Uv-Leds für neUe AnwendUngen · AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A...

AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A GLAnce 1

Uv-Leds für neUe AnwendUngenUV LEDs for nEw appLications

StAtUS Und PerSPektivenstatUs anD pErspEctiVEs2018

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Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V.

GMBU

www.haasetank.de

InnoMat GmbH

MeMBerS of AdvAnced Uv for Life

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Uv-Leds für neUe AnwendUngenUV LEDs for nEw appLications

StAtUS Und PerSPektivenstatUs anD pErspEctiVEs2018

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inhALtSverzeichniScontEnt

grUSSwort ─ Seite 7 GrEEtinGs ─ Page 7

vorwort ─ Seite 9 forEworD ─ Page 9

1 AdvAnced Uv for Life iM üBerBLick ─ Seite 10 aDVancED UV for LifE at a GLancE ─ Page 10

2 Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern – eigenSchAften Und AnwendUngen ─ Seite 18 UV raDiation froM sEMiconDUctors – propErtiEs anD appLications ─ Page 18

3 hALBLeitertechnoLogien & BAUeLeMente ─ Seite 26 sEMiconDUctor tEcHnoLoGiEs & DEVicEs ─ Page 26

4 ModULe & MeSStechnik ─ Seite 42 MoDULEs & MEtroLoGY ─ Page 42

5 deSinfektion ─ Seite 56 DisinfEction ─ 6

6 MeDiZiN ─ Seite 74 MEDicinE ─ Page 74

7 UMWeLt & LiFe SCieNCeS ─ Seite 86 EnVironMEnt & LifE sciEncEs ─ Page 86

8 PRODUKtiON ─ Seite 94 proDUction ─ Page 94

9 StRategie & MaNageMeNt ─ Seite 106 stratEGY & ManaGEMEnt ─ Page 106

AnhAng ─ Seite 112 appEnDiX ─ Page 112

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grUSSwortGrEEtinGs

Zwei dinge haben uns viele vögel voraus: Sie können fliegen, klar. Weniger bekannt ist ihre fähigkeit, ultra-violettes Licht wahrzunehmen. Auf diese Weise suchen sie nach reifen früchten oder nach einem geeigneten, gesunden Lebensgefährten, dessen Gefieder Uv-Licht besonders stark reflektiert.

die schlechte nachricht: die Protagonisten des Zwanzig20-Konsortiums „Advanced Uv for Life“ leisten in punkto Uv-Sehen nicht mehr als ihre menschlichen Artgenossen. die gute nachricht: das hindert sie nicht daran, spektakuläre technische Lösungen und Anwen-dungen auf Basis ultravioletten Lichts zu entwickeln. ihre Uv-Leds sind herkömmlichen Hochdrucklampen in fast allen Bereichen überlegen. Sie sind kompakt, flexibel anpassbar, entwickeln kaum Wärme und kommen ohne toxische Stoffe aus. das eröffnet ganz neue Möglichkei-ten: um Wasser und oberflächen zu desinfizieren, um alle möglichen Materialien zu bedrucken, um Patienten zu behandeln oder um sekundäre Pflanzenstoffe anzu-reichern.

„Advanced Uv for Life“ nutzt die fast einmalige chance, ein enorm breites und anspruchsvolles Projekt mit Part-nern aus unterschiedlichsten Branchen und disziplinen zu bearbeiten. durch das förderprogramm „Zwanzig20 – Partnerschaft für innovation“ erschließt das Konsortium nicht nur neue Märkte, sondern kann tatsächlich wichtige Zukunftsprobleme lösen. die Auswahl des passenden Lebensgefährten gehört allerdings nicht dazu.

Weiterhin viel erfolg, neue ideen und den nötigen Mut wünscht

hans-Peter hiepeLeiter des referats „regionale innovationsinitiativen;

neue Länder“ im Bundesministerium für Bildung und forschung

Many birds have two advantages over us: that they can fly is obvious. Less well-known is their ability to perceive ultraviolet light. They use it to seek ripe fruits or a suitable, healthy life partner whose plumage reflects UV light particularly strongly.

The bad news: The protagonists of the Twenty20 Con-sortium “advanced UV for Life” do not actually perform any better at seeing in the UV spectrum than their fellow members of the human species do. The good news: That does not prevent them from developing spectacular technical solutions and applications based on ultraviolet light. Their UV LeDs are superior to conventional high-pressure lamps in almost all respects. They are compact, flexibly adjustable, produce hardly any heat, and do so without any toxic substances. This opens up entirely new possibilities: For disinfecting water and surfaces, printing on all possible materials, treating patients, or fortifying secondary plant metabolites.

“advanced UV for Life” is taking advantage of what is practically a once-in-a-lifetime chance to develop an enor-mously broad and sophisticated project together with partners from the most diverse industries and disciplines. Through its funding program, “Twenty20 – Partnership for Innovation,” the Consortium is not only tapping into new markets, but can actually solve significant future problems. The selection of a suitable life partner, how-ever, is not included.

Wishing you much continued success, new ideas and the necessary courage,

Head of Division Regional Innovation initiatives; new LänderFederal Ministry of education and Research

vorwortforEworD

In the fall of 2012, a small group of companies and research institutions met at the Ferdinand-Braun-Institut to combine forces in the development of UV LeD technologies and their applications. From this initiative, the advanced UV for Life Consortium was born, and has since come to include 50 partners collaborating in over 40 projects. The funding, part of the Twenty20 – Partnership for Innovation program, runs from 2014 through 2021 – making the spring of 2018 a good point in time to take stock of the status of the Consortium and the results achieved so far.

In this brochure, we wish to provide you with some insight into our Consortium, our organizational structures and development strategies, as well as the funding program itself. above all, we wish to present our tech-nologies and applications: What can UV LeDs be used for and what are their advantages? Finally, based on the Consortium’s field of works, we wish to show you our specific research projects and challenges.

The funding for advanced UV for Life, as part of the Twenty20 program, makes many new and ongoing technological developments possible. It simultaneously offers the chance to open up promising opportunities provided by UV LeD technology and the markets asso-ciated with them in germany. The Consortium is well positioned to do this, and represents the entire value chain all the way through to specific product development. as has been shown, small enterprises can derive power-ful benefits from this just as well as worldwide market leaders do, who in the meantime have also become partners. This is how these tiny LeD chips provide a great deal of leverage at every level.

We would like to take this opportunity to thank the Federal Ministry of education and Research for the great deal of trust placed in us, and for the excellent cooperation.

We wish you an enjoyable read and exciting insights and outlooks

Spokesman, advanced UV for LifeDirector of Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik

im Herbst 2012 traf sich am ferdinand-Braun-institut ein kleiner Kreis aus Unternehmen und forschungsin-stituten, um ihre Kräfte bei der technologieentwicklung von Uv-Leds und deren Anwendungen zu bündeln. Aus dieser initiative ist das Konsortium Advanced Uv for Life entstanden, in dem inzwischen 50 Partnereinrichtungen in über 40 Projekten zusammenarbeiten. die förderung im Programm Zwanzig20 – Partnerschaft für innovation läuft seit 2014 bis 2021 – ein guter Zeitpunkt also, um im frühjahr 2018 eine Zwischenbilanz zum Stand des Kon-sortiums und zu den bisherigen ergebnissen zu ziehen.

Mit der vorliegenden Broschüre geben wir ihnen einen einblick in unser Konsortium, in organisationsstrukturen und Strategieentwicklungen sowie das förderprogramm selbst. vor allem aber stellen wir unsere technologien und Anwendungen vor: wofür sich Uv-Leds verwenden lassen und worin ihre vorzüge bestehen. Anhand der Arbeitsfelder des Konsortiums zeigen wir schließlich die konkreten forschungsarbeiten und Herausforderungen.

die förderung von Advanced Uv for Life im rahmen des Programms Zwanzig20 ermöglicht vielfältige technologische neu- und Weiterentwicklungen. Sie eröffnet zugleich die chance, die vielversprechenden Möglichkeiten der Uv-Led-technologie und die hiermit verbundenen Märkte in deutschland zu erschließen. das Konsortium ist dabei gut aufgestellt und bildet die komplette Wertschöpfungskette bis zur konkreten Produktentwicklung ab. Wie sich gezeigt hat, können davon kleine Unternehmen ebenso stark profitieren wie Weltmarktführer, die inzwischen ebenfalls Partner geworden sind. So entfalten die kleinen Led-chips auf allen ebenen eine große Hebelwirkung.

Wir nutzen die Gelegenheit, uns beim Bundesministerium für Bildung und forschung für das große vertrauen und die gute Zusammenarbeit zu bedanken.

ihnen wünschen wir viel freude bei der Lektüre und spannende ein- und Ausblicke

Prof. dr. günther tränkleSprecher von Advanced Uv for Life

direktor des ferdinand-Braun-instituts, Leibniz-institut für Höchstfrequenztechnik

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„Advanced Uv for Life entwickelt und vermarktet weltweit wettbe-werbsfähige Uv-Led basierte Komponenten, Systeme und verfahren in den Anwendungsbereichen Medizin, desinfektion, Produktions-technik, Umwelt und Life Sciences. dies wird durch die erforschung und entwicklung neuartiger Halbleiter-Uv-Bauelemente mit maß- geschneiderten eigenschaften und Applikationen ermöglicht und in einer geschlossenen Wertschöpfungskette vom Material bis zur Anwendung in deutschland umgesetzt.“

“advanced UV for Life develops and markets competitive UV LeD-based components, systems and methods in the areas of medicine, disinfection, production engineering, environment, and life sciences worldwide. This is made possible through the research and development of new types of semiconductor UV-emitting devices with custo-mized properties and applications, and is implemented in a closed-loop value chain from materials to application, in germany.”

1 AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick aDVancED UV for LifE at a GLancE

10 AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A GLAnce


Unter diesem Leitbild arbeiten seit 2013 Partner aus Unternehmen, forschungseinrichtungen und Hochschu-len im Konsortium Advanced Uv for Life zusammen. Ziel ist dabei, neuartige Produkte auf der Basis von ultraviolett emittierenden Leuchtdioden (Uv-Leds) zu entwickeln und zur vermarktung zu bringen. Uv-Leds sind Schlüsselkomponenten, die maßgeblich zur Lösung drängender globaler Probleme beitragen werden. Uv-Strahlung kann zur Prävention und therapie in der Medizin, zur desinfektion und entkeimung von Wasser, Luft und oberflächen, zur erhöhung des ertrages von nutzpflanzen, zur selektiven Produktion von wichtigen pflanzlichen inhaltsstoffen, zum nachweis von Krank-heitserregern, zur Überwachung der Konzentration von Schadstoffen in der Atmosphäre, zur Härtung von Kunststoffen (beispielsweise im 3d-druck und im Leichtbau) und für viele weitere Anwendungen einge-setzt werden. Abb. 1.1 zeigt die forschungsbereiche, in denen das Konsortium tätig ist.

Under this mission statement, partners from business, research institutions, and universities have been working together since 2013 in the advanced UV for Life Consor-tium. The goal in doing this is to develop and bring to market new products based on ultraviolet light emit-ting diodes (UV LeDs). UV LeDs are key components that will contribute significantly to solving urgent world problems. UV radiation can be used for prevention and therapy in medicine, for purification and sterilization of water, air and surfaces, for increasing crop yields, for the selective production of important herbal ingredients, for the detection of pathogens, for monitoring the concen-tration of pollutants in the atmosphere, for the curing of plastics (for example in 3D printing and lightweight construction) and for many other applications. Fig. 1.1 shows the research fields the Consortium is active in.


Abb. 1.1: forschungs- und entwicklungsbereiche des konsortiums

Fig. 1.1: Research and development fields of the Consortium

disinfection

Production

environment & Life Sciences

Modules & Metrology

Semiconductortechnologies &

devices

Medicine

› Glass fiber coating› 2d & 3d Uv printing› Uv curing in roll-to-roll

processes› Lightweight construction› Uv Led lithography

› determination of sun protection factor› diagnostics of skin cancer &

wound infection› detection of blood redox status› UvB phototherapy

› Mounting & packaging› custom-designed

Led modules› Uv metrology› Uv spectrometry &

camera modules

› Air disinfection› Water purification› Surface decontamination› Germ detection

› dnA extraction & detection› Horticulture› Uv gas monitoring

› Aln bulk crystals & wafers› epitaxy & monitoring tools› UvB & Uvc Leds› Uv photodetector chips


entlang der kompletten Wertschöpfungskette – vom Material über Uv-Leds und Uv-Photodetektoren sowie Module und Systeme mit maßgeschneiderten eigenschaf-ten bis hin zur Anwendung – entwickelt das Konsortium Uv-Led-basierte Komponenten, Systeme und verfahren. die erstmalige, intensive Zusammenarbeit zwischen Bauelemente-entwicklern und endanwendern von Uv-Strahlung führt zu neuen, innovativen Produkten (siehe hierzu Kapitel 5 bis 8).

diese interdisziplinäre Zusammenarbeit wurde durch das BMBf-förderprogramm Zwanzig20 – Partnerschaft für innovation möglich, in dessen Wettbewerb Advanced Uv for Life im Jahr 2013 als eines von zehn Konsortien unter 59 eingereichten initialkonzepten ausgewählt wurde.

all along the value chain - from materials to UV LeDs to UV photo detectors, modules and systems with customized properties and all the way to applications – the Consortium develops UV LeD-based components, systems and processes. The first of its kind, this intensive collaboration between component developers and end users of UV radiation is leading to new, innovative products (see chapters 5 – 8).

This interdisciplinary cooperation was made possible by the BMBF Funding Program, in whose contest “Twenty20 – Partnership for Innovation” the advanced UV for Life Consortium was selected in the year 2013 as one of ten consortia from among 59 initial concepts submitted.

DaS PROgRaMM ZWaNZig20 – PArtnerSchAft für innovAtiontHE twEntY20 proGraM – partnErsHip for innoVation

In 2012, the Federal Ministry for education and Research [BMBF] started a funding program entitled Twenty20 – Partnership for Innovation, which targets national, interdisciplinary, transdisciplinary and multidisciplinary cooperation among the partners and stands for open-ness and transparency.

The Program, which is funded with up to 500 million euro, is intended to systematically develop the excellent economic and scientific competencies available in east germany for the future through national and interdiscipli-nary collaborations. The goal is to identify future topics with a high degree of social and economic relevance and to develop specific, economically sustainable solutions for them.

Twenty20 requires the project consortia to strategically network with one or more partners from West germany across all east german states and, in addition, to position themselves at the international level. In this way, the funded consortia have initiated new, open and reflexive network management processes and accelerated the setting up of new innovation structures.

Through this funding program, advanced UV for Life has up to 45 million euro in funding resources available to it through 2021. The Consortium is supported by an advisory Committee, which is staffed by BMBF-appointed experts. They advise the Consortium in regular meetings and make funding recommendations for R&D plans to the awarding authority. additional information:

www.ur-zwanzig20.de

Mit Zwanzig20 – Partnerschaft für innovation hat das Bundesministerium für Bildung und forschung 2012 ein förderprogramm gestartet, das auf überregionale, inter-, trans- und multidisziplinäre Kooperationen der Partner zielt und für offenheit und transparenz steht.

das mit bis zu 500 Millionen euro ausgestattete Programm soll die in ostdeutschland vorhandenen herausragenden wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Kompetenzen durch überregionale und interdisziplinäre Kooperationen systematisch für die Zukunft ausbauen. Ziel ist es, Zukunftsthemen mit hoher gesellschaftlicher und ökonomischer relevanz zu identifizieren sowie konkrete, wirtschaftlich tragfähige Lösungen dafür zu erarbeiten.

Zwanzig20 fordert von den Projektkonsortien, sich über alle ostdeutschen Länder hinweg mit einem oder mehreren Partnern aus Westdeutschland und darüber hinaus auch auf internationaler ebene strategisch zu vernetzen und zu positionieren. dazu haben die geförderten Konsortien neue, offene und reflexive Prozesse des netzwerkmanagements angestoßen und den Aufbau neuartiger innovationsstrukturen forciert.

Advanced Uv for Life stehen durch dieses förderpro-gramm bis 2021 bis zu 45 Millionen euro fördermittel zur verfügung. Begleitet wird das Konsortium von einem Beirat, der mit vom BMBf berufenen experten besetzt ist. dieser berät das Konsortium in regelmäßigen Sitzungen und spricht förderempfehlungen zu f&e-vorhaben an den Zuwendungsgeber aus. Weitere informationen:

der interdisziplinäre und transsektorale Ansatz von Advanced Uv for Life spiegelt sich in der organisations-struktur wider. diese lässt sich zunächst in drei Bereiche gliedern:

1) Basistechnologien, 2) Anwendungen und 3) Strategie & Management.

Zu den Basistechnologien gehören die Arbeitsfelder Halbleitertechnologien & Bauelemente sowie Module & Messtechnik. die Anwendungen umfassen die Arbeits-felder Medizin, Umwelt & Life Sciences, desinfektion und Produktion. flankiert werden diese Arbeiten durch das Querschnittsfeld Strategie & Management.

Advanced Uv for Life ist 2013 mit 23 Partnern gestartet und seither stetig gewachsen. Aktuell arbeiten 50 Partner im Konsortium zusammen. etwa 1/3 davon sind forschungseinrichtungen und Hochschulen, 2/3 sind Unternehmen, davon der größte teil KMUs. die Partner verteilen sich auf ganz deutschland, mit klarem Schwer- punkt auf den neuen Bundesländern.

orgAniSierte zUSAMMenArBeitORganIzeD COLLaBORaTIOn

The interdisciplinary approach of advanced UV for Life across sectors is reflected in the organizational structure. This can first be broken down into three areas:

1) Basic Technologies, 2) applications and 3) Strategy & Management.

Basic Technologies include the fields Semiconductor Technologies & Devices and Modules & Metrology. applications includes the fields Medicine, environment & Life Sciences, Disinfection and Production. These areas of activity are flanked by the cross-sectional field of Strategy & Management.

advanced UV for Life was started in 2013 with 23 partners and has grown steadily ever since. Currently, 50 partners work together within the Consortium. approximately 1/3 of them are research institutions and universities, while the remaining 2/3 are businesses, for the most part SMEs. The partners are distributed all across germany, with a clear emphasis on the new federal states.

tätigkeitsfelder von Advanced Uv for Life

areas of activity of advanced UV for Life


14 AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A GLAnce14 AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A GLAnce

heSSe› emerson Process Management

GmbH & co. oHG

BAvAriA› eesy-ic GmbH› Hans Karrer GmbH› oSrAM opto Semiconductors GmbH› ScHott AG

BAden-württeMBerg› Multec GmbH› tZW: dvGW – technologiezentrum Wasser

BerLin› BernHArdt Kunststoffverarbeitungs GmbH› charité – Universitätsmedizin Berlin› crystec GmbH › ferdinand-Braun-institut,

Leibniz-institut für Höchstfrequenztechnik› freie Universität Berlin› Laytec AG › Leibniz-institut für Kristallzüchtung› micro resist technology GmbH › oSA opto Light GmbH› SentecH instruments GmbH › sglux SolGel technologies GmbH› SKS Sondermaschinen- und

fördertechnikvertriebs- GmbH› technische Universität Berlin› Uvphotonics nt GmbH

BrAndenBUrg› fraunhofer iAP, forschungsbereich

Polymermaterialien und composite PYco › GefoMA GmbH Großbeeren› innoMat GmbH› Leibniz-institut für Gemüse- und

Zierpflanzenbau Großbeeren/erfurt e.v.› technische Hochschule Wildau

SAxony-AnhALt› MA&t organisationsentwicklung GmbH› Polystal composites GmbH

SAxony › die12monate – Armin Glaser & Klaus

Pietsch Gbr › freiberg instruments GmbH› freiberger compound Materials GmbH › Haase tank GmbH

MeckLenBUrg-weStern PoMerAniA› BioServ Analytik und Medizinprodukte GmbH› Hygiene nord GmbH› Silicann Systems GmbH› Universitätsmedizin Greifswald

thUringiA› Analytik Jena AG › Asclepion Laser technologies GmbH› ciS forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH› fleisch- und Wurstwaren Schmalkalden GmbH thüringen › fraunhofer ioSB, institutsteil Angewandte Systemtechnik› Gesellschaft zur förderung von Medizin-,

Bio- und Umwelttechnologien e.v. › j-fiber GmbH› JencAPS technology GmbH› Leibniz-institut für naturstoff-forschung und

infektionsbiologie e.v. – Hans-Knöll-institut› PUrion GmbH› Universitätsklinikum Jena

north rhine-weStPhALiA› courage+Khazaka electronic GmbH› Laufenberg GmbH› Xylem

verortUng der PArtner in deUtSchLAndLocaLization of tHE partnErs tHroUGHoUt GErManY


entwickLUng der PArtnerStrUktUr von AdvAnced Uv for Life eXPanDIng MeMBeRSHIP OF aDVanCeD UV FOR LIFe

in 2013 Advanced Uv for Life was startedwith 23 partners.

currently, 50 partners work together within the consortium.

Jan, 2015 Mar, 2015 Sep, 2015 Jun, 2016 Jun, 2017 feb, 2018

14

35

30

25

20

15

10

5

0

23 25

33 35

913 13 13 14 15

50Partner

35industry Members

15r&d Members

Splitting of the partners between industry and research institutions

industry Members26 eastern Germany 9 Western Germany

r&d Members14 eastern Germany 1 Western Germany

Localization of the partners

expanding industry Members and r&d Members of Advanced Uv for Life

industry Members

r&d Members

Steering Committee

Strategic Leadership

Fields of Work

Modules & Metrology

Environment & Life SciencesMedicine ProductionProduction Strategy &

Management

Semiconductor Technologies &

DevicesDisinfection

Coordination Office

Lenkungskreisder Lenkungskreis ist das oberste entscheidungsgre-mium. Hier sind alle Partner eingebunden und treffen nach einem vereinbarten Prozedere strategische entscheidungen, beispielsweise zur Struktur, zur Aufnahme neuer Partner, zu den zu beantragenden f&e-Projekten und weiteren Maßnahmen, sowie zur fortschreibung der Strategie des Konsortiums.

Strategische Leitungdie Strategische Leitung setzt sich aus dem Sprecher des Konsortiums, den Arbeitsfeldkoordinatoren, den Partnern aus dem Arbeitsfeld Strategie & Management und den Mitarbeitern der Koordinationsstelle zusammen. Hier werden der Status der Arbeiten besprochen, der arbeitsfeldübergreifende informationsaustausch koordiniert und entscheidungen für den Lenkungskreis vorbereitet.

Arbeitsfelderin den Arbeitsfeldern findet die forschungs- und entwicklungsarbeit statt. Jedes Arbeitsfeld hat hierfür eine roadmap entwickelt, die in die Gesamtstrategie des Konsortiums eingebunden ist. eine zentrale rolle spielen die Arbeitsfeldkoordinatoren. Sie sorgen für die Kommunikation innerhalb des Arbeitsfelds, zu den weiteren Arbeitsfeldern und zur Strategischen Leitung bzw. Koordinationsstelle. die fortschreibung der roadmaps innerhalb der Arbeitsfelder wird durch die Arbeitsfeldkoordinatoren organisiert.

koordinationsstelledie interne organisation und Steuerung der Kooperation, der informationsaustausch, die Öffentlichkeitsarbeit und die maßgeschneiderte Unterstützung der Partner von Advanced Uv for Life erfolgt zentral durch die Koordi-nationsstelle, die am Berliner ferdinand-Braun-institut angesiedelt ist. neben der administrativen und operati-ven Arbeit wird das Konsortium auch fachlich begleitet, um die Synergien entlang der Wertschöpfungskette optimal nutzbar zu machen.

orgAniSAtionSStrUktUr orGanizationaL strUctUrE

in Advanced Uv for Life wurden folgende organe etabliert, um die notwendigen f&e-Arbeiten des Konsortiums zu begleiten:

The following bodies were established within advanced UV for Life in order to oversee the Consortium’s necessary R&D efforts:

Steering CommitteeThe Steering Committee is the highest decision-making body. all partners are represented at this level and make strategic decisions according to an agreed procedure, for example regarding the structure, the acceptance of new partners, new R&D projects to be applied for, as well as other measures, including the continuation of the Consortium’s strategy.

Strategic DirectionThe Strategic Direction is composed of the Speaker of the Consortium, the coordinators of the fields of work, the Partners from the Strategy & Management field of work and the employees of the Coordinaton Office. Here, the status of the work projects is discussed, the exchange of information across fields of work is coordinated and decisions for the Steering Committee are prepared.

Fields of WorkThe research and development work takes place within the fields of work. each field of work has developed a roadmap for this purpose, which is included in the overall strategy of the Consortium. The coordinators of the fields of work play a central role. They look after communi-cations within the fields of work – with other fields of work and with Strategic Leadership and the Coordination Office. The updating of the roadmaps within the fields of work is organized by the coordinators of the work fields.

Coordination OfficeThe internal organization and management of the cooperation, the exchange of information, the public relations work and the customized support of the partners of advanced UV for Life is carried out centrally by the Coordination Office, which is affiliated with the Ferdinand-Braun-Institut in Berlin. Besides the adminis-trative and operational work, the Consortium is also supported scientifically, in order to make optimal use of the synergies up and down the value chain.


der BeirAt tHE aDVisorY coMMittEE

das Konsortium wird begleitet von einem Beirat, der vom Bundesministerium für Bildung und forschung berufen wurde. der Beirat berät sowohl das Konsortium wie auch den Zuwendungsgeber und spricht förder-empfehlungen für die vom Konsortium vorgeschlagenen forschungsvorhaben aus. folgende Personen sind Mitglieder des Beirats von Advanced Uv for Life:

teilnehmer der 2. Beiratssitzung von Advanced Uv for LifeParticipants in the 2nd advisory board meeting of advanced UV for Life

The Consortium is supported by an advisory committee, which is appointed by the Federal Ministry for education and Research. The advisory Committee advises both the Consortium as well as the awarding authority and makes funding recommendations for the research plans proposed by the Consortium. The following persons are members of the advisory committee of advanced UV for Life:

Prof. dr. Andreas Waag (Sprecher/Speaker))technische Universität Braunschweig, institut für halbleitertechnik

Prof. dr. Karl Joachim ebeling Universität Ulm, institut für optoelektronik

dr. robert GaßnerPreferable futures – Büro für zukunftsforschung und zielbildung

oluf Hoyerehem. Betriebsleiter wahnbachtalsperrenverband und dvgw Prüflabor für Uv-desinfektionsgeräte

Prof. dr. Jean KrutmanniUf – Leibniz-institut für umweltmedizinische forschung ggmbh

Prof. dr. reinhard Lorenz fachhochschule Münster, fachbereich chemieingenieurwesen

Prof. dr. Michael Stephan Universität Marburg, Lehrstuhl für technologie- und innovationsmanagement

falk f. StraschegextoreL gmbh

Prof. dr. robert Weigelfriedrich-Alexander Universität nürnberg-erlangen, Lehrstuhl für technische elektronik

Prof. dr. Albrecht WinnackerUniversität erlangen-nürnberg; institut für werkstoffwissenschaften


2 Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern – eigenSchAften Und AnwendUngen UV raDiation froM sEMiconDUctors – propErtiEs anD appLications

©fBH18 Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern | Uv rAdiAtion froM SeMicondUctorS

AdvAnced Uv for Life AUf einen BLick | AdvAnced Uv for Life At A GLAnce 19Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern | Uv rAdiAtion froM SeMicondUctorS 19

Spektralbereich spectral range wellenlänge wavelength [nm] Photonenenergie photon energy [ev]UvA (nahes Uv / near UV) 400 – 315 3,15 – 3,94UvB (mittleres Uv / middle UV)) 315 – 280 3,94 – 4,43Uvc (fernes [tiefes] Uv / far [deep] UV) 280 – 200 4,43 – 6,20vakuum-Uv / Vacuum UV 200 – 100 6,20 – 12,40

tab. 2.1: Unterteilung des Uv-Spektral-bereichs

Tab. 2.1: Subdivision of the UV spectral region

Abb. 2.1: Uv-Strahlung im elek-tromagnetischen Spektrum

Fig. 2.1: UV radiation within the electro-magnetic spectrum

Mit einem Prisma oder Beugungsgitter kann „weißes“ Sonnenlicht in die regenbogenfarben zerlegt werden. im Jahr 1801 wies Johann Wilhelm ritter in Jena nach, dass auch jenseits des violetten Strahlungsanteils für den Menschen unsichtbare Strahlung vorhanden ist. Zum nachweis benutzte er die Zersetzung von Silber-chlorid. damit war sofort eine wesentliche eigenschaft dieser Strahlungsart erkannt: Sie ist so energiereich, dass sie chemische Bindungen zerstören oder reakti-onspartner erzeugen und in die Lage versetzen kann, neue Bindungen einzugehen. Sie kann also sowohl schädliche als auch nützliche Wirkungen hervorrufen. diese „chemische Strahlung“ wird heute als Ultraviolett (Uv)-Strahlung bezeichnet. die commission internatio-nale de l‘Éclairage (cie) definiert als Uv den Wellen-längenbereich zwischen 400 nm (Grenze zum sichtbaren Licht) und 100 nm (Grenze zur röntgenstrahlung). vorwiegend unter photobiologischen Aspekten erfolgt noch einmal eine Aufteilung dieses ohnehin sehr schmalen Wellenlängenbereichs in verschiedene teilbereiche (tab. 2.1):

die einordnung der Uv-Strahlung in das Spektrum elektromagnetischer Strahlung ist in Abb. 2.1 gezeigt.

Using a prism or a diffraction grating, “white” sunlight can be split up into the colors of the rainbow. In Jena in the year 1801, Johann Wilhelm Ritter proved that radiation invisible to the human eye was present even beyond the violet portion of the spectrum. He used the reaction of silver chloride to prove this. and thus, an important property of this type of radiation was immedi-ately recognized: It is so energetic that it can break chemical bonds or generate reactants and enable them to create new bonds. This means, it can produce both damaging as well as beneficial effects. Today, we call this “chemical radiation” ultraviolet (UV) radiation. The Commission Internationale de l’Éclairage (CIe) defines UV as the wavelength range between 400 nm (limit of visible light) and 100 nm (limit of x-ray radiation). Mostly in terms of photobiological aspects, there is a further division of this already very narrow wavelength range into several subranges (Tab 2.1):

The position of the UV radiation within the electromag-netic radiation spectrum is shown in Fig. 2.1.

100 200 280 315 400 780 Wavelength (nm)

vacuum-Uv

Uv-c Uv-B Uv-A

visible light infraredX-rays Ultraviolet

eLectroMAgnetic SPectrUM

20 Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern | Uv rAdiAtion froM SeMicondUctorS

die natürlich auftretende Uv-Strahlung kommt von der Sonne, wobei UvA- und ein teil der UvB-Strahlung die erdoberfläche erreichen, während Uvc-Strahlung von der Atmosphäre nahezu vollständig absorbiert wird. Künstliche Uv-Strahlungsquellen gibt es hingegen für alle teilbereiche des Uv-Spektrums. die emissions-spektren von Gasentladungslampen (insbesondere Quecksilber (Hg)-dampflampen) sind sehr breitbandig (Hoch- und Mitteldrucklampen) oder schmalbandig (niederdrucklampen), festgelegt durch das jeweilige Gas. Sie sind relativ groß, heiß, emittieren in alle richtungen und erreichen erst einige Minuten nach einschalten ihren stabilen Betriebszustand.

Blaue, grüne und weiße Leuchtdioden (engl.: Light emitting diodes, oder abgekürzt: Leds) haben bereits in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens einzug gehalten. die farbe von Leds, also die Wellenlänge der von ihnen ausgesandten Strahlung, kann flexibel über die Zusammensetzung der eingesetzten Halbleiter-materialien und von Konversionsphosphoren eingestellt werden. Auch im nicht mehr sichtbaren infrarot finden sie breite Anwendung, z.B. in der Sensorik, in fern-bedienungen oder in computermäusen. Leds für das Uv befinden sich dagegen noch in den Kinderschuhen.

die Wellenlänge des emissionspeaks von Uv-Leds wird in erster Linie durch die Mischkristallzusammensetzung des Materials (Al, Ga, in)n bestimmt (Abb. 2.2).

Abb. 2.2: Bandabstand (linke ordinatenachse) und zugehörige emisionswellenlänge (rechte ordinatenachse) über der gitterkonstante im Mischkristallsystem Aln-gan-inn. einge-zeichnet sind auch die gitterkonstanten der möglichen Substratkristalle Saphir (Al2o3) und 6H-Siliciumcarbid (6H-SiC).

Fig. 2.2: Bandgap (left Y-axis) und related emission wavelength (right Y-axis) over the lattice constant in the mixed crystal system aln-gan-Inn. also shown are the lattice constants of the candidate substrate crystals sapphire (al2o3) and 6H silicon carbide (6H SiC).

naturally occurring UV radiation comes from the sun, with the UVa and a portion of the UVB radiation reaching the surface of the earth, while UVC radiation is nearly completely absorbed by the atmosphere. There are artificial UV radiation sources, however, for all subranges of the UV spectrum. The emission spectra of gas discharge lamps (especially mercury (Hg) discharge lamps) are rather broad (high and medium pressure lamps), or show narrow bands or peaks (low pressure lamps) with wavelengths characteristic of the respective gas. They are relatively large, hot, emit in all directions, and steady-state operation is reached only several minutes after switching on.

Blue, green and white light emitting diodes (LeDs) have already made their way into many parts of daily life. The color of LeDs, i.e. their wavelength, can be flexibly adjusted by means of the composition of the semicon-ductor materials and conversion phosphors used. They also find broad application in the invisible infrared, e.g. in sensors, remote controls or in computer mice. UV LeDs, however, are still in their infancy.

The wavelength of the emission peak from UV LeDs is mainly determined by the composition of the mixed crystal system (al, ga, In)n (Fig. 2.2).

lattice constant [Å]

wavelength [nm]ba

ndga

p [e

v]

da unterschiedliche chemische Bindungen unterschied-liche energien zu ihrer Aktivierung oder Spaltung benötigen, können durch Uv-Strahlung unterschied-licher energie bzw. Wellenlänge spezifische Bindungen selektiv angeregt bzw. aufgebrochen werden und somit unterschiedliche chemische oder biologische Prozesse initiiert werden. Uv-Leds mit ihrer relativ schmalbandi-gen emission bei einer einzigen Wellenlänge (Abb. 2.3) können so maßgeschneidert werden, dass sie sehr genau an den zu beeinflussenden Prozess angepasst werden.

damit eröffnen sich vollkommen neue Anwendungen, die mit konventionellen Uv-Lampen nicht zugänglich sind.

durch flächenhafte Ausleuchtung oder punktgenaue fokussierung sind solche Prozesse auch örtlich selektiv. Uv-Strahlung kann somit ein äußerst attraktives Werkzeug zur Steuerung chemischer und biologischer Prozesse sein, frei von allen chemikalien und rück-ständen, ohne Beeinflussung von Geruch, Geschmack oder pH-Wert.

Abb. 2.3: emissionsspektren von Uv-Leds mit unterschiedlicher zusammensetzung der aktiven zone

abb. 2.3: emission spectra of UV LeDs with different composition of the active region

Because different chemical bonds require different energies for activation or break, respectively, UV radiation of various energies or wavelengths can selectively excite or break specific bonds, therefore allowing various chemical or biological processes to be initiated. UV LeDs with their narrow emission peaks around a single wavelength (Fig. 2.3) can be tailor- made in such a way that their emission wavelengths can be adjusted very precisely to the process that is to be influenced. This opens up completely new applications that cannot be achieved using conven-tional UV lamps.

Using areal illumination or exact spot illumination, such processes are also locally selective. UV radiation can thus be a most attractive tool for controlling chemical and biological processes, free of all chemicals and residues, without influencing odor, taste or pH value.

Uv-StrAhLUng AUS hALBLeitern | Uv rAdiAtion froM SeMicondUctorS 21


Uv-Leds besitzen prinzipielle vorteile gegenüber gasentladungs-Uv-Strahlern:

› Über die Zusammensetzung der Halbleitermate-rialien anwendungsspezifisch einstellbare Wellen-längen der emissionspeaks

› Gesamter UvA-, UvB- und Uvc-Spektralbereich abdeckbar

› Schmalbandige emission ohne störende neben-peaks (dadurch z.B. keine unerwünschte ozonerzeugung, keine Schädigung der Haut)

› elektrisch einfach regulierbare Strahlungsinten-sität (d.h. Leistung skaliert linear mit dem Strom-fluss oder ist digital über ttL-technik steuerbar)

› erzeugung kurzer Pulse (ms bis wenige 10 ns) einfach realisierbar (damit werden z.B. neue Aus-wertealgorithmen in der Messtechnik möglich)

› Maßgeschneiderte räumliche Abstrahlcharakte-ristik der Uv-Leds möglich (z.B. punktförmige Strahlungsquellen für Sensorik-Anwendungen, flächige Arrays für z.B. Lackhärtung)

› Große freiheitsgrade beim design der Strahler-module bzw. Uv-Systeme durch kompakte Bauform der Uv-Leds und Uv-Photodetektoren

› Betrieb mit niedriger Spannung (d.h. einfacher Gerätebau und Betrieb mit Batterien oder Solarzellen leicht möglich)

› Langlebig und wartungsfrei (erwartete Lebens-dauern von vielen 10.000 h)

› Sofortige volle Betriebsbereitschaft ohne vorwärmzeit (damit kein dauerbetrieb notwendig)

› enthalten keine toxischen Materialien (u.a. keine Schwermetalle, wie Quecksilber)

› Keine Wärmestrahlung in emissionsrichtung (dadurch z.B. Behandlung wärmeempfindlicher biologischer Substanzen möglich)

› Äußerst robust, kompakt (daher z.B. kein Schutz gegen Glasbruch notwendig, mobiler einsatz möglich)

UV LEDs have fundamental advantages over gas-discharge UV emitters:

› application-specific adjustment of wavelengths of the emission peaks by means of the composition of the semiconductor materials

› Coverage of the entire UVa, UVB and UVC spectral ranges

› narrow-band emission without interference from nearby peaks (thus, e.g. no unwanted creation of ozone, no damage to the skin)

› Simple electrical regulation of radiation intensity (i.e. power scaled linearly using the mains supply or controllable digitally via TTL technology)

› short pulses (ms up to a few 10 ns) are easily realized (thus making possible new assessment algorithms in metrology, for example)

› customized spatial emission characteristics of UV LeDs is possible (e.g. point source emission sources for sensor applications, resp. areal arrays for paint curing)

› Great degree of freedom in the design of emitter modules or UV systems through compact construction of UV LeDs and UV photo detectors

› Low-voltage operation (i.e. simple device construction and operation with batteries or solar cells is easily possible)

› Long-lived and maintenance-free (expected lifespans of many 10,000 h)

› Fully operational immediately without warmup time (thus permanent operation is not necessary)

› contain no toxic materials (include no heavy metals such as mercury)

› no thermal radiation in the direction of emission (e.g., enabling the treatment of heat-sensitive biological substances)

› extremely robust and compact (e.g. no protection against glass breakage is necessary, mobile applications are possible)


der Wegfall von Strahlungs- und Wärmefiltern, zusätz-lichen Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen sowie die einsparung von Stromkosten und die lange Lebensdauer von Leds führen im Langzeitbetrieb zu deutlichen wirtschaftlichen vorteilen [crystal iS, december 2014 newsletter].

