Más calor que luz para los LED UVC

El viejo dicho sobre una discusión que genera "más calor que luz" también resume el desafío térmico en el creciente mercado de los LED UVC que se utilizan para desinfectar instrumentos médicos, agua y otros productos de consumo cotidianos, escribe John Cafferkey de Cambridge Nanotherm.

La tecnología ultravioleta C (UVC) tiene sus orígenes a principios del siglo XX, cuando se produjeron por primera vez en masa lámparas de vapor de mercurio.

En 1910 se utilizaron lámparas emisoras de rayos ultravioleta para desinfectar el agua potable. Sin embargo, la planta prototipo demostró ser poco fiable y fue cerrada.

En la década de 1950 se probaron nuevos sistemas de tratamiento de agua UVC y, a mediados de la década de 1980, había alrededor de 1.500 plantas en toda Europa. Más allá del tratamiento del agua, la UVC se utiliza en aplicaciones que van desde la limpieza de equipos médicos y habitaciones de hospitales hasta la desinfección de calefacción, ventilación y aire acondicionado ( HVAC) sistemas para prevenir la propagación de patógenos.

Si bien las lámparas de vapor de mercurio son extremadamente efectivas en estas aplicaciones a gran escala, la naturaleza frágil de las bombillas y el uso de mercurio peligroso significa que no son adecuadas para aplicaciones más portátiles y amigables para el consumidor.

En los últimos años, los fabricantes de LED han desarrollado LED UVC cada vez más eficaces. Si bien no son tan eficientes como los LED UVA (que se utilizan para curar tintas y pinturas), se están volviendo viables para aplicaciones de bajo consumo.

Es este movimiento hacia nuevos mercados lo que ha llevado a los analistas de la industria Yole Développement a predecir una explosión en el crecimiento de los LED UVC de 7 millones de dólares en 2015 a la asombrosa cifra de 610 millones de dólares en 2021.

Este auge se basa en que los LED UVC crean un mercado en aplicaciones UVC portátiles y fáciles de usar para el consumidor. Por ejemplo, los consumidores podrán comprar "varitas" de desinfección portátiles, que podrán utilizar para esterilizar artículos cotidianos, como teléfonos inteligentes, tabletas o teclados.

Los fabricantes de bienes de consumo podrán incorporar la tecnología LED UVC en productos para fabricar artículos autodesinfectantes. Por ejemplo, un cepillo de dientes podría desinfectarse solo después de volver a colocarlo en su soporte, el biberón de leche de un bebé podría autoesterilizarse con solo presionar un botón y un grifo podría esterilizar el agua cuando lo use; las posibilidades son infinitas.

Sin embargo, son algunas de las aplicaciones más profundas de UVC las que realmente están llamando la atención. Las botellas portátiles de esterilización de agua podrían mejorar la forma en que los países en desarrollo ofrecen agua limpia a sus ciudadanos al esterilizarla en el punto de consumo. Esto será especialmente valioso en áreas donde no existe una infraestructura centralizada de esterilización del agua, o en sitios de desastre donde se podría proporcionar rápidamente agua potable.

Dejando a un lado las nuevas aplicaciones, incluso los hospitales (donde la UVC se ha utilizado durante años) pueden beneficiarse. A nivel mundial, cada año más de 700.000 pacientes (lo que equivale a uno de cada 25) sufren una infección mientras están hospitalizados, lo que provoca 75.000 muertes. La tecnología UVC podría integrarse en instrumentos médicos como estetoscopios y bisturís, que podrían esterilizarse en segundos.

Los LED UVC tienen el potencial de llevar el poder esterilizante de los UVC a un mercado masivo y podrían tener grandes implicaciones para la salud pública.

El desafío térmico

La tecnología aún está en pañales y, entre otros desafíos, una barrera es la gestión térmica de los LED UVC. Como cualquier componente electrónico, los LED son sensibles al calor.

