วิธีการใช้ LED UV-C อย่างปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และเพื่อการควบคุมเชื้อโรคอย่างทรงประสิทธิภาพ

การระบาดใหญ่ของ COVID-19 ได้กระตุ้นให้วิศวกรพิจารณาแสงอัลตราไวโอเลต (UV) สำหรับผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อที่ "ปิดใช้งาน" SARS-CoV-2 (ไวรัสที่ทำให้เกิด COVID-19) ผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อทั่วไปใช้หลอดไอปรอทแรงดันต่ำเพื่อปล่อยสเปกตรัม UV-A ที่จำเป็นสำหรับการกำจัดเชื้อโรค แต่ LED มีข้อดีหลายประการ รวมถึงประสิทธิภาพที่มากขึ้น ให้แสงสว่างที่สูงขึ้น อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และต้นทุนตลอดอายุการใช้งานที่ต่ำลง

LED UV-A นั้นค่อนข้างง่ายในการผลิต—โดยการปรับ LED แสงสีน้ำเงินให้อยู่ในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ใกล้เคียง—และพร้อมใช้งานมานานกว่าทศวรรษสำหรับการใช้งานการบ่มทางอุตสาหกรรม แต่การปิดใช้งาน SARS-CoV-2 ต้องใช้ UV-C ที่มีพลังมากขึ้น

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา LED UV-C เชิงพาณิชย์ได้เปิดให้บริการแล้ว อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เหล่านี้ไม่สามารถถือได้ว่าเป็นเครื่องทดแทนหลอดไอปรอทแบบธรรมดา เนื่องจากทำให้เกิดความท้าทายในการออกแบบใหม่ ๆ มากมาย ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อต้องการฟลักซ์การแผ่รังสีที่มีการควบคุมสูงและเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่เหมาะสม นอกจากนี้ LED UV-C ไม่เพียงแต่เป็นอันตรายต่อแบคทีเรียและไวรัสเท่านั้น แต่ยังเป็นอันตรายต่อมนุษย์ด้วย ดังนั้นการป้องกันที่เพียงพอจึงเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการออกแบบ

บทความนี้จะกล่าวถึงประเภทของรังสี UV และบทบาทในการฆ่าเชื้อและควบคุมเชื้อโรคโดยสังเขป จากนั้นจะอธิบายประโยชน์ของการใช้ LED เป็นแหล่งกำเนิดรังสี ตลอดจนความท้าทายในการออกแบบที่เกี่ยวข้อง บทความนี้จะแนะนำวิธีแก้ปัญหาสำหรับความท้าทายเหล่านี้โดยใช้ตัวอย่าง UV LED จากOSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight ElectronicsและSETi/โซล วีโอซิส

ทำไมต้องใช้แสงยูวีในการควบคุมเชื้อโรค?

รังสี UV เข้ากับสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างแสงที่มองเห็นได้และรังสีเอกซ์ และประกอบด้วยโฟตอนความยาวคลื่นสั้น (400 ถึง 100 นาโนเมตร (นาโนเมตร)) ที่มีพลังงานสูงที่สอดคล้องกัน ความยาวคลื่นรังสีแปรผกผันกับความถี่: ยิ่งความยาวคลื่นสั้น ความถี่ยิ่งสูง (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ตามสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า รังสี UV จะตกอยู่ใต้แสงที่มองเห็นได้ที่ความยาวคลื่นระหว่าง 100 ถึง 400 นาโนเมตร และแบ่งออกเป็นสามประเภทคือ A, B และ C (ที่มาของภาพ: รัฐบาลแคนาดา)

ตามปฏิสัมพันธ์ของรังสี UV กับวัสดุชีวภาพ แสง UV สามประเภทได้รับการกำหนด: UV-A (400 ถึง 315 nm); UV-B (314 ถึง 280 นาโนเมตร) และ UV-C (279 ถึง 100 นาโนเมตร) ดวงอาทิตย์สร้างทั้งสามรูปแบบ แต่การเปิดรับของมนุษย์ส่วนใหญ่จะจำกัดอยู่ที่ UV-A เนื่องจาก UV-B เพียงเล็กน้อยและไม่มี UV-C ทะลุชั้นโอโซนของโลก อย่างไรก็ตาม มีหลายวิธีในการผลิตแสงยูวีทั้งสามประเภทเทียม ตัวอย่างเช่น หลอดไอปรอท และหลอด UV LED ล่าสุด

