UV-C LED를 사용하여 병원균을 안전하고, 효과적이며, 효율적으로 제어하는 방법

코로나19의 전 세계적인 유행에 따라 엔지니어는 소독 및 살균 제품에 SARS-CoV-2(코로나19를 일으키는 바이러스)를 '불활성화'하는 자외선(UV)을 고려하게 되었습니다. 기존의 소독 및 살균 제품에서는 병원균 제거에 필요한 UV-A 스펙트럼에서 방사되는 저압 수은 증기 램프를 사용합니다. 반면 LED는 효율성 향상, 높은 조명 출력, 긴 수명, 낮은 수명 주기 비용 등 다양한 이점을 제공합니다.

UV-A LED는 근시적 스펙트럼 범위에 맞게 청광 LED를 조정하여 상대적으로 쉽게 제조할 수 있으므로 산업용 경화 응용 분야에서 10년 이상 사용되고 있습니다. 하지만 SARS-CoV-2를 불활성화하려면 더 강력한 UV-C가 필요합니다.

지난 몇 년 동안 상업용 UV-C LED가 이용 가능해졌습니다. 하지만 이러한 장치는 많은 새로운 설계 문제를 야기하므로 기존 수은 증기 램프에 대한 단순 드롭인 교체로 고려될 수 없습니다. 예를 들어 소독 및 살균 제품은 적절한 작동을 보장하기 위해 엄격하게 제어되는 높은 방사 플럭스가 필요합니다. 뿐만 아니라 UV-C LED는 박테리아와 바이러스만 살균하는 것이 아니라 사람에게도 위험하므로, 적절한 보호가 설계 공정에 있어 중요한 부분을 차지합니다.

이 기사에서는 UV 방사의 종류와 살균 및 병원균 제어에서 UV 방사의 역할에 대해 간략히 살펴봅니다. 그런 다음 LED를 방사 광원으로 사용할 때의 이점과 관련 설계 과제에 대해 설명합니다. 또한 OSRAM Opto Semiconductors, Inc., Everlight Electronics 및 SETi/Seoul Viosys의 UV LED를 예로 사용하여 이러한 과제에 대한 솔루션을 소개합니다.

병원균 제어에 자외선을 사용하는 이유

UV 방사는 가시광선과 X 레이 사이의 전자기 스펙트럼에 적합하며 상응하는 높은 에너지를 가진 단파장(400nm ~ 100nm) 광자로 구성됩니다. 방사 파장은 주파수에 반비례합니다. 즉, 파장이 짧을수록 주파수가 높습니다(그림 1).

그림 1: 전자기 스펙트럼에서 UV 방사는 100nm ~ 400nm 사이의 파장에서 가시광선 바로 아래에 속하며 A, B, C의 세 가지 유형으로 나뉩니다. (이미지 출처: 캐나다 정부)

UV 방사와 생물학적 소재의 상호 작용을 기준으로 자외선은 UV-A(400nm ~ 315nm), UV-B(314nm ~ 280nm), UV-C(279nm ~ 100nm)의 세 가지 유형으로 정의됩니다. 태양은 세 가지 형태의 자외선을 모두 생성하지만 약간의 UV-B만 지구의 오존층을 통과하고 UV-C는 통과하지 못하므로 인체는 주로 UV-A에만 노출됩니다. 하지만 수은 증기 램프와 최신 UV LED를 비롯하여 세 가지 유형의 자외선을 모두 인공적으로 생성하는 다양한 방법이 있습니다.

UV-C 방사는 현재의 전 세계적인 유행 이전에 병원균을 올바르게 제거하기 위해 확립된 기술입니다. 기존 제품에서는 수은 증기 램프를 UV 광원으로 채택합니다. UV-C가 SARS-CoV-2에 미치는 효능에 관한 최근 연구에 따르면 파장이 약 250nm ~ 280nm 사이인 자외선은 바이러스의 RNA에 우선적으로 흡수되며 총 17J/m²의 투여량으로 병원균의 99.9%가 불화성화되는 것으로 나타났습니다. 이 정도 수준의 방사로는 바이러스가 완전히 폐사되지 않지만, RNA를 복제되지 않도록 충분히 방해하여 자외선의 인체 노출을 제한하면서 무해하게 만듭니다.

