Развитие технологий UV-C LED

«Недавние технологические прорывы позволили прогнозировать для светодиодов ультрафиолетового диапазона УФ C рост показателя производительность/стоимость, аналогичный росту показателя для светодиодов в освещении, как раз в то время, когда мы остро в этом нуждаемся», — пишет MIKE KRAMES.  Оригинал статьи по ссылке.

С начала работ по поиску системы материалов для LED было понятно, что замена алюминия/галлия (Al/Ga) может создавать материалы AlGaN, обеспечивая платформу для излучателей с более широкой запрещенной зоной (более короткой длиной волны). Тем не менее, характеристики этих светодиодов на основе AlGaN, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне C (UV-C), резко отстают от их «голубых» собратьев с точки зрения эффективности и стоимости. Многие предполагают, что это связано с низким рыночным спросом и, как следствие, низкими инвестициями (по сравнению, например, с ситуацией с дисплеями и освещением), но более фундаментальный аспект является техническим: GaN, основной полупроводник для SSL, непрозрачен для UV-C радиации. Этот аспект разрушительно сказывается на производительности любого оптоэлектронного устройства, и до сих пор решения этой проблемы были невероятно труднодостижимыми.

Если светодиоды UV-C начнут соответствовать темпам прогресса в отношении характеристик и стоимости синих светодиодов, продемонстрированных в предыдущее десятилетие, то к 2030 году они могут быть доступными по цене около 1 доллара за оптический ватт. Этот прогноз подтверждается лучшими характеристиками, о которых сообщается в литературе, а также ценовыми предложениями ведущих производителей светодиодов UV-C (рис. 1). Для сравнения: при цене 10 долларов за оптический ватт синие светодиоды уже начали поступать на рынок телевизоров. В течение двух лет после раннего проникновения на этот рынок они стали доминирующей технологией подсветки для ЖК-телевизоров, а в течение двух лет после этого полностью вытеснили существующий источник света: люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL).

Рис.1. Исторические тенденции производительности: показаны эффективность преобразования энергии (левая ось) и цена (в долларах за оптический ватт, правая ось) для синих светодиодов и светодиодов UV-C. Последние отстают от первых примерно на 20 лет, но недавние прорывы в эпитаксиальных структурах, прозрачных для УФ-С, теперь дают возможность светодиодам УФ-С начать следовать той же скорости прогресса, что и синих светодиоды в 2000-х годах.

Аналогия между синими светодиодами и CCFL, а также светодиодами UV-C и ртутными лампами очевидна. В дополнение к существенно более высоким характеристикам, светодиоды, по сравнению с газоразрядными лампами, являются источниками направленного излучения, которые можно гораздо более эффективно контролировать и использовать по сравнению с излучением с низкой яркостью от всенаправленной и громоздкой трубки. Как только твердотельная технология сможет конкурировать с ламповой по стоимости владения, решение станет бесспорным, и история о том, как синие светодиоды заменили CCFL, снова разыграется, поскольку светодиоды UV-C заменят ртутные лампы в бесчисленное множество приложений и позволяют создавать новые приложения, с которыми ртутные лампы никогда не смогли бы удовлетворить.

Как упоминалось ранее, обеззараживание с использованием излучения UV-C — хорошо известная технология уничтожения патогенов. Полоса УФ-С около 260-280 нм, около пика поглощения РНК/ДНК, сегодня кажется оптимальным вариантом для УФ-обеззараживания с использованием светодиодов (даже более эффективной, чем линия Hg 254 нм). Совсем недавно было показано, что УФ-С чрезвычайно быстро инактивирует вирус SARS-CoV-2, ответственный за COVID-19. Ожидаются более тщательные исследования, но на основе этих результатов и даже с учетом оптических потерь в тканях и общих защитных полос мы можем ожидать высоких уровней инактивации в течение от секунд до минут при практическом использовании светодиодов UV-C. Светодиоды UV-C представляют собой компактные твердотельные излучатели высокой яркости, которые предлагают все элементы управления, необходимые для создания уникального инструментария для разработки безопасных и эффективных решений не только для больниц, воздуха, воды и безопасности пищевых продуктов, а также для защиты офисных работников, покупателей и пассажиров в мире после COVID-19.

Рис. 2. Лучшие на сегодняшний день светодиоды УФ-С имеют КПД преобразования энергии выше 10% и достигают пика в режиме, наиболее эффективном для поглощения ДНК / РНК (бактерицидного действия). Эффективность ртутной (Hg) лампы на длине волны 254 нм достигает 65% для большой исходной лампы, но может упасть до ~ 1% для направленного излучения, например, от светильников с жалюзи.

Хотя исследования светодиодов UV-C в основном сосредоточены на длине волны ~ 260–280 нм, интересны и другие длины волн, в частности, так называемая полоса «дальнего УФ» около 220–230 нм, который продемонстрировал бактерицидную эффективность. При этом ожидается, что он менее вреден для незащищенной кожи человека (из-за более высокой поглощающей способности и, следовательно, меньшей глубины проникновения излучения). КПД наиболее известных светодиодов UV-C в зависимости от длины волны показан на рис. 3. Характеристики быстро падают по мере уменьшения длины волны излучения (или увеличения отношения Al/Ga). В общем, это происходит потому, что все проблемы, показанные на рис. 1, становятся относительно более сложными по мере увеличения отношения Al / Ga. На данный момент самое короткое излучение наблюдается на длине волны 210 нм от диодной структуры AlN p-i-n.

Заключение

Пандемия COVID-19, вызванная SARS-CoV-2, повысила осведомленность о значительном потенциале светодиодов UV-C и вызвала большой интерес к инновациям вокруг этой новой технологии инактивации бактериальных и вирусных патогенов. Эта осведомленность и связанный с этим отложенный спрос в сочетании с недавними техническими достижениями в области УФ-прозрачных эпитаксиальных структур открывают беспрецедентную эру светодиодов УФ-С. В ближайшие годы откроется рынок светодиодов на миллиарды долларов, что окажет серьезное влияние на то, чтобы сделать наш мир чище и безопаснее.