Đại dịch COVID-19 cho thấy tầm quan trọng của việc ngăn chặn sự lây truyền của virus bằng nhiều cách nhất có thể. Bên cạnh sự lây truyền qua các hạt khí dung trong không khí, tiếp xúc bề mặt cũng là một phương thức lây truyền đóng góp đáng kể đến tỷ lệ lây nhiễm của virus SARS-CoV-2 cũng như các virus khác, chẳng hạn như virus cúm. Để đương đầu với đại dịch và hạn chế nguy cơ các chủng virus khác có thể xuất hiện trong tương lai, việc chủ động khử trùng bề mặt trong các ngành công nghiệp, y tế, vận tải công cộng và môi trường thương mại rất quan trọng. Tia UV-C chính là công cụ quan trọng giúp thực hiện mục tiêu khử trùng đó.

Với chiều dài bước sóng từ 200 đến 280nm, tia UV-C là tia có năng lượng cao nhất trong số các loại tia cực tím trong quang phổ điện từ. Công dụng tiêu diệt virus của tia UV-C đã được biết từ đầu thế kỷ 20. Tia UC-V có hiệu quả cao trong việc phá vỡ các liên kết hoá học quan trọng trong DNA và RNA của các phần tử virus. Khi các liên kết bị phá vỡ, virus sẽ bị vô hiệu hoá và trở nên vô hại. Tuy vậy, tia UC-V cũng ảnh hưởng đến DNA trong cơ thể con người. Điều này theo truyền thống đã khiến cho tia UC-V chỉ được ứng dụng trong khử trùng khi ánh sáng phải được kiểm soát trong một không gian kín. Ví dụ như khoang khử trùng và bộ phận vệ sinh bên trong điều hoà.

Một hạn chế cố hữu nữa của tia UC-V đó là chi phí và tính sẵn có của nguồn phát sáng, phần lớn dựa vào các ống phóng thuỷ ngân. Các ống này không những có giá thành cao mà còn gây ô nhiễm môi trường. Điều này khiến cho công nghệ tia UC-V chỉ được ứng dụng khử trùng trong các không gian nhỏ hẹp.

Robot tích hợp AI chạy bằng cảm biến hỗ trợ triển khai UV-C
Với nhu cầu kiểm soát sự lây lan của virus SARS-CoV-2, việc ứng dụng tia UV-C để khử trùng trên diện rộng cũng càng được chú trọng và quan tâm. Những cải tiến công nghệ đã giúp việc tích hợp tia UV-C lên nhiều loại thiết bị trở nên an toàn, tiết kiệm chi phí và thực tiễn hơn. Một thay đổi quan trọng là tích hợp cảm biến trí Thông Minh Nhân Tạo (AI) đang ngày càng trở nên phổ biến giúp xác định được khi nào an toàn để sử dụng tia UV-C. Chẳng hạn như việc sử dụng tia UV-C để vệ sinh các nút điều khiển trong thang máy. Thiết bị phát tia UV-C có thể được thiết lập chỉ phát sáng khi không có ai ở trong thang máy, đảm bảo các nút điều khiển sẵn sàng cho người dùng tiếp theo.

Một thay đổi khác đó là khả năng dùng robot để kiểm soát việc sử dụng tia UV-C, điều này sẽ giúp làm giảm “hiệu ứng khuất”, nhược điểm chính của công nghệ khử trùng bằng ánh sáng. Ánh sáng chỉ có thể khử trùng các bề mặt mà nó tiếp cận được. Nếu trong phòng có nhiều đồ vật như giường và các thiết bị y tế thì việc khử trùng toàn bộ phòng sẽ khó khăn hơn vì những đồ vật này sẽ chắn ánh sáng và khiến cho bề mặt phía sau không được khử trùng. Robot có thể phân tích các hình khối và tính toán đường đi để tối đa hoá khu vực có thể khử trùng được và hạn chế hiệu ứng khuất. Mặc dù các dự án ban đầu, ví dụ như dự án thí điểm khử trùng xe buýt tại Thượng Hải sử dụng nguồn sáng lắp đặt thủ công và các giàn cố định bên trong một khung có mái che xung quanh mặt ngoài xe, việc sử dụng robot di động sẽ giúp đảm bảo các bề mặt thường hay bị che khuất khi dùng nguồn sáng cố định, ví dụ như mặt sau của ghế, giờ đây có thể được khử trùng. Tương tự, robot di động có thể đảm bảo tia UV-C được trải đều trong môi trường bệnh viện khi khoang điều trị không có người. Thậm chí, với độ bao phủ cơ bản, giải pháp khử trùng bằng tia UV-C vẫn cho thấy độ hiệu quả cao hơn so với việc vệ sinh theo cách thủ công. Quá trình khử trùng bằng tia UV-C mất chưa đến 10 phút để hoàn thành, nhanh hơn nhiều so với 40 phút khử trùng bằng hoá chất.

