Cómo utilizar los LED UV-C para un control de patógenos seguro, eficaz y eficiente

Por Steven Keeping

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La pandemia de COVID-19 ha animado a los ingenieros a considerar la luz ultravioleta (UV) para los productos de desinfección y esterilización que "desactivan" el SARS-CoV-2 (el virus que causa COVID-19). Los productos de desinfección y esterilización convencionales utilizan lámparas de vapor de mercurio de baja presión para emitir en el espectro UV-A necesario para la eliminación de patógenos. Sin embargo, los LED ofrecen muchas ventajas, como una mayor eficiencia, una mayor potencia luminosa, una mayor vida útil y un menor costo de por vida.

Los LED UV-A son relativamente fáciles de fabricar -adaptando los LED de luz azul al rango espectral casi visible- y están disponibles desde hace más de una década para aplicaciones de curado industrial. Sin embargo, la desactivación del SARS-CoV-2 requiere una mayor energía UV-C.

En los últimos años, los LED UV-C comerciales están disponibles. Sin embargo, estos dispositivos no pueden considerarse un simple sustituto de las lámparas de vapor de mercurio convencionales porque introducen muchos nuevos retos de diseño. Por ejemplo, los productos de desinfección e higienización exigen un flujo radiante elevado y muy controlado para garantizar su correcto funcionamiento. Además, los LED UV-C no solo son peligrosos para las bacterias y los virus, sino también para los seres humanos, por lo que una protección adecuada es una parte importante del proceso de diseño.

En este artículo se analizan brevemente los tipos de radiación UV y su papel en la higienización y el control de patógenos. A continuación, se describirán las ventajas de utilizar los LED como fuente de radiación, así como los retos de diseño asociados. A continuación, el artículo presenta soluciones a estos retos utilizando ejemplos de LEDs UV de OSRAM Opto Semiconductors, Inc, Everlight Electronics y SETi/Seoul Viosys.

¿Por qué utilizar la luz UV para el control de patógenos?

La radiación ultravioleta se sitúa en el espectro electromagnético, entre la luz visible y los rayos X, y comprende fotones de longitud de onda corta (de 400 a 100 nanómetros (nm)) con sus correspondientes energías elevadas. La longitud de onda de la radiación es inversamente proporcional a la frecuencia: cuanto más corta es la longitud de onda, más alta es la frecuencia (figura 1).

El diagrama de la radiación UV se sitúa justo por debajo de la luz visible, con una longitud de onda de entre 100 y 400 nmFigura 1: En el espectro electromagnético, la radiación UV se sitúa justo por debajo de la luz visible, con una longitud de onda de entre 100 y 400 nm, y se subdivide en tres tipos, A, B y C. (Fuente de la imagen: gobierno de Canadá)

Conforme a la interacción de la radiación UV con los materiales biológicos, se han definido tres tipos de luz UV: UV-A (400 a 315 nm); UV-B (314 a 280 nm); y UV-C (279 a 100 nm). El Sol produce las tres formas, pero la exposición humana se limita principalmente a los UV-A, ya que pocos UV-B y ningún UV-C penetran en la capa de ozono de la Tierra. Sin embargo, existen varios métodos para la producción artificial de los tres tipos de luz UV, por ejemplo, las lámparas de vapor de mercurio y, más recientemente, los LEDs UV.

La radiación UV-C era una tecnología establecida para erradicar patógenos mucho antes de la actual pandemia. Los productos convencionales emplean lámparas de vapor de mercurio como fuente de UV. Las investigaciones recientes sobre la eficacia de los rayos UV-C en el SARS-CoV-2 han demostrado que la luz UV de una longitud de onda de entre 250 y 280 nm es absorbida preferentemente por el ARN del virus, y una dosis total de 17 joules por metro cuadrado (J/m2) desactiva el 99.9% de los patógenos. Hay que tener en cuenta que este nivel de irradiación no mata al virus por completo, pero sí perturba su ARN lo suficiente como para impedir que se replique, lo que lo hace inofensivo y limita la exposición humana a los rayos UV.

