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UV-LEDs gegen Krankheitserreger

Halbleiter-basierte UV-Strahlungsquellen haben zahlreiche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Quellen – und erschließen immer neue Anwendungsbereiche.

Ultraviolett-(UV)-Strahlung wurde erstmals 1801 von Johann Wilhelm Ritter in Jena nachgewiesen. Definitionsgemäß umfasst sie den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 200 nm. Unter dem Aspekt ihrer photobiologischen Wirksamkeit erfolgt eine weitere Unterteilung in UVA (400 nm - 315 nm), UVB (315 nm – 280 nm) und UVC (280 nm – 200 nm). Der UV-Anteil im Sonnenspektrum beträgt etwa 5 %. Bei einer intakten Ozon-Schicht gelangt keine UVC-Strahlung aus dem Sonnenspektrum auf die Erdoberfläche. Daher haben Lebewesen im Laufe der Evolution keine Schutzmechanismen gegen UVC ausgebildet, obwohl dieser Anteil der UV-Strahlung am energiereichsten ist. Allerdings reicht auch die Energie von UVA und vor allem von UVB aus, chemische Bindungen zu kappen oder umzuorganisieren. Beides, die Spaltung und die Neuformierung chemischer Bindungen unter der Einwirkung von UV-Strahlung kann technisch gezielt ausgenutzt werden. Abb. 1 zeigt die verschiedenen Einsatzgebiete in Abhängigkeit von UV-Wellenlänge und Strahlungsleistung. Um die UV-LED-Technologien in den zahlreichen Anwendungsgebieten voranzutreiben wurde 2013 das Konsortium „Advanced UV for Life“, bestehend aus 50 Partnern aus Industrie und Wissenschaft, ins Leben gerufen, welche über acht Jahre durch das BMBF im Rahmen des Programms „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ gefördert wurde. Seit 2021 werden die Forschungsaktivitäten im Rahmen des Vereins „Advanced UV for Life e.V.“ weitergeführt, zu dessen Gründungsmitgliedern auch die in NRW angesiedelte Firma AIXTRON gehört.

Dominante Anwendung war bisher die Härtung von Kunststoffen, vorwiegend unter UVA-Bestrahlung. Unter Verwendung geeigneter Photoinitiatoren wird hier durch UV-Strahlung die Polymerisation kleiner Moleküle zu langkettigen oder ausgedehnten vernetzten Polymeren bewirkt. Ein zweites großes und rasant an Bedeutung gewinnendes Gebiet ist die Desinfektion. Hier wird der andere Effekt der UV-Strahlung ausgenutzt: die Zerstörung chemischer Bindungen, insbesondere in der DNA oder RNA. Bereits im Jahr 1877 haben Downes und Blunt die antibakterielle Wirkung des kurzwelligen Anteils des Sonnenlichts beschrieben. In den Jahren 1903 und 1905 wurde festgestellt, dass UV-Strahlung mit Wellenlängen um 250 nm die stärkste antibakterielle Wirkung zeigen (Bernard, Morgan, Bang). Nach heutigem Wissen sind die meisten Bakterien, Schimmelpilze, Protozoa und Viren am empfindlichsten gegen die zerstörende Wirkung von UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 260 nm bis 270 nm. 1910 wurde in Marseille erstmalig UV-Licht zur Wasserbehandlung eingesetzt und heute ist die UV-Durchstrahlung eine Standardmethode in der Trinkwasserbehandlung.

Als UV-Strahlungsquellen kommen in technischen oder medizinischen Geräten aufgrund ihres hohen Wirkungs-grades (> 30 %), ihrer technischen Reife und ihrer niedrigen Herstellungskosten vorwiegend Niederdruck- oder Mitteldruck-Quecksilberdampflampen zum Einsatz. Die Geometrie und mechanische Stabilität wird durch Quarzglasröhren bestimmt und sie enthalten einige mg Quecksilber. Die Niederdrucklampen zeigen im Wesentlichen zwei scharfe Emissionspeaks bei 208 nm (diese Strahlung erzeugt giftiges Ozon, ihren Austritt kann man durch eine geeignete Zusammensetzung der Kieselglasröhre wegfiltern) und bei 253,7 nm, welche Wellenlänge zur UVC-Desinfektion verwendet wird. Mitteldruck-Lampen zeigen sehr viele Linien sowohl im UV- als auch im sichtbaren Spektralbereich. Ihre Betriebstemperatur liegt bei etwa 950°C, währen die von Niederdruck-Lampen etwa 40°C beträgt. Beide Typen benötigen gewisse Aufheizzeiten bis zum stabilen Betrieb, lassen sich also nicht ausschalten und sofort nach dem Wiedereinschalten betreiben. Quecksilberdampflampen besitzen neben ihren Vorteilen also auch deutliche Schwachpunkte.

