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水殺菌における UV-C LED のウォールプラグ効率に関する再考
オーエン・コノリー、ラジュル・ランディブ
UV-C LED は、殺菌技術に対する関心が高まったことで進歩したが、エネル

マンドの操作に関するその本質的なメ

ギーコストと対象微生物を考慮して動作時の光源の WPE を比較し、アプリリットに注目が集まるにつれて、市場ケーションの性能と予算の関係を理解することを、水殺菌システムの OEM にリーダーらは、この技術が実は、特に助言する。

低流量の水殺菌に対して準備の整った状態にあることに気づいた。LED の配紫外線 C 波（ UV-C ）LED の性能は、エネルギーを光に変換するデバイスの置、水の流れ、デューティサイクルのこの 5 年間で急速に進歩した。新型コ能 力 を表 す。 一 部 の業 界 関 係 者 は、パラメータを最適化したインテリジェ

ロナウイルス感染症（ COVID-19 ）のパ

UV-C LED の性能が既存の商用水銀ラントな設計により、要件を上回る性能ンデミックと、非接触殺菌に対する認ンプと同等になるまでは、殺菌用 UVを備えた、UV-C LED を使用する商用識の高まりが相まって、殺菌用 UV を（ GUV ）におけるその普及は制限され殺菌リアクターの開発が推進されていめぐる動きが活発になり、UV-C LEDるとの見方を示している。

る。と水銀ランプの比較が多く行われるよ広範な普及に向けた UV-C LED の準WPE が議論されるのはなぜか。簡うになった。最近の議論の 1 つが、従備体制を疑問視する理由として、かつ単に述べると、UV-C LED の WPE は来の殺菌技術と比較した UV-C LEDて議論されていたのは出力と寿命だっ3% 〜 10% と、まだ比較的低い。実際、の ウ ォ ー ル プ ラ グ 効 率（ Wall Plugた。しかし、より多くの OEM がこのこのデバイスに供給されるエネルギー

Efficiency：WPE ）で あ る。WPE は、技術を評価し、設計の柔軟性とオンデの大半がまだ、熱に変換されている。

42023.12 LEDs Magazine JapanIllustration 215264951 © VectorMine | Dreamstime.com

しかし、出力や寿命と同様に、UV ラ

内部効率は、基板材料のエピ層の欠基盤として使用するメーカーは、自社

ンプと UV-C LED の WPE を単体で比陥と転位を減らすことによって改善でデバイスの全体的な WPE を改善する較しても意味がない。WPE は重要なきる。外部効率は、光抽出を高めるよための手段として、抽出効率の改善に指標だが、この技術の進歩を表す単一うにデバイスを再設計することによっ注力している。の指標ではない。て改善できる。

WPE に影響を与える材料

バルク窒化アルミニウム（ AlN ）基板

多くの UV-C LED メーカーが、コスを使用するメーカーには、内部効率、トの低い透明な基板であるバルクサフ

より具体的には内部量子効率（ Inter­UV-C LED の 現 時 点 の WPE は 1 ケ

ァイア上で構造を成長させる。しかしが本質
nal Quantum Efficiency：IQE ）タで、ほとんどの商用 UV-C LED で、サファイアは、窒化物層との間に格子的に高いというメリットがある。IQE製品によって 3% 〜 6% の範囲である。と熱膨張の不整合があり、材料内の転とは、電子が転位欠陥に遭遇する時に、LED 効率の改善は、デバイス内の複数位数が増加するため、それが、サファ熱が生成されるのではなく、電子と正の箇所で達成可能で、一般的には内部イアベースの UV-C デバイスの内部効孔が再結合して光子になる確率であ効率または外部効率として分類される。

率を根本的に制限する。サファイアをる。AlN 上に成長させたデバイスは、サファイア基板上に成長させたデバイ

UV 光源の WPE に基づく年間運用コストの計算スと比べて、UV-C 波長における IQE

光源

UV ランプUV-C LED A

UV-C LED B

UV-C LED Cが 2 倍 以 上 となる。 従 っ て、 バルク

WPE（ % ）302.556

AlN を UV-C LED の基盤として使用す

1 年あたりの kWh

53372015

るメーカーは、内部効率と抽出効率の年間運用コスト

$8.74

$6.10

$3.30

$2.47

改善によって WPE を改善することを出典：クリスタル IS 社の計算結果目指している。
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光子

