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ILSの消毒および滅菌用のUV LED

KamillaAliakhmet
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紫外線光(UV:Ultraviolet)の殺菌効果が認められて100年以上になるが、今年ほどこの技術の応用を渇望された年はなかっただろう。

COVID-19の影響で、消毒・滅菌のための紫外線(UV)テクノロジーに関心が高まっている。現在、UV光がCOVID-19に対して有効であるかについての科学的根拠を得ることはできていない。しかし、UV光の殺菌効果が認められて100年以上に経った今が最もUV光の効果について考えるべき時なのかもしれない。

消毒と滅菌に適切なUVライトを開発するには、水銀ランプかUV LEDのどちらかを使う必要がある。これまでは水銀ランプが唯一の利用可能な技術であった。が現在では、近年のUV LEDに関する研究の発展により、電池式の消毒システムの軽量化が実現し、UV LEDを消毒に用いることが現実的に可能となっている。

しかし残念なことに、UV光の殺菌効果は特定の波長範囲に限定されており、水と空気中の細菌に対して最も効果的なUVスペクトルは200nmおよび300nmの範囲である。この範囲は殺菌性を持つUV光であるUV-Bの範囲の一部に対応しており、またUV-Cにも対応している。この範囲内で、UV光線は微生物の細胞に浸透し、DNAを破壊するため、増殖して病気を引き起こすことを阻止することができる。

Electromagnetic spectrum

ここで少し定義を確認したいのだが、「消毒」とは滅菌ですべての微生物を殺すのではなく、病原菌の数を減らすことである。UVシステムの設計者はどの程度まで減らすかの目標を、減少する細菌の対数として持っている。すなわち、1-log = 90%、2-log = 99%、3-log = 99.9%…などとなる。

消毒と滅菌に最も適している波長は何か?

対象となる細菌、ウイルス、またはその他の病原体の種類によって異なるため、最適な波長を簡単に答えることはできない。各微生物には、作用スペクトルという微生物自体がそれぞれの波長で吸収するUV光の量をグラフ形式で表したものがある。各微生物に関係する作用スペクトルのグラフは,「殺菌効果曲線(Germicidal Effectiveness curve)」と呼ばれている。その曲線のピークは完全な不活性化に対応し、病原体ごとに固有になる傾向がある。これが病原体の種類によって最適な波長が異なる原因である。たとえば、大腸菌(E.coli)[1]を不活性化するためのピーク波長は約265nmであることがわかっている。一方、枯草菌(Bacillus subtilis)[2]およびクリプトスポリジウム(Cryptosporidium parvum)[3]に対するピークの波長はそれぞれ270nmおよび271nmである。これらそれぞれのピーク波長が異なることに加えて、一つの媒体(水、空気など)には複数の種の病原体を含む可能性が高い。一つの媒体中に存在する複数の病原菌を不活性化することも最も適した波長について答えることを難しい問題にしている。


265 nmで発光するUV-C LEDと比較した大腸菌の殺菌効果曲線
紫外線殺菌照射ハンドブック、図5.5)

UV消毒の効果に影響する波長と紫外線量について

ある領域を消毒するために特定の期間にわたって適用されるUV光の量はUV線量と呼ばれる。UV線量は、UV光の強度と露出時間の関数で、パラメータは一般に mJ/cm2 で測定され、 異なる細菌間で大幅に異なる。さまざまな細菌、原生動物、ウイルス、および藻類の不活性化の必要量のリストは、このレビュー(IUVA)で発表されている。

さまざまな細菌による4-log不活性化に必要なUV線量 

UVライトの強度は光源のパワー出力によって決まるが、光源の殺菌力は、LEDによって生成される電力よりも低い場合がある。殺菌力を最も正確に推定するには、デバイスの出力光スペクトルを個々の細菌の殺菌効果曲線と比較することが必要である。

UV光にさらす時間は、性質によって大きく異なる傾向がある。たとえば、静的な性質をもつ環境(表面または累積水殺菌)は、動的な性質をもつ環境(循環空気または流水殺菌)よりも長くUV光にさらすことが必要となる。同じ線量はさらす時間を増やし、光の強度を下げることでも達成することができる。
この時点ですべてが混乱しているように思える場合は、ILS (Intelligent LED Solution社) のUV LEDの実用的な例をいくつか考える。