Allerdings sind Gasentladungslampen mit Hg-dampf relativ „alte“, technisch und in ihrer Herstellung ausge-reifte und daher preiswerte Produkte, während Uv-Leds noch ziemlich am Anfang ihrer entwicklung stehen und noch viel forschung und entwicklung zu den Bauele-menten selbst und zu ihrer fertigung erfordern. Je kurzwelliger die Strahlung wird, desto höher werden die wissenschaftlich-technischen Anforderungen an die Materialentwicklung und die Led-Bauelementtechno-logie. daher sind kurzwellige UvB-/Uvc-Leds den Leds, die im nahen UvA-Bereich emittieren, momentan noch in Leistung und effizienz unterlegen. Aufgrund der rapiden entwicklung, die Uv-Led-technologien derzeit erfahren, lässt sich aber schon jetzt prognostizieren, dass sich effizienz und Ausgangsleistung von Leds im gesamten Uv-Bereich signifikant erhöhen werden. Mit Sicherheit werden Uv-Leds in allen teilbereichen des Uv-Spektrums in den kommenden Jahren zuneh-mend Marktanteile auf Kosten der Quecksilber-Strahler erlangen. Sie werden diese nicht nur zunehmend substituieren, sondern aufgrund ihrer spezifischen eigenschaften vor allem auch neue Anwendungsgebiete erschließen, die vorher prinzipiell nicht zugänglich waren. dazu beizutragen ist das erklärte Ziel von Advanced Uv for Life.

The absence of emission and heat filters, supplemental protection and safety measures, and the savings in electricity costs and the long life of LeDs provide clear economic benefits in long term operation [Crystal IS, December 2014 newsletter].

However, gas-discharge lamps using Hg vapor, being relatively “old” and mature in their technology and production, are therefore inexpensive products while UV LeDs are still fairly near the beginning of their development and still require much research and development in terms of the components themselves and their manufacture. The shorter the wavelength of the radiation, the greater will be the scientific and engineering demands on materials development and LeD component technology. Therefore, as opposed to LeDs that emit in the near UV range, short-wavelength UVB/UVC LeDs are still inferior in performance and efficiency. Based on the rapid development that UV LeD technologies are currently experiencing, it can now be predicted that the efficiency and output of LeDs across the entire UV range can be significantly increased. In the coming years, UV LeDs in all subranges of the UV spectral range will certainly achieve increasing market share at the cost of mercury lamps. Due to their specific properties, they will not only increasingly substitute the latter, but most importantly will also open up new areas of application that were basically inaccessible before. Contributing to this is the declared goal of advanced UV for Life.

Abb. 2.4: Montierte Uv-Led

Fig. 2.4: Mounted UV LED© fBH/schurian.com


durch Kooperation von Bauelemente-entwicklern und Anwendern aus den verschiedensten Gebieten können innovative Geräte, Systeme und verfahren samt den dafür benötigten Bauelementen und Beleuchtungsein-heiten entwickelt werden (Abb. 2.4). der wirtschaftliche und gesamtgesellschaftliche nutzen entsteht dabei nicht nur über die Bauelemente an sich, sondern vor allem über ihre Anwendung, z. B. in medizinischer diagnostik und therapie oder in neuen Produktionsverfahren.

Abb. 2.4: Anwendungsgebiete für Uv-Leds als funktion von Mischkristallzusammen-setzung, Peakwellenlänge und geforderter Strahlungsleistung

Fig. 2.4: areas of application for UV LeDs as a function of mixed crystal composition, peak wavelength and required radiation power

With the cooperation of device developers and users from the most diverse fields, innovative devices, systems and processes, and the components and luminaires they require can be developed (Fig. 2.4). The economic and total social benefits are derived not just by means of the components themselves, but above all through their application, e.g. in medical diagnostics and therapies or in new production processes.


Uv-Led im to-gehäuseUV LeD in TO package©fBH/schurian.com


die entwicklung der kompletten technologiekette für Uv-Leds mit anwendungsspezifischer Wellenlänge, Leistung und Bauform und deren stabiler, reprodu- zierbarer Betrieb bilden die Grundlage für die weit gefächerten Anwendungen des Konsortiums Advanced Uv for Life. im Arbeitsfeld Halbleitertechnologien & Bauelemente wird eine komplette technologiekette für Leds in den Wellenlängenbändern UvB und Uvc etabliert (Abb. 3.1).

The development of the complete technology chain for UV LeDs with application-specific wavelengths, performance and chip design and its stable, reproducible operation form the basis of the wide range of applications of the advanced UV for Life Consortium. a complete technology chain (Fig. 3.1) is being established for LeDs in the UVB and UVC wavelength bands within the Semiconductor Technologies & Components field of work.

3 hALBLeitertechnoLogien & BAUeLeMente sEMiconDUctor tEcHnoLoGiEs & DEVicEs

Ain Bulk crystals©iKZ

epitaxial Growth©fBH/schurian.com

Led Processing©fBH/schurian.com

PArtner iM ArBeitSfeLd

partnErs in fiELD of work

› crystec GmbH (crystec)› ferdinand-Braun-institut, Leibniz-institut für

Höchstfrequenztechnik (fBH)› freiberger compound Materials GmbH (fcM)› Laytec AG (Laytec)› Leibniz-institut für Kristallzüchtung (iKZ)› oSrAM opto Semiconductors GmbH (oSrAM oS)› SentecH instruments GmbH (SentecH)› technische Universität Berlin,

institut für festkörperphysik (tUB)› Uvphotonics nt GmbH (Uvphotonics)

26 hALBLeitertechnoLogien & BAUeLeMente | SeMicondUctor tecHnoLoGieS & deviceS

für Leds in diesen beiden Bändern des Uv-Spektrums besteht der größte forschungs- und entwicklungsbedarf. der erste Schritt dabei ist die Herstellung kristalliner Aln-Unterlagen, überwiegend auf Saphir, mit geringer defektdichte und hoher Uv-transparenz. darauf erfolgt die Abscheidung der komplexen Led-Schichtstrukturen (Abb. 3.2) mittels Gasphasenepitaxie mit metallorgani-schen verbindungen (MovPe). durch die Legierung der Halbleiter Aluminiumnitrid (Aln), Galliumnitrid (Gan) und indiumnitrid (inn) lassen sich emissionswellenlängen im UvA (400 nm – 315 nm), UvB (315 nm – 280 nm) und Uvc (280 nm – 200 nm) erzielen (s. Abb. 2.2). neben der Zusammensetzung der unterschiedlichen AlGainn-Schichten müssen auch deren dotierungen und Schicht-dicken für jede Wellenlänge individuell optimiert werden. diese optimierung bezieht sich sowohl auf das design der Schichtstruktur als auch auf den Prozess zu ihrer Abscheidung. die nachfolgende Prozessierung zu einzelnen verbaubaren chips erfordert ebenfalls materialspezifische entwicklungen. die für blau (und darauf aufbauend weiß) emittierende Leds bereits entwickelten und etablierten fertigungsprozesse lassen sich nicht direkt auf Uv-Leds übertragen, da z.B. der hohe Anteil an Aln die elektrische Kontaktierung des Halbleiters erschwert (s. Abb. 3.2). durch die enge verzahnung der Uv-Led-chipentwicklung und der im Arbeitsfeld Module & Messtechnik entwickelten Aufbautechnik werden maßgeschneiderte Uv-Strahler für die verschiedenen Anwendungen des Konsortiums ermöglicht.

Abb. 3.2: flip-chip-aufgebaute Uv-Led: schematisch mit Schichtfolge (links) und foto (rechts)

Fig. 3.2: Flip-chip-built UV LeD: schematic with layer stack (left) and photo (right) ©fBH/schurian.com

The greatest need for research and development is for LeDs in these bands of the UV spectrum. The first step is the manufacture of crystalline aln substrates, predominantly on sapphire, with minimal defect density and high UV transparency. This is followed by the deposition of the complex LeD layer structures (Fig. 3.2) using metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPe). emission wavelengths in the UVa (400 nm to 315 nm), UVB (315 nm to 280 nm) and UVC (280 nm to 200 nm) ranges are achieved by alloying the semiconductors aluminum nitride (aln), gallium nitride (gan) and indium nitride (Inn) (cf. Fig. 2.2). Besides the composition of the different algaInn layers, their doping and layer thicknesses must be individually optimized for each wavelength. This optimization relates both to the design of the layer structure as well as to the process for their growth. The subsequent processing to individual chips ready for mounting likewise requires material-specific developments. The manufacturing processes already


Ziel der entwicklungsarbeiten ist in einem ersten Schritt die Bereitstellung von Leds für demonstratoraufbauten, mit denen die verschiedenen Anwendungen in den anderen Arbeitsfeldern des Konsortiums demonstriert und entwickelt werden können. die dabei gewonnenen erfahrungen fließen in die kontinuierliche Weiterentwick-lung der technologie in richtung höherer Leistung, aber auch längerer Bauelementlebensdauer ein. diese entwicklungen sollen die Basis legen für die fertigung von Uv-Leds am Standort deutschland.

die umfangreiche Aufgabe der Led-entwicklung bearbeiten seit dem Start des Konsortiums das fBH, die tUB sowie deren gemeinsame Ausgründung Uvphotonics arbeitsteilig. fBH, tUB und Uvphotonics bringen dabei ihre langjährige gemeinsame erfahrung bei Uv-Leds ein. durch die vorarbeiten im Konsortium konnte auch der weltweit führende Hersteller von Leds oSrAM opto Semiconductors zur Mitarbeit gewonnen werden. oSrAM opto Semiconductors bringt seit 2017 seine Kompetenz in der industriellen fertigung von Leds für den sichtbaren Bereich ein und erweitert diese auf den Uv-Bereich. Unterstützt werden die Arbeiten durch Aktivitäten zur verbesserten Kontrolle und regelung, insbesondere bei der Schichtabscheidung (Laytec), und zu Abscheide-verfahren für Aln und Alon (SentecH). das iKZ, das fBH sowie die firmen crystec und fcM arbeiten an defektarmen Substraten aus einkristallinem Aln für Uvc-Leds, insbesondere für sehr kurze Wellenlängen.

developed and established for blue (and building thereon, white) emitting LeDs cannot be directly transferred to UV LeDs since, e.g. the high aln content complicates the electrical contacting of the semiconductor (see Fig. 3.2). Custom- made UV emitters for the Consortium’s various applications are made possible by the close integration of UV LeD chip development and the mounting tech-niques developed in the Modules & Metrology field of work.

The goal of the development work is, in a first step, to provide LeDs for demonstrator units with which the various applications in the Consortium’s other field of work can be demonstrated and developed. The experiences gained from this will flow into the contin-uing development of the technology, toward higher performance and also toward longer component lifespans. These developments are to lay the foun-dation for the fabrication of UV LeDs in germany.

Since the beginning of the Consortium, the enormous task of LeD development has been jointly tackled by the FBH, the TUB and their joint spin-off, UVphotonics. FBH, TUB and UVphotonics are contributing their many years of joint experience with UV LeDs to this undertaking. Through the preliminary work within the Consortium, the worldwide leader in LeD manufacturing, OSRaM Opto Semiconductors, could also be enlisted in this collabora-tive effort. Since 2017, OSRaM Opto Semiconductors has been providing its competence in the industrial fabrication of LeDs for the visible range, and is expand-ing this to the UV range. The work is supported by activities to improve monitoring and control, especially in layer deposition (LayTec), and deposition processes for aln and alOn (SenTeCH). The IKz, the FBH and the companies CrysTec and FCM are working on low-defect substrates from monocrystalline aln for UVC LeDs, especially for very short wavelengths.



herausforderungen in der entwicklung von Uv-Leds

im Konsortium werden Uv-Leds im Wellenlängenbe-reich zwischen 340 nm und 220 nm entwickelt mit einem Schwerpunkt bei den für viele Anwendungen wichtigen Wellenlängen 310 nm, 280 nm und 265 nm. die Herstellung erfolgt entlang einer Prozesskette und beinhaltet eine reihe von Schritten: design der Led-Heterostruktur und des chiplayouts, Wachstum der Substrate und Basisschichten, epitaxie der Halblei-terheterostruktur, Prozessierung von Led-Bauelementen auf Wafer-ebene und schließlich die vereinzelung der Wafer in Led-chips und deren Montage in Gehäusen (Abb. 3.1).

für alle Schritte ist es wichtig, die elektrische Leistung möglichst effizient in optische Lichtleistung umzuwan-deln, wobei die dafür entwickelten Herstellungsprozesse möglichst direkt in die industrielle Produktion übertragbar sein sollten. Als wichtige Kenngröße für die Anwendung ist insbesondere der Gesamtwirkungsgrad (englisch: wallplug efficiency, oder abgekürzt: WPe) relevant. der Gesamtwirkungsgrad WPe ergibt sich aus dem verhältnis der optischen Ausgangsleistung Pout und der elektrisch zugeführten Leistung, d.h. dem Produkt aus Strom i und Spannung v.

die WPe wird durch das design der Uv-Leds und die Materialeigenschaften bestimmt und wird im Wesentlichen durch vier Prozesse geprägt:

Kontakt- und Schichtwiderstände bestimmen die elektrische effizienz.

die injektionseffizienz gibt an, welcher Anteil der Ladungsträger die lichterzeugenden Schichten erreicht.dort steht die erzeugung von Licht durch strahlende rekombination in Konkurrenz zu Prozessen, die nur Wärme, aber kein Licht erzeugen. das verhältnis ist die strahlende rekombinationseffizienz.

Anschließend muss das Licht aus der Led ausgekoppelt werden (extraktionseffizienz), was durch reflexion an den oberflächen behindert wird.

Challenges in the Development of UV LEDs

UV LeDs will be developed within the Consortium in the wavelength range between 340 nm and 220 nm, with an emphasis on the wavelengths 310 nm, 280 nm and 265 nm, which are important for many applications. The manufacturing takes place in a process chain and contains a series of steps: Design of the LeD hetero-structure and chip layout, growth of the substrate and base layers, epitaxy of the semiconductor heterostruc-ture, processing of LeD components at the wafer level, and finally the dicing of the wafers into LeD chips and their assembly into housings (Fig. 3.1).

In all of these steps it is important that the electrical power be transformed into optical light output power as efficiently as possible, whereby the manufacturing processes developed for this purpose should be trans- ferrable to industrial production as directly as possible. The wall-plug efficiency (abbreviated: WPe), or radiant efficiency, is particularly relevant as an important parameter for this application. The WPe is given by the ratio of the total optical output power Pout to the input electrical power, i.e. the product of current I and voltage V.

The WPe is determined by the design of the UV LeDs and their material properties, and is largely determined by four processes:

Contact and layer resistances determine the electrical efficiency.

The injection efficiency indicates the proportion of charge carriers reaching the light-producing layers. There, the generation of light through radiative recombination is in competition with processes that produce only heat, but not light. The ratio is the radiative recombination efficiency.

next, the light must escape from the LeD (extraction efficiency), which is hindered by reflection on the surfaces.

The product of the injection, recombination and extraction efficiencies is the external quantum efficiency (eQe).

Blue Leds[1] Uvc Leds[2]

ηrad 96 % 50 %ηinj 98 % 80 %ηextraction 89 % 16 %ηelectrical 95 % 64 %ηeQe 84 % 6.4 %[3]

WPe 81 % 4.1 %[3]

tab. 3.1: vergleich der gesamteffizienz (wPe) bzw. externen Quanteneffizienz (eQe) von blau emittierenden Leds und Uvc-Leds

Table 3.1: Comparison of the wall plug efficiency (WPe) or external quantum efficiency (eQe) of blue-emitting LeDs and UVC LeDs

[1] Y. narukawa et al., J. Phys. d: Appl. Phys. 43, 354002 (2010)[2] L. choi, SPie PW, Gallium nitride Materials and devices Xii (2017)[3] LG innotek, press release (nov. 27, 2017)


das Produkt aus injektions-, rekombinations- und extraktionseffizienz ist die externe Quantenausbeute (eQe).

in tabelle 3.1 sind die effizienzen von typischen blau emittierenden Leds und Uvc-Leds gegenübergestellt. Während blau emittierende Leds inzwischen eine sehr hohe WPe von 81 % erreichen, haben Leds mit emission im tiefen UvB und Uvc deutlich niedrigere WPe von unter fünf Prozent. Wie der vergleich in der tabelle zeigt, ist dieser deutliche Unterschied in der WPe nicht einer Ursache allein zuzuschreiben. die entwicklung effizienterer und leistungsstärkerer Uv-Leds erfordert vielmehr verbesserungen in allen Bereichen.

Abb. 3.3 zeigt den Aufbau einer typischen Uv-Led- Heterostruktur mit den jeweiligen Herausforderungen an das design und die Herstellung. die einzelnen Schichten der Led-Heterostruktur werden dabei mittels MovPe auf Saphir- oder Aln-Substrat abgeschieden. die Abscheidung erfolgt mit atomarer Präzision, d.h. Atomlage für Atomlage wird kontrolliert abgeschieden. die Uv-Leds bestehen aus vielen hundert Halbleiter-schichten, deren Zusammensetzung und dotierung entsprechend der jeweiligen funktionalität präzise eingestellt werden müssen; und dies auch homogen über einen 2-Zoll-, 3-Zoll- oder 4-Zoll-Wafer. die emissionswellenlänge der Leds wird dabei durch Zusammensetzung und dicke der Quantenfilme (englisch: multiple quantum wells, oder abgekürzt: MQW), in denen das Uv-Licht erzeugt wird, bestimmt. diese Quantenfilme sind in den meisten fällen nur 1-2 nm dick, was etwa 4 bis 8 Atomlagen entspricht.

The efficiencies of typical blue-emitting LeDs and UVC LeDs are compared in Table 3.1. While blue-emitting LeDs can now achieve a very high WPe of 81 %, LeDs with emissions in the deep UVB and UVC have a significantly lower WPe of less than five percent. as shown by the comparison in the table, this stark difference in WPe cannot be ascribed to one single cause. Instead, the development of more efficient and more powerful UV LeDs requires improvements in all areas.

Fig. 3.3 shows a typical UV LeD heterostructure with the respective design and manu-facturing challenges. The individual layers of the LeD heterostructure are deposited on sapphire or aln substrates using MOVPe. The deposition takes place with atomic precision, i.e. deposition is controlled and takes place atom layer by atom layer. The UV LeDs are composed of many hundred semiconductor layers, whose composition and doping must be precisely adjusted according to the respective functionality; and this homogeneously over a 2 inch, 3 inch or 4 inch wafer, as well. The emission wavelength of the LeD is determined by the composition and thickness of the multiple quantum wells (abbreviated MQW), in which the UV light is generated. These MQWs are, in most cases, only 1 to 2 nanometers thick, which corresponds to 4 to 8 atom layers.

Abb. 3.3: Aufbau einer typischen Uv-Led-heterostruktur mit den herausforderungen an das design und die herstellung sowie dem einfluss auf die verschiedenen teileffizienzen (rechts)

Fig. 3.3: Structure of a typical UV-LeD heterostructure with the respective design and manufacturing challenges, as well as the influence of the various sub-efficiencies (right)

Ohmic & UV-reflective p-contacts (V, ηextraction)

Low resist., UV-transparent p-layers (V, ƞextraction)Efficient carrier injection (ƞinjection)

Hight efficiency (ηrad), carrier confinement (ƞinjection),and polarization control (ƞextraction)

Efficient current spreading, n-contacts (V, ƞinjection)

Strain management (ηrad)

Low defect densities (ηrad)

UV transparency & light extraction (ƞextraction)

Heat extraction, high-power (Pout)

p-Gan capp-AiGan SPSL

p-AiGan eBL

(in)AiGan MQWs

n-AiGanAixGa1-xn transition

Ain base

substrate


Abbildung 3.4 zeigt eine Serie von emissionsspektren verschiedener Uv-Leds, die im Bereich zwischen 380 nm bis 230 nm emittieren. die emissionswellenlän-ge wird, wie oben beschrieben, durch die Quantenfilme aus AlGan, inAlGan oder inGan vorgegeben, wobei eine glockenförmige verteilung der intensität mit einer Halbwertsbreite von 10 nm typisch ist. Weitere Schichten sind notwendig, um die Ladungsträger effektiv zur strahlenden rekombination in die Quantenfilme zu transportieren und sie dort einzuschließen. Wichtig zur verbesserung der effizienz sind z.B. sogenannte elektronenblockierschichten (englisch: electron blocking layers, eBL) zur Steigerung des Ladungsträgerein-schlusses innerhalb der Quantenfilme sowie die mit Silizium bzw. Magnesium dotierten Schichten, mit denen die Ladungsträger von den elektrischen Kontakten in den Halbeiter hinein zu den lichtemittierenden Schichten transportiert werden.

neben dem design und Wachstum der Halbleiterschich-ten haben auch die weiteren Prozesse zur Herstellung der Led-chips großen einfluss auf die Gesamteffizienz und Stabilität der Uv-Leds. Aufbauend auf systemati-schen Untersuchungen der vorbehandlung der Halblei-teroberfläche des Metallschichtsystems und der Legie-rung der Kontakte durch thermische Behandlung kann der Kontaktwiderstand und damit die Betriebsspannung der Uv-Leds deutlich gesenkt werden. Hohe effizienz ist aber nur möglich bei geringer defektdichte in den Halbleiterschichten. diese wird wesentlich durch die Aln-Unterlage bestimmt. die Arbeiten zu verringerung der defektdichten werden daher im folgenden Abschnitt detailliert erläutert.

Figure 3.4 shows a series of emission spectra of different UV LeDs, which emit in the range from 380 nm to 230 nm. The emission wavelength is, as described above, predefined by the multiple quantum wells made of algan, Inalgan or Ingan, whereby a bell-curve distribution of the intensity with a full width at half maximum of 10 nm is typical. additional layers are necessary to effectively transport the charge carriers for radiative recombination into the multiple quantum wells and confine them there. So-called electron blocking layers (eBL) for increasing the confinement of charge carriers within the multiple quantum wells are important for improving efficiency, as are the layers doped with silicon or magnesium, through which the charge carriers are transported from the electrical contacts into the semiconductor to reach the layers where the light is generated.

apart from the design and growth of the semiconductor layers, the other processes for manufacturing the LeD chips also have a great deal of influence on the overall efficiency and stability of the UV LeDs. Based on systematic investigations into the pretreatment of the semiconductor surface of the metal layer system and the alloying of the contacts by means of thermal treatment, the contact resistance and thus the operating voltage of the UV LeDs can be significantly decreased. a high degree of efficiency is only possible, however, with reduced defect density in the semiconductor layers. This is largely determined by the aln substrate. The work to reduce the defect density will be detailed in the following section.

Abb. 3.4: in der intensität normierte emissionsspektren verschiedener Uv-Leds mit Quantenfilmen aus Algan, inAlgan oder ingan, die im Bereich zwischen 380 nm bis 230 nm emittieren.

Fig. 3.4: emission spectra of different UV LeDs with multiple quantum wells of algan, Inalgan or Ingan, which emit in the range from 380 nm to 230 nm, normalized with respect to intensity


defektarme Substrate für Uvc-Leds

die Halbleiterschichtstruktur von Uv-Leds benötigt ein sogenanntes Substrat als mechanische und strukturelle Basis. diese Wachstumsunterlage hat bereits einen entscheidenden einfluss auf die effizienz und damit auf die Strahlungsausbeute von Uv-Leds. im Konsortium wird daher sowohl an kosteneffizienten verfahren zur Herstellung von defektarmen Aluminiumnitrid (Aln)-Schichten auf Saphirsubstraten (Aln-templates) als auch an der entwicklung hochwertiger Aln-Substrate geforscht. Ziel ist es, für die spätere fertigung die jeweils unter den Aspekten Kosten und Bauelement-charakteristik optimalen Wachstumsunterlagen für Uv-Leds bereitzustellen.

Leds senden Strahlung aus, wenn elektronen und Löcher in den elektrisch aktiven Schichten strahlend rekombinieren, d.h. wenn elektrische Leistung in Licht umgewandelt wird. Baufehler in der Kristallstruktur in diesen Schichten, wie z.B. versetzungen, führen zu nichtstrahlender rekombination und somit zu einer geringeren effizienz des Bauelements. Solche Baufehler entstehen, wenn die atomare Anordnung in der Wachs-tumsunterlage nicht exakt derjenigen in den aktiven Schichten entspricht (fehlanpassung). Außerdem setzen sich Baufehler aus dem Substrat in den Schichten fort. es ist nicht möglich, Baufehler komplett zu vermeiden; wie so oft bestimmen auch hier Kosten und verfügbarkeit geeigneter Substrate darüber, für welche Anwendungs-felder sie eingesetzt werden. im Konsortium Advanced Uv for Life werden deshalb mehrere Ansätze gleichzeitig verfolgt.

Wie in Abb. 3.3 gezeigt, bestehen bei Uv-Leds die aktiven Schichten aus der verbindung indium-Alumini-um-Gallium-nitrid (inAlGan). Weil die einzelnen aktiven Schichten in der Zusammensetzung variieren, hat es sich bewährt, als Wachstumsunterlage nur Aluminiumnitrid (Aln) zu verwenden. ein bekannter und gut beherrschter Ansatz ist die Abscheidung von Aln-Schichten mittels metallorganischer Gasphasen-epitaxie (MovPe) auf einkristallinen, kostengünstigen Saphirsubstraten bei temperaturen unterhalb von ca. 1200°c. da Saphir eine andere Kristallstruktur und andere Atomabstände als Aln besitzt, entstehen hierbei sehr viele versetzungen, die dann teilweise in die aktiven Schichten übergehen. Uv-Leds reagieren erheblich empfindlicher auf diese versetzungen als die in sehr großen Stückzahlen auf diese Weise hergestellten blau und weiß emittierenden Leds. daher muss die Zahl der versetzungen auch in den Aln-Schichten um mehrere Größenordnungen verringert werden. dies kann durch eine optimierung der Aln-Abscheidebedingungen und durch eine gezielte Strukturierung der oberfläche der Saphir-Kristallscheibe erfolgen. derartige Aln-templates bilden derzeit die Grundlage für die entwicklung und Bereitstellung von Uv-Leds im Konsortium durch die Partner fBH, tUB und oSrAM opto Semiconductors.

Low-Defect Substrates for UVC LEDs

The semiconductor layer structure of UV LeDs requires a so-called substrate as a mechanical and structural basis for their preparation. This substrate already has a decisive influence on the efficiency and thus on the emission power of UV LeDs. Therefore, research within the Consortium is focused both on cost-efficient production methods for aluminum nitride (aln) layers with low defect density on sapphire substrates (aln templates) as well as on the development of high-quality aln bulk substrates. The goal is to make the optimum substrates for UV LeDs available for later manufacturing, under the aspects of costs and device characteristics, respectively.

LeDs emit radiation when electrons and holes in the electrically active layers radiatively recombine, i.e. when electrical power is transformed into light. Structural defects in the crystal structure within these layers, such as dislocations, lead to non-radiative recombination and thus to diminished efficiency of the device. Such structural defects arise when the atomic arrangement in the substrate does not exactly correspond to that in the active layers (lattice mismatch). In addition to that, structural defects in the substrate propagate into the layers. It is impossible to completely avoid structural defects; as is so often the case, costs and availability of suitable substrates determine the fields of application in which they will be used. For this reason, several approaches are simultaneously pursued within the advanced UV for Life Consortium.

as shown in Fig. 3.3, in UV LeDs the active layers are made of the compound indium aluminum gallium nitride (Inalgan). Since the individual active layers in the structure vary in their composition, it has proven useful to use just aluminum nitride (aln) as the growth substrate. a known and well mastered approach is the deposition of aln layers using metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPe) on monocrystalline, cost-effective sapphire substrates at temperatures below approximately 1200°C. Since sapphire has a different crystal structure and different inter-atomic distances than aln, many dislocations are generated, which sometimes penetrate into the active layer. UV LeDs react significantly more sensitively to these dislocations than the blue and white emitting LeDs produced in mass quantities. Therefore, the number of dislocations in the aln layers must also be reduced by several orders of magnitude. This can be accomplished through optimization of the aln deposition conditions and through patterning of the surface of the sapphire crystal wafer. Such aln templates currently form the basis of the development and availability of UV LeDs within the Consortium, from the partners FBH, TUB and OSRaM Opto Semiconductors.


Andere Möglichkeiten, um die versetzungsdichte noch weiter zu verringern, werden ebenfalls im Konsortium erforscht, unter anderem eine thermische nachbe-handlung der Schichten bei hohen temperaturen (ca. 1700 °c). im erfolgsfall ließe sich dieser Prozess sogar auf Schichten anwenden, die mit dem kostengünstigen verfahren des Sputterns hergestellt werden. Auch soll die Strukturierung der Saphir-Kristallscheibe zugleich für eine verminderung der Strahlungsreflexion an dieser Grenzfläche und damit eine erhöhte Strahlungsausbeute genutzt werden. die Übertragung dieses bei blau emittierenden Leds bereits erfolgreich angewandten Ansatzes auf Uv-Leds erfordert aber erheblich kleinere Strukturen (< 1 µm) und eine spezifische form der Strukturen, um darauf weiterhin Aln-Schichten hoher kristalliner Qualität herstellen zu können. Solche Strukturen sind kommerziell bisher nicht erhältlich und werden daher von den Partnern entwickelt.

eine nochmals um Größenordnungen geringere verset-zungsdichte lässt sich erzielen, indem die AlGan-Schich-ten auf Aln-Scheiben aufgebracht werden, die direkt aus einem Aln-volumenkristall geschnitten wurden. die Herstellung solcher Aln-vokumenkristalle ist ebenfalls eine technologische Herausforderung, die im Konsortium untersucht wird. Bei über 2000 °c aus der Gasphase abgeschiedene Kristalle besitzen die höchste strukturelle Qualität, was insbesondere für sehr kurze emissions-wellenlängen (230 – 265 nm) extrem wichtig ist. in Abb. 3.6 ist ein derartig hergestellter Aln-Kristall gezeigt. durch die hohen temperaturen ist d ie Kontrolle des Kristallwachstums jedoch schwierig. reproduzierbarkeit, Ausbeute und Kristalldurchmesser sind derzeit noch nicht zufriedenstellend. die geringe Absorption von Aln gerade im für die desinfektion wichtigen Wellenlängen-bereich um 265 nm stellt jedoch einen bedeutenden fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der technik dar und wird durch die Kontrolle des einbaus von fremdatomen und Punktdefekten erreicht. im Konsorti-um erfolgt die entwicklung einer industrietauglichen Herstellungstechnologie für Aln-volumenkristalle durch den Partner iKZ. die Partner fcM und crystec befas-sen sich mit dem Sägen und Polieren der Aln-Kristalle,

Abb. 3.5: Querschnitts-elektronenmikros-kopaufnahme einer Aln-Schicht auf einer strukturierten Saphir-kristallscheibe

Fig. 3.5: Cross-sectional electron micrograph of an aln layer on a patterned sapphire crystal wafer

Other possibilities of reducing the dislocation density still further are also being researched within the Consortium including, among others, a subsequent thermal treatment of the layers at high temperatures (approx. 1700 °C). If successful, it will even be possible to apply this process to layers produced using the cost-effective sputtering process. The patterning of the sapphire crystal wafer can also reduce the reflection of the emitted light on this interface and allowing for increased emission yield. The transfer of this approach, already successfully applied to blue-emitting LeDs, to UV LeDs, nevertheless, requires significantly smaller structures (< 1 µm) and a specific shape of the structures in order to yield aln layers of high crystal quality. So far, such structures are not commer-cially available and will therefore be developed by the partners.

an even lower dislocation density, again by orders of magnitude, can be achieved by depositing the algan layers onto aln wafers that were cut directly from an aln bulk crystal. The production of such aln bulk crystals is likewise a technical challenge that is being investigated within the Consortium. Crystals deposited at over 2000 °C from the vapor phase have the highest structural quality, what is extremely important for very short emission


also dem orientierungsgenauen trennen in dünne Substratscheiben sowie der Herstellung einer sauberen und atomar glatten oberfläche, die für die nachfolgende epitaxie geeignet ist.

dazu wird auch beim Partner fBH eine weitere technik als potentielle Alternative untersucht, um internationale entwicklungslinien zu verfolgen. Mit der Hydrid-Gaspha-senabscheidung können dicke Aln-Schichten bei 1400 °c kosteneffizient hergestellt werden. es ist anschließend möglich, diese Schichten von der Wachstumsunterlage zu trennen, so dass freistehende Aln-Substrate entstehen. diese technologie könnte einen Kompromiss zwischen der Kosteneffizienz der Aln-templates und der struktu-rellen Qualität der Aln-Kristalle darstellen, steht jedoch erst am Anfang ihrer entwicklung.

Steigerung der Leistung und effizienz von UvB- und Uvc-Leds

die verfügbare optische Leistung konnte durch die Anstrengungen der beteiligten Partner kontinuierlich gesteigert werden. Ansätze wie größere chips, verbes-serte elektrische Kontakte und stabile Bauelementpro-zesse mit hoher Ausbeute werden sowohl für UvB- wie für Uvc-Leds genutzt. die optimierung der Halbleiter-schichtstruktur muss für jeden Wellenlängenbereich einzeln erfolgen. im UvB bei ca. 310 nm konnten optische Leistungen von 30 mW mit einem chip erzeugt werden.

für die meisten Anwendungen ist die entwicklung von UvB- und Uvc-Leds mit hohen optischen Leistungen und hohen Gesamtwirkungsgraden essentiell. dies sind auch zentrale Ziele der forschungsarbeiten im Konsorti-um Advanced Uv for Life. Wie in den vorhergehenden Abschnitten ausgeführt, lässt sich dieses Ziel allerdings nur erreichen, indem alle teileffizienzen in den Uv-Leds weiter verbessert werden.

abb. 3.6: alN-Substrate werden aus solchen kristallen präpariert

Fig. 3.6: aln substrates are prepared from crystals like this©Leibniz-institut für Kristallzüchtung im forschungs-verbund Berlin e.v./fotograf: carsten Hartmann

wavelengths (230 – 265 nm). an aln crystal prepared by this method is shown in Fig. 3.6. Due to the high temperatures, control of the crystal growth is difficult. Reproducibility, yield and crystal diameter are not yet satisfactory at this time. On the other hand, the low optical absorption in the wavelength range around 265 nm, which is critical for disinfection, represents an important advance over the prior state of the art and is achieved by precise control of the incorporation of impurity atoms and point defects. Within the Consortium, the partner IKz is developing an industry-compatible growth technology for aln bulk crystals. The partners FCM and CrysTec care about the machining of the aln crystals, i.e. the precisely oriented separation into thin substrate wafers and the preparation of a clean and atomically smooth surface that is suitable for subse-quent epitaxy.

Moreover, an additional technology is being investigated at the partner FBH as a potential alternative, following international lines of development. Using hydride gas phase deposition, thick aln layers can be cost-effectively prepared at 1400 °C. after that, these layers can be separated from the substrate, resulting in freestanding aln substrates. This technology could represent a compromise between the cost efficiency of the aln template and the structural quality of the aln crystals, although it is still in early stages of development.

Increasing the Output Power and Efficiency of UVB and UVC LEDs

The available optical output power has been continuously increased through the efforts of the participating partners. approaches such as larger chips, improved electrical contacts and stable device processes with high yields are used for both UVB as well as for UVC LeDs. The optimization of the semiconductor structure must be carried out individually for each wavelength range. In the UVB at approx. 310 nm, an optical power of 30 mW could be achieved from one chip.


neben der Qualität des templates in form eines Aln- oder Aln/Saphir-Wafers bestimmt die darauf abgeschie-dene epitaktische Led-Schichtstruktur in ihrem design und in ihren Herstellungsbedingungen maßgeblich die Güte des Bauelements. Studien zum Heterostruktur-design zeigen, dass insbesondere die eBL eines der wichtigsten Strukturelemente der Uv-Led darstellt. die eBL sorgt dafür, dass die Ladungsträger effizient in die Uv-Licht erzeugenden Quantenfilme injiziert werden und von dort auch nicht mehr in andere Schichten heraus-strömen können. damit dies funktioniert, müssen die dicke der eBL, ihr Zusammensetzungsprofil und ihre dotierung präzise eingestellt werden. designstudien der eBL ergaben, dass graduelle anstelle abrupter Zusam-mensetzungsprofile zu höherer effizienz und Lichtleis-tung von UvB-Leds führen. Leider geht eine solche Leistungssteigerung nicht immer mit einer längeren Lebensdauer des Bauelements einher. Zum Beispiel nimmt die effizienz von UvB-Leds zwar zu, wenn man die eBL höher mit Magnesium dotiert, gleichzeitig verringert sich aber die Uv-Led-Lebensdauer im Betrieb. folglich muss zwischen effizienz und Lebensdauer sorgfältig abgewogen werden.

