Como usar LEDs UV-C para controle patogênico seguro, eficaz e eficiente

A pandemia de COVID-19 encorajou os engenheiros a considerar a luz ultravioleta (UV) para produtos de desinfecção e esterilização que "desativam" o SARS-CoV-2 (o vírus que causa a COVID-19). Os produtos convencionais de desinfecção e esterilização utilizam lâmpadas de baixa pressão de vapor de mercúrio para emitir no espectro UV-A necessário para a eliminação de patógenos. Mas os LEDs oferecem muitas vantagens, incluindo maior eficiência, maior produção de luz, maior vida útil e menores custos de vida útil.

Os LEDs UV-A são relativamente fáceis de fabricar — adaptando os LEDs de luz azul à faixa espectral quase visível — e estão disponíveis há mais de uma década para aplicações industriais de cura. Mas a desativação do SARS-CoV-2 requer um UV-C mais enérgico.

Nos últimos anos, os LEDs UV-C comerciais se tornaram disponíveis. Entretanto, estes dispositivos não podem ser considerados como um simples substituto para as lâmpadas convencionais de vapor de mercúrio porque introduzem muitos novos desafios de projeto. Por exemplo, os produtos de desinfecção e higienização exigem um fluxo radiante alto e rigorosamente controlado para garantir o funcionamento adequado. Além disso, os LEDs UV-C não só são perigosos para bactérias e vírus, como também são perigosos para os seres humanos, portanto, uma proteção adequada é uma parte importante do processo de projeto.

Este artigo discutirá resumidamente os tipos de radiação UV e seu papel no controle patogênico e de higienização. Em seguida, descreverá os benefícios do uso de LEDs como fonte de radiação, bem como os desafios de projeto associados. O artigo apresentará então soluções para estes desafios usando exemplos de LEDs UV da OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics e SETi/Seoul Viosys.

Por que usar a luz UV para o controle de patógenos?

A radiação UV se enquadra no espectro eletromagnético entre a luz visível e os raios X e compreende fótons de comprimento de onda curto (400 a 100 nanômetros (nm)) com as correspondentes altas energias. O comprimento de onda da radiação é inversamente proporcional à frequência: quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência (Figura 1).

Figura 1: Ao longo do espectro eletromagnético, a radiação UV cai logo abaixo da luz visível a um comprimento de onda entre 100 e 400 nm e é subdividida em três tipos, A, B e C. (Fonte da imagem: Governo do Canadá)

Com base na interação da radiação UV com materiais biológicos, foram definidos três tipos de luz UV: UV-A (400 a 315 nm); UV-B (314 a 280 nm); e UV-C (279 a 100 nm). O Sol produz todas as três formas, mas a exposição humana é limitada principalmente aos UV-A, porque pouco UV-B e nenhum UV-C penetra na camada de ozônio da Terra. Entretanto, existem vários métodos para a produção artificial dos três tipos de luz UV, por exemplo, lâmpadas a vapor de mercúrio e, mais recentemente, LEDs UV.

A radiação UV-C era uma tecnologia estabelecida para a erradicação de patógenos muito antes da atual pandemia. Produtos convencionais empregam lâmpadas de vapor de mercúrio como fonte de UV. Pesquisas recentes sobre a eficácia do UV-C no SARS-CoV-2 mostraram que a luz UV de um comprimento de onda de cerca de 250 a 280 nm é absorvida preferencialmente pelo RNA do vírus, e uma dose total de 17 joules por metro quadrado (J/m²) desativa 99,9 % dos agentes patogênicos. Note que este nível de irradiação não mata o vírus completamente, mas perturba seu RNA o suficiente para impedi-lo de se replicar, tornando-o assim inofensivo e limitando a exposição humana aos raios UV.

Fontes de luz UV

A fonte tradicional de luz UV é a lâmpada a vapor de mercúrio. Este é um dispositivo de descarga de gás com emissão de luz do plasma do metal vaporizado quando é excitado por uma descarga elétrica. Alguns produtos incorporam um tubo de arco de quartzo fundido que incentiva o pico de emissão no comprimento de onda UV-C de 185 nm (além de algumas emissões UV-A e UV-B) para fins de desinfecção e esterilização (Figura 2).

Figura 2: Antes do advento dos LEDs UV-C, as lâmpadas de vapor de mercúrio de baixa pressão eram a fonte mais prática de luz UV. (Fonte da imagem: JKL Componentes)

As lâmpadas de vapor de mercúrio são relativamente eficientes e duráveis em comparação com fontes de luz incandescentes convencionais, mas sua principal desvantagem é a liberação de mercúrio tóxico no ambiente se a lâmpada quebrar durante o uso normal ou no descarte.

