En los últimos años, la pandemia de la COVID-19 puso en primer plano el papel de la luz ultravioleta como herramienta para la desinfección de aire, agua y superficies. Sin embargo, detrás de esta tendencia existe una línea de investigación mucho más profunda que va más allá de la emergencia sanitaria: el desarrollo de LEDs UVC como alternativa real, sostenible y segura a las lámparas tradicionales de mercurio.

Un nuevo estudio, liderado por el Ferdinand-Braun-Institut (FBH) de Berlín en colaboración con otras cuatro instituciones internacionales, analiza el estado del arte de esta tecnología. La investigación, publicada en acceso abierto y con 41 páginas de revisión técnica, recopila datos de LEDs UVC fabricados por 14 compañías y sometidos a pruebas de fiabilidad y rendimiento durante dos años. El objetivo: cerrar la brecha entre lo que prometen los fabricantes y lo que realmente necesitan los usuarios finales en aplicaciones reales de desinfección.

La promesa de una nueva desinfección ultravioleta con tecnología LED 

La radiación ultravioleta (UV) posee la capacidad de inactivar patógenos presentes en superficies, en el aire e incluso en el agua. En este campo, los diodos emisores de luz que operan en el rango espectral UVC —con longitudes de onda por debajo de los 280 nanómetros— están adquiriendo un papel cada vez más relevante, impulsados por los avances recientes en eficiencia y vida útil.

A diferencia de las lámparas UV convencionales, estos LEDs UVC ofrecen ventajas técnicas notables: son extremadamente compactos, regulables en intensidad, permiten un encendido y apagado instantáneo y, lo más importante, no contienen mercurio.

Su potencial abre la puerta a una amplia variedad de aplicaciones cotidianas: desde el tratamiento sostenible de agua potable y la purificación del aire en escuelas y hospitales, hasta la desinfección de electrodomésticos como frigoríficos y lavavajillas, pantallas táctiles o instalaciones de procesado en la industria alimentaria.

En regiones sin un suministro eléctrico estable, su diseño compacto y bajo consumo energético facilita soluciones móviles alimentadas con energía solar. Además, frente a las lámparas de vapor de mercurio de baja presión —todavía muy extendidas—, los LEDs UVC presentan claras ventajas: están libres de sustancias tóxicas, muestran una menor sensibilidad a los cambios de temperatura y, en muchos casos, ofrecen una vida útil superior.

Una guía para fabricantes y usuarios

El estudio recién publicado ofrece una panorámica detallada de los parámetros clave de los LEDs UVC disponibles actualmente en el mercado, fundamentales para el desarrollo de sistemas de desinfección fiables y eficientes. Aspectos como la vida útil y la eficiencia muestran variaciones significativas en función de las condiciones de operación, el diseño del dispositivo y el propio fabricante.

Los investigadores analizan en profundidad los efectos térmicos, ópticos y eléctricos, y cómo estos pueden optimizarse mediante la selección adecuada de materiales y el control de los parámetros de funcionamiento. Entre los factores más determinantes se encuentra el tipo de encapsulado, que influye directamente en el rendimiento y la estabilidad del dispositivo.

Un apartado central del estudio está dedicado a los ensayos de envejecimiento y pruebas de esfuerzo a largo plazo bajo diferentes condiciones, con el fin de evaluar la fiabilidad real de los LEDs en escenarios de uso intensivo. Para los usuarios interesados en integrar esta tecnología en sus sistemas, la información recopilada constituye una referencia práctica sobre cómo dimensionar la refrigeración, el control de potencia, las ópticas asociadas y los mecanismos de monitorización de los LEDs.

Tal y como señala Jan Ruschel, investigador del FBH y coautor del trabajo: «Con este estudio hemos conseguido cerrar la brecha entre la investigación de laboratorio y la aplicación práctica. Para nosotros, como instituto orientado a la transferencia tecnológica, es especialmente relevante que las innovaciones lleguen de verdad a un uso real en el mercado».

Principales resultados obtenidos

La investigación sobre LEDs UVC basados en semiconductores AlGaN confirma que esta tecnología, aunque prometedora, presenta todavía importantes retos de rendimiento y fiabilidad frente a los LEDs convencionales. El estudio, que analizó productos comerciales de 15 fabricantes de distintos países (EE. UU., Corea del Sur, China y Japón), evidenció grandes diferencias de comportamiento derivadas del diseño de capas semiconductoras, de las tecnologías de empaquetado y de las condiciones de operación.

En términos de prestaciones, los dispositivos mostraron longitudes de onda de emisión entre 265 y 283 nm y potencias radiantes desde 10 mW hasta más de 150 mW. En general, los LEDs que emitían a longitudes de onda más largas (≥275 nm) alcanzaron valores de potencia más altos, aunque la eficiencia de conversión (WPE) resultó muy dispar: desde apenas 2 % en los dispositivos menos eficientes hasta un máximo de 7,5 % en los mejores casos. Esta variabilidad tiene consecuencias directas en la energía consumida, la disipación térmica y, por tanto, en la viabilidad de los sistemas de desinfección.

El estudio identificó una fuerte dependencia de la potencia radiante con la corriente y la temperatura de operación. Mientras algunos LEDs mantienen una respuesta casi lineal a corrientes moderadas, otros muestran caídas rápidas incluso a bajas corrientes, especialmente bajo estrés térmico. Este comportamiento se atribuye a procesos de recombinación no radiativa —Shockley-Read-Hall (SRH) a bajas densidades de corriente y Auger-Meitner a corrientes más altas— agravados por el autocalentamiento localizado, un problema inherente a la baja eficiencia óptica de los LEDs UVC.

En cuanto a fiabilidad, la dispersión de resultados también fue significativa. Algunos dispositivos mantuvieron más del 90 % de la potencia inicial tras 10.000 horas de funcionamiento, mientras que otros descendieron por debajo de ese umbral en apenas 100 horas. Los principales factores que aceleran la degradación son la alta densidad de corriente, las temperaturas elevadas y la resistencia limitada de los materiales de encapsulado y óptica frente a la radiación de alta energía. Además de la depreciación gradual del flujo radiante, se observaron fallos catastróficos (CF) en ciertos productos, lo que refuerza la necesidad de sobrecualificación y pruebas de fiabilidad prolongadas.

El trabajo también resalta que los modelos de extrapolación de vida útil aplicados habitualmente a LEDs visibles (basados en curvas exponenciales) no describen adecuadamente el comportamiento de los LEDs UVC. Las tendencias de degradación no son puramente exponenciales, y la dependencia de la potencia radiante con la corriente y la temperatura puede cambiar tras la operación prolongada. Por ello, los autores recomiendan desarrollar nuevos estándares de medición y análisis específicos para emisores UVC, siguiendo directrices como la LM-80-21 pero adaptadas a sus particularidades físicas.

En conjunto, el estudio concluye que la eficiencia, fiabilidad y vida útil de los LEDs UVC dependen de manera crítica de las condiciones de operación y de un diseño cuidadoso de la gestión térmica, el control electrónico y los materiales ópticos

Puede acceder al estudio completo a través del siguiente enlace:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2515-7647/adebcb