非典時(shí)期，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所的專(zhuān)家發(fā)現(xiàn)，使用強(qiáng)度大于90μW／cm2的紫外線照射冠狀病毒30分鐘，可以殺滅SARS病毒?！缎滦凸跔畈《靖腥镜姆窝自\療方案（試行第五版）》中指出，新型冠狀病毒對(duì)紫外線敏感。近期研究發(fā)現(xiàn)，新型冠狀病毒與SARS冠狀病毒存在相關(guān)性。因此理論上科學(xué)合理使用紫外線可有效滅活冠狀病毒。
相比化學(xué)殺菌消毒，紫外線的優(yōu)勢(shì)是殺菌效率高，滅活一般在幾秒內(nèi)完成，而且不產(chǎn)生其它化學(xué)污染物。正因?yàn)椴僮鞣奖?，可適用于所有空間，紫外殺菌燈在各大電商平臺(tái)成為搶手貨。在一線醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)，它也是重要的殺菌消毒設(shè)備。
一般情況下紫外光可被劃分A射線，B射線和C射線(簡(jiǎn)稱(chēng)UVA、UVB和UVC)，波長(zhǎng)范圍分別為400-315nm、315-280nm、280-190nm。由于UVA的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，技術(shù)門(mén)檻較低，UVA-LED首先被用作光固化、印刷等領(lǐng)域。而UVB和UVC則需要更加昂貴和耗時(shí)的開(kāi)發(fā)。目前UVB正在結(jié)合醫(yī)療進(jìn)行創(chuàng)新，UVC在殺菌和抑菌應(yīng)用市場(chǎng)受到了極大的認(rèn)可。
UVC紫外線殺菌消毒的工作原理是破壞微生物細(xì)胞的DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）的分子結(jié)構(gòu)，造成生長(zhǎng)性細(xì)胞和（或）再生性細(xì)胞死亡，達(dá)到除菌消毒的效果。尤其是240nm-280m波段的紫外線是最有效的除菌消毒波段。所有冠狀病毒都屬于單鏈正鏈RNA病毒。消毒使用的紫外線是UVC，是殺菌作用最強(qiáng)的波段。根據(jù)這一特性，UVC被廣泛應(yīng)用到空氣、水、物體表面殺菌消毒。
近年來(lái)我國(guó)紫外LED(UV-LED)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展相對(duì)迅速，目前深紫外LED(UV LED)在主要應(yīng)用在生物醫(yī)療、防偽鑒定、凈化(水、空氣等)領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和軍事等方面。而且隨著技術(shù)的發(fā)展,新的應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)以替代原有的技術(shù)和產(chǎn)品,紫外LED有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景,如紫外LED光療儀是未來(lái)很受歡迎的醫(yī)療器械,但是目前技術(shù)還處于成長(zhǎng)期。
目前國(guó)內(nèi)在研發(fā)及推廣應(yīng)用深紫外LED存在的問(wèn)題之一是沒(méi)有適用于大規(guī)模生產(chǎn)深紫外LED材料生產(chǎn)的專(zhuān)用設(shè)備，即外延生長(zhǎng)設(shè)備。而深紫外LED電光轉(zhuǎn)換效率過(guò)低也是制約其發(fā)展的瓶頸之一。UVC波段深紫外LED商業(yè)化產(chǎn)品的電光轉(zhuǎn)化效率基本在4%以下。導(dǎo)致這一問(wèn)題從根本上來(lái)說(shuō)是材料限制了發(fā)光效率，主要因素包括外延材料質(zhì)量差、光吸收大、電注入效率低、光提取效率低等。他認(rèn)為，從材料入手是解決深紫外LED問(wèn)題的根本，深紫外LED效率提升的空間還很大，需要大量研發(fā)工作的支撐。
