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闫建昌:疫情防控与深紫外LED技术

2020-02-13    

中国照明网报道

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导语: 当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

  当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

  本期,我们邀请到中国科学院半导体所研究员、山西中科潞安紫外光电科技有限公司副总经理闫建昌,带来了关于“疫情防控与深紫外LED技术”的精彩主题分享,以下为文字实录:

  非常感谢国家半导体照明工程研发及产业联盟邀请我来做这个分享报告。新型冠状病毒来势凶猛,对我们的日常生活、工业生产等各方面造成了很大的冲击影响。我本人的专业领域是紫外LED的外延材料和芯片,因为一直从事这方面的工作,借此机会,分享一下个人的思考和认识,希望能对大家有所帮助。

  一、新冠病毒防控,紫外杀菌消毒被认可

  目前情况来看,不管是确诊还是疑似病例,影响的人非常多。新型冠状病毒的防控,包括治疗方面,取得了很大进展。从防控的角度,各方面专家都给了很多的意见,控制病毒的传播,采用各种方式消灭病毒。

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  从官方给大家提供的杀菌消毒的方式里,可以了解到很多有效的方法。包括直接高温杀毒,用75%比例的酒精等。此外,紫外线杀菌消毒也是明确被认可的,紫外杀菌消毒从原理上来说没有问题,但是需要注意两点,能够起到杀灭冠状病毒或者杀菌消毒作用的紫外线,首先需要紫外线的波长合适,叫做适宜的波段。同时也需要紫外线的能量要足够,也就是紫外线的剂量要足够。

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  从第五版新型冠状病毒的诊疗方案中,我们可以看到,使用强度大于每平方厘米90微瓦的紫外线照射光照密度30分钟可以杀灭SARS病毒,而新型冠状病毒与SARS病毒有很多的相似性。同属于单股正链RNA病毒,所以理论上科学合理使用紫外线,可以有效灭活冠状病毒。但要注意,这里紫外线需要达到一定的强度,而且需要达到一定的时间。实际上,如果说照射的强度很大的话,时间也可以大大缩短。

  紫外杀菌并不是特别新鲜的事情,迄今为止,已经有近百年的历史。早在1903年,Niels Ryberg Finsen利用紫外线实现治疗皮肤病,发表相关专著,并获得了诺贝尔生理和医学奖,历史已久。

  紫外线之所以能够实现高效的杀灭病毒病菌,主要是从根本上通过破坏DNA来灭菌。因为紫外线的光子能量非常高,可以破坏细菌病毒的DNA链条,而从根源上来杀灭细菌、病毒。

  不同波段紫外线对于细菌,病毒的杀灭效果是有差别的。传统用的紫外汞灯可能是253.7或者254纳米的,实际上最有效的波段可能不止是在254纳米。根据目前最新的研究结果,在264纳米附近,紫外线的杀菌效果可能会更高。

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  基于这个原理,可以说紫外线具有广谱杀菌的特点,不管是细菌类、病毒类还是水藻类,孢子类等各种微生物,杀灭效果都是非常显著的,效率非常高。相比于其他杀菌方式,紫外线杀菌有一个好处就是照完之后,关掉紫外线就没有了,没有化学过程的参与和污染。

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  紫外线如果要实现有效的杀菌消毒,需要足够的能量,包括要足够的照射强度和足够的时间,同时需要合适的波段。根据波长,从长到短,紫外波段分为UVA、UVB和UVC,其中UVC是波长最短,能量最高的一个波段,我们经常称其为深紫外波段。实际上,对于杀菌消毒,真正最有效的就是UVC。

  不管是UVA还是UVC这些波段,都可以使用半导体材料来实现相应的紫外发光。

  二、紫外LED光源的优势

  传统紫外光源有低压/中压汞灯、微波无极汞灯等。新型紫外光源,主要是基于宽禁带半导体材料,相比传统光源,是一种冷光源,也是紫外光源一种未来发展趋势。

  通过调节AlGaN材料中的AI组分,可以实现LED发光波长在200-365nm之间任意可调,覆盖了UV-A至UV-C的广阔波段。相比传统汞灯的紫外光源,这是AlGaN半导体材料做紫外LED光源的优势。

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  相比于传统紫外光源,AlGaN基紫外LED还具有小巧便携、环保安全、易于设计等优点。可以实现各种各样的一些光源设计。