Os LEDs UV-C, por outro lado, trazem para aplicações de desinfecção e esterilização as mesmas vantagens principais que os LEDs trazem para a iluminação em geral, incluindo eficácia, maior produção de luz, maior vida útil e menores custos de vida útil. Além disso, embora ainda seja necessário tomar cuidado ao descartar os LEDs, eles não apresentam os mesmos riscos ambientais que as fontes de luz baseadas em mercúrio.

Os LEDs UV-C são construídos com base na tecnologia dos LEDs azuis. Estes utilizam substratos de nitreto de gálio-alumínio (AlGaN) como uma plataforma para emissores de banda proibida mais larga (comprimento de onda mais curto) do que os LEDs vermelhos. Entretanto, os LEDs UV-C são menos eficientes e custam mais do que os LEDs azuis, em grande parte porque o nitreto de gálio não é transparente à radiação UV-C. Como resultado, relativamente poucos fótons UV-C emitidos escapam da matriz.

Desenvolvimentos recentes, incluindo metalização reflexiva do contato-p, substratos com padrões, superfícies texturizadas, efeitos de microcavidade e formação volumétrica estão sendo usados agora para aumentar a eficácia dos LEDs UV, e os produtos comerciais oferecem agora desempenho razoável.Mas os engenheiros devem estar cientes de que os dispositivos apresentam níveis de eficácia inferiores aos dos LEDs de luz visível e a complexidade adicional associada à extração de fótons aumenta os custos. As fichas técnicas do fabricante geralmente evitam números de eficácia e, em vez disso, detalham o fluxo (em miliwatts (mW)) para uma determinada corrente e tensão de condução.

Exemplo de soluções LED UV-C

Existem vários LEDs UV-C comerciais no mercado projetados especificamente para emitir radiação no comprimento de onda ideal para desativação de patógenos. Por exemplo, a OSRAM Opto Semiconductors, Inc. oferece o SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, um LED UV-C que emite a 275 nm. O LED fornece entre 35 e 100 mW de fluxo radiante total (dependendo da seleção do intervalo) a partir de uma corrente/tensão direta de 350 miliampères (mA), 5 a 6 volts (Figura 3).

Figura 3: Os LEDs UV-C oferecem um pico de emissões na faixa de 100 a 280 nm. Para a desativação do SARS-CoV-2, o pico ideal está entre 250 a 280 nm. O fluxo radiante do LED UV-C da OSRAM OSLON mostrado aqui atinge um pico de 277 nm. (Fonte da imagem: OSRAM)

Outro exemplo de dispositivo é o ELUC353535NUB da Everlight Electronics, um LED UV-C de 270 a 285 nm. O dispositivo é de cerâmica com uma potência radiante de 10 mW a partir de uma corrente/tensão direta de 100 mA, 5 a 7 volts (Figura 4).

Figura 4: O LED UV-C de 270 a 285 nm da Everlight Electronics é montado em um corpo cerâmico. O LED mede 3,45 x 3,45 mm. (Fonte da imagem: Everlight Electronics)

Por sua vez, a SETi/Seoul Viosys oferece o CUD5GF1B. O LED, um emissor de 255 nm, é montado em um invólucro cerâmico para colocação de montagem em superfície e apresenta baixa resistência térmica. A potência radiante do dispositivo é de 7 mW a partir de uma corrente/tensão de condução de 200 mA/7,5 volts. O LED apresenta um desvio mínimo do comprimento de onda emitido com o aumento da temperatura: ele se desvia em apenas 1 nm de seu pico de saída de 255 nm em uma faixa de temperatura da matriz de 50 ˚C. Esta é uma consideração importante para um dispositivo que requer uma saída bem controlada para garantir uma boa desativação dos vírus (Figura 5).

Figura 5: O LED UV-C CUD5GF1B da SETi/Seoul Viosys se desvia em apenas 1 nm de seu pico de saída de 255 nm em uma faixa de temperatura de matriz de 50 ˚C. (Fonte da imagem: SETi/Seoul Viosys)

Projetando com LEDs UV-C

Os LEDs trazem consigo seu próprio conjunto de desafios de projeto, portanto é impraticável tentar adaptar um produto projetado em torno de uma fonte de luz a vapor de mercúrio para acomodar os LEDs UV-C. Por esse motivo, a substituição de lâmpadas a vapor de mercúrio por LEDs UV-C em aplicações de desinfecção ou esterilização não é apenas um caso de troca de uma fonte de luz por outra.