ILS社は、TSLC社のUV LEDのN3535およびN5050シリーズを搭載した UVB・UVC LEDソリューションモジュール基板を、多数提供している。これらは260〜270 nm、270〜290 nm、300〜320 nm の3つの異なる波長範囲に分類されている。前述したように、UV消毒の殺菌効果は、光源の波長と出力に左右される。最適な波長範囲を選択できる製品群があるため、設計者は、望んだレベルの消毒を実現するための電力要件を満たす柔軟性が高い。さらに、3つの異なるメインレンズのオプション(60°,90°または130°)があり、ターゲット領域全体の配光を制御できる。そして最後に、ほとんどのモデル(PowerStarを除く)には、UV光にあてる時間を延ばすための低電力のオプションがある。
コンパクトなUV LEDiLは、3つの波長範囲と異なる角度に対して、350mAで25-60mWの放射出力を提供できる。この光源をLEDiLレンズと組み合わせて使用することで、遠距離から対象領域に光を集中させることが可能だ。UVLEDiLは、ROSE(201-7701)レンズと互換性がある。これらのレンズは、UV-BおよびUV-A波長範囲のUV光に耐えることができる強度のシリコンでできている。 

UVB & UVC N3535 UV LEDiL Selector

UV LEDiL Selectors

λ (nm)

Lens

MPN

RS 品番

Minimum Radiometric Power (mW) @350mA

260nm

±60° lens

ILR-XN01-S260-LEDIL-SC201

(201-7457)

25mW

270nm

±60° lens

ILR-XN01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7458)

40mW

300nm

±60° lens

ILR-XN01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7459)

60mW

260nm

±90° lens

ILR-XO01-S260-LEDIL-SC201.

(201-7461)

25mW

270nm

±90° lens

ILR-XO01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7473)

40mW

300nm

±90° lens

ILR-XO01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7474)

60mW

260nm

±130° lens

ILR-XP01-S260-LEDIL-SC201.

(201-7475)

25mW

270nm

±130° lens

ILR-XP01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7477)

40mW

300nm

±130° lens

ILR-XP01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7478)

60mW

 

同様に、PowerStar(201-7445)のN5050U 1チップUV LEDベースの光源は、270〜290nmの波長範囲で利用できる。独自のPCB形状は、業界標準のZhagaフットプリントと一致するように設計されており、この光源を多数のヒートシンクおよびホルダーと互換性がある。

N5050 Power Star

UV LEDiLセレクターなどの単一パッケージのLEDでは、より広い領域の消毒に必要な十分な光パワーが生成されない場合がある。そんなときには、4つ以上のLEDを組み合わせることがお勧めできる。4つのUV (SCOB)による100〜240mWの放射出力をサポートし、LEDiLのALISE(201-7691)リフレクターおよびZORYA(201-7703)レンズと互換性がある。PCBは反射率が高く、費用対効果の高い材料(アルミニウム)で作られていおり、レンズは限られたスペースで光を均一に分配することができる。

N3535 UV 4 SCOB

4 UV SCOBs

λ (nm)

Lens

MPN

RS Stock number

Minimum Radiometric Power (mW) @350mA

260nm

±60° lens

ILO-XN04-S260-SC201

(201-7462)

100mW

270nm

±60° lens

ILO-XN04-S270-SC201

(201-7463)

160mW

300nm

±60° lens

ILO-XN04-S300-SC201

(201-7464)

240mW

260nm

±90° lens

ILO-XO04-S260-SC201

(201-7468)

100mW

270nm

±90° lens

ILO-XO04-S270-SC201

(201-7469)

160mW

300nm

±90° lens

ILO-XO04-S300-SC201

(201-7470)

240mW

260nm

±130° lens

ILO-XP04-S260-SC201

(201-7439)

100mW

270nm

±130° lens

ILO-XP04-S270-SC201

(201-7440)

