Miten UVC-ledejä käytetään turvalliseen, tehokkaaseen ja toimivaan taudinaiheuttajien torjuntaan

COVID-19-pandemia on rohkaissut insinöörejä harkitsemaan ultraviolettivalon (UV) käyttöä desinfiointi- ja sterilointituotteissa, jotka ”inaktivoivat” SARS-CoV-2-viruksen (virus, joka aiheuttaa COVID-19-taudin). Tavanomaisissa desinfiointi- ja sterilointituotteissa käytetään matalapaineisia elohopeahöyrylamppuja, jotka säteilevät taudinaiheuttajien hävittämiseen tarvittavia UVA-aallonpituuksia. Mutta ledit tarjoavat monia etuja, kuten paremman tehokkuuden, suuremman valotehon, pidemmän käyttöiän ja alhaisemmat elinkaarikustannukset.

UVA-ledit on suhteellisen helppo valmistaa – mukauttamalla sinisen valon ledit lähelle näkyvää spektrialuetta – ja niitä on ollut saatavilla yli kymmenen vuoden ajan teollisuuden kovetussovelluksiin. SARS-CoV-2-viruksen inaktivointi vaatii kuitenkin energialtaan korkeampaa UVC-valoa.

Viime vuosina on tullut saataville kaupallisia UVC-ledejä. Näitä laitteita ei kuitenkaan voida pitää tavanomaisten elohopeahöyrylamppujen helppona korvaajana, koska ne asettavat suunnittelulle monia uusia haasteita. Esimerkiksi desinfiointi- ja sanitaatiotuotteet vaativat suurta ja tarkoin säädeltyä säteilytehoa asianmukaisen toiminnan varmistamiseksi. Lisäksi UVC-ledit eivät ole vaarallisia ainoastaan bakteereille ja viruksille, vaan myös ihmisille, joten riittävä suojaus on tärkeä osa suunnitteluprosessia.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti UV-säteilyn tyyppejä ja sen merkitystä desinfioinnissa ja taudinaiheuttajien torjunnassa. Sen jälkeen siinä kuvaillaan ledien käytön etuja säteilylähteenä sekä tähän liittyviä suunnitteluhaasteita. Artikkelissa esitellään sitten ratkaisuja näihin haasteisiin käyttäen esimerkkinä valmistajien OSRAM Opto Semiconductors, Inc,, Everlight Electronics ja SETi/Seoul Viosys UV-ledejä.

Miksi käyttää UV-valoa taudinaiheuttajien torjuntaan?

UV-säteily kuuluu näkyvän valon ja röntgensäteiden väliin jäävään sähkömagneettiseen spektriin ja se sisältää lyhytaaltoiset (400–100 nanometrin (nm)) fotonit, joilla on vastaavasti korkeampi energiataso. Säteilyn aallonpituus on kääntäen verrannollinen taajuuteen: mitä lyhyempi aallonpituus, sitä korkeampi taajuus (kuva 1).

Kuva 1: Sähkömagneettisessa spektrissä UV-säteily sijoittuu juuri näkyvän valon alapuolelle aallonpituudella 100–400 nm ja se jaetaan kolmeen eri alatyyppiin, A, B ja C. (Kuvan lähde: Kanadan valtionhallinto)

UV-säteilyn ja biologisten materiaalien vuorovaikutuksen perusteella on määritelty kolme UV-valon tyyppiä: UVA (400–315 nm), UVB (314–280 nm) ja UVC (279–100 nm). Aurinko tuottaa kaikkia kolmea muotoa, mutta ihmisen altistuminen rajoittuu pääasiassa UVA-säteilyyn, koska UVB ja UVC eivät juurikaan läpäise maapallon otsonikerrosta. Kaikkia kolmea UV-valotyyppiä voidaan kuitenkin tuottaa keinotekoisesti useilla menetelmillä, esimerkiksi elohopeahöyrylampuilla ja nykyisin myös UV-ledeillä.