UV 광원

기존 UV 광원은 수은 증기 램프입니다. 이 램프는 방전에 의해 자극되면 기화된 금속 플라즈마에서 빛을 방사하는 가스 방출 장치입니다. 일부 제품은 소독 및 살균 용도에 적합한 185nm UV-C 파장(일부 UV-A 및 UV-B 방출 포함)에서 최대치를 방출하는 용융 석영 아크관을 통합합니다(그림 2).

그림 2: UV-C LED가 등장하기 이전에는 저압 수은 증기 램프가 가장 실용적인 UV 광원이었습니다. (이미지 출처: JKL Components)

수은 증기 램프는 기존 백열전구 광원에 비해 상대적으로 더 효과적이고 오래 지속되지만, 정상 사용 중이거나 폐기할 때 전구가 파손되면 대기 중에 독성 수은을 배출한다는 치명적인 단점이 있습니다.

반면에 UV-C LED는 효능, 높은 조명 출력, 긴 수명, 낮은 수명 주기 비용 등 LED가 일반 조명에 제공하는 것과 동일한 주요 이점을 소독 및 살균 응용 분야에 제공합니다. 또한 LED는 폐기할 때 마찬가지로 주의가 필요하지만 수은 기반 광원과 같은 환경 위험을 제공하지 않습니다.

UV-C LED는 청색 LED 기술을 기반으로 구축됩니다. UV-C LED는 적색 LED보다 더 넓은 밴드갭(더 짧은 파장) 방출기를 위해 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 기판을 플랫폼으로 사용합니다. 하지만 대체적으로 질화 갈륨이 UV-C 방사선을 통과하지 못하므로 UV-C LED는 청색 LED보다 비효율적이고 비용이 높습니다. 따라서 상대적으로 방출 후 다이를 벗어나는 UV-C 광자가 상대적으로 적습니다.

이제 최근에 개발된 반사 p-접점 금속 피복, 특허 받은 기판, 텍스처 표면, 미세 공동 효과, 볼륨 성형 등이 UV LED의 효능을 촉진하기 위해 사용되고 있으며, 상용 제품에서는 이제 합당한 성능을 제공합니다.하지만 엔지니어는 장치의 효능이 가시광선 LED보다 낮고, 광자 추출과 관련한 복잡도 증가로 비용이 높아진다는 사실을 인지해야 합니다. 제조업체 규격서에서는 일반적으로 효율성 수치를 피하고 주어진 구동 전류 및 전압에 대한 세부 플럭스(mW)를 대신 사용합니다.

UV-C LED 솔루션 예

병원균을 불활성화하는 데 최적의 파장에서 방사선을 방출하도록 특별히 고안된 다양한 상용 UV-C LED가 출시되어 있습니다. 예를 들어, OSRAM Opto Semiconductors, Inc.는 275nm에서 방출하는 UV-C LED인 SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 OSLON UV 3636을 제공합니다. 이 LED는 350mA/5V ~ 6V 순방향 전류/전압에서 총 35mW ~ 100mW의 방사 플럭스(bin 선택에 따라 다름)를 제공합니다(그림 3).

그림 3: UV-C LED는 100nm ~ 280nm 범위에서 피크 방출을 제공합니다. SARS-CoV-2 불활성화를 위한 이상적인 피크는 250nm ~ 280nm 사이입니다. 여기에 표시된 OSRAM OSLON UV-C LED의 방사 플럭스는 277nm에서 피크를 나타냅니다. (이미지 출처: OSRAM)

또 다른 장치 예로 270nm ~ 285nm UV-C LED인 Everlight Electronics의 ELUC3535NUB를 들 수 있습니다. 이 장치는 세라믹 기반이며 100mA/5V ~ 7V 순방향 전류/전압에서 10mW의 방사력을 제공합니다(그림 4).

