2020年的鼠年春節(jié)因?yàn)樾滦凸跔畈《镜乃僚?，注定將成為全?guó)人民最刻骨銘心的一個(gè)春節(jié)。截止3月1日，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的感染者已累計(jì)確診80000多人，累計(jì)死亡2900多人。新冠疫情讓“消毒”成為高頻詞匯，75%濃度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等消毒方式一次次被提及。
在國(guó)家衛(wèi)健委發(fā)布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》中提到“病毒對(duì)紫外線和熱敏感”，紫外線殺菌消毒也因此一躍成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。紫外殺菌消毒在過(guò)去往往只是作為醫(yī)院等特殊場(chǎng)景的殺菌消毒方式，廣大消費(fèi)者對(duì)紫外殺菌消毒還比較陌生。
那么，紫外線是如何殺死細(xì)菌和病毒的？紫外殺菌消毒有什么特點(diǎn)？有哪些注意事項(xiàng)？深紫外LED為何被稱為殺菌消毒神器？各國(guó)對(duì)于這一產(chǎn)業(yè)的布局情況如何？本文就將為讀者揭開深紫外LED的神秘面紗。
一、 紫外殺菌消毒的原理
紫外殺菌近期已經(jīng)有很多文章進(jìn)行了科普，這里還是重申三點(diǎn)：
第一，紫外線按照波長(zhǎng)劃分，可以分為UVA長(zhǎng)波紫外線（波長(zhǎng)范圍315–400 nm）、UVB中波紫外線（波長(zhǎng)范圍280 – 315 nm）、UVC短波紫外線（波長(zhǎng)范圍200 – 280 nm）以及VUV真空紫外線（波長(zhǎng)范圍10 – 200 nm）。其中UVA長(zhǎng)波紫外線也經(jīng)常被稱為近紫外線，UVC短波紫外線經(jīng)常被稱為深紫外線。
第二，紫外線是一種誘變劑，在特定的波長(zhǎng)范圍（主要是UVC）以及足夠高的劑量下，紫外線能夠引起細(xì)菌和病毒等微生物細(xì)胞中的DNA或RNA相鄰嘧啶分子間形成異常的化學(xué)鍵，阻礙DNA或RNA的復(fù)制，從而造成微生物細(xì)胞死亡。深紫外LED即通過(guò)發(fā)出UVC波長(zhǎng)的深紫外線達(dá)到殺菌消毒的效果。
第三，非典時(shí)期中國(guó)疾病預(yù)防控制中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，使用強(qiáng)度大于90uW/cm2的深紫外線照射冠狀病毒60分鐘，可以滅殺SARS病毒。新型冠狀病毒和SARS病毒類似，同屬于單股正鏈RNA病毒，因此理論上科學(xué)合理地使用紫外線可以有效滅殺新型冠狀病毒。
圖 1：紫外殺菌消毒的原理
二、 紫外殺菌消毒的特點(diǎn)
紫外殺菌消毒主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1） 殺菌消毒效率高：美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局衛(wèi)生評(píng)估與研究中心研究表明，在特征波長(zhǎng)254nm、輻射強(qiáng)度4016uW/cm2的紫外光源照射下，SARS病毒在6分鐘后滅殺率可達(dá)到99.99%。相比于加熱消毒在75攝氏度下需要45分鐘才能滅殺SARS病毒，紫外殺菌消毒的效率要高出許多。
（2） 殺菌廣譜性：由于紫外線是直接對(duì)細(xì)菌和病毒的DNA和RNA起作用，因此在目前所有的殺菌消毒方式中，紫外線殺菌消毒的廣譜性最高，對(duì)幾乎所有細(xì)菌和病毒都能高效率滅殺。
（3） 無(wú)二次污染：常用的次氯酸鈉消毒液對(duì)環(huán)境有危害，會(huì)造成水體污染，其所釋放出的游離氯有可能引起中毒。相比之下，紫外線可以致使細(xì)菌和病毒直接死亡，沒有其它化學(xué)污染物產(chǎn)生。但要注意盡量避免使用波長(zhǎng)小于243nm的紫外線而產(chǎn)生臭氧。
三、 紫外LED的優(yōu)勢(shì)
目前用于殺菌消毒的紫外光源主要有兩種：傳統(tǒng)汞燈和深紫外LED。相比于傳統(tǒng)汞燈的諸多缺點(diǎn)，深紫外LED具有明顯的政策優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)汞燈的缺點(diǎn)：
（1） 外形笨重，尺寸較大，并配有高壓電。
（2） 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法做到即開即用。