Chi phí và tính khả dụng là các yếu tố chính
Công nghệ LED chính là chìa khoá giúp giải quyết vấn đề tiết kiệm chi phí cho nguồn ánh sáng. Đèn LED từ lâu đã có thể tạo ra tia UV. Đèn LED là một thành phần quan trọng của nhiều thiết bị chiếu sáng sử dụng phốt pho trắng để chuyển hoá tia UV tạo ra từ đèn LED hồng ngoại, dựa trên các vật liệu gallium nitride, thành ánh sáng nhìn có thể thấy được. Tuy nhiên, để tạo ra được các bước sóng ngắn hơn trong dải tia UV-C cần phải có các dạng vật chất mới để kết hợp thành gallium nitride.

Đèn LED UV-C ngày nay sử dụng aluminium gallium nitride (AlGaN) thay vì indium gallium nitride (InGaN) được sử dụng trong đèn LED xanh lam và xanh lục. Hai loại vật liệu này có đủ điểm chung để sử dụng các quy trình epitaxy tương tự nhau, có nghĩa là các miếng bán dẫn gallium nitride, silicon hoặc silicon carbide đều có thể sử dụng được. Sự khác biệt chính nằm ở khả năng chịu nhiệt độ cao trong quá trình xử lý của các miếng bán dẫn. Để tạo ra các tinh thể AlGaN chất lượng cao bằng phương pháp epitaxy, nhiệt độ cần sử dụng có thể lên đến 1400°C.

Sản phẩm khử khuẩn tích hợp UV-C cường độ cao
Các nhà sản xuất đã khắc phục được những vấn đề về sản xuất và hiện đang đưa ra thị trường các thiết bị phát tia UV-C hiệu quả cao dựa trên công nghệ LED. Osram Opto Semiconductors đã cho ra mắt một cặp đèn LED UV-C với bước sóng cao nhất ở mức 275nm. SU CULBN1.VC được tối ưu hoá để sử dụng ở công suất thấp, phù hợp cho các thiết bị di động hoặc đồ gia dụng, với thông lượng bức xạ đầu ra ở mức 4,7mW và góc bao phủ 120° ở một nửa mức cường độ. Với cùng góc bao phủ ở một nửa mức cường độ và thông lượng bức xạ đầu ra lên đến 42mW, SU CULDN1.VC phù hợp với các thiết bị cần sử dụng UV-C ở mức độ cao để khử trùng trên diện rộng, ví dụ như vệ sinh xe hoặc xử lý nước và không khí trên quy mô lớn.

Một yếu tố thiết kế quan trọng trong 2 sản phẩm của Osram đó là việc sử dụng một khuôn đóng gói duy nhất. Với việc sử một kích thước đóng gói duy nhất, các sản phẩm này có thể hỗ trợ việc thiết kế cho nhiều loại thiết bị, từ đó giúp tiếp cận các thị trường khác nhau chỉ với một cách lắp đặt cơ học duy nhất. Thiết kế khối bằng gốm cũng giúp các sản phẩm này có thời gian vận hành dài hơn và cách nhiệt tốt hơn.

Với góc bao phủ 60° ở một nửa mức cường độ và thông lượng đầu ra ở mức 3,5mW, sản phẩm VLMU35CL2.-275-120 của Vishay Semiconductors phù hợp với các thiết kế chuyên dụng cho tia UV-C. CB2 và CT2 là hai thành phần của dòng sản phẩm này có khả năng giúp tăng thông lượng đầu ra lên đến 10mW và 19mW tương ứng cho các hệ thống cần tạo ra bức xạ cường độ cao hơn trong khoảng bước sóng từ 270nm đến 285nm. Các dòng sản phẩm của Vishay phù hợp với những thiết bị công nghiệp cần phạm vi nhiệt độ rộng, với khả năng hoạt động từ -40°C cho đến +80°C.

