นับตั้งแต่การค้นพบประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อโรคด้วยรังสียูวีในปี 1901 การฆ่าเชื้อด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตส่วนใหญ่ดำเนินการโดยใช้หลอดปรอทความดันต่ำ
ปรอทมีอยู่ในหลอดปรอทความดันต่ำ ซึ่งทำให้เกิดความกังวลเรื่องการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม เช่นเดียวกับการเปลี่ยนหลอดฟลูออเรสเซนต์ LED LED ถูกคาดหวังว่าจะเป็นเทคโนโลยีทางเลือกที่ไม่เป็นพิษต่อระบบนิเวศ ขณะนี้ประสิทธิภาพของ UV LED ต่ำกว่าหลอดปรอทแรงดันต่ำ แม้ว่าจะมีการปรับปรุงอย่างรวดเร็วทุกปีก็ตาม เนื่องจากไม่มีการพัฒนาเทคโนโลยีทดแทน หลอดไฟปรอทความดันต่ำจึงไม่รวมอยู่ในข้อกำหนด RoHS สำหรับการใช้งานเฉพาะจนถึงวันที่ 24 กุมภาพันธ์ 2027 (รายการ 4(a)) หากแสดงให้เห็นว่าไม่มีเทคโนโลยีทดแทนที่พร้อมใช้งานหลังปี 2027 การยกเว้นนี้อาจขยายออกไปได้ จำเป็นต้องมีการขยายเวลาจริงหรือไม่? Nichia กล่าวว่าบางแอปพลิเคชันอาจใช้ LED ในขณะนี้ และแอปพลิเคชันเกือบทั้งหมดจะสามารถใช้งานได้ภายในเดือนกุมภาพันธ์ 2570
ในที่นี้ Nichia นำเสนอตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงที่มีการสำรวจหลอด UV LED เพื่อเป็นทางเลือกในการฆ่าเชื้อโรคแทนหลอดปรอทความดันต่ำ
การฆ่าเชื้อบนพื้นผิวโดยใช้หลอดปรอทความดันต่ำ → กรณีศึกษาการนำ LED มาใช้
การฆ่าเชื้อบนพื้นผิว การฆ่าเชื้อในอากาศด้วยเครื่องฟอกอากาศ และการฆ่าเชื้อในระบบน้ำและน้ำเสีย ล้วนรวมอยู่ในขอบเขตของการฆ่าเชื้อด้วยรังสียูวีโดยใช้หลอดปรอทแรงดันต่ำ การทำความสะอาดอุปกรณ์และภาชนะในอุตสาหกรรมอาหารถือเป็นตัวอย่างทั่วไปของการฆ่าเชื้อบนพื้นผิว ในโรงงานแปรรูปอาหาร ภาชนะบรรจุจะถูกเต็มไปด้วยอาหารหลังจากสัมผัสกับแสง UV เพื่อฆ่าเชื้อภายในและป้องกันไม่ให้เชื้อโรคเติบโตและปนเปื้อนในอาหาร
ภาพประกอบภาชนะบรรจุอาหารที่โดนรังสี UV:
หลอดปรอทความดันต่ำจะปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตจากด้านบนของภาชนะบรรจุเพื่อฆ่าเชื้อภายในภาชนะบรรจุอาหารจำนวนมากในคราวเดียว ดังนั้นจึงต้องใช้ควอตซ์ผสมเพื่อครอบหลอดปรอทแรงดันต่ำ เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของสารปรอทและกระจกแตกในกรณีที่หลอดไฟไม่ทำงาน
ภาพประกอบการแผ่รังสีเมื่อมองจากด้านบน:
ตรงกันข้ามกับหลอดปรอทความดันต่ำ LED อาจใช้เพื่อฉายรังสีเฉพาะวัตถุเป้าหมายด้วยแสง UV เนื่องจากสามารถเลือกและเปลี่ยนแปลงการกำหนดค่าและตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ ดังที่แสดงในภาพการฉายรังสีด้านบน ในทางกลับกัน หลอดปรอทความดันต่ำจะปล่อยแสงในทุกทิศทาง ทำให้ช่องว่างระหว่างภาชนะแต่ละชิ้นและด้านหลังของโคมไฟได้รับแสง UV เป็นพิเศษ
นอกจากนี้ เนื่องจากหลอดปรอทแรงดันต่ำใช้เวลานานในการเปิดและปิด จึงจำเป็นต้อง "เปิด" ไว้ตลอดเวลา ในทางกลับกัน ไฟ LED จะเปิด/ปิดได้ทันที ซึ่งหมายความว่าอาจเปิดเมื่อจำเป็นเท่านั้น ซึ่งอาจช่วยลดการใช้พลังงานและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
จากข้อมูลที่กล่าวมาข้างต้น ผลลัพธ์ของการเปรียบเทียบระหว่าง LED และหลอดปรอทแรงดันต่ำจะแสดงในตารางต่อไปนี้
ผลการศึกษา
