UVC LED LTPL-G35UVC275GS データシート - 3.5x3.5mm - 5.0-7.0V - 275nm ピーク波長 - 0.7W 最大出力 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTPL-G35UVC275GSは、殺菌および医療用途に特化して設計された高性能紫外線C波（UVC）発光ダイオード（LED）です。本製品は、水銀灯などの従来のUV光源に代わる、信頼性が高くエネルギー効率に優れた選択肢を提供し、固体照明技術における大きな進歩を表しています。本デバイスは、細菌やウイルスを含む微生物を不活化するのに極めて効果的な、殺菌波長帯（典型的には約275ナノメートル付近）で動作します。

このLEDシリーズは、長寿命、瞬時オン/オフ機能、コンパクトな形状といったLED技術の本質的な利点と、効果的な消毒に必要な特定の光出力を組み合わせています。これにより、殺菌装置、空気清浄機、水処理システム、医療機器を開発するエンジニアに、より大きな設計の自由度をもたらします。従来のUV技術に取って代わることで、水銀を含まないことによる環境プロファイルの改善、運用コストの低減、メンテナンス要件の削減を実現するシステムに貢献します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

このUVC LEDの主な利点は、集積回路（IC）駆動システムとの互換性、RoHS（有害物質使用制限）指令への準拠、および鉛フリー構造です。これらの特徴は、厳しい規制および環境要件を持つ現代の電子製品への統合に適しています。ターゲット市場は、効果的かつ信頼性の高い表面、空気、または水の消毒が不可欠な、医療・ヘルスケア、民生用家電、産業機器分野が主となります。用途は、携帯型殺菌器やHVACシステムから、専用の医療機器洗浄装置まで多岐にわたります。

2. 技術パラメータ詳細分析

LTPL-G35UVC275GSの性能は、標準条件（Ta=25°C）下で測定された電気的、光学的、熱的パラメータの包括的なセットによって定義されます。これらのパラメータを理解することは、信頼性を確保し所望の放射出力を達成するための適切な回路設計と熱管理にとって極めて重要です。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。最大許容損失（Po）は0.7ワットであり、LEDを損傷することなく熱と光に変換できる総電気電力です。最大連続順電流（IF）は100ミリアンペア（mA）です。動作温度範囲（Topr）は-40°Cから+80°C、保存温度範囲（Tstg）は-40°Cから+100°Cです。最大許容接合温度（Tj）は90°Cです。接合温度を超えることは、LED故障および光束維持率の急速な低下の主な原因となります。

2.2 電気光学特性

これらは、指定された試験条件下での代表的な性能パラメータです。順電圧（VF）は、試験電流60mAにおいて最小5.0Vから最大7.0Vの範囲にあり、代表値は5.5Vです。この比較的高い電圧は、ワイドバンドギャップ半導体材料を使用するUVC LEDの特徴です。UVCスペクトルにおける総光出力である放射束（Φe）は、60mAで典型的に10.0ミリワット（mW）です。20mAの低電流では3.5 mWに低下し、最大電流100mAでは14.0 mWに達します。ピーク波長（Wp）は275nmを中心とし、265nmから280nmの範囲にあり、最も効果的な殺菌範囲（約260nm-280nm）に確実に位置しています。指向角（2θ1/2）は広い120度で、広範囲の照射を提供します。接合からはんだ付け点までの熱抵抗（Rth j-s）は典型的に38 K/Wであり、半導体チップから基板へ熱がどれだけ効率的に伝達されるかを示します。熱管理の観点では、この値は低いほど優れています。

3. ビンコードシステムの説明

製造上のばらつきを考慮するため、LEDは性能ビンに分類されます。これにより、設計者はアプリケーションの特定のニーズを満たす部品を選択できます。LTPL-G35UVC275GSは3次元のビニングシステムを採用しています。

3.1 順電圧（VF）ビニング

LEDは4つの電圧ビンに分類されます：V1（5.0V - 5.5V）、V2（5.5V - 6.0V）、V3（6.0V - 6.5V）、V4（6.5V - 7.0V）。すべてIF=60mAで測定されます。同一の電圧ビンからLEDを選択することで、複数のデバイスを並列駆動する際の電流分布の一貫性を確保できます。

3.2 放射束（Φe）ビニング

光出力は4つのカテゴリにビニングされます：X1（7.0 - 8.0 mW）、X2（8.0 - 9.0 mW）、X3（9.0 - 10.0 mW）、X4（10.0 mW以上）。IF=60mAで測定されます。これにより、予測可能な殺菌性能と線量計算が可能になります。

3.3 ピーク波長（Wp）ビニング

すべてのデバイスは単一の波長ビンW1（265nmから280nm）に収まります。275nm付近の厳密な制御は、DNA/RNAを破壊するUV光の効果がこの領域でピークに達するため、最適な殺菌効果を保証します。

4. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの挙動を示すいくつかのグラフが提供されています。これらの曲線は、動的モデリングと性能のトレードオフを理解するために不可欠です。