UVC-säteily oli vakiintunut tekniikka taudinaiheuttajien hävittämisessä jo kauan ennen nykyistä pandemiaa. Konventionaalissa tuotteissa UV-lähteenä käytetään elohopeahöyrylamppuja. Viimeaikaiset tutkimukset UVC:n vaikutuksesta SARS-CoV-2-virukseen ovat osoittaneet, että aallonpituudeltaan noin 250–280 nm:n UV-valo absorboituu ensisijaisesti viruksen RNA:han ja että kokonaisannos 17 joulea neliömetriä kohti (J/m²) inaktivoi 99,9 prosenttia patogeeneistä. Huomaa, että tämä säteilytystaso ei tapa virusta kokonaan, mutta häiritsee sen RNA:ta riittävästi estääkseen sen monistumisen, mikä tekee viruksesta vaarattoman ja rajoittaa samalla ihmisen UV-altistumista.

UV-valon lähteet

Elohopeahöyrylamppu toimii perinteisenä UV-valon lähteenä. Se on kaasupurkauslaite, jossa valo säteilee höyrystyneen metallin plasmasta, kun sähköpurkaus virittää sen. Jotkin tuotteet sisältävät sulatetun kvartsikaariputken, joka edistää huippuemissiota UVC-aallonpituudella 185 nm (UVA- ja UVB-emission lisäksi) desinfiointi- ja sterilointitarkoituksiin (kuva 2).

Kuva 2: Ennen UVC-ledien keksimistä alhaisen paineen elohopeahöyrylamput olivat kaikkein käytännöllisin UV-valon lähde. (Kuvan lähde: JKL Components)

Elohopeahöyrylamput ovat suhteellisen tehokkaita ja pitkäikäisiä verrattuna perinteisiin hehkulamppuihin, mutta niiden suurin haittapuoli on myrkyllisen elohopean vapautuminen ympäristöön, jos polttimo rikkoutuu normaalin käytön aikana tai hävitettäessä lamppu.

UVC-ledit puolestaan tuovat desinfiointi- ja sterilointisovelluksiin samoja keskeisiä etuja kuin ledit tuovat yleisvalaistukseen, kuten tehokkuuden, suuremman valotehon, pidemmän käyttöiän ja alhaisemmat elinkaarikustannukset. Vaikka ledien hävittämisessä on edelleen noudatettava varovaisuutta, ne eivät kuitenkaan aiheuta samanlaisia ympäristöriskejä kuin elohopeapohjaiset valonlähteet.

UVC-ledit perustuvat sinisten ledien teknologiaan. Niissä käytetään alumiinigalliumnitridisubstraatteja (AlGaN) alustana laajemman kaistaeron (lyhyemmän aallonpituuden) emittereille kuin punaisissa ledeissä. UVC-ledien hyötysuhde on kuitenkin alhaisempi ja ne ovat kalliimpia kuin siniset ledit, mikä johtuu suurelta osin siitä, että galliumnitridi ei ole UVC-säteilyn suhteen läpinäkyvää. Tämän seurauksena suhteellisen harvat emittoituneet UVC-fotonit pääsevät sirun ulkopuolelle.

Viimeaikaisia kehitysaskeleita, mukaan lukien heijastava p-koskettimen metallointi, kuvioidut substraatit, teksturoidut pinnat, mikrokaviteettiefektit ja volumetrinen muotoilu, käytetään nyt UV-ledien tehokkuuden lisäämiseksi ja kaupalliset tuotteet tarjoavat nyt kohtuullisen suorituskyvyn.Insinöörien on kuitenkin otettava huomioon, että laitteiden hyötysuhde on alhaisempi kuin näkyvän valon ledeillä ja että fotonien poimintaan liittyvä ylimääräinen monimutkaisuus nostaa kustannuksia. Valmistajan teknisissä tiedoissa vältetään yleensä hyötysuhdelukuja ja annetaan sen sijaan yksityiskohtaiset tiedot valotehosta (milliwatteina (mW)) tietyllä käyttövirralla ja jännitteellä.