深紫外LED要想規(guī)?；逃?，務(wù)必先提升產(chǎn)品的性能，最關(guān)鍵的參數(shù)是輻射效率，10%是第一道門(mén)檻。只有商用深紫外LED的輻射效率達(dá)到10%以上，才會(huì)真正啟動(dòng)規(guī)模應(yīng)用；輻射效率達(dá)到20%，具備替代低壓汞燈的能力。深紫外LED的輻射效率太低，只有低壓汞燈的1/10，而單位電功率的價(jià)格為低壓汞燈的20倍，所以要獲得相同的輻射功率，深紫外LED的成本是低壓汞燈的200倍，在大功率殺菌場(chǎng)合完全無(wú)法使用。比如電功率為320W的低壓汞燈，輻射效率30%，紫外功率96W，價(jià)格500～1000元。深紫外LED的輻射效率3%，在紫外功率為96W時(shí)，需要電功率3200W，封裝器件成本16萬(wàn)元，加上光學(xué)、驅(qū)動(dòng)和散熱，估計(jì)要20萬(wàn)元，成本是低壓汞燈的200～400倍。
深紫外LED的產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)遲遲未出也是影響其前行的因素，就如同一個(gè)新開(kāi)放的自由市場(chǎng)，進(jìn)入的人員很多，賣(mài)什么的都有，魚(yú)目混珠，產(chǎn)品參差不齊，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的約束是不可想象的，而擺在自由市場(chǎng)門(mén)口的公平秤是保證優(yōu)勝劣汰的有效方式。因此，期望行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)盡快出臺(tái)。
深紫外LED作為L(zhǎng)ED家族制造難度非常大的一個(gè)門(mén)類(lèi)，需要國(guó)家繼續(xù)支持解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，鞭策企業(yè)開(kāi)發(fā)出高輻射效率的產(chǎn)品。如果深紫外LED的效率能做到10%以上，應(yīng)用會(huì)逐漸擴(kuò)大，特別在食品、小型飲用水設(shè)備上，形成技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)應(yīng)用擴(kuò)大，從而再推動(dòng)技術(shù)繼續(xù)進(jìn)步的良性循環(huán)。作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，市場(chǎng)的需求是技術(shù)發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力和加速器。目前生產(chǎn)企業(yè)傳來(lái)的好消息是產(chǎn)品訂單大幅增加，因此，深紫外LED的上下游企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)緊緊抓住人們對(duì)消毒產(chǎn)品和衛(wèi)生產(chǎn)品需求巨大的機(jī)會(huì)，利用一切可以利用的資源，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，將深紫外LED做大做強(qiáng)。
日本憑借其在藍(lán)光LED領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢(shì),在UV-LED方面的進(jìn)展舉世矚目。尤其是日亞公司,在365nmUV-LED的研究上遙遙領(lǐng)先；美國(guó)在深紫外的研究方面領(lǐng)先,但是近年已經(jīng)被日本超越；我國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)起步相對(duì)較晚,在該領(lǐng)域也取得了一些進(jìn)展；國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展很快。與藍(lán)光不同,目前紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期,在專(zhuān)利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面限制較少,有利于占領(lǐng)、引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在紫外LED的裝備、材料和器件方面都有了一定的積累,目前正在積極的向應(yīng)用模塊發(fā)展。在UV-LED形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前,還需要國(guó)家的引導(dǎo)和支持,以便在核心技術(shù)方面取得先機(jī)。
