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藍(lán)海探秘：深紫外LED的水有多深

2022-06-07

有研究報(bào)告顯示，以高科技創(chuàng)新為特色的深紫外LED應(yīng)用廣泛，將成為全球LED研究與投資的新熱點(diǎn)，過(guò)度的投入使LED藍(lán)綠光市場(chǎng)迅速變成紅海，而深紫外LED市場(chǎng)還是一片藍(lán)海，那么這片藍(lán)海水有多深？要進(jìn)入這片藍(lán)海淘金，企業(yè)需要作何準(zhǔn)備？

理想的替代光源

深紫外光是指波長(zhǎng)100納米到280納米之間的光波，半導(dǎo)體深紫外光源在照明、殺菌、醫(yī)療、印刷、生化檢測(cè)、高密度的信息儲(chǔ)存和保密通訊等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。以AlGaN材料為有源區(qū)的深紫外LED的發(fā)光波長(zhǎng)能夠覆蓋210-365nm的紫外波段，是實(shí)現(xiàn)該波段深紫外LED器件產(chǎn)品的理想材料，具有其它傳統(tǒng)紫外光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

互聯(lián)網(wǎng)資料顯示，未來(lái)LED市場(chǎng)可能被劃分為兩部分，一部分是面向通用照明的可見(jiàn)光LED，另一類(lèi)則是以高科技創(chuàng)新為特色的深紫外LED。目前，LED行業(yè)大部分的投資都涌入了藍(lán)綠光領(lǐng)域。過(guò)度的投入使LED藍(lán)綠光市場(chǎng)迅速變成紅海，而深紫外LED市場(chǎng)還是一片藍(lán)海，其廣闊的市場(chǎng)前景，成為繼半導(dǎo)體照明LED之后，全球LED研究與投資的新熱點(diǎn)。

深紫外LED的應(yīng)用很廣泛，其中包括：飲用水、空氣、飲料、藥品包裝的消毒;手術(shù)器械消毒及無(wú)菌狀態(tài)保持;在冰箱內(nèi)，殺滅存活的霉菌孢子，更加延長(zhǎng)食物保存期。除消毒作用外，深紫外LED還能夠進(jìn)行光化學(xué)催化、油墨固化等等。

隨著科技的發(fā)展，深紫外LED替代原有的應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，我們將深紫外LED與其替代的部分產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，其優(yōu)勢(shì)明顯：

水銀燈：在醫(yī)療和食品領(lǐng)域，經(jīng)常使用低壓水銀燈殺菌，但是由于水銀容易對(duì)環(huán)境造成危害，所以研究人員一直希望找到性能優(yōu)良的環(huán)保替代品。深紫外線是一種波長(zhǎng)比較短的紫外線，殺滅細(xì)菌和病毒的效率比較高。盡管傳統(tǒng)水銀燈的總輸出功率大，單位面積輸出光強(qiáng)卻非常弱，只有280納米紫外發(fā)光二極管的幾百分之一。因此，深紫外280納米波段LED比傳統(tǒng)汞燈更適合近距離快速消毒，而且設(shè)備體積特別小巧。

傳統(tǒng)紫外燈：傳統(tǒng)紫外燈由于其工作原理的需要，與屬于半導(dǎo)體產(chǎn)品的LED相比，體積非常龐大，需要高壓?jiǎn)⑤x。此外，盡管傳統(tǒng)水銀燈的總輸出功率大，單位面積輸出光強(qiáng)卻非常弱，只有280納米紫外發(fā)光二極管的幾百分之一。因此，深紫外280納米波段LED比傳統(tǒng)汞燈更適合近距離快速消毒，而且設(shè)備體積特別小巧。

汞燈：汞燈紫外光源相比，基于氮化鋁鎵(AlGaN)材料的深紫外LED具備堅(jiān)固、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、無(wú)汞環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，正逐步滲入汞燈的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

在LED照明大紅大紫的現(xiàn)在，藍(lán)光危害一次也進(jìn)入了人們的視野，引起業(yè)內(nèi)的不少討論。藍(lán)光危害有多大?目測(cè)目前尚無(wú)定論。那么深紫外LED對(duì)人體是否有傷害?新世紀(jì)LED網(wǎng)記者在互聯(lián)網(wǎng)上了解到，深紫外280納米波段LED功率很小，其高效殺菌作用靠的是極高的單位面積照度，而不是高功率。而LED單位面積照度隨距離的平方成反比。因此，在殺菌工作距離以外，深紫外LED對(duì)人體皮膚的作用微乎其微。此外，深紫外LED體積小巧，便于隱藏設(shè)計(jì)，不到0.1毫米厚的的普通玻璃和塑料能完全吸收深紫外線。就如同日常生活中的打火機(jī)、刀具、電源插座等一樣，只要正確使用，設(shè)計(jì)合理的紫外LED用品的安全性是完全可以保證的。

業(yè)界紛紛投入

許多企業(yè)早已發(fā)現(xiàn)這一片新藍(lán)海并投入進(jìn)來(lái)，并在這一領(lǐng)域形成商業(yè)化。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球深紫外LED的潛在應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模在60億美元左右。美國(guó)SECT公司早在2011年便推出了壽命超過(guò)10,000小時(shí)的深紫外光(UV)LED產(chǎn)品;日本U-VIX致力于紫外光源應(yīng)用開(kāi)發(fā)，其2010年銷(xiāo)售額僅為200萬(wàn)美元，而2011年銷(xiāo)售額就超過(guò)了1,000萬(wàn)美元;青島杰生2010年底建成投產(chǎn)了我國(guó)首條波長(zhǎng)280納米的深紫外LED生產(chǎn)線，研發(fā)生產(chǎn)的具有自主創(chuàng)新知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深紫外LED產(chǎn)品，他們自主研發(fā)生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)深紫外LED外延生長(zhǎng)設(shè)備，打破了該設(shè)備一直被國(guó)外公司壟斷的局面;2011年底，三安光電與合作伙伴CRYSTALISINC(USA)推出了當(dāng)時(shí)世界上亮度最高的深紫外LED芯片……

