殺菌新配方：UV-C LED

從某種程度來說，疫情正加速推動著新消毒解決方案的開發(fā)進程。

2020年疫情爆發(fā)后，UV-C LED迅速“成名”，后來雖然伴隨疫情反復(fù)時有起伏，但對于消殺市場，UV-C LED仍是一種極具潛力和挑戰(zhàn)性的解決方案。

艾邁斯歐司朗的應(yīng)用工程師Alexander Wilm 與開發(fā)工程師Hans Lugauer攜手致力于UV-C LED開發(fā)，以使其適合批量生產(chǎn)。他表示：“即使在‘正常’條件下，我們也不乏潛在對UV-C的應(yīng)用。疫情的肆虐使消毒領(lǐng)域出現(xiàn)新解決方案——UV-C輻射。現(xiàn)在，我們每天都可以發(fā)現(xiàn)很多可能的應(yīng)用?！?/p>

據(jù)TrendForce 2022深紫外線LED最新報告分析2021-2026年UV-C LED市場規(guī)模年復(fù)合增長率為24%。

長期來看，空氣殺菌與大型表面殺菌仍是UV-C LED在終端應(yīng)用中重點布局的領(lǐng)域。同時，UV-C LED也正顯現(xiàn)自身潛力，逐步在原廠汽車空調(diào)、動態(tài)水殺菌、制造業(yè)設(shè)施與工廠自動化應(yīng)用中“施展拳腳”。

1、未來單品：便攜式殺菌利器

盡管如今使用短波低壓放電燈對水、空氣和物品表面進行滅菌和消毒大行其道，但Lugauer認為使用UV-C輻射進行消毒的未來取決于LED：“與傳統(tǒng)解決方案相比，其靈活性更高，體積更小?？深l繁打開與關(guān)閉，無需擔(dān)憂任何問題，且耐振動。

有鑒于此，全新應(yīng)用應(yīng)運而生，例如可存放在夾克口袋中的移動式消毒設(shè)備。“我們將其稱為‘便攜式殺菌利器’”Lugauer認為這是每個人當(dāng)下夢寐以求的產(chǎn)品。該應(yīng)用距離真正普及尚有不少難點：“除效率外，安全性是最大的挑戰(zhàn)——必須確保UV-C輻射不會對皮膚或眼睛構(gòu)成威脅，”他的同事 Wilm 補充道：“該原則適用于所有UV-C產(chǎn)品，因為此類產(chǎn)品會對人和環(huán)境構(gòu)成一定危險?！?/p>

這也正是使用UV-C光對穿著防護服員工進行消毒時，應(yīng)佩戴可抵擋UV-C輻射口罩和手套的原因所在。在各個房間中穿梭時，使用UV-C消毒物品表面的特殊機器人都配有傳感器，有人靠近時會立即關(guān)閉。

2、無菌化開啟多元應(yīng)用

眾所周知，汞燈存在諸多不足，比如空間狹小時可能會受到振動和沖擊；無法承載高點火電壓。而UV-C LED可有效彌補此類不足，堪稱替代汞燈的明智之選，例如LED更加堅固不易碎的結(jié)構(gòu)特征會防止玻璃破裂和汞溢出對人構(gòu)成危險；其次就壽命來講，目前汞燈的平均壽命約為6,500小時，而UV-C LED的L70大于1萬小時……

“UV-C LED適用于不同應(yīng)用，例如對出租車、公共汽車或共享汽車中的物品表面進行消毒。我堅信，一旦UV-C LED性能改善，且成本進一步下降，其他令人興奮的應(yīng)用必將如雨后春筍，破土而出。

據(jù)TrendForce分析，2022年UV-C LED應(yīng)用市場包含家電、公共空間與制造應(yīng)用、動態(tài)水殺菌、汽車空氣殺菌、醫(yī)療、生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用等。

隨著UV-C LED產(chǎn)品技術(shù)日趨成熟以及價格日漸合理，UV-C LED家電需求市場穩(wěn)定成長。同時，疫情雖催生UV-C LED于2020年快速進入入中國車用空氣殺菌市場，然而LED元件仍需遵循 AEC-Q102規(guī)范，因此，預(yù)計2024-2025年才是UV-C LED在汽車空氣殺菌中的真正導(dǎo)入時機。

