Fortschritte bei UV-LEDs versprechen schnelle Akzeptanz

Für UV-LEDs existieren zahlreiche Anwendungsszenarien. Dazu zählen zum Beispiel das Aushärten von Lacken und Klebstoffen, das Desinfizieren von Oberflächen sowie Analysen und Synthesen von Chemikalien. Es sind jedoch die gleichen Eigenschaften gefragt, die LEDs auch für allgemeine Beleuchtungsanwendungen so attraktiv machen:

• kleine leuchtende Fläche und geringe Gesamtabmessungen
• lange Lebensdauer bei niedrigen Wartungs- und Reparaturkosten
• niedrige Betriebsspannung und geringe Leistungsaufnahme
• präzise Steuerung der Wellenlänge des abgegebenen Lichts
• keine schädlichen chemischen Komponenten

Bild 1: Position des UV-Lichts im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Seoul Viosys

Diese Eigenschaften haben auf LEDs spezialisierte Ingenieure dazu gebracht, neue innovative Anwendungen für UV-Licht vorzuschlagen. Auch Hersteller von UV-Geräten ziehen jetzt UV-LEDs als direkten Ersatz für herkömmliche UV-Lichtquellen in Betracht.

Doch obwohl die Vorteile der UV-LEDs auf dem Papier verlockend aussehen, setzen sie sich in der Praxis deutlich langsamer durch als LEDs für sichtbares Licht. Hersteller von UV-LEDs verbessern quartalsweise ihre Produkte und erreichen erheblich geringere Stückkosten bei höherer optischer Ausgangsleistung. Eine Welle neuer Entwicklungen von UV-Produkten wird erwartet, die für die Anwender deutlich günstiger, länger nutzbar und damit nachhaltiger sein werden.

Warum die Nachfrage steigt

Tabelle 1: Eigenschaften und typische Anwendungen der verschiedenen UV-Licht-Klassen Future Lighting Solutions

Der UV-Teil des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich über einen Wellenlängenbereich von 100 bis 400 nm (Bild 1). Dabei ist der UV-Teil in drei Bereiche unterteilt: UVA, UVB und UVC. Wie Tabelle 1 zeigt, sind die einzelnen Klassen von UV-Licht für bestimmte Anwendungen besser geeignet als andere.

UV-Licht hat sehr starke chemische und biologische Wirkungen auf die bestrahlten Objekte – Wirkungen, die im Wesentlichen über die Oberfläche wirken und nicht wie sichtbares Licht über eine Erwärmung des Gegenstandes. Am wirksamsten ist UV-Bestrahlung für die Interaktion mit organischen Molekülen. So lässt sich zum Beispiel die Energie der UVA/UVB-Photonen dazu nutzen, chemische Reaktionen durch Fotoinitiatoren auszulösen. Dieser Effekt wird für die Härtung von Lacken und anderen Beschichtungen, Klebern sowie in der Fotolithografie eingesetzt. Eine Kombination aus UVC, UVB und UVA kann beim Aushärten zum Einsatz kommen, wobei UVC die Oberfläche aushärtet, während die tiefer eindringenden UVB und UVA das übrige Material durchhärten.

UVB wird auch bevorzugt in der Fototherapie eingesetzt, zum Beispiel bei der Behandlung von Hauterkrankungen wie der Schuppenflechte, denn es bietet die beste Kombination aus Wirksamkeit und Sicherheit. Zur Desinfektion und Sterilisierung ist UVC-Licht erforderlich.

Bisher arbeiten diese Anwendungen üblicherweise mit konventionellen UV-Lichtquellen. Diese UV-Leuchtmittel werden weiterhin wegen ihrer vergleichsweise niedrigen Stückkosten – genauer ihres günstigen Verhältnisses von Kosten zu abgestrahlter Leistung –  und auch wegen ihrer hohen Strahlungsleistung verwendet. Die Wirksamkeit einer Anwendung von UV-Licht ist im Wesentlichen eine Funktion der Strahlungsleistung und der Belichtungszeit. Um Wasser in einem öffentlichen Schwimmbad zu desinfizieren, muss eine UV-Lichtquelle ein großes Wasservolumen bestrahlen, das mit einer konstant hohen Durchflussrate strömt. Dazu ist wegen der kurzen Belichtungszeit eine hohe Strahlungsleistung erforderlich.