Los LED UVC tienen una eficiencia cuántica externa (EQE) particularmente baja: solo convierten alrededor del 5% de la energía entrante en luz. El 95% restante de la energía se convierte en calor, que debe eliminarse rápidamente para mantener la unión LED por debajo de su temperatura máxima de funcionamiento. No mantener fría la matriz LED acortará, en el mejor de los casos, su vida útil y, en el peor, provocará que falle catastróficamente.

A medida que los LED UVC se vuelven más potentes (el último es de 75 mW), los fabricantes deben buscar nuevas formas de abordar este desafío. La pregunta sigue siendo cómo hacer frente a las altas demandas térmicas de los LED UV y al mismo tiempo garantizar que los componentes sigan siendo rentables, duraderos, mecanizables y resistentes al desgaste de la propia fuente de luz UV.

Como los LED UV son demasiado pequeños para irradiar cantidades significativas de calor desde su superficie, la única forma de que pueda escapar de manera efectiva es a través de la parte posterior del LED. El calor debe conducirse desde el chip LED, a través del módulo PCB, antes de llegar al disipador de calor que lo libera a la atmósfera.

El calor también es un problema de PCB

La PCB en la que se monta el LED debe tener una alta conductividad térmica, que para un LED de luz visible normalmente sería una PCB revestida de metal (MCPCB). Sin embargo, estos no son adecuados para aplicaciones UVC. Los MCPCB se fabrican a partir de una lámina de metal (generalmente aluminio o cobre) con la capa del circuito de cobre unida con una capa dieléctrica de epoxi térmicamente conductor, pero eléctricamente aislante.

Los MCPCB basados ​​en dieléctricos epoxi son útiles en aplicaciones de luz visible, pero los rayos UV (y en particular los UVC) degradan sustancias orgánicas como el epoxi, lo que reduce significativamente la vida útil de los MCPCB utilizados en aplicaciones UV. La única alternativa viable es utilizar cerámica de calidad electrónica.

De estos, el nitruro de aluminio (AIN) presenta una excelente conductividad térmica (140 W/mK-170 W/mK), pero también es caro. El óxido de aluminio (Al2O3) es una alternativa más rentable, pero no ofrece la conductividad térmica necesaria para los LED UV (20 W/mK-30 W/mK). Ambos son frágiles y pueden dañarse fácilmente, lo que significa que no se pueden montar con tornillos fácilmente y no son adecuados para aplicaciones más resistentes.

La alternativa es la nanocerámica con una capa de circuito pulverizada. Esto proporciona una conductividad térmica más que adecuada de 150 W/mK, muy dentro del rango térmico requerido.

Utilizando un proceso patentado de oxidación electroquímica (ECO), Cambridge Nanotherm utilizó este enfoque para transformar la superficie de un tablero de aluminio en una capa increíblemente delgada de cerámica de alúmina (Al2O3) que mide solo decenas de micrones de espesor.

Esta capa actúa como dieléctrico entre el circuito de arriba y el aluminio de abajo. Como la capa producida por el proceso ECO es extraordinariamente delgada, el calor puede atravesarla fácilmente, dando al sustrato su excepcional conductividad térmica.

El procesamiento de película delgada, o pulverización catódica, sigue el proceso ECO, que une directamente la capa del circuito de cobre al dieléctrico nanocerámico para mejorar aún más la eficiencia térmica de la pila. En ningún momento se utiliza epoxi orgánico, por lo que no hay nada que los rayos UV puedan degradar.

Todo este enfoque crea un MCPCB con un rendimiento térmico que rivaliza con el nitruro de aluminio (AlN), pero sin ninguno de los problemas asociados con una mala capacidad de fabricación o fragilidad.

La esterilización y desinfección UVC habilitada por LED es una tecnología que puede tener un efecto genuinamente transformador. Pero para que las proyecciones de los analistas se conviertan en realidad, los fabricantes y diseñadores deberán asegurarse de que pueden superar los desafíos térmicos que presentan los LED UV.