深紫外LED可以廣泛應(yīng)用于殺毒、消菌、印刷和通信等領(lǐng)域，國(guó)際水俁公約的提出，促使深紫外LED的全面應(yīng)用更是迫在眉睫，但是商業(yè)化深紫外LED不到10%的外量子效率嚴(yán)重限制了深紫外LED的應(yīng)用。AlN材料質(zhì)量是深紫外LED的核心因素之一，AlN薄膜主要是通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法異質(zhì)外延生長(zhǎng)在c-藍(lán)寶石、6H-SiC和Si（111）襯底上，AlN與襯底之間存在較大的晶格失配與熱失配，使得外延層中存在較大的應(yīng)力與較高的位錯(cuò)密度，嚴(yán)重降低器件性能。與此同時(shí)，AlN前驅(qū)體在這類(lèi)襯底上遷移勢(shì)壘較高，浸潤(rùn)性較差，傾向于三維島狀生長(zhǎng)，需要一定的厚度才可以實(shí)現(xiàn)融合，增加了時(shí)間成本。
從光源來(lái)看，目前市場(chǎng)主要以紫外汞燈和深紫外LED為主。紫外汞燈的殺菌原理和三種主流形式
紫外汞燈形式多種，如低壓汞燈，高壓汞燈，無(wú)極汞燈等，從波長(zhǎng)的角度劃分，其殺菌原理不外乎3種，一種是185nm的汞燈，其可將空氣中的氧氣變成臭氧，利用臭氧的強(qiáng)氧化作用無(wú)死角、有效地殺滅細(xì)菌，但同時(shí)其缺點(diǎn)十分明顯，185nm紫外線殺菌燈產(chǎn)生的臭氧會(huì)強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，可能會(huì)造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽、引發(fā)支氣管炎和肺氣腫等。第二種是254nm的汞燈，主要利用直接照射微生物的DNA和RNA，運(yùn)UVC波長(zhǎng)能破壞微生物染色體的原理來(lái)殺菌；第三種是采用UVA波段的紫外線的光觸媒技術(shù)。
目前，超五千臺(tái)紫外燈具已送達(dá)雷神山和火神山醫(yī)院，據(jù)悉，首批紫外燈具包括了數(shù)百臺(tái)消費(fèi)車(chē)以及上千支紫外線消毒燈，紫外線消毒車(chē)將用于病人的轉(zhuǎn)運(yùn)，紫外線消毒燈則可應(yīng)用于手術(shù)后各種消毒場(chǎng)景。
而在此次疫情中，除了紫外線消毒車(chē)和燈具直擊疫情現(xiàn)場(chǎng)，購(gòu)買(mǎi)紫外汞燈進(jìn)行室內(nèi)消毒外，由于口罩緊缺，與公眾相關(guān)的、且最多被提及的則是通過(guò)紫外線燈法來(lái)消毒口罩以延長(zhǎng)口罩壽命。
因?yàn)閮r(jià)格低廉，技術(shù)成熟等因素，目前市場(chǎng)上大部分的水處理，工業(yè)殺菌，醫(yī)院殺菌，室內(nèi)殺菌等產(chǎn)品還主要是汞燈的市場(chǎng)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，由于《水俁公約》生效，紫外汞燈含汞，未來(lái)依然會(huì)漸漸退出歷史舞臺(tái)。
深紫外LED的消毒體驗(yàn)現(xiàn)況及與疫情的結(jié)合點(diǎn)
與254nm汞燈的殺菌消毒同理，深紫外LED（UVC LED）主要利用200nm－280nm波段對(duì)微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體) 的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達(dá)到消毒的目的。盡管目前UVC LED還處于剛剛起步階段，其性?xún)r(jià)比和發(fā)光效率與汞燈相比還有一定距離，但UVC LED憑借安全、環(huán)保、小巧、高效、低耗等性能以及無(wú)化學(xué)殘留的特性，已經(jīng)在表面便攜式殺菌、母嬰市場(chǎng)、靜態(tài)水處理上得到了比較多的應(yīng)用。
目前公共場(chǎng)所以及生活用品對(duì)健康衛(wèi)生的要求正在不斷提高，而UVC LED正可以在這領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。比如說(shuō)國(guó)星UVC LED與國(guó)際知名家電企業(yè)合作的加濕器案例，把UVC LED模組應(yīng)用在加濕器上，避免了水放置長(zhǎng)時(shí)間后細(xì)菌滋生的情況，確保了家用環(huán)境衛(wèi)生。同時(shí)，在餐具、母嬰袋等生活用品，也有不少UVC LED便攜式殺菌消毒產(chǎn)品。而在醫(yī)院，如醫(yī)護(hù)人員用到的紅外線體溫計(jì)、聽(tīng)診器、血壓計(jì)袖套、手機(jī)、眼鏡等也可以通過(guò)UVC LED消毒器來(lái)完成消毒。
