英國Cambridge Nanotherm公司的John Cafferkey認(rèn)為,以前有句話說“產(chǎn)生的熱量要比光更多”,現(xiàn)在這句話也總結(jié)了UVC LED這個(gè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)面臨的“熱量挑戰(zhàn)”。目前,UVC LED主要用于為醫(yī)療儀器、水和其他日常消費(fèi)品消毒。
UVC技術(shù)起源于20世紀(jì)初,那時(shí)水銀燈首次進(jìn)行批量生產(chǎn)。
紫外線發(fā)射燈在1910年用于飲用水消毒。但是,那家原型廠因被證明是不太可靠的,因此遭到關(guān)閉。
在20世紀(jì)50年代,新的UVC水處理系統(tǒng)被試用,到20世紀(jì)80年代中期,歐洲共有約1500家工廠。
除水處理外,UVC用于一系列應(yīng)用中,包括清潔醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)院室,為空調(diào)系統(tǒng)消毒以防止病原體擴(kuò)散等。
雖然水銀蒸氣燈在這些大型應(yīng)用中非常有效,但是燈泡很脆弱,以及使用危險(xiǎn)汞意味著它們不適合更便攜的及環(huán)境友好型的應(yīng)用。
近年來,LED制造商開發(fā)出越來越有效的UVC LED。雖然不如UVA LED(用于固化油墨和油漆)那么有效,但它們可用于低功率應(yīng)用。
因此,行業(yè)分析師認(rèn)為接下來幾年UVC LED將會(huì)迅速發(fā)展。這種繁榮的基礎(chǔ)是UVC LED為便攜式、消費(fèi)友好型的UVC應(yīng)用中創(chuàng)造了市場(chǎng)。例如,消費(fèi)者將會(huì)購買便攜式消毒“魔杖”,它們可以用來消毒日常用品,如智能手機(jī)、平板電腦或鍵盤。
消費(fèi)品制造商能夠?qū)ED UVC技術(shù)嵌入到產(chǎn)品中進(jìn)行自我消毒。例如,牙刷用完后放回到架子上,可以進(jìn)行自動(dòng)消毒;可以按下按鈕,嬰兒奶瓶就可以進(jìn)行自動(dòng)滅菌;當(dāng)使用時(shí),水龍頭可以對(duì)水進(jìn)行滅菌。這些可能性是無止境的。
拯救生命的潛力
但是,UVC的一些更深入的應(yīng)用才是令人關(guān)注的。便攜式滅菌瓶可以改善發(fā)展中國家向其公民提供清潔飲水的方式,需要飲用時(shí),就可以對(duì)水進(jìn)行消毒。這在一些地區(qū)尤其有價(jià)值,比如沒有集中式水消毒基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū),或者可以迅速提供安全用水的災(zāi)區(qū)。
除了新的應(yīng)用之外,甚至醫(yī)院(UVC已在醫(yī)院使用多年)都可以受益。在全球范圍內(nèi),每年超過70萬患者住院時(shí)受到感染,75000人死亡。UVC技術(shù)可以嵌入醫(yī)療器械中,如聽診器和解剖刀,可以在幾秒鐘內(nèi)消毒。
UVC LED有潛力將UVC的消毒能力帶入大眾市場(chǎng),可能對(duì)公共衛(wèi)生產(chǎn)生重大影響。
熱挑戰(zhàn)
該技術(shù)還處于起步階段,其中一個(gè)挑戰(zhàn)是UVC LED的熱管理。像任何電子元件一樣,LED對(duì)熱敏感。
UVC LED具有特別低的外量子效率(EQE)- 它們只將大約5%的功率輸入轉(zhuǎn)換成光。剩余95%的功率被轉(zhuǎn)換成熱量,熱量必須要快速去除,以保持LED芯片低于其最大工作溫度。假如沒有及時(shí)將LED芯片冷卻,將最終縮短其使用壽命,甚至不能使用。
隨著UVC LED越來越強(qiáng)大,制造商需要考慮新的方法來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。現(xiàn)在,問題仍然是如何處理UV LED的高熱需求,同時(shí)確保組件保持成本效益、耐用、能耐紫外線光源本身的磨損。
由于UV LED太小,大量的熱量無法從其表面擴(kuò)散,所以有效讓熱量排放的唯一途徑是通過LED背面。熱量必須從LED芯片導(dǎo)出,通過模塊PCB,到達(dá)散熱片,然后釋放到大氣中。
熱量也是PCB的問題
安裝LED的PCB必須具有高導(dǎo)熱性,對(duì)于可見光LED通常是金屬基印刷電路板(MCPCB)。但是,這些不適用于UVC應(yīng)用。MCPCB由一塊金屬(通常為鋁或銅)制成,上面的銅電路層附有一層電介質(zhì)層,由導(dǎo)電但電絕緣的環(huán)氧樹脂組成。
基于環(huán)氧電介質(zhì)的MCPCB可用于可見光應(yīng)用,但UV(尤其是UVC)會(huì)降解有機(jī)物質(zhì),如環(huán)氧樹脂,進(jìn)而顯著降低了UV應(yīng)用中MCPCB的壽命。唯一可行的替代方案是使用電子級(jí)陶瓷。
其中,氮化鋁(AIN)具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性(140W/mK-170W/ mK),但很昂貴。氧化鋁(Al2O3)是更具成本效益的替代品,但沒有提供UV LED所需的熱導(dǎo)率(20W/mK-30W/mK)。同時(shí),這兩者都很脆弱,并且容易損壞,這意味著它們不容易用螺絲安裝,并且不適合于更強(qiáng)大的應(yīng)用。
替代方案是具有濺射電路層的納米陶瓷。這提供150 W/mK以上的熱導(dǎo)率,并且在所需的熱范圍內(nèi)。
英國Cambridge Nanotherm使用專利的電化學(xué)氧化(ECO)工藝,使用這種方法將鋁板的表面轉(zhuǎn)變成幾十微米薄的氧化鋁(Al2O3)陶瓷。
氧化鋁(Al2O3)陶瓷層作為上面的電路和下面的鋁之間的電介質(zhì)。由于ECO工藝生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷層非常薄,因此熱量可以很容易地通過,使其具有很好的導(dǎo)熱性。
該薄膜處理或?yàn)R射步驟遵循ECO工藝,直接將銅電路層附到納米陶瓷電介質(zhì)上,以進(jìn)一步提高熱效率。因?yàn)樵谌魏坞A段都沒有使用有機(jī)環(huán)氧樹脂,所以紫外線沒有什么可以降解。
這種方法可以生產(chǎn)出與氮化鋁(AlN)相當(dāng)熱性能的MCPCB,但沒有任何與生產(chǎn)或脆性相關(guān)的問題。
由LED實(shí)現(xiàn)的UVC消毒技術(shù)可以帶來真正的變革效果,但是制造商和設(shè)計(jì)人員需要確保能夠克服UV LED所面臨的熱挑戰(zhàn)。