รังสี UV-C เป็นเทคโนโลยีที่จัดตั้งขึ้นเพื่อกำจัดเชื้อโรคก่อนเกิดการระบาดใหญ่ในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์ทั่วไปใช้หลอดไอปรอทเป็นแหล่งกำเนิดแสงยูวี การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับประสิทธิภาพของ UV-C ต่อ SARS-CoV-2 ได้แสดงให้เห็นว่าแสงยูวีที่มีความยาวคลื่นประมาณ 250 ถึง 280 นาโนเมตรถูกดูดซับโดย RNA ของไวรัสเป็นพิเศษ และปริมาณรวม 17 จูลต่อตารางเมตร (J /NS²) ปิดใช้งาน 99.9% ของเชื้อโรค โปรดทราบว่าการฉายรังสีในระดับนี้ไม่ได้ฆ่าเชื้อไวรัสโดยสิ้นเชิง แต่ทำลาย RNA ของมันอย่างเพียงพอเพื่อป้องกันไม่ให้ทำซ้ำ ดังนั้นจึงทำให้ไม่เป็นอันตรายในขณะที่จำกัดการสัมผัสรังสียูวีของมนุษย์

แหล่งกำเนิดแสงยูวี

แหล่งกำเนิดแสงยูวีแบบดั้งเดิมคือหลอดไอปรอท นี่คืออุปกรณ์ปล่อยก๊าซที่มีแสงที่เปล่งออกมาจากพลาสมาของโลหะที่ระเหยกลายเป็นไอเมื่อถูกกระตุ้นด้วยการปล่อยไฟฟ้า ผลิตภัณฑ์บางชนิดมีหลอดอาร์คควอตซ์หลอมรวมซึ่งกระตุ้นการปล่อยสูงสุดที่ความยาวคลื่น UV-C ที่ 185 นาโนเมตร (นอกเหนือจากการปล่อย UV-A และ UV-B บางส่วน) เพื่อวัตถุประสงค์ในการฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ก่อนการถือกำเนิดของหลอด LED UV-C หลอดไฟไอปรอทแรงดันต่ำเป็นแหล่งกำเนิดแสงยูวีที่ใช้งานได้จริงมากที่สุด (ที่มาของภาพ:ส่วนประกอบ JKL )

หลอดไอปรอทค่อนข้างมีประสิทธิภาพและใช้งานได้ยาวนานเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงจากหลอดไส้ทั่วไป แต่ข้อเสียเปรียบหลักคือการปล่อยปรอทที่เป็นพิษออกสู่สิ่งแวดล้อม หากหลอดไฟแตกระหว่างการใช้งานปกติหรือระหว่างการกำจัด

ในทางกลับกัน LED UV-C ได้นำข้อดีหลักเดียวกันกับการใช้งานในการฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อ LED มาใช้กับแสงทั่วไป รวมถึงประสิทธิภาพ เอาต์พุตแสงที่สูงขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และต้นทุนตลอดอายุการใช้งานที่ต่ำลง ยิ่งกว่านั้น ในขณะที่ยังคงต้องระมัดระวังในการทิ้ง LED แต่ก็ไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมเช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงที่มีสารปรอท

LED UV-C สร้างขึ้นจากเทคโนโลยีของ LED สีน้ำเงิน สารตั้งต้นเหล่านี้ใช้อะลูมิเนียมแกลเลียมไนไตรด์ (AlGaN) เป็นแพลตฟอร์มสำหรับตัวปล่อยแถบความถี่กว้าง (ความยาวคลื่นสั้นกว่า) ที่กว้างกว่าไฟ LED สีแดง อย่างไรก็ตาม LED UV-C นั้นมีประสิทธิภาพน้อยกว่าและมีราคาสูงกว่า LED สีน้ำเงิน ส่วนใหญ่เป็นเพราะแกลเลียมไนไตรด์ไม่โปร่งใสต่อรังสี UV-C เป็นผลให้โฟตอน UV-C ที่ปล่อยออกมาค่อนข้างน้อยหนีออกจากแม่พิมพ์