（3） 易碎，使用壽命短，高達(dá)90%的使用壽命消耗在頻繁的開關(guān)階段。
（4） 劇毒，破裂后會(huì)造成汞泄漏，污染環(huán)境，嚴(yán)重危害人體健康。
深紫外LED的政策優(yōu)勢(shì)：全球128個(gè)國(guó)家簽署的《聯(lián)合國(guó)水俁公約》已于2017年8月在中國(guó)正式生效，條約明令各國(guó)從2020年起禁止生產(chǎn)及進(jìn)出口各種含有汞的制品，傳統(tǒng)汞燈將被禁止生產(chǎn)和銷售。我國(guó)政府先后頒布了《中國(guó)嚴(yán)格限制的有毒化學(xué)品名錄》和《優(yōu)先控制化學(xué)品名錄（第一批）》等系列政策文件，對(duì)汞的管控提出明確要求。作為傳統(tǒng)汞加工制造和汞污染大國(guó)，中國(guó)政府積極踐行《水俁公約》要求。雖然，用于固化和殺菌的紫外汞燈還不在今年主要管制之列，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，正如在通用照明領(lǐng)域LED替代傳統(tǒng)光源是必然趨勢(shì)，作為綠色環(huán)保的新型紫外固態(tài)光源的深紫外LED，將是傳統(tǒng)紫外光源--汞燈的唯一替代選擇。而隨著《水俁公約》的生效以及深紫外LED自身技術(shù)不斷進(jìn)步，深紫外LED將迎來(lái)其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長(zhǎng)。
深紫外LED的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：在各種不同的殺菌消毒方式中，只有深紫外LED同時(shí)具備節(jié)約能源、即開即用、節(jié)省空間、免除維護(hù)、無(wú)毒無(wú)害、壽命長(zhǎng)、無(wú)刺激性氣味等優(yōu)異特性。相比于其它殺菌消毒方式，深紫外LED具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
表 1：深紫外LED的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
四、 紫外LED的市場(chǎng)規(guī)模
綜合多家調(diào)研機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)分析，紫外LED器件的產(chǎn)值在2017年為2億美元，到2025年將達(dá)到13億美元左右，年復(fù)合成長(zhǎng)率超過(guò)30%，其中深紫外LED為主要的成長(zhǎng)動(dòng)能。紫外LED具有體積小、設(shè)計(jì)靈活方便、無(wú)污染等特點(diǎn)，十分適合在白色家電中應(yīng)用。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2018-2023年中國(guó)白電行業(yè)市場(chǎng)前景及投資機(jī)會(huì)研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)白色家電產(chǎn)品銷量突破3.5億臺(tái)。若每臺(tái)產(chǎn)品增加紫外LED消毒功能，成本增加50元左右，據(jù)此全國(guó)即可增加175億人民幣的紫外LED消毒產(chǎn)品市場(chǎng)。
圖 2：紫外LED市場(chǎng)預(yù)測(cè)
五、 深紫外LED外延芯片相關(guān)企業(yè)
目前全球紫外LED外延芯片相關(guān)企業(yè)主要分布在美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)以及中國(guó)（包括大陸和臺(tái)灣地區(qū)）。
美國(guó)：
成立于1999年，位于美國(guó)南卡羅來(lái)納州的SETi公司是世界上最早在藍(lán)寶石襯底上商業(yè)化生產(chǎn)深紫外LED外延芯片產(chǎn)品的企業(yè)，其技術(shù)主要來(lái)源于南卡羅來(lái)納大學(xué)（University of South Carolina）的Asif Khan教授研究組。SETi的獨(dú)門絕技是在藍(lán)寶石襯底上通過(guò)遷移率增強(qiáng)外延（Migration Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 簡(jiǎn)稱MEMOCVD）技術(shù)生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鋁外延層。SETi于2015年被韓國(guó)Seoul Viosys收購(gòu)，成為首爾半導(dǎo)體旗下的子公司。