For most applications, the development of UVB and UVC LeDs with high optical output power and high wall-plug efficiencies is essential. These are also central goals of the research work within the advanced UV for Life Consortium. as mentioned before, however, this goal can only be achieved by further improving all sub-efficiencies in the UV LeDs. In addition to the quality of the template in the form of an aln or aln/sapphire wafer, the LeD-layer structure epitaxially deposited thereon essentially determines the quality of the device through its design and its growth conditions. Studies on heterostructure design show that the eBL represents one of the most important structural elements of the UV LeD. The eBL is responsible for efficiently injecting the charge carriers into the UV light-producing multiple quantum wells and also ensuring that they cannot escape from there into other layers. In order for this to function, the thickness of the eBL, its compositional and doping profiles must be precisely adjusted. Design studies of the eBL revealed that gradual, instead of abrupt composi-tional profiles lead to greater efficiencies and light output from UVB LeDs. Unfortunately, such output increases are not always accompanied by a longer lifetime of the devices. For example, while the efficiency of UVB LeDs does, in fact, increase when the eBL is more highly doped with magnesium, the operational lifespan of the UV LeD decreases at the same time. as a result, a balance must be carefully struck between efficiency and lifetime.

abb. 3.7: Kennlinien der Spannung und der optischen Leistung über dem Betriebsstrom eines 1mm x 1mm großen UvB-Led-chips in einem hermetischen keramikgehäuse

Fig. 3.7: Characteristics of voltage and optical output versus current of a 1mm x 1mm UVB LeD chip in a hermetically sealed ceramic package


abb. 3.8: ausbeute (links) (grün: ok, pink: Leckstrom, rot: kurzschluss) und emissionswellenlänge (rechts) von UvB-Led-wafern von zwei zoll durchmesser als wafermap. jeder Pixel der Maps entspricht einer der ca. zweitausend UvB-Led-chips auf dem wafer.

Fig. 3.8: Yield (left) (green: ok, pink: leakage current, red: short circuit -) and emission wavelengths (right) of UVB LeD wafers with two-inch diameter as a wafer map. every pixel on the map corres-ponds to one of the approximately two thousand UVB LeD chips on the wafer.

One further approach to increase the light output of UV LeDs is to operate them at higher currents. In this case it is critical to efficiently extract the accompanying higher waste heat if both efficiency and lifetime are not to be diminished due to strong self-heating of the UV LeD. Within the Consortium, work is being intensified on UV LeD chips that have a large 1mm x 1mm footprint, and which thereby allow the current density in the semicon-ductor to be kept low, despite the high operating current. To the same end, assembly of the chips is being done by soldering onto ceramic carriers made of aln, whose high thermal conductivity means less thermal resistance. UVB LeDs of this type, operated at a current of 350 ma, deliver an average optical output of over 30 mW. With additional hermetic sealing, which allows the use of the UVB LeD even under adverse external conditions, more than 20 mW can still be achieved (Fig. 3.7). With this performance data, the components developed within the Consortium come close to the leading commercial providers of UV LeDs. Moreover, the manufacturing chain is becoming ever more reliable. nominally identical UV LeDs are becoming increasingly less diverse in terms of their operating parameters, such as wavelength and efficiency, and the functional yield is also sufficiently high (Fig. 3.8).

ein weiterer Ansatz, um die Lichtleistung von Uv-Leds zu erhöhen, ist, diese bei höheren Strömen zu betreiben. dabei ist es kritisch, die damit einhergehende hohe verlustwärme effizient abzuführen, sollen nicht effizienz und Lebensdauer infolge einer starken eigenerwärmung der Uv-Led abnehmen. im Konsortium wird verstärkt an Uv-Led-chips gearbeitet, die mit 1mm x 1mm eine große Grundfläche besitzen und es auf diese Weise erlauben, die Stromdichte im Halbleiter trotz hoher Betriebsströme klein zu halten. Gleichzeitig erfolgt die Montage der chips mittels Hartlot auf Keramikträger aus Aln, deren hohe thermische Leitfähigkeit geringe thermische Widerstände ermöglicht. UvB-Leds dieser Bauform, betrieben bei einem Strom von 350 mA, liefern mittlerweile optische Leistungen von über 30 mW. Bei zusätzlicher hermetischer verkappung, die den einsatz der UvB-Led auch unter widrigen äußeren Bedingungen erlaubt, können immer noch über 20 mW erreicht werden (Abb. 3.7). Mit diesen Performancedaten kommen die im rahmen des Konsortiums entwickelten Bauelemente nahe an die führender Anbieter kommerzieller Uv-Leds heran. Mehr noch, auch die Herstellungskette wird immer verlässlicher. nominell baugleiche Uv-Leds streuen zunehmend weniger in ihren Betriebseigenschaften, wie Wellenlänge und effizienz, und auch die funktionsaus-beute ist ausreichend hoch (Abb. 3.8).

zuverlässigkeit von Uv-Leds

Alle Arbeitsfelder im Konsortium Advanced Uv for Life benötigen Uv-Leds, die nicht nur effizient, sondern auch zuverlässig funktionieren. Genauer gesagt, sollen sich der Widerstand, die optische Leistung, das emissions-spektrum und die räumliche Abstrahlcharakteristik während des Betriebs möglichst wenig ändern. Uv-Leds bestehen zumeist aus einem Uv-Led-chip nebst einer Schutzdiode in einem Gehäuse, welches verkappt bzw. vergossen wird (Abb. 3.9). damit man von einem zuverlässigen Bauelement sprechen kann, müssen alle genannten Komponenten ausreichend stabil sein. das design der Led, aber auch die Betriebs- und Umge-bungsbedingungen sind dafür entscheidend. Zumeist beobachtet man, dass die optische Leistung über Zeit- räume von einigen zehn bis tausenden Betriebsstunden stetig abnimmt (Abb. 3.10). oft ändert sich auch die Betriebsspannung. Zu verstehen, welche physikalischen degradationsmechanismen in der Uv-Led für solche Änderungen verantwortlich sind, und auf diese Weise langzeitstabile Bauelemente zu entwickeln, ist das zentrale Anliegen der forschungsaktivitäten. die Stabilitätsanforderungen an die Uv-Leds werden dazu mit allen Konsortialpartnern abgestimmt.

Reliability of UV LEDs

all of the fields of work within the advanced UV for Life Consortium require UV LeDs that not only function efficiently, but also reliably. Stated more precisely, the resistance, optical output, emission spectrum and the spatial radiation pattern should change as little as possible during operation. UV LeDs mostly consist of a UV LeD chip together with a protection diode inside a housing that is capped or coated by a polymer (Fig. 3.9). In order to be able to speak of a reliable device, all of the named components must be sufficiently stable. In this respect, the design of the LeD, but also the operating and surrounding conditions, are vital. One generally sees the optical performance steadily decreasing over a period of a few tens to thousands of operating hours (Fig. 3.10). The operating voltage also frequently changes. The central aim of the research activities is to understand which physical degradation mechanisms in the UV LeD are responsible for such changes, and in this way to develop components with long-term stability. In this regard, the stability requirements for the UV LeDs are coordinated with all Consortium partners.


abb. 3.9: UVB-LeD bestehend aus einem Led-chip mit der grundfläche 1mm x 1mm und zwei eSd-Schutzdioden in einem hermetischen keramikgehäuse mit Quarz-glasdeckel

Fig. 3.9: UVB LeD consisting of an LeD chip with a footprint of 1mm x 1mm and two eSD protection diodes in a hermetically sealed ceramic package with quartz lid©fBH/schurian.com

abb. 3.10: Änderung der relativen opti-schen Leistung von UvB-Leds betrieben bei 20 °C und 100 ma. Die Daten erlauben die abschätzung einer L50-Lebensdauer von 8.000 Stunden.

Fig. 3.10: evolution of the optical power of UV-B LeDs operated at 20°C and 100 ma. The data allows to estimate a L50 lifetime of 8,000 hours.


Abb. 3.11: Photostromspektren einer Uvc-Led, betrieben als Photodiode vor und nach Stress für 250 Stunden bei 20 °c und 100 ma. Die spektrale Position der Änderungen lässt Rückschlüsse zu, welche Schichten der halbleiterstruktur degradieren (eBL: electron Blocking Layer, Qw: Quantum well, QB: Quantum Barrier).

Fig. 3.11: Photocurrent spectra of a UVC LeD operated as a photodiode before and after stress for 250 hours at 20°C and 100 ma. The spectral positions of the changes allow to conclude which layers in the semiconduc-tor heterostructure degrade (eBL: electron Blocking Layer, QW: Quantum Well, QB: Quantum Barrier).

für die Untersuchungen wird typischerweise eine statistisch relevante Anzahl nominell baugleicher Uv-Leds z.B. über verschiedene Ströme, temperaturen oder Schaltzyklen gestresst. Wie schnell die Uv-Leds degradieren, hängt nach aktuellen Befunden maßgeblich von der dotierung der p-Seite der Halbleiterdiode und von dem im Uv-Led-chip verwendeten isolatormaterial ab. offensichtlich ändert sich im Betrieb der Ladungszu-stand atomarer Störstellen im Halbleiterkristall, insbeson-dere der von Magnesium oder Wasserstoff. Weiterhin elektromigrieren diese Störstellen. Als folge ändern sich die Ladungsverteilung, der Stromtransport sowie die rekombination von Ladungsträgern in der Halbleiter-schichtstruktur. Zum Beispiel werden weniger Ladungs-träger in die lichtemittierende Zone der Halbleiterschicht-struktur injiziert und anstatt Uv-Licht wird verstärkt Wärme erzeugt. Um solche Prozesse aufklären zu können, mussten verschiedene integrale Analysetechniken, wie die Photostromspektroskopie (Abb. 3.11), mit ortsaufge-lösten Messungen der Uv-Lichtemission im Mikrometer-bereich (Abb. 3.12) und der verteilung ausgewählter chemischer elemente im nanometerbereich miteinander kombiniert werden.

For investigation purposes, typically a statistically significant quantity of nominally identical UV LeDs is stressed, for example at different currents, temperatures or switching cycles. according to current findings, how rapidly the UV LeDs degrade largely depends on the doping of the p-side of the semiconductor diode and on the insulator material used in the UV LeD chip. evidently, the charge state of impurity atoms in the semiconductor crystal changes during operation, especially that of magnesium or hydrogen. Furthermore, these impurities electromigrate. as a result, the charge distribution, the current transport and the recombination of charge carriers change within the semiconductor layer structure. For example, fewer charge carriers are injected into the light emitting region of the semiconductor layer structure, and increasingly more heat is produced instead of UV light. In order to be able to resolve such processes, various integral analytical techniques such as photocurrent spectroscopy (Fig. 3.11) and spatially resolved measure-ments of the UV light emission in the micrometer range (Fig. 3.12) and the distribution of selected chemical elements in the nanometer range had to be combined with one another.


nach zahlreichen optimierungszyklen sind die Uv-Leds mittlerweile deutlich zuverlässiger geworden. die optische Leistung aktueller bei raumtemperatur betriebener UvB-Leds bleibt nach einer kurzen einbrennphase für 8.000 Stunden bei über 50 % des Ausgangswertes. (die Betriebsdauer bis zum Absinken der optischen Leistung auf 50 % ihres Anfangswertes wird mit dem Symbol L50 bezeichnet). eine weitere erhöhung der Lebensdauer in den Bereich einiger zehn- bis hunderttausend Stunden, wie sie heute für Leds mit emission im sichtbaren Bereich üblich ist, wird angestrebt. dafür wird auch die Stabilität von Gehäusematerialien gegenüber der Uv-Strahlung relevant werden. Um zukünftig zeitraubende Stresstests für die Bestimmung des L50-Wertes zu vermeiden, muss nun vermehrt unter extremen Bedingungen, insbesondere bei hohen temperaturen, getestet und dann über vorab bestimmte Beschleunigungsfaktoren auf die Zuverlässig-keit der Uv-Leds unter normalen Bedingungen zurück-geschlossen werden. Schon jetzt ist bekannt, dass bei einem temperaturanstieg von raumtemperatur auf 50°c die Leistung doppelt so schnell abnimmt. entsprechende daten sind nicht zuletzt auch für die Anwendung von Uv-Leds durch die Konsortialpartner von großer Bedeutung.

Following numerous optimization cycles, UV LeDs have become considerably more reliable. The optical output of current UVB LeDs operated at room temperature for 8,000 hours following a brief burn-in phase remains at over 50 % of the starting value. a further increase is sought in the lifespan to the range of a few tens to hundreds of thousands of hours, as is common today for LeDs with emission in the visible range. To achieve that, the stability of the housing material with respect to UV radiation will become relevant. In order to avoid time-consuming future stress tests to determine the L50 value (the operation time until the optical output power is fallen down to 50 % of its initial value), testing must now increasingly be done under extreme conditions, especially at high temperatures, and then interpolated back onto the reliability of the UV LeDs under normal conditions using pre-determined acceleration factors. It is already known that, with a temperature increase from room temperature to 50 °C, performance decreases twice as rapidly. Corresponding data is also of great importance to the application of UV LeDs by the Consortium partners.

Abb. 3.12: verteilung der Uv-Strahlungs-leistung über die emittierende fläche eines UVB-LeD-Chips vor und nach 100 h Betrieb bei 20°C und 100 mA. Am rand der gefingerten emissionsfläche nimmt die Leistung besonders stark ab.

Fig. 3.12: Distribution of the UV radiation power across the emitting area of a UVB LeD chip before and after 100 h of operation at 20°c and 100 ma. The power is reduced particularly at the edges of the digitated emission area.


42 hALBLeitertechnoLogien & BAUeLeMente | SeMicondUctor tecHnoLoGieS & deviceS42 hALBLeitertechnoLogien & BAUeLeMente | SeMicondUctor tecHnoLoGieS & coMPonentS

4 ModULe & MeSStechnik MoDULEs & MEtroLoGY

42 ModULe & MeSStechnik | ModULeS & MetroLoGY

das Arbeitsfeld Module & Messtechnik vereinigt die beiden zentralen, für das gesamte Konsortium wichtigen themengebiete

1. Uv-Modul- und Systementwicklung als zentrale Schnittstelle zwischen der technologieentwicklung von Uv-Leds und den eigentlichen Applikationen und

2. Uv-Messtechnik als wichtige Querschnittskompetenz zur kalibrierten charakterisierung von Uv-Leds und optischen Komponenten sowie zur Überwachung von Uv-Bestrahlungsmodulen in den verschiedenen Anwendungen.

in diesem Arbeitsfeld werden – unter verwendung der im Arbeitsfeld Halbleitertechnologien & Bauelemente entwickelten Uv-Leds – emitter- und empfängermodule und zu deren Montage erforderliche technologien entwi-ckelt. einerseits sollen durch technisch-technologische

entwicklungen die Montageausbeute gesteigert und die Kosten gesenkt werden. dies kann nur in Synergie mit den Uv-Led-entwicklern geschehen, da automatische Montageprozesse Anforderungen an die zu montieren-den Bauteile hinsichtlich Maßhaltigkeit und reproduzier-barkeit des Led-Aufbaus stellen. dies nützt wiederum den Led-entwicklern, ihre Bauelemente iterativ zu optimieren. Auch sind Kosten- und Leistungsoptimie-rungen für die späteren Anwender zwingend notwendig, um die Marktchancen zu steigern.

durch optimierung des Gesamtaufbaus zur verbesserung des Wärmemanagements soll es gelingen, Lebensdauer, Stabilität und Leistungskennwerte der Uv-Leds zu erhö-hen. in enger Zusammenarbeit mit den Led-entwicklern und den Systemintegratoren, wie oSA opto Light GmbH, werden die Aufbaukonzepte hinsichtlich verbesserung der Leistungsfähigkeit und reproduzierbarkeit weiterent-wickelt.

die entwicklungen im Arbeitsfeld Module und Messtech-nik sollen auch Ansätze für neue Produkte ermöglichen. dazu gehören unter anderem kompakte Module mit integrierten treiberschaltungen hoher Stabilität, da kom-merziell erhältliche separate vorschaltgeräte zu groß (und kostenintensiv) und integrierte Schaltungen mit der nötigen Stabilität und Spannungsfestigkeit (bis 400 v bei Serienschaltung von Leds in Leistungsmodulen) derzeit nicht verfügbar sind.


partnErs in fiELD of work› ciS forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH (ciS)› eesy-ic GmbH (eesy-ic)› fraunhofer ioSB, institutsteil Angewandte

Systemtechnik (ioSB-ASt)› JencAPS technology GmbH (JencAPS)› oSA opto Light GmbH (oSA)› Schott AG (ScHott)› sglux SolGel technologies GmbH (sglux)

©fBH/schurian.com


The Modules & Metrology field of work brings together the two central topics of importance to the entire Consortium

1. UV module and system development as the central interface between the technological development of UV LeDs and the actual applications and

2. UV metrology as an important cross-sectional compe-tence for the calibrated characterization of UV LeDs and optical components and for the monitoring of UV radiation modules within the various applications.

In this field of work – using the UV LeDs developed in the Semiconductor Technologies & Components field of work – emitter and receiver modules and the technologies necessary for their assembly are developed. On the one hand, assembly yields should be increased and costs decreased through developments in engineering and technology. This can only happen in synergy with the UV LeD developers, since automated assembly processes make demands on the components to be mounted in terms of the dimensional stability and reproducibility of the LeD structure. This, in turn, helps the LeD developers to iteratively optimize their components. also, cost and performance optimizations for downstream users are necessary in order to increase market potential.

By optimizing the overall design in terms of improving heat management, it should be possible to increase the lifespan, stability and performance characteristics of UV LeDs. In cooperation with LeD developers and system integrators such as OSa Opto Light gmbH, the design concepts are refined in terms of improving performance and reproducibility.

approaches to new products should also be made possi-ble through developments in the Modules and Metrology field of work. This includes, among other things, compact modules with integrated, highly stable driver circuits because commercially available, separate power supply units are too large (and costly) and integrated circuits with the necessary stability and dielectric strength (up to 400 V for series connections of LeDs in high-power modules) are not currently available.

Hervorhebungen der Projetleiter fehlen noch.

ModULe & MeSStechnik | ModULeS & MetroLoGY 43

ProjectS & PArtnerS

Upgrading the micro mounting center for the development of custom-tailored Uv Led modulesciS*

Uv Leds mounted on multi-functional silicon submounts for wafer-level packagingciS* | fBH | tUB | Uvphotonics

Uv Leds with optimized light extraction by adapted encapsulation technologyciS* | fBH | JencAPS | Schott | tUB | Uvphotonics

intelligent low-power multi-λ-module ciS* | ioSB-ASt | oSA

development of a production- optimized integrated high-performance Uv emitterciS* | ioSB-ASt | oSA

integrated control circuit for high-performance Uv emitter with integrated opticsciS* | eesy-ic | oSA

development of traceable calibration chains for mobile Uv reference radiometers sglux

investigation of aging behavior and other optical paramenters of Uv components (emitters, transmitters and detectors)sglux

Miniaturized spectrometer and camera modules for the Uv spectral rangefBH | sglux*



The basis for the work in the development of new assembly technologies is the Micro assembly Center (Fig. 4.1). With this investment, the requirements for carrying out the scientific and engineering developments under industry-relevant conditions were established at the CiS Research Institute.

The following scheme (Fig. 4.2) shows the assignment of the different R&D projects to the different stages of development.

another important problem to be solved in this field of work consists in being able to measure the absolute optical power of UV components and the properties of optical components, spectrally resolved using standard-ized, traceable procedures. This problem will be solved for the entire Consortium and the measurements will be made possible for all partners.

Abb. 4.1: Mikro-Montage- center für die vollautomatische Montage von Uv-Leds

Fig. 4.1: Micro assembly Center for the fully automated assembly of UV LeDs© ciS

Grundlage für die Arbeiten zur entwicklung neuer Montagetechnologien ist das Mikro-Montage-center (Abb. 4.1). Mit dieser investition wurden am ciS forschungsinstitut die voraussetzungen geschaffen, die wissenschaftlich-technischen entwicklungen unter industrienahen Bedingungen durchzuführen.

eine weitere wichtige in diesem Arbeitsfeld zu lösende Aufgabe besteht darin, die absolute Strahlungsleistung von Uv-Bauelementen sowie die eigenschaften von optischen Komponenten spektral aufgelöst mit standardi-sierten, rückverfolgbaren verfahren messen zu können. diese Aufgabe wird für das gesamte Konsortium gelöst und die Messungen werden für alle Partner sichergestellt.

die nachfolgende Grafik (Abb. 4.2) zeigt die Zuordnung der f&e-Projekte zu den verschiedenen entwicklungs-ebenen.


Abb. 4.2: Systematik der Projekte des Arbeits-feldes Module & Mess-technik

Fig. 4.2: Classification of the projects of the Modules & Metrology field of work



Abb. 4.3: Simulation der Lichtextrakti-onseffizienz (Lee) für eine vergossene UvB-Led mit absorbierender p-Seite (rot), bzw. transparenter p-Seite mit schwach (grün) bzw. stark (blau) reflektierendem p-kontakt als funktion des Brechungsindex des vergussma-terials

Fig. 4.3: Simulation of the light extraction efficiency (Lee) for an encapsulated UVB LeD having absorbing p-sides (red) or transparent p-sides with weakly (green) or strongly (blue) reflecting p-contact as a function of the refractive index of the casting material

Assembly Technologies

Due to the low external quantum efficiency of UV LeDs, the optimization of the heat management represents the central challenge in the development of assembly tech-nologies for UV LeDs. High component temperatures in modules lead › to a decrease in the optical output and› to a decrease in the lifetime of the devices.

From the standpoint of assembly technologies, three sub-areas for the improvement of heat management can be identified:

1. Increasing the optical output of UV LEDs through a UV-stable encapsulation

at the sapphire-air interface, a portion of the UV radiation produced in a UV LeD will be totally reflected, i.e. only a small portion of the UV light produced in the active layers will be radiated. This is called the light extraction efficiency or Lee, and is typically only 10 ± 5 %. a UV-stable, refractive-index-adjusted encapsulation during assembly can significantly increase the Lee value. as a consequence of that, the warming of the UV LeD at the same light output power is significantly decreased. Initial simulations confirm this approach (see Fig. 4.3).

Montagetechnologien

Auf Grund der niedrigen äußeren Quanteneffizienz von Uv-Leds stellt die optimierung des Wärmemanagements die zentrale Herausforderung bei der entwicklung von Montagetechnologien für Uv-Leds dar. Hohe Bauele-menttemperaturen in Modulen führen › zum Absinken des optischen outputs und› zur verringerung der Lebensdauer der Bauelemente.

Aus Sicht der Montagetechnologien können drei teilbe-reiche für die verbesserung des Wärmemanagements identifiziert werden:

1. erhöhung des optischen outputs von Uv-Leds durch einen Uv-stabilen verguss

An der Grenzfläche Saphir-Luft wird ein teil der erzeugten Uv-Strahlung in einer Uv-Led total reflektiert, d.h. nur ein geringer Anteil des in den aktiven Schichten erzeugten Uv-Lichtes wird abgestrahlt. die sogenannte Lichtextrak-tionseffizienz, Lee, beträgt typischerweise nur 10 ± 5 %, je nach Wellenlänge. ein Uv-stabiler, brechzahlangepass-ter verguss bei der Montage kann den Lee-Wert deutlich erhöhen. in folge davon wird sich die erwärmung der Uv-Led bei gleicher abgestrahlter Lichtleistung deutlich verringern. erste Simulationen bestätigen diesen Ansatz (siehe Abb. 4.3).

tab. 4.1: vergleich der vier ausgewählten flip-chip-technologien zur Montage von Uv-Leds

Tab. 4.1: Comparison of the four selected flip-chip tech-nologies for the assembly of UV LeDs

soldering sintering with silver nanoparticle pastes

thermosonic bonding(with gold wire stud bumps)

thermal compression bonding(with gold wire stud bumps)

area coverage ~ 100 %(voids !?)

~ 100 % < 40 % 50 – 70 %

thickness 3 – 15 µm(depends on process)

5 – 15 µm < 30 µm < 15 µm

thermal con-ductivity of the contact material

50 – 60 W/m∙K(SnAg, AuSn, …)

< 110 W/m∙K(< 250 W/m∙K may be possible)

Au: 320 W/m∙KCu: 390 W/m∙K

Au: 320 W/m∙KCu: 390 W/m∙K

remarks Pvd: ~ 2 – 3 µm thickness → rth oK;

strongly dependent on pressure during sintering

ultrasound can lead to formation of microfractures

up to 300 n/mm²


2. Improved heat management through optimized assembly technologies

The assembly of UV LeDs on submounts is of central importance to the heat management. Bonding and adhesion technologies as they are applied in LeDs in the visible and near infrared wavelengths are not possible with UV LeDs due to the LeD package, their poor thermal conductivity, and the degradation of the adhesive bonds under UV radiation. In principle, flip-chip-assembly technologies must be applied. The focus is currently on four different technologies, which also have the potential for automation:› Soldering,› Sintering using pastes containing silver nanoparticles,› Thermosonic Bonding and› Thermal Compression bonding.

each of these methods has advantages and disadvan-tages in terms of heat management (see Tab. 4.1). In the ideal case, soldering and sintering technologies are characterized on the one hand by nearly 100 % area coverage of the contact areas, while on the other hand the thermal conductivity of the contact material is relatively low. The exact opposite is the case with thermosonic and thermal compression bonding.

2. verbessertes wärmemanagement durch optimierte Montagetechnologien

die Montage der Uv-Leds auf Submounts ist von zentraler Bedeutung für das Wärmemanagement. Bond- und Klebetechnologien, wie sie bei Leds im sichtbaren im Wellenlängenbereich des nahen infrarots angewandt werden, sind bei Uv-Leds wegen der Led-Bauform, der schlechten Wärmeleitfähigkeit und der degradation der Klebeverbindungen bei Uv-ein-wirkung nicht möglich. es müssen grundsätzlich flip- chip-Montagetechnologien angewandt werden. Auf vier verschiedene technologien, die auch das Potential zur Automatisierung aufweisen, wird sich derzeit konzentriert:› Löten,› Sintern unter verwendung von Pasten mit

Silbernanopartikeln,› thermosonic Bonden und› thermokompressionbonden.

Jedes dieser verfahren weist bezüglich des Wärme-managements vor- und nachteile auf (s. tab. 4.1). im idealfall zeichnen sich Löt- und Sintertechnologien einerseits durch eine nahezu 100 %-ige flächenüber-deckung der Kontaktflächen aus, andererseits ist die thermische Leitfähigkeit des Kontaktmaterials relativ niedrig. Bei thermosonic- und thermokompressions-bonden ist es genau umgekehrt.


Abb. 4.4: röntgendurchstrahlungsbild einer gelöteten Uv-Led mit zahlreichen Poren (links); röntgendurchstrahlungsbild einer gelöteten Uv-Led, bei der nur ca. 40 % des p-kontaktes der Led gelötet ist (rechts).

X-ray transmission topographies of flip-chip-soldered structures show that, in real-world cases, various failures occur (Fig. 4.4). The application of solder paste repre-sents a compromise of costs, time and quantity, and must be adjusted for the subsequent soldering process. On the one hand, pores and cavities in the solder layer which impair the electrical, mechanical and thermal properties of the solder joint must be avoided. On the other hand, enough solder material must be applied that the degree of coverage is 100 % without the forma-tion of short circuits.

3. Choice of the carrier substrate

The third important aspect is the selection of the carrier substrate, either as a submount or as a complex circuit carrier. Ceramic circuit carriers are the preferred material at this time. The latest development is headed toward materials with silicon-adjusted thermal coefficients of ex-pansion of around 4∙10-6 k-1 and thermal conductivity in the range of pure metals (several 100 W/m∙K). There are several new developments with structural ceramics that simultaneously act as circuit boards, particularly in the area of heat spreaders. The material ceramic aluminum nitride (aln) can be machined and possesses an excel-lent thermal conductivity of up to 220 W/m∙K (according to Franco jun. a., and Shanfield, D. J. [Céramica 50 (2004) 247-253] even up to 285 W/m∙K)with a coefficient of thermal expansion of 4∙10-6 k-1. In addition, costs for submount materials in the range of a few euro cents are realistic.

röntgendurchstrahlungsbilder von flip-chip-gelöteten Aufbauten zeigen, dass im realfall verschiedene fehler auftreten (Abb. 4.4). die Applikation der Lotpaste stellt einen Kompromiss aus Kosten, Zeit und Menge dar und muss auf den nachfolgenden Lötprozess abge-stimmt werden. einerseits müssen Poren und Lunker in der Lotschicht vermieden werden, die die elektrischen, mechanischen und thermischen eigenschaften der Löt- verbindung verschlechtern. Andererseits muss so viel Lotmaterial aufgebracht werden, dass der Bedeckungs-grad 100 % beträgt und sich trotzdem keine Kurzschlüsse bilden.

3. Auswahl des trägersubstrats

der dritte wichtige Gesichtspunkt ist die Auswahl des trägersubstrats entweder als Submount oder als kom-plexer Schaltungsträger. Als Material werden derzeit keramische Schaltungsträger bevorzugt. die neuste entwicklung geht in richtung von Materialien mit Silizium-angepassten thermischen Ausdehnungskoeffi-zienten um 4∙10-6 K-1 und einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich reiner Metalle (mehrere 100 W/m∙K). Besonders im Anwendungsbereich Wärmespreizer gibt es zahl-reiche neuentwicklungen mit strukturierten Keramiken, die gleichzeitig als Leiterplatte fungieren. das Material keramisches Aluminiumnitrid (Aln) lässt sich mechanisch bearbeiten und besitzt eine ausgezeichnete Wärme-leitfähigkeit bis zu 220W/m∙K (nach Franco jun., A., Shanfield, d. J. [céramica 50 (2004) 247-253] sogar bis zu 285 W/m∙K) bei einem thermischen Ausdehnungs-koeffizienten von 4∙10-6 K-1. Zudem sind Submount- Materialkosten im Bereich weniger eurocent realistisch.

Fig. 4.4: X-ray transmission image of a soldered UV LeD with numerous pores (left); X-ray transmission image of a soldered UV LeD, in which only approximately 40 % of the p-contact of the LeD is soldered (right).© ciS



abb. 4.6: Berechnete temperaturdifferenz zwischen Led-chip und rückseite des Submounts bei gleichbleibender geome-trie mit unterschiedlichen Submountmate-rialien sowie mit und ohne vias, gefüllt mit Silbersinterpaste.

Fig. 4.6: Calculated temperature difference between LeD chip and reverse side of the submount with the same geometry using different sub-mount materials, including with and without vias filled with silver sinter paste.

Abb. 4.5: temperaturverteilung in einer Uv-Led in flip-chip-Montage auf einem Aln-keramiksubmount ohne vias (links). Berechnete temperaturdifferenz zwischen Led-chip und rückseite des Submounts bei gleichbleibender geometrie mit unter-schiedlichen Submountmaterialien sowie mit und ohne vias, gefüllt mit Silbersinter-paste (rechts).

Fig. 4.5: Temperature distribution in a UV LeD in flip-chip-assembly on an aln ceramic submount without vias (left). Calculated temperature difference between LeD chip and reverse side of the submount with the same geometry using different submount materials, including with and without vias filled with silver sinter paste (right).

another approach to carrier substrates is the realization of Si submounts. Initial theoretical considerations of thermal resistance allow the statement to be made that the inferior heat conductivity of silicon versus aln without vias can be compensated for by means of a suitable via using silver sinter pastes. Fig. 4.5 shows an example of the thermal simulation of the temperature distribution of a UV LeD chip mounted on an aln ceramic submount using gold-tin-solder. Fig. 4.6 shows the maximum temperature difference between LeD chip and reverse side of the submount, extrapolated from such simulations as a function of the power dissipation, in which the submount always retains the same geometry, but is made of either silicon or aln and was assumed with or without vias. The maximum assumed power dissipation of 2.6 W thus corresponds to the target value of UVC LeDs in the year 2020 (popt= 0.2 W @ 350 ma, 8 V), according to the Roadmap of the Semiconductor Technologies & Components field of work of the advanced UV for Life Consortium. Temperature differences of a maximum of 2 K are to be expected for the equivalent structural variants using ceramic or silicon.

ein weiterer Ansatz für trägersubstrate ist die realisie-rung von Si-Submounts. erste theoretische Betrachtun-gen zum thermischen Widerstand erlauben die Aussage, dass über eine geeignete durchkontaktierung mit Silber-sinterpasten die schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Siliziums gegenüber dem Aln ohne durchkontaktierung ausgeglichen werden kann. Abb. 4.5 zeigt exemplarisch die thermische Simulation der temperaturverteilung eines Uv-Led-chips, der mit Gold-Zinn-Lot auf ein Aln-Kera-miksubmount montiert wurde. Abb. 4.6 zeigt die aus solchen Simulationen extrahierte maximale tempera-turdifferenz zwischen Led-chip und rückseite des Submounts als funktion der verlustleistung, wobei der Submount immer die gleiche Geometrie hat, aber aus Silizium bzw. Aln besteht und mit bzw. ohne via- durchkontaktierung angenommen wurde. die höchste angenommene verlustleistung von 2,6 W entspricht dabei dem Zielwert von Uvc-Leds im Jahr 2020, gemäß der roadmap des Arbeitsfeldes Halbleitertech-nologien & Bauelemente im Konsortium Advanced Uv for Life (Popt= 0,2 W @ 350 mA, 8 v). für die vergleich- baren Aufbauvarianten mit Keramik bzw. Silizium sind temperaturdifferenzen von maximal 2 K zu erwarten.

temperaturdifferenz zwischen p-kontakt und Submountboden (bei idealer kühlung)

0,5 1 1,5 2 2,5 3

121110

9876543

tem

pera

ture

diff

eren

ce [K

]

power dissipation [W]

Aln without vias

Aln with vias

Si without vias

Si with vias

Si with vias and reflector recess


abb. 4.7: Kompaktes, luftgekühltes Uv-Led-Modul mit kundenspezifisch anpassbarer wellenlänge zwischen 265 und 440 nm

Fig. 4.7: Small, air-cooled UV LeD module with customized wavelength between 265 to 440 nm©oSA opto Light


an additional advantage of using silicon as the carrier substrate is that active elements such as safety diodes can be integrated. In addition, wafer-level packaging is possible.

In summary, the development and optimization of assembly technologies for UV LeDs represents a complex task. Heat management plays a particularly significant role. It turns out that a “one-and-only” assembly technology for all requirements doesn’t exist.

UV LED Modules for Various Applications

In the frame of advanced UV for Life OSa has developed several UV LeD modules for different applications ranging from exposure of photoresists to curing of ink on fiber-glass reinforced plastics. Special emphasis was set on the usage of materials with suitable mechanical and thermal properties and on the utilization of efficient cooling concepts that enable long life time of the LeD system.

Since many applications that require UV light are very sensitive to the wavelength a small air-cooled UV LeD module for quick tests with a requested wavelength in the range of 265 to 440 nm was developed. Fig. 4.7 shows the front view of this module with the fan unit on the left side. The size of the window is 26 mm x 26 mm. This module was used by IaP-PYCO to test curing of fiber-glass reinforced plastics and by the company Laufenberg to test curing of silicon on paper.

ein weiterer vorteil von Silizium als trägersubstrat besteht darin, dass aktive elemente, wie z.B. Schutz-dioden, integriert werden können. darüber hinaus ist ein Waferlevel-Packaging möglich.

Zusammenfassend stellt sich die entwicklung und optimierung von Montagetechnologien für Uv-Leds als eine komplexe Aufgabe dar. Besondere Bedeutung spielt dabei das Wärmemanagement. es zeigt sich, dass es „die“ Montagetechnologie für alle Anforderungen nicht gibt.

Uv-Led-Module für verschiedene Anwendungen

Als teil von Advanced Uv for Life hat oSA opto Light mehrere Uv-Led-Module für verschiedene Anwendun-gen, von der Belichtung von Photolacken bis hin zur Aushärtung von tinte auf glasfaserverstärkten Kunst-stoffen, entwickelt. dabei wurde besonderes Augenmerk auf die verwendung von Materialien mit geeigneten mechanischen und thermischen eigenschaften sowie auf den einsatz effizienter Kühlkonzepte zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer des Led-Systems gerichtet.

da viele Anwendungen, bei denen Uv-Licht eingesetzt wird, sehr wellenlängenempfindlich sind, wurde ein kompaktes, luftgekühltes Uv-Led-Modul für Schnelltests mit geforderten Wellenlängen im Bereich von 265 bis 440nm entwickelt. Abb. 4.7 zeigt die frontansicht dieses Moduls mit der Lüftereinheit an der linken Seite. die fenstergröße beträgt 26 x 26 mm2. eingesetzt wurde dieses Modul vom iAP-PYco zur Prüfung der Aus-härtung glasfaserverstärkter Kunststoffe und vom Unternehmen Laufenberg zur Prüfung der Aushärtung von Silikonen auf Papier.

Due to the narrow wavelength spread and instant operational readiness of LeDs, the exposure of photo-resist materials is considered a promising application of UV LeD modules. Fig. 4.8 shows a LeD module that was built for testing photoresist exposure at the company micro resist technology . This LeD lamp was designed to illuminate a 4 inch wafer with homogeneity of +/- 10 % over the entire wafer. Using a 20° reflector array system the homogeneous light spot is achieved at a distance of about 70 cm from the lamp window to the wafer. at this distance the irradiance on the wafer reaches 20 mW/cm2 at a wavelength of 365 nm.

a small tubular lamp was developed for the Igz for testing the effect of UV LeDs combined with visible LeDs. Fig. 4.9 shows a schematic illustration of this lamp. The right rectangular image shows the aln ceramic plate with UV, yellow, green and red LeDs. The lamp contains a parabolic aluminum reflector and an aspherical lens with a rough back surface. The effect of mixing the light with the lens can be seen in the lower images.

