肺炎疫情帶動UVC LED產品爆發,產學界聯手積極投入研發

當前,全球新型冠狀病毒肺炎疫情依舊十分緊張,各方都在努力尋找對抗病毒的方法。今年以來,紫外線殺菌消毒領域相關產品令人目不暇接,除常見的紫外線消毒燈之外,自動消毒機器人、紫外線“微波爐”等創新產品也相繼問世。

同時,有關紫外線LED對新冠病毒的殺菌效果的研究也一直在開展中。例如:日本名古屋大學(Nagoya University )與旭化成(Asahi Kasei)合作開發出一個鐳射二極體,基於AIN(鋁化氮)襯底,在室溫脈衝電流注入下,發射出迄今為止波長最短的紫外光—271.8nm,潛在應用包括殺菌消毒、皮膚學領域及DNA分析等。


(圖片來源:Nagoya University and Asahi Kasei)

近日外媒報導,美國加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,UCSB)的固態照明和能源電子中心(SSLEEC))及其成員公司也在開發紫外線LED、研究紫外線的殺菌效果。

首爾半導體就是SSLEEC成員公司之一,其子公司剛於最近證明了UV LED技術可在30秒內殺死99.9%的新型冠狀病毒,此技術已用於美國太空總署(NASA)太空站的環境淨化和汽車內部殺菌等不同場所。目前,研究學者正在開發一種紫外LED,這種LED能夠淨化接觸過SARS-CoV-2病毒的表面,可能還包括空氣和水。

其中,聚焦殺菌淨化用深紫外線LED技術的研究員表示,正在研發的紫外LED的一個主要應用就是醫療場所,可用於個人防護設備、表面、地板以及空調系統等的消毒殺菌。學者指出,罕見的深紫外光僅能通過人工過程產生。並且,與目前消毒技術最為相關的260-285nm深紫外光對人體皮膚有害,因此,當前深紫外線消毒幾乎都是在無人條件下進行。

在本次疫情爆發之前,SSLEEC的材料科學家就已經在研究和推進UVC LED技術。當前使用的深紫外光源通常由汞蒸氣燈產生,要發揮紫外LED在效率、成本、可靠性及壽命等方面的潛力,則還需要改善許多相關技術。

而再《ACS光子學》(ACS Photonics)期刊上發表的一份研究報告展示了製造高品質UVC LED的方法,即在碳化矽(SiC)襯底上沉積一層AlGaN薄膜,而碳化矽襯底與更為廣泛應用的藍寶石襯底有所不同。由於材料的原子結構匹配非常緊密,相較於藍寶石襯底,碳化矽襯底能夠更高效且更經濟地生長出高品質的深紫外線半導體材料。

通常情況下,襯底和薄膜的結構(原子晶體結構)越相似,就越容易製造出高品質的材料。品質越好,LED的效率和性能就越高。然而,藍寶石在結構上有所不同,生產無缺陷和無偏差的材料通常需要複雜的額外步驟。雖然碳化矽並非一個完美的選擇,但它不需要採用額外的高成本方法就可以實現高品質。並且,碳化矽的價格遠低於理想的氮化鋁基板,這使其更易於實現量產。

在開發UVC LED技術時,攜帶式、快速的水消毒是研究人員考慮的主要應用之一。他們表示,深紫外線除了用於水消毒以外,還可以集成到無人條件下開啟的系統中。這對於公共地區、零售店、個人和醫療場所來說都是一種低成本、不含化學物質且方便的清潔方式。


(Image: Pixabay)

但就目前來看,為減少人與人之間的接觸,UCSB研究團隊已經放緩了研究速度。研究工作恢復之後,他們將繼續改進其AlGaN/SiC技術,希望能生產出全球最高效的深紫外光發射器。

據LEDinside瞭解,目前用於醫療殺菌的紫外線光源主要來自紫外汞燈。汞燈在真空的石英燈管中加入汞(水銀),通過兩端電擊的電壓差異進行放電,激發出紫外線輻射波,再通過燈管內部的螢光塗料改變波長。

紫外光的殺菌效果取決於劑量,包括輻射強度(照度)和時間。目前UVC LED無法完全取代醫療用殺菌紫外汞燈的主要原因是LED的照度仍不夠強,相比紫外汞燈,需要加大UVC LED的用量或者延長照射時間才能實現同樣的殺菌效果。因此,對於使用頻率高且所需殺菌空間範圍較大的專業醫療單位而言,現階段UV LED消毒的成本效益不高。

但是,LEDinside相信,隨著更多的研發力量投入到紫外線殺菌消毒領域,相關技術和產品將更快大規模商用化。從目前市場應用來看,UVC LED已經開始在一些場所發揮作用,包括表面殺菌(攜帶性殺菌產品、殺菌燈、母嬰產品)、水殺菌和空氣淨化。(LEDinside Janice整理、編譯)

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