Ao selecionar os LEDs UV-C para desinfecção ou esterilização, o processo de projeto deve começar com uma determinação da área sobre a qual a luz UV-C deverá ser aplicada e o fluxo radiante ("irradiância") em watts por metro quadrado (watts/m²) necessário para desativar os patógenos alvos na zona irradiada.

Considere, por exemplo, uma aplicação para desinfetar o ar que sai de um duto de ar condicionado. Com base nos 17 J/m² exigidos acima, para uma área de 0,25 m², para desativar qualquer vírus na corrente de ar em cerca de cinco segundos, seria necessário um sistema com uma irradiância de cerca de 4 watts/m² (para uma potência total de 1 watt).

Uma vez calculada a irradiância desejada, o engenheiro pode descobrir como ela pode ser fornecida. Uma regra geral é considerar o fluxo radiante de cada LED e dividir a irradiância total por esse número para chegar ao número de LEDs necessários para cada produto na lista de componentes.

Este cálculo aproximado é uma simplificação porque não leva em conta como esse fluxo é distribuído. Dois fatores determinam como o fluxo radiante incide sobre a superfície do alvo. O primeiro é a distância do LED ao objeto, e o segundo é o "ângulo de feixe" do LED.

Se o LED for considerado como uma fonte pontual, sua irradiância diminui de acordo com uma lei do inverso do quadrado. Por exemplo, se a 1 cm de distância do ponto de emissão a irradiância for de 10 mW por centímetro quadrado (mW/cm²), então a 10 cm de distância a irradiância terá caído para 0,1 mW/cm². Entretanto, este cálculo pressupõe que o LED emite radiação igualmente em todas as direções, o que não é o caso. Em vez disso, os LEDs apresentam uma óptica primária que direciona o fluxo radiante em uma determinada direção. Os fabricantes normalmente listam o ângulo de feixe do LEDs na ficha técnica, e este é definido como o ângulo em que 50 % do pico de irradiância é alcançado em ambos os lados da origem.

Os LEDS UV-C da OSRAM, Everlight Electronics e SETi/Seoul Viosys descritos acima têm ângulos de feixe de 120, 120 e 125 graus, respectivamente. A Figura 6 mostra o padrão de irradiação para o LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 da OSRAM. No diagrama, a linha pontilhada entre 0,4 e 0,6 indica onde é atingido 50 % do pico de irradiância, definindo o ângulo do feixe (60 + 60 graus).

Figura 6: Para o padrão de irradiação do LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 da OSRAM, a linha pontilhada entre 0,4 e 0,6 indica onde 50 % do pico de irradiância é atingido, definindo o ângulo do feixe (60 + 60 graus). (Fonte da imagem: OSRAM)

A característica chave que determina o ângulo do feixe é a relação entre a matriz do LED e o tamanho da óptica primária. Portanto, produzir um feixe mais estreito requer um emissor menor ou uma óptica maior (ou um equilíbrio apropriado dos dois). O compromisso do projeto é que uma matriz menor produz menos emissões, enquanto as ópticas maiores são mais difíceis de fazer, elevando os preços e colocando um limite no controle do ângulo do feixe.

Os LEDs comerciais são normalmente fornecidos com óptica primária montada na fábrica, portanto a decisão sobre a relação matriz/óptica está além do controle do engenheiro de projeto. Isso faz com que seja importante rever o ângulo de feixe dos produtos pré-selecionados, pois dois dispositivos de saída idênticos de fornecedores distintos podem ter padrões de emissão bastante diferentes.

Embora a distância do LED do objeto irradiado e o ângulo do feixe seja um bom guia inicial para o padrão de irradiação, existem fontes de variação. Por exemplo, os padrões de luz dos LEDs de um único fabricante, com saídas e ângulos de feixe teoricamente idênticos, podem variar consideravelmente em intensidade e qualidade, dependendo do projeto óptico primário. A única maneira de ter certeza do padrão de irradiância real é testar a saída dos produtos pré-selecionados.

Conhecendo a saída do LED, a distância entre o LED e a superfície sobre a qual os itens a serem desinfetados ficarão, o ângulo do feixe e os dados reais de emissão, o engenheiro pode calcular quantos LEDs serão necessários e como eles devem ser posicionados a fim de gerar a irradiância desejada sobre a área ativa.

A escolha final do LED se resume ao compromisso desejado entre custo, eficácia e complexidade. Os LEDs UV-C são caros, então uma abordagem poderia ser usar menos dispositivos de maior potência, em vez de uma maior quantidade de dispositivos menos potentes. O lado positivo deste cenário é que o custo do componente LED pode ser menor e a complexidade do circuito reduzida. A desvantagem é que, devido à sua baixa eficácia, os dispositivos mais potentes exigirão um melhor gerenciamento térmico para manter vidas longas (as altas temperaturas reduzem drasticamente a longevidade dos LEDs). Isto exige dissipadores de calor maiores, negando algumas das economias de custo previstas. 