Aufgrund der schmalen emissionspeaks und der tatsache, dass Leds sofort nach dem einschalten betriebsbereit sind, wird die Belichtung von Photolack-materialien als zukunftsfähige Anwendung von Uv-Led-Modulen erachtet. Abb. 4.8 zeigt ein Led-Modul, das zum test der Härtung von Photolacken in dem Unterneh-men Mrt hergestellt wurde. diese Led-Lampe wurde für die Belichtung eines 4-Zoll-Wafer mit einer Homoge-nität von +/- 10 % über den gesamten Wafer ausgelegt. Mit Hilfe eines 20°-reflektoren-Array-Systems wird ein homogener Lichtfleck in einem Abstand von rund 70 cm zwischen dem Lampenfenster und dem Wafer erzielt. Aus dieser entfernung erreicht die auf dem Wafer eintreffende Bestrahlungsstärke 20 mW/cm2 bei einer Wellenlänge von 365 nm.

für das iGZ wurde eine kleine Stablampe zur Prüfung der Wirkung von Uv-Leds in Kombination mit sichtbaren Leds entwickelt. Abb. 4.9 zeigt eine schematische darstellung dieser Lampe. im Quadrat rechts außen ist die Aln-Keramikplatine mit jeweils einer Uv-, gelben, grünen und roten Led gezeigt. die Lampe enthält einen parabo-lischen Aluminiumreflektor und eine asphärische Linse mit aufgerauter rückseite. der effekt der Lichtmi-schung durch die Linse wird in den unteren Abbildungen verdeutlicht.

abb. 4.8: Wassergekühltes, rundes Uv- LeD-Modul mit 20°-Reflektoren-array. das glasfenster besitzt einen durchmesser von 100 mm. Die Wellenlänge kann auf einen Wert zwischen 265 und 440 nm

Fig. 4.8: Water-cooled round UV LeD module with 20° reflector array; window diameter 100 mm. The wavelength can be customized between 265 to 440 nm©oSA opto Light


abb. 4.10: LeD-Modul mit 30 SMD-LeDs (300 nm) und 50 LeD-Chips (390 nm) für industrielle druckverfahren

Fig. 4.10: LeD module with 30 SMD LeDs (300 nm) und 50 LeD chips (390 nm) for industrial printing©oSA opto Light

abb. 4.9: Multi-Lambda-Lichtquelle für bis zu 4 Wellenlängen mit einem 20°-Reflektor und einer asphärischen Linse für die Lichtmischung

Fig. 4.9: Multi-lambda light source for up to 4 wavelengths with a 20° reflector and an aspherical lens for light mixing

die Aushärtung von tinte mit Uv-Licht ist eine interes-sante Alternative für industriedrucker. Bislang verwenden die meisten Hersteller dieser drucker UvA-Strahlung bei rund 390 nm. Untersuchungen des iAP-PYco zeigten, dass sich die Kombination von 390-nm-UvA-Strahlung mit 300-nm-UvB-Strahlung positiv auf die Aushärtungsqualität auswirken kann, insbesondere im Hinblick auf die oberflächeneigenschaften der tinte. Anhand dieser vorläufigen ergebnisse wurde ein Modul mit einer Kombination aus 30 SMd-Leds (300 nm) und 50 Led-chips (390 nm) entwickelt und gebaut. Abb. 4.10 zeigt das Modul, das in einem Mimaki- industriedrucker getestet werden wird.

Curing of ink with UV light is an interesting possibility for industrial printers. So far most suppliers of such printers use UVa irradiation at about 390 nm. Investigations done by IaP-PYCO indicated that combining 390 nm UVa irradiation with 300 nm UVB irradiation can be beneficial in improving the curing quality, especially regarding the surface properties of the ink. Based on these preliminary results a module combining 30 SMD LeDs (300 nm) und 50 LeD chips (390 nm) was designed and built. Fig. 4.10 shows this module that will be tested in a Mimaki industrial printer.



Curing of fiber glass reinforced plastic with UV light is also an emerging and promising application field. In cooperation with the companies Polystal, who fabricates fiber glass rods, and Haase Tank, who fabricates fiber glass plates, a long scalable UVa LeD module was developed. Fig. 4.11 shows the design of this LeD module. an extruded aluminum cold plate with 18 mm channel is used to cool the lamp with water. Since the work distance between the lamp and the fiber glass target is larger than 10 cm a reflector array is used to narrow the emission angle to about 20°.

Fig. 4.12 shows a complete LeD system that was delivered to Haase Tank with four LeD module units each 38 cm long. The control unit box contains the power supply and additional electronics, which allows the module to be either operated directly or from a PC with self-developed software. The upper image shows this system in operation at Haase Tank.

die Aushärtung von glasfaserverstärktem Kunststoff mit Uv-Licht ist ebenfalls ein aufstrebender und erfolg versprechender Anwendungsbereich. in Zusammenar-beit mit den Unternehmen Polystal, Hersteller von Glasfaserstäben, und Haase tank, experte für Glas-faserplatten, wurde ein langes, skalierbares UvA-Led-Modul entwickelt. Abb. 4.11 veranschaulicht den Aufbau dieses Led-Moduls. die Lampe wird mit Wasser gekühlt, welches durch einen 18-mm-Kanal in einer Kühlplatte aus extrudiertem Aluminium fließt. da der Arbeitsabstand zwischen der Lampe und der zu bestrahlenden Glasfaser mehr als 10 cm beträgt, wird ein reflektor-Array verwendet, um den Abstrahlwinkel auf etwa 20° zu verkleinern.

Abb. 4.12 zeigt ein komplettes Led-System, das mit vier jeweils 38 cm langen Led-Moduleinheiten an Haase tank geliefert wurde. der Steuerungskasten enthält die Spannungsversorgung und zusätzliche elektronik, über die das Modul entweder direkt oder über einen mit eigenentwickelter Software ausgestatteten Pc bedient werden kann. in der oberen Abbildung ist dieses System in Betrieb bei Haase tank dargestellt.

Abb. 4.11: Skalierbares, wassergekühltes LeD-Modul mit 20°-Reflektor-array, eine entwicklung von oSA zur Aushärtung glasfaserverstärkter kunststoffe

Fig. 4.11: Scalable water-cooled LeD module with 20° reflector array, designed by OSa for fiber glass reinforced plastic curing


Sensors and Metrology for UV Radiation

every application of UV radiation requires the exact measurement of the spectral distribution, strength and dose of radiation as well as other parameters. This is of particular importance because UV radiation is invisible and can cause damage to health. added to this is the fact that, when using it for disinfection, for example – in contrast to other methods – no subsequently verifiable material residues are produced, either.

every technical process requires certain minimal radiation doses as well as the maintenance of maximum values. In principle, therefore, there is no single UV radiation process that does not also require quantitative monitor-ing using suitable UV-sensitive detectors. as part of advanced UV for Life, metrology services such as traceable calibrations of UV radiometers are developed and made available to the other Consortium partners by the partner sglux gmbH. In addition, a new UV spectro-meter based on SiC technology is under development.

Abb. 4.12: Led-Lampensystem mit vier Led-Moduleinheiten zur Aushärtung glasfaserverstärkter kunststoffe und vorschaltgerät mit versorgungs- und regeleinheit

Sensorik und Metrologie für Uv-Strahlung

Jede Anwendung von Uv-Bestrahlung erfordert die exakte Messung der spektralen verteilung, der Bestrahlungs-stärke und -dosis sowie anderer Größen. das ist von besonderer Bedeutung, da Uv-Strahlung nicht sichtbar ist und gesundheitliche Schädigungen hervorrufen kann. Hinzu kommt, dass beim einsatz für die desinfektion beispielsweise – im Gegensatz zu anderen verfahren – auch keine später nachweisbaren stofflichen rück-stände erzeugt werden.

Jeder technische Prozess erfordert bestimmte minimale Bestrahlungsdosen und zugleich die einhaltung maxi- maler Werte. daher gibt es im Grunde keinen einzigen Prozess mit Uv-Bestrahlung, der nicht auch die quanti-tative Überwachung mit geeigneten Uv-empfindlichen Sensoren verlangt. im rahmen von Advanced Uv for Life werden durch den Partner sglux GmbH metrologi-sche dienstleistungen, wie z.B. rückführbare Kalibrie-rungen von Uv-radiometern, entwickelt und den Partnern im Konsortium zur verfügung gestellt. Zudem wird ein neuartiges Uv-Spektrometer auf Basis der Sic-technologie entwickelt.

Fig. 4.12: LeD lamp system with four LeD module units for fiber glass enforced plastic curing and electronic control gear with power supply and controller unit©Haase tank


Metrologie für Uv-empfänger und Uv-Strahler

Um Uv-Strahler hinreichend genau charakterisieren zu können, bedarf es einer rückführbaren vermessung der Uv-Strahlung. die sglux GmbH verfügt über verschie-dene Kalibrierketten, welche eine rückführung auf nationale normale der PtB gewährleisten. Zum einen können Strahler-basierte Messungen vorgenommen werden, bei denen die Bestrahlungsstärke eines Uv-Strahlers mittels eines rückführbar-kalibrierten radiospektrometers bestimmt wird.

Zum anderen gibt es die empfänger-basierte Kalibrie-rung. ein Uv-empfänger, wie z.B. eine Sic-fotodiode, wird anhand eines kalibrierten referenzsensors kalibriert. diese Methode wird u.a. zur Bestimmung der spektralen empfindlichkeit von Uv-Sensoren genutzt und ist in der Abb. 4.13 dargestellt.

Um langfristig zuverlässige Sensoren zu entwickeln, wird das Alterungsverhalten verschiedener Komponenten untersucht, welche im Bau von Uv-empfängern und Uv-Leds verwendung finden. dazu wurde bei sglux eine Uv-Alterungskammer aufgebaut (Abb. 4.13), welche eine Alterung unter kontrollierten Umwelt- und Bestrahlungs-bedingungen erlaubt. insbesondere kann der effekt von feuchtigkeit und temperatur auf die Uv-Stabilität von Materialien untersucht werden.

Abb. 4.13: klimakammer für die Untersuchung von Alterungs-erscheinungen infolge von Uv-Bestrahlung

Fig. 4.13: Climate chamber for aging investigations of UV-radiation resistance ©sglux GmbH

Metrology for UV Receivers and UV Emitters

In order to be able to sufficiently characterize UV emitters, a traceable measurement of the UV radiation is required. sglux has various calibration chains which guarantee a trace back to national PTB standards. On the one hand, emitter-based measurements can be taken in which the strength of radiation from a UV emitter is determined using a traceable, calibrated radio spectrometer.

On the other hand, there is the receiver-side calibration. a UV receiver, e.g. a SiC photodiode, is calibrated using a calibrated reference sensor. This method is used, among others, to determine the spectral sensitivity of UV sensors and is shown in Fig. 4.13.

In order to develop long-term reliable sensors, the aging behavior of various components used in the construction of UV receivers and UV LeDs was investigated. For this purpose, a UV aging chamber was constructed at sglux (Fig. 4.13), which allows for ageing under controlled environmental and radiation conditions. In particular, the effect of moisture and temperature on the UV stability of materials can be investigated.

Sic-basiertes Uv-Spektrometer

die entwicklung eines Sic-basierten Uv-Spektrometers ist durch die Unempfindlichkeit von Sic gegenüber sichtbarer Strahlung motiviert. Konventionelle Si-basierte Spektrometer weisen im Uv einen hohen Signalanteil durch sichtbare Strahlung auf. diese Streustrahlung ist bei Untersuchungen der solaren Uv-Strahlung bzw. der Analyse von Uv-Spektren in der Umgebung von sichtbarer Strahlung, wie z.B. bei Mitteldruckstrahlern oder vermessung des Sonnen-Uv störend. Zusammen mit dem fBH entwickelt sglux eine 512-Pixel-detektor-zeile basierend auf der Sic-fotodiodentechnologie. die diodenzeile wird über ein Si-basiertes readout-ic (roic) ausgelesen, welches über drahtbonden an die diodenzeile angeschlossen wird (Abb. 4.14). die 512 Pixel erlauben eine Auflösung von weniger als 1 nm, wenn die Parameter eines kommerziell erhältlichen Kompaktspektrometers zu Grunde gelegt werden. damit lassen sich auch Spektrallinien im Uv, wie sie in der Gasanalyse für verbrennungssysteme genutzt werden, auflösen und quantitativ vermessen.

Abb. 4.14 : Ausschnitt aus einer Sic-diodenzeile. zu sehen ist ein zweilagiges drahtbonden zwischen roic (oben) und Array (unten).

Fig. 4.14: Detail of a SiC diode array. a two-layered wire bond between ROIC (above) and array (below) can be seen. ©sglux GmbH, 2018

SiC-based UV spectrometer

The development of a SiC-based UV spectrometer was motivated by the insensitivity of SiC to visible radiation. Conventional Si-based spectrometers show a high signal component attributable to visible radiation in the UV. In investigations of solar UV radiation or the analysis of UV spectra in the vicinity of visible light, e.g. with medium pressure lamps or the measurement of solar UV, this scattered radiation is a disruption. Together with FBH, sglux is developing a 512-pixel detector array based on SiC photodiode technology. The diode array will be read out using a Si-based readout IC (ROIC), which will be connected to the diode array via wire bonding (Fig. 4.14). The 512 pixels permit a resolution of less than 1 nm when based on the parameters of a commercially available compact spectrometer. In this way, spectral lines in the UV range, as are used in the gas analysis for combustion systems, can also be resolved and quantitatively measured.


56 deSinfektion | diSinfection

5 deSinfektion DisinfEction



› BioServ Analytik und Medizinprodukte GmbH (BioServ)› charité Universitätsmedizin Berlin (charité)› fleisch- und Wurstwaren Schmalkalden GmbH thüringen (fWS)› fraunhofer ioSB, institutsteil Angewandte Systemtechnik (ioSB-ASt)› freie Universität Berlin, institut für tier-und Umwelthygiene (fUB-itUH)› freie Universität Berlin, institut für Lebensmittelsicherheit und -hygiene (fUB-iLSH)› Gesellschaft zur förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnolgien e.v. (GMBU)› Hygiene nord GmbH (Hygiene nord)› Leibniz-institut für naturstoff-forschung und infektionsbiologie e.v., Hans-Knöll-institut (HKi)› PUrion GMBH (PUrion)› Silicann Systems GmbH (Silicann)› SKS Sondermaschinen- und fördertechnikvertriebs-GmbH (SKS)› tZW: dvGW-technologiezentrum Wasser (tZW)› Universitätsklinikum Jena (Uni Jena)› Universitätsmedizin Greifswald (Uni Greifswald)› Xylem (Xylem)


in deutschland erkranken jährlich 400.000 bis 600.000 Patienten an Krankenhausinfektionen und bis zu 15.000 von ihnen sterben daran. durch die starke verwendung von Antibiotika in der Klinik, ambulant und vor allem in der nutztierhaltung, werden pathogene Keime immer häufiger multiresistent gegenüber den bestehenden Antibiotikagruppen. das Ganze stellt eine epidemiolo-gische Gefahr dar, die durch den Begriff der tickenden Zeitbombe gut illustriert wird.

Als Gegenmaßnahme können im Wesentlichen vier Lösungsansätze verfolgt werden, › entwickeln neuer Wirkstoffe, was in den letzten Jahren

sehr ernüchternd war – lediglich zwei neue Antibiotika gegen grampositive Bakterien innerhalb der letzten 20 Jahre,

› reduzierung des Konsums, was gerade durch die welt- weite intensive und unspezifische infektionsprävention mit Antibiotika in der nutztierhaltung immer unkontrol-lierbarer wird,

› impfung und› infektionsvermeidung durch schlagkräftige desinfek-

tionsstrategien, worauf Advanced Uv for Life abzielt.

evolutionär sind Lebewesen an Land u.a. deshalb entstanden, weil die Keimausbreitung durch die Abtötung von Keimen zwischen den Wirten durch die natürliche Uv-Strahlung der Sonne effizient unterbunden wird. Heute können wir zu diesem Zweck auch künstlich erzeugte Uv-Strahlung einsetzen. der technische fortschritt bei Uv-Leds, deren Strahlung keimtötende Wirkung besitzt, ermöglicht zunehmend auch den einsatz dieser Strahlungsquellen für die desinfektion. damit werden gleichzeitig breitere Anwendungsmöglich-keiten erschlossen. Marktanalysen von verschiedenen

In germany, 400,000 to 600,000 patients become sick with nosocomial infections every year, and up to 15,000 of them die. With the increased use of antibiotics in clinics, in outpatient treatment, and most significantly in animal husbandry, pathogenic bacteria are developing multiple resistances to existing groups of antibiotics. all of this represents an epidemiological threat that is best illustrated by the image of a ticking time bomb.

In principle, four approaches to solving this problem can be pursued as countermeasures: › Develop new effective agents, what has has been

very sobering in recent years - with only two new antibiotics against gram-positive bacteria in the past 20 years,

› Reduce consumption, which is becoming ever more uncontrollable due to the worldwide, intensive, and non-specific use of antibiotics to prevent infections in animal husbandry,

› Vaccination, and› avoidance of infection through powerful disinfection

strategies, which is the goal of advanced UV for Life.

In the course of evolution living beings on land devel-oped because spreading of germs between the hosts was effectively prevented by the natural UV radiation from the sun. Today we can also use UV radiation from artificial sources for this purpose. The technical progress in UV LeDs, whose radiation has a bactericidal effect, makes these radiation sources more and more usable for the purpose of disinfection. at the same time new and broader applications for disinfection and purification purposes are opened up by these components. Market analyses from different institutions unanimously show that the market for UV LeDs is presently dominated by UVa LeDs for curing applications. But there is also consensus that disinfection is the area of application for UV LeDs with the highest growth rates. Driving forces

Abb. 5.1: Prognose der Marktanalysefirma yole développement zum Umsatz mit Uv-Leds in den verschiedenen Anwendungsbereichen

Fig. 5.1: Prognosis of sales of UV LeDs in various application areas according to the market analysis company Yole Développement

© Yole développement 2016

other applications Uv curing disinfection/purification new applications


surfaces water airair

water purification (point-of-use,

large-scale facilities)

purification and deodorization of

refrigerated vehicles

decontamination in food-industry

skin disinfection during operations

Disinfection

germ detection

institutionen zeigen übereinstimmend, dass der Uv-Led Markt bisher vorrangig von UvA-Anwendungen zur Härtung von Kunstoffen bestimmt wird. Jedoch wird ebenso übereinstimmend festgestellt, dass die höchsten Zuwachsraten für den einsatz von Uv-Leds im Bereich der desinfektion liegen. treiber dafür sind die techni-schen vorteile von Uvc-Leds für die desinfektion von Wasser, Luft und oberflächen. Momentan sind Haupt-hindernisse für die bisher relativ geringe verwendung von Uvc-Leds für desinfektionsanwendunge noch zu niedrige Leistungen und Lebensdauern der kurzwelli-gen Uvc-Leds sowie ihre zu hohen Kosten. Aufgrund technischen fortschritts, fallender Preise und Beteiligung großer Hersteller von sichtbaren Leds wird für 2018 und später ein einsetzender Boom der UvB/Uvc-Led-industrie erwartet. 2019 sollen die Umsätze mit Uv-Leds für die desinfektion erstmalig die von Uv-Leds für die Härtung übertreffen (Abb. 5.1) [Yole développement: Uv Led - technology, Manufacturing and Application trends, 2016 edition].

diesen entwicklungen rechnung tragend wurde das ursprünglich nur für die Wasserbehandlung konzipierte Arbeitsfeld im Jahr 2017 erweitert und in das neue Arbeitsfeld desinfektion überführt. das ursprüngliche Arbeitsfeld Wasser, in dem auch ansatzweise oberflä-chen- und Luftdesinfektion in Angriff genommen wurden, und die Keimsensorik waren Ausgangspunkte für das neue Arbeitsfeld desinfektion, dem mittlerweile auch ein geplantes Projekt zur Hautoberflächendesinfektion bei operationen zugeordnet wurde (Abb. 5.2). für diese Anwendungen sind Uvc-Leds im Wellenlängenbereich von 265 bis 285 nm von besonderer Bedeutung.

Potential für den einsatz von Uvc-Leds zur desinfektion liegt zunächst in Anwendungen, in denen kleinere durchflüsse bzw. flächen diskontinuierlich (wegen des möglichen intermittierenden Betriebes der Uv-Leds und der damit verbundenen energieeinsparung) zu bestrah-len sind, also beispielsweise ortsbewegliche, Point-of-use-Geräte. Zugleich wird in Projekten dieses Arbeitsfel-des auch Knowhow für die künftige desinfektion großer volumina bzw. flächen erarbeitet.

for this are the technical advantages of UVC LeDs for the disinfection of water, air and surfaces. The reasons for the up to now sparse use of UV LeDs for disinfection applications has been the low performance and short lifespan of short-wavelength UVC LeDs to date, as well as their high cost. For 2018 and beyond, however, a boom is expected in the UVB/UVC LeD industry owing to technical progress, falling prices, and the participation of large manufacturers of visible LeDs. In 2019, sales of UV LeDs for disinfection are expected to exceed those of UV LeDs for curing for the first time (Fig. 5.1) [Yole Développement: UV LeD - Technology, Manufacturing and application Trends, 2016 edition].

In light of these developments, the Disinfection field of work of advanced UV for Life was established in 2017 with the aim of generating synergy effects. The original field of work Water, in which research on surface and air disinfection has already started to some extent, and germ Sensorics became the nuclei for the new field of work. also a new project on skin disinfection has been assigned to it (Fig. 5.2). UVC LeDs in the wavelength range from 265 to 285 nm are of particular importance for these applications.

Their initial potential lies in applications in which small fluid flows or surfaces are to be irradiated discontinu-ously; i.e. mobile point-of-use appliances, for example. at the same time, however, know-how for the future disinfection of greater volumes and larger surfaces is being developed within the projects in this field of work. .

Abb. 5.2: Struktur des Arbeitsfeldes desinfektion

Fig. 5.2: Structure of the Disinfection field of work


Uv-Leds in der wasserdesinfektion

ein Schwerpunkt im Arbeitsfeld desinfektion ist die entwicklung von Led-basierten Lösungen für die Wasserdesinfektion sowohl im Point-of-use- als auch im großtechnischen Bereich.

die Belastung von trinkwasser mit Keimen stellt weltweit, insbesondere in den Schwellenländern, ein zunehmen-des Problem dar. neben chlorung und der mit ihr einhergehenden Beeinträchtigung des Geschmacks sowie der möglichen Bildung von desinfektionsneben-produkten ist die desinfektion mit Uv-Strahlung ein anerkanntes verfahren zur desinfektion von trinkwasser. Bisher kommen dafür nahezu ausschließlich Quecksil-berdampf-Strahler zum einsatz. verglichen damit bieten Uv-Leds deutliche vorteile. Uv-Leds sind klein, kompakt, benötigen keine Aufheizphase, erlauben intermittierenden Kurzzeitbetrieb und lassen sich im Array zu flexibleren größeren Strukturen verschalten. Weiterhin sind sie mechanisch deutlich stabiler als die klassischen Strahler, wodurch sich vorteile und Kosteneinsparungen im mobilen einsatz ergeben. Auch bietet die flexibilität bezüglich der emissionswellenlänge chancen, die desinfektions-wirkung zu erhöhen. darüber hinaus könnte die verwendung von Quecksilber in klassischen Strahlern in absehbarer Zeit nicht mehr zulässig sein [UneP 2013: Minamata convention on Mercury; ricHtLinie 2011/65/eU deS eUroPÄiScHen PArLAMentS Und deS rAteS vom 08.06.2011 zur Beschränkung der verwen-dung bestimmter gefährlicher Stoffe in elektro- und elektronikgeräten]. Gleichwohl stellt die Uv-Led-tech-nologie im Bereich der Wasserdesinfektion neuland dar, weshalb im rahmen des Advanced Uv for Life Kon-sortiums durch die Partner im Arbeitsfeld desinfektion zunächst Grundlagenuntersuchungen zum allgemeinen einsatz von Uv-Leds in der Wasserdesinfektion durchgeführt wurden.

UV LEDs in Water Disinfection

One of the main points in the field of work Disinfection is the development of UV LeD-based solutions for the disinfection of water, both for point-of-use and for large-scale industrial applications.

The contamination of drinking water with bacteria presents an increasing problem worldwide, especially in developing countries. apart from chlorination and its accompanying impact on taste as well as the possible formation of byproducts, disinfection with UV radiation is also a recognized method of disinfecting drinking water. Thus far, mercury vapor lamps are used almost exclu-sively for this purpose. In comparison, UV LeDs would offer many advantages. UV LeDs are small, compact, require no warm-up phase, allow intermittent operation for short periods and can be assembled in arrays into larger, more flexible structures. Furthermore, they are clearly more mechanically stable than the classical emitters, which yields advantages and cost savings in terms of mobile applications. Likewise, the flexibility of the emission wavelengths provides opportunities to increase the disinfectant effect. Furthermore, the use of mercury in classical emitters may also no longer be permitted in not too far future [UneP 2013: Minamata Convention on Mercury; DIReCTIVe 2011/65/eU OF tHE EUropEan parLiaMEnt anD of tHE coUn-CIL of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment]. nevertheless, UV LeD technology repre-sents still a new horizon in the area of water disinfection, which is why also basic research on the general use of UV LeDs in water disinfection is carried out by the partners in the Disinfection field of work as part of advanced UV for Life.

Abb. 5.3: versuchsaufbau am tzw zur Bestimmung der desinfektionswirksamkeit von Uv-Leds

Fig. 5.3: experimental setup at TzW for the determination of the disinfection effectiveness of UV LeDs©tZW


Ziel war die ermittlung des einflusses unterschiedlichster Led-Parameter auf die desinfektionswirksamkeit und Wirtschaftlichkeit einer Uv-Led-basierten Wasserdesin-fektionsanlage. Mit Uvc-Leds unterschiedlicher Peakwel-lenlängen sowie Kombinationen davon wurden Bestrah-lungen von Wasserproben mit mehreren potentiell im Wasser vorkommenden Mikroorganismen durchgeführt. die Abb. 5.3 zeigt einen versuchsaufbau am tZW zur Bestimmung der desinfektionswirksamkeit von Leds verschiedener Wellenlängen. das in der Abbildung erkennbare Bestrahlungsmodul mit Ansteuerung wurde im vorfeld vom tZW modelliert und anschließend am ioSB-ASt entwickelt. Am Beispiel von Bacillus subtilis Sporen (Abb. 5.4) zeigt sich, dass sich durch eine verschiebung der Wellenlänge von 254 nm in den Bereich von 260 – 280 nm das Abtötungs-Potential mit Uv-Leds um einen faktor von bis zu 2 erhöhen lässt. Quecksilber-dampflampen bieten in dieser Beziehung aufgrund der physikalisch bedingten für Quecksilber charakteristischen emissions-linien (Hauptemissionslinie bei 253,7 nm) wenig optimierungsmöglichkeiten.

Abb. 5.4: Steigerung der desinfektions-wirksamkeit durch wellenlängenverschie-bung am Beispiel von Bacillus subtilis Sporen (tzw)

Fig 5.4: Increase of the disinfection efficacy due to wavelength shift using bacillus subtilis spores as an example (TzW)

The goal consists in the determination of the influence of various LeD parameters on the effectiveness of disinfection and the marketability of a UV LeD-based water disinfection system. Using UVC LeDs with various peak wavelengths and combinations thereof, the irradiation of water samples containing several micro-organisms potentially present in water was carried out. Fig. 5.3 shows an experimental setup at TzW for the determination of the disinfection effectiveness of UV LeDs with different wavelengths. The LeD module recognizable in the figure and its power supply have been modeled by TzW and developed by IOSB-aST afterwards.

In this case, the potential of UV LeDs was proven for Bacillus subtilis spores with just a shift of the wavelength from 254 nm into the range of 260 – 280 nm (Fig. 5.4). The disinfection rate could be enhanced up to a factor of two. In this respect, Hg vapor lamps (main emission peak at 253.7 nm) do not allow much opportunity for optimization due to physical reasons.


Abb. 5.5: Simulation Bestrahlungsnahfeld eines Led Moduls mit zwei wellenlängen und Led-versatz

Fig. 5.5: Simulation of the near-field irradiation pattern of a LeD module with two wavelengths and LeD offset©ioSB-ASt

Mit dem Ziel, verlässliche Led-basierte Uv-reaktoren für die beiden avisierten Märkte, der Point-of-Use-desin-fektion sowie den großtechnischen Bereich, zu entwi-ckeln, wurden auch technische fragestellungen und Untersuchungen zur optimierung von reaktorgeometrien und der Prozesssteuerung bearbeitet. dazu wurden u.a. Simulationen des Bestrahlungs-nahfeldes und der temperaturverteilung in wassergekühlten Led-Modulen durchgeführt. Beispiele dafür zeigen die Abbn. 5.5 und 5.6.

Abb. 5.7 zeigt die experimentell bestimmte temperatur-verteilung in einem Uvc-Led-Leistungsmodul.

Uv-Leds bieten die Möglichkeit, das reaktordesign flexibler und effizienter zu gestalten, wofür verschiedene entwürfe entwickelt wurden. in diesem Zusammenhang wurden auch druckversuche bis 60 bar erfolgreich durchgeführt und verschiedene vergussmaterialien für Led-Module erfolgreich getestet (Abb. 5.8). verfügbare Leds im SMd-Keramik-Package lassen sich direkt im Wasser betreiben und das Modul lässt sich rückseitig über einen Kupferkühlkörper aktiv kühlen.

des Weiteren wurden varianten für die Ansteuerelektronik entwickelt bei besonderer Berücksichtigung der frage, wie diese für den Betrieb von Uv-Leds ausgelegt werden muss, um vorzeitige Alterung zu vermeiden. Aufbauend auf vorab durchgeführten Simulationen wurden auch versuchsanordnungen und demonstratoren für die Wasserdesinfektion entwickelt. Schaltungs- und Über- wachungskonzepte wurden entwickelt und teilweise umgesetzt. Auf Basis der gewonnenen erkenntnisse werden die industriepartner PUrion und Xylem später eigene Produkte für ihre jeweiligen Zielmärkte entwickeln.

With the goal of developing reliable, LeD-based UV reactors for the two announced markets of point-of-use disinfection as well as the industrial sector, technical questions and investigations concerning the optimization of reactor geometries and process control were also examined. For this purpose, simulations of the irradiation near-field and temperature distribution in water-cooled LeD modules were carried out, among other things. examples of this are shown in Figs. 5.5 and 5.6.

Fig. 5.7 shows the experimentally determined tempera-ture distribution in a UVC LeD power module.

UV LeDs offer the possibility to design the reactor with greater flexibility and efficiency, for which different layouts were developed. In this context, pressure experiments up to 60 bar were successfully conducted and various encapsulation materials for LeD modules were successfully tested (Fig. 5.8). LeDs in the SMD ceramic package which are available on the market can be operated directly in water and the module can be actively cooled from the rear using a copper heatsink.

In addition, variants of the control electronics were developed with particular attention given to the question of how these must be designed for the operation of UV LeDs in order to avoid premature aging. Based on previously conducted simulations, experimental arrays and demonstration units were constructed for water disinfection. Circuitry and monitoring concepts were developed and implemented in part. Based on the knowledge gained, the industry partners PURIOn and Xylem will later develop their own products for their respective target markets.


abb. 5.6: thermische Simulation eines rückseitig wassergekühlten Led-Moduls

Fig. 5.6: Thermal simulation of a LeD module with water cooling from the rear©ioSB-ASt

abb. 5.7: temperaturverteilung in einem Uvc-Led-Leistungsmodul

Fig. 5.7: Temperature distribution in an UVC LeD power module ©ioSB-ASt

abb. 5.8: test des Vergusses von LeD- Modulen zum direkten einsatz im wasser

Fig. 5.8: Test of LeD module encapsulation for direct use in water©ioSB-ASt


Luftdesinfektion mittels Uv-Leds

die uns umgebende Luft mit ihren Strömungen ist ein ausgezeichneter Weg für die Ausbreitung unterschied-lichster Krankheitserreger. in stark frequentierten Bereichen, wie flughäfen, Arztpraxen, Krankenhäusern aber auch in transportmitteln, wie Bussen, Bahnen und Kühlfahrzeugen des Lebensmitteltransports, treten oft hohe Belastungen der Luft mit Mikroorganismen auf. Sie gefährden die Gesundheit von Personen, verunreinigen rohstoffe oder verderben Lebensmittel. neben Luftfilte-rung mittels HePA-filteranlagen wird zur entkeimung von Luft aktuell noch auf Uv-Strahlung aus Quecksilber-strahlern zurückgegriffen. diese klassischen Strahler sind jedoch aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur, der ständigen Bruchgefahr und des nur kontinuierlich möglichen Betriebes im mobilen Bereich nur sehr eingeschränkt bzw. mit hohem technischen Aufwand verwendbar.

Uvc-Leds können neue Anwendungen im Bereich der Luftdesinfektion erschließen. Auch hier bieten sie entscheidende vorteile: hohe mechanische Stabilität, Möglichkeit einer freien formgestaltung des Strahlers, einsetzbarkeit bei niedrigeren temperaturen, sofortige Betriebsbereitschaft bei Stromzufuhr. insbesondere in Kühlfahrzeugen, bei denen Außenluft und damit potentiell Keime über die Klimaanlage in das innere des Kühlraumes und die dort befindlichen Lebensmittel

abb. 5.9: Luftdesinfektion mittels UV-Strahlung ist ein anerkanntes verfahren zur Minimierung der Ausbreitung von Mikroorganismen in stark frequentierten Bereichen. UV-LeDs erschließen nun neue Möglichkeiten und Anwendungen.

Fig. 5.9: air disinfection by UV radiation is an ac-knowledged procedure for minimizing the spread of microorganisms in highly frequented areas. now, LeDs open up new possibilities and applications.©PUrion

Air Disinfection Using UV LEDs

The air surrounding us, with its currents, is an excellent way for various pathogens to spread. In highly frequented areas like airports, doctors‘ offices, hospitals and even means of transportation such as buses, trains and refrigeration trucks used in food transportation, high loads of microorganisms often contaminate the air. These endanger human health, contaminate raw materials and spoil foods. In addition to air filtration using HePa filtration systems, the sterilization of air currently still relies on UV radiation from mercury lamps. These classical emitters are nevertheless very limited in mobile applications due to their high operating tempera-ture, the risk of breaking and the unavoidable continuous operation, or can be used only with great technical effort.

They also offer distinct advantages in this area: UVC LeDs can open up new applications in the area of air disinfection. They also offer distinct advantages in the area of air disinfection: a high degree of mechanical stability, the possibility of freely designing the shape of the emission source, usability at lower temperatures and immediate operational readiness when supplied with power. UV LeDs can capitalize on their advantages in particular in refrigeration trucks, in which the exterior air, and thus potential germs, are blown by the climate control system into the interior of the refrigerated space and onto the foodstuffs located therein. In contrast to classical quartz emitters, which often do not survive the mechanical stresses during street driving and which also require a high operating temperature, UV LeDs are mechanically stable and can additionally be cooled by the cold air already present, what has a positive effect on their lifespan and efficiency.


geblasen wird, können Uv-Leds ihre vorteile ausspielen. im Gegensatz zu klassischen Quarzstrahlern, die oft die mechanischen Belastungen während der fahrt auf der Straße nicht überstehen und zudem eine hohe Betriebs-temperatur benötigen, sind Uv-Leds mechanisch stabil und können durch die ohnehin vorhandene Kaltluft zusätzlich gekühlt werden, was sich positiv auf Lebens-dauer und effizienz auswirkt.

im rahmen von Advanced Uv for Life werden daher durch die Partner PUrion, ioSB-ASt sowie GMBU neue Lösungen für die Luftdesinfektion in Kühlfahrzeu-gen entwickelt. die reine desinfektion der zugeführten Kaltluft mittels Uvc-Leds soll flankiert werden durch den Abbau von Geruchsstoffen mittels photokatalytischer oxidation an UvA-aktivierbaren oberflächen. Weiterhin werden biodosimetrische Untersuchungen zur ermittlung der optimalen Bestrahlungsdosis für typische, sich über die Luft ausbreitende Mikroorganismen durchgeführt. die einbindung in die fahrzeugelektronik über standar-disierte Schnittstellen soll das System markttauglich und in bestehende Kühl- und Klimaanlagen integrierbar machen. Smarte Überwachungsfunktionalitäten zur automatischen flottenüberwachung werden ebenfalls integriert. das Projekt soll den industriepartner PUrion befähigen, im Anschluss marktfähige desinfektionsanla-gen für Kühlfahrzeuge, Klimaanlagen, Küchen, Kranken-häuser u.a. zu entwickeln und zu vermarkten (Abb. 5.10).

abb. 5.10: Prinzipaufbau des gerätes zur desinfektion und geruchsbeseitigung

Fig. 5.10: Schematic sketch of an appliance for air disinfection and deodorization© PUrion

as part of advanced UV for Life, the partners PURIOn, IOSB-aST, and gMBU are therefore developing new solutions for air disinfection in refrigeration trucks. The mere disinfection of the cool air supplied by means of UVC LeDs is to be complemented by the reduction of odors through photocatalytic oxidation on UVa-activat-able surfaces. Furthermore, biodosimetric investigations to determine the optimal dose of irradiation for microor-ganisms that typically spread through the air will be conducted. The integration into the vehicle electronics using standard interfaces will make the system market-viable and capable of being integrated into existing cooling and air conditioning systems. Smart monitoring functionalities for automated fleet monitoring will also be integrated. The work will enable the industry partner PURIOn to subsequently develop and sell marketable disinfection systems for refrigeration trucks, air condition-ers, kitchens, hospitals and other applications (Fig. 5.10).