그림 4: Everlight Electronics의 270nm ~ 285nm UV-C LED는 세라믹 본체에 실장되어 있습니다. LED 크기는 3.45mm x 3.45mm입니다. (이미지 출처: Everlight Electronics)

SETi/Seoul Viosys는 CUD5GF1B를 제공합니다. 이 LED는 255nm 방출기로서, 표면 실장 배치를 위해 세라믹 패키지에 실장되며 열 저항이 낮습니다. 이 장치의 방사력은 200mA/7.5V 구동 전류/전압에서 7mW입니다. 이 LED는 온도의 증가에 따른 방출 파장의 편차를 최소화하여, 50˚C 다이 온도 범위 전반의 255nm 피크 출력에서 편차가 1nm에 불과합니다. 이는 우수한 바이러스 불활성화를 보장하기 위해 엄격하게 제어되는 출력이 요구되는 장치에 대한 중요한 고려 사항입니다(그림 5).

그림 5: SETi/Seoul Viosys의 CUD5GF1B UV-C LED는 50˚C 다이 온도 범위 전반의 255nm 피크 출력에서 편차가 1nm에 불과합니다. (이미지 출처: SETi/Seoul Viosys)

UV-C LED를 사용한 설계

LED는 이미 자체적으로 설계 문제가 내재되어 있으므로, UV-C LED를 수용하기 위해 수은 증기 광원을 기반으로 설계된 제품을 조정하는 것은 실현 가능하지 않습니다. 따라서 소독 또는 살균 응용 분야에서 수은 증기 램프를 UV-C LED로 대체하는 것은 광원을 교체하는 정도의 문제가 아닙니다.

소독 또는 살균용 UV-C LED를 선택할 때 설계 공정에서는 먼저 UV-C 조명을 적용할 면적과 방사된 영역에서 대상 병원균을 불활성화하는 데 필요한 방사 플럭스('방사 조도')(watts/m²)를 결정해야 합니다.

예를 들어 에어컨 덕트에서 유입되는 공기를 수독하는 응용 제품을 고려해 보십시오. 위에 요약된 17J/m² 요구 사항을 기준으로 0.25m² 면적에 대해 공기 중 바이러스를 약 5초 이내에 무력화하려면 방사 조도가 약 4W/m²(총 전력 1W)인 시스템이 필요합니다.

원하는 방사 조도가 계산되면 엔지니어는 해당 방사 조도를 제공할 수 있는 방법을 파악할 수 있습니다. 각 LED의 방사 플럭스를 고려하고 총 방사 조도를 해당 수치로 나누어 부품 목록의 각 제품에 필요한 LED 수를 구하는 것이 좋습니다.

이 계산은 해당 플럭스의 분포를 고려하지 않고 간단하게 계산해 본 대략적인 수치입니다. 두 가지 요소에 따라 방사 플럭스가 대상 표면에 미치는 영향이 결정됩니다. 첫 번째 요소는 LED에서 객체까지 거리이고, 두 번째 요소는 LED의 '빔 각도'입니다.

LED를 점 광원으로 고려할 경우 방사 조도는 역제곱 법칙에 따라 감소합니다. 예를 들어 방출 지점 기준 1cm 거리에서 10mW/cm²일 경우 10cm 거리에서 방사 조도는 0.1mW/cm²로 감소됩니다. 하지만 이 계산에서는 LED가 모든 방향에서 균등하게 방사하는 것으로 가정하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 대신, LED는 방사 플럭스를 특정 방향으로 전달하는 1차 광학이 특징입니다. 제조업체에서는 일반적으로 규격서에 LED 빔 각도를 나열합니다. LED 빔 각도는 원점의 한 측면에 최대 방사 조도의 50%가 도달하는 각도로 정의됩니다.