การพัฒนาล่าสุดรวมถึงการไตร่ตรองp-การเคลือบโลหะแบบสัมผัส, พื้นผิวที่มีลวดลาย, พื้นผิวที่มีพื้นผิว, เอฟเฟกต์ microcavity และการสร้างปริมาตรกำลังถูกใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ UV LED และผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพที่เหมาะสมแต่วิศวกรควรตระหนักว่าอุปกรณ์ดังกล่าวมีระดับประสิทธิภาพต่ำกว่า LED แบบแสงที่มองเห็นได้ และความซับซ้อนเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการแยกโฟตอนทำให้ต้นทุนสูงขึ้น โดยทั่วไปแล้วเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตจะหลีกเลี่ยงหมายเลขประสิทธิภาพและให้รายละเอียดฟลักซ์ (เป็นมิลลิวัตต์ (mW)) สำหรับกระแสไฟและแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

ตัวอย่างโซลูชัน UV-C LED

มี LED UV-C เชิงพาณิชย์หลายตัวในท้องตลาดที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อปล่อยรังสีที่ความยาวคลื่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการปิดการทำงานของเชื้อโรค ตัวอย่างเช่น OSRAM Opto Semiconductors, Inc. นำเสนอSU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, UV-C LED เปล่งแสงที่ 275 นาโนเมตร LED ให้ฟลักซ์การแผ่รังสีทั้งหมดระหว่าง 35 ถึง 100 mW (ขึ้นอยู่กับการเลือกถังขยะ) จาก 350 มิลลิแอมแปร์ (mA) กระแส/แรงดันไปข้างหน้า 5 ถึง 6 โวลต์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: LED UV-C เสนอการปล่อยสูงสุดในช่วง 100 ถึง 280 นาโนเมตร สำหรับการปิดใช้งาน SARS-CoV-2 จุดสูงสุดในอุดมคติคือระหว่าง 250 ถึง 280 นาโนเมตร ฟลักซ์การแผ่รังสีจาก LED OSRAM OSLON UV-C ที่แสดงไว้ ณ ที่นี้มีค่าสูงสุดที่ 277 นาโนเมตร (ที่มาของภาพ: OSRAM)

อีกตัวอย่างหนึ่งคืออุปกรณ์ของ Everlight ElectronicsELUC3535NUBLED UV-C ขนาด 270 ถึง 285 นาโนเมตร อุปกรณ์นี้เป็นเซรามิกที่มีกำลังการแผ่รังสี 10 mW จาก 100 mA กระแสไฟ/แรงดันไปข้างหน้า 5 ถึง 7 โวลต์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: LED UV-C ขนาด 270 ถึง 285 นาโนเมตรของ Everlight Electronics ติดตั้งอยู่ในตัวเซรามิก ขนาด LED 3.45 x 3.45 มม. (ที่มาของภาพ: Everlight Electronics)

ในส่วนนี้ SETi/Seoul Viosys ขอเสนอCUD5GF1B . LED ซึ่งเป็นอิมิตเตอร์ขนาด 255 นาโนเมตร ติดตั้งอยู่ในแพ็คเกจเซรามิกสำหรับติดตั้งบนพื้นผิวและมีความต้านทานความร้อนต่ำ กำลังการแผ่รังสีของอุปกรณ์อยู่ที่ 7 mW จากกระแส/แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ 200 mA/7.5 โวลต์ LED แสดงค่าเบี่ยงเบนน้อยที่สุดของความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาพร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น: โดยเบี่ยงเบนเพียง 1 นาโนเมตรจากเอาต์พุตสูงสุดที่ 255 นาโนเมตรในช่วงอุณหภูมิแม่พิมพ์ 50˚C นี่เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการเอาต์พุตที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถปิดใช้งานไวรัสได้ดี (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: LED CUD5GF1B UV-C ของ SETi/Seoul Viosys เบี่ยงเบนเพียง 1 นาโนเมตรจากเอาต์พุตสูงสุด 255 นาโนเมตรในช่วงอุณหภูมิแม่พิมพ์ 50˚C (ที่มาของภาพ: SETi/Seoul Viosys)