UVC-ledien esimerkkiratkaisuja

Markkinoilla on useita kaupallisia UVC-ledejä, jotka on suunniteltu erityisesti emittoimaan säteilyä optimaalisella aallonpituudella taudinaiheuttajien inaktivoimiseksi. Esimerkiksi OSRAM Opto Semiconductors, Inc. tarjoaa tuotteen SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, joka on 275 nm:n aallonpituutta emittoiva UVC-ledi. Ledi tuottaa 35–100 mW:n kokonaissäteilytehon (riippuen binäärisestä valinnasta) 350 milliampeerin (mA) ja 5–6 voltin myötäsuuntaisella virralla ja jännitteellä (kuva 3).

Kuva 3: UVC-ledit tarjoavat emissiohuiput 100–280 nm:n alueella. SARS-CoV-2-viruksen inaktivoinnissa ihanteellinen huippu on 250–280 nm:n välillä. Tässä näkyvän OSRAM OSLON UVC-ledin säteilyteho on huipussaan aallonpituudella 277 nm. (Kuvan lähde: OSRAM)

Toinen esimerkki on Everlight Electronicsin ELUC3535NUB, 270–285 nm:n UVC-ledi. Tämä on keraamipohjainen laite ja sen säteilyteho 10 mW 100 mA:n myötäsuuntaisella virralla ja 5–7 voltin jännitteellä (kuva 4).

Kuva 4: Everlight Electronicsin 270–285 nm:n UVC-ledi on asennettu keraamiseen runkoon. Ledin koko on 3,45 x 3,45 mm. (Kuvan lähde: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys puolestaan tarjoaa tuotteen CUD5GF1B. Ledi, 255 nm:n emitteri, on asennettu keraamiseen koteloon pinta-asennusta varten, ja sen lämpöresistanssi on alhainen. Laitteen säteilyteho on 7 mW 200 mA:n/7,5 V:n käyttövirralla/-jännitteellä. Ledin emittoiman aallonpituuden poikkeama on lämpötilan kasvaessa minimaalinen: se poikkeaa 50 °C:n lämpötila-alueella 255 nm:n huipputehosta vain 1 nm:n verran. Tämä on tärkeä näkökohta laitteelle, joka edellyttää tehon tiukka kontrollointia virusten tehokkaan inaktivoinnin takaamiseksi (kuva 5).

Kuva 5: SETi/Seoul Viosys CUD5GF1B UVC-ledi poikkeaa 50 °C:n lämpötila-alueella 255 nm:n huipputehosta vain 1 nm:n verran. (Kuvan lähde: SETi/Seoul Viosys)

Suunnittelu UVC-ledeillä

Ledit tuovat mukanaan omat suunnitteluhaasteensa, joten on epäkäytännöllistä yrittää mukauttaa elohopeahöyryvalonlähteelle suunniteltua tuotetta UVC-ledien käyttöön. Tästä syystä elohopeahöyrylamppujen korvaaminen UVC-ledivaloilla desinfiointi- tai sterilointisovelluksissa ei tarkoita vain yhden valonlähteen vaihtamista toiseen.

Valittaessa UVC-ledejä desinfiointiin tai sterilointiin suunnitteluprosessi tulisi aloittaa määrittelemällä alue, joka UVC-valon on katettava, sekä säteilyteho (”irradianssi”) watteina neliömetriä kohti (wattia/m²), joka tarvitaan kohdepatogeenien inaktivoimiseen säteilytettävältä alueelta.