Tabelle 2: In vielen Anwendungen sind UV-LEDs herkömmlichen UV-Lichtquellen überlegen. Future Lighting Solutions

Im Gegensatz dazu kann die Desinfektion des Trinkwassers im Tank eines kleinen Sportboots langsam erfolgen, mit einer langen Belichtungszeit und entsprechend geringer Strahlungsleistung – eine ideale Anwendung für UV-LEDs. Tatsächlich sind UV-LEDs konventionellen UV-Lichtquellen in nahezu jeder Hinsicht überlegen. Wichtigster Nachteil der LED ist das deutlich ungünstigere Verhältnis ihrer Kosten zur Strahlungsleistung im Vergleich zu herkömmlichen UV-Lichtquellen. Damit wird die Desinfektion von Schwimmbädern in absehbarer Zukunft die Domäne von UV-Bogenlampen bleiben. Bei vielen Anwendungen führen jedoch die überlegenen Eigenschaften der LED zu einem Wandel. Tabelle 2 zeigt die Vorteile der UV-LED gegenüber herkömmlichen UV-Lichtquellen.

Herkömmliche UV-Lichtquellen ersetzen

Die Eigenschaften der LED sprechen in einigen Anwendungen dafür, herkömmliche UV-Lichtquellen zu ersetzen. So wird in Nagelstudios UV-Licht eingesetzt, um Nagellack auszuhärten. Hier bietet die LED einen erheblichen Mehrwert: Die geringeren Abmessungen und das niedrige Gewicht ergeben kompakte und leicht zu handhabende Geräte, sie sind robust und unempfindlich gegenüber Stößen oder Herabfallen von der Arbeitsfläche und die elektrische Sicherheit für Bediener ist dank niedriger Betriebsspannung leichter zu gewährleisten.

LEDs begünstigen außerdem die Entwicklung neuer Anwendungen, für die konventionelle Lichtquellen wie Quecksilberdampflampen ungeeignet sind. So lässt sich eine kleine UVC-LED im Wassertank einer Kaffeemaschine oder eines Trinkwasserbrunnens einbauen, um die Vermehrung von Mikroorganismen im Wasser zu verhindern. Für diese Anwendung eignen sich UV-LEDs ganz besonders, denn die LED ist klein und leicht unterzubringen, der Betrieb mit niedriger Spannung in feuchter Umgebung ist elektrisch sicher und dank ihrer langen Lebensdauer entfällt mit der LED ein teurer Wechsel des Leuchtmittels.

Bild 2: Das Nichaia-UVA-Modul NVCUQ096A ist nur 25 × 45 mm² groß. Future Lighting Solutions

Bild 3: Die Luxeon-UV-FC-LEDs (hier Vorder- und Rückseite) sind im Chip Scale Package mit Die-Größen von 1 mm² und 2 mm² verfügbar. Lumileds

Genau diese Eigenschaften der UV-LED kommen auch in kompakten Luftwäschern oder Luftreinigern zum Tragen. In diesen Geräten bestrahlt UVA-Licht einen mit Titandioxid beschichteten Katalysator, um freie Radikale zu erzeugen, die große organische Moleküle zersetzen. Diese Luftreiniger können in Kühlschränken und Klimageräten zum Einsatz kommen. In Kraftfahrzeugen entfernen sie unangenehm riechende, flüchtige organische Verbindungen wie Tabakrauch oder Ausgasungen von Kunststoffen. In Kombination mit Bakterien abtötendem UVC-Licht sorgt ein Luftreiniger dafür, dass die Klimaanlage des Fahrzeugs frei von Gerüchen und Luftschadstoffen bleibt. Außerdem reduziert es die Häufigkeit der Reinigung der Anlage und des Filteraustauschs. Diese praktischen Vorteile der UV-Lichtquellen gewinnen angesichts der Einführung neuer LED-Produkte mit überlegenen Eigenschaften noch weiter an Wert.