Fuentes de luz UV

La fuente tradicional de luz UV es la lámpara de vapor de mercurio. Se trata de un dispositivo de descarga de gas con emisión de luz del plasma del metal vaporizado cuando es excitado por una descarga eléctrica. Algunos productos incorporan un tubo de arco de cuarzo fundido que favorece la emisión máxima en la longitud de onda UV-C de 185 nm (además de cierta emisión UV-A y UV-B) con fines de desinfección y esterilización (Figura 2).

Imagen de las lámparas de vapor de mercurio de baja presiónFigura 2: Antes de la llegada de los LED UV-C, las lámparas de vapor de mercurio de baja presión eran la fuente más práctica de luz UV. (Fuente de la imagen: JKL Components)

Las lámparas de vapor de mercurio son relativamente eficaces y duraderas en comparación con las fuentes de luz incandescentes convencionales, pero su principal inconveniente es la liberación de mercurio tóxico al medio ambiente si la bombilla se rompe durante su uso normal o al desecharla.

Por otro lado, los LED UV-C aportan a las aplicaciones de desinfección y esterilización las mismas ventajas clave que los LED aportan a la iluminación general, incluyendo eficacia, mayor potencia lumínica, mayor duración y menores costes de vida útil. Además, aunque hay que tener cuidado al desechar los LED, no presentan los mismos riesgos medioambientales que las fuentes de luz con mercurio.

Los LED UV-C se basan en la tecnología de los LED azules. Utilizan sustratos de nitruro de aluminio y galio (AlGaN) como plataforma para emisores de banda ancha (longitud de onda más corta) que los LED rojos. Sin embargo, los LED UV-C son menos eficaces y cuestan más que los azules, en gran parte porque el nitruro de galio no es transparente a la radiación UV-C. En consecuencia, son relativamente pocos los fotones UV-C emitidos que escapan de la matriz.

En la actualidad se están utilizando desarrollos recientes, como la metalización de contactos p reflectantes, los sustratos con patrones, las superficies texturizadas, los efectos de microcavidades y la conformación volumétrica, para aumentar la eficacia de los LED UV, y los productos comerciales ofrecen ahora un rendimiento razonable.Pero los ingenieros deben ser conscientes de que los dispositivos presentan niveles de eficacia inferiores a los de los LED de luz visible y la complejidad adicional asociada a la extracción de fotones eleva los costes. Las hojas de datos de los fabricantes suelen evitar los números de eficacia y, en su lugar, detallan el flujo (en milivatios (mW)) para una corriente y una tensión de accionamiento determinadas.

Ejemplos de soluciones LED UV-C

Existen en el mercado varios LED UV-C comerciales diseñados específicamente para emitir radiación en la longitud de onda óptima para desactivar los patógenos. Por ejemplo, OSRAM Opto Semiconductors, Inc. ofrece el SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636, un LED UV-C que emite a 275 nm. El LED proporciona entre 35 y 100 mW de flujo radiante total (dependiendo de la selección de la bandeja) a partir de una corriente/tensión de avance de 350 miliamperios (mA) y 5 a 6 voltios (Figura 3).

El gráfico de los LED UV-C ofrece emisiones con picos de 100 a 280 nmFigura 3: Los LED UV-C ofrecen emisiones que alcanzan un pico en el rango de 100 a 280 nm. Para la desactivación del SARS-CoV-2, el pico ideal está entre 250 y 280 nm. El flujo radiante del LED OSLON UV-C de OSRAM que se muestra aquí alcanza su punto máximo a 277 nm. (Fuente de la imagen: OSRAM)

Otro ejemplo de dispositivo es el ELUC3535NUB de Everlight Electronics, un LED UV-C de 270 a 285 nm. El dispositivo es de base cerámica con una potencia radiante de 10 mW a partir de una corriente/tensión directa de 100 mA y 5 a 7 voltios (Figura 4).