除了有諸多企業(yè)紛紛投入這一藍(lán)海之外，全球科研機(jī)構(gòu)也展開(kāi)了這一領(lǐng)域的研發(fā)，據(jù)了解，美國(guó)在深紫外的研究方面領(lǐng)先，但是近年已經(jīng)被日本超越;我國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)起步相對(duì)較晚，但在該領(lǐng)域也取得了一些進(jìn)展;國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展很快，裝備、材料和器件方面都有了一定的積累，目前正在積極的向應(yīng)用模塊發(fā)展。

2013年9月6日下午，中國(guó)科學(xué)院承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目——“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項(xiàng)目”在北京通過(guò)驗(yàn)收，使我國(guó)成為目前世界上唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光器的國(guó)家;而作為國(guó)內(nèi)氮化鋁鎵基深紫外LED的重要研發(fā)機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明研發(fā)中心在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，在氮化鋁鎵材料的外延生長(zhǎng)和摻雜以及深紫外LED芯片的制備工藝等方面同樣積累了多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，目前已成功實(shí)現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)從260nm到300nm的深紫外LED芯片系列，并已具備產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)能力;廈門(mén)大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院教授康俊勇研究組下的課題小組經(jīng)過(guò)幾年攻關(guān)，課題小組副教授黃凱與博士生高娜等借用一個(gè)超薄鋁膜破解了深紫外LED器件“光抽取效率”關(guān)鍵難題，為未來(lái)此類(lèi)器件在醫(yī)療、環(huán)保、軍事等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開(kāi)啟新的方法和思路。

據(jù)了解，目前深紫外LED正處于技術(shù)發(fā)展期，在專(zhuān)利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面限制較少，有利于占領(lǐng)、引領(lǐng)未來(lái)的技術(shù)制高點(diǎn)。在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)之前，還需要國(guó)家的引導(dǎo)和支持，以便在核心技術(shù)方面取得先機(jī)。

在這一領(lǐng)域擁有領(lǐng)先技術(shù)的國(guó)外企業(yè)今年紛紛加碼這一市場(chǎng)，據(jù)悉日本旭化成擬在2014年興建可量產(chǎn)具有殺菌效果的紫外線LED的測(cè)試性產(chǎn)線，年產(chǎn)能雖不明，惟預(yù)估旭化成將對(duì)子公司“富士支社”投下數(shù)十億日?qǐng)A，導(dǎo)入可因應(yīng)初期量產(chǎn)的設(shè)備，目標(biāo)為在2020年度達(dá)成營(yíng)收300億日?qǐng)A的目標(biāo)。此外，位于日本東京的日機(jī)裝公司表示，公司正在設(shè)立新的深紫外LED工廠，目標(biāo)是在2014年中開(kāi)始投產(chǎn)，UVB和UVC LED光源年產(chǎn)能超過(guò)100萬(wàn)組。

行業(yè)的成長(zhǎng)需要良好的土壤

與可見(jiàn)光LED相比，目前深紫外LED的發(fā)光效率和光輸出功率普遍較低。要從根本上提高氮化鋁鎵基深紫外LED發(fā)光效率低和出光功率低兩大性能瓶頸，重點(diǎn)要研究如何突破低位錯(cuò)密度的AlN和AlGaN材料核心外延與摻雜技術(shù)，設(shè)計(jì)出高量子效率和高光提取效率的LED器件結(jié)構(gòu)，以及開(kāi)發(fā)高可靠性的芯片制備工藝和光珠封裝技術(shù)。

——中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員　張韻

目前，高Al 組分Ⅲ 族氮化物材料質(zhì)量不高，所制備的深紫外LED 發(fā)光器件仍存在內(nèi)量子效率、載流子注入效率和沿c 軸方向正面出光效率較低的難題，因而制約了高效紫外發(fā)光器件的制備。

——廈門(mén)大學(xué)福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳航洋

我認(rèn)為應(yīng)該由科技部牽頭，從國(guó)家層面制定政策，用來(lái)支持鼓勵(lì)這類(lèi)行業(yè)的發(fā)展。而有了政府導(dǎo)向，投資人也會(huì)追漸轉(zhuǎn)變態(tài)度，從而良性循環(huán)

——青島杰生電氣有限公司副總裁周瓴

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們會(huì)更加追求高品質(zhì)的生活，會(huì)更加關(guān)注健康，這些需求必然會(huì)激發(fā)深紫外LED應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展。

——青島杰生電氣有限公司董事長(zhǎng)　張國(guó)華

結(jié)束語(yǔ)

"目前深紫外LED在我國(guó)的市場(chǎng)尚未完全打開(kāi)，由于技術(shù)難度大，許多欲進(jìn)入這一領(lǐng)域的企業(yè)望而卻步，但是隨著LED市場(chǎng)的日漸飽和，企業(yè)想在LED市場(chǎng)有所斬獲，除了有發(fā)現(xiàn)的目光外，還需有過(guò)硬的技術(shù)作為支撐。"