Tarkastellaanpa esimerkiksi sovellusta, jossa ilmastointikanavasta tuleva ilma desinfioidaan. Edellä esitettyjen 17 J/m² -vaatimusten perusteella kaikkien ilmavirtauksessa olevien virusten inaktivointi 0,25 m²:n alueelta noin viidessä sekunnissa edellyttäisi järjestelmää, jonka irradianssi on noin 4 wattia/m² (kokonaisteho 1 watti).

Kun haluttu irradianssi on laskettu, suunnittelija voi selvittää, miten se voidaan toteuttaa. Nyrkkisääntönä on ottaa kunkin ledin säteilyteho ja jakaa kokonaisirradianssi tällä luvulla, jotta saadaan selville, kuinka monta lediä tarvitaan kullekin komponenttiluettelossa olevalle tuotteelle.

Tämä karkea laskelma on yksinkertaistettu, koska siinä ei oteta huomioon tehon jakautumista. Kaksi tekijää määrittää, miten säteilyteho osuu kohdepintaan. Ensimmäinen on ledin ja kohteen välinen etäisyys ja toinen on ledin ”sädekulma”.

Jos ledi katsotaan pistemäiseksi lähteeksi, sen irradianssi laskee käänteisen neliön lain mukaisesti. Jos esimerkiksi 1 cm:n etäisyydellä emissiopisteestä irradianssi on 10 mW neliösenttimetriä kohti (mW/cm²), silloin irradianssi laskee 10 cm:n etäisyydellä arvoon 0,1 mW/cm². Tässä laskelmassa oletetaan kuitenkin, että ledi säteilee tasaisesti kaikkiin suuntiin, mikä ei pidä paikkaansa. Sen sijaan ledien ominaisuuksiin kuuluu primäärioptiikka, joka ohjaa säteilytehon tiettyyn suuntaan. Valmistajat ilmoittavat yleensä ledien sädekulman teknisessä taulukossa, ja se on määritelty kulmaksi, jossa 50 prosenttia irradianssihuipusta saavutetaan alkulähteen kummallakin puolella.

OSRAM:in, Everlight Electronicsin ja SETi/Seoul Viosysin edellä kuvailtujen UVC-ledien sädekulmat ovat 120, 120 ja 125 astetta. Kuvassa 6 näytetään OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UVC-ledin irradianssikuvio. Kaaviossa näytettävä pisteviiva arvojen 0,4 ja 0,6 välissä ilmaisee, missä ledi saavuttaa 50 prosenttia irradianssin huippuarvosta. Tämä määrittää sädekulman (60 + 60 astetta).

Kuva 6: Katkoviiva ilmaisee OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UVC-ledin irradianssikuviossa sen, missä saavutetaan 50 prosenttia irradianssihuipusta: tämä määrittelee sädekulman (60 + 60 astetta). (Kuvan lähde: OSRAM)

Keskeinen ominaisuus, joka määrittää sädekulman, on ledisirun ja primäärioptiikan koon suhde. Siksi kapeamman säteen tuottaminen edellyttää pienempää emitteriä tai suurempaa optiikkaa (tai näiden kahden välistä sopivaa tasapainoa). Suunnittelukompromissina on, että pienempi siru tuottaa vähemmän säteilyä, kun taas suurempia optiikoita on vaikeampi valmistaa, mikä nostaa hintoja ja rajoittaa sädekulman hallintaa.

Kaupalliset ledit toimitetaan tyypillisesti tehtaalla asennetuilla primäärioptiikoilla varustettuina, joten suunnitteluinsinööri ei voi tehdä päätöstä sirun ja optiikan välisestä suhteesta. Tämän vuoksi on tärkeää tarkistaa valittujen tuotteiden sädekulma, koska kahdella eri valmistajan identtisellä lähtölaitteella voi olla hyvin erilaiset emissiokuviot.