Imagen del LED UV-C de 270 a 285 nm de Everlight ElectronicsFigura 4: El LED UV-C de 270 a 285 nm de Everlight Electronics está montado en un cuerpo de cerámica. El LED mide 3,45 x 3,45 mm. (Fuente de la imagen: Everlight Electronics)

Por su parte, SETi/Seoul Viosys ofrece el CUD5GF1B. El LED, un emisor de 255 nm, está montado en un paquete de cerámica para su colocación en superficie y presenta una baja resistencia térmica. La potencia radiante del dispositivo es de 7 mW a partir de una corriente/tensión de accionamiento de 200 mA/7.5 voltios. El LED presenta una desviación mínima de la longitud de onda emitida con el aumento de la temperatura: solo se desvía 1 nm de su pico de salida de 255 nm en un rango de temperatura de la matriz de 50˚C. Esta es una consideración importante para un dispositivo que requiere una salida muy controlada para garantizar una buena desactivación de los virus (Figura 5).

Gráfico del LED UV-C CUD5GF1B de SETi/Seoul ViosysFigura 5: El LED UV-C CUD5GF1B de SETi/Seoul Viosys se desvía solo 1 nm de su pico de salida de 255 nm en un rango de temperatura de la matriz de 50 ˚C. (Fuente de la imagen: SETi/Seoul Viosys)

Diseño con LED UV-C

Los LED traen consigo su propio conjunto de desafíos de diseño, por lo que es poco práctico tratar de adaptar un producto diseñado en torno a una fuente de luz de vapor de mercurio con el fin de acomodar los LED UV-C. Por esta razón, la sustitución de las lámparas de vapor de mercurio por LED UV-C en aplicaciones de desinfección o esterilización no es solo un cambio de una fuente de luz por otra.

A la hora de seleccionar los LED UV-C para la desinfección o esterilización, el proceso de diseño debe comenzar con la determinación del área sobre la que se aplicará la luz UV-C y el flujo radiante ("irradiancia") en vatios por metro cuadrado (vatios/m2) necesario para desactivar los patógenos objetivo en la zona irradiada.

Consideremos, por ejemplo, una aplicación para desinfectar el aire que sale de un conducto de aire acondicionado. Sobre la base de los requisitos de 17 J/m2 indicados anteriormente, para una superficie de 0,25 m2, desactivar cualquier virus en la corriente de aire en unos cinco segundos exigiría un sistema con una irradiación de unos 4 vatios/m2 (para una potencia total de 1 vatio).

Una vez calculada la irradiación deseada, el ingeniero puede calcular cómo se puede suministrar. Una regla general es considerar el flujo radiante de cada LED y dividir la irradiación total por esa cifra para obtener el número de LED necesarios para cada producto de la lista de componentes.

Este cálculo aproximado es una simplificación porque no tiene en cuenta cómo se distribuye ese flujo. Dos factores determinan la forma en que el flujo radiante incide en la superficie del objetivo. La primera es la distancia del LED al objeto, y la segunda es el "ángulo del haz" del LED.

Si se considera el LED como una fuente puntual, su irradiación disminuye según una ley cuadrática inversa. Por ejemplo, si a 1 cm de distancia del punto de emisión la irradiación es de 10 mW por centímetro cuadrado (mW/cm2), a 10 cm de distancia la irradiación habrá descendido a 0,1 mW/cm2. Sin embargo, este cálculo supone que el LED irradia por igual en todas las direcciones, lo que no es el caso. En cambio, los LED cuentan con ópticas primarias que dirigen el flujo radiante en una dirección determinada. Los fabricantes suelen indicar el ángulo del haz de los LED en la hoja de datos, y éste se define como el ángulo en el que se alcanza el 50% del pico de irradiación a cada lado del origen.

