UVC LED相关技术尚待提高,多方力量积极投入研发

当前,全球新型冠状病毒肺炎疫情依旧十分紧张,各方都在努力寻找对抗病毒的方法。今年以来,紫外线杀菌消毒领域相关产品令人目不暇接,除常见的紫外线消毒灯之外,自动消毒机器人、紫外线“微波炉”等创新产品也相继问世。

同时,有关紫外线LED对新冠病毒的杀菌效果的研究也一直在开展中。例如:日本名古屋大学(Nagoya University )与旭化成(Asahi Kasei)合作开发出一个激光二极管,基于AIN(铝化氮)衬底,在室温脉冲电流注入下,发射出迄今为止波长最短的紫外光—271.8nm,潜在应用包括杀菌消毒、皮肤学领域及DNA分析等。

图片来源:Nagoya University and Asahi Kasei

近日,据外媒报道,美国加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,UCSB)的固态照明和能源电子中心(SSLEEC))及其成员公司也在开发紫外线LED、研究紫外线的杀菌效果。

首尔半导体就是SSLEEC成员公司之一,其子公司刚于最近证明了UV LED技术可在30秒内杀死99.9%的新型冠状病毒,此技术已用于美国国家航空航天局(NASA)空间站宇航员的环境净化和汽车内部杀菌等不同场所。

据悉,目前,研究员正在开发一种紫外LED,这种LED能够净化接触过SARS-CoV-2病毒的表面,可能还包括空气和水。

其中,聚焦杀菌净化用深紫外线LED技术的研究员表示,正在研发的紫外LED的一个主要应用就是医疗场所,可用于个人防护设备、表面、地板以及空调系统等的消毒杀菌。

研究员指出,罕见的深紫外光仅能通过人工过程产生。并且,与目前消毒技术最为相关的260-285nm深紫外光对人体皮肤有害,因此,当前深紫外线消毒几乎都是在无人条件下进行。

在本次疫情爆发之前,SSLEEC的材料科学家就已经在研究和推进UVC LED技术。电磁光谱的这个领域对于固态照明来说相对较前沿。深紫外光通常由汞蒸气灯产生,要发挥紫外 LED在效率、成本、可靠性及寿命等方面的潜力还需要改善许多相关技术。

图片来源:拍信网

研究员提到,《ACS光子学》(ACS Photonics)期刊上发表的一份研究报告展示了制造高质量UVC LED的方法,即,在碳化硅(SiC)衬底上沉积一层AlGaN薄膜,而碳化硅衬底与更为广泛应用的蓝宝石衬底有所不同。

由于材料的原子结构匹配非常紧密,相比蓝宝石衬底,碳化硅衬底能够更高效且更经济地生长出高质量的深紫外线半导体材料。

通常情况下,衬底和薄膜的结构(原子晶体结构)越相似,就越容易制造出高质量的材料。质量越好,LED的效率和性能就越高。然而,蓝宝石在结构上有所不同,生产无缺陷和无偏差的材料通常需要复杂的额外步骤。虽然碳化硅并非一个完美的选择,但它不需要采用额外的高成本方法就可以实现高质量。并且,碳化硅的价格远低于理想的氮化铝基板,这使其更易于实现量产。

在开发UVC LED技术时,便携式、快速的水消毒是研究人员考虑的主要应用之一。他们表示,深紫外线除了用于水消毒以外,还可以集成到无人条件下开启的系统中。这对于公共地区、零售店、个人和医疗场所来说都是一种低成本、不含化学物质且方便的清洁方式。

但就目前来看,为减少人与人之间的接触,UCSB研究团队已经放缓了研究速度。研究工作恢复之后,他们将继续改进其AlGaN/SiC技术,希望能生产出全球最高效的深紫外光发射器。

据LEDinside了解,目前用于医疗杀菌的紫外线光源主要来自紫外汞灯。汞灯在真空的石英灯管中加入汞(水银),通过两端电击的电压差异进行放电,激发出紫外线辐射波,再通过灯管内部的荧光涂料改变波长。

紫外光的杀菌效果取决于剂量,包括辐射强度(照度)和时间。目前UVC LED无法完全取代医疗用杀菌紫外汞灯的主要原因是LED的照度仍不够强,相比紫外汞灯,需要加大UVC LED的用量或者延长照射时间才能实现同样的杀菌效果。因此,对于使用频率高且所需杀菌空间范围较大的专业医疗单位而言,现阶段UV LED消毒的成本效益不高。

但是,LEDinside相信,随着更多的研发力量投入到紫外线杀菌消毒领域,相关技术和产品将更快大规模商用化。从目前市场应用来看,UVC LED已经开始在一些场所发挥作用,包括表面杀菌 (携带性杀菌产品、杀菌灯、母婴产品)、水杀菌和空气净化。(LEDinside Janice整理、编译)

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