Mehr Wärme als Licht für UVC-LEDs

Das alte Sprichwort über ein Argument, das „mehr Wärme als Licht“ erzeugt, fasst auch die thermische Herausforderung im wachsenden Markt für UVC-LEDs zusammen, die zur Desinfektion von medizinischen Instrumenten, Wasser und anderen alltäglichen Konsumgütern verwendet werden, schreibt John Cafferkey von Cambridge Nanotherm.

Die Ultraviolett-C-Technologie (UVC) hat ihre Wurzeln im frühen 20. Jahrhundert, als Quecksilberdampflampen erstmals in Massenproduktion hergestellt wurden.

Im Jahr 1910 wurden zur Trinkwasserdesinfektion UV-emittierende Lampen eingesetzt. Allerdings erwies sich die Prototypanlage als unzuverlässig und wurde stillgelegt.

In den 1950er Jahren wurden neue UVC-Wasseraufbereitungssysteme getestet und Mitte der 1980er Jahre gab es in ganz Europa etwa 1.500 Anlagen. Über die Wasseraufbereitung hinaus wird UVC in Anwendungen eingesetzt, die von der Reinigung medizinischer Geräte und Krankenhauszimmer bis hin zur Desinfektion von Heizung, Lüftung und Klimaanlage reichen ( HVAC-Systeme zur Verhinderung der Ausbreitung von Krankheitserregern.

Während Quecksilberdampflampen bei diesen Großanwendungen äußerst effektiv sind, sind sie aufgrund der Zerbrechlichkeit der Lampen und der Verwendung von gefährlichem Quecksilber für tragbarere und verbraucherfreundlichere Anwendungen ungeeignet.

In den letzten Jahren haben LED-Hersteller immer effektivere UVC-LEDs entwickelt. Sie sind zwar nicht so effizient wie UVA-LEDs (die zum Aushärten von Tinten und Farben verwendet werden), eignen sich aber zunehmend für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.

Es ist dieser Vorstoß in neue Märkte, der die Branchenanalysten Yole Développement dazu veranlasst hat, ein explosionsartiges Wachstum des UVC-LED-Wachstums von 7 Mio. US-Dollar im Jahr 2015 auf unglaubliche 610 Mio. US-Dollar im Jahr 2021 vorherzusagen.

Dieser Boom ist darauf zurückzuführen, dass UVC-LEDs einen Markt für tragbare, verbraucherfreundliche UVC-Anwendungen schaffen. Verbraucher können beispielsweise tragbare Desinfektionsstäbe kaufen, mit denen sie Alltagsgegenstände wie Smartphones, Tablets oder Tastaturen sterilisieren können.

Hersteller von Konsumgütern können die LED-UVC-Technologie in Produkte integrieren, um selbstdesinfizierende Artikel herzustellen. Beispielsweise könnte sich eine Zahnbürste selbst desinfizieren, nachdem Sie sie wieder in ihre Halterung gesteckt haben, eine Babymilchflasche könnte sich auf Knopfdruck selbst sterilisieren und ein Wasserhahn könnte Wasser sterilisieren, sobald Sie es verwenden – die Möglichkeiten sind endlos.

Es sind jedoch einige der tiefgreifenderen Anwendungen von UVC, die wirklich Aufmerksamkeit erregen. Tragbare Wassersterilisationsflaschen könnten die Art und Weise verbessern, wie Entwicklungsländer ihren Bürgern sauberes Wasser anbieten, indem sie das Wasser am Ort des Verbrauchs sterilisieren. Dies ist besonders wertvoll in Gebieten, in denen es keine zentrale Infrastruktur zur Wasserentkeimung gibt, oder in Katastrophengebieten, in denen schnell sauberes Wasser bereitgestellt werden könnte.

Abgesehen von neuen Anwendungen können sogar Krankenhäuser (in denen UVC seit Jahren eingesetzt wird) profitieren. Weltweit erleiden jedes Jahr über 700.000 Patienten – das entspricht einem von 25 Patienten – im Krankenhaus eine Infektion, die zu 75.000 Todesfällen führt. UVC-Technologie könnte in medizinische Geräte wie Stethoskope und Skalpelle integriert werden, die in Sekundenschnelle sterilisiert werden könnten.

UVC-LEDs haben das Potenzial, die sterilisierende Wirkung von UVC auf den Massenmarkt zu bringen, und könnten große Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit haben.

Die thermische Herausforderung

Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und eine Hürde ist neben anderen Herausforderungen das Wärmemanagement der UVC-LEDs. Wie jedes elektronische Bauteil sind LEDs hitzeempfindlich.

