杀菌新配方,UV-C LED

发表时间:2022-10-08 09:39

从某种程度来说,疫情正加速推动着新消毒解决方案的开发进程。


2020年疫情爆发后,UV-C LED迅速“成名”,后来虽然伴随疫情反复时有起伏,但对于消杀市场,UV-C LED仍是一种极具潜力和挑战性的解决方案。


艾迈斯欧司朗的应用工程师Alexander Wilm 与开发工程师Hans Lugauer携手致力于UV-C LED开发,以使其适合批量生产。他表示:“即使在‘正常’条件下,我们也不乏潜在对UV-C的应用。疫情的肆虐使消毒领域出现新解决方案——UV-C辐射。现在,我们每天都可以发现很多可能的应用。”


据TrendForce 2022深紫外线LED最新报告分析2021-2026年UV-C LED市场规模年复合增长率为24%。


长期来看,空气杀菌与大型表面杀菌仍是UV-C LED在终端应用中重点布局的领域。同时,UV-C LED也正显现自身潜力,逐步在原厂汽车空调、动态水杀菌、制造业设施与工厂自动化应用中“施展拳脚”。



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未来单品:便携式杀菌利器


尽管如今使用短波低压放电灯对水、空气和物品表面进行灭菌和消毒大行其道,但Lugauer认为使用UV-C辐射进行消毒的未来取决于LED:“与传统解决方案相比,其灵活性更高,体积更小。可频繁打开与关闭,无需担忧任何问题,且耐振动。



有鉴于此,全新应用应运而生,例如可存放在夹克口袋中的移动式消毒设备。“我们将其称为‘便携式杀菌利器’”Lugauer认为这是每个人当下梦寐以求的产品。该应用距离真正普及尚有不少难点:“除效率外,安全性是最大的挑战——必须确保UV-C辐射不会对皮肤或眼睛构成威胁,”他的同事 Wilm 补充道:“该原则适用于所有UV-C产品,因为此类产品会对人和环境构成一定危险。”


这也正是使用UV-C光对穿着防护服员工进行消毒时,应佩戴可抵挡UV-C辐射口罩和手套的原因所在。在各个房间中穿梭时,使用UV-C消毒物品表面的特殊机器人都配有传感器,有人靠近时会立即关闭。



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无菌化开启多元应用


众所周知,汞灯存在诸多不足,比如空间狭小时可能会受到振动和冲击;无法承载高点火电压。而UV-C LED可有效弥补此类不足,堪称替代汞灯的明智之选,例如LED更加坚固不易碎的结构特征会防止玻璃破裂和汞溢出对人构成危险;其次就寿命来讲,目前汞灯的平均寿命约为6,500小时,而UV-C LED的L70大于1万小时……



“UV-C LED适用于不同应用,例如对出租车、公共汽车或共享汽车中的物品表面进行消毒。我坚信,一旦UV-C LED性能改善,且成本进一步下降,其他令人兴奋的应用必将如雨后春笋,破土而出。


据TrendForce分析,2022年UV-C LED应用市场包含家电、公共空间与制造应用、动态水杀菌、汽车空气杀菌、医疗、生命科学与农业应用等。


随着UV-C LED产品技术日趋成熟以及价格日渐合理,UV-C LED家电需求市场稳定成长。同时,疫情虽催生UV-C LED于2020年快速进入入中国车用空气杀菌市场,然而LED元件仍需遵循 AEC-Q102规范,因此,预计2024-2025年才是UV-C LED在汽车空气杀菌中的真正导入时机。


除此之外,随着UV-C LED光学功率与产品寿命提升至工业/商业要求,将有机会于2026年正式进入工业/商业动态水杀菌市场。




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为何杀菌效果显著?


为何紫外光在对抗病菌方面效果卓著?UV-C解决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辐射。UV-C辐射几乎被地球臭氧层全部吸收并阻隔。因此,细菌和病毒尚未进化出针对UV-C辐射的任何防御机制。




短波UV-C辐射(200至280纳米)是能量最大的UV辐射的组成部分。波长低于280纳米的紫外光可破坏微生物RNA或DNA螺旋中的化学键。这可撕裂遗传信息。因此,病毒或细菌不再具有传染性,即无法繁殖。UV-C辐射的“杀伤因子”(换言之,必要剂量)因微生物而异。由于265nm紫外线对生物细胞中的DNA和RNA分子结构的破坏力最强,因此理论上杀菌效果最好。Lugauer对此补充解释道:“由于UV-C LED效率随波长下降而降低,因此我们一方面优化LED波长以实现高效率;另一方面,我们注重合理能效,同时产生高水平的有效辐射。”



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寻找新材料


事实上,UV-C LED的创新性离不开材料系统的加持。UV-C LED由氮化铝镓(AlGaN)构成。从化学角度而言,和用于蓝色和绿色LED,且大家更熟悉的氮化铟镓(InGaN)极为相似。因此,几乎适用于所有芯片生产中的制造过程——只有外延过程完全不同。



但如果想做到紫外就需要往InGaN中不断掺杂铝,铝掺杂得越多,波长就降得越低,但同时由于掺杂率的问题,芯片的效率也会逐次降低,这也是为什么很多厂商在做UV-C LED时尽量不把波长做得太短的原因。其次,InGaN要外延制造AlGaN半导体晶体,还需要高达1400℃的高温。



此外,有些新工艺只能经过专门设计外延工厂中进行。更重要的是,LED封装需要特殊封装材料以增加芯片光输出。常规LED中通常用于此目的的透明硅胶材料在受到高能UV-C光子照射时会很快分解。因此,要找到并测试对UV-C光足够稳定且透明的新材料,绝非易事。作为唯一可透过uv-c的材料,特殊石英玻璃正是不二之选。




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准备就绪,迎接未来


“解决基本生产流程和材料问题后,我们亟需应对效率和可靠性问题。要实现经济、高质量地生产UV-C LED,大量的开发工作必不可少。当下情况与十年前情况颇为类似,当时通用照明用的LED仍效率低下且价格昂贵,而现在该情况已从根本上得到改变。对于UV-C LED而言,改变也将随即而至。” Lugauer说道。这一喜报足以为未来应对病菌挑战注入强心针。


目前,艾迈斯欧司朗已推出275nm波长下的UV-C LED系列产品。此外,其聚焦273nm波长推出的100mW大功率的UV-C LED产品OSLON® UV 6060,也将成为大流速流水消杀的一个新选择。


事实上,就在去年2月份,艾迈斯欧司朗收购了美国深紫外LED供应商Bolb Inc约20%的股份,旨在通过该项战略投资,进一步扩展在UV-C灭菌应用领域的技术与产品布局。可以说,不论是UV-C LED,亦或是艾迈斯欧司朗在其领域的未来表现,都值得业界期待。


20220922


银月光科技深耕健康智慧光源,向市场提供全品类紫外UVA UVB UVC LED,红外,IR LED VCSEL产品和方案服务,在国内市场拥有数百家优质合作伙伴,共同推动月光科技创造健康智慧生活的事业。

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