除此之外，隨著UV-C LED光學(xué)功率與產(chǎn)品壽命提升至工業(yè)/商業(yè)要求，將有機會于2026年正式進入工業(yè)/商業(yè)動態(tài)水殺菌市場。

3、為何殺菌效果顯著？

為何紫外光在對抗病菌方面效果卓著？UV-C解決方案如此有效的主要原因在于地球表面不存在天然的UV-C輻射。UV-C輻射幾乎被地球臭氧層全部吸收并阻隔。因此，細菌和病毒尚未進化出針對UV-C輻射的任何防御機制。

短波UV-C輻射（200至280納米）是能量最大的UV輻射的組成部分。波長低于280納米的紫外光可破壞微生物RNA或DNA螺旋中的化學(xué)鍵。這可撕裂遺傳信息。因此，病毒或細菌不再具有傳染性，即無法繁殖。UV-C輻射的“殺傷因子”（換言之，必要劑量）因微生物而異。由于265nm紫外線對生物細胞中的DNA和RNA分子結(jié)構(gòu)的破壞力最強，因此理論上殺菌效果最好。Lugauer對此補充解釋道：“由于UV-C LED效率隨波長下降而降低，因此我們一方面優(yōu)化LED波長以實現(xiàn)高效率；另一方面，我們注重合理能效，同時產(chǎn)生高水平的有效輻射。”

4、尋找新材料

事實上，UV-C LED的創(chuàng)新性離不開材料系統(tǒng)的加持。UV-C LED由氮化鋁鎵(AlGaN)構(gòu)成。從化學(xué)角度而言，和用于藍色和綠色LED，且大家更熟悉的氮化銦鎵(InGaN)極為相似。因此，幾乎適用于所有芯片生產(chǎn)中的制造過程——只有外延過程完全不同。

但如果想做到紫外就需要往InGaN中不斷摻雜鋁，鋁摻雜得越多，波長就降得越低，但同時由于摻雜率的問題，芯片的效率也會逐次降低，這也是為什么很多廠商在做UV-C LED時盡量不把波長做得太短的原因。其次，InGaN要外延制造AlGaN半導(dǎo)體晶體，還需要高達1400℃的高溫。

此外，有些新工藝只能經(jīng)過專門設(shè)計外延工廠中進行。更重要的是，LED封裝需要特殊封裝材料以增加芯片光輸出。常規(guī)LED中通常用于此目的的透明硅膠材料在受到高能UV-C光子照射時會很快分解。因此，要找到并測試對UV-C光足夠穩(wěn)定且透明的新材料，絕非易事。作為唯一可透過uv-c的材料，特殊石英玻璃正是不二之選。

5、準備就緒，迎接未來

“解決基本生產(chǎn)流程和材料問題后，我們亟需應(yīng)對效率和可靠性問題。要實現(xiàn)經(jīng)濟、高質(zhì)量地生產(chǎn)UV-C LED，大量的開發(fā)工作必不可少。當(dāng)下情況與十年前情況頗為類似，當(dāng)時通用照明用的LED仍效率低下且價格昂貴，而現(xiàn)在該情況已從根本上得到改變。對于UV-C LED而言，改變也將隨即而至?！?Lugauer說道。這一喜報足以為未來應(yīng)對病菌挑戰(zhàn)注入強心針。

目前，艾邁斯歐司朗已推出275nm波長下的UV-C LED系列產(chǎn)品。此外，其聚焦273nm波長推出的100mW大功率的UV-C LED產(chǎn)品OSLON? UV 6060，也將成為大流速流水消殺的一個新選擇。

事實上，就在去年2月份，艾邁斯歐司朗收購了美國深紫外LED供應(yīng)商Bolb Inc約20%的股份，旨在通過該項戰(zhàn)略投資，進一步擴展在UV-C滅菌應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)品布局?？梢哉f，不論是UV-C LED，亦或是艾邁斯歐司朗在其領(lǐng)域的未來表現(xiàn)，都值得業(yè)界期待。

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審核編輯 黃昊宇