Aspetti ingegneristici della radiazione ultravioletta

Nello spettro elettromagnetico, la radiazione ultravioletta (UV) è classificata come avente una lunghezza d'onda da 10 nm a 400 nm. Queste lunghezze d'onda sono più corte di quelle della luce visibile e più lunghe di quelle dei raggi X. Ci sono tre classificazioni di luce UV: UVA ha lunghezze d'onda tra 315 e 400 nm, UVB ha lunghezze d'onda tra 280 e 315 nm e UVC ha lunghezze d'onda tra 100 e 280 nm.

Introduzione

Il nostro sole emette radiazioni UV attraverso lo spettro da 10 a 400 nm. Quando raggiunge la superficie terrestre, con il sole a mezzogiorno, la composizione della luce solare è del 53% IR, 44% visibile e 3% UV. Di questo 3% di UV che raggiunge il suolo, circa il 95% è UVA e il 5% è UVB. Naturalmente, queste percentuali variano leggermente con la copertura nuvolosa e altre condizioni atmosferiche. Il sole non è l'unica fonte di radiazioni UV. Ci sono diversi dispositivi artificiali che generano anche queste onde. I generatori UV più familiari alle persone sono le luci nere (Figura 1).

Figura 1: Le luci nere fluorescenti tipiche emettono onde UVA

Le principali applicazioni di luci nere sono quelle in cui la luce visibile estranea è indesiderabile, osservando la conseguente fluorescenza causata quando determinate sostanze sono esposte alla luce UV. Le lampade UV a onda corta sono costituite da tubi di lampade fluorescenti senza un rivestimento di fosforo (figura 2). L'efficienza tipica di queste lampade è dal 30% al 40%, l'applicazione primaria di queste lampade è la disinfezione delle superfici di laboratorio. Le lampade a scarica di gas contengono diversi gas scelti per produrre radiazioni UV a specifiche linee spettrali che vengono utilizzate in applicazioni scientifiche specializzate. I laser possono essere specificamente fabbricati per produrre luce UV. A seconda della tecnologia laser (laser a gas, diodi laser o laser a stato solido) e dei materiali utilizzati, i laser possono essere realizzati per coprire l'intera fascia UV. Diodi a emissione luminosa (LED) vengono prodotti specificamente per produrre luce UV. Questi dispositivi sono attualmente utilizzati nelle applicazioni di polimerizzazione UV, sterilizzazione, terapia cutanea e nella chimica per identificare le miscele dei componenti.

Figura 2: Lampade UV a onda corta

C'è un mercato industriale in crescita per i LED a raggi ultravioletti ad alta potenza e per la luce visibile nella cura, nella macchina visiva e in altre applicazioni che richiedono fonti di produzione elevate. I requisiti di applicazione per i componenti industriali ad alta potenza LED e gli apparecchi di illuminazione dettano che i prodotti devono essere di un costo ragionevole, garantendo alti livelli di affidabilità, lunghi tempi di vita e tempi di fermo minimi. Queste esigenze richiedono lo sviluppo di moduli termicamente efficienti e protetti dall'ambiente operativo immediato.

Thermal design

L'utilizzo di LED UV presenta sfide termiche per l'ingegnere di progettazione. Il LED bianco standard è efficiente al 50%: la metà è trasformata in luce, il restante 50% è calore. È necessario tenere a bada quel caldo affinchè possa distruggere il LED stesso. Quando si tratta di LED UV, l'efficienza scende in modo allarmante. Nel caso di UVA, l'efficienza del LED scende al 40%, ma con LED UVC al 5%, il 95% di energia viene come calore. Sono fondamentali i dissipatori di calore! Il calore deve essere condotto fuori dalla base del LED tramite un PCB termicamente conduttivo per evitare il surriscaldamento del LED stesso. I LED hanno bisogno di condurre il calore in modo efficiente, ma anche i collegamenti elettrici funzionali sono importanti per la vita del dispositivo. Le lunghezze d'onda più corte tendono a degradare il materiale organico, quindi la scelta del PCB è spesso limitata a materiali inorganici. Essendo completamente inorganico, non si degrada con l'uso. Tradizionalmente, l'industria ha utilizzato PCB rivestiti di metallo, con uno strato dielettrico di solito realizzato con un materiale organico. Possono essere utilizzate anche ceramiche come l'ossido di alluminio o il nitruro di alluminio (AlN). Cambridge Nanotherm, specializzata nello sviluppo di soluzioni di gestione termica, ha creato Nanotherm DMS, una soluzione metallizzata diretta su una facciata che affronta queste sfide di thermal design. È un materiale in nano-ceramica con un rivestimento a film sottile che rimuove quello strato organico. La PCB mono-laterale diretta metallizzata di Nanotherm utilizza un processo brevettato di ossidazione elettrochimica che converte la superficie dell'alluminio in uno strato dielettrico di allumina. I LED UV consentono una vasta gamma di opportunità: la sfida chiave per i produttori di moduli è come bilanciare le esigenze termiche con costi e praticità.