위에서 설명한 OSRAM, Everlight Electronics, SETi/Seoul Viosys의 UV-C LED 빔 각도는 각각 120도, 120도, 125도입니다. 그림 6에서는 OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED의 방사 조도 패턴을 보여줍니다. 이 구성도에서 0,4와 0,6 사이의 점선은 피크 방사의 50%가 도달하는 지점을 나타냅니다(빔 각도 60도+60도 정의).

그림 6: OSRAM SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C LED,의 방사 조도 패턴에서 0,4와 0,6 사이의 점선은 피크 조사의 50%가 도달하는 지점을 나타냅니다(빔 각도 60도+60도 정의). (이미지 출처: OSRAM)

빔 각도를 결정하는 주요 특성은 1차 광학의 크기에 대한 LED 다이의 비율입니다. 따라서 좁은 빔을 생성하려면 더 작은 방출기 또는 더 큰 광학 기계(또는 둘 간의 적절한 균형 조정)가 필요합니다. 다이가 작을수록 방출이 작아지고, 광학 기계가 클수록 제조하기 어렵고, 가격이 높아지며, 빔 각도 제어가 제한된다는 설계상 트레이드 오프가 있습니다.

상용 LED는 일반적으로 공장에서 1차 광학 기계를 실장한 상태로 제공되므로 설계 엔지니어가 다이/광학 비율을 결정할 수 없습니다. 따라서 제조업체가 다를 경우 출력이 동일하더라도 방출 패턴이 크게 차이날 수 있으므로 목록에 열거된 제품의 빔 각도를 검토하는 것이 중요합니다.

방사 객체부터 LED까지 거리와 빔 각도는 방사 조도 패턴을 파악하는 데 유용한 초기 지침이지만, 다양한 변량이 존재합니다. 예를 들어 이론적으로 출력 및 빔 각도가 동일한 동일 제조업체의 LED 조명 패턴에서 1차 광학 설계에 따라 강도와 품질이 크게 차이날 수 있습니다. 실제 방사 조도 패턴을 확인하는 유일한 방법은 목록에 열거된 제품의 출력을 테스트하는 것입니다.

LED 출력, LED와 소독할 물품이 놓인 표면 사이의 거리, 빔 각도, 실제 방출 데이터를 알고 있을 경우 엔지니어는 활성 영역에 대해 원하는 방사 조도를 생성하기 위해 필요한 LED 개수와 LED 배치를 계산할 수 있습니다.

비용, 효율성, 복잡성 사이의 원하는 트레이드 오프에 따라 최종적으로 LED를 선택하게 됩니다. UV-C LED는 고가이므로 출력이 적은 다수의 장치를 사용하는 것보다는 출력이 높은 소수의 장치를 사용하는 것이 좋습니다. 이 시나리오는 LED 부품 비용을 절감하고 구동기 복잡성을 줄일 수 있다는 이점이 있습니다. 반면에 효율성이 낮기 때문에 출력이 높을수록 더 효율적인 열 관리가 제공되어야 긴 수명 유지가 가능하다는 단점이 있습니다(온도가 높으면 LED 수명이 크게 감소됨). 따라서 더 큰 방열판이 필요하므로 예상되는 비용 절감의 효과가 다소 무색해질 수 있습니다.

2차 광학 설계

LED를 추가하거나 LED 전력을 높이는 대신 2차 광학을 사용하는 것을 고려할 수 있습니다. 이러한 장치는 LED의 UV-C 출력을 시준(균등한 강도의 평행 광학 빔 생성)하여 빔 각도 효과를 효과적으로 제거합니다. 이론적으로 시준을 사용하면 대상 표면 전반의 방사 조도가 LED 배열에 상관없이 균등해야 하며, 낭비되는 출력이 적어서 적은 수의 LED로 주어진 수준의 방사 조도가 달성되어야 합니다. 또한 2차 광학을 사용하지 않는 설계와 동일한 수의 LED로 더 높은 방사 조도를 실현할 수 있습니다(350mW/m² vs 175mW/m²)(그림 7).

