只需要照射看不見(jiàn)的光線，就能輕松殺菌的時(shí)代即將到來(lái)。除了日常生活之外，這項(xiàng)技術(shù)還有助于改善貧困地區(qū)等的衛(wèi)生條件。日本企業(yè)正在憑借技術(shù)實(shí)力，引領(lǐng)拯救世界的“未來(lái)之光”。
生活就是與霉菌的戰(zhàn)斗?？照{(diào)、加濕器、空氣凈化器、浴室、廚房——打掃只要稍有懈怠，這些地方就會(huì)發(fā)霉。如果不把小小的霉菌放在眼里，一定會(huì)吃到苦頭。不光是氣味難聞，霉菌在空調(diào)的送風(fēng)口和加濕器中繁殖后，一旦散播到房間中，還有可能引發(fā)支原體肺炎等疾病。
人類能否贏得與宿敵——霉菌的戰(zhàn)斗呢?現(xiàn)在，一種可以稱之為“新一代武器”的尖端技術(shù)即將進(jìn)入實(shí)用階段。
“深紫外LED(發(fā)光二極管)”能釋放出具有殺菌作用，而且肉眼看不到的光線。這種具有殺菌作用的光線，叫作深紫外線。
深紫外線是指波長(zhǎng)較短的紫外線。在LED領(lǐng)域，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的主要是釋放“UV-C”，即100～280nm(納米，納為10億分之1)光線的類型。陽(yáng)光中也含有深紫外線，但是受到臭氧層的阻擋，基本到達(dá)不了地面。
深紫外線的威力早就得到了證實(shí)。深紫外線能直接作用于生命的基礎(chǔ)——DNA，從根本上掐斷細(xì)菌繁殖。旭化成UVC項(xiàng)目的項(xiàng)目主管久世直洋介紹說(shuō)：“研究表明，波長(zhǎng)為260nm的深紫外線特別容易被DNA吸收。具有消滅DNA遺傳信息的效果”。失去遺傳信息后，細(xì)菌就不能再繼續(xù)繁殖。
在過(guò)去，汞燈是人們熟知的深紫外線發(fā)生設(shè)備。主要應(yīng)用于商用殺菌和檢查用途，例如醫(yī)療器械、工廠和研究機(jī)構(gòu)、食品領(lǐng)域等。但汞燈在其他領(lǐng)域，普及卻存在困難。
首先是性能受限。汞燈的工作電壓為100V以上，尺寸為幾cm～幾m。耗電量大，單是充分發(fā)光之前的預(yù)熱，就需要10～30分鐘。而且壽命僅為3000～5000個(gè)小時(shí)。這樣的尺寸、耗電量和耐久性，無(wú)法應(yīng)用于家電和汽車。
最重要的問(wèn)題是汞對(duì)人體有毒。2013年，日本等92個(gè)國(guó)家簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》。強(qiáng)化限制汞燈的做法正在全球不斷擴(kuò)大。
而深紫外LED可以輕松地在機(jī)器上安裝，還具有良好的安全性。工作電壓約為5～7V，尺寸只有幾mm，預(yù)熱時(shí)間為0秒。壽命長(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)個(gè)小時(shí)以上，并且沖擊耐久性強(qiáng)，不使用汞。
深紫外LED打破了汞燈的諸多限制。這項(xiàng)新技術(shù)如果得到普及，在生活的方方面面，“殺菌日?；睂?huì)成為現(xiàn)實(shí)。
不只是空調(diào)、冰箱、飲水機(jī)、加濕器等家電，便攜終端、住宅設(shè)備和汽車等各個(gè)場(chǎng)所也都可以安裝。因?yàn)楣ぷ髂芎牡?，在世界上缺乏清潔飲水的貧困地區(qū)，應(yīng)該也能起到改善生活環(huán)境的作用。用途將一舉實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，深紫外LED的相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模在今后的3～4年間，將會(huì)突破1000億日元。
這項(xiàng)技術(shù)目前還存在弱點(diǎn)：發(fā)光效率比汞燈差，量產(chǎn)技術(shù)也不成熟。不過(guò)，用來(lái)彌補(bǔ)這些弱點(diǎn)的技術(shù)正在開(kāi)發(fā)。
為奪取成長(zhǎng)市場(chǎng)，以通過(guò)提高發(fā)光效率、建立量產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成本化為目標(biāo)，全球掀起了白熱化的技術(shù)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。一馬當(dāng)先的是3家日本企業(yè)：日機(jī)裝、旭化成和德山。
深紫外LED以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)。競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)，在于能否以高成品率，量產(chǎn)高性能半導(dǎo)體。
諾貝爾獎(jiǎng)技術(shù)是源泉
