Ультрафиолетовый

Роботы и незнакомые машины используют определенный диапазон ультрафиолетового света для стерилизации поверхностей, которые могут быть заражены коронавирусом. Те, кому необходимо обеззараживать большие помещения, такие как больничные палаты или салоны самолетов, используют большие энергоемкие ртутные лампы для производства ультрафиолетового света. Компании по всему миру работают над улучшением возможностей производства светодиодов UV-C, чтобы предложить более компактную и эффективную альтернативу. Ранее в этом месяце компания Seoul Viosys продемонстрировала, по ее словам, первую 99,9-процентную стерилизацию SARS-COV-2, коронавируса, вызывающего COVID-19, с использованием ультрафиолетовых светодиодов.

УФ-светодиоды смертельны для вирусов и бактерий, поскольку длина волны C-диапазона 100–280 нанометров уничтожает генетический материал. К сожалению, он также сильно поглощается азотом из воздуха, поэтому источники должны быть мощными, чтобы оказывать воздействие на расстоянии. (Воздух является настолько сильным барьером, что солнечное ультрафиолетовое излучение не достигает поверхности Земли.) Работая с исследователями из Корейского университета в Сеуле, компания показала, что ее светодиодные модули Violed могут устранить 99,9 процентов SARS-COV. Вирус -2, использующий 30-секундную дозу с расстояния трех сантиметров.

К сожалению, компания не раскрыла, сколько светодиодов было использовано для этого. Если предположить, что они и исследователи из университета использовали один интегрированный светодиодный модуль Violed CMD-FSC-CO1A, 30-секундная доза могла бы передать не более 600 миллиджоулей энергии. Это в некоторой степени соответствует ожиданиям. Исследование способности UVC убивать вирусы гриппа А на респираторных масках N95 показало, что с этой задачей справится около 1 джоуля на квадратный сантиметр.

Хотя расстояние в 3 сантиметра может работать в ограниченном пространстве, например, в воздушном фильтре или водоочистителе (продукты, которые уже используют УФ-светодиоды), оно не подойдет для роботов, стерилизующих больничные палаты. Например, стерилизатор для салона самолета GermFalcon должен освещать салон самолета светом, достаточно сильным, чтобы убить вирус за секунды с расстояния около 30 сантиметров, сообщил в прошлом месяце IEEE Spectrum его изобретатель доктор Артур Крайтенберг. По его словам, сегодняшние УФ-светодиоды не могут производить достаточно света для этой работы. Но с ртутными лампами GermFalcon, мощность которых измеряется в ваттах, эта мощность требует больших затрат энергии и объема. Железо-фосфатный аккумулятор системы должен выдавать ток 100 ампер для производства необходимой мощности ультрафиолетового излучения.

Потенциальные преимущества светодиодов UV-C перед ртутными лампами включают отсутствие токсичной ртути, большую надежность, более длительный срок службы, более быстрый запуск и излучение на различных длинах волн, что может способствовать их бактерицидной роли. Но именно их потенциал эффективности может быть наиболее важным.

На данный момент ртутные лампы имеют более высокий КПД при подключении к стене (подаваемая электрическая мощность по сравнению с оптической мощностью на выходе), чем светодиоды UV-C, представленные сейчас на рынке. По словам Дже-Хак Чжона, научного сотрудника и вице-президента Seoul Semiconductor, материнской компании Seoul Viosys, эффективность настенной розетки сегодняшних светодиодов UV-C составляет всего 2,8 процента, а системы с КПД 3,3 процента находятся на этапе исследований и разработок. Ртутные лампы могут похвастаться 15-35 процентами.

Ожидается, что преимущество ртутной лампы не продлится долго, поскольку исследователи ожидают, что светодиоды UV-C будут следовать тому же пути повышения эффективности, что и синие светодиоды твердотельного освещения. Однако устройствам UV-C предстоит пройти долгий путь. Синие светодиоды обычно имеют внутренний квантовый КПД — долю электронов, инжектируемых в определенную часть светодиода, которая приводит к генерации фотонов, — около 90 процентов. Для УФ-C это 30-40 процентов, говорит Чон. Что касается внешней квантовой эффективности (отношения излучаемых фотонов к электронам, проходящим через светодиод), сравнение еще хуже. Около 70 процентов для синих светодиодов против 10-16 процентов для устройств UV-C.

По словам Чона, повышение этих показателей потребует усовершенствований как процесса изготовления, так и эпитаксии – роста полупроводникового кристалла, из которого изготавливаются светодиоды. Эти светодиоды обычно изготавливаются с использованием эпитаксии для выращивания слоя кристаллического нитрида алюминия на сапфировой пластине. Дефекты кристалла являются основным ограничением производительности светодиодов, поэтому улучшение процесса эпитаксии является одним из путей к получению более ярких светодиодов.