Die LED-UV-Technologie

Dass Festkörper bei einer elektrischen Anregung Licht erzeugen können, wurde schon im Jahr 1907 von Henry Joseph Round an einem Siliciumcarbid-Kristall (SiC) beobachtet. Dieses Phänomen macht sich die LED-Technik zunutze. Dabei steht die Abkürzung LED für "Light Emitting Diode". Als Diode wird ein elektrisches Bauelement bezeichnet, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt (Durchlassrichtung) und in der anderen Richtung wie ein Isolator wirkt (Sperrrichtung). Fließt durch eine Lumineszenzdiode Strom in Durchlassrichtung, so gibt sie Energie in Form von sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung ab.

• Elektrischen Strom in Licht umwandeln

Leuchtdioden basieren auf Halbleiterverbindungen, die den Strom direkt in Licht umwandeln. Welche Wellenlänge die abgegebene Strahlung einer solchen lichtemittierenden Diode hat, ist vom Material und dessen energetischen Bandlücke abhängig, das für das elektronische Halbleiter-Bauelement zum Einsatz kommt. Um den jeweiligen Spektralbereich vom Infraroten bis in den UVA-Bereich abzudecken, finden Halbleitermaterialien wie z.B. Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP), Galliumphosphid (GaP), Indiumgalliumnitrid (InGaN) und Galliumnitrid (GaN) Anwendung.

• Elektronen auf Wanderschaft

Die Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau. In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannte Valenzband, das die Energie der gebundenen Elektronen der Atome repräsentiert und ein höheres Energieband, genannt das Leitungsband, das die Energie der im Kristall frei beweglichen Elektronen charakterisiert. Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energie groß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zu ionisieren. Es existiert daher eine geringe aber entscheidende Leitfähigkeit. Sie hat auch den Namen Halbleiter geprägt.
Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, so bewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es ein ionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch, trifft, mit dem es rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozess verliert es die Energie, die der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energie kann in Form eines Photons abgegeben werden und bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts. Leuchtdioden gehören somit in die Kategorie der Luminiszenzstrahler. Das trifft in gleicher Weise für traditionelle UV-Lampen zu.

• Leuchtdioden erzeugen nahezu "monochromatische" Strahlung

Bei LED's steht nur ein sehr schmales Wellenlängenfenster im Bereich +-15 nm um der Peak-Wellenlänge zur Verfügung. Gängige UV-LED-Systeme arbeiten im UVA/UVV-Bereich zwischen 365 bis 405 nm. Mit UV-Leuchtdioden lassen sich Leistungswerte von einigen Watt pro Quadratzentimeter erzielen, und der Wirkungsgrad liegt je nach LED-UV-System zwischen 5 und 25 %. Dabei kann die grobe Faustregel gelten: je kürzer die Wellenlänge, desto geringer ist auch der Wirkungsgrad.