エネルギー 電子入力

抵抗に起因する
熱（電気）
ηel

図１

光出力

QW外側の再結合(ηinj)

光子を生成しない再結合(IQE)

p-GaNへの吸収をフル出力で稼働し、残り 90% をアイドルモードで動作すると考える。この場合、このシステムが建物の電源から消費する年間電力量は 53kWh 強である。米労働省によると、2023 年 5 月の時点で、米国の 1kW あたりの平均電UV-C LED デバイスの効率損失を表す図（画像提供：クリスタル IS 社）

現在の WPE にかかわらず、採用は増加力しか消費しないとみなすことができる。このシステムが、動作時間の 10%

エスケープコーン
基板の吸収（光子抽出）
抽出効率
ηex

I内部効率
IE = IQE ×ηinj

ムは、アイドルモードでは 5.5W の電気料金は 0.165 ドルであるため、標準活用するために製品を再設計する。そ的な年間運用コストは 9 ドル弱となる。

うした殺菌製品を設計する際には、合同じシステムの性能を、LED を使用

この数年間で、流量が最大 5ガロン／計消費エネルギーに対する WPE パラメする設計で考察すると、WPE がそれぞ分（ gpm ）の 使 用 ポ イ ン ト（ Point Ofータの重要性が低下するように、シス

れ異なる複数の LED の年間エネルギー

Use：POU ）の水道システムにおける、テムの動作を最適化することができる。

コストを見積もることができる（表を参UV-C LED ベースの技術の採用は増加している。流量が 5 〜 50gpm と一般的に定義される、入口ポイント（ Point Of照）。 動 作 時 間 は 同 じ（ 10% 稼 働 ／POU 水殺菌システムにおけるWPE の影響90% アイドル）と仮定できるが、LEDを使用するシステムは通常、アイドル

Entry：POE ）のシステムについては、家庭用の POU 水殺菌システム設計

時に光源の消費電力は発生しない。

低流量システムにおいて UV-C LED がを基に、WPE と運用コストを比較すランプを使用するシステムから UV-C採用されている。産業用水、廃水、自ることができる。消費者向けの POUシステムに切り替えることで、最終ユー

治体の水処理の流量は、50gpm 以上と製品では、LED は殺菌時にしか動作

ザーのエネルギーコストは 30% 〜 70%

従来から定義されている。POU と POEしないため、総所有コストが低いこと削減される（使用されるUV-C LEDによのシステムは通常、低いデューティサイが一般的なメリットである。水銀ランって異なる）。一 方、WPE が 5% からクルで動作するのに対し、高流量のシプを使用するシステムは、ランプの始6%に改善しても、年間の削減コストはステムはそれよりも連続的に稼働する。

動時間を短縮するために、アイドルモ1ドル未満にしかならない。ランプからWPE とデューティサイクルは、密接ードで動作するか、ランプの点灯と消LED への切り替えは、その他のサステ灯を繰り返しながら動作する。

ナビリティ上のメリットと合わせて考えに関連している。POU と POE はデューティサイクルが低いため、3% 〜 6%11W のランプを使用するあるシステると魅力的だが、LED 単体の WPE がの WPE で十分以上である。流量が高2WPE が望ましくなる。それらのシス

1.8MS2

テムは、適切な殺菌線量の要件を満た1.6Qbeta (QB)すために、より多くの LED を必要と1.4

Cryptosporidiumするためである。

1.2

Escherichia coli (E.coli)

UV-C LED を使用する製品の開発を検討している OEM は、一般的に、単に光源をランプから LED に切り替える以上の作業を、事前に計画する。通常は、サイズが小さい、瞬時にオン／オフ可能、有効波長のみが出力できるといった、LED のメリットを最大限に

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強度〔a.u.〕いほど、熱負荷を減らすために高い

1.00.80.60.40.20230 240 250

260270

波長〔nm〕

280290 300

図２ 水殺菌における一般的な対象
微生物に対する吸収 曲 線（ https://scholar.color
ado.edu/down
l o a d s / r n301175t の グ
ラフをクリスタルIS社が改変して作成）

of dispense ）、低流量 POE の分野の現時点で対応可能なアプリケーションについては、既存の商用 UV-C LED の性能は、WPE 性能を含めて OEM の要件を満たしている。産業用水処理の分野
では、特に断続的に動作する飲料や薬品の処理およびディスペンス装置にお2016 年の UV-C LED
サイズ : 3.5 × 3.5mm
出力 : 30mW
WPE: 0.75%2023 年の UV-C LED
サイズ : 3.5 × 3.5mm
出力 : 160mW
WPE: 5%