การออกแบบด้วยหลอด LED UV-C

ไฟ LED นำความท้าทายด้านการออกแบบมาด้วย ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะลองปรับเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบโดยใช้แหล่งกำเนิดแสงไอปรอท เพื่อรองรับ LED UV-C ด้วยเหตุผลดังกล่าว การเปลี่ยนหลอดไอปรอทเป็นหลอด LED UV-C ในการฆ่าเชื้อหรือฆ่าเชื้อไม่ได้เป็นเพียงกรณีของการเปลี่ยนแหล่งกำเนิดแสงหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่ง

เมื่อเลือก LED UV-C สำหรับการฆ่าเชื้อหรือฆ่าเชื้อ กระบวนการออกแบบควรเริ่มต้นด้วยการกำหนดพื้นที่ที่จะใช้แสง UV-C และฟลักซ์การแผ่รังสี ("การฉายรังสี") ในหน่วยวัตต์ต่อเมตรกำลังสอง (วัตต์ /NS² ) จำเป็นต้องปิดการใช้งานเชื้อโรคเป้าหมายในโซนที่แผ่รังสี

ยกตัวอย่าง การประยุกต์ใช้สำหรับการฆ่าเชื้ออากาศที่ออกมาจากท่อเครื่องปรับอากาศ อิงจากข้อกำหนด 17 J/m² ที่ระบุไว้ข้างต้นสำหรับพื้นที่ 0.25 m² ในการปิดการทำงานของไวรัสในกระแสลมภายในเวลาประมาณ 5 วินาที ต้องใช้ระบบที่มีการฉายรังสีประมาณ 4 วัตต์/เมตร² (สำหรับกำลังรวม 1 วัตต์)

เมื่อคำนวณค่าการฉายรังสีที่ต้องการแล้ว วิศวกรสามารถหาวิธีส่งได้ หลักการทั่วไปคือการพิจารณาฟลักซ์การแผ่รังสีของ LED แต่ละดวง และแบ่งการแผ่รังสีทั้งหมดด้วยจำนวนนั้น เพื่อให้ได้จำนวน LED ที่จำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์แต่ละรายการในรายการส่วนประกอบ

การคำนวณคร่าว ๆ นี้เป็นการทำให้เข้าใจง่ายขึ้น เนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงวิธีการกระจายฟลักซ์นั้น ปัจจัยสองประการกำหนดว่าฟลักซ์การแผ่รังสีกระทบบนพื้นผิวเป้าหมายอย่างไร ระยะแรกคือระยะห่างจาก LED ไปยังวัตถุ และระยะที่สองคือ "มุมลำแสง" ของ LED

หาก LED ถูกพิจารณาว่าเป็นแหล่งกำเนิดแบบจุด การฉายรังสีจะลดลงตามกฎกำลังสองผกผัน ตัวอย่างเช่น หากห่างจากจุดปล่อยรังสี 1 ซม. การฉายรังสีจะเท่ากับ 10 mW ต่อเซนติเมตรยกกำลังสอง (mW/cm)²) จากนั้นการฉายรังสีที่อยู่ห่างออกไป 10 ซม. จะลดลงเหลือ 0.1 mW/cm² อย่างไรก็ตาม การคำนวณนี้ถือว่า LED แผ่รังสีเท่า ๆ กันในทุกทิศทางซึ่งไม่ใช่กรณีนี้ แต่ไฟ LED มีออปติกหลักที่นำฟลักซ์การแผ่รังสีไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ผู้ผลิตมักจะแสดงรายการมุมลำแสง LED ในแผ่นข้อมูล และนี่คือมุมที่ 50 เปอร์เซ็นต์ของการฉายรังสีสูงสุดอยู่ที่ด้านใดด้านหนึ่งของแหล่งกำเนิด