2014年，赤崎勇和天野浩因開(kāi)發(fā)出藍(lán)色LED而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。大型工業(yè)泵企業(yè)日機(jī)裝從2006年起，開(kāi)始在兩人的指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)用化研究。在10年后的2015年3月，實(shí)現(xiàn)了深紫外LED的量產(chǎn)供貨。
借助了世界半導(dǎo)體權(quán)威的智慧，建立量產(chǎn)技術(shù)為什么還要這么長(zhǎng)的時(shí)間?這是因?yàn)樗{(lán)色、紅色等已經(jīng)進(jìn)入普及階段的各種LED與深紫外LED使用的材料不同。
一般來(lái)說(shuō)，LED是通過(guò)在藍(lán)寶石基板上疊加薄膜狀發(fā)光材料的方式制作。
制作藍(lán)色LED時(shí)，藍(lán)寶石基板上疊加氮化銦鎵的晶體層。制作高質(zhì)量的晶體層，是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和性能穩(wěn)定化的重點(diǎn)，但氮化銦鎵不容易在藍(lán)寶石上結(jié)晶。
為此，人們想出了先在藍(lán)寶石上設(shè)置氮化鎵“緩沖層”，再在上面疊加氮化銦鎵層的方法。赤崎與天野正是憑借開(kāi)發(fā)緩沖層技術(shù)等成就，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
日機(jī)裝也著手開(kāi)發(fā)了在藍(lán)寶石基板上設(shè)置緩沖層的深紫外LED量產(chǎn)技術(shù)。但是，深紫外LED的發(fā)光材料與藍(lán)色LED不同，采用氮化鋁鎵，而且氮化鎵具有容易吸收紫外線的性質(zhì)，所以緩沖層的材料需要變更為氮化鋁。
“通過(guò)溫度管理等方面的改善，現(xiàn)在已經(jīng)可以量產(chǎn)可靠的產(chǎn)品”(負(fù)責(zé)研發(fā)的日機(jī)裝技研UV-LED事業(yè)部長(zhǎng)石黑永孝)。日機(jī)裝從2016年春天起，還將開(kāi)始量產(chǎn)發(fā)光功率為50毫瓦，達(dá)到以往1.7倍的產(chǎn)品。今后還計(jì)劃供應(yīng)適合嵌入不同設(shè)備的LED，作為第一款產(chǎn)品，該公司開(kāi)發(fā)出了在用水設(shè)備中安裝的“水殺菌模塊”。設(shè)備中的水只需以每分鐘2～10L的速度流經(jīng)模塊，就能殺滅其中99.9%的大腸桿菌等細(xì)菌。
改革基板材料
旭化成對(duì)制造方法進(jìn)行了自主改進(jìn)。利用2011年收購(gòu)的美國(guó)Crystal IS的技術(shù)，成功將基板材料變更為了氮化鋁。久世自豪地說(shuō)：“我們制作出了非常漂亮的單晶基板，而且與發(fā)光材料的兼容性良好?？梢源蠓鶞p少薄膜狀發(fā)光材料的內(nèi)部缺陷?！?/p>
深紫外LED的單位毫瓦價(jià)格據(jù)說(shuō)為2～3美元左右。旭化成已經(jīng)制定了目標(biāo)，要利用基板的大口徑化技術(shù)等，使成本在2016年達(dá)到0.5～1美元，未來(lái)還要進(jìn)一步降低到0.25美元。只需幾千日元即可在家電中安裝的時(shí)代即將到來(lái)。
旭化成將發(fā)揮業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛，從醫(yī)療到住宅、家電部件均有涉獵的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)深紫外LED實(shí)現(xiàn)普及。力爭(zhēng)到2020年，使銷售額達(dá)到100億日元。
不過(guò)，氮化鋁基板也存在課題：“光提取效率差”。氮化鋁的折射率高，LED內(nèi)部產(chǎn)生的光線，大部分會(huì)在平坦的基板表面發(fā)生反射，封閉在LED內(nèi)部。
日本信息通信研究機(jī)構(gòu)與德山正在著手解決這個(gè)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)出了世界上輸出功率最高、超過(guò)90毫瓦的深紫外LED。首先如上圖所示，在基板的表面，制作“光子晶體結(jié)構(gòu)”，也就是幾百nm大小的凹凸。然后再在上面疊加幾十nm大小的微細(xì)凹凸，形成“混合結(jié)構(gòu)”，使光提取效率提高到了過(guò)去2倍左右。
日本信息通信研究機(jī)構(gòu)深紫外光ICT器件尖端開(kāi)發(fā)中心主任井上振一郎說(shuō)：“我們還在開(kāi)發(fā)能夠利用(像印章一樣沖壓表面的)納米壓印法，以低成本制造混合結(jié)構(gòu)的技術(shù)?！钡律綄⒂?016年，投產(chǎn)采用該技術(shù)的深紫外LED。
作為深紫外LED開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)跑者，怎樣獲得最后的勝利，考驗(yàn)日本實(shí)力的時(shí)候到了。
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