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LED技术如何将深紫外UV-C消毒产品带入大众市场

时间:2021-08-06 作者:Andrew Fawcett 阅读:
LED技术解决了光源的高成本问题,同时LED灯也早就被用于生成紫外光。作为众多照明产品的重要组件,LED与白光荧光粉结合使用能够将氮化镓基LED阵列产生的紫外光转换成可用的可见光。然而,由于UV-C波段的波长更短,因此需要使用基于氮化镓的新型材料。正是借助LED技术,UV-C消毒逐步在更广泛市场领域实现各种创新应用。那么,设计工程师如何才能把握这些市场机遇?
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新冠疫情凸显出全方位预防病毒传播的重要性。除了空气气溶胶传播外,表面接触也是SARS-CoV-2病毒及流感等其他诸多病毒的主要传播途径。为阻止新冠疫情蔓延并降低未来可能出现的其他传染病毒的威胁,对工业、医疗、公共交通和商业场所设施表面进行主动清洁消毒至关重要,而深紫外光(UV-C)则被视为一种重要的消毒杀菌手段。

UV-C波长为200到280nm,是电磁光谱中强度最大的紫外线波段。早在20世纪初,人们就已经知道UV-C光具备灭菌功效。UV-C光能够超高效地破坏病原体DNA和RNA中的重要化学键,从而有效灭活病毒。然而不足的是,UV-C光同时也会伤害人体DNA,这就使得UV-C光辐射一直以来仅限在封闭式空间进行消毒,例如:空调机组内的消毒舱和清洁舱。

UV-C光应用的另一公认缺点是光源成本和可用性。当前的UV-C光源大多是汞灯,不仅价格高昂,而且存在污染隐患。这就使得UV-C消毒技术仅适用于小片区域。

传感器驱动型AI机器人推动UV-C应用

为控制SARS-CoV-2病毒的传播,业界对UV-C光在大型场所的消毒应用展开了重点研究,并取得了相关技术的改进,使得UV-C光辐射能够更安全地应用于更广泛领域,且更经济、更实用。其中一项重要改进是实现了传感器驱动型AI的应用,它可以确定目标场所何时能够安全实施UV-C消毒,例如:使用UV-C清洁电梯按键时,可以将光源设置为仅在电梯空载时激活,以确保在下一个乘客进入电梯前对按键进行消毒。

另一项改进是实现了机器人控制UV-C消毒,这就能消除紫外光消毒方式的一个重大缺点:阴影死角。紫外光必须直接照射物体表面才能进行消毒,这意味着房间内的床位和医疗设备可能因相互遮挡而难以完全消毒。机器人则可以分析物体形状并推算移动路线,从而最大限度地扩大照射面积并减少阴影区域。业界早期曾进行过多次UV-C消毒试验项目,例如在上海进行的公交车消毒项目,该项目通过在封闭隔间在车身外手动放置消毒光源及固定光源阵列来对公交车进行UV-C消毒。与早期这些项目相比,移动机器人则可以更轻松地对通常位于固定照明阴影区域的表面进行消毒,如座椅靠背。移动机器人还可以通过类似方式在医院治疗室空置时实现 UV-C光的均匀分布。即使只是基本照射,UV-C消毒也比用消毒剂手动清洁更高效。化学消毒操作需要40分钟时间,而UV-C照射仅需 10 分钟即可实现消毒功效。

成本和可用性是关键因素

LED技术解决了光源的高成本问题,同时LED灯也早就被用于生成紫外光。作为众多照明产品的重要组件,LED与白光荧光粉结合使用能够将氮化镓基LED阵列产生的紫外光转换成可用的可见光。然而,由于UV-C波段的波长更短,因此需要使用基于氮化镓的新型材料。

当前, UV-C LED灯使用的是氮化铝镓 (AlGaN)材料,而不是蓝、绿光LED使用的氮化铟镓 (InGaN)。然而,它们之间共性很大,可以使用类似的外延工艺,这意味着氮化镓、硅或碳化硅都可以使用。关键区别在于UV-C LED晶片在加工过程中需要更耐高温,且工作温度需高达1400°C才能通过外延生长高质量AlGaN晶体。

高强度UV-C消毒产品  

自解决了生产制造有关问题,制造商已陆续推出了采用LED技术的高能效UV-C光源。例如:欧司朗推出了两款峰值波长为275nm的 UV-C LED。其中,SU CULBN1.VC专为低功率应用进行了优化,输出辐射通量为4.7mW,半强度角为120°,适用于便携式应用和家用设备;SU CULDN1.VC具有相同的半强度角和高达42mW的输出辐射通量,适用于需要高强度UV-C照射的大型场所应用,如车辆清洁及大范围空气和水消毒。

两款欧司朗产品设计的一个关键特性在于采用了行业标准封装尺寸,这就使得基于两款LED的产品能够使用同一尺寸外壳来适应不同目标市场应用需求;同时,陶瓷封装设计进一步延长了使用寿命并提升了耐热性。

Vishay的VLMU35CL2.-275-120具有60°的半强度角和3.5mW的输出通量,适用于需要UV-C针对性应用的设计。其CB2和CT2构建可将输出通量分别提高至10mW和19mW,适合需要在270nm至285nm波长范围内产生更高强度辐射的系统。Vishay系列产品可在-40°C至+80°C温度范围内工作,能够满足工业应用对更广温度范围的需求。

对于需要特定输出通量、波长及照射角度的系统,Intelligent LED  Solutions (ILS) 提供了多款基于TSLC LED技术的产品选择。其N3535和 N5050系列可提供260-270nm、270-290nm及300-320nm三种波长范围供用户选择,这让用户能够针对不同病原体更精准地微调辐射功率。

光学器件和测量技术是UV-C消毒产品设计的关键

UV-C无法穿透普通玻璃,但可以透过石英玻璃和硅树脂。然而,传统LED使用的普通硅树脂在强烈的UV-C光照射下会降解。为此,业内厂商研发出多种新型封装方案,使硅树脂能够承受住UV-C辐照。其中一种常见封装设计是将石英玻璃与硅透镜耦合在一起,例如ILS的LEDiL VIOLET Optic。它是一款硅树脂12透镜阵列,可以轻松封装多个UV-C光源组合使用,并具备14°、20°及60°三个光束角度,能够提供更高的设计灵活性,从而支持区域辐照系统设计。

由于UV-C是不可见光,它在消灭病毒的同时也会严重危害人类健康。因此,安全监测UV-C光辐射在产品设计过程中至关重要。Extech Instruments的SDL470 UVA/UVC照度计/数据记录仪可以长时间地记录UV光源的性能。该数据记录仪的探针可捕捉波长为254nm的UV-A和UV-C光,这个波长的紫外辐照强度通常由峰值波长在270nm左右的灭菌产品在较低辐射水平下生成。此外,它还可以将数据采样率从1秒调节到3600秒,从而可实现长期记录容量和时间分辨率之间的完美平衡。

正是借助LED技术,UV-C消毒逐步在更广泛市场领域实现各种创新应用。那么,设计工程师如何才能把握这些市场机遇?设计支持将是关键因素。e络盟等技术产品分销商能够为设计工程师提供专业建议和支持,帮助他们挑选最适合其应用开发的产品。特别是对于新项目开发,设计工程师应优先考虑来自领先UV-C技术开发供应商的解决方案。

作者Andrew FawcettFarnelle络盟高级产品经理

责编:Amy Guan

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