図３ UV-C LED のサイズは同じだが、出力と WPE はこの数年間で向上している（画像提供：クリスタル IS 社）

いて、早期導入の事例が存在する。これらの業界では、計画外メンテナンスを低減してシステムコストの増加を相殺するなど、LED の他の主要なメリットの活用が検討されている。
自治体や廃水処理施設における、高最終消費者に与える影響は、特に商用づいて、特定の微生物を使用すること流量のアプリケーションでは、WPE がUV-C LEDの現在のWPEのレベルを考をメーカーが望む場合もある。例えば、より重要になる可能性が高い。既存のえると、取るに足らない。5 〜 12gpm

NSF は Qbeta を、 認 証 取 得 を目 指 す

大規模システムでは、大量のエネルギの低流量の POE 市場に対しては、5%システムの対象微生物として定義してーを消費する、大量のランプが使用さの WPE が、市場で広範に普及するたいるが、欧州市場をターゲットとするれているため、そうしたシステムの開めのしきい値と思われる。

OEM は、 緑 膿 菌（ Pseudomonas A ）発では、エネルギー効率が、他のパラで設計を行う。

メータよりも重視される可能性がある。

WPE に関する設計の議論は、LEDの個数を減らして熱負荷を低減するこ

表 を も う 一 度 参 照 す る と、UV-C

業界では、それらのアプリケーショとによって、OEM の全体的なシステムLED BとCのWPEは非常に近いため、ンを対象とした UV-C LED を使用するコストを抑えることを軸に展開される

これらの LED を使用する 2 つのシステ装置が出現し始めたばかりで、早期導場合が多い。そうすると、WPE よりもム設計の殺菌性能とコストを比較する

入者は既に、標準的なリアクター設計殺菌出力の効率の方が重要になる。こことができる。WPE が 5% の LED Bのあり方を再考している。例えば、新れには、対象微生物に対する対象波長の出力は、265nm（一般的に使用されるしい LED システムには、従来のシスにおける UV-C の合計出力が影響する。

UV-C 殺菌波長）で160mWだが、WPEテムのように水を処理する代わりに、殺菌システムは、対象微生物、またが 6% の LED C の 出 力 は、275nm で外部冷却手法が採用されている。このは GUV システムの開発に使用された

140mW で あ る。 大 腸 菌（ E. coli

分野のリーダー企業は、従来の廃水施バイオドシマ（ biodosimer ）とそのバイbacteria ）を対 象 とするシステムは、設 や 自 治 体 用 の リ ア ク ター 設 計 でオドシマのスペクトル反応に基づく、LED B を使用するシステムと同じ殺菌

UV-C LED を活用するという課題に今特定の殺菌性能を満たさなければなら性 能 を 得 る に は、 出 力 が 20% 高 い

後 も 挑 み 続 け る。 そ れ は、POU やない。バイオドシマとは、システムがLED C パ ッ ケ ー ジ が 必 要 で あ る。

POE の OEM が現在行っていることと意図した用途に対して主張されている

WPE は高く、最終ユーザーの年間運同じだが、この分野のシステムはより殺菌性能を提供することを確認するた用コストは低いかもしれないが、シス多くの人口を対象とするため、さらにめに使用される、試験用の代用微生物

テム全体の LED のコストを考えると、大きな効果が期待される。

である。これらの微生物は通常、米国LED B のほうが魅力定な選択肢という立 科 学 財 団（ National Science Foun­ことになる。

dation：NSF ）や 米 環 境 保 護 庁（ En­など
viron­mental Protection Agency ）の業界標準組織によって定義されている。しかし、他の地域の市場要件に基高流量の連続殺菌に規模を拡大するための検討事項
POU、ディスペンスポイント（ point

著者紹介
オーエン・コノリー（ EOIN CONNOLLY ）は、UV-C LEDを開発する米クリスタルIS社（CrystalIS ）の社長兼最高経営責任者（ CEO ）、ラジュル・ランディブ（ RAJUL RANDIVE ）は、同社グローバルアプリケーションエンジニアリング担当ディレクター。

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