ไฟ LED OSRAM, Everlight Electronics และ SETi/Seoul Viosys UV-C ที่อธิบายข้างต้นมีมุมลำแสงที่ 120, 120 และ 125 องศาตามลำดับ รูปที่ 6 แสดงรูปแบบการฉายรังสีสำหรับ LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C ของ OSRAM ในแผนภาพ เส้นประระหว่าง 0,4 ถึง 0,6 บ่งชี้ตำแหน่งที่ 50 เปอร์เซ็นต์ของการฉายรังสีสูงสุด ซึ่งกำหนดมุมลำแสง (60 + 60 องศา)

รูปที่ 6: สำหรับรูปแบบการฉายรังสีของ LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C ของ OSRAM เส้นประระหว่าง 0,4 และ 0,6 บ่งชี้ตำแหน่งที่ 50 เปอร์เซ็นต์ของการฉายรังสีสูงสุด การกำหนดมุมลำแสง (60 + 60 องศา) (ที่มาของภาพ: OSRAM)

ลักษณะสำคัญที่กำหนดมุมลำแสงคืออัตราส่วนของ LED ดายต่อขนาดของออปติกหลัก ดังนั้นการผลิตลำแสงที่แคบกว่าจึงต้องใช้ตัวปล่อยที่เล็กกว่าหรือใยแก้วนำแสงที่ใหญ่กว่า (หรือความสมดุลที่เหมาะสมของทั้งสอง) ข้อเสียของการออกแบบคือดายที่เล็กกว่าทำให้เกิดการปล่อยมลพิษน้อยลง ในขณะที่เลนส์ที่ใหญ่กว่านั้นสร้างได้ยากขึ้น ทำให้ราคาสูงขึ้น และวางข้อจำกัดในการควบคุมมุมลำแสง

โดยทั่วไปไฟ LED เชิงพาณิชย์จะมาพร้อมกับเลนส์หลักที่ติดตั้งมาจากโรงงาน ดังนั้นการตัดสินใจเกี่ยวกับอัตราส่วนไดย์/ออปติกจึงอยู่นอกเหนือการควบคุมของวิศวกรออกแบบ การตรวจสอบมุมลำแสงของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการคัดเลือกจึงเป็นเรื่องสำคัญ เนื่องจากอุปกรณ์ส่งออกที่เหมือนกันสองเครื่องจากซัพพลายเออร์ที่แตกต่างกันอาจมีรูปแบบการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่แตกต่างกันมาก

แม้ว่าระยะห่างของ LED จากวัตถุที่ฉายรังสีและมุมลำแสงจะเป็นแนวทางที่ดีในเบื้องต้นสำหรับรูปแบบการฉายรังสี แต่ก็มีแหล่งที่มาของความแปรปรวน ตัวอย่างเช่น รูปแบบแสงของ LED จากผู้ผลิตรายเดียวที่มีเอาต์พุตและมุมลำแสงเหมือนกันในทางทฤษฎี ความเข้มและคุณภาพอาจแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับการออกแบบออปติกหลัก วิธีเดียวที่จะแน่ใจได้ว่ารูปแบบการฉายรังสีที่แท้จริงคือการทดสอบผลลัพธ์ของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการคัดเลือก

ด้วยเอาต์พุต LED ระยะห่างระหว่าง LED กับพื้นผิวที่สิ่งของที่จะฆ่าเชื้อจะนั่ง มุมลำแสง และข้อมูลการปล่อยก๊าซจริง วิศวกรสามารถคำนวณจำนวน LED ที่ต้องการและวิธีวางตำแหน่ง เพื่อสร้างการฉายรังสีที่ต้องการเหนือพื้นที่ใช้งาน