2 photocatalysis

1 Uvc disinfection


Dekontamination technischer Oberflächen in der Lebensmittelverarbeitung

Kontaminationen und Kreuzkontaminationen von Lebensmitteln mit Zoonose-erregern stellen in lebens-mittelproduzierenden Betrieben ein ernstzunehmendes Problem für die Gesundheit von Menschen dar und stehen seit langem im fokus des öffentlichen interesses. die Weltgesundheitsorganisation WHo spricht von weltweit 420.000 Menschen pro Jahr (Stand 2015), die an infektionen durch kontaminierte Lebensmittel sterben. die meisten Krankheits- und todesfälle sind auf die Aufnahme von Bakterien der Genera Salmonella, Listeria (vor allem Listeria monocytogenes), campylo-bacter, escherichia coli (vor allem eHec), Shigella und vibrio zurückzuführen. diese wiederum werden gehäuft mit Lebensmitteln der hygienisch anspruchsvoll zu verarbeitenden Kategorien Geflügel, eier, fisch, fleisch, rohmilch/rohkäse sowie den aufstrebenden fresh-cut-Gemüse- und obstprodukten (Schnittsalate etc.) aufgenommen .

darüber hinaus sorgen verderbniserreger weltweit für den verderb eines teils der erzeugten Lebensmittel. die verhinderung von Kontaminationen bzw. Kreuzkon-taminationen mit diesen erregern über technische Kontaktoberflächen ist daher ein Schlüsselelement der derzeitigen Zoonosebekämpfungsstrategien in der Lebensmittelproduktion und -verarbeitung.

darauf basierend wird im Arbeitsfeld desinfektion ein effizientes verfahren zur dekontamination von Kontakt-oberflächen im Lebensmittelproduktionsbereich mittels Uvc-Leds angestrebt. dabei soll die mikrobielle Belastung mit verschiedenen besonders relevanten Zoonoseerregern auf technischen oberflächen in der Lebensmittelproduktion reduziert werden. Lebensmittel selbst sollen entsprechend der aktuellen deutschen Gesetzeslage nicht behandelt werden.

die Uvc-Led-technologie wird einerseits hinsichtlich ihrer effizienz und eignung zur allgemeinen dekontami-nation von oberflächen in der fleisch- und Wurstwaren-produktion bewertet (Abb. 5.11). darüber hinaus soll das Uvc-verfahren auf Led-Basis für die inaktivierung von lebensmittelhygienisch bedeutsamen Zoonose- und verderbniserregern weiterentwickelt und validiert werden. Anhand dessen wird das Marktpotential des verfahrens auch für andere Bereiche der Lebensmittel-produktion abgeschätzt, um es abschließend ebenfalls in der Praxis zu implementieren.

im rahmen von Advanced Uv for Life werden durch die Partner oSA, SKS, fWS und die institute der fUB einerseits Grundlagen zum einsatz von Uvc-Leds im Lebensmittelbereich erarbeitet, andererseits wird die praktische implementierung im Lebensmittelproduktions-bereich vorbereitet und durchgeführt.

Decontamination of Technical Surfaces in Food Processing

Contaminations and cross-contamination of foods with zoonotic agents are a serious public health problem in food producing establishments and have long been in the public interest. The World Health Organization (WHO) reports of 420,000 people per year worldwide who die from infections caused by contaminated food. Most illnesses and deaths are due to the ingestion of bacteria of the genera Salmonella, Listeria (especially Listeria monocytogenes), Campylobacter, escherichia coli (especially eHeC), Shigella and Vibrio. In turn, these meicroorganisms are increasingly being found in foods of the hygienically demanding categories of poultry, eggs, fish, meat, raw milk and raw cheese, as well as fresh-cut vegetables (lettuce etc.) and fruit products.

In addition, spoilage organisms are responsible for spoilage of some of the food produced worldwide. The prevention of contamination or cross-contamination with these microorganisms via technical contact surfaces is therefore a key element of current zoonotic control strategies in food production and processing.

Based on this, our work aims for an efficient procedure for the decontamination of contact surfaces in the food production area by using UVC-LeDs. The aim is to reduce the microbial burden of various particularly relevant zoonotic agents on technical surfaces in food production. Foods themselves should not be treated directly by UVC, according to the current national law.

UVC LeD technology will be evaluated for its efficiency and suitability for general decontamination of surfaces in meat and sausage production (Fig. 5.11). In addition, the LeD-based UVC process for inactivating relevant zoonotic and spoilage agents is to be further developed and validated. Based on this, the market potential of the method will be estimated for other areas of food production, in order to finally implement it in practice.

as part of advanced UV for Life, the partners OSa, SKS, FWS and the institutes of the FUB are working on the basics of using UVC LeDs in the food industry, while the practical implementation in the food production area is being prepared and carried out.


Oberflächen – Hautantiseptik mit tiefenwirkung

die Prävention von Wundinfektionen nach operativen eingriffen (surgical site infection, SSi) erfordert eine Multibarrierenstrategie, die von Hygienemaßnahmen seitens der operateure über die desinfektion von flächen bis zur sterilen Aufbereitung von Medizinproduk-ten reicht. von besonders hoher evidenz ist die prä-operative Antiseptik des oP-feldes, damit die erreger bei der durchtrennung der Haut nicht in die tiefe verschleppt und vor allem anschließend nicht in den oP-Situs freigesetzt werden. trotz intensiver Bemühun-gen liegt die rate der SSi in deutschland noch immer bei etwa 5 % (800.000 fälle pro Jahr bei 16 Millionen stationär durchgeführten operationen, ambulante operationen nicht mitgerechnet). SSi beeinträchtigen die Wundheilung und können im schlimmsten fall zu einer Sepsis oder zum tod führen. nur etwa 10 % der SSi werden durch exogene erreger verursacht. in den meisten fällen ist die körpereigene erregerbesiedlung für die entwicklung einer SSi verantwortlich. daher müssen neue Strategien entwickelt werden, welche die präoperative Hautantiseptik nachhaltig verbessern, um die körpereigene erregerlast im oP-feld über einen längeren Zeitraum effektiv zu reduzieren.

Surfaces – Skin Antisepsis with Depth Effect

The prevention of wound infections following surgical interventions (surgical site infection, SSI) requires a multi-barrier strategy, which stretches from hygienic measures by the operating personnel to the disinfection of surfaces and the sterile preparation of medical products. There is a high degree of evidence for the preoperative antisepsis of the OP field, assuring that pathogens are not displaced deeply into the wound during the transection of the skin. Despite intensive efforts, the rate of SSIs in germany is still approximately 5 % (800,000 cases per year for 16 million operations carried out in hospitals; outpatient operations not included). SSIs can impair wound healing and, in the worst case, lead to sepsis or death. Only about 10 % of SSIs are induced by exogenous pathogens. In most cases, the body’s own population of pathogens is responsible for the development of SSIs. Therefore, new strategies must be developed to sustainably improve preoperative skin antisepsis, so that the body’s own load of pathogens is effectively reduced at the operation site over a longer period of time.

Abb. 5.11: wurst-slicer im verarbei-tungsbetrieb

Fig. 5.11: Sausage slicer in a production environment©SKS


neueste erkenntnisse zeigen, dass etwa 25 % der körpereigenen erreger in den Haarfollikeln lokalisiert sind. nach herkömmlicher Hautantiseptik kann zwar die erregerzahl auf der Hautoberfläche deutlich reduziert werden, durch die im Haarfollikel lokalisierten erreger kommt es aber relativ schnell zu einer Wiederbesiedlung der Hautoberfläche (Abb. 5.12). das erhöht insbesonde-re bei länger anhaltenden operativen eingriffen das risiko einer SSi deutlich.

im rahmen eines Advanced-Uv-for-Life–vorhabens soll die Strahlung von UvA-Leds dazu genutzt werden, das follikuläre erregerreservoir zu zerstören, um einen langanhaltenden antiseptischen effekt zu erzielen. dies kann mittels UvA-responsiven nanocarriern erreicht werden, die mit einem Antiseptikum beladen sind. die nanocarrier müssen dabei eine Größe von etwa 600 nm haben, da für diese Partikelgröße eine besonders

etwa 25 % der hauterreger befinden sich im haarfollikel, Auftragung eines herkömmlichen Antisepti-kums

about 25 % of skin pathogens are located in the hair follicles; application of a conventional antiseptic

The latest findings show that approximately 25 % of the body’s own pathogens are localized in the hair follicles. With conventional skin antiseptics, the number of pathogens on the skin surface can be markedly reduced, although the recolonisation of the skin surface takes place rather rapidly due to pathogens localized within hair follicles (Fig. 5.12). This increases the risk of SSIs significantly, especially in the case of longer-lasting surgical interventions.

In an advanced UV for Life project, the irradiation from UVa LeDs will be used fordestroying the follicular pathogen reservoir, in order to effectively achieve a long-lasting antiseptic effect. This can be realised using UVa-responsive nanocarriers that are loaded with an antiseptic. The nanocarriers must have a size of approximately 600 nm, since it has been shown that

herkömmliche Antiseptika errei-chen die erreger im haarfollikel nicht

Conventional antiseptics fail to reach the pathogens within the hair follicle

Ausgehend vom follikulären reservoir kommt es zur schnel-len wiederbesiedlung der haut

Starting from the follicular reservoir, a rapid recolonisation of the skin takes place

Abb. 5.12: Schematische darstellung der herkömmlichen hautantiseptik:

Fig. 5.12: Schematic representation of conventional skin antisepsiss:


effektive und tiefe Penetration in den Haarfollikel gezeigt werden konnte. im Anschluss an den transport in den Haarfollikel ist eine getriggerte freisetzung des Antisep-tikums aus den nanocarriern notwendig (Abb. 5.13). in voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich UvA-Strahlung besonders gut dafür eignet. Mit UvA-Strahlung können – im Gegensatz zu z.B. UvB-Strah-lung – auch die tieferen Areale im Haarfollikel erreicht werden. in geringer dosierung kann UvA kurzfristig bedenkenlos eingesetzt werden. Geplant ist daher die Konstruktion eines leichten, batteriebetriebenen, wiederverwendbaren UvA-Led-Aufsatzes, der an die Standardapplikatoren für Antiseptika in einem bestimm-ten Abstand zur Hautoberfläche angebracht werden kann. durch die kurzzeitige UvA-Bestrahlung kommt es dann zur freisetzung des Antiseptikums im Haarfollikel und zur signifikanten reduzierung des follikulären erregerreservoirs.

particles of this size demonstrate a particularly effective and deep penetration into the hair follicles. Following transport into the hair follicles, a triggered release of the antiseptic from the nanocarriers is necessary (Fig. 5.13). In initial experiments it could be shown that UVa radiation is particularly suitable for this purpose. With UVa radiation – in contrast to UVB radiation, for example – even the deep areas within the hair follicle can be reached. In small doses, UVa can be used over short durationwithout concern. Therefore, the plan is to construct a lightweight, battery-driven, reusable UVa LeD attachment that can be positioned at a specified distance from the skin surface on standard antiseptic applicators. The short UVa irradiation then leads to the release of the antiseptic within the hair follicles and to a significant reduction of the follicular reservoir of pathogens.

Abb. 5.13: Schematische darstellung der verbesserten UvA-getriggerten hautantiseptik

Fig. 5.13: Schematic representation of the improved UVa-triggered skin antisepsis

etwa 25 % der hauterreger befinden sich im haarfollikel

about 25 % of skin pathogens are located in the hair follicles

die haut wird mit den UvA-respon-siven mit Antiseptika beladenen nanocarriern behandelt, es erfolgt eine tiefe Penetration in den haarfollikel

The skin is treated with the UVa-responsive nanocarriers loaded with antiseptics; a deep penetration into the hair follicle occurs

durch die UvA-Bestrahlung erfolgt die freisetzung des Antiseptikums aus den nanocarriern im haarfolli-kel und auf der hautoberfläche

Induced by UVa irradiation, release of the antiseptic from the nanocarri-ers takes place in the hair follicle and on the surface of the skin

Auch die erreger im haarfollikel sind zerstört, es erfolgt keine wiederbesiedlung der hautober-fläche aus dem follikulären erregerreservoir

even the pathogens in the hair follicle are destroyed; there is no recolonisation ofthe skin surface from the follicular pathogen reservoir


Stationäre fluoreszenzbasierte Keimdetektion auf oberflächen in krankenhäusern, Pflegeheimen, Küchen und in der Pharma- und Lebensmittelproduktion

Mikrobiologische Kontaminationen von oberflächen in Krankenhäusern, speziell auf intensivstationen, in Pflegeheimen, Pharmaunternehmen, aber auch in Lebensmittel-produzierenden Unternehmen, Groß-küchen, Küchen von öffentlichen einrichtungen sowie restaurants stellen eine erhebliche Gesundheitsgefähr-dung für den Menschen dar. So halten sich Lebensmit-telinfektionen in deutschland auf einem hohen niveau, wie aus Untersuchungen im rahmen eines WHo- Programms seit 1985 hervorgeht. Jährlich werden in deutschland etwa 200.000 fälle gemeldet. Keime im Produktionszyklus und in Lagerräumen von Lebensmit-teln führen dazu, dass jährlich tausende tonnen von Lebensmitteln vernichtet werden. Schadensabschät-zungen belaufen sich auf 100 bis 500 Mio. €/a in deutschland. die Qualitätssicherung der Produktions-abläufe und -umgebungen spielt also eine zentrale rolle.

Gemäß dem europäischen GMP (Good Manufacturing Practice)-Leitfaden müssen Produktionsstätten auf in der Luft und auf oberflächen vorhandene Keimbelastungen überwacht werden. Auch im Bereich der Lebensmittelhy-giene ist mit dem HAccP (Hazard Analysis and critical control Point)-Konzept ein in nahezu allen nationalen richtlinien implementiertes vorgehen zur Abwehr von Gesundheitsgefahren und damit zur Gewährleistung der Sicherheit von Lebensmitteln verankert. Bestandteil dieser normen ist u.a. das einrichten von entsprechen-den Überwachungsverfahren an kritischen Kontrollpunk-ten. der nachweis von Mikroorganismen in der Lebens-mittel- und Pharmatechnologie gehört zur Standard- diagnostik.

die derzeit angewendeten Prüfverfahren basieren alle auf einer Probennahme und führen zumeist erst nach einer Wartezeit von Stunden bis tagen zu verlässlichen ergebnissen. Um den aktuellen Keimstatus vor ort zu testen, erfolgen aktuell größtenteils tests über Abstriche, welche auf nährplatten übertragen werden, um die entnommenen Keime anzuzüchten und zu vermehren. die Keimzahl gibt dann an, wie viele Mikroorganismen-kolonien sich auf einem für diesen Zweck normierten Agar-nährboden im verlauf von (in der regel) 48 Stunden bei einer geregelten Bebrütungstemperatur gebildet haben. die Auswertung erfolgt meist durch Labormitarbeiter visuell.

im Bereich des Hygienemonitorings ist das oben beschriebene tupferverfahren der Goldstandard. Mit verfahren, wie der direkten-epifluoreszenz-filter- technik (deft) oder insbesondere den als Hygienetest bekannten Schnellmethoden AtP-Biolumineszenz, Protein- und nAd-test, lassen sich ergebnisse zwar im Zeitraum von Minuten bis wenige Stunden erreichen,

.Stationary Fluorescence-Based Bacterial Detection on Surfaces in Hospitals, Care Facilities, Kitchens, and in Pharmaceutical and Food Production

Microbiological contamination of surfaces in hospitals, especially intensive care units, in care facilities, phar-maceutical companies, as well as in food production companies, large-scale kitchens, kitchens in public institutions and restaurants represents a significant hazard to human health. Thus, food-borne infections in germany remain at a high level, as can be seen in studies that have been part of a WHO program since 1985. Some 200,000 cases are reported annually in germany. germs in the production cycle and in food storage rooms lead to thousands of metric tons of food having to be destroyed every year. Damage estimates amount to as much as € 100 to 500 million p.a. in germany. Therefore, quality assurance in production processes and environments plays a central role.

according to the european gMP (good Manufacturing Practices) guidelines, production facilities must be monitored for the presence of microbial contamination in the air and on surfaces. Likewise in the area of food hygiene, the HaCCP (Hazard analysis and Critical Control Point) concept, implemented in practically all national guidelines, enshrines procedures for defending against health hazards and thereby guaranteeing the safety of foods. a component of these standards is, among others, the installation of appropriate monitoring procedures at critical control points. The detection of microorganisms is part of the standard diagnostics in food and pharmaceutical technologies.

The testing procedures in current use are all based on sampling and, at a minimum, lead to a reliable result following a waiting time of hours to days, at least. In order to verify the prevailing bacterial status on site, for the most part tests are currently carried out by means of smears transferred to Petri dishes in order to culture and multiply the bacteria sampled. The germ count is then the number of microorganism colonies that have formed on an agar nutrient surface normalized for this purpose within a period of (generally) 48 hours at a controlled incubation temperature. This evaluation is mostly carried out visually by laboratory personnel.

In the area of hygiene monitoring, the aforementioned swab procedure is the gold standard. With procedures such as the direct epifluorescence filter technique


allerdings sind diese sämtlich indirekt und benötigen vergleichsweise teure enzyme oder indikator-farbstoffe als zusätzliche reagenzien. die firma freshdetect bietet ein auf Laser-induzierter fluoreszenzspektros-kopie basierendes Handgerät zur Schnelldetektion mikrobieller Stoffwechselprodukte (Porphyrine – Anre-gung bei 405 nm) in fleischprodukten an.

im forschungsstadium befinden sich direkte, störungs-freie, optische Ansätze zur Schnelldiagnostik auf Basis der vergleichsweise aufwendigen und kostenintensiven raman-Spektroskopie. in einer reihe von wissenschaft-lichen Arbeiten wurde der Autofluoreszenz-basierte nachweis von Mikroorganismen in Aerosolen, in flüssig-keiten und auf oberflächen (hier insbesondere im Zusammenhang mit Biofouling, teilweise auch bildge-bend) untersucht, und es wurden verschiedene optische Systeme zu deren Messung realisiert. Mit dem Quantus-fluorimeter der firma Promega aus den USA können Proben von nukleinsäuren und Proteinen in speziellen Probenröhrchen bemustert werden. die firma SAfAS S.A. (Monaco) hat sich mit ihren fluorimetern auf Applikationen der pharmazeutischen und nuklear-for-schung sowie den militärischen Bereichen konzentriert.

Bislang existieren also nur Lösungen zur Anwendung im Labor oder mobile varianten, die technisch zu aufwändig, zu teuer und/oder nicht auf die eingangs beschriebene Aufgabenstellung angepasst sind.

im rahmen des Projektes Stationäre fluoreszenzbasier-te Keimdetektion auf oberflächen wurden grundlegen-den Untersuchungen durchgeführt zur entwicklung eines Keimdetektionsverfahrens, welches auf der Uv-Led-angeregten fluoreszenz von Biomolekülen beruht, die charakteristisch für die Anwesenheit lebender Mikroorga-nismen sind. Solche intrazelluläre Biomoleküle sind beispielsweise tryptophan und andere Aminosäuren, nukleinsäuren und Koenzyme, wie nAdH, welche infolge einer Anregung mit Photonen im Uv-Wellen-längenbereich charakteristische fluoreszenzstrahlung emittieren. für das fluoreszenzoptische Messverfahren wurden Leds mit 280 nm, 340 nm und weiteren Wellenlängen im UvA- und viS-Bereich eingesetzt. diese sind auf die Anregungswellenlängen von aus der Literatur bekannten in Mikroorganismen vorhandenen, fluoreszierenden Biomolekülen (tryptophan – 280 nm, nAd(P)H – 340 nm, flavine – 450 nm) abgestimmt. es zeigte sich, dass sich mit leuchtstarken, relativ schmalbandig emittierenden Uv-Leds mit hinreichenden Leistungen eine ausreichend intensive Autofluoreszenz-emission erzeugen lässt. diese Leds machen ein kompakt und modular gestaltbares Sensorsystem für die vor-ort-Analyse fluoreszierender biologischer fluoro-phore überhaupt erst möglich. im Projekt wurden die Anforderungen an die Leds, wie Wellenlänge, Leistung, Kantenschärfe und Apertur, ermittelt. Mehrere, den Uv-viS-Bereich überstreichende Leds mit unterschied-lichen Wellenlängen (und verschiedenen Leistungen) wurden in einen Aufbau integriert (Abbn. 5.14 und 5.15).

(DeFT) or especially the rapid methods of aTP biolumi-nescence, protein tests, and naD tests, known as hygiene tests, results can be achieved in minutes to a few hours; however, all of these are indirect and require comparatively expensive enzymes or indicator dyes as additional reagents. The Freshdetect company offers a hand-held device based on laser-induced fluorescence spectroscopy for the rapid detection of microbial metabolic products (porphyrins – excitation at 405 nm) in meat products.

at the research stage, there are direct, non-disruptive, optical approaches to rapid diagnostics based on the comparatively elaborate and expensive Raman spectros-copy. In a series of scientific works, the autofluorescence-based detection of microorganisms in aerosols, in liquids and on surfaces was investigated (here, especially in connection with biofouling, in part also imaging) and various optical systems for measuring them were realized. Using the Quantus fluorometer by the Promega company (USa) samples of nucleic acids and proteins can be sampled in special sample tubes. With their fluoro-meters, the company SaFaS S.a. (Monaco) has concentrated on applications in pharmaceutical and nuclear research, as well as in the military sector.

Thus, until recently, there were only solutions for use in the laboratory or mobile variants that were technically too complicated, too expensive and/or not adapted to the tasks described above.

Abb. 5.14 : erster demonstrator des entwickelten fluorimeters

Fig. 5.14: First fluorimeter variant©Silicann


für die detektion der fluoreszenzemissionen und die Auswertung der fluoreszenzspektren wurde eine hinreichend empfindliche Uv/viS-Spektrometereinheit entwickelt, in Hard- und Software umgesetzt und erprobt.Auswertealgorithmen für die fluoreszenzspektraldaten wurden auf die mit dem Applikationsmuster gesammel-ten datensätze adaptiert. die entmischung eines fluores- zenzspektrums eines e. coli-Biofilms auf edelstahl bei gleichzeitiger fluoreszenzanregung mit der 280-nm- und 340-nm-Led sowie ohne Langpassfilter im detektions-kanal wurde mit Methoden der multivariaten datenana-lyse realisiert. für das entmischen der relevanten Bestandteile des Spektrums wurden als spektrale Biblio-thek die Signaturen von der Led (340 nm), nAdPH und tryptophan verwendet.

die erreichte Zielgröße des Messsystems ist die nachweisgrenze von Lebend-Kontaminationen, die mit den am Markt etablierter AtP-Lumineszenz-Hygienetestge- räte (z. B. Lumitester Kikkoman) vergleichbar ist und im Bereich 105 – 106 Zellen/ml liegt.

das Projekt Stationäre fluoreszenzbasierte Keimdetek- tion auf oberflächen (StafluKo) wurde nach zweijähriger Laufzeit im februar 2018 erfolgreich abgeschlossen. die erzielten ergebnisse schaffen die voraussetzungen für weitere entwicklungen.

Within the frame of the project Stationary Fluorescence-based germ Detection on Surfaces basic investigations were performed for the development of a bacterial detection procedure that is based on the UV LeD-excited fluorescence of biomolecules characteristic of the presence of living microorganisms. Such intracellular biomolecules include, for example, tryptophan and other amino acids, nucleic acids and coenzymes such as naDH which, as a result of excitation with photons in the UV spectrum, emit a characteristic fluorescence. For the fluorescence optical measurement procedure, LeDs with wavelengths of 280 nm, 340 nm and others in the UVa and visible spectral ranges were used. These are tuned to the excitement wavelengths of the fluorescing biomolecules known from the literature and present in microorganisms, (tryptophan – 280 nm, naD(P)H – 340 nm, flavins – 450 nm). It was found that by using highly luminous, relatively narrowband emitting UV LeDs with adequate performance parameters, a sufficiently intensive autofluorescence emission was produced.


These LeDs make a compact and modularly designed sensor system for on-site analysis of fluorescing biological fluorophores at all possible for the very first time. Within this project the essential parameters, such as wavelength, power, edge definition and aperture have been determined that LeDs have to fulfill. Many LeDs spanning the UV-VIS spectrum with various wavelengths (and different output powers) were inte-grated into a single structure (Figs. 5.14 and 5.15).

a sufficiently sensitive UV/VIS spectrometer unit for the detection of fluorescence emissions and the evaluation of the fluorescence spectra was developed, implemented in hardware and software, and tested.

evaluation algorithms for the fluorescence spectral data were adapted to the data sets collected using the sample application. The segregation of a fluorescence spectrum of an e. coli biofilm on stainless steel with simultaneous fluorescence excitement using the 280 nm and 340 nm LeD, as well as without the longpass filter in the detection channel, was realized using methods of multivariate data analysis. The signatures of the LeD (340 nm), naDPH and tryptophan were used as a spectral library for the segregation of the relevant components of the spectrum.

Abb. 5.15: Led-Anordnung, seitlich

Fig. 5.15: Side view of the LeD arrangement©Silicann

The target figure achieved by the measurement system is the detection limit for living contaminants, which is comparable to aTP luminescence hygiene testing devices established in the market (e.g. Kikkoman Lumitester) and is in the range of 105 – 106 cells/ml.

The two-year project Stationary Fluorescence-based germ Detection on Surfaces was successfully finished in February 2018. The demonstration unit developed and the results achieved have created the conditions neces-sary for further developments.

6 MeDiZiN MEDicinE



› Asclepion Laser technologies GmbH (Asclepion)› charité - Universitätsmedizin Berlin (charité)› courage+Khazaka electronic GmbH (c+K)› freiberg instruments GmbH (freiberg instruments)› Gesellschaft zur förderung von Medizin-,

Bio- und Umwelttechnologien e.v. (GMBU)› Hans Karrer GmbH (Hans Karrer)

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Medizin | Medicine 75Medizin | Medicine 75

ProjectS & PArtnerS

Basic research concerning the use of Uv Led based fluorescence and remission sensors in dermatologyc+K | charité* | GMBU | Silicann

dermatological narrow- band UvB phototherapy in combination with dosimetryAsclepion | GMBU*

development and test of a miniaturized method for non-invasive determination of the sun protection factor of sun blockers for the human skin

c+K | charité* | fUB-PiM | Hans Karrer

Measurement of redox status in blood and skin by ePr spectroscopy under Uv stress charité* | freiberg instruments


©courage+Khazaka electronic GmbH


Uv-Strahlung wird in der breiten Öffentlichkeit vorwie-gend skeptisch, wenn nicht gar mit einem negativen image behaftet, gesehen: Stets wird warnend darauf hingewiesen, dass der Uv-Anteil in der Sonnenstrahlung Sonnenbrand hervorruft und krebserregend ist. in der tat kann insbesondere UvB-Strahlung gesundheitliche Schäden in Haut und Augen hervorrufen, so dass Schutzmaßnahmen erforderlich sind. Aber bereits im Jahr 1903 erhielt der färöisch-dänische dermatologe niels ryberg finsen den nobelpreis für Medizin „in Anerkennung seines Beitrags zur Behandlung von Krankheiten, insbesondere Lupus vulgaris, mit konzen-trierter Lichtstrahlung, durch die er der medizinischen forschung einen neuen Weg eröffnete”. finsen verwen-dete für seine erfolgreiche Lichttherapie Uv-Strahlung und entwickelte dafür spezielle Lampen. damit ist umrissen, dass Uv-Strahlung in der Medizin eine wichtige rolle spielt, sowohl wegen des notwendigen Schutzes vor der schädigenden Wirkung von UvB- Strahlung, als auch wegen der möglichen therapeuti-schen verwendung von Uv-Strahlung zur Behandlung von Hautkrankheiten oder der Bildung von vitamin d. nicht zu vergessen ist die enorme Bedeutung der keimtötenden Uvc-Strahlung bei der desinfektion von Geräten. Schließlich sei auch der einsatz von Uv-Strahlung zur fluoreszenzanregung für viele biomedizinische und forensische Analysemethoden erwähnt.

Seit relativ kurzer Zeit stehen auch Leds als künstliche Quellen für Uv-Strahlung mit ausreichender optischer Leistung für diagnostische und therapeutische Zwecke in den verschiedenen Uv-Bereichen zur verfügung. Wegen ihrer vielfach erwähnten vorteile ermöglichen sie auch ganz neue, z.t. überraschende Anwendungen in der Medizin, so dass sie bei weitem nicht nur als robuste, umweltfreundliche Substitute für die bisher ausschließlich zum einsatz kommenden Uv-Strahlungs-quellen dienen können.

im Arbeitsfeld Medizin verfolgen die Partner das gemeinsame Ziel, neuartige und miniaturisierte Uv-technologien in der biomedizinischen und diagnostik sowie der Medizintherapie zu etablieren.

UV radiation is largely regarded with skepticism by the general public, or even associated with a negative image. There are constant warnings that the UV radiation as a part of sunlight leads to sunburn and is carcinogenic. Indeed, UVB radiation in particular can cause damage to the eyes and skin, making protective measures necessary. Way back in 1903 already however, Faroese-Danish dermatologist niels Ryberg received the nobel Prize for medicine “in recognition of his contribu-tion towards the treatment of diseases, particularly Lupus vulgaris, with concentrated light radiation, whereby he has opened a new avenue for medical research”. For his successful light therapy, Finsen used UV radiation and developed special lamps for it. This already demonstrates that UV radiation plays an important role in medicine, both due to the necessary protection against the harmful effect of UVB radiation, as well as because of the potential therapeutic use of UV radiation for treating skin diseases or for the formation of vitamin D. and the enormous importance of germ-killing UVC radiation for disinfecting instruments must not be forgotten. Finally, mention should also be made of the use of UV radiation for fluorescence excitation in many biomedical and forensic analysis methods.

Only recently LeDs have also been available as artificial sources of UV radiation with sufficient optical power for diagnostic and therapeutic purposes in the various UV spectral ranges. Due to their many advantages already mentioned, they make new, sometimes surprising applications possible in medicine, and their uses extend far beyond that of robust, environmentally friendly substitutes for the sources of UV radiation that were all that was so far available.

In the Medicine field of work, the partners are pursuing the common goal of establishing innovative, miniaturized UV technologies for biomedical sensors, diagnosis and medical therapy.

Medizin | Medicine 77

nicht-invasive Bestimmung des Lichtschutz-faktors von Sonnenschutzmitteln

Ausgehend vom geänderten freizeitverhalten, d. h. der tatsache, dass Urlauber ihre freizeit immer mehr in den Bergen oder in sonnenreichen regionen am Meer verbringen, kommt der Anwendung von Sonnenschutz-mitteln eine besondere Bedeutung zu. deren Wirksam-keit gegen schädliche Uv-Strahlung von der Sonne wird durch den Lichtschutzfaktor (Sun Protection factor – SPf) gekennzeichnet. Zu seiner Bestimmung wird für Probanden die minimale erythemdosis, d. h. die dosis von Uv-Strahlung, bei der ein Sonnenbrand auftritt, im falle der mit Sonnenschutzmitteln behandelten Haut und der ungeschützten Haut ermittelt. der SPf ist dann das verhältnis zwischen diesen beiden Werten. in allen fällen wird also ein Sonnenbrand erzeugt, der genau durch das Sonnenschutzmittel eigentlich verhindert werden soll. diese Methode ist daher unbefriedigend.

die amerikanische food- and drug Administration wie auch die europäische Kommission fordern seit Jahren die entwicklung einer nicht-invasiven Methode zur Bestimmung von Lichtschutzfaktoren von Sonnenschutz-mitteln. im rahmen des vorliegenden Projektes soll diese forderung erfüllt werden.

die hier verwendete Messmethode basiert auf der sogenannten „Photonenbanane“: Uv-Strahlung wird durch eine Lichtleitfaser auf die mit Sonnenschutzmittel behandelte Haut aufgebracht. ein teil des Lichtes wird reflektiert, ein anderer teil wird im Gewebe gestreut und tritt an anderer Stelle wieder heraus. dieses Licht durchläuft „bananenförmig“ die obere Hautschicht und passiert das Sonnenschutzmittel zweimal. es wird mit Lichtleitfasern und einem empfänger detektiert (Abb. 6.1).

Non-Invasive Determination of the Sun Protection Factor of Sunscreen Agents

In light of changing leisure activities, i.e. the fact that vacationers are increasingly spending their free time in the mountains or in sunny regions by the sea, the application of sunscreen agents is of particular impor-tance. Their effectiveness against damaging UV radiation from the sun is designated by the sun protection factor – SPF. To determine this, the minimal erythema dose for subjects, i.e. that dose of UV radiation at which a sunburn appears, is determined for skin treated with sunscreen agents and for untreated skin. The SPF is the ratio between the two. a sunburn is thus produced in all cases, which is precisely what the sunscreen agent is actually intended to prevent. This method is therefore unsatisfactory.

For years, both the american Food and Drug administra-tion and the european Commission have requested the development of a non-invasive method for determining the sun protection factor of sunscreen agents. One of the aims of the present project is to fulfill this request.

The measurement methods used here are based on the so-called “photon banana”: UV radiation is applied by means of an optical fiber to skin treated with sunscreen agent. a portion of the light is reflected, while another portion is scattered within the tissue and comes out again elsewhere. This light passes through the upper skin layer in a “banana shape,” and thus penetrates the sunscreen agent twice. It is detected using optical fibers and a receiver (Fig. 6.1).

abb. 6.1: Messaufbau zur Bestimmung der SPf-werte von Sonnenschutzmitteln (hier am Modellgewebe Schweineohr; im vordergrund)

Fig. 6.1: experimental setup for the determination of the sun protection factor (SPF) of sunscreen products (here on a pig’s ear as model tissue; in the foreground) ©charitè


in einem Basisprojekt wurde an einem Modellgewebe mittels einer Xenon-Lampe und einem Spektrometer nachgewiesen, dass die vorgeschlagene Konzeption zur Bestimmung des Lichtschutzfaktors von Sonnenschutz-mitteln geeignet ist. im nachfolgeprojekt wurde eine UvB-Led eingesetzt, um in einem vereinfachten System den SPf zu bestimmen. die Arbeiten erfolgen in enger Kooperation der charité - Universitätsmedizin Berlin mit den firmen courage+Khazaka electronic GmbH und der Hans Karrer GmbH.

Auch hier wurden die Untersuchungen in der Anfangs-phase wiederum am Modellgewebe Schweineohr durchgeführt. nach Genehmigung des forschungsvor-habens durch die ethikkommission der charité erfolgten Untersuchungen auch an Probanden. Hier wurden bereits mit einer UvB-Led allein gute ergebnisse erzielt. in beiden fällen wurde eine gute Korrelation zwischen den gemessenen SPf-Werten und den in den testlabors unter in-vivo Bedingungen bestimmten SPf-Werten erzielt. der verlauf der Messkurven vom Schweineohr und von den Probanden unterscheidet sich, was auf den unterschiedlichen Melaningehalt der Haut zurückzufüh-ren ist (Abb. 6.2).

In a foundational project, using a xenon lamp and a spectrometer, it was demonstrated at a model tissue that the proposed concept is suitable for determining the sun protection factor of sunscreen agents. In a follow-up project, a UVB LeD was used to determine the SPF in a provisional system. The work is being carried out in close cooperation between the Charité – Universitäts medizin Berlin and the companies Courage+ Khazaka electronic gmbH and Hans Karrer gmbH.

Here too, the investigations during the initial phase were also carried out on the pig’s ear tissue model. Following approval of the research proposal by the ethics Commis-sion of the Charité, investigations were also carried out on test subjects. Only good results have been achieved so far with the UVB LeD. In both cases, a good correla-tion between the measured SPF values and the SPF values determined in the testing laboratory under in vivo conditions was achieved. The course of the measured curve for the pig’s ear and for the subjects is different, which is a result of the differing melanin content of the skin (Fig. 6.2).

It is known, however, that the UVa range of sunlight also influences the SPF. additional investigations into this will be conducted. It is expected that the spread of measured values can be reduced even further.

abb. 6.2: SPF-Werte von verschiedenen Sonnenschutzmitteln, bestimmt mit der hier beschriebenen Methode im vergleich zu den in testlaboren (referenz) bestimmten. die Unterschiede in den kurvenverläufen beim Schwein und (blau) beim Menschen (rot) sind auf die unterschiedlichen Melaninkonzentrationen der haut zurückzuführen.

Fig. 6.2: SPF values of different sunscreen products measured by the described method in comparison with those measured by reference laboratories. The different slopes of the curves obtained for porcine and human skin are due to the different melanin content.


es ist jedoch bekannt, dass auch der UvA-Bereich der Sonnenstrahlung den SPf beeinflusst. Hierzu werden weitere Untersuchungen durchgeführt. Sie lassen erwarten, dass die Streubreite der Messwerte weiter reduziert werden kann.

im weiteren verlauf des Projektes wird angestrebt, die Messzeit weiter zu reduzieren und den einfluss von fluoreszenzstrahlung, welcher bei einigen Sonnen-schutzmitteln auftritt, auszuschließen oder zu kompen-sieren.

Mithilfe der beteiligten industriepartner, aber auch mit Unterstützung der deutschen Sonnenschutzmittelherstel-ler, soll nach dem Projektabschluss eine standardisierte Lösung zur SPf-Bestimmung erarbeitet werden, die dann die derzeit benutzte Methode international ersetzen soll.

neue Blutdiagnostik zur Bestimmung des redoxstatus mittels Uv-Leds und eSr- Spektroskopie

die entstehung von radikalischen Sauerstoffverbindun-gen (reactive oxygen species, roS) ist ein normaler Prozess innerhalb des Körpers. eine Überschreitung der physiologischen radikalkonzentration führt zur entste-hung von oxidativem Stress, der für viele Krankheiten sowie vorzeitige Hautalterung als ein Grundrisiko genannt wird. Um Schäden, welche durch roS verursacht werden können, besser zu kontrollieren und zu minimieren, steht den freien radikalen das antioxidative Schutzsystem (AoS) des Körpers gegenüber. Hierbei bezeichnet der redoxstatus das Gleichgewicht zwischen Antioxidantien und oxidantien (z.B. roS) im Körper (Abb. 6.3).

as part of this ongoing project, it is intended to reduce the measurement time even further and to exclude or compensate for the influence of fluorescent radiation, which occurs with some sun protection agents.

With the help of the participating industry partners, and likewise with the support of the german sunscreen agent producers, a standardized solution for determining SPF is intended to be developed once the project is com-pleted, which is then intended to replace the methods currently used internationally.

