您的位置 首页 灯具百科

不排斥不捧杀,正确认识杀菌消毒神器—深紫外LED

紫外线是如何杀死细菌和病毒的?紫外杀菌消毒有什么特点?有哪些注意事项?深紫外LED为何被称为杀菌消毒神器?各国对于这一产业的布局情况如何?

2020年的鼠年春节因为新型冠状病毒的肆虐,注定将成为全国人民最刻骨铭心的一个春节。截止3月1日,新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的感染者已累计确诊80000多人,累计死亡2900多人。新冠疫情让“消毒”成为高频词汇,75%浓度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等消毒方式一次次被提及。

在国家卫健委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》中提到“病毒对紫外线和热敏感”,紫外线杀菌消毒也因此一跃成为当前的热点。紫外杀菌消毒在过去往往只是作为医院等特殊场景的杀菌消毒方式,广大消费者对紫外杀菌消毒还比较陌生。

那么,紫外线是如何杀死细菌和病毒的?紫外杀菌消毒有什么特点?有哪些注意事项?深紫外LED为何被称为杀菌消毒神器?各国对于这一产业的布局情况如何?本文就将为读者揭开深紫外LED的神秘面纱。

一、 紫外杀菌消毒的原理

紫外杀菌近期已经有很多文章进行了科普,这里还是重申三点:

第一、紫外线按照波长划分,可以分为UVA长波紫外线(波长范围315–400 nm)、UVB中波紫外线(波长范围280 – 315 nm)、UVC短波紫外线(波长范围200–280 nm)以及VUV真空紫外线(波长范围10–200 nm)。其中UVA长波紫外线也经常被称为近紫外线,UVC短波紫外线经常被称为深紫外线。

第二、紫外线是一种诱变剂,在特定的波长范围(主要是UVC)以及足够高的剂量下,紫外线能够引起细菌和病毒等微生物细胞中的DNA或RNA相邻嘧啶分子间形成异常的化学键,阻碍DNA或RNA的复制,从而造成微生物细胞死亡。深紫外LED即通过发出UVC波长的深紫外线达到杀菌消毒的效果。

第三、非典时期中国疾病预防控制中心的研究人员发现,使用强度大于90uW/cm2的深紫外线照射冠状病毒60分钟,可以灭杀SARS病毒。新型冠状病毒和SARS病毒类似,同属于单股正链RNA病毒,因此理论上科学合理地使用紫外线可以有效灭杀新型冠状病毒。

图1:紫外杀菌消毒的原理

二、 紫外杀菌消毒的特点

紫外杀菌消毒主要有以下几个特点:

(1)杀菌消毒效率高:美国食品药品监督管理局卫生评估与研究中心研究表明,在特征波长254nm、辐射强度4016uW/cm2的紫外光源照射下,SARS病毒在6分钟后灭杀率可达到99.99%。相比于加热消毒在75摄氏度下需要45分钟才能灭杀SARS病毒,紫外杀菌消毒的效率要高出许多。

(2)杀菌广谱性:由于紫外线是直接对细菌和病毒的DNA和RNA起作用,因此在目前所有的杀菌消毒方式中,紫外线杀菌消毒的广谱性最高,对几乎所有细菌和病毒都能高效率灭杀。

(3)无二次污染:常用的次氯酸钠消毒液对环境有危害,会造成水体污染,其所释放出的游离氯有可能引起中毒。相比之下,紫外线可以致使细菌和病毒直接死亡,没有其它化学污染物产生。但要注意尽量避免使用波长小于243nm的紫外线而产生臭氧。

三、 紫外LED的优势

目前用于杀菌消毒的紫外光源主要有两种:传统汞灯和深紫外LED。相比于传统汞灯的诸多缺点,深紫外LED具有明显的政策优势和技术优势。

传统汞灯的缺点:

(1)外形笨重,尺寸较大,并配有高压电。

(2)启动时间长,无法做到即开即用。

(3)易碎,使用寿命短,高达90%的使用寿命消耗在频繁的开关阶段。

(4)剧毒,破裂后会造成汞泄漏,污染环境,严重危害人体健康。

深紫外LED的政策优势:全球128个国家签署的《联合国水俣公约》已于2017年8月在中国正式生效,条约明令各国从2020年起禁止生产及进出口各种含有汞的制品,传统汞灯将被禁止生产和销售。我国政府先后颁布了《中国严格限制的有毒化学品名录》和《优先控制化学品名录(第一批)》等系列政策文件,对汞的管控提出明确要求。作为传统汞加工制造和汞污染大国,中国政府积极践行《水俣公约》要求。虽然,用于固化和杀菌的紫外汞灯还不在今年主要管制之列,但是从长远来看,正如在通用照明领域LED替代传统光源是必然趋势,作为绿色环保的新型紫外固态光源的深紫外LED,将是传统紫外光源--汞灯的唯一替代选择。而随着《水俣公约》的生效以及深紫外LED自身技术不断进步,深紫外LED将迎来其产业规模的快速增长。