ตัวเลือกสุดท้ายของ LED นั้นขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนที่ต้องการระหว่างต้นทุน ประสิทธิภาพ และความซับซ้อน LED UV-C มีราคาแพง ดังนั้นวิธีหนึ่งคือการใช้อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานน้อยกว่าและกำลังสูงกว่า แทนที่จะใช้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าจำนวนมาก ข้อดีของสถานการณ์นี้คือต้นทุนส่วนประกอบ LED อาจต่ำกว่าและความซับซ้อนของไดรเวอร์ลดลง ข้อเสียคือเนื่องจากประสิทธิภาพต่ำ ยิ่งอุปกรณ์ที่ทรงพลังต้องการการจัดการระบายความร้อนที่ดีขึ้นเพื่อรักษาอายุการใช้งานที่ยาวนาน (อุณหภูมิสูงจะลดอายุการใช้งานของ LED ลงอย่างมาก) สิ่งนี้เรียกร้องให้มีฮีทซิงค์ที่ใหญ่ขึ้นซึ่งลบล้างการประหยัดต้นทุนที่คาดการณ์ไว้

การออกแบบเลนส์รอง

ทางเลือกในการเพิ่ม LED และ/หรือการเพิ่มกำลังไฟ LED คือการพิจารณาใช้เลนส์รอง อุปกรณ์เหล่านี้ประสานกัน (สร้างลำแสงคู่ขนานที่มีความเข้มเท่ากัน) เอาต์พุต UV-C จาก LED เพื่อขจัดผลกระทบจากมุมลำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตามทฤษฎีแล้ว ด้วยการใช้ collimation การฉายรังสีบนพื้นผิวเป้าหมายควรมีความสม่ำเสมอ (ไม่ขึ้นกับการจัดเรียงของ LED) และระดับการฉายรังสีที่กำหนดควรทำได้ด้วย LED จำนวนน้อยลง เนื่องจากเอาต์พุตจะสิ้นเปลืองน้อยลง อีกทางหนึ่ง สามารถรับการฉายรังสีที่สูงขึ้นได้ด้วยจำนวน LED ที่เท่ากันกับการออกแบบโดยไม่ต้องใช้เลนส์รอง (350 mW/m2² เทียบกับ 175 mW/m² ) (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: การปรับเทียบการปล่อยรังสี UV-C โดยใช้เลนส์รอง (ซ้าย) จะเพิ่มการฉายรังสีของพื้นที่เป้าหมายเมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่มีเอาต์พุต LED เดียวกัน แต่ใช้เลนส์หลัก (ไม่ปรับเทียบ) (ที่มาของภาพ:LEDiL)

ในทางปฏิบัติ การฉายรังสีด้วยเลนส์รองมีค่าน้อยกว่าความสม่ำเสมอ เนื่องจากการปรับเทียบจากผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดยังไม่สมบูรณ์เนื่องจากการเลี้ยวเบน (แม้ว่า LED ที่เล็กกว่า การจัดเรียงตัวจะยิ่งดีขึ้น) นอกจากนี้ บ่อยครั้งจำเป็นต้องมีการทดลองที่ยาวนานกับการวางตำแหน่งของ LED และเลนส์รองเพื่อให้แน่ใจว่ามีการฉายรังสีที่จำเป็นจากอุปกรณ์จำนวนน้อยลง เมื่อเทียบกับการออกแบบที่คล้ายคลึงกันโดยไม่ต้องใช้เลนส์รอง

โปรดทราบว่าออปติกรองสำหรับ LED UV-C ผลิตจากวัสดุที่แตกต่างจากที่ใช้กับ LED แบบแสงที่มองเห็นได้ วิธีแก้ปัญหาทั่วไปคือชิ้นส่วนซิลิโคนที่ฉีดขึ้นรูปซึ่งสะท้อนความยาวคลื่น UV-C ได้ดีและช่วยให้สามารถผลิตการออกแบบเลนส์ที่ซับซ้อนได้ อะลูมิเนียมรีเฟล็กเตอร์ยังสามารถใช้เพื่อปรับแสง UV-C ได้อีกด้วย การแลกเปลี่ยนเมื่อใช้เลนส์รองคือการประหยัดต้นทุนของการใช้ LED น้อยลงเมื่อเทียบกับความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของการออกแบบในคอลลิเมเตอร์

