2020年的鼠年春節(jié)因為新型冠狀病毒的肆虐，注定將成為全國人民最刻骨銘心的一個春節(jié)。截止3月1日，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的感染者已累計確診80000多人，累計死亡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。紫外殺菌消毒在過去往往只是作為醫(yī)院等特殊場景的殺菌消毒方式，廣大消費者對紫外殺菌消毒還比較陌生。
那么，紫外線是如何殺死細菌和病毒的？紫外殺菌消毒有什么特點？有哪些注意事項？深紫外LED為何被稱為殺菌消毒神器？各國對于這一產(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)有很多文章進行了科普，這里還是重申三點：
第一，紫外線按照波長劃分，可以分為UVA長波紫外線（波長范圍315–400 nm）、UVB中波紫外線（波長范圍280 – 315 nm）、UVC短波紫外線（波長范圍200 – 280 nm）以及VUV真空紫外線（波長范圍10 – 200 nm）。其中UVA長波紫外線也經(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，在特定的波長范圍（主要是UVC）以及足夠高的劑量下，紫外線能夠引起細菌和病毒等微生物細胞中的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，從而造成微生物細胞死亡。深紫外LED即通過發(fā)出UVC波長的深紫外線達到殺菌消毒的效果。
第三，非典時期中國疾病預(yù)防控制中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，使用強度大于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
紫外殺菌消毒主要有以下幾個特點：
（1） 殺菌消毒效率高：美國食品藥品監(jiān)督管理局衛(wèi)生評估與研究中心研究表明，在特征波長254nm、輻射強度4016uW/cm2的紫外光源照射下，SARS病毒在6分鐘后滅殺率可達到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細菌和病毒的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，對幾乎所有細菌和病毒都能高效率滅殺。
（3） 無二次污染：常用的次氯酸鈉消毒液對環(huán)境有危害，會造成水體污染，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小于243nm的紫外線而產(chǎn)生臭氧。
三、 紫外LED的優(yōu)勢
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，深紫外LED具有明顯的政策優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢。
傳統(tǒng)汞燈的缺點：
（1） 外形笨重，尺寸較大，并配有高壓電。
（2） 啟動時間長，無法做到即開即用。
（3） 易碎，使用壽命短，高達90%的使用壽命消耗在頻繁的開關(guān)階段。
（4） 劇毒，破裂后會造成汞泄漏，污染環(huán)境，嚴(yán)重危害人體健康。
深紫外LED的政策優(yōu)勢：全球128個國家簽署的《聯(lián)合國水俁公約》已于2017年8月在中國正式生效，條約明令各國從2020年起禁止生產(chǎn)及進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。我國政府先后頒布了《中國嚴(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，中國政府積極踐行《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，但是從長遠來看，正如在通用照明領(lǐng)域LED替代傳統(tǒng)光源是必然趨勢，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)不斷進步，深紫外LED將迎來其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長。
深紫外LED的技術(shù)優(yōu)勢：在各種不同的殺菌消毒方式中，只有深紫外LED同時具備節(jié)約能源、即開即用、節(jié)省空間、免除維護、無毒無害、壽命長、無刺激性氣味等優(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。
表 1：深紫外LED的技術(shù)優(yōu)勢
四、 紫外LED的市場規(guī)模
綜合多家調(diào)研機構(gòu)的市場分析，紫外LED器件的產(chǎn)值在2017年為2億美元，到2025年將達到13億美元左右，年復(fù)合成長率超過30%，其中深紫外LED為主要的成長動能。紫外LED具有體積小、設(shè)計靈活方便、無污染等特點，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年中國白電行業(yè)市場前景及投資機會研究報告》數(shù)據(jù)顯示，2018年我國白色家電產(chǎn)品銷量突破3.5億臺。若每臺產(chǎn)品增加紫外LED消毒功能，成本增加50元左右，據(jù)此全國即可增加175億人民幣的紫外LED消毒產(chǎn)品市場。
圖 2：紫外LED市場預(yù)測
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、德國、日本、韓國以及中國（包括大陸和臺灣地區(qū)）。
美國：
成立于1999年，位于美國南卡羅來納州的SETi公司是世界上最早在藍寶石襯底上商業(yè)化生產(chǎn)深紫外LED外延芯片產(chǎn)品的企業(yè)，其技術(shù)主要來源于南卡羅來納大學(xué)（University of South Carolina）的Asif Khan教授研究組。SETi的獨門絕技是在藍寶石襯底上通過遷移率增強外延（Migration Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 簡稱MEMOCVD）技術(shù)生長高質(zhì)量的氮化鋁外延層。SETi于2015年被韓國Seoul Viosys收購，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，成為旭化成的全資子公司。
