Was ist UV-Strahlung?

Oberhalb des kurzwelligen Endes des sichtbaren Lichtes und unterhalb der Röntgenstrahlung liegt das Frequenzspektrum der Ultravioletten Strahlung (UV). Der UV-Wellenlängenbereich reicht von etwa 400 bis 100 nm (Nanometer, also 1 Milliardstel Meter).

Im Vergleich zum sichtbaren Bereich des Lichts ist UV-Strahlung deutlich energiereicher. Die Photonenergie beträgt je nach Wellenlänge etwa 3 bis 12 eV. Damit ist UV-Strahlung in der Lage, chemische Bildungen aufzulösen oder Reaktionspartner zu generieren, die dann neue Bindungen eingehen können. Dies lässt sich ausnutzen, um biologische und chemische Prozesse auszulösen oder zu steuern. Die Energie eines einzelnen Strahlungsquanten der UV-Strahlung mit Frequenzen unter 200 nm reicht aus, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu herauszulösen. Deshalb zählt UV-Strahlung auch zu den ionisierenden Strahlungen.

UV-Strahlung kommt in der Natur als Teil des von der Sonne abgestrahlten Wellen-Spektrums vor. In der Technik lässt sich künstliche UV-Strahlung unter anderem mit Quecksilberdampflampen, Quarzlampen und Schwarzlichtlampen erzeugen. Heute werden auch spezielle Leuchtdioden hergestellt, die UV-Strahlung emittieren. Diese LED-UV-Emitter werden hier näher beschrieben.

Wie funktionieren UV-Emitter?

Um die quantenphysikalischen Vorgänge in Leuchtdioden bis ins kleinste Detail zu erklären, reicht der Platz hier nicht aus. Deshalb im Folgenden zur Übersichtlicht eine stark vereinfachte Zusammenfassung:

Wie herkömmliche Dioden besitzt eine Leuchtdiode eine Sperrschicht, die die Ladungsträger durchlaufen können, wenn diese die Lücke zwischen Valenzband und Leitungsband überwinden. Bei bestimmten Halbleitermaterialien, sogenannten „direkten“ Halbleitern, liegen die Energieebenen der Bänder so, dass ein direkter Übergang der Ladungsträger möglich ist. Zu den „direkten“ Halbleitern gehört z.B. Galliumarsenid (GaAs). Die beim Übergang der Ladungsträger von einem Band zum anderen auftretende Energiedifferenz wird in Form von Lichtquanten abgegeben. Aus der chemischen Zusammensetzung der Halbleitermaterialien ergibt sich die Größe der Bandlücke und damit die Energiedifferenz. Diese wiederum bestimmt die Wellenlänge bzw. die Farbe des abgestrahlten Lichtes.

Als LED-Halbleitermaterialien zur Erzeugung von langwelliger UV-Strahlung um 400 nm hat sich Indiumgalliumnitrid (InGaN), für kurzwellige UV-Strahlung Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) als geeignet erweisen. Die Wellenlänge der UV-Strahlung von UV-LEDs liegt typischerweise zwischen 400 nm und 300 nm.

Welche Vorteile haben UV-Emitter?

Im Vergleich zu herkömmlichen technischen Verfahren zur Erzeugung von UV-Strahlen, z. B. mit Quecksilberdampflampen oder Quarzlampen, arbeiten LED-UV-Emitter mit viel niedrigeren Spannungen und haben sehr geringe Abmessungen. Die relativ geringe Strahlungsleistung eines einzelnen UV-LED-Chips lässt sich beliebig erhöhen, indem auf der Fläche des Strahlers eine größere Menge dieser Chips angeordnet wird. Mit elektronischen Schaltungen lässt sich die Intensität des erzeugten UV-Strahlung von UV-LED-Chips genau dosieren.

Wozu lassen sich UV-Emitter verwenden?

Auf Grund ihrer kompakten Bauformen lassen sich UV-emittierende LEDs für viele Anwendungen verwenden, für die konventionelle UV-Quellen weniger geeignet sind. Beispiele sind UV-Leuchten, mit denen sich krankheitserregende Keime, Drogen und Gefahrenstoffe nachweisen lassen, weil diese im UV-Licht fluoreszieren. Anwendungen finden sich in der Sicherheitstechnik sowie der medizinischen, chemischen und radiometrischen Analytik.

Fluoreszierend sind die Sicherheitsmerkmale der meisten Geldscheine. Deshalb lassen sich UV-Emittier in Geräten zur Prüfung von Banknoten verwenden.

Weil UV-Licht Farbe, Geschmack oder ph-Wert des bestrahlten Materials nicht verändert, ist dieses Verfahren besonders gut geeignet zum Reinigen von Trinkwasser, zur Desinfizierung und zum Abtöten von Keimen in der Luft. Anwendungen dafür sind z. B. in der Lebensmittel- und Pharmaproduktion oder in Krankenhäusern zu finden.

Für Geräte der medizinischen Therapie und Diagnose eignen sich UV-emittierende LEDs besonders gut, weil sich die Intensität der UV-Strahlung genau dosieren lässt.

In der Technik gibt es weitere Anwendungen für UV-Bestrahlung, z. B. Aushärten von bestimmten Kunststoffen, Druckfarben oder Lacken. Unter UV-Bestrahlung gehen solche Stoffe innerhalb von wenigen Sekunden in den festen Zustand über.

Was ist bei der Montage und dem Betrieb von UV-Emittern zu beachten?

Wie alle Halbleiterbauelemente verändern sich deren Eigenschaften irreversibel, d. h. Sie werden zerstört, wenn die maximale Sperrschichttemperatur überschritten wird. Dies ist sowohl ein der Montage als auch im Betrieb zu beachten. Die maximal zulässigen Grenzwerte sind in den Datenblättern angegeben. Auch UV-LEDs sind vor elektrostatischen Entladungen zu schützen und müssen deshalb auf einem ESD-sicheren Arbeitsplatz montiert werden.

UV-Emitter erzeugen im Betrieb eine nicht sichtbare intensive Strahlung, die auch bei kurzzeitigen Einwirken nicht ungefährlich ist und Augen schädigen kann. Deshalb darf beim Arbeiten an in Betrieb befindlichen UV-LEDs auf keinen Fall mit ungeschützten Augen in die LED gesehen werden. Personen, die Geräte mit UV-LEDs montieren, bedienen oder reparieren, müssen eine UV-Schutzbrille tragen. An Geräten, in die UV-emittierende LEDs eingebaut sind, müssen entsprechende Sicherheits- und Warnhinweise angebracht werden.