Projeto da óptica secundária

Uma alternativa para adicionar LEDs e/ou aumentar a potência dos LEDs é considerar o uso de óptica secundária. Estes dispositivos colimam (produzem feixes de luz paralelos de igual intensidade) a saída UV-C do LED para eliminar efetivamente quaisquer efeitos de ângulo do feixe. Em teoria, com o uso da colimação, a irradiância através da superfície alvo deve ser uniforme (independente da disposição dos LEDs), e um determinado nível de irradiância deve ser alcançado com menos LEDs, pois menos da saída será desperdiçada. Alternativamente, é possível obter uma irradiância maior com o mesmo número de LEDs que um projeto sem óptica secundária (350 mW/m² vs 175 mW/m²) (Figura 7).

Figura 7: Colimação de emissão UV-C usando óptica secundária (esquerda) aumenta a irradiância da área alvo em comparação com um sistema com a mesma saída LED, mas usando óptica primária (não-colimada). (Fonte da imagem: LEDiL)

Na prática, a irradiância com óptica secundária é menos que uniforme porque a colimação mesmo dos melhores produtos é imperfeita devido à difração (embora quanto menor o LED, melhor a colimação). Além disso, muitas vezes é necessária uma longa experimentação com o posicionamento de LEDs e ópticas secundárias para garantir a irradiância necessária a partir de menos dispositivos, em comparação com um projeto semelhante sem ópticas secundárias.

Observe que a óptica secundária para LEDs UV-C é fabricada com materiais diferentes daqueles empregados com LEDs de luz visível. As soluções comuns são peças de silicone moldadas por injeção que refletem bem os comprimentos de onda UV-C e permitem a produção de projetos de lente complexa. Os refletores de alumínio também podem ser usados para colimar UV-C. A contrapartida ao utilizar a óptica secundária é a economia de custos pelo uso de menos LEDs contra a maior complexidade do projeto no colimador.

Precauções de segurança

Enquanto a radiação UV é incapaz de penetrar longe através da pele humana, ela é absorvida e pode causar danos a curto prazo, como queimaduras e danos a longo prazo, como rugas e envelhecimento prematuro da pele. Em casos extremos, a exposição UV pode causar câncer de pele. A luz UV é particularmente perigosa para os olhos onde pode danificar tanto a retina quanto a córnea. Na interação com o ar, a radiação UV também pode produzir ozônio que é considerado um risco à saúde em altas concentrações.

Estes perigos tornam boa prática projetar produtos que limitam a exposição à luz UV-C e tornam impossível para os usuários olhar diretamente para o LED. Como o UV-C é invisível, também é uma boa prática selecionar LEDs que deliberadamente incluem algumas emissões de luz azul visível. Fazendo isso, fica óbvio quando os LEDs UV-C são acessos.

Para SARS-CoV-2 em particular, a incorporação de unidades de esterilização em unidades HVAC permite a rápida desativação do vírus transmitido pelo ar, mantendo o UV-C longe das pessoas. Em outros lugares, estão sendo realizadas pesquisas sobre LEDs que podem ser instalados em luminárias para irradiar superfícies com níveis muito baixos de UV-C que são inofensivas para os seres humanos, mas que durante longos períodos fornecem irradiação suficiente para desativar qualquer vírus em superfícies como mesas, cadeiras, pisos e maçanetas de portas.

Conclusão

A radiação UV-C pode ser usada para desativar patógenos como o SARS-CoV-2 em produtos de desinfecção e esterilização. Entretanto, a fonte artificial comum de UV-C é a lâmpada a vapor de mercúrio, que apresenta desafios no descarte devido ao conteúdo de metais pesados. Os LEDs UV-C oferecem uma alternativa mais eficiente e duradoura que facilita os problemas de descarte, e uma série de LEDs UV-C se tornaram comercialmente disponíveis apresentando picos de emissão em comprimentos de onda ideais para a desativação de patógenos.

No entanto, estes LEDs não são uma simples alternativa e é necessário um projeto cuidadoso para maximizar seus benefícios. Como descrito, um projetista deve começar com a irradiância desejada na superfície ativa e trabalhar de volta para calcular o número e a disposição dos LEDs UV-C necessários para alcançar essa irradiância. O projetista também deve decidir se confia na óptica primária dos LEDs para produzir irradiância uniforme, ou se emprega óptica secundária para colimar a saída do UV-C para um padrão ideal, tendo em conta o custo de uma maior complexidade.