Advanced UV for Life
UV-LEDs
Ultraviolett-Leuchtdioden (UV-LEDs) stellen einen hochmodernen Fortschritt im Bereich der UV-Technologie dar und repräsentieren eine kompakte Alternative zu einigen anderen UV-Quellen.
Als Festkörperbauelemente emittieren UV-LEDs Strahlung im ultravioletten Spektralbereich. Mit UV-LEDs lassen sich üblicherweise die Hauptbereiche UV-A (315–400 nm), UV-B (280–315 nm), UV-C (ca. 220–280 nm) und Far-UVC (unterhalb 235 nm) abdecken. Die sogenannte Near-UV- oder Blaulicht-LED bei 405 nm wird aufgrund ihrer spektralen Nähe zum UV-Bereich und ihrer teilweise vergleichbaren Einsatzfelder auf dieser Seite ebenso berücksichtigt.
UV-LEDs unterscheiden sich grundlegend von klassischen LEDs für sichtbares Licht – sowohl im Aufbau als auch bei den verwendeten Halbleitermaterialien. Sichtbare LEDs bestehen in der Regel aus Halbleitermaterialien und Fluoreszenzstoffen, die für den sichtbaren Spektralbereich optimiert sind. Hingegen benötigen UV-LEDs speziell angepasste Halbleitermaterialien und Halbleiterstrukturen.
UV-LEDs sollten daher nicht einfach als Variante sichtbarer LEDs betrachtet werden, sondern als eigenständige Technologie mit spezifischen Herausforderungen und Eigenschaften.
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Funktionsweise von UV-LEDs
UV-LEDs basieren – wie LEDs im sichtbaren Bereich – auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz: Wird ein elektrischer Strom angelegt, rekombinieren Elektronen und Löcher im Halbleitermaterial, wobei Photonen emittiert werden. Durch die gezielten Materialänderungen lassen sich die Emissionswellenlängen an spezifische Anwendungsanforderungen anpassen.
Häufig kommen Materialien aus der sogeannten Gruppe der III-N Halbleiter zum Einsatz. Dazu zählen vor allem Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN) im Grenzbereich zum blauen Spektrum. Die Unterschiede im Material und im Schichtaufbau wirken sich auf elektrische und optische Eigenschaften aus, beeinflussen die Effizienz und stellen besondere Anforderungen an Herstellung. Die energiereiche UV-Strahlung stellt zudem hohe Ansprüche an alle eingesetzten Materialien, da viele herkömmliche LED-Komponenten (z. B. Substrate, Kontakte oder Gehäusematerialien) UV-Strahlung absorbieren oder davon geschädigt werden können.
Eigenschaften von UV-LEDs
UV-LEDs erzeugen ultraviolette Strahlung durch die Rekombination von Elektronen und Löchern in Halbleitermaterialien. Sie emittieren Photonen in einem schmalen, zum Teil gezielt einstellbaren Wellenlängenbereich und sind als kompakte und massenproduktionstaugliche Halbleiterbauelemente ausgeführt.
Der Betrieb erfolgt mit Niederspannungsgleichstrom, und sie erreichen ihre volle Lichtleistung unmittelbar nach dem Einschalten.
Die Lichtausbeute von UV-LEDs ist temperaturabhängig, wobei hohe Temperaturen die Effizienz reduzieren können. Im Laufe der Zeit kann die Lichtleistung kontinuierlich abnehmen.
UV-LEDs enthalten keine flüchtigen oder toxischen Metalle und gelten als recyclebar.
Herausforderungen und Entwicklung von UV-LEDs
UV-A-LEDs haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und sind in zahlreichen Anwendungen etabliert. Ihre Effizienz und Lebensdauer sind deutlich höher als die von UV-C-LEDs. Sie kommen unter anderem bei der Härtung von Kunststoffen, Druckfarben und Klebstoffen, in der Medizintechnik sowie in der Analytik und Forensik zum Einsatz. Derzeit liegt der Fokus auf Effizienzsteigerung, Lichtauskopplung und Kostenreduktion.
UV-B-LEDs befinden sich auf einem guten Entwicklungsweg und bieten bereits ausreichend Leistung für Anwendungen wie Phototherapie, Sensorik und bestimmte Desinfektionsaufgaben. Zentrale Herausforderungen liegen in der Verbesserung der Materialqualität und der externen Quanteneffizienz. Die kontinuierlichen Fortschritte lassen eine zunehmende Verbreitung in den kommenden Jahren erwarten.
UV-C-LEDs sind bereits kommerziell verfügbar und befinden sich in einer dynamischen Entwicklungsphase. Aktuell arbeiten Forschung und Industrie u.a. intensiv an der Erhöhung der Strahlungsausbeute, Steigerung der Lebenszeit, sowie an höheren Packungsdichten der Chips. Fortschritte in der Halbleiter- und Packagingtechnologie führen zu stetigen Verbesserungen bei Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit. Leistungsstarke UV-C-LEDs rücken damit für eine Vielzahl von Anwendungen in greifbare Nähe.
Far-UVC-LEDs bezeichnen ultraviolette LEDs mit Emissionen im Bereich unterhalb von 240 nm. Diese Technologie steht noch vor bedeutenden Entwicklungsschritten: Die Emission im Far-UVC-Bereich erfordert Halbleitermaterialien mit hohem Aluminiumanteil, was besondere Herausforderungen mit sich bringt. Zwar liegt die Quanteneffizienz derzeit noch unter der herkömmlicher UV-C-LEDs, doch neue Ansätze versprechen stetige Verbesserungen. Auch die Lebensdauer entwickelt sich durch fortschrittliche Designs positiv. Far-UVC-LEDs gelten als besonders vielversprechend für den Einsatz in Innenräumen zur kontinuierlichen Desinfektion und Infektionsprävention.
Near-UV oder Blaulicht-LEDs (z.B. 405 nm), auch als „antimikrobielles blaues Licht“ oder „High-Intensity Narrow Spectrum“ (HINS) bezeichnet, emittieren im Übergangsbereich zwischen sichtbarem Licht und UV-A. Sie können eine desinfizierende Wirkung auf verschiedene Bakterien und Viren entfalten – wenn auch in geringerem Maß als UV-C. Diese Technologie unterliegt einer anderen Risikobewertung hinsichtlich Gesundheitsschutz und Materialverträglichkeit. Die Einhaltung einschlägiger Normen gestaltet sich oft weniger komplex als bei klassischen UV-Systemen. Dennoch sind auch hier bei hohen Intensitäten oder längerer Exposition photobiologische Risiken, insbesondere für die Augen, zu beachten. 405-nm LEDs bieten potenzielle Vorteile hinsichtlich Sicherheit und Materialverträglichkeit und sind zudem mit hoher Intensität kommerziell gut verfügbar und vergleichsweise kostengünstig.