  此外,紫外LED最重要的优点是不采用汞材料,无汞环保。根据水俣公约,从2020年起,缔约国禁止生产及出口含汞产品。当然不会一下子取缔汞灯,目前紫外LED在发光效率等方面还无法完全取代汞灯。但是长远来看,随着紫外LED的性能逐步提升,未来它的发光效率有望超过汞灯。从环保角度,逐步推广使用紫外LED应该是大势所趋。

  三、紫外LED应用范围广泛

  紫外LED对于各种各样的病菌、病毒,包括新型冠状病毒都可以实现高效的杀灭。这种杀菌功能应用范围非常广,日常生活的各个方面都可以用上它,比如饮用水,要保证无菌,无毒的健康安全。高铁、飞机、火车站等公共环境里,希望空气更加卫生、安全,这些场景里,杀菌是可以发挥作用的。

  除此之外,还有很多的场景都可以用到这种紫外杀菌消毒,用来给我们提供安全卫生的环境,包括医院、污水处理厂、食品厂、奶制品厂、酿酒厂、饮料厂等各个环节里,应用环境非常广泛。

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  紫外LED的个头非常小巧,可以催生出一些不同于传统汞灯的应用需求。比如目前已经出现的便携式的电子消毒产品、电梯扶手杀菌机、扫地机器人等。这是传统紫外光源很难应用的地方,恰恰是紫外LED可以带来的增量新兴市场,这些增量市场很可能远大于其他传统应用市场。

  实际上,紫外光源的应用远不止杀菌消毒一方面。在其他很多领域,包括生化探测、杀菌医疗、聚合物固化及工业光催化等诸多领域有着广阔的应用前景。

  紫外LED的前景,从我个人的角度非常乐观。未来紫外LED,从家居到工业,方方面面都可能用得到。未来有可能催生出不同于照明的新兴万亿产业。

  四、深紫外LED外延芯片技术现状与难点

  紫外LED的前景非常光明,不过技术状态有待提升。目前,UVA LED已比较成熟,EQE可达到50-60%,未来更多工作聚焦于应用系统层面的开发。UVB和UVC波段深紫外LED的外量子效率还比较低,EQE普遍在10%以下,商业化产品基本在1%~3%。

  所以如果要讲紫外LED,需要明确说清楚是UVA的近紫外,还是UVB、UVC的深紫外,这两种产品形态对应的应用差别是非常大的。深紫外LED产品,目前基本上转换效率都是在1%~3%,比较低。

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  之所以紫外LED量子效率低,从根本上来说是材料限制了发光效率,主要因素包括外延材料质量差、电注入效率低,光提取效率低等。从材料入手是解决深紫外LED 问题的根本。

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  五、深紫外LED外延芯片研究进展

  紫外LED材料跟衬底密切相关。目前蓝宝石衬底材料是最常用的,如何把位错密度降下来,是做材料或者是做外延的一个核心问题。目前国内外都在研究和探讨各种各样的方法,希望能有效的降低材料里的缺陷和位错密度。

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  个人认为其中最重要的一项就是纳米图形蓝宝石衬底(NPSS)技术,重要之处在于两个方面,一是通过这种方法,可以降低材料的位错密度,提高材料质量,同时有助于缓解应力等问题。另一方面,这种技术对于紫外LED出光效率低的问题也有很大改善。

  综合来看,纳米图形蓝宝石衬底(NPSS)技术可以从材料到出光各个方面来改善,对紫外LED的性能有很大的提升作用,未来我觉得会成为产业的一个主流技术。

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  AlN外延中温插入层技术,是探索性的一个方法,具有释放应力、阻挡位错的作用。

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  对于AlGaN材料,P型掺杂也是难题,对于这个问题,也有很多的方法探讨, 个人角度比较看好pAlGaN极化掺杂技术对于紫外光源的应用。

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  深紫外LED的高铝组分材料带来了一系列的问题,从量子阱等结构设计上改善或者提升量子效率,芯片层面提高光提取效率,出光效率,是我们很重要的一部分研究工作。

  以上这些方法,实际上不只是通过实验室研究,相信可以应用到产业化中。

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  目前也在探索把纳米技术或者说微纳技术应用到紫外LED中。

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  相信未来三到五年时间,紫外LED的电光转换效率应该会提升到超过15%,乃至达到20%以上。可以达到和汞灯相比拟的程度。要实现这个目标,不仅要材料提升,也需要包括芯片层面,比如透明电极、热管理、封装技术等各个方面技术的采用。

  总体上,紫外LED的技术研发在过去两三年之内,因为受到越来越多的关注,研发进展比较快。随着更多的人加入紫外LED的研究或者产业当中,相信未来紫外LED技术将是加速进步的状态。

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  六、深紫外LED产业化及挑战

  依托于中科院长期紫外LED研究技术的积累,我们推动成立了山西中科潞安紫外光电科技有限公司和山西中科潞安半导体技术研究院有限公司,进一步开展紫外LED的研发以及产业化的一些探索.

