日本廠商紫外 LED 技術動向趨勢

只需要照射看不見的光線,就能輕鬆殺菌的時代即將到來。除了日常生活之外,這項技術還有助於改善貧困地區等的衛生條件。日本企業正在憑藉技術實力,引領拯救世界的「未來之光」。

生活就是與黴菌的戰鬥。空調、加濕器、空氣淨化器、浴室、廚房——打掃只要稍有懈怠,這些地方就會發霉。如果不把小小的黴菌放在眼裡,一定會吃到苦頭。不光是氣味難聞,黴菌在空調的送風口和加濕器中繁殖後,一旦散播到房間中,還有可能引發支原體肺炎等疾病。

人類能否贏得與宿敵——黴菌的戰鬥呢?現在,一種可以稱之為「新一代武器」的尖端技術即將進入實用階段。

「深紫外LED(發光二極管)」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。

深紫外線是指波長較短的紫外線。在LED領域,現在開發的主要是釋放「UV-C」,即100~280nm(納米,納為10億分之1)光線的類型。陽光中也含有深紫外線,但是受到臭氧層的阻擋,基本到達不了地面。

深紫外線的威力早就得到了證實。深紫外線能直接作用於生命的基礎——DNA,從根本上掐斷細菌繁殖。旭化成UVC項目的項目主管久世直洋介紹說:「研究表明,波長為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」。失去遺傳信息後,細菌就不能再繼續繁殖。

在過去,汞燈是人們熟知的深紫外線發生設備。主要應用於商用殺菌和檢查用途,例如醫療器械、工廠和研究機構、食品領域等。但汞燈在其他領域,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,單是充分發光之前的預熱,就需要10~30分鐘。而且壽命僅為3000~5000個小時。這樣的尺寸、耗電量和耐久性,無法應用於家電和汽車。

最重要的問題是汞對人體有毒。2013年,日本等92個國家簽署了《關於汞的水俁公約》。強化限制汞燈的做法正在全球不斷擴大。

而深紫外LED可以輕鬆地在機器上安裝,還具有良好的安全性。工作電壓約為5~7V,尺寸只有幾mm,預熱時間為0秒。壽命長達1萬個小時以上,並且衝擊耐久性強,不使用汞。

深紫外LED打破了汞燈的諸多限制。這項新技術如果得到普及,在生活的方方面面,「殺菌日常化」將會成為現實。

不只是空調、冰箱、飲水機、加濕器等家電,便攜終端、住宅設備和汽車等各個場所也都可以安裝。因為工作能耗低,在世界上缺乏清潔飲水的貧困地區,應該也能起到改善生活環境的作用。用途將一舉實現擴大。有業內人士認為,深紫外LED的相關市場規模在今後的3~4年間,將會突破1000億日元。

這項技術目前還存在弱點:發光效率比汞燈差,量產技術也不成熟。不過,用來彌補這些弱點的技術正在開發。

為奪取成長市場,以通過提高發光效率、建立量產技術,實現成本化為目標,全球掀起了白熱化的技術開發競爭。一馬當先的是3家日本企業:日機裝、旭化成和德山。

深紫外LED以半導體技術為基礎。競爭的重點,在於能否以高成品率,量產高性能半導體。

諾貝爾獎技術是源泉

2014年,赤崎勇和天野浩因開發出藍色LED而榮獲諾貝爾物理學獎。大型工業泵企業日機裝從2006年起,開始在兩人的指導下開展實用化研究。在10年後的2015年3月,實現了深紫外LED的量產供貨。

借助了世界半導體權威的智慧,建立量產技術為什麼還要這麼長的時間?這是因為藍色、紅色等已經進入普及階段的各種LED與深紫外LED使用的材料不同。

一般來說,LED是通過在藍寶石基板上疊加薄膜狀發光材料的方式製作。

製作藍色LED時,藍寶石基板上疊加氮化銦鎵的晶體層。製作高質量的晶體層,是實現量產和性能穩定化的重點,但氮化銦鎵不容易在藍寶石上結晶。

為此,人們想出了先在藍寶石上設置氮化鎵「緩衝層」,再在上面疊加氮化銦鎵層的方法。赤崎與天野正是憑藉開發緩衝層技術等成就,獲得了諾貝爾獎。

日機裝也著手開發了在藍寶石基板上設置緩衝層的深紫外LED量產技術。但是,深紫外LED的發光材料與藍色LED不同,採用氮化鋁鎵,而且氮化鎵具有容易吸收紫外線的性質,所以緩衝層的材料需要變更為氮化鋁。

「通過溫度管理等方面的改善,現在已經可以量產可靠的產品」(負責研發的日機裝技研UV-LED事業部長石黑永孝)。日機裝從2016年春天起,還將開始量產發光功率為50毫瓦,達到以往1.7倍的產品。今後還計劃供應適合嵌入不同設備的LED,作為第一款產品,該公司開發出了在用水設備中安裝的「水殺菌模塊」。設備中的水只需以每分鐘2~10L的速度流經模塊,就能殺滅其中99.9%的大腸桿菌等細菌。

改革基板材料

旭化成對製造方法進行了自主改進。利用2011年收購的美國Crystal IS的技術,成功將基板材料變更為了氮化鋁。久世自豪地說:「我們製作出了非常漂亮的單晶基板,而且與發光材料的兼容性良好。可以大幅減少薄膜狀發光材料的內部缺陷。」

深紫外LED的單位毫瓦價格據說為2~3美元左右。旭化成已經制定了目標,要利用基板的大口徑化技術等,使成本在2016年達到0.5~1美元,未來還要進一步降低到0.25美元。只需幾千日元即可在家電中安裝的時代即將到來。

旭化成將發揮業務領域廣泛,從醫療到住宅、家電部件均有涉獵的優勢,推動深紫外LED實現普及。力爭到2020年,使銷售額達到100億日元。

不過,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內部產生的光線,大部分會在平坦的基板表面發生反射,封閉在LED內部。

日本信息通信研究機構與德山正在著手解決這個問題。開發出了世界上輸出功率最高、超過90毫瓦的深紫外LED。首先如上圖所示,在基板的表面,製作「光子晶體結構」,也就是幾百nm大小的凹凸。然後再在上面疊加幾十nm大小的微細凹凸,形成「混合結構」,使光提取效率提高到了過去2倍左右。

日本信息通信研究機構深紫外光ICT器件尖端開發中心主任井上振一郎說:「我們還在開發能夠利用(像印章一樣沖壓表面的)納米壓印法,以低成本製造混合結構的技術。」德山將於2016年,投產採用該技術的深紫外LED。

作為深紫外LED開發競爭的領跑者,怎樣獲得最後的勝利,考驗日本實力的時候到了。(責編:Nicole)

 

來源:日經技術在線

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