深紫外LED的技术优势:在各种不同的杀菌消毒方式中,只有深紫外LED同时具备节约能源、即开即用、节省空间、免除维护、无毒无害、寿命长、无刺激性气味等优异特性。相比于其它杀菌消毒方式,深紫外LED具有明显的技术优势。

表1:深紫外LED的技术优势

四、 紫外LED的市场规模

综合多家调研机构的市场分析,紫外LED器件的产值在2017年为2亿美元,到2025年将达到13亿美元左右,年复合成长率超过30%,其中深紫外LED为主要的成长动能。紫外LED具有体积小、设计灵活方便、无污染等特点,十分适合在白色家电中应用。根据中商产业研究院发布的《2018-2023年中国白电行业市场前景及投资机会研究报告》数据显示,2018年我国白色家电产品销量突破3.5亿台。若每台产品增加紫外LED消毒功能,成本增加50元左右,据此全国即可增加175亿人民币的紫外LED消毒产品市场。

图2:紫外LED市场预测

五、 深紫外LED外延芯片相关企业

目前全球紫外LED外延芯片相关企业主要分布在美国、德国、日本、韩国以及中国(包括大陆和台湾地区)。

美国

成立于1999年,位于美国南卡罗来纳州的SETi公司是世界上最早在蓝宝石衬底上商业化生产深紫外LED外延芯片产品的企业,其技术主要来源于南卡罗来纳大学(University of South Carolina)的Asif Khan教授研究组。SETi的独门绝技是在蓝宝石衬底上通过迁移率增强外延(Migration Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 简称MEMOCVD)技术生长高质量的氮化铝外延层。SETi于2015年被韩国Seoul Viosys收购,成为首尔半导体旗下的子公司。

另外一家成立于1997年,位于美国纽约州的企业Crystal IS,则主要专注于在单晶氮化铝衬底上制备紫外LED外延芯片,其技术来源于伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)。Crystal IS于2011年被日本旭化成(Asahi Kasei)收购,成为旭化成的全资子公司。

成立于2014年,位于美国加利福尼亚州的Bolb公司,在2018年公开报道了其独特的“透明P型层”技术,创造了深紫外LED光电转换效率(WPE)新的世界纪录。

另外一家位于美国加利福尼亚州的Rayvio公司,技术来源于波士顿大学(Boston University)Theodore Moustakas教授研究组,曾经推出过几款UVB/UVC的产品。

德国

LED巨头欧司朗在多年前就开始开发深紫外LED,并在2017年宣布与美国的单晶氮化铝衬底制造商HexaTech达成战略合作,在HexaTech的氮化铝衬底上开发大功率深紫外LED,但目前市面上似乎还没有见到相关的产品。

另外一家德国企业UVphotonics成立于2015年,技术来源于莱布尼兹工业技术研究所(FBH)和柏林工业大学(TU Berlin)的Michael Kneissl教授研究组,产品组合涵盖UVB和UVC波长范围内的单芯片和全封装LED,尤其在UVB波段的产品有比较强的优势。

日本

日本的紫外LED外延芯片相关企业除了收购Crystal IS的旭化成以外,主要还有日亚(Nichia)、日机装(Nikkiso)、Nitride Semiconductors及同和电子(DOWA)。

日亚于2019年正式发布了深紫外LED产品,主要瞄准水净化和空气净化的高端市场。

日机装于2012年通过收购UV Craftory公司进入紫外LED领域。UV Craftory成立于2006年,技术来源于2014年诺贝尔物理奖得主Akasaki教授和Amano教授,其技术特点是使用大偏转角的蓝宝石衬底。

Nitride Semiconductors成立于2000年,是日本最早开发紫外LED的先驱,其技术来源于德岛大学,在高温SiN插入层方面有自己独特的技术。

同和电子则通过与日本理化所(RIKEN)合作,推出了多款波长涵盖265-340nm的紫外LED芯片产品,但在今年2月20日,同和电子突然宣告将终止深紫外LED的生产。

