1901 年に紫外線による殺菌効果が発見されて以来、紫外線による消毒は主に低圧水銀灯を使用して行われてきました。
低圧水銀ランプには水銀が含まれているため、環境汚染が懸念されます。蛍光灯の LED 代替と同様に、LED は環境に優しい代替技術として期待されています。 UV LED の効率は、年々急速に向上しているにもかかわらず、現在では低圧水銀ランプの効率よりも低いです。代替技術が開発されていないため、低圧水銀ランプは 2027 年 2 月 24 日まで特定の用途について RoHS 指令から除外されます (項目 4(a))。 2027 年以降に利用可能な代替技術がないことが判明した場合、この免除は延長される可能性があります。本当に延長は必要なのでしょうか？日亜化学工業によれば、一部のアプリケーションは現在 LED を採用する可能性があり、2027 年 2 月までにほぼすべてのアプリケーションが LED を採用できるようになる予定です。
ここで日亜化学工業は、低圧水銀ランプに代わる消毒手段として UV LED が研究されている実例を紹介します。
低圧水銀灯による表面消毒 → LED導入事例
表面消毒、清浄器による空気消毒、上下水道消毒はすべて、低圧水銀灯を利用した紫外線消毒の分野に含まれます。食品産業の設備や容器の洗浄は、表面消毒の一般的な例です。食品加工施設では、容器内を消毒して細菌の増殖や食品の汚染を防ぐために、紫外線にさらされた後に容器に食品が充填されます。
紫外線にさらされた食品容器の図:
容器上部から低圧水銀ランプで紫外線を照射し、多数の食品容器内を一度に消毒します。したがって、ランプが故障した場合に水銀汚染やガラスの破損を防ぐために、低圧水銀ランプを覆うために溶融石英を使用する必要があります。
上から見た放射線の図:
低圧水銀ランプとは対照的に、LED は上の照射写真に示すように、その構成と位置を正確に選択および変更できるため、対象物のみに UV 光を照射することができます。一方、低圧水銀ランプは全方向に光を放射するため、個々の容器の間の空間やランプの背面が余分な紫外線にさらされます。
また、低圧水銀ランプは点灯・消灯に時間がかかるため、常に「点灯」しておく必要があります。一方、LED は瞬時にオン/オフできるため、必要なときだけ点灯できるため、エネルギー使用量と CO2 排出量を削減できる可能性があります。
上記の情報を踏まえて、LEDと低圧水銀ランプを比較した結果を次の表に示します。
研究結果
この研究例の実数値で同じ消毒効果を得るのに必要な入力電力は600Wと312Wです。
日亜化学工業の UV LED 434C を使用して、LED の放射照度と効率をテストしました。
四国電力株式会社によると、2021年度のCO2排出係数は0.527t/MWhです。
LED の効率が 5.4% であるのに対し、低圧水銀ランプの効率は 22% と優れています。ただし、LED は生成する UV 照射の最大 90% を使用する可能性がありますが、低圧水銀ランプは 9% しか使用しません。したがって、同じ消毒効果を得るには600Wの電力を必要とする低圧水銀ランプと比較して、LEDは312Wを必要とします。さらに、LED は必要な場合にのみアクティブにすることができます。例えば、低圧水銀ランプを1日18時間点灯させた場合、LEDは14時間点灯可能となります。ランプ1本を300日使用した場合、入力電力600Wの低圧水銀ランプの年間消費電力は3.2MWhであるのに対し、入力電力312WのLEDでは年間1.3MWhとなり、60％削減できます。また、CO2排出量は電力1MWh当たりのCO2排出量0.527トンとして算出しています。 LED の年間 CO2 発生量は 0.69 トンですが、低圧水銀ランプの CO2 発生量は 1.7 トンで、60% 削減されます。
ロードマップ
まとめ
このケーススタディでは、必要な領域だけを選択的に照射することによる高い放射束利用率や瞬間的なオン/オフ機能などの LED の特性を利用して、顕著な利点を実現しました。したがって、日亜化学工業は、LED が低圧水銀ランプの代替技術として機能する可能性があることを明確に示すことができます。
前述の例とは別に、日亜化学工業は顧客やパートナーと協力して、空気や水の消毒など、他の消毒用途で LED の特性を使用する設計を作成する予定です。日亜化学工業は、LED技術が低圧水銀ランプに置き換わるよう全力を尽くしてまいります。
さらに、ロードマップに記載されているように、UV LED の性能は近年大幅に向上しています。環境制限と感染症との戦いの必要性から生じるLEDへの開発期待の相乗効果により、技術の進歩は速い。場合によっては、LED の機能を活用する設計の開発により、低圧水銀ランプの代わりに LED を使用することがすでに実現されています。日亜化学工業によれば、これは、UV LEDの基本性能の目覚ましい強化と相まって、さらに大きなトレンドを引き起こし、UV LEDはあらゆる消毒用途および分野で低圧水銀ランプの代替品として広く受け入れられることになるだろう。したがって、2027 年以降も RoHS の適用除外を延長する必要はありません。
日亜化学工業は、水銀フリー・カーボンニュートラル社会の構築をはじめとする社会課題の解決に取り組むとともに、今後もLEDの性能向上を目指してまいります。