Vaikka ledin ja irradianssin kohteena olevan objektin välinen etäisyys ja sädekulma ovat hyviä lähtökohtia irradianssikuvion arviointia varten, on myös varianssia aiheuttavia tekijöitä. Esimerkiksi yksittäisen valmistajan ledit, joiden tehot ja sädekulmat ovat teoriassa identtiset, voivat synnyttää valokuvioita, jotka poikkeavat toisistaan huomattavasti voimakkuudeltaan ja laadultaan primäärioptiikkasuunnittelun mukaan. Ainoa tapa varmistaa todellinen irradianssikuvio on testata valittujen tuotteiden toiminta.

Kun tiedossa on ledin teho, ledin ja pinnan välinen etäisyys, jolla desinfioitavat esineet ovat, sädekulma ja todelliset emissiotiedot, suunnittelija voi laskea, kuinka monta lediä tarvitaan ja miten ne tulisi sijoittaa, jotta aktiivisella alueella saadaan aikaan haluttu irradianssi.

Ledin lopullinen valinta riippuu halutusta kustannusten, tehokkuuden ja monimutkaisuuden välisestä kompromissista. UVC-ledit ovat kalliita, joten yksi mahdollisuus on käyttää pienempää määrää tehokkaampia laitteita useampien, vähemmän tehokkaiden laitteiden sijasta. Tämän skenaarion hyvä puoli on se, että ledikomponenttien kustannukset voivat olla alhaisemmat ja ohjain voi olla vähemmän monimutkaisempi. Huonona puolena on se, että tehokkaammat laitteet vaativat alhaisen hyötysuhteensa vuoksi parempaa lämmönhallintaa, jotta niiden käyttöikä pysyisi pitkänä (korkeat lämpötilat lyhentävät huomattavasti ledien käyttöikää). Tämä edellyttää suurempia jäähdytyslevyjä, mikä mitätöi osan ennakoiduista kustannussäästöistä.

Sekundäärisen optiikan suunnittelu

Vaihtoehtona ledimäärän lisäämiselle ja/tai ledien tehon nostamiselle on sekundäärisen optiikan käyttö. Nämä laitteet kollimoivat (tuottavat samansuuntaisia, yhtä voimakkaita valonsäteitä) ledin UVC-lähdöstä ja eliminoivat näin tehokkaasti sädekulmavaikutukset. Teoriassa kollimointia käytettäessä irradianssin pitäisi olla yhtenäinen koko kohdepinnalla (ledien sijoittelusta riippumatta) ja haluttu irradianssitaso pitäisi saavuttaa vähemmillä ledeillä, koska pienempi osa tehosta menee hukkaan. Vaihtoehtoisesti korkeampi irradianssi voidaan saavuttaa samalla ledimäärällä kuin mallissa ilman sekundäärioptiikkaa (350 mW/m² vrt. 175 mW/m²) (kuva 7).

Kuva 7: UVC-emission kollimointi sekundäärioptiikan avulla (vasemmalla) lisää kohdealueen irradianssia verrattuna järjestelmään, jossa on sama lediteho, mutta jossa käytetään (kollimoimatonta) primäärioptiikkaa. (Kuvan lähde: LEDiL)

Käytännössä irradianssi on sekundäärioptiikalla vähemmän tasaista, koska kollimaatio on parhaillakin tuotteilla epätäydellistä diffraktioiden vuoksi (vaikka kollimaatio on sitä parempi, mitä pienempi ledi on). Lisäksi ledien ja sekundäärioptiikan sijoittelussa tarvitaan usein pitkäkestoisia kokeiluja, jotta voidaan varmistaa vaadittu irradianssi pienemmällä määrällä laitteita verrattuna vastaavaan rakenteeseen ilman sekundäärioptiikkaa.

