发光波长范围为200~400nm的LED被归类到紫外线发光二极管(UV LED)。这个波长范围又被细为三个波段,即波长为300~400nm的UV-A,波长为280~315nm的UV-B,以及波长为200~280nm的UV-C。UV-C LED特别适合用来杀菌,被认为可取代现有的低压汞蒸气灯。越来越多的LED光源和LED照明制造商正在供应UV-C LED产品。与采用汞蒸气灯的照明系统相比,评估基于LED的系统时,应考虑以下几个特性:
一、整体效率
就总体拥有成本而言,最重要的考虑因素之一是系统的整体效率。虽然汞蒸气灯可能具有更高的灯效率,但整体系统性能还要由其他几个因素决定。第一个是光谱响应。UV-C汞蒸气灯的光谱响应在大约185~254nm处达到峰值。这些都是无法调整的材料固定发光性能。研究表明,破坏微生物RNA和DNA的最佳波长约为265nm(如图1所示)。
图1:用消杀大肠杆菌效果作比较的低压和中压汞蒸气灯光谱响应。(图片来源:维基百科)
UV-C LED目前有包括265nm在内的几种不同波长的产品,因此可以优化照明系统的效率(图2)。
图2:用消杀大肠杆菌效果作比较的UV-C LED(265nm)光谱响应。
二、墙插效率
墙插效率被定义为输出发光功率与输入电功率的比值。目前,汞蒸气灯的墙插效率超过了基于UV-C LED的系统。然而,汞蒸气的寿命要短很多,因此会抵消这一优势。LED灯具寿命的一个普遍接受的指标是L70(发光性能退化到其初始值的70%所需的时间)。类似地,UV-C产品也用R70指标来表征。与可实现1万小时R70的LED产品相比,典型汞蒸气灯的R70在2~8千小时之间。
三、预热时间
在总体拥有成本方面,最后一个考虑因素是预热时间。汞蒸气灯的预热时间在1~5分钟之间。由于预热时间过长,人们一般会将灯长时间保持在通电状态。相比之下,UV-C LED和所有其他LED一样,可以无限次地瞬时开关循环,这意味着它们在环境需要时再打开使用也不迟。
不直接涉及拥有成本的其它因素还包括环境因素(有汞还是无汞)、物理尺寸(基于LED的产品可以小到足以能够装进汞蒸气灯无法进入的空间)、安全相关因素以及所需的输入电源(汞蒸气的电压高,而LED电压低)。
此外,在将一种UV-C LED照明系统与另一种UV-C LED照明系统进行比较时,也有一些因素需要考虑。如上所述,UV-C LED可以被设计成发射几乎任何波长的光。2020年发表在《新英格兰医学杂志》上的一篇文章提供了紫外线波长的杀毒效率曲线。不出所料,从265nm的最佳波长开始,杀毒效率随着阳性或阴性δ值的增加而降低。将该因子应用于给定产品的R70,可以更好地反映该产品在其预期寿命内的有效性。
产品的R70与LED裸片制造中使用的外延材料直接相关。一般使用由氮化镓、氮化铝镓或氮化铝组成的外延材料来生产UV LED。较高的铝含量意味着更短的波长和更低的寿命。因此,即使不含铝的LED在杀毒效率方面不太理想,但由于具有较高的R70,因此从长远角度看可以提供更好的总体性能。
说到R70,人们经常会看到由单个数字组成的R70规范,例如“R70=1万小时”。实际上,该规范这样表达是有缺陷的,因为它没有标注条件,既缺乏参考温度,又缺乏参考输入电流。与所有其他LED一样,UV-C LED的长期性能与LED裸片的结温成反比,也就是说,结温越高,LED的劣化速度就越快。结温取决于环境温度和输入电流。完整的R70规范应同时包括这两个参数,比如在25℃温度和100mA输入电流条件下,R70=1万小时。
在评估基于UV-C LED的产品时,最后一个考虑因素是这些产品所代表的范式转变。用于普通照明的LED灯具,由于其无穷无尽的形状、波长和颜色调节能力,以及易于与其他建筑系统集成的能力,因此改变了人们对光源应该是什么样子和做什么的全面性理解。由于人们对杀菌系统的实施越来越感兴趣,类似的转变即将在UV-C LED产品领域中发生。随着UV-C LED性能和灵活性的提高,在基础设施和其他环境下的各种新应用中,可能很快就会见到这方面的产品。