กำลังไฟฟ้าเข้าที่จำเป็นเพื่อให้ได้ผลการฆ่าเชื้อเหมือนกันในค่าจริงในตัวอย่างนี้ในการวิจัยนี้คือ 600W และ 312W
UV LED 434C ของ Nichia ใช้เพื่อทดสอบการฉายรังสีและประสิทธิภาพของ LED
จากข้อมูลของ Shikoku Electric Power CO., Inc. ปัจจัยการปล่อยก๊าซ CO2 ในปีงบประมาณ 2021 คือ 0.527t/MWh
เมื่อเปรียบเทียบกับ LED ซึ่งมีประสิทธิภาพ 5.4% แล้ว หลอดปรอทแรงดันต่ำจะมีประสิทธิภาพมากกว่า 22% อย่างไรก็ตาม LED อาจใช้รังสี UV มากถึง 90% ที่เกิดขึ้น ในขณะที่หลอดปรอทความดันต่ำใช้เพียง 9% เท่านั้น ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับหลอดปรอทแรงดันต่ำซึ่งต้องใช้ไฟฟ้า 600W เพื่อให้ผลในการฆ่าเชื้อแบบเดียวกัน LED ต้องใช้ไฟ 312W นอกจากนี้ LED ยังสามารถเปิดใช้งานได้เมื่อจำเป็นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากหลอดปรอทความดันต่ำเปิดทิ้งไว้ 18 ชั่วโมงต่อวัน ไฟ LED ก็สามารถเปิดได้นาน 14 ชั่วโมง สมมติว่าแต่ละหลอดใช้งานเป็นเวลา 300 วัน การใช้พลังงานของหลอดปรอทแรงดันต่ำที่มีกำลังไฟเข้า 600W จะเท่ากับ 3.2MWh ต่อปี ในขณะที่ LED ที่มีกำลังไฟเข้า 312W จะใช้ไฟ 1.3MWh ต่อปี ซึ่งลดลง 60% นอกจากนี้ การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ยังคำนวณโดยใช้การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 0.527 ตันต่อพลังงาน 1 MWh LED ผลิต CO2 0.69 ตันต่อปี เทียบกับ 1.7 ตันจากหลอดปรอทความดันต่ำ ซึ่งลดลง 60%
แผนการทำงาน
สรุป
คุณลักษณะของ LED เช่น การใช้ฟลักซ์การแผ่รังสีสูงผ่านการส่องสว่างแบบเลือกเฉพาะบริเวณที่ต้องการ และความสามารถในการเปิด/ปิดทันที ถูกนำมาใช้ในกรณีศึกษานี้เพื่อให้บรรลุข้อได้เปรียบที่โดดเด่น Nichia จึงสามารถแสดงให้เห็นได้อย่างชัดเจนว่า LED อาจทำหน้าที่เป็นเทคโนโลยีทดแทนสำหรับหลอดปรอทที่มีแรงดันต่ำ
นอกเหนือจากตัวอย่างที่กล่าวมาข้างต้น Nichia จะร่วมมือกับลูกค้าและพันธมิตรเพื่อสร้างการออกแบบที่ใช้คุณลักษณะ LED ในการใช้งานฆ่าเชื้อโรคอื่นๆ เช่น การฆ่าเชื้อโรคในอากาศและน้ำ Nichia จะพยายามทุกวิถีทางเพื่อให้แน่ใจว่าเทคโนโลยี LED จะเข้ามาแทนที่หลอดปรอทแรงดันต่ำ
นอกจากนี้ ตามแผนงานระบุไว้ ประสิทธิภาพของ UV LED ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนั้นรวดเร็วเนื่องจากผลกระทบจากความคาดหวังในการพัฒนา LED ซึ่งเป็นผลมาจากข้อจำกัดด้านสิ่งแวดล้อมและความจำเป็นในการต่อสู้กับโรคติดเชื้อ ในบางกรณี การใช้ LED แทนหลอดปรอทแรงดันต่ำได้สำเร็จแล้วโดยการพัฒนาการออกแบบที่ใช้ประโยชน์จากความสามารถของ LED จากข้อมูลของ Nichia เมื่อรวมกับการเพิ่มประสิทธิภาพที่น่าประทับใจของ UV LEDs ขั้นพื้นฐาน จะทำให้เกิดกระแสที่ใหญ่ขึ้น และ UV LEDs จะได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าใช้แทนหลอดปรอทความดันต่ำในการใช้งานและขอบเขตในการฆ่าเชื้อโรคทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ จึงไม่จำเป็นต้องขยายเวลาการยกเว้น RoHS ไปเกินกว่าปี 2027
นอกเหนือจากการทำงานเพื่อจัดการกับข้อกังวลของสังคม รวมถึงการก่อตั้งสังคมที่ปราศจากสารปรอทและคาร์บอนเป็นกลางแล้ว Nichia จะยังคงปรับปรุงประสิทธิภาพของ LED ต่อไป