4.1 相対分光分布

この曲線は、紫外線スペクトル全体にわたって放射される光の強度を示します。ピーク波長を中心とした狭い発光帯を確認でき、UVC範囲外の発光が最小限であることを示しており、安全性と有効性の観点で重要です。

4.2 指向特性

指向特性プロット（多くの場合極座標図）は120度の指向角を視覚化し、光強度が中心（0度）から端（±60度）に向かってどのように減少するかを示します。これは、均一な照射を実現するための光学設計に役立ちます。

4.3 相対放射束 vs. 順電流

このグラフは、放射出力が駆動電流とともに増加するが線形ではないことを示しています。熱の増加と効率低下により、高電流では飽和する傾向があります。これは、出力と寿命の最適なバランスを得るために、LEDを最適な電流で駆動することの重要性を強調しています。

4.4 順電圧 vs. 順電流

このIV曲線は、ダイオードに典型的な電圧と電流の指数関数的関係を示しています。電流制限回路を設計する際の動作点を決定するために使用されます。

4.5 温度依存性曲線

相対放射束と順電圧を接合温度の関数として示すグラフは極めて重要です。UVC LEDの出力は、一般的に温度が上昇すると減少します。順電圧は温度の上昇とともに低下します。これらの関係は、非環境条件下で動作する設計や、放熱が不十分な設計において考慮する必要があります。

4.6 順電流デレーティング曲線

これは信頼性にとって最も重要なグラフの一つです。周囲温度の関数としての最大許容順電流を示しています。温度が上昇すると、接合温度が90°Cの限界を超えないようにするため、最大安全電流は減少します。この曲線は、ヒートシンク要件を決定するために必須です。

5. 機械的仕様およびパッケージ情報

このLEDは、寸法が約3.5mm x 3.5mmの表面実装デバイス（SMD）パッケージで提供されます。外形図はフットプリント設計のための正確な寸法を提供します。パッケージには、組立時の誤配置を防ぐための明確な極性マーキング（通常はカソードインジケータ）が含まれています。適切なはんだ付けと熱接続を確保するために、推奨されるプリント基板（PCB）実装パッドレイアウトが提供されます。パッド設計は、LEDの熱パッド（はんだ付け点）からPCBの銅層（主要な熱拡散体として機能）へ熱を伝達するために極めて重要です。

6. はんだ付けおよび組立ガイドライン

適切な取り扱いとはんだ付けは、LEDの性能と信頼性を維持するために不可欠です。

6.1 リフローはんだ付けプロファイル

鉛フリーリフロープロファイルが推奨されます。主要パラメータには、プリヒート段階（150-200°C、60-120秒）、液相線以上（217°C）の時間60-150秒、ピーク温度260°C（推奨245°C）を10-30秒保持することが含まれます。ランプアップおよびクールダウン速度は、それぞれ最大3°C/sおよび6°C/sに制御し、熱衝撃を最小限に抑える必要があります。急速な冷却プロセスは推奨されません。

6.2 洗浄および取り扱い

はんだ付け後の洗浄が必要な場合は、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶剤のみを使用してください。指定外の化学洗浄剤は、シリコーン樹脂レンズやパッケージ材料を損傷する可能性があります。LEDは静電気放電（ESD）に敏感で、最大耐圧は2000V（人体モデル）です。取り扱い時には標準的なESD対策を遵守してください。

7. 梱包および発注情報

LEDは、自動実装機用のテープ&リールで供給されます。テープ寸法およびリール仕様（7インチリール、最大500個収容）はEIA-481-1-B規格に準拠しています。ビン分類コードは各梱包袋に印字されており、ロットの電気的・光学的特性のトレーサビリティを可能にします。

8. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

主な用途は殺菌デバイスです：携帯電話や小型物品用の表面殺菌器、ポイントオブユースシステム用の水殺菌ユニット、HVACシステムや携帯型空気清浄機内の空気浄化モジュール、医療または歯科器具用の殺菌チャンバーなどです。その小型サイズにより、コンパクトで携帯性の高い製品への統合が可能です。

8.2 重要な設計上の考慮事項

駆動回路：安定した光出力を確保し、熱暴走を防ぐためには、定電圧源ではなく定電流ドライバが不可欠です。ドライバは、設定電流において必要な電圧（≥ VF max）を供給できる能力が必要です。

熱管理：これはUVC LEDシステム設計において最も重要な側面です。高い熱抵抗（38 K/W）は、接合部で熱が急速に蓄積することを意味します。特に最大電流付近または最大電流で動作する場合、接合温度を90°C以下に保つためには、金属基板PCB（MCPCB）またはその他の効果的な熱管理ソリューションが必須です。デレーティング曲線に従う必要があります。

光学設計：広い120度のビーム角では、効率的な消毒のためにUVC光を対象表面に導くために、反射板やレンズが必要になる場合があります。多くのプラスチックはUVC照射下で劣化するため、材料はUVCに安定したもの（例：特定グレードのアルミニウム、PTFE、石英）でなければなりません。

安全性：UVC放射線は人体の皮膚や目に有害です。製品には、ユーザーが被曝するのを防ぐための安全インターロック、タイマー、遮蔽を組み込む必要があります。適切な表示も必要です。

