesztelése.

A LED kimenete, a LED és a fertőtlenítendő tárgyak felületétől való távolság, a sugárzási szög és a tényleges kibocsátási adatok ismeretében a mérnök kiszámíthatja, hogy hány LED-re lesz szükség, és hogyan kell őket elhelyezni ahhoz, hogy a kívánt besugárzást az aktív területen létrehozzák.

A LED kiválasztásakor a végső döntés a költségek, a hatékonyság és a bonyolultság közötti kívánt kompromisszumokon múlik. Az UV-C LED-ek drágák, ezért például kevesebb, nagyobb teljesítményű eszközt lehet használni, a több, kisebb teljesítményű eszköz helyett. Ennek a forgatókönyvnek az az előnye, hogy a LED-alkatrészek költsége alacsonyabb lehet, és kevésbé összetett vezérlésre lehet szükség. A hátránya az, hogy az alacsony hatásfok miatt a nagyobb teljesítményű eszközök a hosszú élettartam fenntartása érdekében jobb hőkezelést igényelnek (a magas hőmérséklet drámaian csökkenti a LED-ek élettartamát). Emiatt nagyobb hűtőbordákra van szükség, ami a várt költségmegtakarítás egy részét semmissé teszi.

Másodlagos optika betervezése

LED-ek hozzáadása és/vagy a LED-teljesítmény növelése helyett használható másodlagos optika. Ezek az eszközök kollimálják a LED UV-C kimenetét (párhuzamos, azonos intenzitású fénysugarakat állítanak elő) a sugárzott fényből adódó bármely szöghatás hatékony megszüntetése érdekében. Kollimáció alkalmazásával a célfelületen eloszló besugárzott felületi teljesítmény elméletileg egyenletes lesz (a LED-ek elrendezésétől függetlenül), és egy adott besugárzási teljesítmény kevesebb LED-del is elérhető, mivel a kimenet kevesebb része veszik el. Ezzel az alternatívával nagyobb besugárzott felületi teljesítmény érhető el ugyanannyi LED-del, mint egy másodlagos optika nélküli kialakítással (350 mW/m² szemben a 175 mW/m²-rel) (7. ábra).

7. ábra: Az UV-C-kibocsátás kollimálása másodlagos optikával (balra) növeli a célterületre jutó besugárzott felületi teljesítményt egy azonos LED-kimenetű, de kollimáció nélküli, csupán elsődleges optikával rendelkező rendszerhez képest. (Kép: LEDiL)

A gyakorlatban a besugárzás másodlagos optikával együtt nem egyenletes, mivel a diffrakció miatt a kollimáció még a legjobb termékek esetében is tökéletlen (bár minél kisebb a LED, annál jobb a kollimáció). Emellett gyakran hosszas kísérletezésre van szükség a LED-ek és a másodlagos optikák elhelyezésekor, hogy egy hasonló, de másodlagos optika nélküli kialakításhoz viszonyítva a szükséges besugárzás kevesebb eszközzel is biztosítható legyen.

Fontos megemlíteni, hogy az UV-C LED-ek másodlagos optikája más anyagból készül, mint a látható fényt kibocsátó LED-eké. Gyakori megoldás fröccsöntött szilikon alkatrészek használata, amelyek jól visszaverik az UV-C hullámhosszokat, és összetett lencsekialakítások gyártását teszik lehetővé. Az UV-C sugarak kollimálására alumínium reflektorok is használhatók. Másodlagos optika használatakor a kevesebb LED használatával elérhető költségmegtakarítás és a kollimátor tervezésével járó megnövekedett bonyolultság között kell kompromisszumot kötni.

Biztonsági óvintézkedések

Bár az UV-sugárzás nem képes mélyen áthatolni az emberi bőrön, mégis elnyelődik, és rövid távú károkat, például égési sérüléseket, hosszú távon pedig például ráncokat és korai bőröregedést, de szélsőséges esetekben bőrrákot is okozhat. Az UV-fény különösen veszélyes a szemre, ahol mind a retinát, mind a szaruhártyát károsíthatja. A levegővel kölcsönhatásba lépve az UV-sugárzás ózont is termelhet, amely nagy koncentrációban egészségügyi kockázatot jelent.

E veszélyek miatt a termékek tervezésekor odafigyelnek arra, hogy az UV-C fénynek való kitettség korlátozott legyen, és lehetetlenné tegyék a felhasználók számára, hogy közvetlenül a LED-be nézzenek. Mivel az UV-C láthatatlan, jó gyakorlat az is, ha olyan LED-eket választunk, amelyek szándékosan tartalmaznak némi látható kibocsátott kék fényt. Ezzel azonnal és nyilvánvalóan kiderül, hogy az UV-C LED-ek bekapcsolva vannak-e vagy sem.

Konkrétan, a SARS-CoV-2 esetében a sterilizáló egységeknek a fűtő-, hűtő- és légkondicionáló berendezésekbe történő beépítésével a levegőben terjedő vírus gyorsan inaktiválható, miközben az UV-C nem jut el az emberekig. Máshol olyan LED-ek kifejlesztésére irányul kutatás, amelyek lámpatestekbe szerelhetők, hogy a felületeket nagyon alacsony, az emberre ártalmatlan UV-C sugárzással sugározzák be, de hosszú időn keresztül elegendő sugárzást biztosítanak ahhoz, hogy hatástalanítsák az olyan felületeken lévő vírusokat, mint például az asztalok, székek, padlók és ajtókilincsek.

Összegzés

Az UV-C sugárzás felhasználható fertőtlenítő és sterilizáló termékekben a kórokozók, például a SARS-CoV-2 inaktiválására. Az általánosan alkalmazott mesterséges UV-C-fényforrás azonban a higanygőzlámpa, amely nehézfémtartalma miatt problémát jelent ártalmatlanítása során. Az UV-C LED-ek nagyobb hatásfokú és hosszabb élettartamú alternatívát kínálnak, amelyek könnyítenek az ártalmatlanítási problémákon, és számos olyan UV-C LED van már kereskedelmi forgalomban, amelyek a kórokozók hatástalanítására ideális hullámhosszúságú emissziós csúcsértékekkel rendelkeznek.

Ezek a LED-ek használata azonban nem egy egyszerű, „közvetlen helyettesítést” jelentő megoldás, hanem gondos tervezésre van szükség az előnyök maximalizálásához. Mint ahogy azt leírtuk, a tervezőnek az aktív felületre juttatni kívánt besugárzott felületi teljesítményből kell kiindulnia, és az UV-C LED-ek számának és elrendezésének kiszámításával kell elérnie az adott besugárzási sűrűséget. A tervezőnek azt is el kell döntenie, hogy az egyenletes besugárzott felületi teljesítmény biztosításához a LED-ek elsődleges optikájára támaszkodjon-e, vagy pedig az optimális fényhatáshoz alkalmazzon-e másodlagos optikát az UV-C kimenet kollimálására, figyelembe véve azt, hogy a nagyobb összetettség miatt ez további költségekkel jár.