追趕Mercury UV-C殺菌效率，UV-C LED有望完成替代

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）UV，眾所周知指的是紫外線，根據(jù)波長(zhǎng)不同又有不同的分類(lèi)。大于350nm的UV-A常用于園藝照明以及光固化，280nm～320nm的UV-B常用于光療。

而短波UV-C，波長(zhǎng)介于200～275nm，被稱(chēng)為短波滅菌紫外線，是殺菌效果最強(qiáng)的紫外線。深紫外UV-C LED作為疫情時(shí)代的重要防控手段之一，正越來(lái)越多地受到社會(huì)關(guān)注。深紫外UV-C LED 體積小、便于設(shè)計(jì)、安全無(wú)汞，有著許多易用優(yōu)勢(shì)，正在家電、流水、醫(yī)療等消費(fèi)級(jí)與專(zhuān)業(yè)級(jí)消毒應(yīng)用中逐漸開(kāi)始滲透。

UV-C的消殺能力

目前市面上比較常見(jiàn)的殺菌指標(biāo)都是以多少個(gè)9來(lái)衡量，比如兩個(gè)9就是99%，也被叫做兩個(gè)log2，如果是三個(gè)9則是99.9%的消殺率，就會(huì)被叫成log3。這也是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各種表面殺毒大眾化的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)環(huán)境下的殺菌要求通常以三個(gè)9為準(zhǔn)。醫(yī)療級(jí)的消殺要求更高，要求四個(gè)9甚至更高的標(biāo)準(zhǔn)。

UV-C LED在殺菌劑量和效果指標(biāo)方面，由于這個(gè)病原體它的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、大小都不一樣，需要不同的暴露劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的消殺效果，由公式D=Ee×t計(jì)算。實(shí)際的殺菌測(cè)試來(lái)進(jìn)行一個(gè)標(biāo)定計(jì)量的話，用單位面積的光功率乘以暴露時(shí)間就是想達(dá)到這個(gè)計(jì)量。很容易理解，單位面積光功率較大的時(shí)候，可以減少暴露的時(shí)間。如果面積光功率比較小的話，就需延長(zhǎng)這個(gè)暴露時(shí)間來(lái)達(dá)到相同的劑量。

根據(jù)IESNA和DIN定義的平均殺菌反應(yīng)曲線，最高的相對(duì)殺菌效果波長(zhǎng)在265nm左右。一般來(lái)說(shuō)的話，殺死帶有細(xì)胞壁的細(xì)菌需要更少的劑量，可能20多毫焦每平方厘米就夠了，但是可能殺死病毒需要更多的更高劑量達(dá)到33毫焦每平方厘米。

LED UV-C與Mercury UV-C

在UV-C LED出現(xiàn)以前，很多殺菌設(shè)備使用的是Mercury UV-C注汞石英燈管來(lái)實(shí)現(xiàn)消殺效果。LED UV-C與Mercury UV-C對(duì)比，優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。

首先是設(shè)備的易碎性大大提升，注汞石英燈管外殼采用的是玻璃，極易碎，成品尺寸往往超過(guò)1m。因?yàn)闊艟咄庑误w積大，360°出光也比較浪費(fèi)。而且在運(yùn)輸過(guò)程中因?yàn)槠渲亓扛?，整體成本也較高。并且含汞的設(shè)備使用時(shí)也需要格外注意安全。采用UV-C LED無(wú)論是燈具形式還是其他的形式，設(shè)計(jì)都比較靈活，其封裝非常小，一般都是小于1平方厘米的封裝，可以把它設(shè)計(jì)成任何的組裝形態(tài)，更加安全可靠。

從散熱方面來(lái)看，注汞石英燈管是同一個(gè)表面同時(shí)發(fā)出光和熱，UV-C LED是正面出光，散熱主要靠背板，相對(duì)來(lái)說(shuō)UV-C LED在散熱上更加集中。二者的啟動(dòng)時(shí)間也有很大差異，注汞石英燈管需要一定的這個(gè)啟動(dòng)時(shí)間，也就是燈絲需要預(yù)熱的時(shí)間，但是UV-C LED則完全不需要啟動(dòng)時(shí)間，它是瞬態(tài)啟動(dòng)，可以頻繁開(kāi)關(guān)。