Đối với các hệ thống cần sự kết hợp cụ thể của thông lượng đầu ra, bước sóng và góc chiếu sáng, Intelligent LED Solutions (ILS) đã phát triển và cung cấp nhiều sản phẩm dựa theo công nghệ LED của TSLC. Các dòng sản phẩm N3535 và N5050 cho phép lựa chọn các bước sóng của tia UV-C trong khoảng 260-270nm và 270-290nm cùng với khoảng 300-320nm. Những lựa chọn này cho phép thiết bị có thể điều chỉnh đầu ra để tiêu diệt các mầm bệnh khác nhau.

Quang học và đo lường rất quan trọng trong việc thiết kế UV-C
Thuỷ tinh tiêu chuẩn thường không trong suốt nhưng tia UV-C có thể đi qua cả thạch anh và silicon. Silicon tiêu chuẩn dùng trong các loại đèn LED khác có thể bị giảm chất lượng dưới bức xạ UV-C cường độ mạnh, tuy nhiên các nhà cung ứng đã phát triển một công thức mới cho phép silicon chống chịu tốt hơn. Thông thường, haimảnh thạch anh sẽ được ghép với với nhau qua thấu kính silicon. Để hỗ trợ thiết kế các hệ thống chiếu xạ bề mặt, ILS cung cấp giải pháp LEDiL VIOLET Optic. Giải pháp này cung cấp một giàn 12 ống kính silicon với khả năng dễ dàng gắn nhiều nguồn phát tia UV-C cùng lúc và hỗ trợ 3 góc chiếu 14°, 20° và 60° để giúp việc thiết kế trở nên linh hoạt hơn..

Với bước sóng vô hình và khả năng tiêu diệt virus cũng như gây hại đến sức khoẻ của con người, việc thiết kế để đảm bảo tia UV-C hoạt động an toàn là một yêu cầu thiết yếu. Máy Đo Ánh Sáng và Ghi Dữ Liệu SDL470 UVA/UVC của Extech Instruments cung cấp các giải pháp giúp ghi lại hiệu suất của các nguồn phát tia UV trong một thời gian dài. Máy ghi dữ liệu có thể phát hiện các tia UV-A và UV-C ở bước sóng 254nm, đây là bước sóng đặc thù được tạo ở các cấp độ thấp hơn bởi các sản phẩm khử trùng thông thường có bước sóng tối đa 270nm. Tốc độ lấy mẫu có thể được điều chỉnh từ 1 đến 3600 giây để tuỳ chọn đánh đổi giữa khả năng ghi lâu dài và giải pháp tạm thời

Giải pháp khử trùng bằng tia UV-C với sự trợ giúp của công nghệ LED đang thúc đẩy việc tạo ra nhiều thiết bị mới cho một loạt các thị trường, tuy nhiên sự hỗ trợ về mặt thiết kế sẽ đóng vai trò rất quan trọng. Các nhà phân phối kỹ thuật có kinh nghiệm như Farnell có thể đưa ra những tư vấn và hỗ trợ chuyên nghiệp giúp các kỹ sư xác định sản phẩm phù hợp nhất cho ứng dụng của họ. Các kỹ sư thiết kế nên cân nhắc việc tìm đến các nhà cung cấp hàng đầu trên thị trường tiên phong cho sự phát triển của công nghệ UV-C để chọn những giải pháp nguồn cho dự án tiếp theo của họ. Sự kết hợp thành công của việc tích hợp cảm biến công nghệ AI trong robot và tự động hóa với những cải tiến hàng đầu trên thị trường công nghệ LED có khả năng đưa các lợi ích về chăm sóc sức khỏe của UV-C dễ tiếp cận với xã hội hơn.

Để xem các tin bài khác về “Element 14”, vui lòng nhấn vào đây

 

(Tác giả: Andrew Fawcett, Giám Đốc Sản Phẩm Cấp Cao, Element14)