UVC-LEDs haben eine besonders niedrige externe Quanteneffizienz (EQE) – sie wandeln nur etwa 5 % der zugeführten Leistung in Licht um. Die restlichen 95 % der Leistung werden in Wärme umgewandelt, die schnell abgeführt werden muss, um die LED-Verbindung unter ihrer maximalen Betriebstemperatur zu halten. Wenn der LED-Chip nicht kühl gehalten wird, verkürzt sich im besten Fall seine Lebensdauer und im schlimmsten Fall führt er zu einem katastrophalen Ausfall.

Da UVC-LEDs immer leistungsfähiger werden (die neueste ist 75 mW), müssen Hersteller nach neuen Wegen suchen, um dieser Herausforderung zu begegnen. Es bleibt die Frage, wie man den hohen thermischen Anforderungen von UV-LEDs gerecht wird und gleichzeitig sicherstellt, dass die Komponenten kostengünstig, langlebig, bearbeitbar und widerstandsfähig gegen den Verschleiß durch die UV-Lichtquelle selbst bleiben.

Da UV-LEDs zu klein sind, um nennenswerte Wärmemengen von ihrer Oberfläche abzustrahlen, kann diese nur durch die Rückseite der LED effektiv entweichen. Die Wärme muss vom LED-Chip durch die Modulplatine geleitet werden, bevor sie den Kühlkörper erreicht, der sie an die Atmosphäre abgibt.

Auch Hitze ist ein PCB-Problem

Die Leiterplatte, auf der die LED montiert ist, muss eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bei einer LED mit sichtbarem Licht handelt es sich normalerweise um eine metallbeschichtete Leiterplatte (MCPCB). Diese sind jedoch nicht für UVC-Anwendungen geeignet. MCPCBs werden aus einem Metallblech (normalerweise Aluminium oder Kupfer) hergestellt, wobei die Kupferschaltkreisschicht mit einer dielektrischen Schicht aus wärmeleitendem, aber elektrisch isolierendem Epoxidharz befestigt ist.

Auf Epoxiddielektrika basierende MCPCBs sind für Anwendungen mit sichtbarem Licht nützlich, aber UV-Strahlung (und insbesondere UVC) baut organische Substanzen wie Epoxidharz ab, was die Lebensdauer von MCPCBs, die in UV-Anwendungen verwendet werden, erheblich verkürzt. Die einzig praktikable Alternative ist die Verwendung von Keramik in Elektronikqualität.

Von diesen weist Aluminiumnitrid (AlN) eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit (140 W/mK-170 W/mK) auf, ist aber auch teuer. Aluminiumoxid (Al2O3) ist eine kostengünstigere Alternative, bietet jedoch nicht die für UV-LEDs erforderliche Wärmeleitfähigkeit (20 W/mK–30 W/mK). Beide sind spröde und können leicht beschädigt werden, sodass sie nicht ohne weiteres verschraubt werden können und für rauere Anwendungen nicht geeignet sind.

Die Alternative ist Nanokeramik mit einer gesputterten Schaltkreisschicht. Dadurch wird eine mehr als ausreichende Wärmeleitfähigkeit von 150 W/mK erreicht, die deutlich im erforderlichen Wärmebereich liegt.

Mithilfe eines patentierten elektrochemischen Oxidationsverfahrens (ECO) nutzte Cambridge Nanotherm diesen Ansatz, um die Oberfläche einer Aluminiumplatine in eine unglaublich dünne Schicht aus Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) mit einer Dicke von nur mehreren zehn Mikrometern umzuwandeln.

Diese Schicht fungiert als Dielektrikum zwischen dem Schaltkreis darüber und dem Aluminium darunter. Da die im ECO-Verfahren erzeugte Schicht außerordentlich dünn ist, kann die Wärme problemlos durchgelassen werden, was dem Substrat seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit verleiht.

Auf den ECO-Prozess folgt die Dünnschichtverarbeitung oder das Sputtern, bei dem die Kupferschaltkreisschicht direkt mit dem nanokeramischen Dielektrikum verbunden wird, um die thermische Effizienz des Stapels weiter zu verbessern. Zu keinem Zeitpunkt wird organisches Epoxidharz verwendet, sodass UV-Strahlung nichts angreifen kann.

Durch diesen gesamten Ansatz entsteht ein MCPCB mit einer thermischen Leistung, die mit der von Aluminiumnitrid (AlN) mithalten kann, jedoch ohne die Probleme, die mit schlechter Herstellbarkeit oder Sprödigkeit einhergehen.

Die durch LEDs ermöglichte UVC-Sterilisation und -Desinfektion ist eine Technologie, die eine wirklich transformative Wirkung haben kann. Damit die Prognosen der Analysten jedoch Wirklichkeit werden, müssen Hersteller und Designer sicherstellen, dass sie die thermischen Herausforderungen von UV-LEDs meistern können.