160mW

300nm

±130° lens

ILO-XP04-S300-SC201

(201-7441)

240mW

 

UV SCOBの最大のクラスターには9つのLEDが含まれ、1050mAで225〜540mWの電力を供給する。ALISEおよびZORYAもこの光源に最適となる。ただし、ALISE(201-7676)(201-7680)リフレクターが必要になる大口径バージョンは除く。


N3535 UV 9 SCOB

9 UV SCOBs

λ (nm)

Lens

MPN

RS Stock number

Minimum Radiometric Power (mW) @1050mA

260nm

±60° lens

ILO-XN09-S260-SC201

(201-7465)

225mW

270nm

±60° lens

ILO-XN09-S270-SC201

(201-7466)

360mW

300nm

±60° lens

ILO-XN09-S300-SC201

(201-7467)

540mW

260nm

±90° lens

ILO-XO09-S260-SC201

(201-7471)

225mW

270nm

±90° lens

ILO-XO09-S270-SC201

(201-7472)

360mW

300nm

±90° lens

ILO-XO09-S300-SC201

(201-7438)

540mW

260nm

±130° lens

ILO-XP09-S260-SC201

(201-7442)

225mW

270nm

±130° lens

ILO-XN09-S260-SC201

(201-7443)

360mW

300nm

±130° lens

ILO-XN09-S270-SC201

(201-7444)

540mW

 

12個のLEDを備えたUV VIOLETストリップは、最大720mWの放射出力を提供し、LEDiLのVIOLET(201-7709)レンズアレイに適合するように設計されている。このVIOLETレンズアレイのレンズと金属フレームは、UVに強い素材で作られている。


UV VIOLET strip


VIOLET lens array from LEDiL

UV VIOLET strip

λ (nm)

Lens

MPN

RS Stock number

Minimum Radiometric Power (mW) @350mA

260nm

±60° lens

ILS-XN12-S260-0280-SC201-W2

(201-7483)

300mW

270nm

±60° lens

ILS-XN12-S270-0280-SC201-W2

(201-7484)

480mW

300nm

±60° lens

ILS-XN12-S300-0280-SC201-W2

(201-7485)

720mW

260nm

±90° lens

ILS-XO12-S260-0280-SC201-W2

(201-7486)

300mW

270nm

±90° lens

ILS-XO12-S270-0280-SC201-W2

(201-7487)

480mW

300nm

±90° lens

ILS-XO12-S300-0280-SC201-W2

(201-7488)

720mW

260nm

±130° lens

ILS-XP12-S260-0280-SC201-W2

(201-7489)

300mW

270nm

±130° lens

ILS-XP12-S270-0280-SC201-W2

(201-7490)

480mW

300nm

±130° lens

ILS-XP12-S300-0280-SC201-W2

(201-7491)

720mW

 

UV-Cによる消毒システムを設計するには、次のLEDドライバーの幅広い選択肢をOSRAM および ILSから検討することをお勧めする。消毒用のUV光システムの設計は、多くの変数を伴う複雑なプロセスだ。特定のデザイン関連の質問については、当社パートナーの ILS (Intelligent LED Solutions)社 に直接問い合わせ頂きたい。

免責事項:DesignSpark / RS Components / ILSは、COVID-19に対するUVC LEDの有効性を証明する科学的証拠を持っていません。専門家の意見はIUVAのこちらのファクトシートに従ってください。

[1] IESNA. 2000. Lighting Handbook: Reference & Application IESNA HB-9-2000. New York: Illumination Engineering Society of North America.

[2] Waites WM, Harding SE, Fowler DR, Jones SH, Shaw D, Martin M. 1988. The destruction of spores of Bacillus subtilis by the combined effects of hydrogen peroxide and ultraviolet light. Lett Appl Microbiol 7:139–140

[3] Linden KG. 2001. Comparative effects of UV wavelengths for the inactivation of Cryptosporidium parvum oocysts in water. Wat Sci Technol 34(12):171–174.

I am an electronics engineer who is passionate about technology. In my spare time, I like travelling, blogging and learning new languages. よろしくお願いします.

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