Daher besteht großes Interesse, effiziente Halbleiter-basierte UV-Strahlungsquellen zu entwickeln, insbesondere UV-Leuchtdioden, kurz als UV-LEDs bezeichnet. Deren Entwicklung stand im Mittelpunkt der Arbeit des oben erwähnten Konsortiums „Advanced UV for Life“. Im Vergleich zu den konventionellen UV-Strahlungsquellen bieten UV-LEDs eine Reihe von Vorteilen: Die Wellenlänge ist ideal auf die jeweilige Anwendung bestimmbar, sie sind robust und langlebig, bieten einen kleinen Formfaktor und lassen sich schnell ein- und ausschalten und sie enthalten kein giftiges Quecksilber. Ihre Effizienzen und Lichtleistungen werden kontinuierlich verbessert. Das Materialsystem Aluminium-Gallium-Nitrid (AlGaN) bildet die Grundlage von UV-LEDs. Zur Herstellung der Halb-leiterschichten wird die sogenannte Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet, ein Verfahren, wofür die im Jahr 1983 in Aachen gegründeten Firma „AIXTRON“ die weltweit ersten industrietauglichen Anlagen entwickelte. Das MOVPE-Verfahren ermöglicht es, komplexe Strukturen aus III-V-Halbleiterschichten mit atomarer Präzision abzuscheiden. Die Firma AIXTRON, die 2023 ihr 40-jähriges Jubiläum begeht, hat sich mittlerweile zu einem der Weltmarktführer auf dem Gebiet der Halbleiter-Epitaxie entwickelt und erweitert ständig ihr Portfolio mit Anlagen unterschiedlicher Größen und Ausstattungen, für immer mehr Materialsysteme und Bauelementestrukturen.

Zurück zur Desinfektion mit UV-Strahlung und den dafür benötigten UV-LEDs. Die Herstellung hocheffizienter UV-LEDs und defektarmer AlGaN Heterostrukturen erfordert auch weiterhin einen hohen Forschungsaufwand. Technologische Fragestellungen betreffen u.a. das Schichtwachstum bei sehr hohen Temperaturen, die Realisierung elektrische leitfähiger Schichten oder das Wachstum auf artfremden Materialen als Substrat-Unterlage. Abb. 2 zeigt schematisch den komplizierten Aufbau einer UV-LED. Ihre weitere Verbesserung erfordert noch viel Arbeit, um höhere Wirkungsgrade und Lichtleistungen sowie längere Betriebsdauern der LEDs zu erreichen. Auch die Fertigungskosten müssen weiter verringert werden.

Inzwischen gibt es auch auf dem Gebiet der Desinfektion mit UV-Strahlung neue Erkenntnisse und Ansätze, insbesondere auch zur Bekämpfung von multiresistenten Krankenhauskeimen. Erste Studien haben gezeigt, dass es möglich ist mit UV-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 220 nm und 230 nm, jetzt meist als „Far UVC / Fern-UVC“ oder bloß „Fern-UV“ bezeichnet, solche Keime sehr effektiv zu deaktivieren und dies ohne oder mit höchstens minimaler Schädigung der menschlichen Haut. Mittlerweile wurden Fern-UV-LED Strahler entwickelt, mit denen erste klinische Studien zur Hautdesinfektion an Probanden durchgeführt werden. Nur durch die enge Kooperation von Halbleitertechnologen und Medizinern gelingt es, die Desinfektion mit UV-LEDs in Anwesenheit von Menschen zu entwickeln. Damit schließt sich der Kreis: Die Zusammenarbeit von Entwicklern von UV-LEDs mit Anwendern, in diesem Fall mit Medizinern, die im BMBF-geförderten Konsortium „Advanced UV for Life“ begonnen wurde, wird fortgeführt im Rahmen des kürzlich gegründeten Vereins „Advanced UV for Life e.V.“, zu dessen Mitgliedern beispielsweise die Firmen AIXTRON und ams-OSRAM International sowie Forschungseinrichtungen wie das Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, das Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, die TU Berlin und die Charité – Universitätsmedizin Berlin als maßgebliche Akteure zählen.

Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite www.advanced-uv.de

Autoren: Prof. Dr. Klaus Jacobs (Advanced UV for Life e.V. c/o Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik gGmbH), Prof. Dr.-Ing. Michael Heuken (AIXTRON SE)

AIXTRON SE

Photonische Basistechnologie

  • Laser & Optoelektronik
  • Optik
  • Fertigungstechnik für UV-Quellen
  • Sensorik, Mess- und Prüftechnik
  • Quantentechnologien

Anwendungsfelder / Märkte

  • Medizintechnik
  • Desinfektion, Bekämpfung multiresistenter Keime
  • Wasseraufbereitung
  • Sensorik
  • Halbleitertechnologie
  • Produktionstechnologien

Impact

  • Produktivitätssteigerung
  • Deutliche Verbesserung im Gesundheitswesen
  • Höhere Präzision
  • Energie- und Ressourcenschonung

www.aixtron.com

Abbildung 1: Anwendungsmöglichkeiten für UV-Strahlung.

Abbildung 2: Aufbau von UV-LEDs aus Schichten verschiedene Materialien mit ihren jeweiligen Funktionen.

Bildergalerie

Quelle: NMWP-Magazin

AIXTRON

AIXTRON genießt weltweit einen hervorragenden Ruf als Technologieführer in der Halbleiterindustrie. Dazu haben mehr als 30 Jahre erfolgreicher Arbeit, die Kompetenz unserer Mitarbeiter, die Integrität, mit der wir unsere Geschäfte führen und die...mehr...