그림 7: 2차 광학을 사용하는 UV-C 방사 시준(왼쪽)은 LED 출력이 동일하지만 (시준되지 않은) 1차 광학을 사용하는 시스템에 비해 대상 면적의 방사 조도가 높습니다. (이미지 출처: LEDiL)

실제로 회절로 인해 최상의 제품을 사용하더라도 완벽한 시준은 불가능하므로 2차 광학을 사용하는 경우의 방사 조도는 균일하지 않습니다(LED가 작을수록 시준은 더 우수함). 또한 2차 광학을 사용하지 않는 유사한 설계에 비해 적은 수의 장치로 필요한 방사 조도를 보장하려면 LED와 2차 광학을 배치하여 장시간 실험해야 합니다.

UV-C LED용 2차 광학은 가시광선 LED에 사용되는 것과 다른 소재로 제조됩니다. 공통 솔루션은 UV-C 파장을 효과적으로 반사하고 복잡한 렌즈 설계를 생산할 수 있는 사출 성형 실리콘 부품입니다. 알루미늄 반사기를 사용하여 UV-C를 시준할 수도 있습니다. 2차 광학을 사용하면 LED 감소로 비용이 절감되는 반면에 분광기 설계로 인해 복잡도가 증가한다는 단점이 있습니다.

안전 예방 조치

UV 방사선은 피부 깊숙히 관통할 수 없지만 피부에 흡수되어 화상과 같은 단기적 손상과 주름, 영구적 피부 노화와 같은 장기적 손상을 일으킬 수 있습니다. 극단적인 경우 UV 노출로 인해 피부 암이 발생할 수 있습니다. 자외선은 망막과 각막을 모두 손상시킬 수 있으므로 눈에 특히 위험합니다. 또한 공기 중에서 UV 방사선은 높은 농도에서 건강 위험을 초래하는 오존을 생성할 수 있습니다.

이러한 위험으로 인해 UV-C 조명에 대한 노출을 제한하고 사용자가 LED를 직접 볼 수 없도록 제품을 설계하는 것이 좋습니다. 또한 UV-C는 눈에 보이지 않으므로 의도적으로 약간의 가시 청광 방출을 포함시킨 LED를 선택하는 것이 좋습니다. 그러면 UV-C LED가 켜졌는지 정확히 알 수 있습니다.

특히 SARS-CoV-2의 경우 HVAC 장치에 살균 장치를 통합하여 UV-C를 인체에서 멀리 유지하면서 공기로 운반되는 바이러스를 빠르게 불활성화할 수 있습니다. 그 밖에 조명 기구에 장착되어 인체에 무해한 매우 낮은 수준의 UV-C를 표면에 방사하지만 장기적으로 테이블, 의자, 바닥, 문고리와 같은 표면에서 바이러스를 불활성화하는 데 충분한 방사 조도를 제공할 수 있는 LED로 연구를 실시하고 있습니다.

결론

UV-C 방사를 사용하여 소독 및 살균 제품에서 SARS-CoV-2와 같은 병원균을 불활성화할 수 있습니다. 하지만 UV-C의 공통적인 인공 광원은 중금속이 함유된 수은 증기 램프이므로 폐기 시 어려움이 있습니다. UV-C LED는 폐기 문제를 개선하여 보다 효율적이고 오래 지속되는 대안을 제공합니다. 병원균을 불활성화하는 데 적합한 이상적인 파장에서 방출 피크를 지원하는 많은 사용 UV-C LED가 출시되어 있습니다.

하지만 이러한 LED는 단순 드롭인 대체가 아니며 이점을 극대화하기 위해 신중하게 설계해야 합니다. 앞서 설명한 대로 설계자는 활성 표면에서 원하는 방사 조도를 결정하고 해당 방사 조도를 달성하는 데 필요한 UV-C LED의 개수와 배열을 계산해야 합니다. 또한 설계자는 균일한 방사 조도를 생성하기 위해 LED의 1차 광학을 사용할지, 복잡도 증가를 감안하고 최적의 패턴을 얻기 위해 2차 광학을 사용하여 UV-C 출력을 시준할지 여부를 결정해야 합니다.