New Blood Diagnostics for Determining the Redox Status by Means of UV LEDs and EPR Spectroscopy

The creation of radical oxygen compounds (reactive oxygen species, ROS) is a normal process inside the body. an excess physiological concentration of radicals leads to oxidative stress, which is identified as a basic risk for many diseases and premature skin aging. In order to better control and minimize the damage that can be caused by ROS, the free radicals are counteracted by the body’s antioxidant protection system (aPS). Here the redox status indicates the balance between antioxidants and oxidants (e.g. ROS) in the body (Fig. 6.3).

a balanced diet, rich in fruit and vegetables, and a healthy lifestyle form an important basis for counteracting ROS and supporting aPS. a lack of vitamins or nutrients is often countered by taking nutritional supplements. an additional nutritional supplement in a physiological concentration can have a positive effect on health. However, an overdose can have a pro-oxidative effect on the metabolism. antioxidants taken by mouth can be detected in the blood within a very short time.

abb. 6.3: Bei gesunden Personen stehen oxidative und antioxidative Prozesse im gleichgewicht. durch Stresseinwirkung kann dieses gleichgewicht zu gunsten der reaktiven Sauerstoffspezies (roS) verlagert werden. eine gesunde ernährung, reich an Antioxidantien (Ao) kann diesem Prozess entgegenwirken.

Fig. 6.3: In healthy persons, oxidative and antioxidative processes are in balance. Due to the effect of stress, this balance may shift in the direction of reactive oxygen species (ROS). a healthy diet, rich in antioxidants (aO), cancounteract this process.


eine ausgewogene ernährung, reich an obst und Gemüse sowie ein gesunder Lebensstil stellen eine wichtige Grundlage dar, um roS entgegenzuwirken und das AoS zu unterstützen. einem vitamin- oder nährstoff-mangel wird oft durch die einnahme von nahrungser-gänzungsmitteln entgegengewirkt. eine zusätzliche nahrungsergänzung in physiologischer Konzentration kann sich positiv auf die Gesundheit auswirken; eine Überdosierung kann dagegen pro-oxidativ auf den Stoffwechsel wirken. oral aufgenommene Antioxidantien sind nach kürzester Zeit im Blut nachweisbar.

Bislang fehlt eine einfache und reproduzierbare Methode zur Bestimmung des redoxgleichgewichtes im Körper, um den einfluss von Stress und ernährung zu untersu-chen. daher soll im rahmen eines Advanced-Uv-for-Life-Projektes eine einfache und reproduzierbare Methode mittels eSr-Spektroskopie zur Bestimmung des redox-status im Blut über die Bildung von freien radikalen durch Bestrahlung mit Uv-Licht entwickelt werden. Sie ist in Abb. 6.4 schematisch dargestellt. Uv-Licht fördert eine starke radikalbildung im organismus (Abb. 6.5 A). Uv-Led-Bestrahlung soll in diesem Projekt als reprodu-zierbarer Stressor genutzt werden, um die reaktion des AoS im Blut zu untersuchen (Abb. 6.5 B). der vorteil von Uv-Led-einheiten gegenüber kommerziell erhältli-chen Bestrahlungseinheiten besteht in ihrer wellenlän-gen- und intensitätsstabilen emission, die präzise eingestellt und reguliert werden kann.

Until now, there has not been a simple and reproducible method for determining the redox balance in the body in order to determine the effect of stress and nutrition. Therefore, in the course of an advanced UV for Life project, a simple and reproducible method is to be developed that uses electron paramagnetic resonance (ePR) spectroscopy to determine the redox status in the blood via the formation of free radicals through UV light radiation. This is schematically shown in Fig. 6.4. UV light promotes significant radical formation in the organism (Fig. 6.5 a). UV LeD radiation is to be used in this project as a reproducible stressor for researching the reaction of the aPS in the blood (Fig. 6.5 B). The advantage of UV LeD units compared to commercially available radiation units consists in the stable wave-lengths and intensities of their emissions, which can be precisely set and regulated.

abb. 6.4: Bestimmung des Redoxstatus im Blut mittels Uv-Leds und eSr-Spek-troskopie (schematisch)

Fig. 6.4: Determination of the redox status in blood by means of UV LeDs and eSR spectroscopy (schematically)


abb. 6.5: (a) “Radical action spectrum” der Haut in abhängigkeit von der wellenlänge; nach zastrow et al. (Skin Pharmacol. Physiol. 2009, 22: 31– 44], modifiziert. die einzelnen Led-wellenlängen im UvB- und UvA-Bereich (rot markiert) werden unter der verwen-dung von Hochleistungs-LeD-UV-Lichtquellen für das Projekt ausgewählt und in eine Multilambdaquelle, analog der in (B) ab-gebildeten (hier mit UvA-Led) eingehaust. diese wird durch den Projektpartner Magnettech by freiberg instruments hergestellt.

Fig. 6.5: (a) “Radical action spectrum” of the skin as a function of the wavelengths; modified from zastrow et al. The LeD wavelengthsin the UVB and UVa spectrum (marked in red) are selected for the project using a high-power multi-lambda LeD UV light source which is illustrated in (B) (in this case equipped with one UVa LeD). The light source will be manufactured by project partner Magnettech by Freiberg Instruments.©freiberg instruments

A

B


die eSr-Spektroskopie ist in der Lage, radikale direkt zu messen und zu quantifizieren. die durch Stress (hier: Uv-Bestrahlung) gebildeten radikale sind sehr kurzlebig, weshalb für ihren nachweis weitere Moleküle benötigt werden, sog. radikalmarker oder radikalfallen. radikal-marker werden bevorzugt für die Quantifizierung einge-setzt, radikalfallen ermöglichen dagegen die charakteri-sierung der radikaltypen (Abb. 6.6).

Stoffwechselreaktionen werden durch verschiedene radikalspezies beeinflusst. eine Quantifizierung und charakterisierung der radikale im Blut nach Uv-Be-strahlung mittels der eSr-Spektroskopie ermöglicht eine Beurteilung des aktuellen redoxstatus im Körper, wodurch mögliche risiken für pathophysiologische Prozesse beurteilt werden können. eine verbesserung der detektion und Signalaufbereitung der eSr-Spektren wird im rahmen dieses Projektes entwickelt, um noch empfindlicher messen zu können. das Produkt soll in form eines Kleingerätes vermarktet werden. Um diese Untersuchungen zu validieren, werden aufwändige etablierte referenzmessungen durchgeführt. eine Beurteilung des redoxstatus durch eine Unter- oder Überversorgung an nähr-/ Wirkstoffen kann mittels dieses Projektes vorangetrieben werden. das Produkt soll in form eines Kleingerätes vermarktet werden.

ePR spectroscopy is capable of directly measuring and quantifying radicals. The radicals formed through stress (in this case UV radiation) are very ephemeral, which is why additional molecules – called radical markers or radical traps – are needed to detect them. The use of radical markers is preferred for quantification, while radical traps make it possible to characterize the radical types (Fig. 6.6).

Metabolic reactions are affected by various radical species. Quantification and characterization of the radicals in the blood following UV radiation by means of ePR spectroscopy makes it possible to assess the current redox status in the body, allowing potential risks of pathophysiological processes to be evaluated. an attempt is being made to improve the ability to detect eSR spectrums and process their signals, in order to make the measuring process more sensitive. To validate these tests, elaborate reference measurements are being established. These tests can improve the assess-ment of redox status through an oversupply or under-supply of nutrients/active ingredients. The product is to be marketed in the form of a small instrument.

abb. 6.6: (a) Radikalnachweis von ● OH* und ○ CH3*Radikalen und einem ◊ Nitroxid in der haut mittels dem Spin-trap dMPo. die Bestrahlung mit dem Sonnensimulator im kompletten Uv-Bereich bildet radikale an der nachweisgrenze der Messmethode. gemessene daten: schwarz, Simulation zur quantitativen auswertung: rot. (B) erster nachweis der radikalbildung in Blutplasma mittels dem Spin-Marker PcA nach UvA- und UvB-Bestrahlung

Fig. 6.6: (a) evidence of ● OH* und ○ CH3* radicals and a ◊ nitrogen oxide in the skin by means of the DMPO spin trap. Irradiation over the entire UV range with a sun simulator generates radicals in concentrations just at the detection limit of the method. Recorded data: black, simulation for the quantitative analysis: red. (B) First evidence of radical formation in blood plasma by means of the PCa spin marker following UVa and UVB irradiation.

A

B


Schmalband UvB-Phototherapie mit Leds

Schmalband-UvB-Phototherapie ist eine in der derma-tologie bewährte, sehr wirksame und nebenwirkungsarme therapieoption für zahlreiche chronische Hautkrank-heiten.

Hauterkrankungen sind von hoher sozialmedizinischer, gesundheitspolitischer und ökonomischer Bedeutung. Sie führen häufig zu Berufsunfähigkeit und verursachen Behandlungskosten in Milliardenhöhe. die jährlichen direkten Kosten allein für die Psoriasistherapie betragen in deutschland knapp eine Mrd. euro. es besteht somit Bedarf an Maßnahmen, die die Behandlung von chroni-schen Hauterkrankungen verbessern und gleichzeitig Kosten im Gesundheitswesen senken. Schmalband- UvB-Bestrahlung ermöglicht eine nachweislich wirksa-me, kostengünstige und nebenwirkungsarme therapie, die keine Medikamente erfordert. neuartige UvB-Leds ermöglichen den Aufbau eines besonders kompakten, sicheren und quecksilberfreien Bestrahlungsgerätes, das zudem preiswert ist. die Schmalband-UvB-Photo-therapie wird damit für einen größeren Patientenkreis zugänglich, da die nötige Gerätetechnik sicher ist und für viele dermatologen und Hausärzte erschwinglich wird.

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass der therapeutisch optimale Spektralbereich für die UvB-Phototherapie zwischen 300 und 313 nm liegt, Abb. 6.7.

abb. 6.7: Wirkungsspektrum von Uv-Strahlung zur Psoriasis-therapie

Fig. 6.7: action spectrum of UV radiation for psoriasis therapy©Asclepion Laser technologies

Narrow-Band UVB Phototherapy with LEDs

narrow-band UVB phototherapy is a dermatologically proven, very effective therapy option for the treatment of numerous skin diseases. Furthermore, this method is almost free of side effects.

Skin diseases are highly significant at the social medicine, health policy, and economic levels. They often lead to an inability to work and result in treatment costs amounting billions. The annual direct costs for psoriasis therapy alone are nearly one billion euros in germany. For this reason, measures are needed that will improve the treatment of chronic skin diseases, while lowering the costs in the healthcare sector at the same time. narrow- band UVB radiation provides a demonstrably effective and low-cost therapy that has few side effects and requires no medication. Innovative UVB LeDs make it possible to design a particularly compact, safe, and mercury-free irradiation instrument that is economical at the same time. narrow-band UVB phototherapy is therefore accessible for a larger number of patients, since the necessary instrument technology is safe and becoming affordable for many dermatologists and general practitioners.


in diesem schmalen Wellenlängenband im UvB, der der therapie ihren namen gegeben hat, ist das verhältnis aus Heilwirkung und nebenwirkung der Strahlung optimal. der bisher über 30-jährige Praxiseinsatz der Schmalband-UvB-therapie (mit Hg-dampflampen oder excimer-Lasern) zeigte, dass dieser Spektralbereich bei fachgerechter Anwendung zudem nicht kanzerogen ist. Mit Hilfe von UvB-Leds ist es jetzt möglich, einen flächigen Strahler zu realisieren, der fast ausschließlich im Schmalband-UvB emittiert, Abb. 6.8. im vergleich zu konventionellen UvB-therapiegeräten auf Basis von Gasentladungen in Quecksilberdampf oder Xenon-chlor-Gemischen sind Led-Systeme hinsichtlich Lebensdauer, Betriebssicherheit und optischer Strahlungsleistung vorteilhaft. excimerlaser, die bei 308 nm emittieren und ebenfalls in der dermatologie verwendet werden, sind zwar leistungsstärker (>200 mW/cm2), dafür aber auch sehr teuer und voluminös. Sie kommen daher häufig gar nicht oder nur bei sehr hartnäckigen Läsionen zur Anwendung.

Scientific studies have shown that the ideal spectral range for UVB phototherapy from the therapeutic point of view lies between 300 and 313 nm (see Fig. 6.7). It is within this narrow wavelength band for UVB photothera-py, from which it takes its name, that the ratio between the healing effects of radiation and its side effects is optimal. More than 30 years of practical experience with narrow-band UVB therapy to date (with metal halogen vapor lamps or excimer lasers) have also shown that this spectral range is not carcinogenic when used properly. With the help of UVB LeDs, it is now possible to produce a flat emitter that generates radiation almost exclusively in the narrow-band UVB range (see Fig. 6.8). With respect to durability, operating safety, and optical radiant power, LeD systems have the advantage over conven-tional UVB therapy instruments that are based on gas discharges in mercury vapor or xenon/chlorine mixtures. although excimer lasers, which generate radiation at 308 nm and are also used in dermatology, are more powerful (> 200 mW/cm2), for this reason they are, however, very expensive and bulky. as a result, they are rarely used at all, or only for very stubborn lesions.

abb. 6.8: emissionsspektrum eines Uv-Led-Strahlers für die Phototherapie

Fig. 6.8: emission spectrum of a UV LeD source for the phototherapy©Asclepion Laser technologies


abb. 6.9: Handstück des funktionsmusters mit integrierten Leds

Fig. 6.9: Handpiece of the functional model with integrated LEDs©Asclepion Laser technologies

The first functional model of a UVB LeD therapy instrument that was developed (see Figs. 6.9 and 6.10), could already demonstrate a UV radiation intensity of more than 75 mW/cm2 on a surface of 10 cm2. Typical therapeutic doses in the range of 1 J/cm2 are therefore already achieved after a few seconds of radiation. The time needed for the treatment is minimal for physician and patient, especially since it is not necessary to pretreat the skin. The suitability of the UVB LeD instrument solution for psoriasis and vitiligo therapy is being clinically tested for the first time in the course of current projects, with targeted radiation being applied to individual lesions, leaving the surrounding healthy skin unaffected. This is referred to as targeted phototherapy. The functional model, which still needs to be developed further, will also include an integrated dose sensor that functions on the basis of photodiodes, which will enable the physician to preselect a UV dose in physical units (mJ/cm2, J/cm2) on the device.

Mit dem entwickelten ersten funktionsmuster eines UvB-Led-therapiegerätes (s. Abbn. 6.9 und 6.10) konnte bereits eine Uv-Bestrahlungsstärke von mehr als 75 mW/cm2 auf einer fläche von 10 cm2 demonstriert werden. typische therapiedosen im Bereich um 1 J/cm2 werden so bereits nach wenigen Sekunden Bestrah-lungsdauer erreicht. der zeitliche Behandlungsaufwand für Arzt und Patient ist minimal, da zudem keine vorbehandlung der Haut nötig ist. die eignung der UvB-Led-Gerätelösung für die Psoriasis- und vitiligotherapie wird im rahmen laufender vorhaben erstmalig klinisch geprüft. dabei werden einzelne Läsionen unter Scho-nung umliegender, gesunder Haut gezielt bestrahlt. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer targeted Phototherapie. das zu entwickelnde funktionsmuster wird außerdem einen integrierten dosissensor auf Basis von Photodioden enthalten, der es dem Arzt ermöglicht, eine Uv-dosis in strahlungsphysikalischen einheiten (mJ/cm2, J/cm2) am Gerät vorzuwählen.

abb. 6.10: Steuereinheit des Phototherapiegerätes (demonstrator)

Fig. 6.10: Control unit of the therapy instrument (demonstrator)©Asclepion Laser technologies

86 UMweLt & Life ScienceS | environMent & Life ScienceS

7 UMWeLt & LiFe SCieNCeS EnVironMEnt & LifE sciEncEs

in den letzten Jahren wurden neue erkenntnisse in der Biologie, der Physiologie und den Umweltwissenschaften sowie in vielen weiteren teilgebieten der Life Sciences gewonnen. Perzeption von Uv-Strahlung durch pflanzli-che, tierische und menschliche Lebewesen, Uv-vermit-telte Signalübertragung und -wirkung sowie allgemein Uv-induzierte effekte in den verschiedensten biologischen Systemen sind einige solcher Aspekte. einen großen teil davon kann der Mensch gezielt verwerten und dafür entsprechende technische Lösungen schaffen.

das Arbeitsfeld Umwelt & Life Sciences adressiert zukunftsträchtige Applikationsfelder von Uv-Leds und strebt folgende entwicklungen an:

› Leuchten mit schmalbandigen UvB-Leds und Leds in anderen Lichtbereichen für die gartenbauliche Produktion zur Generierung von funktionellen Lebensmitteln und pflanzlichen rohstoffen,

› ein stationäres hochstabiles Uv-Gasanalytik-Gerät für den einsatz in der chemischen industrie, in Kraftwerken, Gewächshäusern, Phytotronen und Lagerräumen,

› Systeme für die nukleinsäureextraktion und integrierte Bestimmung der nukleinsäure für die molekulare diagnostik über schmalbandig emittierende Uv-Leds.

In recent years, new knowledge has been gained in biology, physiology and the environmental sciences, as well as in many additional sub-areas within the life sciences. The perception of UV radiation by plants, animal and human organisms, UV-mediated signal transmission and impact as well as general UV-induced effects in the various biological systems represent some of these aspects. Humans can take deliberate advantage of a large portion of this, creating appropriate technical solutions for this purpose.

The environment & Life Sciences field of work addresses promising fields of application for UV LeDs and strives for the following developments:

› Luminaires equipped with narrow-band UV LeDs and LeDs for other spectral ranges that are used in horticultural production for the creation of functional foods, nutraceuticals and raw plant materials,

› a stationary, highly-stable UV-based gas analyzer for use in the chemicals industry, in power plants, greenhouses, phytotrons, and storage rooms,

› Systems for nucleic acid extraction and integrated determination of the nucleic acids for molecular diagnostics using narrowband emitting UV LeDs.




› Analytik Jena AG (Analytik Jena)› emerson Process Management GmbH & co. oHG (ePM)› GefoMA GmbH (GefoMA)› Leibniz-institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau e.v. (iGZ)

UMweLt & Life ScienceS | environMent & Life ScienceS 87


ProjectS & PArtnerS

Stationary highly stable Uv gas analysisePM

enhanced formation of secondary plant metabolites by irradiation with UvB Leds for the production of natural functional foodfBH | fUB-PiM | GefoMA | iGZ*

development of a method for extraction and integrated determination of nucleic acidsAnalytik Jena* | ciS | oSA


©iGZ


das iGZ verfügt über langjährige Kompetenz in der gezielten erzeugung pflanzlicher inhaltsstoffe durch Lichtstimulation. für ein Scale-up von UvB-Led-tech-nologien im Pflanzenbestand sind Praxisbetriebe sowie weitere forschungseinrichtungen an einer Zusam-menarbeit in f&e-Projekten interessiert. Hier steht die GefoMA, ein Planungs- und ingenieurbüro für Gewächshäuser, als Multiplikator bereit. für das Appli- kationsfeld in vitro-diagnostik bringt Analytik Jena als Partner die expertise in der molekularen diagnostik ein. für die Gassensorik/-analytik liegen die Kompetenzen bei ePM. nach der erprobung der funktionsmuster sollen endanwender in den jeweiligen industriellen Bereichen als Applikationspartner eingebunden werden.

gassensorik/-analytik

in der industriellen Gasanalyse werden bereits Uv-basierte, nicht-dispersive Gasanalysegeräte eingesetzt, da sie im Uv keine empfindlichkeit gegenüber Wasser-dampf zeigen. Haupteinsatzgebiet sind Uv-absorbieren-de Komponenten, die unter Umweltregularien fallen, wie z.B. So2, no2, H2S und cl2. Besonders interessant für solche Messungen ist dabei der Wellenlängenbereich zwischen 220 nm (no) und 313 nm (cl2). Hierfür werden unterschiedliche Lösungen, basierend auf z.B. Quecksil-berdampflampen oder elektrodenlosen entladungslam-pen als Lichtquellen, angeboten. in allen fällen sind die begrenzten Lebensdauern der Lampen, die im dauer-betrieb arbeiten, ein entscheidendes element bei der Langzeitstabilität der Geräte. Leds kamen bisher als Lichtquellen nur in geringem Maße im langwelligen UvA- bzw. viS-Bereich zum einsatz, da mit abnehmen-der emissionswellenlänge Lebensdauer und Stabilität der kommerziell verfügbaren Leds noch stark abnehmen und sogar unter diejenige der klassischen Uv-Lichtquel-len fallen.

The Igz has long-standing competency in the targeted production of botanical ingredients using light stimula-tion. Companies and other research institutions are interested in collaboration on R&D projects to scale up UVB LeD technologies in the plant growth. geFOMa, a greenhouse planning and engineering firm, is ready to act as a multiplier for this effort. as a partner in the in vitro diagnostics application field, analytik Jena brings its expertise in molecular diagnostics to bear. ePM has competence in the field of gas sensors and analytics. Following testing of the functional sample, end users in the respective industrial areas will be included as application partners.

Gas Sensors & Analytics

UV-based, non-dispersive gas analyzers are already being used in industrial gas analysis, because they show no sensitivity toward water steam in the UV. The main area of use concerns UV-absorbing components such as so2, nO2, H2S und Cl2, which fall under environmen-tal regulations. The wavelength range between 220 nm (nO) and 313 nm (Cl2) is of particular interest for such measurements. For this purpose, various solutions are offered as light sources, e.g. based on mercury vapor lamps or electrodeless discharge lamps. In all cases, the limited lifetimes of the lamps, which operate continuously, are a critical element in the long-term stability of the instruments. In the past, LeDs came to be used only in small quantities as a light source in the long-wavelength UVa and VIS range, as the lifetime and stability of the commercially available LeDs still decrease sharply with decreasing emission wavelengths, and even fall below that of the classical UV light sources.

abb. 7.1:Desktop-analysegerät zur Bestimmung der So2-konzentration in Luft (demonstrator)

Fig. 7.1: Desktop analytical instrument for the determination of SO2 concentration in air

©emerson Process Management


für den einsatz in der industriellen Gasanalyse müssen geeignete Uv-Led-Lichtquellen über mehrere Jahre dauerbetrieb und einen weiten temperaturbereich (5 °c – 70 °c) ein spektral und räumlich sehr stabiles emissionsverhalten aufweisen. dies erfordert neben Uv-Leds mit entsprechenden Lebensdauern auch eine Überwachung und regelung der emissionscharakteristik der eingesetzten Uv-Leds. Perspektivisch ermöglicht der einsatz von Uv-Leds längere Lebensdauern und einen niedrigeren energieverbrauch der Lichtquellen. Zudem wird durch die einfache Modulierbarkeit der Uv-Leds auch der verzicht auf bewegliche teile (wie mechanische Lichtzerhacker) zur Lichtmodulation möglich, was die notwendigen Wartungsintervalle der Gasanalysatoren verlängert und so die Betriebskosten für den Anwender senkt.

in Abb. 7.1 ist der demonstrator eines desktop-Gerätes mit Uv-Led zur Bestimmung des So2-Gehaltes in Luft gezeigt. Abb. 7.2 zeigt damit erhaltene Messergebnisse.

For use in industrial gas analysis, suitable UV LeD light sources must exhibit spectrally and spatially highly stable emission behavior over many years of continuous operation and in a broad temperature range (5 °C – 70 °C). In addition to UV LeDs with the corresponding lifetimes, this also requires monitoring and regulation of the emission characteristics of the UV LeDs used. Prospectively, the use of UV LeDs enables light sources with longer lifetimes and lower energy consumption. In addition, because UV LeDs can easily be modulated, it is also possible to dispense with moving parts (such as mechanical choppers) for light modulation, which lengthens the necessary maintenance intervals for gas analyzers and thus lowers the user’s operating costs.

In Fig. 7.1 the demonstrator of a desktop instrument with UV LeD is shown which is used for the determination of the so2 concentration in air. Results of the measure-ment are shown in Fig. 7.2.

abb. 7.2: Mit Desktop-Demonstrator gemessene So2-Konzentrationsstufen (inset: sub-700 ppm So2-konzentrationen)

Fig. 7.2: SO2 concentrations measured with the desktop demonstrator (inset: sub-700 ppm SO2 concentrations)


entwicklung einer nukleinsäureextraktion mit integrierter Bestimmung der nukleinsäuren

in der Molekularen diagnostik ist nach wie vor die valide extraktion und Bereitstellung der nukleinsäure ein kritischer Schritt. im Wesentlichen werden trennverfah-ren eingesetzt, die auf die unterschiedliche Affinität von Biomolekülen zu oberflächen aufbauen. Aus verschie-densten Probenmaterialien kann damit die gesuchte nukleinsäure vom rest der Moleküle abgetrennt werden. die einflussfaktoren auf diesen Prozess sind sehr vielfältig und können auch nur z.t. positiv beeinflusst werden. die Bestimmung der reinheit und des Gehaltes der nukleinsäure im extrakt kann anschließend durch spektrometrische Messungen im Uv-Spektralbereich erfolgen. dazu werden bisher konventionelle Spektro-metersysteme eingesetzt. diese besitzen als Lichtquelle z.B. Quecksilberdampf-, deuterium oder Xenon (Blitz-)Lampen, die ein ganzes Spektrum messbar machen. für die hier vorgesehene Anwendung sind aber nur die Messwerte bei 230, 260 und 280 nm interessant. Hinzu kommen in den bisher üblichen Geräten die Strahl-formung mit den entsprechenden großen optischen Komponenten und die detektion mittels eines komplet-ten aufwändigen z.B. Gitterspektrometers.

Development of a Nucleic Acid Extraction Unit with Integrated Determination of the Nucleic Acids

In molecular diagnostics, the valid extraction and preparation of nucleic acids is still a critical step. In general, separation methods are used which are based on the differing affinity of biomolecules to surfaces. This allows the desired nucleic acid to be separated from the rest of the molecules in a very wide range of sample materials. The factors influencing this process are extremely diverse, and can be positively influenced only in part. The determination of the purity and content of the nucleic acid in the extract can subsequently be accomplished by means of spectrometric measurements in the UV spectral range. So far, conventional spectrom-etry systems are used for this. as a light source, these contain e.g. mercury vapor, deuterium or xenon (flash) lamps, which enable an entire spectrum to be measured. For the present application, however, only the measure-ments at 230, 260 and 280 nm are of interest. added to the drawbacks of present instruments are the large optical components for beam profiling and the detection by means of a complete, elaborate diffraction grating spectrometer, for example.

abb. 7.3: Verschmelzung von automatisierter nukleinsäureextraktion mit spektrometrischen verfahren zur Auswertung des ergebnisses

Fig. 7.3: Merger of automated nucleic acid extraction with spectrometric methods for evaluation of the results©Analytik Jena


analytik Jena is working together with its partners, CiS and OSa, on merging a variety of bioanalytical aspects. Using tailor-made UV LeDs, improved auto-mated bioanalytical verification methods will be realized, comprising the entire procedural chain from sample preparation, automated nucleic acid extraction, and optical verification of eluates by means of spectro-scopic methods, to the amplification and detection of nucleic acids by means of PCR (polymerase chain reaction). The advanced UV for Life Consortium offers the optimal framework for networking between device developers, producers and users within the industrial sphere. Fig. 7.3 shows an initial design of the device currently in development.

die Analytik Jena AG arbeitet gemeinsam mit ihren Partnern, dem ciS forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH und oSA opto Light GmbH, an der verschmel-zung mehrerer bioanalytischer fragestellungen. Mit maßgeschneiderten Uv-Leds werden verbesserte automatisierte bioanalytische nachweisverfahren realisiert, die die gesamte verfahrenskette von der Probenvorbereitung, der automatisierten nukleinsäure-extraktion, dem optischen nachweis der eluate mittels spektroskopischer Methoden bis zur Amplifikation und detektion von nukleinsäuren mittels Pcr (Polymerase-Kettenreaktion) umfassen. das Konsortium Advanced Uv for Life bietet den optimalen rahmen zur vernetzung der Bauelemententwickler, Produzenten und der Anwen-der im industriellen Umfeld. Abb. 7.3 zeigt einen ersten Aufbau des in der entwicklung befindlichen Gerätes.


einfluss von UVB-Strahlung auf die Bildung pflanzlicher Sekundärmetabolite

die verwendung von roten und blauen Leds in Gewächs-häusern ist einer der Haupttrends in der Gartenbaupro-duktion, von dem viele Gemüseproduzenten profitieren. Hauptfokus liegt hier bisher bei der energieeinsparung, der optimierung der flächenausleuchtung und der verkürzung der Produktionszyklen. die Bestrahlung mit sichtbarem Licht beeinflusst positiv den pflanzlichen Primärmetabolismus (Kohlenhydrate und Proteine) sowie die Photosyntheserate und damit auch die Biomasse. Uv-Strahlung wird dagegen traditionell als schädlich für Pflanzen betrachtet, jedoch zeigen neuere Untersuchun-gen, dass natürliche UvA- und UvB-Strahlung (280 – 400 nm), besonders der UvB-Anteil (280 – 315 nm) im Sonnenlicht, auch eine reihe von positiven effekten auf die Qualität und den nährstoffgehalt von vielen Gemüsen hervorrufen (Abb. 7.4). Uv-Licht scheint die Bildung pflanzlicher Sekundärmetabolite zu fördern, welche in Pflanzen vielfältige positive funktionen haben, z.B. als Lichtschutzpigmente oder Antioxidantien, aber auch positive effekte für die menschliche Gesundheit, z.B. antikanzerogene Wirkung, Senkung des Krebsrisikos, Stimulierung des immunsystems und antidiabetogene effekte.

im rahmen von Advanced Uv for Life wird der einfluss von UvB-Strahlung auf die Bildung verschiedener pflanzlicher Sekundärmetabolite erforscht, die chemisch strukturell stark verschieden sind. Bisherige Studien des iGZ mit breitbandigen UvB-Lampen zeigen, dass die Biosynthese ausgewählter sekundärer Pflanzenstoffe angeregt werden kann. Mittels der vom fBH entwickel-ten UvB-Leds wird darauf aufbauend der effekt von schmalbandiger UvB-Strahlung verschiedener Wellen-längen auf Gemüsepflanzen erforscht, um zielgerichtet und maßgeschneidert die Bildung gewünschter sekun-därer Pflanzenstoffe zu verstärken.

Influence of UVB Radiation on the Formation of Secondary Plant Metabolites

The use of red and blue LeDs in greenhouses is one of the leading trends in horticultural production, from which many vegetable crop producers are profiting. The main focus here has so far been on energy savings, the optimization of areal illumination and shortening of production cycles. Illumination with visible light positively influences primary plant metabolism (hydrocarbons and proteins) and the rate of photosynthesis, and thereby also the biomass. In contrast, UV radiation was tradition-ally considered harmful to plants, although new investi-gations show that natural UVa and UVB radiation (280 – 400 nm), especially the UVB portion (280 – 315 nm) in sunlight, also produce a series of positive effects on the quality and nutrient content of many vegetables (Fig. 7.4). UV light appears to promote the formation of secondary plant metabolites, which have numerous positive functions in plants, e.g. as light-protection pigments or antioxidants, but also positive effects for human health, e.g. anti-carcinogenic effects, decreasing the risk of cancer, stimulation of the immune system and anti-diabetogenic effects.

as part of advanced UV for Life, research into the influence of UVB radiation on the formation of various secondary plant metabolites, which are starkly different in terms of chemical structure, is underway. Prior studies by the Igz using luminaires with a broader UVB wider spectral range applications show that the biosynthesis of selected secondary plant materials can be stimulated. Based on that and using the UVB LeDs developed by the FBH, the effect of narrowband UVB radiation of various wavelengths on crop plants will be studied in order to enhance the formation of desired secondary herbal substances in a targeted and tailored manner.


abb. 7.4: UV-Behandlung von Pak Choi (Brassica rapa ssp. chinensis) mit UvB-Leds

abb. 7.4: Treatment of pak choi (Brassica rapa ssp. chinensis) with UVB LeDs ©iGZ

The goal of the project is to investigate the effect of UVB radiation on the profile and concentration of secondary plant metabolites as well as their positive influence on human health and to develop technical solutions that can be put to use in crop growing. This is of particular interest since, on the one hand the european population is growing older while, on the other hand, the risk of chronic diseases is steadily increasing.

Through the development of a horticultural luminaire with a certain UV contribution in conjunction with crop producers, the knowledge gained in the course of the project will be shared and integrated directly into crop production conditions. The producers will thus have the opportunity to produce natural functional foods that will be accepted by the health-conscious public.

Ziel des Projekts ist es, den effekt von UvB-Strah- lung auf das Profil und die Konzentration pflanzlicher Sekundärmetabolite sowie deren positive Wirkung auf die menschliche Gesundheit zu untersuchen. darüber hinaus werden technische Lösungen entwickelt, die im Gemüsebau zum einsatz kommen können. dies ist von besonderem interesse, da die europäische Bevölkerung zum einen immer älter wird und zum anderen auch das risiko für chronische erkrankungen stetig steigt.

durch die entwicklung einer Beleuchtungseinheit mit Uv-Anteil zusammen mit Gartenbauproduzenten wird das im rahmen des Projekts erworbene Wissen weitergegeben und direkt in pflanzenbauliche Produkti-onsbedingungen integriert. die Produzenten haben so die Möglichkeit, natürliche funktionelle Lebensmittel zu produzieren, welche von der gesundheitsbewussten Bevölkerung akzeptiert werden.

8 PRODUKtiON proDUction



› Bernhardt Kunststoffverarbeitungs GmbH (BeKu)› die12monate – Armin Glaser & Klaus Pietsch Gbr (die12monate)› fraunhofer institut für Angewandte Polymerforschung iAP,

forschungsbereich Polymermaterialien und composite PYco (iAP-PYco)› Haase tank GmbH (Haase tank)› innoMat GmbH (innoMat)› j-fiber GmbH (j-fiber)› Laufenberg GmbH (Laufenberg)› micro resist technology GmbH (Mrt)› Multec GmbH (Multec)› oSA opto Light GmbH (oSA)› Polystal composites GmbH (Polystal)› technische Hochschule Wildau (tH Wildau)

94 ProdUktion | ProdUction


das Arbeitsfeld Produktion von Advanced Uv for Life widmet sich der Anwendung von Uv-Leds zur vernet-zung (Härtung) Uv-reaktiver Polymere. dabei wird eine vielzahl von Anwendungen adressiert, wie z.B. Be-schichtungen, Lacke, druckfarben, Klebstoffe, Photo-resiste und faserverbundwerkstoffe, wofür Uv-Licht bereits seit Jahrzehnten genutzt wird. Bisher wurde dies jedoch hauptsächlich mittels energieintensiver Queck-silberdampflampen erzeugt. die dabei benutzten Harze und Photoinitiatoren sind auf deren wenig beeinfluss-baren Uv-Spektren hin optimiert.

der einsatz von Uv-Leds bietet gegenüber den klassi-schen Quecksilberdampflampen eine reihe von vorteilen bei der Härtung von Uv-reaktivharzen. neben dem erheblichen energieeinsparungspotential infolge des möglichen diskontinuierlichen Betriebes der Uv-Leds (einschaltung nur bei Bedarf, sofortige Betriebsbereit-schaft) und ihres höheren Wirkungsgrades, der Queck-silberfreiheit und der fehlenden Wärmeabstrahlung in richtung des zu bestrahlenden objekts sind die geringere Größe, das niedrigere Gewicht und die robustheit gegenüber mechanischen einflüssen von Bedeutung. dadurch erschließen sich mit Uv-Leds neue Anwen-dungen, beispielsweise im Leichtbau, bei der reparatur von Leichtbaukomponenten vor ort, aber auch für großflächige photolithographische Belichtungseinheiten.

das Arbeitsfeld Produktion behandelt zum großen teil fragen der systematischen entwicklung, Untersuchung und iterativen optimierung Uv-Led-härtbarer Polymere und formulierungen, indem Photopolymere und Uv-Leds wechselseitig auf einander abgestimmt werden. einer-seits werden die entsprechenden Harzformulierungen an die Lichtquellen angepasst. Andererseits werden die Spezifikationen der Uv-Leds (Wellenlänge bzw. Wellen- längenkombinationen, intensität, etc.) und die entspre-chenden Prozessparameter (Bestrahlungsdauer, Abstand von Lichtquelle zum zu bestrahlenden Material, vorschub- bzw. Ziehgeschwindigkeit, etc.) auf den jeweiligen Anwendungsfall hin optimiert.

Unternehmen und forschungseinrichtungen arbeiten gemeinsam daran, die forschungsergebnisse in die Anwendung zu transferieren. die beteiligten mittelstän-dischen Unternehmen stellen beispielsweise tank-anlagen aus faserverbundwerkstoffen, trennpapiere oder beschichtete Glasfasern her. Hinzukommen druckerhersteller, die u.a. völlig neue Wege in der 2d- und 3d-drucktechnologie mit Uv-reaktiven tinten und Materialien gehen wollen.

The Production field of work of advanced UV for Life addresses applications of UV LeDs in the crosslinking (curing) of UV-reactive polymers. as part of this, numer-ous applications are addressed, such as coatings, lacquers, inks, adhesives, photoresists and fiber-rein-forced composites, for which UV light has already been in use for decades. Up until now, however, this UV light has been produced mostly using energy-intensive mercury vapor lamps. The resins and photopolymers used for the curing are optimized to the UV spectra that mercury lamps generate, which can only be modified within a restricted measure.

The use of UV LeDs offers a number of advantages over classical mercury vapor lamps in the curing of UV-reactive resins and photopolymers. In addition to the significant potential for energy savings resulting from the possible discontinuous operation of UV LeDs (switching on only when needed, immediate operational readiness), the absence of mercury and the lacking heat generation in the direction of irradiation, their small size, low weight and robustness toward mechanical stresses are significant. This opens up new applications for UV LeDs, for example in lightweight construction, the on-site repair of lightweight components, as well as large-area photolithographic exposure units.