ข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัย

แม้ว่ารังสียูวีจะไม่สามารถทะลุผ่านผิวหนังของมนุษย์ได้ไกล แต่รังสี UV ก็ถูกดูดซึมและสามารถสร้างความเสียหายในระยะสั้นได้ เช่น แผลไหม้และความเสียหายในระยะยาว เช่น ริ้วรอยและริ้วรอยก่อนวัยของผิว ในกรณีร้ายแรง การได้รับรังสียูวีอาจทำให้เกิดมะเร็งผิวหนังได้ แสงยูวีเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อดวงตาซึ่งสามารถทำลายทั้งเรตินาและกระจกตาได้ ในการมีปฏิสัมพันธ์กับอากาศ รังสี UV ยังสามารถผลิตโอโซนซึ่งถือว่าเป็นความเสี่ยงต่อสุขภาพที่ความเข้มข้นสูง

อันตรายเหล่านี้ทำให้เป็นแนวปฏิบัติที่ดีในการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่จำกัดการเปิดรับแสง UV-C และทำให้ผู้ใช้ไม่สามารถมองตรงไปยัง LED ได้ เนื่องจาก UV-C ไม่สามารถมองเห็นได้ จึงเป็นแนวทางที่ดีในการเลือก LED ที่มีการปล่อยแสงสีน้ำเงินที่มองเห็นได้บางส่วนโดยเจตนา การทำเช่นนี้ทำให้มองเห็นได้ชัดเจนเมื่อเปิดไฟ LED UV-C

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SARS-CoV-2 การรวมหน่วยฆ่าเชื้อเข้ากับหน่วย HVAC ช่วยให้สามารถปิดการใช้งานไวรัสในอากาศได้อย่างรวดเร็วในขณะที่รักษา UV-C ให้ห่างจากผู้คน ที่อื่นๆ กำลังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับ LED ที่สามารถติดตั้งกับโคมไฟเพื่อฉายรังสีพื้นผิวที่มีระดับ UV-C ต่ำมากซึ่งไม่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ แต่ในระยะเวลานานจะมีการฉายรังสีที่เพียงพอเพื่อปิดการทำงานของไวรัสบนพื้นผิวต่าง ๆ เช่น โต๊ะ เก้าอี้ พื้นและมือจับประตู

สรุป

รังสี UV-C สามารถใช้เพื่อปิดการทำงานของเชื้อโรค เช่น SARS-CoV-2 ในผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อ อย่างไรก็ตาม แหล่งกำเนิด UV-C ที่ประดิษฐ์ขึ้นโดยทั่วไปคือหลอดไอปรอทซึ่งมีความท้าทายในการกำจัดเนื่องจากมีปริมาณโลหะหนัก หลอด LED UV-C นำเสนอทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและใช้งานได้ยาวนานขึ้น ซึ่งช่วยลดปัญหาในการกำจัดทิ้ง และ LED UV-C จำนวนหนึ่งมีจำหน่ายในท้องตลาดโดยมีค่าสูงสุดของการปล่อยที่ความยาวคลื่นซึ่งเหมาะอย่างยิ่งกับการปิดใช้งานของเชื้อโรค

อย่างไรก็ตาม ไฟ LED เหล่านี้ไม่ใช่ทางเลือกแบบดร็อปอินที่เรียบง่าย และจำเป็นต้องมีการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด ตามที่อธิบายไว้ นักออกแบบต้องเริ่มต้นด้วยการฉายรังสีที่ต้องการบนพื้นผิวที่ทำงานอยู่ และกลับไปคำนวณจำนวนและการจัดเรียงของ LED UV-C ที่จำเป็นเพื่อให้ได้การฉายรังสีนั้น นักออกแบบยังต้องตัดสินใจว่าจะใช้ออปติกหลักของ LED เพื่อสร้างการฉายรังสีที่สม่ำเสมอ หรือใช้ออปติกรองเพื่อปรับเอาท์พุต UV-C เพื่อให้ได้รูปแบบที่เหมาะสมที่สุดในขณะที่คำนึงถึงต้นทุนของความซับซ้อนที่มากขึ้น