Los LEDs UV-C de OSRAM, Everlight Electronics y SETi/Seoul Viosys descritos anteriormente tienen ángulos de haz de 120, 120 y 125 grados, respectivamente. La figura 6 muestra el patrón de irradiación del LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 de OSRAM. En el diagrama, la línea de puntos entre 0,4 y 0,6 indica dónde se alcanza el 50% del pico de irradiación, lo que define el ángulo del haz (60 + 60 grados).

Gráfico del patrón de irradiación del SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C de OSRAMFigura 6: Para el patrón de irradiación del LED UV-C SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 de OSRAM, la línea de puntos entre 0,4 y 0,6 indica dónde se alcanza el 50% del pico de irradiación, definiendo el ángulo del haz (60 + 60 grados). (Fuente de la imagen: OSRAM)

La característica clave que determina el ángulo del haz es la relación entre el número de LED y el tamaño de la óptica primaria. Por lo tanto, producir un haz más estrecho requiere un emisor más pequeño o una óptica más grande (o un equilibrio adecuado de ambos). La contrapartida del diseño es que una matriz más pequeña produce menos emisiones, mientras que las ópticas más grandes son más difíciles de fabricar, lo que eleva los precios y limita el control del ángulo del haz.

Los LED comerciales suelen suministrarse con ópticas primarias montadas en fábrica, por lo que la decisión sobre la relación matriz/óptica queda fuera del control del ingeniero de diseño. Por eso es importante revisar el ángulo del haz de luz de los productos preseleccionados, ya que dos dispositivos de salida idénticos de distintos proveedores pueden tener patrones de emisión muy diferentes.

Aunque la distancia del LED al objeto irradiado y el ángulo del haz son una buena guía inicial para el patrón de irradiación, existen fuentes de variación. Por ejemplo, los patrones de luz de los LED de un mismo fabricante, con salidas y ángulos de haz teóricamente idénticos, pueden variar considerablemente en intensidad y calidad en función del diseño de la óptica primaria. La única manera de estar seguro del patrón de irradiación real es probar la salida de los productos preseleccionados.

Con la potencia del LED, la distancia entre el LED y la superficie en la que se encuentran los objetos a desinfectar, el ángulo del haz y los datos de emisión reales, el ingeniero puede calcular cuántos LED se necesitan y cómo deben colocarse para generar la irradiación deseada en la zona activa.

La elección final del LED se reduce a la compensación deseada entre coste, eficacia y complejidad. Los LED UV-C son caros, por lo que un enfoque podría ser utilizar menos dispositivos de mayor potencia en lugar de un mayor número de dispositivos menos potentes. La ventaja de este escenario es que el costo de los componentes de los LED puede ser menor y la complejidad de los controladores se reduce. El inconveniente es que, debido a su baja eficacia, los dispositivos más potentes exigirán una mejor gestión térmica para mantener una larga vida útil (las altas temperaturas reducen drásticamente la longevidad de los LED). Esto requiere disipadores más grandes, lo que anula parte del ahorro de costos previsto.

Diseño de la óptica secundaria

Una alternativa a la adición de LED y/o al aumento de la potencia de los mismos es considerar el uso de ópticas secundarias. Estos dispositivos coliman (producen haces de luz paralelos de igual intensidad) la salida de UV-C del LED para eliminar eficazmente cualquier efecto del ángulo del haz. En teoría, con el uso de la colimación, la irradiación a través de la superficie del objetivo debería ser uniforme (independientemente de la disposición de los LED), y un nivel dado de irradiación debería lograrse con menos LED porque menos de la salida se desperdiciará. Alternativamente, se puede conseguir una mayor irradiación con el mismo número de LED que un diseño sin óptica secundaria (350 mW/m2 frente a 175 mW/m2) (Figura 7).

