Пандемия коронавируса COVID-19 уже успела оказать большое влияние на светотехническую отрасль. Светильники для кафе, ресторанов и мест проведения массовых мероприятий больше не в центре внимания специалистов. Основным направлением, куда прилагаются усилия ученых и инженеров, стали светодиоды, дающие излучение в ультрафиолетовом диапазоне.
Ультрафиолетовым (УФ) называют излучение с длиной волны от 10 до 400 нм, т. е. короче, чем у видимого света. Вместе УФ, видимое и инфракрасное, обозначаются единым понятием «световое излучение». Иногда говорят о свете в широком понимании этого слова. По конструкции источники УФ-излучения аналогичны источникам видимого света.
Спектр УФ-излучения делится на четыре диапазона. UVA — от 315 до 400 нм, UVB — от 280 до 315 нм, UVC — от 100 до 280 нм и экстремальный от 10 до 100 нм. Лучи UVA проходят через многие современные марки оконных стекол. Практическое применение — шоу-бизнес (свечение одежды в темноте), косметология (затвердевание лака, а также геля для наращивания ногтей), криминалистика (выявление поддельных купюр) и т. п. Диапазон UVB отвечает за загар; лампы, излучающие в нем, используются в соляриях. Излучение данного диапазона не проходит через любые марки оконных стекол. В обычных условиях лучи UVC не достигают поверхности Земли, задерживаясь в атмосфере. Частично излучение этого спектра можно встретить на вершинах гор.
Кроме этого, периодически над теми или иными участками земного шара образуются так называемые «озоновые дыры», пропускающие UVC. Бесконтрольное облучение UVC-лучами в больших дозах очень вредно для здоровья человека. Но, как это часто бывает, яд и лекарство представляют собой одно и то же, разница только в дозировке.
Излучение в диапазоне от 205 до 315 нм способно уничтожать бактерии и вирусы. Принцип борьбы заключается в разрушении ДНК болезнетворных организмов. Причем, как показали научные исследования, наибольшей эффективности такая борьба достигает при длине волны 265 нм.
На момент написания статьи в научном мире сложилось мнение, что ДНК нового вируса также разрушается ультрафиолетом. Каких-либо особенностей, отличающих в этом плане COVID-19 от других вирусов, пока не установлено.
Применение кварцевых и бактерицидных ламп для обеззараживания воздуха и поверхностей помещений в России регламентируется «Методическими указаниями», утвержденными Минздравом 28 февраля 1995 г. Прямого упоминания УФ-светодиодов в них нет. Тем не менее некоторые типы УФ-светодиодов могут соответствовать данному в «Методических указаниях» определению: «Электрические источники излучения, спектр которых содержит излучение диапазона длин волн 205—315 нм, предназначенные для целей обеззараживания, называют бактерицидными лампами». Теоретически это должно способствовать «легализации» УФ-светодиодов до принятия новой нормативной базы.
Текущая ситуация
Лампы, используемые сейчас для борьбы с инфекциями, делятся на кварцевые и бактерицидные. Принцип их работы основан на плазменном разряде в парах ртути.
Кварцевая лампа — это ртутная лампа высокого давления. По конструкции она, как правило, аналогична лампам ДРЛ, до сих пор кое-где используемым для уличного освещения, но не имеет люминофора. Но бывают и кварцевые лампы, по форме похожие на люминесцентные. Колба выполнена из кварцевого стекла, откуда и название лампы. В спектре кварцевой лампы присутствует составляющая с длиной волны 254 нм, которая разрушает ДНК бактерий и вирусов. Также есть излучение с длиной волны 185 нм, под действием которого кислород воздуха преобразуется в озон. В строго дозированных количествах озон также способен уничтожать болезнетворные микроорганизмы. Но именно выработка озона стала причиной, почему сейчас кварцевые лампы применяются только для проведения медицинских процедур в индивидуальном порядке. Желательно под присмотром персонала с медицинским образованием. Всемирная организация здравоохранения не рекомендует использовать кварцевые лампы для борьбы с коронавирусом из-за негативного воздействия составляющей в 185 нм на кожу человека.
Бактерицидная лампа по конструкции аналогична люминесцентной лампе, но без люминофора, а колба выполнена из специального сорта стекла, пропускающего излучение с длиной волны 254 нм и задерживающего составляющую 185 нм. С такими лампами могут работать люди, не имеющие медицинского образования, например, сотрудники клининговых компаний. Именно бактерицидные лампы сейчас широко используются для обеззараживания. Как правило, обеззараживание производится в помещении, где в данный момент нет людей. Но при соблюдении определенных условий и установке лампы специалистом возможно ограниченное применение бактерицидных ламп и в помещениях с людьми.