For the most part, the Production field of work handles issues involving the systematic development, investi-gation and iterative optimization of UV LeD-curable polymers and formulations in which photopolymers and UV LeDs are reciprocally adapted to each another. The corresponding resin formulations are, on the one hand, adapted to the light source. On the other hand, the spec- ifications of the UV LeDs (wavelength, or wavelength combinations, intensity, etc.) and the corresponding process parameters (exposure time, distance of the material to be irradiated from the light source, travel speed, etc.) are optimized for the specific application.

a) Spin-coating

abb. 8.1: Beschichtungsmethoden

Fig. 8.1: Coating methods


Uv-Led-härtbare resiste und Photomaterialien

im Konsortium finden umfangreiche f&e-Arbeiten zum Härten von resisten und Photomaterialien mittels Uv-Led-Modulen statt. Grundlage für die Materialent-wicklung sind systematische Untersuchungen zur Uv-Led-Härtung, optimierung und Anwendbarkeit von Harzen in unterschiedlichen Produktionsfeldern. die zu härtenden Materialien werden meist als dünne Schichten aufgetragen. Häufig sind diese Schichten noch zu struk- turieren oder die Materialien werden gleich strukturiert aufgetragen. die Strukturierung von oberflächen unter verwendung von Photoresisten hat Bedeutung in vielfältigen Anwendungsbereichen, wie Mikrosystem-technik, Mikroelektronik und Mikrooptik oder zur Herstel-lung von MeMS, Leds, MoeMS, integrierten optischen Bauelementen für telekommunikationsanwendungen und flachbildschirmen usw. dazu müssen auch die Photoresiste strukturiert, bzw. strukturiert aufgetragen und gehärtet werden. für die Herstellung von Strukturen müssen zunächst Substrate, die alle möglichen formen und Größen sowie oberflächenbeschaffenheiten aufweisen können, mit einem photo- bzw. lichtempfindlichen Material beschichtet werden. dafür stehen prinzipiell die in Abb. 8.1 schematisch dargestellten verfahren zur verfügung. Abhängig von den Substrateigenschaften wird die geeignetste ausgewählt bzw. ist diese zu ermitteln. Jede Methode hat spezifische vor- und nachteile.

Wenn keine Strukturierung erforderlich ist, z.B. für Glasfasern, kommt auch die tauchbeschichtung zum einsatz.

Businesses and research institutions are working together to transfer research results to the applications. The SMes involved in the projects manufacture, for example, tank systems made of fiber-reinforced composites, release papers or coated glass fibers. They include printer manufactures who wish, among other things, to go in totally new directions with 2D and 3D printing technology using UV-reactive inks and materials.

UV LED-Curable Resists and Photo-Materials

Within the Consortium, there are numerous R&D projects for curing resists and photo-materials using UV LeD modules. Systematic investigations into UV LeD curing, optimization and the applicability of resins and photopolymers in various production fields form the basis for material development. The materials to be cured are mostly deposited as thin films. Frequently, these layers have still to be structured or layered structures are deposited directly. Structuring of surfaces by means of photoresists is of importance in many fields of applica-tion, such as microsystems technology, microelectronics, microoptics or for manufacturing of MeMS, LeDs, MOeMS, integrated optical components for applications in telecommunication or for flat panels, etc. also the photoresists have to be structured or structures of them have to be deposited and subsequently cured. as a first step for this, substrates of any size, form and surface quality have to be coated with a photosensitive material. This can be done with one of the methods schematically shown in Fig. 8.1. The most appropriate method is selected or has to be determined depending on the substrate size and properties. any method has its own advantages or disadvantages.

Dip coating is a method for producing unstructured coatings, such as for fiber coating for example.

b) Spray-coating c) doctor blade d) inkjet-printing


im rahmen eines Basisvorhabens wurde die eignung der Photoresiste und Polymermaterialien der Micro resist technology GmbH für die Härtung mit Uv-Led-Modulen geprüft. darüber hinaus wurde ein neues, weit oberhalb von 405 nm empfindliches, negativresistmaterial sowohl für eine Breitband- als auch für eine einzelwel-lenlängenbelichtung mittels Uv-Leds unter Angabe der resist- und schichtdickenspezifischen Belichtungsdosis erfolgreich demonstriert (Abb. 8.2).

Zur arbeitssicheren und auflösungsoptimierten lithogra-phischen Strukturierung von Photomaterialschichten bis zu einer Substratgröße von 4 Zoll wurde ein Uv- Led-Bestrahlungsstand konzipiert und umgesetzt (Abb. 8.3). dieser kann mit drei separat zu betreibenden Uv-Led-Modulen bestückt werden und lässt sich mit weiteren Uv-Led-Modulen, z.B. im Bereich des deep-Uv, erweitern. Mit diesem bei Mrt aufgebauten Bestrahlungsstand kann die anwendungsspezifische Materialentwicklung im rahmen von Advanced Uv for Life weiter vorangetrieben werden. ferner können kundenspezifische resiste und Photomaterialien auf deren eignung für eine einzelwellenlängenbelichtung untersucht werden. das in diesem Basisvorhaben generierte Know-how ist die Grundlage zur gezielten Materialentwicklung im rahmen mehrerer darauf auf- bauender Projekte.

abb. 8.2: Rasterelektronenmikroskopische aufnahmen von epoCore-Strukturen, 50 µm dick, UV-LeD-bestrahlt @ 365 nm

In the frame of a basic project, the suitability of the photoresists and polymer materials from MRT was tested for curing with UV LeD modules. In addition, a new negative resist material, sensitive well beyond 405 nm, was successfully demonstrated both for a broadband as well as for an individual wavelength exposure using UV LeDs under consideration of the resist- and layer-thickness-specific exposure dose (Fig. 8.2).

a UV LeD irradiation equipment for safe and resolution-optimized lithographic patterning of photo-material layers having different thicknesses on up to 4 inch substrate size was designed, developed and implemented (Fig. 8.3). It can be equipped with three separately operable UV LeD modules and can be expanded with additional UV LeD modules, e.g. in the deep UV range. Using this irradiation equipment at MRT, the application specific material development can continue to be driven forward as part of advanced UV for Life. Furthermore, customer-specific resists and photomaterials can be investigated in terms of their suitability for an individual wavelength exposure. The know-how generated in this basic project is fundamental for the targeted material development in several other projects based on it.

Fig. 8.2: Scanning electron microscope images of epoCore patterns, 50 µm thick, UV LeD irradiated @ 365 nm©micro resist technology GmbH


abb. 8.3: UV-LeD-Bestrahlungsstand @ MRt, grundfläche: 50 cm x 30 cm, Höhe 120 cm

Fig. 8.3: UV LeD irradiation tool @ MRT, base dimensions: 50 cm x 30 cm, height 120 cm©micro resist technology GmbH


Uv-Led-basierter inkjetdruck für planare Sub-strate und zur erzeugung von Mikrostrukturen

der Uv-digitaldruck auf Basis des inkjetverfahrens ist ein mittlerweile weit verbreitetes und etabliertes direktdruckverfahren. trotz kontinuierlicher Geschwin-digkeitssteigerungen in den vergangenen Jahren ist der Uv-inkjetdruck hinsichtlich der reinen druckgeschwindig-keit den klassischen druckverfahren wie tiefdruck und offsetdruck (noch) unterlegen, wobei die Qualität des druckbildes (Auflösung) mindestens gleichwertig ist. im Gegensatz zu den klassischen druckverfahren entfällt beim Uv-inkjetdruck die Anfertigung von druckplatten, so dass dieser bei kleinen Auflagen und kundenspezifi-schen einzelstücken dem tief- und offsetdruck überle-gen ist.

Bisher werden für die Härtung von Uv-tinten überwie-gend ökologisch bedenkliche Quecksilberdampflampen eingesetzt, bei deren Betrieb zudem ozon entsteht. Ziel der f&e-Arbeiten ist es, diese durch immer leistungsfä-higere Uv-Leds zu substituieren. Wegen der geringen emission von Wärme in richtung des bestrahlten objekts können dadurch auch umweltfreundlichere, jedoch weniger thermostabile Materialien, wie z.B. Holz und Kunststoffe, bedruckt werden. durch Kombination mehrerer Led-Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlän-gen kann ein präziseres, klarer definiertes Härtungsver-halten in Abhängigkeit vom jeweiligen Material erreicht werden. Aufgrund der besseren energieeffizienz in Kombination mit einer höheren Lebensdauer der Uv-Leds ist ihr einsatz auch ökonomisch interessant. die Leistungssteigerung des zweidimensionalen drucks mit Leds auf planaren Substraten ist somit sowohl hinsichtlich druckgeschwindigkeit und oberflächenhär-tung als auch ökologisch und ökonomisch erstrebens-wert. Abb. 8.4 zeigt den Uv-drucker eines japanischen Herstellers, für den mehrere Konsortiumspartner gemeinsam ein mit Uv-Leds bestücktes Modul zur Härtung entwickeln. Auch werden dazu passende tinten und die entsprechende drucktechnologie entwickelt.

UV LED-Based Inkjet Printing for Planar Substrates and for Producing Microstructures

as of today, UV digital printing on the basis of the inkjet printing method is a widely-used and established printing process. Despite continuous increases in speed in recent years, UV inkjet printing is (still) inferior to the classic printing processes such as gravure and offset printing in terms of pure printing speed, although the quality of the printed image (resolution) is at least equivalent. In contrast to the classical printing processes, UV inkjet printing does not require the manufacture of printing plates, making it superior to gravure and offset printing for small runs and individual, customer-specific items.

Until recently, ecologically hazardous mercury vapor lamps, which also produce ozone during operation, were nearly exclusively used to cure UV inks. The aim of the R&D work within advanced UV for Life is to replace the mercury vapor lamps with increasingly capable UV LeDs. Due to the reduced emission of heat toward the irradiated object, even more environmentally friendly and less thermostable materials, like wood and plastic, can be printed and cured in this way. Through the combination of multiple LeD light sources of different wavelengths, a more precise, more clearly defined curing behavior can be achieved, depending on the respective UV material. The use of UV LeDs is also of economic interest, due to their better energy efficiency combined with a longer runtime. The performance increase in two-dimensional printing using LeDs on flat substrates is thus desirable both ecologically and economically, as well as in terms of printing speed and surface curing. Fig. 8.4 shows a printer from a Japanese manufacturer, for which a number of Consortium partners is developing a curing module that is equipped with UV LeDs. The Consortium partners are also developing matching UV inks and optimized printing parameters.


die inkjetdrucktechnologie hat in den letzten Jahren auch zunehmende Bedeutung für die Mikroelektronik als extrem materialsparende direktstrukturierungstechnolo-gie gewonnen. Materialverlust, wie durch die klassische Schleuderbeschichtung (Spin-coating) sowie durch das nasschemische entwickeln des Photoresists, entfällt vollständig. im inkjetverfahren wird nur so viel Material aufgetragen, wie auf dem Substrat verbleibt. insbeson-dere für kleine und kleinste Stückzahlen ergibt sich aufgrund der obsoleten Maskenerstellung ein deutlicher Zeit- und Kostenvorteil gegenüber der klassischen Photolithographie.

abb. 8.4: UV-inkjet-Digitaldrucker

Fig. 8.4: UV inkjet digital printer

©Mimaki

In recent years, inkjet printing technology has gained increasing importance in microelectronics as an extremely materials-saving direct-patterning technology. Material loss, for example in classic spin coating, as well as in the wet-chemistry development of photoresists, is completely eliminated. With the inkjet printing method, only as much ink is deposited as will remain on the substrate. In particular for small and very small quantities, there is a significant time and cost advantage over classical photolithography with its obsolete mask generation.


as part of advanced UV for Life, therefore, UV resins for permanent micropattern and inkjet printing-capable photoresists (not permanent) are being developed for direct and maskless pattern generation. The pattern-ability of solvent-based and solvent-free photopolymers by means of inkjet printing method and subsequent UV LeD curing has already been successfully demonstrated. The print image can be tuned or influenced through appropriate surface pre-treatment methods and thus adjustment of the surface tension, as illustrated in Fig. 8.5. In addition, the chemical and mechanical stability and optical properties will be investigated.

abb. 8.5: einfluss der Substrat-Vorbehandlung von inkepo-harz auf die Benetzbarkeit und die Ausbildung der Linsen- bzw. tropfengeometrie der abgesetzten tintentropfen

Fig. 8.5: Influence of substrate pre-treatment of Inkepo resin on the wettability and on the shape of the lens or drop geometry resp., of the deposited ink drops©micro resist technology GmbH

im rahmen von Advanced Uv for Life werden daher Uv-Harze für permanente Mikrostrukturen und inkjekt-fähige Photoresiste (nicht permanent) für die masken-lose Strukturerzeugung entwickelt. die Strukturierbarkeit von Photopolymeren mittels des tintenstrahldruckver-fahrens und anschließender Uv-Led-Härtung von lösemittelhaltigen und -freien Photomaterialien konnte bereits erfolgreich demonstriert werden. das druckbild kann gezielt durch entsprechende oberflächenvorbe-handlungsmethoden und damit einstellen der ober-flächenspannung beeinflusst werden, wie in Abb. 8.5 illustriert. darüber hinaus werden die chemische und mechanische Stabilität sowie optische eigenschaften untersucht.

Standard substrate pre-treatment: dehydration bakecontact angle of a water drop: 22°, relatively hydrophilic surfaceimage: 1 drop/ lens, Ø 250 – 290 µm relatively flat lens and pattern formation

Silane-pre-treated substrate surfacecontact angle of a water drop: 110°, relatively hydrophobic surfaceimage: 1 drop/ lens, Ø 77 – 90 µmnearly hemispherical lens and pattern formation


innovative Uv-Led-aushärtbare Polymermate-rialien zur Beschichtung von glasfasern für Medizin und Materialbearbeitung

Glasfasern für optische Anwendungen sind weltweit ein großer Markt. neben den in der telekommunikation gebräuchlichen Glasfasern mit geringen durchmessern (typischerweise bis 200 µm), über welche nur geringe Leistungsdichten übertragen werden, kommen Glasfa-sern mit durchmessern bis zu 2.000 µm für die Über-tragung von hohen Lichtleistungen in den Gebieten Medizintechnik (Laserchirurgie und dermatologie sowie dentallaser) und Materialbearbeitung (Laserschneiden) zum einsatz.

vor allem wegen ihrer Sprödigkeit werden Glasfasern meist mit Polymerbeschichtungen versehen. im fall der Übertragung von hohen Leistungen stoßen diese Beschichtungsmaterialien oft an ihre Grenzen, so dass die Lebensdauer dieser hochpreisigen fasern sehr begrenzt ist. Kommen, wie im fall der Medizintechnik, noch zusätzliche Belastungen durch die Sterilisation im Autoklaven hinzu, so werden die Anforderungen an diese Materialien nochmals verschärft. Hochleistungs-fasern für medizinische Anwendungen sind zudem sehr preisintensiv und werden – im vergleich zur telekom-munikation – nur in geringen Mengen produziert. daher kommt diesen Hochleistungsfasern eine „enabler-rolle“ für die einführung der Uv-Led-technologie in die bis jetzt noch von Hg-dampflampen dominierten Glasfaser-beschichtungstechnologien zu.

im rahmen von Advanced Uv for Life werden neue Glasfasern mit Uv-Led-härtbaren Beschichtungsmate-rialien mit verbesserten eigenschaftsprofilen sowie die entsprechende Prozesstechnik in form von Uv-Led-basierten Glasfaserbeschichtungsanlagen entwickelt. Ziel ist es, langlebige Glasfasern und coatings zu erhalten, die nicht nur einmalig verwendet werden können, sondern nach Sterilisation mehrfach wieder-verwendbar sind. dies schont die Umwelt, ist ressour-cen- und kosteneffizient und somit nachhaltiger als die momentan verwendete technologie.

abb. 8.6: Detail einer anlage zur glasfaserbeschichtung

Fig. 8.6: Detail of a facility for the coating of glass fibers ©j-fiber GmbH

Innovative UV LED Curable Polymer Materials for Coating Glass Fibers for Medicine and Materials Processing

glass fibers for optical applications are a large market worldwide. In addition to the narrow-diameter glass fibers commonly used in telecommunications (typically up to 200 µm), via which only light with low intensities is transmitted, glass fibers with diameters up to 2,000 µm are used for transmission of high light intensities in the areas of medical technology (laser surgery and derma-tology, as well as dental lasers) and materials process-ing (laser cutting).

above all due to their brittleness, glass fibers are usually equipped with polymer coatings. In the case of high power light transmission, these coating materials are often at their limits, so that the lifetime of these high-priced fibers is very limited. If additional stresses are added, as this is the case in medical applications by sterilization in autoclaves, the demands on these materials are intensified even more. High-performance fibers for medical applications are also very price- intensive and are – compared to telecommunications – produced only in small quantities. Therefore, these high-performance fibers have an “enabler role” in assisting with the introduction of UV LeD technology to the glass fiber coating technologies, currently still dominated by Hg vapor lamps.


die homogene Beschichtung von Glasfasern mit den im Konsortium entwickelten temperaturstabilen und Uv-Led-härtbaren optischen Polymeren mit definiertem Brechungsindex konnte bereits erfolgreich demonstriert werden. dazu wurden 125 µm dicke Glasfasern mit einer ca. 25 µm dicken Polymerschicht mithilfe eines tauch-ziehverfahrens (15 m/min) ummantelt. im weiteren verlauf der f&e-Arbeiten findet eine Umrüstung der Glasfaserbeschichtungsanlage der j-fiber GmbH von Hg-dampflampen auf Uv-Leds statt. durch die Mitarbeit von Asclepion als potenziellem endanwender können die speziellen Anforderungen im Bereich der Medizin-technik adressiert werden. für Laser zur Materialbear-beitung werden ähnliche fasern benötigt, hier ist neben der hohen thermostabilität der Beschichtung eine hohe Biegewechselbeständigkeit zu erreichen.

nutzung von Uv-Leds zur energie- und kosteneffizienten Herstellung faserverstärkter composite für Leichtbau-Anwendungen

ein Schwerpunkt im Arbeitsfeld Produktion ist die nutzbarmachung von Uv-Leds zur Härtung von composite-Materialien. Analysen von Marktforschungs-instituten bescheinigen übereinstimmend, dass gegen-wärtig sowohl zahlen- als auch wertmäßig die meisten Uv-Leds zur Uv-Härtung von Polymeren eingesetzt werden. der Umsatz solcher Polymere soll weltweit bis Anfang 2019 die Grenze von 3 Mrd. € überschreiten. die industrievereinigung verstärkte Kunststoffe e.v. (AvK) schätzte die Produktion glasfaserverstärkter Kunststoffe (GfK) für das Jahr 2016 allein in europa auf etwa 1,1 Mio. tonnen. diese stehen damit unange-fochten an der Spitze faserverstärkter composite. dementsprechend wird auch der Bedarf an Uv-Leds für die Härtung solcher Materialien steigen.

abb. 8.7: Härtung von noppenwaben-strukturen mittels Uv-Leds

Fig. 8.7: Curing of nap core structures with UV LEDs© BMBf/Unternehmen region/thilo Schoch

as part of advanced UV for Life, new glass fibers with UV LeD-curable coating materials with improved property profiles, together with the corresponding process technology in the form of UV LeD-based glass fiber coating systems will be developed. The goal is to obtain long-living glass fibers and coatings which survive significantly more sterilization cycles than the state-of-the-art fibers. This protects the environment, is resource- and cost-efficient, and therefore more sustainable.

The homogeneous coating of glass fibers with the UV LeD-curable optical polymers developed within the Consortium, which are temperature-stable with a defined refractive index, has already been demonstrated successfully. For this, 125 µm thick glass fibers were coated with an approximately 25 µm thick polymer layer in a dip-coating process (15 m/min) (Fig. 8.6). a modification of the glass fiber coating plant of the j-fiber gmbH to replace Hg vapor lamps with UV LeDs will take place in the further course of the R&D work. With the cooper-ation of asclepion as a potential end user, the special requirements within the medical technology sector can be addressed. Similar fibers are needed for material processing lasers; here, in addition to the high degree of thermostability, a high fatigue strength under cyclic bending stresses must be achieved.

Use of UV LEDs for the Energy- and Cost-Effici-ent Manufacture of Fiber-Reinforced Composite Materials for Lightweight Construction Applica-tions

One focus in the Production field of work is on making UV LeDs useful for the curing of composite materials. analyses by market research institutions unanimously attest that, at present the majority of UV LeDs, in terms of both numbers as well as value, are used for the UV curing of polymers. Worldwide sales of such polymers are expected to exceed the € 3 billion threshold by the beginning of 2019. The german Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V. (aVK) [Reinforced Plastics] estimates the production of fiber-reinforced plastics (FRP) for the year 2016 to be 1.1 million metric tons in europe alone. These stand unchallenged at the pinnacle of fiber-reinforced composites. The need for UV LeDs for the curing of such materials will increase accordingly.


die Herstellung faserverstärkter Materialien – dazu gehören unter anderem Pultrusionsprofile, Laminate, Sandwichpaneele und noppenwabenstrukturen (Abb. 8.7) mit einer dicke von typischerweise 3 – 16 mm wird zurzeit noch von thermisch, in geringerem Maße mit Quecksilberdampflampen (Hg-Lampen)-härtenden Systemen dominiert. So verwendet der Konsortialpartner Polystal zur kontinuierlichen Herstellung von Glasfaser-pultrusionsprofilen eine kombinierte thermische und Uv-Härtung. Bei der firma Haase tank hingegen werden großflächige GfK-Platten unter einsatz von Hg-Lampen hergestellt. deren Härtungsgeschwindigkeit ist durch die geringe Uv-Strahlungsleistung der eingesetzten Hg-Lampen limitiert. Gleichzeitig begrenzt die hohe bewegte Masse der Bestrahlungseinheiten und ihrer Stromversorgungsleitungen die Produktionsgeschwin-digkeit großflächiger GfK-Platten. Außerdem schwindet die gesellschaftliche Akzeptanz zur verwendung von Hg-Lampen aufgrund des darin enthaltenen Quecksil-bers (toxizität, schwierige entsorgung und recycling) und des beim Betrieb gebildeten gesundheitsschädli-chen ozons.

Um die Uv-Led-technologie im Bereich der fertigung faserverstärkter composite energie- und kosteneffizient einsetzen zu können, ist eine Modifizierung und opti-mierung der aktuell verwendeten Harzsysteme auf das schmalbandige emissionsspektrum der Uv-Leds notwendig. des Weiteren führt die entwicklung und fertigung kompakter und leichter, gleichzeitig aber leistungsstarker, langlebiger und energieeffizienter Uv-Led-Module zu einer reduzierung der bewegten Masse der fertigungsanlagen und zu kleineren, kom- pakteren, leichteren und perspektivisch sogar mobilen Anlagen. damit werden gänzlich neue einsatzszenarien ermöglicht, die mit den großen, schweren und energie-ineffizienten Hg-Lampen-basierten Systemen undenkbar wären.

diese vorteile führen zu einer effizienz- und Leistungs-steigerung der Produktionsprozesse sowie einer Steige-rung der ressourceneffizienz (Material- und energie-verbrauch, co2-reduzierung). eine Substitution der Hg-Lampen durch umweltfreundliche, quecksilberfreie und langlebige Uv-Led-Module verbessert gleichzeitig auch die Ökobilanz der fertigung.

der einsatz dieser neuen technologie verschafft den industriepartnern des Konsortiums einen signifikanten technologie- und Wettbewerbsvorteil. die entwicklung flammfester Harzsysteme bzw. composite, die mittels Uv-Led-technologie gehärtet werden können, soll eine zusätzliche erweiterung der Produktportfolios auf Anwendungen mit erhöhten Brandschutzanforderungen (z.B. für Anwendungen im Schienenverkehr oder im Bauwesen) ermöglichen.

The manufacture of fiber-reinforced materials – these include, among others, pultrusion profiles, laminates, sandwich panels and nap core structures (Fig. 8.7) with a typical thickness of 3 –16 mm – is at present still dominated by thermal curing systems and, to a lesser extent, mercury vapor lamp (Hg lamp) curing systems. For example, Consortium partner Polystal uses a combined thermal and UV curing process for the continuous production of glass fiber pultrusion profiles. In contrast, the company Haase Tank manu-factures large FRP sheets using Hg lamps. The rate of curing is limited by the small UV radiation output of the Hg lamps used. at the same time, moving the heavy mass of the irradiation units and their power supply lines limits the production speed of large FRP sheets. In addition, society’s acceptance of the use of Hg lamps is waning due to the mercury they contain (toxicity, difficulty of disposal, recycling) and the fact that they generate ozone during operation, which is a health hazard.

In order to enable UV LeD technology to be used in the area of fiber-reinforced composites in an energy- and cost-efficient way, the currently used resin systems must be modified and optimized for the narrow-band emission spectrum of the UV LeDs. Furthermore, the develop-ment and manufacture of more compact, lighter, but at the same time more powerful, durable and more energy efficient UV LeD modules will lead to a reduction in the masses to be moved in the manufacturing machines and to smaller, more compact, lighter and even, in the future, to mobile systems. This will make entirely new usage scenarios possible, which would have been unthinkable with the large, heavy and energy-inefficient Hg lamp-based systems.

These advantages lead to an increase in efficiency and performance in the production process as well as to an increase in resource efficiency (materials and energy usage, CO2 reduction). a substitution of the Hg lamps with environmentally friendly, mercury-free and long-living UV LeD modules will, at the same time, also improve the ecological balance of the manufacturing.

The use of this new technology provides the Consor-tium’s business partners with a significant technological and competitive advantage. The development of flame- retardant UV resin systems, photopolymers or compos-ites that can be cured using UV LeDs should enable an additional expansion of the product portfolio to include applications with increased fire protection requirements (e.g. for applications in rail transport or the construction industry).

106 StrAtegie & MAnAgeMent | StrAteGY & MAnAGeMent

neben den technologischen und anwendungsbezogenen Arbeitsfeldern hat das Konsortium das Querschnittsfeld Strategie & Management eingerichtet, welches folgende Schwerpunktbereiche beinhaltet:

› Management aller operativen und strategischen Aufgaben des Konsortiums

› Koordination der wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit

› innovationsmanagement

Hierzu werden analog zu den technologischen f&e-vorhaben Projekte zur Strategieentwicklung und -fort-schreibung, zur entwicklung und erprobung geeigneter Managementstrukturen und -instrumente und zum innovationsmanagement bearbeitet.

9 StRategie & MaNageMeNt stratEGY & ManaGEMEnt


In addition to the technological and application-specific field of works, the Consortium has established the cross-disciplinary field of Strategy & Management, which contains the following focus areas:

› management of all operational and strategic tasks of the Consortium

› coordination of scientific-technical cooperation› Innovation management

To accomplish this, analogous to the technological R&D work, projects for developing and updating strategy, for developing and testing suitable management structures and tools, and for innovation management will be under-taken.



› ferdinand-Braun-institut, Leibniz-institut für Höchstfrequenztechnik (fBH)› freie Universität Berlin, Professur für innovationsmanagement (fUB-PiM)› MA&t organisationsentwicklung GmbH (MA&t)

StrAtegie & MAnAgeMent | StrAteGY & MAnAGeMent 107


ProjectS & PArtnerS

Uvstrategy – Strategic analysis and advancement of the Advanced Uv for Life consortiumfBH* | fUB-PiM

collaboration, communication and public relations of Advan-ced Uv for LifefBH

Management of open inno-vation in complex joint projectsfBH* | fUB-PiM

establishing an ideaLabfUB-PiM

harmonization of timing strategies of technologies, r&d and product develop-ment for the development and implementation of a sustainable strategy for a successful technology managementfUB-PiM


Zentrum dieses Arbeitsfeldes ist die Arbeit der Koordina-tionsstelle, die wesentlich vom ferdinand-Braun-institut getragen wird und dessen infrastruktur nutzt. Hauptinhalt ihrer tätigkeit sind initiierung und Pflege der Zusam-menarbeit zwischen den Partnern des Konsortiums, wofür spezielle formate, wie Arbeitsfeld- und Konsorti-alworkshops, entwickelt wurden. die Koordinationsstelle bereitet veranstaltungen des Konsortiums und seiner Leitungsgremien inhaltlich vor und organisiert diese. Sie übt controlling-funktionen aus, unterhält den Kontakt zum Beirat, zum Projektträger sowie zu externen Part-nern. eine wesentliche Aufgabe sieht sie in der internen und externen Kommunikation, die z. B. mit der Heraus-gabe eines internen newsletters und der organisation von öffentlichkeitswirksamen veranstaltungen, bis hin zu internationalen tagungen realisiert wird. So findet im frühjahr 2018 erstmals die „international conference on Uv Led technologies & Applications“ (icULtA-2018) statt. Auch gemeinsame Messeauftritte werden von den Konsortialpartnern genutzt. So organisierte die Koordi-nationsstelle 2017 einen Auftritt auf der LASer World of PHotonicS in München und Anfang 2018 auf der SPie Photonics West in San francisco.

Als besonders wichtige Aufgabe hat sich das Schnitt-stellenmanagement zwischen den Partnern eines Arbeitsfeldes und zwischen den verschiedenen Arbeits-feldern aus den Bereichen Halbleitertechnologie und Anwendungen herausgestellt. diese beinhaltet im Wesentlichen die inhaltliche und zeitliche Abstimmung zwischen den Projekten, den wissenschaftlich-techni-schen informationsaustauch, das Projekt-controlling, die vorbereitung neuer Projektvorschläge und das Aufzeigen von gemeinsam nutzbaren ressourcen. Zur erfüllung dieser Aufgaben wurde in der Koordina-tionsstelle die Position des fachlichen Koordinators geschaffen.

der Arbeitsfeldpartner MA&t unterstützt die Strategie- und organisationsentwicklung sowie die operative tätigkeit des Konsortiums. die nutzung eines profes-sionellen und neutralen Moderators für einen Großteil der veranstaltungen des Konsortiums hat sich als sehr hilfreich erwiesen. die Professur für innovationsmana-gement der freien Universität Berlin erforscht und entwickelt neue instrumente des innovationsmanage-ments für das Konsortium.

at the center of this field of work is the work of the Coordination Office, which is substantially supported by and uses the infrastructure of the Ferdinand-Braun-Institut. The main activities are the initiation and support of cooperation between the partners of the Consortium, for which special formats such as field of work and Con-sortium workshops were developed. The Coordination Office prepares the content of events for the Consortium and its executive bodies, and organizes them. It exer-cises controlling functions, maintains contact with the advisory Committee, the funding authorities and external partners. a significant task involves internal and external communication, which is realized, e.g. through the pub-lishing of an internal newsletter, the organizing of public-ity events and international conferences. For example, in the spring of 2018, the “International Conference on UV LeD Technologies & applications” (ICULTa-2018) will take place for the first time. Likewise, the Consortium partners are also taking advantage of joint trade fair appearances. The Coordination Office organized appearances of the Consortium at LaSeR World of PHOTOnICS in Munich in 2017 and at SPIe Photonics West in San Francisco at the beginning of 2018.

The interface management between partners belonging to one field of work and between different fields of work has turned out to be a challenge of particularl impor-tance for the cooperation between device technology and application fields. This task essentially comprises the coordination between different projects with regard to content and time, the exchange of scientific and techni-cal informations, the project controlling, the preparation of new project proposals and to point out ressources that are availble to the partners for common use. In order to accomplish these tasks, the position of the Technical Coordinator was created within the Coordination Office, in order to manage the interactions between technology and application partners.


Strategieworkshop 2016Strategieworkshop 2016

die in diesem Arbeitsfeld entwickelten instrumente und dienstleistungen werden regelmäßig an den Bedarf des Konsortiums und die dynamik der technologischen entwicklungen und Märkte angepasst.

innovationsmanagement

das methodengestützte Management von innovation, technologie und Kooperation in der tätigkeit des Konsortiums sowie einzelner Konsortialpartner ist ein zentrales Anliegen. dies beinhaltet vier Herausfor- derungen:

1. Unterstützung im Prozess der Strategieentwicklung im Konsortium,

2. Analyse und Unterstützung der innovationsfähigkeit der Partner und des Konsortiums,

3. Aufspüren möglicher ideen für die verwendung von Uv-Leds und neuer Anwendungsbereiche und Arbeitsfelder sowie

4. Analyse von technologiedynamiken für ein lang-fristiges technologiemanagement.

dafür werden verschiedenste Methoden konzipiert, an- gewendet und weiterentwickelt. diese decken sämtliche Stufen im innovationsprozess und technologiemanage-ment ab – von der strategischen vorausschau und ideenfindung über open-innovation-instrumente und technologielebenszyklus-Analysen bis hin zur Markt-einführung.

in Zusammenarbeit mit der Konsortialführung wurden Beiträge zur entwicklung strategischer führungsmecha-nismen geleistet sowie innovations- und Projektcontrol-ling-instrumente entwickelt. diese sind an die voraus-setzungen des Konsortiums sowie die dynamik der technologischen entwicklungen und der Märkte ange-passt. Zur Strategieentwicklung und -fortschreibung wurden instrumente des innovationsmanagements verwendet und an den Bedarf des Konsortiums ange-passt. diese umfassen die erhebung von Basisdaten, ein innovationsaudit und eine Szenario-Analyse.

The field of work partner Ma&T supports the Consortium in strategic and organizational development and in operational work. The use of a professional and neutral moderator for the majority of the Consortium’s events has proven to be very helpful. The Professorship for Innovation Management of the Freie Universität Berlin investigates and develops new innovation management tools for the Consortium.

The tools and services developed in this field of work are regularly adapted to the Consortium’s needs and the dynamics of technological developments and the markets.

Innovation Management

The method-based management of innovations, tech-nology and cooperation within the Consortium’s activities, as well as those of individual Consortium partners, is a central issue. This includes four challenges:

1. Supporting the process of strategy development within the Consortium,

2. analyzing and supporting the innovation capability of the partners and the Consortium,

3. Identifying possible ideas for UV LeD use and new areas of application and

4. analyzing technology dynamics for long-term technology management.

This includes the conceptualization, application and further development of a wide variety of methods. Such methods cover all of the steps in the innovation process and technology management - from the strategic pre-view and generation of ideas, to open innovation tools and technology life cycle analyses, through to market introduction. The partners are tackling these tasks in conjunction with the Professorship for Innovation Man-agement at FU Berlin.

gemeinsamer Messeauftritt der konsortialpartner auf der micro photonics 2016 in Berlin

Joint trade fair appearances of the Consortium partners at micro photonics 2016 in Berlin


darüber hinaus werden open-innovation-Ansätze zur Öffnung des innovationsprozesses im Konsortium verfolgt, die in enger Zusammenarbeit mit den Konsor-tialpartnern auf die entwicklung einer nachhaltigen organisationsstruktur abzielen.

für die Analyse und erweiterung der innovationsfähig-keit der Partner und des Konsortiums wurde 2014 und 2017 ein innovationsaudit durchgeführt. Bei den Partnerinterviews wurden betriebliche Kompetenzen, Ziele und routinen des innovationsprozesses sowie das innovationsumfeld und die Kooperation im Konsortium betrachtet. im Anschluss wurden Handlungsempfehlun-gen zur verbesserung der innovationsfähigkeit der einzelnen Partner und des gesamten Konsortiums ausgesprochen.

Aufbauend auf dem innovationsaudit wurde ein Werk-zeugkasten entwickelt, der instrumente, Methoden oder Maßnahmen des innovations- und Kooperationsmanage-ments enthält. Zu jedem Werkzeug wurde ein Steckbrief angelegt, der darüber Auskunft gibt, wie die entsprechen-de Methode angewandt wird und mit welchem Aufwand sie verbunden ist.

im rahmen von Advanced Uv for Life wurde zudem eine ideen- und Produktwerkstatt an der fU Berlin aufgebaut. diese dient dazu, weitere ideen und Anwendungsberei-che aufzuspüren und bei deren Bewertung hinsichtlich der technologischen, finanziellen und zeitlichen Mach-barkeit zu unterstützen. Hier wurden eine organisations-struktur und ein raum geschaffen, um eine Pipeline an Produktideen neuartiger Uv-Led-basierter Problem-lösungen kontinuierlich auf- und auszubauen.

In cooperation with Consortium management, contribu-tions to strategic governance mechanisms have been provided, and innovation and project control tools have been developed. These are adapted to the require-ments of the Consortium as well as to the dynamics of technological developments and the markets. Innova-tion management tools were applied and adapted to the needs of the Consortium in order to develop and update strategies. These include the collection of basic data, an innovation audit and a scenario analysis. In addition, open innovation approaches were followed in order to open up the innovation process within the Consortium which, in close cooperation with the Consortium part-ners, was focused on the development of a sustainable organizational structure.

For purposes of analysis and support of the innovation capability of the partners and the Consortium, innovation audits were carried out in 2014 and 2017. During the partner interviews, operational competencies, goals and routines of the innovation process were considered, as well as the innovation environment and cooperation with-in the Consortium. Following that, recommended actions for improving the innovation capabilities of the individual partners and the entire Consortium were announced.

Based on the innovation audit, a toolbox containing the instruments, methods or measures of innovation and cooperation management was developed. each tool was provided with a profile statement, which provides information regarding how the corresponding method is applied and the effort associated with it.


Methodenportfolio der ideen- und Produktwerkstatt entlang des inno-vationsprozesses

The IdeaLab's port-folio of instruments along the innovation process©fUB

die Ausstattung der ideen- und Produktwerkstatt (ideaLab) bietet den idealen rahmen für interaktive und kreative Workshops. So gibt es u.a. einen 3d- drucker und video-equipment für teilnehmende Beobachtungen. Zu den Methoden, die in diesem Zusammenhang eingesetzt und weiterentwickelt werden, zählen ideenscoutings, design-thinking-Workshops, ideenwettbewerbe, Marktpotenzialanalysen, Szenario-workshops, Patentana-lysen, customer-experience-Analysen, video-Prototyping, Quality-function-deploy-ment-Workshops und die erstellung von Business cases. Hervorzuheben ist insbesondere der ideenwett-bewerb, mit dem der konsortialinterne innovationspro-zess nach außen geöffnet wurde, um neue ideen zu generieren. die internationale Strahlkraft war mit 157 eingereichten ideen, 401 evaluationen, 366 Kommen-taren und 3984 Besuchern sehr groß.