9. 信頼性および寿命

データシートには包括的な信頼性試験計画が含まれています。室温動作寿命（RTOL）、高温/低温動作寿命（HTOL/LTOL）、温度サイクルなどの試験が最大3000時間実施されます。故障の基準は、順電圧の変化が10%を超える、放射束が初期値の50%を下回る、またはピーク波長の変化が±2nmを超えることと定義されています。これらの試験は、様々な環境ストレス下での製品の堅牢性を検証し、仕様内で使用された場合の長寿命を裏付けます。

10. 技術比較および差別化

従来の水銀ベースのUVCランプと比較して、このLEDは以下の重要な利点を提供します：瞬時起動（ウォームアップ時間不要）、有害な水銀を含まない、長寿命、コンパクトサイズ、デジタル調光が可能。他のUVC LEDと比較して、その光出力（60mA時 代表値10mW）、波長（275nm）、パッケージサイズ（3.5x3.5mm）の特定の組み合わせは、出力と形状のバランスを必要とするアプリケーションに適しています。詳細なビニングシステムは、大量生産における予測可能性を提供します。

11. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: どのような駆動電圧が必要ですか？

A: お使いの定電流ドライバの出力電圧コンプライアンスは、使用するLEDビンの最大順電圧（VF max、通常7.0V）よりも高く、さらに配線や接続における損失のためのマージンが必要です。

Q: 殺菌線量はどのように計算しますか？

A: 線量（単位：ジュール毎平方センチメートル、J/cm²）は、照度（単位面積当たりの光出力、W/cm²）と照射時間（秒）の積です。LEDの放射束、ビーム角、距離、光学系に基づいて、対象表面での照度を測定または計算する必要があります。これを、対象とする病原体を不活化するために必要な線量と比較します。

Q: 100mAで連続駆動できますか？

A: 接合温度が90°C以下に保たれることを保証できる場合にのみ100mAで駆動できます。これは例外的な熱管理を必要とします。電流デレーティング曲線を参照してください。周囲温度が高い場合、最大許容電流は大幅に低くなります。

Q: なぜ順電圧がそんなに高いのですか？

A: UVC LEDは、非常に広いバンドギャップを持つ窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）半導体を基盤としています。この広いバンドギャップを越えて電子を励起し、短波長の光子を生成するには、本質的に高い電圧が必要となります。

12. 設計および使用事例

事例：携帯型水殺菌ボトルの設計ある設計者が、500mlの水を60秒で殺菌できるボトルを作成することを目指しています。LTPL-G35UVC275GS（X3ビン、9-10mW）を使用し、4個のLEDを使用する計画です。総放射束は約36-40mWです。水は薄いチャンバー内をLEDの前を循環させます。光学結合効率50%、一般的な細菌に対する必要なUV線量を40 mJ/cm²と仮定し、必要なチャンバー表面積と流量を計算します。LEDあたり60mAに設定され、9V出力能力を持つ定電流ドライバを選択します。1分間のサイクル中の熱を管理し、接合温度を十分に限界内に保つために、小型のアルミニウムヒートシンクがLED MCPCBと統合されています。安全性機能として、蓋インターロックスイッチと不透明な外殻が含まれています。

13. 動作原理の紹介

UVC LEDは、半導体p-n接合ダイオードです。順方向電圧が印加されると、電子が接合部を横切って注入され、活性領域で正孔と再結合します。UVC LEDでは、半導体材料（AlGaN）のエネルギー・バンドギャップが非常に大きい（約4.5電子ボルト）です。再結合が起こると、このエネルギーは光子（光粒子）の形で放出されます。この光子の波長はバンドギャップエネルギーに反比例します（λ = hc/Eg）。約4.5 eVのバンドギャップは、約275ナノメートルの光子波長に対応し、これはUVC範囲にあります。この高エネルギーの光は微生物のDNAおよびRNAに吸収され、チミン二量体を形成して複製を妨げ、それにより病原体を不活化します。

14. 技術トレンドおよび開発動向

UVC LEDの分野は急速に進化しています。主なトレンドは以下の通りです：

Wall-Plug効率（WPE）の向上：研究は、内部量子効率（電子が光子を生成する割合）と光取出効率（光子をチップから取り出すこと）の改善に焦点を当てており、これにより所定の電気入力に対する放射束が直接増加し、システムの電力と熱負荷が低減されます。

より長い波長（>280nm）：約275nmが殺菌作用に最適ですが、わずかに長い波長（例：280-285nm）で発光するLEDは、依然として重要な殺菌能力を維持しながら、より高い出力と効率を提供できる可能性があり、設計者にトレードオフの選択肢を提供します。

寿命および信頼性の向上：チップ設計、パッケージ材料（特にUVCに安定した封止材）、熱管理の進歩により、UVC LEDの動作寿命（L70、初期出力の70%までの時間）は着実に増加しており、連続運転アプリケーションでの実現可能性を高めています。

コストの低減：製造量の増加と歩留まりの向上に伴い、UVC光出力1ミリワットあたりのコストは低下しており、プロフェッショナル製品から民生品まで、より多くの市場セグメントへのLED技術の採用を加速しています。