另外一家成立于1997年，位于美國(guó)紐約州的企業(yè)Crystal IS，則主要專注于在單晶氮化鋁襯底上制備紫外LED外延芯片，其技術(shù)來(lái)源于倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）。Crystal IS于2011年被日本旭化成（Asahi Kasei）收購(gòu)，成為旭化成的全資子公司。
成立于2014年，位于美國(guó)加利福尼亞州的Bolb公司，在2018年公開報(bào)道了其獨(dú)特的“透明P型層”技術(shù)，創(chuàng)造了深紫外LED光電轉(zhuǎn)換效率（WPE）新的世界紀(jì)錄。
另外一家位于美國(guó)加利福尼亞州的Rayvio公司，技術(shù)來(lái)源于波士頓大學(xué)（Boston University）Theodore Moustakas教授研究組，曾經(jīng)推出過(guò)幾款UVB/UVC的產(chǎn)品。
德國(guó)：
LED巨頭歐司朗在多年前就開始開發(fā)深紫外LED，并在2017年宣布與美國(guó)的單晶氮化鋁襯底制造商HexaTech達(dá)成戰(zhàn)略合作，在HexaTech的氮化鋁襯底上開發(fā)大功率深紫外LED，但目前市面上似乎還沒有見到相關(guān)的產(chǎn)品。
另外一家德國(guó)企業(yè)UVphotonics成立于2015年，技術(shù)來(lái)源于萊布尼茲工業(yè)技術(shù)研究所（FBH）和柏林工業(yè)大學(xué)（TU Berlin）的Michael Kneissl教授研究組，產(chǎn)品組合涵蓋UVB和UVC波長(zhǎng)范圍內(nèi)的單芯片和全封裝LED，尤其在UVB波段的產(chǎn)品有比較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
日本：
日本的紫外LED外延芯片相關(guān)企業(yè)除了收購(gòu)Crystal IS的旭化成以外，主要還有日亞（Nichia）、日機(jī)裝（Nikkiso）、Nitride Semiconductors及同和電子（DOWA）。
日亞于2019年正式發(fā)布了深紫外LED產(chǎn)品，主要瞄準(zhǔn)水凈化和空氣凈化的高端市場(chǎng)。
日機(jī)裝于2012年通過(guò)收購(gòu)UV Craftory公司進(jìn)入紫外LED領(lǐng)域。UV Craftory成立于2006年，技術(shù)來(lái)源于2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主Akasaki教授和Amano教授，其技術(shù)特點(diǎn)是使用大偏轉(zhuǎn)角的藍(lán)寶石襯底。
Nitride Semiconductors成立于2000年，是日本最早開發(fā)紫外LED的先驅(qū)，其技術(shù)來(lái)源于德島大學(xué)，在高溫SiN插入層方面有自己獨(dú)特的技術(shù)。
同和電子則通過(guò)與日本理化所（RIKEN）合作，推出了多款波長(zhǎng)涵蓋265-340nm的紫外LED芯片產(chǎn)品，但在今年2月20日，同和電子突然宣告將終止深紫外LED的生產(chǎn)。
韓國(guó)：
韓國(guó)的紫外LED外延芯片生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)UV LED的布局最為深入的要數(shù)成立于1992年的首爾半導(dǎo)體，在2002年成立了Seoul Viosys，并于同年與日本Nitride Semiconductors達(dá)成戰(zhàn)略聯(lián)盟，后于2015年收購(gòu)美國(guó)SETi。據(jù)稱2019年市場(chǎng)份額已達(dá)46%。
此外，主要還有LG Innotek、Semiconlight、Soft-Epi和Photonwave。
LG Innotek在2018年推出紫外LED品牌“InnoUV”，計(jì)劃將其應(yīng)用于40種紫外LED產(chǎn)品中。其獨(dú)特的垂直結(jié)構(gòu)深紫外LED，在350mA驅(qū)動(dòng)電流下單顆芯片的光功率可以達(dá)到100mW，是量產(chǎn)品的最高水平。但LG Innotek計(jì)劃在2020年第二季度以前裁撤掉全部LED業(yè)務(wù)，因此其曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限的紫外LED產(chǎn)品出師未捷身先死，只能將好不容易打下的市場(chǎng)拱手讓人。