Für schnelle Akzeptanz

Bei Anwendungen zum Aushärten, zum Beispiel von Nagellack in einem Nagelstudio, ist die Geschwindigkeit ein wesentlicher Faktor, und die Geschwindigkeit hängt von der UV-Strahlungsleistung ab. Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien lassen sich kompakte LED-Lichtquellen leichter fokussieren und näher am Zielobjekt anordnen. Das minimiert die Verluste und sorgt für eine gute Bestrahlung in einem kleinen Zielbereich.

Dank der Einführung neuer Module mit mehreren Chips liefern kompakte LED-Lichtquellen noch höhere Leistungen. Ein gutes Beispiel ist das UVA-Modul NVCUQ096A-D4 von Nichia (Bild 2). Bei einer Spitzen-Wellenlänge von 385 nm liefert es eine optische Ausgangsleistung von 150 W bei einem Strahl mit ±30° Öffnungswinkel. Dieses Modul ist nur 25 x 45 mm² groß.

Seoul Viosys produziert ebenfalls interessante Innovationen für den UV-LED-Markt. Während gewöhnliche UVC-LEDs eine vertikale Chipstruktur in einem keramischen Gehäuse mit einem Fenster aus Quarzglas haben, hat Seoul Viosys unter der Marke Wicop UV eine kompaktere Bauform in Chipgröße entwickelt. Diese gehäuselose SMD-Chip-Technologie funktioniert ohne die Kosten und optischen Verluste der herkömmlichen Architektur mit Keramik und Quarzglas.

Beim Einsatz in UV-Geräten versprechen diese UV-LEDs eine höhere optische Ausgangsleistung auf kleinerem Raum bei niedrigeren Stückkosten. Die Wicop-UV-Technologie hat auf der UVA-Seite einen Rivalen in der Lumileds-Produktreihe Luxeon UV FC. Dabei steht FC für die Flip-Chip-Plattformtechnologie (Bild 3). Die Produkte der Reihe Luxeon UV FC werden im Chip Scale Package (CSP) mit Die-Größen von 1 mm² und 2 mm² geliefert, die mit Standardausrüstung und -prozessen für SMD auf ein Substrat aufbringbar sind.

Unterstützung bei der Produktentwicklung

Die Wahl und Spezifikation von UV-LEDs sind wichtige Aufgaben bei der Systementwicklung. LED-Hersteller bieten ihre Produkte jedoch nur in bestimmten Kategorien an. Dadurch können Einkäufer Produkte lediglich nach Lichtfluss (optische Ausgangsleistung), Betriebsspannung und Wellenlänge selektieren.

Die Auswahl aus einem herstellerübergreifenden Angebot von UV-LEDs wird durch den Einsatz von Software zum Produktvergleich wie dem Usable Light Tool von Future Lighting Solutions wesentlich erleichtert. Anwender geben den benötigten Lichtfluss und die Wellenlänge ein und erhalten sofort eine detaillierte Liste von Produkten, die dieser Spezifikation entsprechen. Damit lassen sich viele Stunden mühsamer Suche in Online-Datenblättern einsparen und wertvolle anwendungsspezifische Vergleichsdaten gewinnen.

Systementwickler können dieses Werkzeug in Kombination mit der Unterstützung durch die Anwendungsingenieure von Future Lighting Solutions auch dazu nutzen, die umgebenden Komponenten zu spezifizieren:

• LED-Treiber mit Konstantstromausgang und Standardausgangsspannungen sind ohne weiteres verfügbar.
• Optiken für UV-Licht sind in der Markteinführung. Die verfügbaren Optiken wurden für LEDs im sichtbaren Spektrum entwickelt, sind aber für UV-Licht nicht durchlässig. Ledil hat Silikonoptiken entwickelt, die für UVA-LEDs geeignet sind. Die Entwicklung von Optiken für LEDs im UVB- und UVC-Bereich schreitet voran.

Mit der Unterstützung durch die Fachleute für optische Technologien und die Softwarewerkzeuge von Future Lighting Solutions können Entwickler von UV-Beleuchtungen heute schon die aktuellsten UV-LEDs beruhigt einsetzen und die Vorteile dieser Technologie bei Platzbedarf, Kosten und Energieeinsparung nutzen.

(na)