值得關(guān)注的是，大部分病毒的RNA結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)用相應(yīng)劑量的UVC LED可有效殺滅相應(yīng)的病菌（2019-nCov是由RNA復(fù)制，更難處理），尤其是在醫(yī)療環(huán)境下，UVC LED屬于廣譜殺菌，能有效殺滅常見(jiàn)的病毒細(xì)菌，是高效便捷的殺菌消毒方案?；旧铣Ｒ?jiàn)的活體病毒都能高效滅殺，達(dá)到相應(yīng)的照度或者光功率后，幾秒內(nèi)就能滅殺了。但醫(yī)院的紫外燈對(duì)于大空間空氣殺毒相對(duì)比較慢，但應(yīng)也不會(huì)超過(guò)兩個(gè)小時(shí)。此前非典時(shí)期中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所的專(zhuān)家董小平所在的研究小組發(fā)現(xiàn)，SARS病毒對(duì)熱輻射和UVC敏感，研究人員應(yīng)用強(qiáng)度大于90μW／cm2的UVC照射冠狀病毒，30分鐘就可以殺滅SARS病毒。這也是為什么這幾年，更多UVC用在醫(yī)療衛(wèi)生殺毒領(lǐng)域，以及水、空氣處理等方面。
也能很好地解釋?zhuān)瑸槭裁串?dāng)再次出現(xiàn)重大疫情時(shí)，會(huì)有那么多和您一樣關(guān)注紫外線消毒方法及UVLED在公眾防護(hù)方面的作用。根據(jù)新發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎診療快速指南》，75%酒精、乙醚、氯仿、甲醛、含氯消毒劑、過(guò)氧乙酸和紫外線均可滅活病毒。
相信在結(jié)合其他防護(hù)措施下，UVC能在一定程度上有效防控此次新型冠狀病毒2019-nCov疫情擴(kuò)散。而UVC LED整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈勢(shì)必也會(huì)加快新型冠狀病毒紫外照射滅菌試驗(yàn)及研究。
目前來(lái)看，針對(duì)便攜式殺菌、小家電殺菌產(chǎn)品等，不同的使用環(huán)境，對(duì)應(yīng)UVC LED的光功率、作用時(shí)間、以及發(fā)射角度會(huì)有所不同，比如對(duì)于一些便捷式的小殺菌產(chǎn)品，這類(lèi)產(chǎn)品主要使用與日常生活的接觸比較多的工具，比如手機(jī)餐具等等，這種在使用前采用低光功率的UVC LED（2-5mW）照射幾秒-幾十秒就可以使用；而對(duì)于一些殺菌水杯，由于其存在細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，所以UVC LED要設(shè)計(jì)成60或者30度的發(fā)光角度，以使其照射距離更遠(yuǎn)，同時(shí)考慮UVC波段在水中的衰減，這種產(chǎn)品，一般均會(huì)采用10mW左右的光功率產(chǎn)品；另外在低流速的飲水機(jī)上，則光功率基本均需要50-100mW甚至更大，而由于功率越大，成本更高，目前部分廠家會(huì)結(jié)合集中手段進(jìn)行過(guò)濾殺菌，只在出水口的最好階段增加UVC LED的殺菌模組，這樣會(huì)降低不少成本。
所以，僅從當(dāng)前來(lái)看，在水處理，工業(yè)殺菌，醫(yī)院殺菌，室內(nèi)殺菌等方面仍以紫外汞燈為主，UVC LED則可以在家電、便攜式殺菌消毒上發(fā)揮重要作用，將非常有利于降低和隔離居家、公共場(chǎng)所病毒細(xì)菌的擴(kuò)散。
UVC LED會(huì)繼續(xù)往高功率，高光效發(fā)展，波長(zhǎng)也會(huì)繼續(xù)往低波段的發(fā)展。而對(duì)于UVC LED的封裝也提出更高的要求，如何進(jìn)一步提升散熱和抗紫外特性將會(huì)是重要的挑戰(zhàn)。
深紫外LED消殺技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系亟待完善