成立于2014年，位于美國加利福尼亞州的Bolb公司，在2018年公開報道了其獨特的“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。
另外一家位于美國加利福尼亞州的Rayvio公司，技術(shù)來源于波士頓大學(xué)（Boston University）Theodore Moustakas教授研究組，曾經(jīng)推出過幾款UVB/UVC的產(chǎn)品。
德國：
LED巨頭歐司朗在多年前就開始開發(fā)深紫外LED，并在2017年宣布與美國的單晶氮化鋁襯底制造商HexaTech達成戰(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。
另外一家德國企業(yè)UVphotonics成立于2015年，技術(shù)來源于萊布尼茲工業(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)品有比較強的優(yōu)勢。
日本：
日本的紫外LED外延芯片相關(guān)企業(yè)除了收購Crystal IS的旭化成以外，主要還有日亞（Nichia）、日機裝（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。
日機裝于2012年通過收購UV Craftory公司進入紫外LED領(lǐng)域。UV Craftory成立于2006年，技術(shù)來源于2014年諾貝爾物理獎得主Akasaki教授和Amano教授，其技術(shù)特點是使用大偏轉(zhuǎn)角的藍寶石襯底。
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)來源于德島大學(xué)，在高溫SiN插入層方面有自己獨特的技術(shù)。
同和電子則通過與日本理化所（RIKEN）合作，推出了多款波長涵蓋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：
韓國的紫外LED外延芯片生產(chǎn)企業(yè)，對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達成戰(zhàn)略聯(lián)盟，后于2015年收購美國SETi。據(jù)稱2019年市場份額已達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”，計劃將其應(yīng)用于40種紫外LED產(chǎn)品中。其獨特的垂直結(jié)構(gòu)深紫外LED，在350mA驅(qū)動電流下單顆芯片的光功率可以達到100mW，是量產(chǎn)品的最高水平。但LG Innotek計劃在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拱手讓人。
另一家韓國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，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TES公司的MOCVD平臺生產(chǎn)的外延片和芯片。
中國：
臺灣地區(qū)的晶電、光宏、隆達等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）是國內(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)和武漢光電國家研究中心，成功實現(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)。
晶能光電基于獨特的硅襯底技術(shù)，推出了多個系列的近紫外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，此外還與信達光電和光莆股份共同承擔(dān)了廈門市重大科技項目“高光功率紫外固態(tài)光源研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，積極推動紫外LED的產(chǎn)業(yè)化。
六、 新冠肺炎疫情對紫外LED產(chǎn)業(yè)的影響
細菌和病毒存在于人類生活的各個角落，但是只要不引起嚴(yán)重的健康問題，人們對殺菌消毒的關(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。再加之紫外線和細菌都是看不見摸不著的，消費者對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紫外殺菌消毒的認知，對深紫外LED的市場培育起到了促進作用。一旦終端消費市場被打開，必將自下而上帶動整條深紫外LED產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。而隨著產(chǎn)業(yè)鏈的共同進步，深紫外LED的性價比將不斷得到提升，從而進一步推動終端應(yīng)用市場的滲透，形成一個良性循環(huán)。
目前，由于深紫外LED的性價比與傳統(tǒng)汞燈相比尚不具有顯著的優(yōu)勢，大部分中低功率的深紫外LED主要被應(yīng)用于普通消費市場的表面殺菌等場景。在對光功率要求較高的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，目前暫時仍然是汞燈的天下。深紫外LED和汞燈在未來一段時間內(nèi)將以互補的形式共同存在。但隨著深紫外LED的性價比不斷提升，相信在不久的將來深紫外LED將完成對汞燈從互補到替代，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，任何一項強大的新技術(shù)都有其利弊，使用得當(dāng)則造福人類。遇到問題，我們不可矯枉過正，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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