韩国

韩国的紫外LED外延芯片生产企业,对UV LED的布局最为深入的要数成立于1992年的首尔半导体,在2002年成立了Seoul Viosys,并于同年与日本Nitride Semiconductors达成战略联盟,后于2015年收购美国SETi。据称2019年市场份额已达46%。

此外,主要还有LG Innotek、Semiconlight、Soft-Epi和Photonwave。

LG Innotek在2018年推出紫外LED品牌“InnoUV”,计划将其应用于40种紫外LED产品中。其独特的垂直结构深紫外LED,在350mA驱动电流下单颗芯片的光功率可以达到100mW,是量产品的最高水平。但LG Innotek计划在2020年第二季度以前裁撤掉全部LED业务,因此其曾经风光无限的紫外LED产品出师未捷身先死,只能将好不容易打下的市场拱手让人。

另一家韩国LED企业Semiconlight则专注于flip chip芯片的生产,其flip chip深紫外LED芯片的成本和良率比LG Innotek的垂直结构深紫外LED芯片有一定的优势,但在性能上要略逊一筹。

Soft-Epi成立于2012年,主要专注于外延片的生产。Photonwave公司成立于2016年,主要销售基于韩国TES公司的MOCVD平台生产的外延片和芯片。

中国

台湾地区的晶电、光宏、隆达等LED生产企业都有深紫外LED相关的外延芯片产品。

大陆地区的青岛杰生(2015年被圆融光电收购)是国内最早专注于全波段紫外LED产品开发的企业。

三安光电自2014年涉足紫外LED领域,目前其深紫外LED产品已累计客户逾百余家。

成立于2017年的湖北深紫科技依托华中科技大学和武汉光电国家研究中心,成功实现高性能深紫外LED量产。

成立于2018年的中科潞安依托中科院半导体所在紫外LED方面的技术积累,实现了全波段紫外LED芯片产品的生产。

晶能光电基于独特的硅衬底技术,推出了多个系列的近紫外UVA LED产品,主要应用于固化领域。

乾照光电与世界知名的深紫外LED公司开展战略合作,此外还与信达光电和光莆股份共同承担了厦门市重大科技项目“高光功率紫外固态光源研发及产业化应用”,积极推动紫外LED的产业化。

六、 新冠肺炎疫情对紫外LED产业的影响

细菌和病毒存在于人类生活的各个角落,但是只要不引起严重的健康问题,人们对杀菌消毒的关注并不多,甚至还有人抱持着“不干不净,吃了没病”的不健康的生活理念。再加之紫外线和细菌都是看不见摸不着的,消费者对于紫外线杀菌消毒的效果很难有直观的感受。因此在此次疫情发生之前,深紫外LED的市场推广一直面临比较大的困难。

此次疫情极大地提高了人们对紫外杀菌消毒的认知,对深紫外LED的市场培育起到了促进作用。一旦终端消费市场被打开,必将自下而上带动整条深紫外LED产业链的发展。而随着产业链的共同进步,深紫外LED的性价比将不断得到提升,从而进一步推动终端应用市场的渗透,形成一个良性循环。

目前,由于深紫外LED的性价比与传统汞灯相比尚不具有显著的优势,大部分中低功率的深紫外LED主要被应用于普通消费市场的表面杀菌等场景。在对光功率要求较高的工业应用领域,目前暂时仍然是汞灯的天下。深紫外LED和汞灯在未来一段时间内将以互补的形式共同存在。但随着深紫外LED的性价比不断提升,相信在不久的将来深紫外LED将完成对汞灯从互补到替代,从替代到超越的华丽转身,甚至还将开创出属于自己的全新应用领域。

当然,任何一项强大的新技术都有其利弊,使用得当则造福人类。遇到问题,我们不可矫枉过正,更不能因噎废食。我们能做的就是尽可能最大限度地提高正面效应,让好的技术更好地为全人类服务。

本文来自网络,不代表“灯谷网”立场,转载请注明出处:http://www.dengoo.net/news-wiki/782.html

为您推荐

发表评论

评论列表(0)

联系我们

联系我们

在线咨询:QQ交谈

邮箱:190707072@qq.com

工作时间:周一至周五 9:00-17:30(节假日休息)

关注微信
微信扫一扫加好友

微信扫一扫加好友

返回顶部