Huomaa, että UVC-ledien sekundäärioptiikat valmistetaan eri materiaaleista kuin näkyvän valon ledeissä käytettävät optiikat. Yleisiä ratkaisuja ovat ruiskuvaletut silikoniosat, jotka heijastavat hyvin UVC-aallonpituuksia ja mahdollistavat monimutkaisten linssimallien valmistuksen. UVC-kollimointiin voidaan käyttää myös alumiiniheijastimia. Sekundäärioptiikkojen käytössä kompromissina on pienemmän ledimäärän käytöllä saatavat kustannussäästöt verrattuna kollimaattorin suunnittelun monimutkaisuuden kasvuun.

Varotoimenpiteet

Vaikka UV-säteily ei pääsekään tunkeutumaan syvälle ihmisihoon, se imeytyy ihoon ja voi aiheuttaa lyhytaikaisia vaurioita kuten ihon palamista ja pitkäaikaisia vaurioita kuten ryppyjä sekä ihon ennenaikaista vanhenemista. Äärimmäisissä tapauksissa UV-altistuminen voi aiheuttaa ihosyöpää. UV-valo on erityisen vaarallista silmille, sillä se voi vahingoittaa sekä verkkokalvoa että sarveiskalvoa. Kun UV-säteily on vuorovaikutuksessa ilman kanssa, se voi tuottaa myös otsonia, joka on suurina pitoisuuksina terveydelle vaarallista.

Näiden vaarojen vuoksi on suositeltavaa suunnitella tuotteet sellaisiksi, että altistuminen UVC-valolle on rajoitettua ja että käyttäjät eivät voi katsoa suoraan ledivaloon. Koska UVC on näkymätöntä, on myös suositeltavaa valita ledivaloja, jotka sisältävät tarkoituksella jonkin verran näkyvää sinistä valoa. Tällöin on selvää, milloin UVC-ledit ovat kytkettyinä päälle.

Erityisesti SARS-CoV-2-viruksen tapauksessa sterilointiyksiköiden asennus LVI-yksiköihin mahdollistaa ilman mukana kulkevan viruksen nopean inaktivoinnin ja pitää UVC:n poissa ihmisten ulottuvilta. Toisaalla tutkitaan parhaillaan myös sellaisia ledivaloja, jotka voidaan asentaa valaisimiin ja jotka säteilyttävät pintoja hyvin alhaisella, ihmiselle vaarattomalla UVC-tasolla, mutta jotka riittävät pitkällä aikavälillä inaktivoimaan virukset pinnoilta, kuten pöydiltä, tuoleilta, lattioilta ja ovenkahvoilta.

Yhteenveto

UVC-säteilyä voidaan käyttää SARS-CoV-2-viruksen kaltaisten taudinaiheuttajien inaktivoimiseen desinfiointi- ja sterilointituotteissa. Tavallisesti keinotekoisena UVC-lähteenä käytetään kuitenkin elohopeahöyrylamppua, jonka hävittämiseen liittyy haasteita raskasmetallipitoisuuden vuoksi. UVC-ledit ovat niille tehokkaampi ja pitkäikäisempi vaihtoehto, joka helpottaa hävittämisongelmia. Kauppoihin onkin tullut saataville useita UVC-ledejä, joiden emissiohuiput ja aallonpituudet sopivat ihanteellisesti taudinaiheuttajien inaktivointiin.

Vanhoja lamppuja ei kuitenkaan voida suoraan korvata näillä ledeillä vaan niiden hyötyjen maksimoiminen edellyttää huolellista suunnittelua. Kuten edellä on kuvattu, suunnittelijan on aloitettava aktiiviselle pinnalle halutusta irradianssista ja sen jälkeen laskettava UVC-ledien määrä ja sijoittelu, jotka tarvitaan kyseisen irradianssin saavuttamiseen. Suunnittelijan on myös päätettävä, turvautuako ledien primäärioptiikkaan tasaisen irradianssin aikaansaamiseksi vai käyttääkö sekundäärioptiikkaa UVC-tehon kollimoimiseksi optimaalista kuviota varten, jolloin on otettava huomioon suuremmasta monimutkaisuudesta aiheutuvat kustannukset.