  2019年5月在山西长治举行了首届紫外LED长治国际会议暨长治LED产业发展峰会,峰会期间,山西中科潞安紫外光电项目投产仪式举行。(2020年会议已经在筹备中,疫情过后邀请大家参与和实地考察。)

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  目前公司主要是聚焦于深紫外LED芯片产品的研发以及产业化,已经实现了从UVA到UVC全波段紫外LED芯片产品的生产。

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  对于产业化,不仅需要解决技术研发的一些问题,同时还有很多产业化的工程性问题。

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  深紫外LED专用的MOCVD设备,对于目前深紫外LED产业化是一个首当其冲的瓶颈问题,深紫外LED产业的关键瓶颈在于外延,亟需深紫外MOCVD的支撑。

  针对这个问题,中科潞安结合自主研制的MOCVD的设备开展深紫外LED外延生长,目前取得了不错的进展。核心装备与关键工艺研发结合,未来可能会是深紫外LED产业发展的一个路径。

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  新型冠状病毒事件引发了大众对于深紫外杀菌消毒的关注和认识。后续会促进紫外LED产业的发展,面临快速发展机遇。

  目前深紫外LED应用端已经有很多同仁在做应用产品。深紫外LED在技术层面仍面临从核心材料到器件工艺的许多挑战,产业化技术的突破和进步是市场发展的根基。深紫外LED产业的发展壮大需要上下游各方的团结努力,协作共赢。

  七、联盟积极布局推动紫外LED标准化体系建设

  Q&A:现有紫外杀菌灯国标GB/T 19258-2012《紫外线杀菌灯》,但该标准只针对传统光源,请问紫外LED光源是否有相关的国内外产品标准、要求呢?

  闫建昌:这是个好问题,现有的紫外标准都是基于传统汞灯的,目前紫外LED光源迫切需要从测试到应用的一系列标准。目前从行业角度,已经依托国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)成立了紫外专委会,推动紫外标准制定的一系列工作,也期待大家一起献策献力。

  国家半导体照明工程研发及产业联盟标委会副秘书长高伟:随着技术进步、学科交叉、应用融合,不断催生新的应用领域,标准需要不断完善。与传统紫外汞灯相比,紫外LED环保无污染,应用前景广泛。

  在深紫外杀菌消毒方面,标准化面临着一系列的挑战,如紫外汞灯杀菌主要在253.7nm,而UVC LED波长主要分布在280nm,这为后续应用解决方案带来了一系列差异。

  为填补标准化空白领域,联盟标准化委员会发挥团体标准快速响应市场需求的优势,开展了对计量、标准、检测等方面的调研,积极布局标准化体系,编写了《紫外LED标准化体系报告》,启动了《紫外LED技术与应用 术语和定义》、《紫外LED杀菌消毒技术报告》,未来将逐步构建匹配UVC LED规模市场的新的标准化体系。

  2014年6月,国务院参事室和国标委领导调研CSA标准化工作时,国家标准委总工程师殷明汉表示,CSA是联盟标准化工作的“鲜活样本”;

  2015年6月,CSA获批国家标准委首批团体标准试点单位;

  2016年4月,CSA获批“中关村国家自主创新示范区标准化试点示范单位”;

  2016年10月,T/CSA 016获得2016年“中国标准创新贡献奖”二等奖,是第一个获得该奖项的团体标准;

  2017年6月,CSA获批质检总局、科技部、国标委“首批科技成果转化为技术标准试点工作”单位;

  2020年1月,CSA作为联合协作单位,与牵头单位中科院半导体所等其他9家单位共获2019年度 “国家科学技术进步奖”一等奖,此项殊荣高度肯定了CSA联盟团体标准化工作对产业发展的贡献。

编辑:严志祥

来源:中国半导体照明网、极智头条

标签:闫建昌  疫情  深紫外LED  

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