Esquema de la colimación de la emisión UV-C mediante óptica secundariaFigura 7: La colimación de la emisión de UV-C mediante ópticas secundarias (izquierda) aumenta la irradiación de la zona objetivo en comparación con un sistema con la misma salida de LED, pero que utiliza ópticas primarias (no colimadas). (Fuente de la imagen: LEDiL)

En la práctica, la irradiación con la óptica secundaria es menos que uniforme porque la colimación, incluso de los mejores productos, es imperfecta debido a la difracción (aunque cuanto más pequeño sea el LED, mejor será la colimación). Además, a menudo se necesita una larga experimentación con el posicionamiento de los LED y la óptica secundaria para garantizar la irradiación requerida de menos dispositivos, en comparación con un diseño similar sin óptica secundaria.

Hay que tener en cuenta que las ópticas secundarias de los LED UV-C se fabrican con materiales diferentes a los empleados con los LED de luz visible. Las soluciones más comunes son las piezas de silicona moldeadas por inyección que reflejan bien las longitudes de onda de los rayos UV-C y permiten la producción de diseños de lentes complejos. También se pueden utilizar reflectores de aluminio para colimar los rayos UV-C. La contrapartida del uso de ópticas secundarias es el ahorro de costes que supone el uso de menos LED frente a la mayor complejidad del diseño del colimador.

Precauciones de seguridad

Aunque la radiación UV no puede penetrar mucho a través de la piel humana, se absorbe y puede causar daños a corto plazo, como quemaduras, y a largo plazo, como arrugas y envejecimiento prematuro de la piel. En casos extremos, la exposición a los rayos UV puede provocar cáncer de piel. La luz ultravioleta es especialmente peligrosa para los ojos, donde puede dañar tanto la retina como la córnea. Al interactuar con el aire, la radiación UV también puede producir ozono, que se considera un riesgo para la salud en concentraciones elevadas.

Estos peligros hacen que sea una buena práctica diseñar productos que limiten la exposición a la luz UV-C y que impidan que los usuarios miren directamente al LED. Dado que los rayos UV-C son invisibles, también es una buena práctica seleccionar LED que incluyan deliberadamente algunas emisiones de luz azul visible. De este modo, es evidente que los LED UV-C están encendidos.

En el caso del SARS-CoV-2 en particular, la incorporación de unidades de esterilización en las unidades de HVAC permite una rápida desactivación del virus en el aire mientras se mantiene el UV-C lejos de las personas. Por otra parte, se están investigando los LED que pueden instalarse en las luminarias para irradiar las superficies con niveles muy bajos de UV-C que son inofensivos para el ser humano, pero que durante largos periodos proporcionan una irradiación suficiente para desactivar cualquier virus en superficies como mesas, sillas, suelos y manijas de puertas.

Conclusión:

La radiación UV-C puede utilizarse para desactivar patógenos como el SARS-CoV-2 en productos de desinfección y esterilización. Sin embargo, la fuente artificial más habitual de UV-C es la lámpara de vapor de mercurio, que presenta problemas a la hora de eliminarla debido a su contenido en metales pesados. Los LED UV-C ofrecen una alternativa más eficaz y duradera que facilita los problemas de eliminación, y se han comercializado varios LED UV-C que presentan picos de emisión en longitudes de onda idóneas para la desactivación de patógenos.

Sin embargo, estos LED no son una alternativa sencilla y se requiere un diseño cuidadoso para maximizar sus beneficios. Tal y como se ha descrito, el diseñador debe comenzar con la irradiación deseada en la superficie activa y trabajar hacia atrás para calcular el número y la disposición de los LED UV-C necesarios para lograr esa irradiación. El diseñador también debe decidir si confiar en la óptica primaria de los LED para producir una irradiación uniforme, o si emplear una óptica secundaria para colimar la salida de UV-C para obtener un patrón óptimo, teniendo en cuenta el costo de una mayor complejidad.

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Acerca de este autor

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

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