UV-LEDs

Die ersten LEDs emittierten Anfang der 60er Jahre infrarotes Licht. Im Laufe der Jahre gelang es, LEDs für immer kurzwelligere, energiereichere Strahlung zu entwickeln und heute steht man am Beginn der Erschließung des UV-Spektralbereichs.

Der Grundkörper von UV-LEDs besteht aus den halbleitenden Verbindungen GaN, InN und AlN und deren Mischkristallen. Beim Stromdurchgang durch speziell dotierte Schichtfolgen dieser Halbleiter lässt sich ein Teil des elektrischen Stromes direkt in UV-Strahlung umwandeln. Solche Halbleiter-Bauelemente werden als Leuchtdioden oder "LEDs" (aus dem Englischen „Light Emitting Diodes“) bezeichnet. LEDs senden Strahlung nur in einem sehr schmalen Energiebereich um eine zentrale Wellenlänge aus, deren Position durch die Zusammensetzung des Halbleitermaterials und das Design (z.B. die Anzahl der Atomlagen in den Einzelschichten) gezielt eingestellt werden kann. Die Zusammensetzung der zahlreichen Schichten muss genau getroffen und ihre Dicke auf eine Atomlage genau eingestellt werden. 

UV-LEDs stehen erst am Anfang ihrer Entwicklung und demzufolge sind LED-basierte Anwendungen erst im Entstehen. Je kurzwelliger die Strahlung wird, desto höher werden die wissenschaftlich–technischen Anforderungen an die Materialentwicklung und LED-Bauelementtechnologie. Daher sind im Allgemeinen Leistung und Effizienz kurzwelliger UVB/UVC LEDs hinter der von LEDs, die im nahen UV-Bereich emittieren, unterlegen.

 Vorteile von UV-LEDs

   

  • Emissionswellenlängen der UV-LEDs über die Zusammensetzung der Halbeitermaterialien beliebig einstellbar
  • schmalbandige Emission ohne störende Nebenpeaks (z.B. keine unerwünschte Ozonerzeugung)
  • Strahlungsintensität elektrisch einfach regulierbar (d.h. Leistung skaliert linear mit dem Stromfluss oder ist digital über TTL-Technik steuerbar)
  • Erzeugung kurzer Pulse (ms bis wenige 10 ns) einfach realisierbar, damit z.B. neue Auswertealgorithmen in der Messtechnik möglich
  • Abstrahlcharakteristik der UV-LEDs kann maßgeschneidert werden (z.B. punktförmige Strahlungsquellen für Sensorik-Anwendungen)
  • kompakte Bauform der UV-LEDs und UV-Photodetektoren ermöglicht große Freiheitsgrade beim Design der Strahlermodule bzw. UV-Systeme
  • Betrieb mit niedrigen Gleichspannungen und Strömen (d.h. Betrieb mit Batterien oder Solarzellen leicht möglich)
  • langlebig und wartungsfrei (erwartete Lebensdauern von vielen 10.000 h)
  • sofortige volle Betriebsbereitschaft ohne Vorwärmzeit (wichtig z.B. für den Einsatz von Point-of-Use-Systemen bei der Wasserdesinfektionen)
  • enthalten keine toxischen Materialien (u.a. keine Schwermetalle, wie Hg)
  • keine Wärmestrahlung in Emissionsrichtung (dadurch z.B. Behandlung wärmeempfindlicher biologischer Substanzen möglich)
  • äußerst robust, kompakt (z.B. kein Schutz gegen Glasbruch notwendig, mobiler Einsatz möglich)

 

Alternative UV-Quellen

Gegenwärtig dominiert in der Technik die Erzeugung von UV-Strahlung durch die Anregung von Gasentladungen. Am weitesten verbreitet sind Nieder- und Mitteldruck-Quecksilber(Hg)-Dampflampen. Deren Gehäuse besteht aus Kieselglas (Quarz), zum einen wegen der notwendigen UV-Durchlässigkeit, zum anderen wegen der hohen Betriebstemperatur. Niederdruck-Hg-Lampen zeigen vornehmlich diskrete Emissionswellenlängen bei 254 nm und 185 nm. Sie erreichen hohe Konversionseffizienzen (bis zu 40 %), sind allerdings in der Leistungsdichte beschränkt.

Mit Mitteldruck-Hg-Lampen lassen sich höhere Ausgangsleistungen erreichen, die Konversionseffizienzen sind jedoch geringer (typischerweise 15-30%). Das Hg-Linienspektrum verbreitert sich in Mittel- und Hochdrucklampen im tiefen UV zu einem Kontinuum und zeigt zusätzlich diskrete Emissionslinien im sichtbaren und UVA/UVB Spektralbereich.

Hg-Lampen benötigen hohe Spannungen zum Betrieb und strahlen in Richtung der UV-Emission auch viel Wärme ab, z.B. beträgt die Oberflächentemperatur von Mitteldruckstrahlern 600 – 950 oC. Darüber hinaus weisen diese UV-Strahlungsquellen sehr oft Restintensitäten im UVC-Bereich auf, was die medizinische Anwendung stark einschränkt, da die menschliche Haut keinen Schutzmechanismus besitzt. Neben Hg-Lampen werden auch Excimer-Lampen und Excimer-Laser zur Erzeugung von UV-Licht eingesetzt, die je nach verwendetem Gasgemisch bei 193 nm, 222 nm, 248 nm, 282 nm, 308 nm oder 351 nm emittieren können. Allerdings sind die Effizienzen der Excimer-Lampen nochmals geringer (typisch < 15%) und die Lebensdauer ist auf wenige tausend Stunden beschränkt. Excimer-Laser sind extrem teuer und aufwendig in der Bedienung und werden deswegen in der Regel nur für medizinische Spezialanwendungen eingesetzt.

Auch wenn Gasentladungslampen momentan die gebräuchlichste UV-Strahlungsquelle darstellen, so weisen sie eine Reihe von Nachteilen auf, die ihrer Anwendungen Grenzen setzen.

Weitere Informationen zu Alternativen UV-Quellen und UV-Strahlung finden Sie hier.