Weiterhin unterstützt das innovationsmanagement die Partner des Konsortiums, technologiedynamiken exakter zu erfassen und ihr langfristiges technologiemanage-ment, insbesondere ihr forschungs- und entwicklungs-portfolio sowie ihre Geschäftsmodelle zu präzisieren und entsprechend auszurichten. dafür werden unterschied-liche indikatoren auf ihre eignung geprüft, um auch für kleine und mittelständische Unternehmen den reife- grad und das entwicklungspotenzial von technologien möglichst präzise und handhabbar einzustufen. ein wissenschaftlich fundiertes Strategie-entscheidungstool inklusive Leitfaden unterstützt zudem, neben der Wahl und förderung spezifischer technologien und Anwen-dungen, die entwicklung eines passenden Geschäfts-modells, um die technologien und Anwendungen in wirtschaftliche Produkte und dienstleistungen umzusetzen.

Auszüge des Methodenportfolios und der Leitfaden zur verwendung von technologieindikatoren sind auf der Webseite http://www.idealab.berlin/ zusammengestellt.

Moreover, as part of advanced UV for Life, a workshop for ideas and products was created at FU Berlin. This serves to identify additional ideas and fields of application, and to provide support in evaluating them in terms of their technological, financial and temporal feasibility. Here, an organizational structure and a space were created in order to continuously build up and extend a product pipeline of new UV LeD-based solutions.

The facilities of the IdeaLab offer the ideal context for interactive and creative workshops. Thus, among other things, there is a 3D printer as well as video equipment to carry out interactive user observations. The methods applied and further developed in this context include idea scouting, design thinking workshops, idea competi-tions, market potential analyses, scenario workshops, patent analyses, customer experience analyses, video prototyping, quality function deployment workshops and the creation of business cases. Special emphasis must be given to the ideas competition, in which the Consortium’s internal innovation process was opened up to the outside in order to generate new ideas. The international appeal was very large, with 157 ideas submitted, 401 evaluations, 366 comments and 3,984 visitors.

Furthermore, innovation management supports the Consor-tium’s partners, as they then comprehend their technology dynamics more precisely, allowing them to coordinate and align their long-term technology management accordingly – in particular their research and development portfolio and business models. For this purpose, various indicators are examined in terms of their appropriateness in order to classify the maturity and development potential of technolo-gies on behalf of even small and medium-sized enterpris-es as precisely and manageably as possible. In addition to the selection and promotion of specific technologies and applications, a scientifically sound strategic decision-making tool, which includes guidelines, also supports the development of a suitable business model for transforming the technologies and applications into profitable products and services.

excerpts from the portfolio of methods and the guideline for using technology indicators have been compiled on the website at http://www.idealab.berlin/.


videoprototyping-workshop in der ideen- und Produktwerkstatt

Video prototyping session at the IdeaLab. ©fUB

112 AnhAng | APPendiX

PUBLiKatiONeN & VORtRÄgePUBLICaTIOnS & ORaL PReSenTaTIOnSin diesem Anhang werden ausgewählte Publikationen, Qualifizierungsarbeiten und vorträge aufgeführt, welche in unmittelbarem Zusammenhang mit den forschungs- und entwicklungsarbeiten des Konsortiums entstanden sind.

In this appendix selected publications, graduation theses and oral presentations are listed that are results of research and development work within the Consortium.

AnhAngappEnDiX

überblick zu technologien und Anwendungen Overview of technologies and applicationsM. Kneissl, J. rass (eds.), „iii-nitride Ultraviolet emitters - technology and Applications“, Springer Series in Materials Science, vol. 227, iSBn 978-3-319-24100-5 (2016).

Arbeitsfeld halbleitertechnologien & BauelementeField of work Semiconductor Technologies & Devicesc. Hartmann, A. dittmar, J. Wollweber, M. Bickermann, “Bulk Aln Growth by Physical vapor transport”, Semicond. Sci. technol. 29, 084002 (2014).M. Bickermann and t. Paskova, “vapor transport Growth of Wide Bandgap Materials”, in: “Handbook of crystal Growth, 2nd ed., vol 2A: Bulk crystal Growth - Basic technologies”, P. rudolph (ed.), elsevier Science Ltd., iSBn 978-0-44463-303-3, ch. 16 (2015).M. Brendel, M. Helbling, A. Knauer, S. einfeldt, A. Knigge, M. Weyers, „top- and bottom-illumination of solar-blind AlGan metal-semiconductor-metal photodetectors“, phys. stat. sol. (a) 212, p. 1021 – 1028 (2015).M. Brendel, M. Helbling, A. Knigge, f. Brunner, M. Weyers, „Solar-blind AlGan MSM photodetectors with 24 % external quantum efficiency at 0 v“, electron. Lett.,. 51,. 1598 – 1600 (2015).S. fleischmann, A. Mogilatenko, S. Hagedorn, e. richter, d. Goran, P. Schäfer, U. Zeimer, M. Weyers, G. tränkle, „Analysis of HvPe-grown AlGan layers on honeycomb-patterned sapphire“, J. crystal Growth 414, 32 – 37 (2015).J. Glaab, c. Ploch, r. Kelz, c. Stölmacker, M. Lapeyrade, n. Lobo Ploch, J. rass, t. Kolbe, S. einfeldt, f. Mehnke, c. Kuhn, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, “degradation of (inAlGa)n-based Uv-B light emitting diodes stressed by current and temperature”, J. Appl. Phys. 118, 094504 (2015).J. Glaab, c. Ploch, r. Kelz, c. Stölmacker, M. Lapeyrade, n. Lobo Ploch, J. rass, t. Kolbe, S. einfeldt, f. Mehnke, c. Kuhn, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, „temperature induced degradation of inAlGan multiple-quantum well UvB Leds”, MrS Proceedings 1792, mrss15-2102646 (2015).M. Helbling, „Herstellung und Untersuchung von Uvc-MSM-Photodetektoren basierend auf AlGan“, Masterarbeit (Physik), technische Universität Berlin (2015).G. Kusch, M. nouf-Allehiani, f. Mehnke, c. Kuhn, P. edwards, t. Wernicke, A. Knauer, v. Kueller, naresh Kumar Gunasekar, M. Weyers, M. Kneissl, c. trager-cowan, and r. Martin, “Spatial clustering of defect luminescence centers in Si-doped low resistivity Al0.82Ga0.18n, Appl. Phys. Lett. 107, 072103 (2015).n. Lobo Ploch, “chip designs for high efficiency iii-nitride based ultraviolet light emitting diodes with enhanced light extraction”, dissertation, technische Universität Berlin (2015).f. Mehnke, c. Kuhn, J. Stellmach, t. Kolbe, n. Lobo Ploch, J. rass, M. rothe, c. reich, n. Ledentsov, M. Pristovsek, t. Wernicke, M. Kneissl, „effect of heterostructure design on carrier injection and emission characteristics of 295-nm-light emitting diodes“, J. Appl. Phys. 117, 195704 (2015).

A. Mogilatenko, J. enslin, A. Knauer, f. Mehnke, K. Bellmann, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, „v-pit to truncated pyramid transition in AlGan-based heterostructures“, Semicond. Sci. technol. 30, 114010 (2015).J. rass, t. Kolbe, n. Lobo Ploch, t. Wernicke, f. Mehnke, c. Kuhn, J. enslin, M. Guttmann, c. reich, J. Glaab, c. Stoelmacker, M. Lapeyrade, S. einfeldt, M. Weyers, and M. Kneissl, „High power UvB Leds with long lifetime”, Proc. SPie 9363, 93631K (2015).c. reich, M. Guttmann, M. feneberg, t. Wernicke, f. Mehnke, c. Kuhn, J. rass, M. Lapeyrade, S. einfeldt, A. Knauer, v. Kueller, M. Weyers, r. Goldhahn, M. Kneissl, “Strongly transverse-electric-polarized emission from deep ultraviolet AlGan quantum well Leds“, Appl. Phys. Lett. 107, 142101 (2015). A. Sabelfeld, “Morphologische Untersuchungen zum Stufenfluss- und Stufenbündelwachstum an Aln gewachsen mittels MovPe”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2015).L. Schmidt, „temperversuche zur Silizium-diffusion in Aln-Kristallen“, Masterarbeit (chemie), technische Universität Berlin (2015).t. teke, “Untersuchung des einflusses des lokalen fehlschnittes von Aln-volumenkristallen auf die morphologischen eigenschaften epitaktisch gewachsener Aluminiumnitrid-Schichten”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2015).U. Zeimer, J. Jeschke, A. Mogilatenko, A. Knauer, v. Kueller, v. Hoffmann, c. Kuhn, f. Krüger, M. Martens, M. Kneissl, M. Weyers, “Spatial inhomogeneities in structural and optical properties of AlxGa1-xn quantum wells induced by surface morphology of Aln/sapphire templates”, Semicond. Sci. technol. 30 (11), 14008 (2015).U. Zeimer, J. Jeschke, A. Mogilatenko, A. Knauer, v. Kueller, v. Hoffmann, c. Kuhn, t. Simoneit, M. Martens, t. Wernicke, M. Kneissl, M., Weyers, „Spatial inhomogeneities in AlxGa1-xn quantum wells induced by the surface morphology of Aln/sapphire templates“, Semicond. Sci. technol. 30, 114008 (2015).e. Ziffer, “influence of the p-AlGan superlattice on the performance characteristic of deep Uv laser dode heterostructures”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2015).P. Aulich, „charakterisierung und optimierung der eSd-Beständigkeit von Uv-Leds“, Masterarbeit (Mechatronik), Beuth Hochschule für technik Berlin (2016).M. Bickermann, “Growth and Properties of Bulk Aln Substrates”, in: “iii-nitride Ultraviolet emitters - technology and applications”, M. Kneissl and J. rass (eds.), Springer Series in Materials Science 227, iSBn 978-3-319-24098-5, ch. 2 (2016).M. Brendel, “charakterisierung und optimierung von (Al,Ga)n-basierten Uv-Photodetektoren“, dissertation (Physik), technische Universität Berlin (2016).M. Brendel, e. Pertzsch, v. Abrasimova, t. trenkler, M. Weyers, “Solar- And visible-Blind AlGan Photodetectors“, in: “iii-nitride Ultraviolet emitters, technology and Applications“, M. Kneissl and J. rass (eds.), Springer Series in Materials Science 227, iSBn 978-3-319-24098-5, chapter 9 (2016).S. einfeldt, M. Weyers, G. tränkle, „Ultraviolette Leuchtdioden - von der chiptechnologie zur Anwendung“, Git Labor-fachzeitschrift 3, 43 (2016).A. Ghazaryan, “Herstellung und charakterisierung von ohmschen Metallkontakten auf Aluminiumgalliumnitrid- basierten Uv Leds”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2016).J. Glaab, n. Lobo Ploch, J. rass, t. Kolbe, tim Wernicke, f. Mehnke, c. Kuhn, J. enslin, c. Stoelmacker, v. Kueller, A. Knauer, S. einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, “influence of the Led heterostructure on the degradation behavior of (inAlGa)n-based Uv-B Leds”, Proc. SPie 9748, 97481o-1 (2016).S. Graupeter, “Untersuchung der Lichtextraktion an AlGan-basierten Uv-Leds mittels elektrolumineszenspektros-kopie und raytracing-Simulation”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2016).J. Haefke, „degradationsstudien an Uv-Leds“, Bachelorarbeit (Physikalische technik – Medizintechnik), Beuth Hochschule für technik Berlin (2016).S. Hagedorn, A. Knauer, A. Mogilatenko, e. richter, M. Weyers, “Aln growth on nano-patterned sapphire: A route for cost-efficient pseudo substrates for deep UV LEDs”, phys. stat. sol. (a) 213 (12), 3179-3185 (2016).c. Hartmann, J. Wollweber, S. Sintonen, A. dittmar, L. Kirste, S. Kollowa, K. irmscher, M. Bickermann, “Preparation of deep Uv transparent Aln Substrates with High Structural Perfection for optoelectronic devices”, cryst. eng. comm. 18, 3488-3497 (2016).

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d. Henning, “Untersuchungen der effizienz, Lichtpolarisation und defektlumineszenz in AlGan-Heterostrukturen”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2016).M. Hermann, “einfluß des p-seitigen AlGan-Übergitters auf die elektrooptischen eigenschaften von UvB-Leds”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2016).S. Kapanke, “einfluss des Heterostrukturdesigns auf die Ladungsträgerinjektion und die spektralen eigenschaften von MovPe-gewachsenen Uv-Leds”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2016).t. Kolbe, J. Stellmach, f. Mehnke, M.-A. rothe, v. Kueller, S. einfeldt, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, “efficient carrier-injection and electron-confinement in Uv-B light-emitting diodes”, phys. stat. sol. (a) 213, 210 (2016).A. Knauer, A. Mogilatenko, S. Hagedorn, J. enslin, t. Wernicke, M. Kneissl, M. Weyers, “correlation of sapphire off-cut and reduction of defect density in MovPe grown Aln”, phys. stat. sol. (b) 253 (5), 809-813 (2016).f. Langhans, “extended defects in Pvt grown Aln”, dissertation (chemie), technische Universität Berlin (2016).M. Martens, c. Kuhn, e. Ziffer, t. Simoneit, v. Kueller, A. Knauer, J. rass, t. Wernicke, S. einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, “Low absorption loss p-AlGan superlattice cladding layer for current-injection deep ultraviolet laser diodes”, Appl. Phys. Lett. 108, 151108 (2016). f. Mehnke, X. t. trinh, H. Pingel, t. Wernicke, e. Janzén, n. t. Son, M. Kneissl, „electronic properties of Si-doped AlxGa1-xn with aluminum mole above 80 %“, J. Appl. Phys. 120, 145702 (2016).A. Mogilatenko, A. Knauer, U. Zeimer, M. Weyers, “defect distribution and compositional inhomogeneities in Al0.5Ga0.5n layers grown on stepped surfaces”, Semicond. Sci. technol. 31(2), 025007 (2016).c. netzel, J. Jeschke, f. Brunner, A. Knauer, M. Weyers, “temperature and doping dependent changes in surface recombination during Uv illumination of (Al)Gan bulk layers”, J. Appl. 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Kneissl and J. rass (eds.), Springer Series in Materials Science 227, iSBn 978-3-319-24098-5, chapter 3 (2016).J. ruschel, „optische, elektrische und materialanalytische Untersuchung der degradation von (inAlGa)n-basierten Uv-Leds“, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2016).t. B. J. Simoneit, “epitaxie und charakterisierung von pseudomorph verspannten AlGan-Quantenfilm Laserdioden für den Uv-c Spektralbereich”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2016).A. Andrle, “the influence of the chip Structure on degradation effects of Uv Leds” Masterarbeit (Physik), Humboldt-Universität zu Berlin (2017).M. Brendel, f. Brunner, M. Weyers, „on the eQe-bias characteristics of bottom-illuminated AlGan-based metal-semiconductor-metal photodetectors with asymmetric electrode geometry“, J. Appl. Phys. 122, 174501 (2017).H. K. cho, o. Krüger, A. Külberg, J. rass, U. Zeimer, t. Kolbe, A. Knauer, S. einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, “chip design for thin-film deep ultraviolet Leds fabricated by laser lift-off of the sapphire substrate”, Semicond. Sci. technol. 32 (12), 12Lt01 (2017).H. K. cho, i. ostermay, U. Zeimer, J. enslin, S. einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, “Highly reflective p-contacts made of Pd-Al on deep ultraviolet light-emitting diodes”, ieee Photonics technology Letters 29 (24), 2222 (2017).c. de Santi, M. Meneghini, d. Monti, J. Glaab, M. Guttmann, J. rass, S. einfeldt, f. Mehnke, J. enslin, t. Wernicke, M. Kneissl, G. Meneghesso, e. Zanoni, “recombination mechanisms and thermal droop in AlGan-based Uv-B Leds”, Photonics research 5 (2), A44 (2017).J. enslin, f. Mehnke, A. Mogilatenko, K. Bellmann, M. Guttmann, c. Kuhn, J. rass, n. Lobo Ploch, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, “Metamorphic Al0.5Ga0.5n:Si on Aln/sapphire for the growth of UvB Leds”, J. crystal Growth 464, 185 (2017).S. fleischmann, e. richter, A. Mogilatenko, r.-S. Unger, d. Prasai, M. Weyers, G. tränkle, „triangular-shaped sapphire patterning for HvPe grown AlGan layers“, phys. stat. sol.(a) 214, 1600751 (2017).S. fleischmann, e. richter, A. Mogilatenko, M. Weyers, G. tränkle, „influence of Aln buffer layer on growth of AlGan by HvPe“, phys. stat. sol.(b) 254, 1600696 (2017).M. Gesche, „degradation von Uv-Leds: Aufbau eines Messplatzes und Untersuchung der Alterung“, Masterarbeit (ingenieurwissenschaften / Photonics), technische Hochschule Wildau, 2017.S. Hagedorn, A. Knauer, f. Brunner, A. Mogilatenko, U. Zeimer, M. Weyers, „High-quality Ain grown on a thermally decomposed sapphire surface“, J. crystal Growth 479, 16 – 21 (2017).J. Höpfner, “einfluss der Barrierenhöhe von AlGan-Quantenfilmen auf die emission und optische Polarisation von Uvc-Leds”, Bachelorarbeit, technische Universität Berlin (2017).S. Kammer, “investigation of electronic transport properties in Si-doped AlGan”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2017).


t. Kolbe, A. Knauer , J. rass, H. K. cho, S. Hagedorn, S. einfeldt, M. Kneissl, M. Weyers, “effect of electron Blocking Layer doping and composition on the Performance of 310 nm Light emitting diodes”, Materials 10 (12),1396 (2017).G. Kusch, f. Mehnke, J. enslin, P. r. edwards, t. Wernicke, M. Kneissl, r. W. Martin, “Analysis of doping concen-tration and composition in wide bandgap AlGan:Si by wavelength dispersive X-ray spectroscopy”, Semicond. Sci. technol. 32 (3), 035020 (2017).M. Lapeyrade, S. Alamé, J. Glaab, A. Mogilatenko, r.-S. Unger, ch. Kuhn, t. Wernicke, P. vogt, A. Knauer, U. Zeimer, S. einfeldt, M. Weyers, M. Kneissl, “effect of cl2 plasma treatment and annealing on vanadium based metal contacts to Si-doped Al0.75Ga0.25n”, J. Appl. Phys. 122, 125701 (2017).f. Mehnke, “design, epitaxie und charakterisierung AlGan-basierter Leuchtdioden mit emissionswellenlängen unterhalb von 250 nm”, dissertation, technische Universität Berlin (2017).f. Mehnke, M. Guttmann, J. enslin, c. Kuhn, c. reich, J. Jordan, S. Kapanke, A. Knauer, M. Lapeyrade, U. Zeimer, H. Krüger, M. rabe, S. einfeldt, t. Wernicke, H. ewald, M. Weyers, M. Kneissl, “Gas sensing of nitrogen oxide utilizing spectrally pure deep Uv Leds”, ieee J. Selected topics in Quantum electronics 23, 1 (2017).M. Martens, c. Kuhn , t. Simoneit , S. Hagedorn , A. Knauer, t. Wernicke , M. Weyers, M. Kneissl, “the effects of magnesium doping on the modal loss in AlGan-based deep Uv lasers”, Appl. Phys. Lett. 110, 081103 (2017).A .Mogilatenko, A. Knauer, U. Zeimer, c. Hartmann, H. oppermann, M. Weyers, “Silicon induced defect reduction in Aln template layers for epitaxial lateral overgrowth”, J. crystal Growth 462, 18-23 (2017).d. Monti, M. Meneghini, c. de Santi, G. Meneghesso, e. Zanoni, J. Glaab, J. rass, S. einfeldt, f. Mehnke, J. enslin, t. Wernicke, M. Kneissl, “defect-related degradation of AlGan-based Uv-B Leds,” ieee transactions on electron devices 64, 200–205 (2017).d. Monti, M. Meneghini, c. de Santi, G. Meneghesso, e. Zanoni, J. Glaab, J. rass, S. einfeldt, f. Mehnke, t. Wer-nicke, M. Kneissl, “defect generation in deep-Uv AlGan-based Leds investigated by electrical and spectroscopic characterisation”, Proc. SPie 10124, Photonics West, San francisco, USA, Jan 28 - feb 02, 101240t (2017).A. Muhin, “numerische Untersuchungen der elektronenreflexion durch Multiquantumbarrieren in Gruppe iii-nitriden”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2017).J. oeff, „Alterungserscheinungen von AlGan-basierten Uv-Photodetektoren“, Bachelorarbeit (Physikalische technik – Medizintechnik), Beuth Hochschule für technik Berlin (2017).P. röder, “Metallorganische Gasphasenepitaxie von AlGan-basierten Uvc-Leuchtdioden und Uvc-Laserheterostruk-turen auf Aln- und Saphirsubstraten”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2017).n. Susilo, J. enslin, L. Sulmoni, M. Guttmann, U. Zeimer, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, “effect of the Gan:Mg contact layer on the light-output and current-voltage characteristic of UvB Leds”, phys. stat. sol. (a), 1700643 (2017).S. Walde, „optoelektronische charakterisierung von (Al, Ga)n-basierten MSM-Uv-Photodetektoren“, Masterarbeit (Physik), technische Universität Berlin (2017).J. Glaab, J. Haefke, J. ruschel, M. Brendel, J. rass, t. Kolbe, A. Knauer, M. Weyers, S. einfeldt, M. Guttmann, c. Kuhn, J. enslin, t. Wernicke, M. Kneissl, “degradation effects of the active region in Uv-c light-emitting diodes”, J. Appl. Phys., 123, vol. 104502 (2018).n. Susilo, “Metallorganische Gasphasenepitaxie von AlGan-basierten UvB-Leds und deren elektrische und optische charakterisierung”, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2017).n. Susilo, S. Hagedorn, d. Jaeger, H. Miyake, U. Zeimer, c. reich, B. neuschulz, L. Sulmoni, M. Guttmann, f. Mehnke, c. Kuhn, t. Wernicke, M. Weyers, M. Kneissl, “AlGan-based deep Uv Leds grown on sputtered and high temperature annealed Aln/sapphire”, Appl. Phys. Lett. 112 (4) 041110 (2018).

Arbeitsfeld Module & MesstechnikField of work Modules & MetrologyS. nieland; d. Mitrenga, d. Karolewski, o., Brodersen, t. ortlepp, „Uv Led custom interconnection for enhanced heat dissipation“, Proc. Smart System integration 2017, cork, ireland, iSBn 978-3-95735-057-2 (2017).S. nieland; d. Mitrenga, d. Karolewski, i. Kaepplinger, c. Maier, o, Brodersen, t. ortlepp, „einfluss der Materialien und der verbindungstechnik auf das optimierte Wärmemanagement bei einsatz von Uv-Leds“, iMAPS frühjahrsse-minar 2017 – Package: der Schlüssel zum optimalen Sensor?!, technische Universität ilmenau (2017).S. nieland, d. Mitrenga, d. Karolewski, P. rotsch, o. Brodersen, t. ortlepp, „influence of interconnection on the long term reliability of Uv Led packages“, Proc. SPie 10124 (2017).S. nieland; d. Mitrenga, d. Karolewski, i. Kaepplinger, c. Maier, o. Brodersen, t. ortlepp, „einfluss der Materialien und der verbindungstechnik auf das optimierte Wärmemanagement bei einsatz von Uv-Leds“, tutorial „optics meets electronics“, SMt Hybrid Packaging, nürnberg (2017).i. Kaepplinger, d. Karolewski, G. Brokmann, t. ortlepp, o. Brodersen, A. thies, J. rass, S. einfeldt, n. Lobo Ploch, c. Stoelmacker, f. Schnieder, „thermocompression bonding for high-power Uv Leds“, Proc. SPie 10554 (2018).S. nieland, d. Mitrenga, d. Karolewski, M. Weizman, P. rotsch, t. Westerhoff, o. Brodersen, t. ortlepp, „demands on high power Led packages for UvB and Uvc emitters“, Proc. SPie 10554 (2018).S. nieland, d. Mitrenga, c. Möller, M. Weizman, P. rotsch, t. Westerhoff, o. Brodersen, t. ortlepp: „Anforderungen an die Montage von Uv- und viS-Leds zur realisierung von multispektralen Strahlern“, 9. dvS/GMM fachtagung: elektronische Baugruppen und Leiterplatten, fellbach, deutschland, tagungsband iSBn: 978-3-96144-026-9 (2018).


Arbeitsfeld desinfektion Field of work Disinfectiont. Schwarzenberger, A. neuner, J. Glaab, J. eggers, „Uv-c: Bench scale irradiation of microorganisms with various wavelengths”, Proc. - iUvA World congress (2016).t. Schwarzenberger, J. eggers, „Betrieb und zukünftige entwicklung in der Uv-technologie“, in „Band 75: Zukunfts- sicherer Betrieb von Wasserversorgungsanlagen“, tZW: dvGW-technologiezentrum Wasser, iSSn 1434-5765 (2016).e.B.M. Hillman „Microbiome Analysis of Sus scrofa domesticus (domesticated pig) Ground Meat intended for cooked and raw consumption“, Masterarbeit, Leibniz-institut für naturstoff-forschung und infektionsbiologie – Hans-Knöll-institut (2017).t. Schwarzenberger, A. neuner, t. Westerhoff, J. eggers, „development of Uv-c Led modules for bench scale irradiation experiments“, Proc. – iUvA World congress, dubrovnik (2017).J. eggers, „Uv light for water treatment: applications and challenges“, Proc. – empowering photonics regional event (2017).J. eggers, „Uv-Led systems: reflections on validation testing”, icULtA-2018 – international conference on Uv Led technologies & Applications, 22.-25.04.2018, Berlin (2018).K.-H. Schön, t. Schwarzenberger, J. eggers, „Why and how to characterize Uv-c Leds? Part 1: test protocols, aging and temperature behavior”, icULtA-2018 – international conference on Uv Led technologies & Applications, 22.-25.04.2018, Berlin (2018).t. Schwarzenberger, K.-H. Schön, J. eggers, „Why and how to characterize Uv-c Leds? Part 2: Measurement of directivity and Uv-c output”, icULtA-2018 – international conference on Uv Led technologies & Applications, 22.-25.04.2018, Berlin (2018).

Arbeitsfeld MedizinField of work MedicineA.c. Lauer, n. Groth, S.f. Haag, M.e. darvin, J. Lademann, M.c. Meinke, „radical Scavenging capacity in Human Skin before and after vitamin c Uptake: An in vivo feasibility Study Using electron Paramagnetic resonance Spectroscopy“, J. invest. dermatol., 133, 1102-1104 (2013).M.c. Meinke, r. Muller, A. Bechtel, S.f. Haag, M.e. darvin, S.B. Lohan, f. ismaeel, J. Lademann, „evaluation of carotenoids and reactive oxygen species in human skin after Uv irradiation: A critical comparison between in vivo and ex vivo investigations“, exp. dermatol., 24, 194-197 (2015).S. Albrecht, S. Ahlberg, i. Beckers, d. Kockott, J. Lademann, v. Paul, L. Zastrow, M.c. Meinke, „effects on detection of radical formation in skin due to solar irradiation measured by ePr spectroscopy“, Methods, 109, 44-54 (2016).S.B. Lohan, r. Muller, S. Albrecht, K. Mink, K. tscherch, f. ismaeel, J. Lademann, S. rohn, M.c. Meinke, „free radicals induced by sunlight in different spectral regions - in vivo versus ex vivo study“, exp. dermatol., 25, 380-385 (2016).c. reble, „non-invasive determination of the sun protection factor by reflectance spectroscopy”, research Seminar der charité - Klinik für dermatologie, venerologie und Allergologie, 07.11.2016.U. Wollina, B.Seme, A. Scheibe, e. Gutmann, „Application of Uv emitters in dermatological Phototherapy“, in: M. Kneissl and J. rass (eds.), Springer Series in Materials Science 227, iSBn 978-3-319-24098-5, ch. 11 (2016).J. Lademann, „nicht invasive SPf-Bestimmung von Sonnenschutzmitteln“, Jahrestagung der Stiftung für Haut- physiologie, Berlin (2017).J. Lademann, M. c. Meinke, S. Albrecht, L. Zastrow, “Warum topische Lichtschutzmittel gegen das gesamte Strahlen-spektrum der Sonne wirksam sein sollten“, Jahrestagung der Gesellschaft für dermatopharmazie, Hamburg (2017).J. Lademann, M. c. Meinke, S. Schanzer, M. e. darvin, L. Zastrow, “interaction of free radicals with antioxidants in human skin: conclusions for sun protection”, Keynote Lecture, ifScc congress, 24.-26.10.2017, Seoul, Korea (2017)S.B. Lohan, K. vitt, P. Scholz, c.M. Keck, M.c. Meinke, „roS production and glutathione response in keratinocytes after application of beta-carotene and viS/nir irradiation“, chem. Biol. interact., 280, 1-7 (2017).e. Wyrwich, B. Seme, r. Skoczowsky, f. Stüpmann, M. Moschall, G. Khazaka, J. Schleusener, „Uv-Led-Based fluorescence and reflectance Sensor System for dermatological diagnostics“, Proc.. AMA conferences - SenSor 2017, iSBn 978-3-9816876-4-4, 658-663 (2017).L. Zastrow, M.c. Meinke, S. Albrecht, A. Patzelt, J. Lademann, „from Uv Protection to Protection in the Whole Spectral range of the Solar radiation: new Aspects of Sunscreen development“, Adv. exp. Med. Biol., 996, 311-318 (2017).M. Meinke,“ non-invasive sun protection factor determination using Led light” (invited), icULtA-2018 – int. conf.on Uv Led technologies & Applications, 22.-25.04.2018, Berlin (2018).c. reble, i. Gersonde, S. Schanzer, M.c. Meinke, J. Helfmann, J. Lademann, “evaluation of detection distance-dependent reflectance spectroscopy for the determination of the sun protection factor using pig ear skin”, J. Biophoto-nics, 11, doi: 10.1002/jbio.201600257 (2018).c. reble, M. Meinke, J. rass, J. Lademan, S. Schanzer, G. Wiora, G. Khazaka, H. Karrer, “no More Sunburn - non-invasive Led-based measurement of the sun protection factor”, optik&Photonik, 13 (1), 32-35, doi: 10.1002/opph.201800001 (2018).


Arbeitsfeld Umwelt & Life SciencesField of work Environment & Life SciencesM. Schreiner, i. Mewis, S. neugart, r. Zrenner, J. Glaab, M. Wiesner, M. A. K. Jansen, „Uv-B elicitation of Secondary Plant Metabolites“, in: „iii-nitride Ultraviolet emitters - technology & Applications“, M. Kneissl, J. rass (eds.), Springer Series in Materials Science vol. 227, 387-414, iSBn 978-3-319-24100-5 (2016).M. Schreiner, “Potential importance of secondary plant metabolites induced by Uv-B radiation: benefits from plant protection to human health” (invited talk), european Society of Photobiology, 04.-08.09.2017 Pisa, italy, p 56 (2017).M. Schreiner, M. Wiesner, S. Baldermann, f. S. Hanschen, S. neugart, „Uv-B induced changes in secondary plant metabolites“, in „the role of Uv-B radiation in plant growth and development“, B. r. Jordan (ed), cABi press, oxford, UK, 39-57, iSBn 978 1 78064 859 0 (2017).M. Wiesner-reinhold, S. Baldermann, K. czajkowski, t. filler, S. neugart, M. Schreiner, „Application of UvB promotes health-preventing glucosinolates in Brassica species“, 4th international Glucosinolate conference, 17.-20.09.2017, Berlin, Germany,. 115 (2017).M. Wiesner-reinhold, S. Baldermann, K. czajkowski, t. filler, S. neugart, M. Schreiner, „influence of UvB radiation applied by Leds on secondary plant metabolites” (invited talk), european Society of Photobiology, 04.-08.09.2017, Pisa, italy, p 67, (2017).c. Möller, M. Hentschel, t. Hensel, A. Müller, c. Heinze, t. ortlepp, „dnA analysis with a Led based illuminaiton module“, Smart Systems integration, dresden (2018).c. Möller, M. Hentschel, t. Hensel, A. Müller, c. Heinze, t. ortlepp, „dnA analysis with Uv-Leds“, Photonics europe, Strasbourg (2018).c. Möller, M. Hentschel, t. Hensel, A. Müller, c. Heinze, t. ortlepp, „Led based miniaturized illumination unit for dnA analysis“, europtrode, neapel (2018).c. Möller, M. Hentschel, t. Hensel, A. Müller, c. Heinze, t. ortlepp, „Uv-Led based diagnostics“, cBM-Workshop, elgersburg (2018).

Arbeitsfeld Produktion Field of work Productionc. dreyer, f. Mildner, “Application of Leds for Uv-curing”, in: “iii-nitride Ultraviolet emitters - technology and Applications”, M. Kneissl, J. rass (eds.), Springer 2016, iSBn: 978-3-319-24098-5, chapter 15 (2016). P. Wohlfrom, “repair of glass fibre-reinforced epoxy polymers with Uv-Led curable resin systems”, Master thesis, Université de Strasbourg (f), École européenne de chimie, Polymères et Materiaux (ecPM) (2016).c. dreyer, “Uv-Led-curing of Lightweight Materials”, radtech europe conference & exhibition, 17.-19.10.2017, Prag (cZ) (2017).M. Köhler, L. Goldenberg, c. Pithart, c. dreyer, „Uv-curable thermosetting Polymers for (optical) coatings and Photonics”, radtech europe conference & exhibition 2017, 17.-19.10.2017, Prag (cZ) (2017).

Arbeitsfeld Strategie & ManagementField of work Strategy & Managementc. dreher, A. Biedermann, L. Mitzscherling, „Kann routinisierter Methodeneinsatz zum innovationsproblem werden?“, in „vorausschau und technologieplanung, 10. Symposium für vorausschau und technologieplanung, Berlin, 20.-21.11.2014“, J. Gausemeier (Hrsg.), Hni- Heinz nixdorf institut, Universität Paderborn, verlagsschriftenreihe, Band 334, S. 37-61 (2014)e. eppinger, A. Biedermann, A. Scheel, c. dreher, “iP strategy building for (open) research networks”, cinet – conti-nuous innovation network conference, 13.-15.09.2015, Stockholm, (2015).A. Mertsch, „Advanced Uv for Life im rampenlicht – entwicklung eines Kommunikationskonzepts“, Masterarbeit, technische Universität Berlin (2015).A. Biedermann, c. dreher, A. Scheel, „vom Methodenmix zur Strategie – instrumente der Zukunftsforschung zur Strategieentwicklung in verbundprojekten“ in „Zukunftsfragen – einblick in aktuelle debatten der Zukunftsforschung“, r. Popp, n. fischer, M. Heiskanen-Schüttler, J. Holz, A. Uhl, Lit-vertrag, iSBn 978-3-643-90663-2 (2016). e. eppinger, K. eilers, L. Walter, M. Möhrle, “collaborating for technology development. What can we learn from patents with co-application?”, cinet conference 10.-12. September 2017, Potsdam, (2017).e. eppinger, d. ehls, “explaining technology diffusion with ecosystems – adopting insights from biology”, Herbst-tagung der WK nachhaltigkeitsmanagement des vHB, 11.-13. oktober 2017, Köln, deutschland (2017).e. eppinger, A. tauber, v. Jarotschkin, „technologieentwicklungen erkennen und steuern. teil 1: indikatoren zur technologieerkennung und –bewertung“, open Access, http://edocs.fu-berlin.de/docs/receive/fUdocS_docu-ment_000000028670, iSBn: 978-3-96110-059-0 (2017).n. Hübener, d. friedrich, “cASe: Wissenschaftsmanagement in Mint-instituten”, in: “Wissenschaftsmanagement – Handbuch & Kommentar”, M. Lemmens, P. Horváth, M. Seiter (Hrsg.), Lemmens Medien, edition Wissenschafts-management, iSBn 978-3-86856-013-8, S. 216-226 (2017).


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herAUSgeBer PUBLISHeRKonsortium „Advanced Uv for Life“ Koordinationsstellec/o ferdinand-Braun-institut, Leibniz-institut für HöchstfrequenztechnikGustav-Kirchhoff-Straße 412489 Berlin

redAktion EDitorsK. Jacobs, A. Mertsch, n. Hübener

Unter MitwirkUng von WITH THe COLLaBORaTIOn OFAnalytik jena: M. Hentschel, S. Winter, e. Wyrwich Asclepion: i. Streit charité: t. Koburger-Janssen, A. Kramer, J. Lademann, M. Meinke, G. Müller, A. Patzelt ciS: o. Brodersen, i. Käpplinger, S. nieland, t. ortlepp c+k: c. reble emerson: L. Knöpke, M. Winter fBh: S. einfeldt, J. Glaab, S. Hagedorn, J. ruschel, M. Weyers fUB-iLSh: t. Alter fUB-itUh: U. rösler fUB-PiM: A. Biedermann, c. dreher, e. eppinger, L. Mitzscherling, A. Scheel gMBU: B. Seme haase tank: H. Pohl, t. vilsmeierhki/Uni jena: r. König iAP-Pyco: c. dreyer, n. Gerber, M. Köhler, t. Lerz, A. Setzerigz: M. Schreiner, M. Wiesner-reinhold ikz: M. BickermanninnoMat: A. BernaschekioSB-ASt: t. Westerhoff j-fiber: J. rosenkranzLaufenberg: H. HarwardtMrt: A. voigt, J. J. Klein oSA: M. Weizman oSrAM oS: H.-J. Lugauer Polystal: B. Hildebrandt, H. SchmiederPUrion: W. Wipprichsglux: n. Papathanasiou Silicann: f. Stüpmann tUB/fBh: M. Kneissl tUB: t. Wernicke tzw: J. eggers, t. Schwarzenberger Uvphotonics/fBh: J. raß, n. Lobo Ploch

üBerSetzUng transLationtoptranslation, Hamburg fachliche Mitwirkung/technical review: K. Jacobs

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Berlin, april 2018

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