那從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，上面提到了Mercury UV-C燈具的外形體積比較大，而且它的角度是360°出光，如果需要添加一些光學(xué)調(diào)整（反光照等），然調(diào)整出的出光角度就會(huì)造成輻射能量的浪費(fèi)。但是UV-C LED是方向性180°出光，可以直接將出光面設(shè)計(jì)到所需的方向，減少輻射能量的浪費(fèi)。

注汞石英燈管依靠汞的譜線，只能夠發(fā)出253.7nm的波段，這是其特性決定的。而UV-C LED的波長(zhǎng)實(shí)際上并不固定，波長(zhǎng)可以通過(guò)調(diào)整化工半導(dǎo)體的成分去改變，一般來(lái)說(shuō)，性價(jià)比比較高的波段是260至280nm。

雖然上述這些對(duì)比項(xiàng)UV-C LED完全占據(jù)了上風(fēng)，但是有一點(diǎn)是目前UV-C LED無(wú)法抗衡Mercury UV-C的，那就是效率。目前，注汞石英燈管是完全領(lǐng)先的，效率基本上在25%到30左右。目前市面上常見(jiàn)的中小功率UC-V LED效率在3%左右。一些領(lǐng)先的光學(xué)廠商如艾邁斯，可以把效率提到6%（處于275nm波段）。但是在效率上，UV-C LED還是有很大的追趕空間。根據(jù)這些廠商的預(yù)測(cè)，五年時(shí)間內(nèi)，UV-C LED的效率將提升到20%-25%。

UV-C LED的性價(jià)比最優(yōu)解

對(duì)紫外線來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)越短的紫外線成本越高，但是如果紫外的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，又失去了殺菌效果。所以目前平衡成本和殺菌效率就成為UV-C LED的重中之重。上面已經(jīng)提到，最高的相對(duì)殺菌效果波長(zhǎng)在265nm，Mercury UV-C的典型波長(zhǎng)253.7nm需要補(bǔ)償16%的劑量才能達(dá)到265nm同樣的殺菌效果，而出光效率最高的波長(zhǎng)在280nm。

成本和殺菌效果二者平衡下來(lái)得到的相加比最優(yōu)的波長(zhǎng)是265到275nm。目前UV-C LED廠商普遍選擇這個(gè)區(qū)間的波長(zhǎng)做來(lái)產(chǎn)品。280nm的LED雖然看起來(lái)可能輸出比較高，但與275nm相比，光功率相同情況下，同樣的殺菌效果275nm可以節(jié)省16%的顆數(shù)。

小結(jié)

最早開(kāi)始應(yīng)用也是目前UV-C LED應(yīng)用最廣的市場(chǎng)是隨著疫情爆發(fā)最先觸發(fā)消毒消殺需求的消費(fèi)類(lèi)及家電市場(chǎng)。這一市場(chǎng)需求主要集中在小功率，以3毫瓦到30毫瓦為典型值，效率在2%左右的UV-C LED為主。這種場(chǎng)景對(duì)于壽命沒(méi)有很長(zhǎng)的要求，基本上3000小時(shí)就足夠。比如便攜式的消毒棒，可以接插在手機(jī)的Type C等接口上隨時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)隨身消毒。

在消費(fèi)類(lèi)普及后，目前UV-C LED正在小規(guī)模流水通風(fēng)、食品消殺等中小功率市場(chǎng)拓展，基本上是30毫瓦到100毫瓦為典型值的一些應(yīng)用。對(duì)效率的要求開(kāi)始逐漸提高，這種場(chǎng)景對(duì)單顆的效率上升到4%到7%左右，壽命要求也在逐漸提升要達(dá)到5000小時(shí)。比如電梯扶手的表面消殺，把UV-C LED安裝在電梯扶手皮帶出來(lái)的部分，進(jìn)行循環(huán)消毒。

隨著消費(fèi)者對(duì)UV-C LED認(rèn)可度的逐漸上升，UV-C消毒應(yīng)用市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大。上面提到的已經(jīng)開(kāi)始普及的兩個(gè)市場(chǎng)對(duì)于UV-C LED的效率要求不高。隨著UV-C LED效率往10%、20%發(fā)展，后續(xù)在公共交通、醫(yī)療以及車(chē)載前裝的市場(chǎng)UV-C LED將全面替代Mercury UV-C，適配消殺要求更高的專(zhuān)業(yè)場(chǎng)所。