新冠肺炎疫情讓“消毒”成為高頻詞匯，75%濃度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等一度成為緊缺物資。而深紫外LED作為新的消毒方式，也一躍成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。
新冠肺炎疫情的防控中，紫外殺毒是被廣泛認(rèn)可的一種方式，深紫外LED在公共衛(wèi)生方面的應(yīng)用前景也受到廣泛關(guān)注。
紫外殺菌技術(shù)迄今為止已有百余年歷史。據(jù)了解，除了真空紫外，深紫外是紫外波段中波長(zhǎng)最短、能量最高的一個(gè)波段，具有直接殺菌消毒能力，主要用在水和空氣的凈化、殺菌消毒以及生物探測(cè)等方面。
民用和工業(yè)領(lǐng)域消毒殺菌應(yīng)用的深紫外光源大多是汞燈。由于汞對(duì)人類(lèi)社會(huì)和環(huán)境的影響，從今年開(kāi)始，限定汞使用和排放的國(guó)際《水俁公約》正式生效，傳統(tǒng)汞燈將被限制、禁止生產(chǎn)和使用，并逐步退出市場(chǎng)。開(kāi)發(fā)出一種全新的環(huán)保、高效紫外光源，成為擺在人們面前的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
基于氮化鎵第三代半導(dǎo)體材料的深紫外LED成為這一新應(yīng)用的不二選擇，這一全固態(tài)光源體積小、效率高、壽命長(zhǎng)，僅僅是拇指蓋大小的芯片模組，就可以發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。
據(jù)了解，中國(guó)疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所在非典時(shí)期就發(fā)現(xiàn)，使用強(qiáng)度大于90μW/cm2 （微瓦特/平方厘米） 的紫外線照射冠狀病毒30分鐘，可以殺滅SARS病毒?！缎滦凸跔畈《靖腥镜姆窝自\療方案（試行第六版）》中指出，新型冠狀病毒對(duì)紫外線敏感。吳玲介紹道，在此次疫情防控中，大致有三類(lèi)深紫外LED產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用：表面殺菌消毒用具，如多功能殺菌儀等；生活類(lèi)便攜式殺菌器具，如便攜式殺菌棒、殺菌盒等；深紫外LED空氣殺菌凈化類(lèi)產(chǎn)品，如加濕器、除濕器、壁掛式紫外線消毒殺菌器等。
深紫外LED如果實(shí)現(xiàn)對(duì)汞燈的替代，就意味著在未來(lái)十年，深紫外產(chǎn)業(yè)將會(huì)發(fā)展成為一個(gè)像LED照明一樣的新的萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)。
但挑戰(zhàn)與機(jī)遇同在。深紫外LED是本世紀(jì)初才發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，目前還處于產(chǎn)品導(dǎo)入初期，輻射功率、輻射效率、壽命等方面都不盡如人意。產(chǎn)品應(yīng)用和推廣受限于殺菌消毒效果不直觀，替換現(xiàn)有低壓汞燈產(chǎn)品又受到技術(shù)發(fā)展階段的限制，普及起來(lái)并不容易。深紫外LED在技術(shù)層面仍面臨從核心材料到器件工藝的許多挑戰(zhàn)，技術(shù)的突破和進(jìn)步是市場(chǎng)發(fā)展的根基。
當(dāng)前迫切需要補(bǔ)齊的是標(biāo)準(zhǔn)缺失短板?，F(xiàn)有的紫外標(biāo)準(zhǔn)都是基于傳統(tǒng)汞燈制定的，紫外LED光源迫切需要從測(cè)試到應(yīng)用的一系列標(biāo)準(zhǔn)。
產(chǎn)業(yè)上下游的團(tuán)結(jié)協(xié)作才能把深紫外LED這塊“蛋糕”做大。除了完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系外，今后還要不斷加大產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同技術(shù)攻關(guān)力度，從深紫外LED產(chǎn)業(yè)的源頭，層層突破，把產(chǎn)品的性能、可靠性等持續(xù)提升，逐步滿(mǎn)足各種應(yīng)用的需求，解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)瓶頸問(wèn)題。