另一家韓國(guó)LED企業(yè)Semiconlight則專注于flip chip芯片的生產(chǎn)，其flip chip深紫外LED芯片的成本和良率比LG Innotek的垂直結(jié)構(gòu)深紫外LED芯片有一定的優(yōu)勢(shì)，但在性能上要略遜一籌。
Soft-Epi成立于2012年，主要專注于外延片的生產(chǎn)。Photonwave公司成立于2016年，主要銷售基于韓國(guó)TES公司的MOCVD平臺(tái)生產(chǎn)的外延片和芯片。
中國(guó)：
臺(tái)灣地區(qū)的晶電、光宏、隆達(dá)等LED生產(chǎn)企業(yè)都有深紫外LED相關(guān)的外延芯片產(chǎn)品。
大陸地區(qū)的青島杰生（2015年被圓融光電收購(gòu)）是國(guó)內(nèi)最早專注于全波段紫外LED產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)。
三安光電自2014年涉足紫外LED領(lǐng)域，目前其深紫外LED產(chǎn)品已累計(jì)客戶逾百余家。
成立于2017年的湖北深紫科技依托華中科技大學(xué)和武漢光電國(guó)家研究中心，成功實(shí)現(xiàn)高性能深紫外LED量產(chǎn)。
成立于2018年的中科潞安依托中科院半導(dǎo)體所在紫外LED方面的技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)了全波段紫外LED芯片產(chǎn)品的生產(chǎn)。
晶能光電基于獨(dú)特的硅襯底技術(shù)，推出了多個(gè)系列的近紫外UVA LED產(chǎn)品，主要應(yīng)用于固化領(lǐng)域。
乾照光電與世界知名的深紫外LED公司開展戰(zhàn)略合作，此外還與信達(dá)光電和光莆股份共同承擔(dān)了廈門市重大科技項(xiàng)目“高光功率紫外固態(tài)光源研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，積極推動(dòng)紫外LED的產(chǎn)業(yè)化。
六、 新冠肺炎疫情對(duì)紫外LED產(chǎn)業(yè)的影響
細(xì)菌和病毒存在于人類生活的各個(gè)角落，但是只要不引起嚴(yán)重的健康問(wèn)題，人們對(duì)殺菌消毒的關(guān)注并不多，甚至還有人抱持著“不干不凈，吃了沒病”的不健康的生活理念。再加之紫外線和細(xì)菌都是看不見摸不著的，消費(fèi)者對(duì)于紫外線殺菌消毒的效果很難有直觀的感受。因此在此次疫情發(fā)生之前，深紫外LED的市場(chǎng)推廣一直面臨比較大的困難。
此次疫情極大地提高了人們對(duì)紫外殺菌消毒的認(rèn)知，對(duì)深紫外LED的市場(chǎng)培育起到了促進(jìn)作用。一旦終端消費(fèi)市場(chǎng)被打開，必將自下而上帶動(dòng)整條深紫外LED產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。而隨著產(chǎn)業(yè)鏈的共同進(jìn)步，深紫外LED的性價(jià)比將不斷得到提升，從而進(jìn)一步推動(dòng)終端應(yīng)用市場(chǎng)的滲透，形成一個(gè)良性循環(huán)。
目前，由于深紫外LED的性價(jià)比與傳統(tǒng)汞燈相比尚不具有顯著的優(yōu)勢(shì)，大部分中低功率的深紫外LED主要被應(yīng)用于普通消費(fèi)市場(chǎng)的表面殺菌等場(chǎng)景。在對(duì)光功率要求較高的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，目前暫時(shí)仍然是汞燈的天下。深紫外LED和汞燈在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將以互補(bǔ)的形式共同存在。但隨著深紫外LED的性價(jià)比不斷提升，相信在不久的將來(lái)深紫外LED將完成對(duì)汞燈從互補(bǔ)到替代，從替代到超越的華麗轉(zhuǎn)身，甚至還將開創(chuàng)出屬于自己的全新應(yīng)用領(lǐng)域。
當(dāng)然，任何一項(xiàng)強(qiáng)大的新技術(shù)都有其利弊，使用得當(dāng)則造福人類。遇到問(wèn)題，我們不可矯枉過(guò)正，更不能因噎廢食。我們能做的就是盡可能最大限度地提高正面效應(yīng)，讓好的技術(shù)更好地為全人類服務(wù)。
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