Più calore che luce per i LED UVC

Il vecchio detto sulla generazione di "più calore che luce" riassume anche la sfida termica nel mercato in crescita dei LED UVC utilizzati per disinfettare strumenti medici, acqua e altri prodotti di consumo quotidiano, scrive John Cafferkey di Cambridge Nanotherm.

La tecnologia dei raggi ultravioletti C (UVC) affonda le sue radici all'inizio del XX secolo, quando le lampade ai vapori di mercurio furono prodotte per la prima volta in serie.

Nel 1910 furono utilizzate lampade a emissione UV per la disinfezione dell'acqua potabile. Tuttavia, l'impianto prototipo si rivelò poco affidabile e fu chiuso.

Negli anni '50 furono sperimentati nuovi sistemi di trattamento dell'acqua UVC e verso la metà degli anni '80 c'erano circa 1.500 impianti in tutta Europa. Oltre al trattamento dell'acqua, gli UVC vengono utilizzati in applicazioni che vanno dalla pulizia di apparecchiature mediche e stanze ospedaliere alla disinfezione di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria ( HVAC) per prevenire la diffusione di agenti patogeni.

Sebbene le lampade ai vapori di mercurio siano estremamente efficaci in queste applicazioni su larga scala, la natura fragile delle lampadine e l'uso di mercurio pericoloso le rendono inadatte per applicazioni più portatili e di facile utilizzo.

Negli ultimi anni i produttori di LED hanno sviluppato LED UVC sempre più efficaci. Sebbene non siano efficienti quanto i LED UVA (utilizzati per l’essiccazione di inchiostri e vernici), stanno diventando utilizzabili per applicazioni a bassa potenza.

È questo spostamento verso nuovi mercati che ha portato gli analisti del settore Yole Développement a prevedere un’esplosione nella crescita dei LED UVC da 7 milioni di dollari nel 2015 a un’incredibile cifra di 610 milioni di dollari entro il 2021.

Questo boom si basa sulla creazione di un mercato di applicazioni UVC portatili e di facile utilizzo da parte dei LED UVC. Ad esempio, i consumatori potranno acquistare “bacchette” disinfettanti portatili, che potranno utilizzare per sterilizzare oggetti di uso quotidiano, come smartphone, tablet o tastiere.

I produttori di beni di consumo saranno in grado di incorporare la tecnologia LED UVC nei prodotti per realizzare articoli autodisinfettanti. Ad esempio, uno spazzolino da denti potrebbe disinfettarsi dopo averlo riposto nel suo supporto, un biberon per il latte potrebbe autosterilizzarsi premendo un pulsante e un rubinetto potrebbe sterilizzare l'acqua come e quando lo usi: le possibilità sono infinite.

Tuttavia, sono alcune delle applicazioni più profonde dell’UVC che stanno davvero attirando l’attenzione. Le bottiglie portatili per la sterilizzazione dell’acqua potrebbero migliorare il modo in cui i paesi in via di sviluppo offrono acqua pulita ai propri cittadini sterilizzando l’acqua nel punto di consumo. Ciò sarà particolarmente utile nelle aree in cui non esiste un’infrastruttura centralizzata per la sterilizzazione dell’acqua o nei siti disastrati dove l’acqua sicura potrebbe essere fornita rapidamente.

A parte le nuove applicazioni, anche gli ospedali (dove l’UVC è stato utilizzato per anni) possono trarne vantaggio. A livello globale, ogni anno oltre 700.000 pazienti – pari a uno su 25 pazienti – soffrono di un’infezione durante il ricovero ospedaliero, provocando 75.000 decessi. La tecnologia UVC potrebbe essere incorporata in strumenti medici come stetoscopi e bisturi, che potrebbero essere sterilizzati in pochi secondi.

I LED UVC hanno il potenziale per portare il potere sterilizzante degli UVC su un mercato di massa e potrebbero avere grandi implicazioni per la salute pubblica.

La sfida termica

La tecnologia è ancora agli inizi e, tra le altre sfide, una barriera è la gestione termica dei LED UVC. Come ogni componente elettronico, i LED sono sensibili al calore.

I LED UVC hanno un’efficienza quantica esterna (EQE) particolarmente bassa: convertono solo circa il 5% della potenza assorbita in luce. Il restante 95% della potenza viene convertito in calore che deve essere rapidamente rimosso per mantenere la giunzione LED al di sotto della temperatura massima di funzionamento. Il mancato mantenimento del raffreddamento del die LED ne ridurrà, nella migliore delle ipotesi, la durata e, nel peggiore dei casi, ne causerà un guasto catastrofico.

Man mano che i LED UVC diventano più potenti (l’ultimo è 75 mW), i produttori devono cercare nuovi modi per affrontare questa sfida. Resta la questione di come affrontare le elevate esigenze termiche dei LED UV garantendo al tempo stesso che i componenti rimangano convenienti, durevoli, lavorabili e resistenti all'usura della sorgente di luce UV stessa.