Applicazioni

Ci sono diverse applicazioni che sfruttano le proprietà delle radiazioni UV e forniscono molti vantaggi per la salute e il benessere delle persone. La capacità delle onde UV di uccidere i microbi e di rimuovere contaminanti è oggi l'uso primario. I contaminanti ambientali interni sono praticamente composti a base di carbonio organici che si rompono con l'esposizione ad UVC ad alta intensità nell'intervallo 240 nm a 280 nm. Può anche distruggere il DNA nei microrganismi. I LED UV RVXE-280 e RVXP-280 disponibili da Digi-Key, possono aiutare nella purificazione dell'aria all'interno della stanza in cui è collocato (figura 3). Questi LED UVC a 280 nm (nominali) sono disponibili come unità Star Board o dispositivi di montaggio a superficie con uscite radianti tipiche di 4 mW (dispositivi RVXE), 16 mW (dispositivi RVXP1) e 50 mW (periferiche RVXP4).

Figura 3: Curve caratteristiche della serie XE di RayVio. La tecnologia avanzata della serie XE consente il funzionamento delle batterie per applicazioni compatte e portatili che servono i mercati consumer e professionali.

I LED UVC possono essere utilizzati anche per diverse applicazioni di sterilizzazione e disinfezione. Nei laboratori di medicina e biologia, la radiazione UVC viene utilizzata in combinazione con altre tecniche per sterilizzare gli strumenti e le superfici di lavoro. Altre applicazioni comuni per la radiazione UVC includono il trattamento delle acque di scarico e dell'acqua potabile comunale. È anche utilizzato dagli imbottigliatori di acqua di sorgente per sterilizzare il loro prodotto. Inoltre, la radiazione UVC viene utilizzata per uccidere i microrganismi nell'industria alimentare. La radiazione UV non è solo utile per la purificazione e la sterilizzazione, ma è anche un aiuto alla cura della pelle per alcune condizioni come la psoriasi e la vitiligine (una condizione in cui le patch cutanee perdono il pigmento). Un uso fondamentale è nell'apparecchiatura di trattamento per l'essiccazione di vernici, adesivi e altri materiali. Queste applicazioni possono utilizzare sia la luce visibile che la luce UV in una gamma di lunghezze d'onda inferiori a 450 nm, tipicamente applicando lunghezze d'onda di banda UV-A tra 365 e 405 nm.

Conclusioni

I LED UV sono LED che emettono raggi UV con una lunghezza d'onda di circa 400 nm. Sono suddivisi in diodi a emissione ultravioletti (NUV-LED), la cui lunghezza d'onda di emissione è di circa 300-400 nm, e i LED a raggi ultravioletti (DUV-LED), la cui lunghezza d'onda di emissione è di circa 200-300 nm. I LED UV sono promettenti candidati per varie applicazioni: sostituzione di lampade UV; sorgenti luminose a fluorescenza per illuminazione e display; sorgenti luminose ad alta risoluzione per microscopi e macchine di esposizione; sorgenti luminose per l'eccitazione chimica utilizzati per la cura della resina, la medicina e la biotecnologia; sorgenti luminose di eccitazione per spettroscopia utilizzati per l'identificazione di banconote, chip di DNA e monitoraggio ambientale (figura 4).

Figura 4: il mercato dei LED UV

I LED UV che emettono luce ad una potenza di pochi milliwatt hanno già sostituito le lampade UV per l'identificazione di banconote in macchine automatiche. L'efficienza quantistica esterna del NUV-LED, in particolare, è notevolmente migliorata a causa degli sviluppi della tecnologia del cristallo, del trattamento dei chip e delle tecnologie di packaging, raggiungendo il 30% a una lunghezza d'onda di 365 nm, il 50% a 385 nm e il 60% a 405 nm. La potenza per LED di prodotti ad alta potenza ad una lunghezza d'onda di 365 nm ha raggiunto 12 W, 100 volte i valori di dieci anni fa, 118 mW (500 mA). Il costo di questi LED ad alta potenza è diminuito a seguito della produzione di massa, rendendoli disponibili per varie applicazioni.