Конструкция пускорегулирующей аппаратуры для кварцевых и бактерицидных ламп полностью идентична конструкции таких устройств для ламп ДРЛ и люминесцентных соответственно.
Преимущества светодиодов
Замена разрядных ламп светодиодами в установках для обеззараживания может дать следующие основные преимущества:
- благодаря малым размерам светодиодов можно более точно сфокусировать излучение на обеззараживаемый объект;
- регулировка мощности излучения в широких пределах (диммирование);
- возможность создания источника с наиболее эффективной длиной волны 265 нм; высокая механическая прочность, значительное уменьшение массы установки;
- отсутствие ртути.
Проще говоря, используя светодиоды, мы получим компактное обеззараживающее устройство, которое будет иметь меньше ограничений в использовании по сравнению с применяемыми сейчас установками на основе бактерицидных ламп. В частности, возможность точной фокусировки, а также регулировка мощности в широких пределах позволят использовать обеззараживатель в помещениях, где постоянно находятся люди, без ущерба для их здоровья.
Техническая реализация
Чем короче длина волны, тем сложнее производство светодиодов. Серийное производство UVC-светодиодов для широкого применения началось только во второй половине 2010-х годов. Изначально их разрабатывали в рамках международного проекта по обеспечению качественной питьевой водой беднейшие страны Африки. Компактные установки на светодиодах, обеззараживающие воду, могут питаться от аккумулятора, индивидуального ветряка или напрямую от небольшой солнечной батареи, когда бактерицидным лампам требуется питание от сети или инвертора. Теперь же эти разработки пытаются использовать для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях.
Для UVC-светодиодов используются полупроводники с увеличенной шириной запрещенной зоны. На момент написания статьи наиболее распространенным материалом для таких светодиодов был нитрид галлия с добавлением алюминия (AlGaN). Например, светодиоды на его основе выпускает компания California Eastern Lab (CEL). Преимуществом AlGaN является возможность использования для производства источников света уже хорошо отработанных технологических процессов. Но этому материалу свойственны и недостатки. Для него характерен высокий уровень дефектов кристаллической решетки, что снижает КПД. Другая проблема — длина волны излучения 275 нм, что не совпадает с оптимальным значением.
Компания Seoul Viosys первой в мире провела испытания своих UVC-светодиодов на вирусе COVID-19. Согласно пресс-релизу компании, опубликованному 3 марта 2020 г., вирус был уничтожен с эффективностью 90 %.
В качестве примера приведем CL7003C2 — наиболее мощный UVC-светодиод из производимых CEL. Рабочий ток составляет 600 мА при прямом напряжении 5,2 В. При этом мощность излучения составляет 30 мВт. Т. е. в итоге получаем КПД порядка 1 %. В то же время у кварцевой лампы КПД составляет 10-15 %, а у бактерицидной — 35-50 %. При этом оптовая цена на светодиод составляет $109 за штуку.
О выпуске своего UVC-светодиода с мощностью излучения 30 мВт объявила и компания Everlight. Данные по рабочему току и прямому напряжению пока не опубликованы, но косвенно, по длине волны 280 нм можно предположить, что используется та же AlGaN технология. Также светодиоды на 275 нм выпускает компания Seoul Viosys, являющаяся дочерней структурой Seoul Semiconductor. Мощность излучения составляет до 50 мВт, КПД — около 1 %.
Более перспективным в качестве материала для UVС является нитрид алюминия (AlN). У него реже, чем в AlGaN, встречаются дефекты кристаллической структуры, что обуславливает более высокий КПД. Это направление развивает компания Klaran. Ее светодиод KL265-50U-SM-WD дает излучение мощностью 60 мВт со средней длиной волны 265 нм. КПД достигает 2 %. О ценах на данные светодиоды пока не сообщается.
Выводы
УФ-светодиоды диапазона UVC пока что уступают разрядным лампам по КПД и стоят значительно дороже. Они могут дать выигрыш при создании обеззараживающих установок, умещающихся в кармане. Но будет ли эффективен обеззараживатель, облучающий, скажем, только стол, на котором вы будете обедать в ресторане, а не все помещение? На этот вопрос смогут дать ответ только вирусологи, а никак не специалисты по светотехнике. Остается лишь надеяться, что всеобщий интерес к теме борьбы с вирусами вместе с запретом на использование ртути привлечет большие инвестиции в развитие УФ- светодиодов, сделав их конкурентоспособными относительно бактерицидных ламп по стоимости и КПД. Тогда светодиоды заменят разрядные лампы в крупногабаритных обеззараживающих установках, эффективность работы которых уже доказана.