主題分享：深紫外UVC-LED之藍貓?zhí)詺馊?/h1>

技術分享 · 2020-02-20 19:47:51

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當前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對產業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，中國半導體照明網(wǎng)、極智頭條，在國家半導體照明工程研發(fā)及產業(yè)聯(lián)盟、第三代半導體產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產業(yè)共克時艱！ 

本期，我們邀請到湖北深紫科技有限公司帶來了“深紫外線殺滅新冠病毒劑量調研綜述與深紫外LED‘淘氣三千問’”的精彩主題分享，以下為主要內容：

一、深紫外LED產生臭氧嗎？

1. 紫外線如何產生臭氧的？

理論上，光子能量高于鍵能即可打斷化學鍵。所以波長短于243 nm的紫外線都能激發(fā)空氣或水中的氧氣產生臭氧。波長高于243 nm的UVC-LED不產生臭氧。

低壓汞燈會產生臭氧，因為蒸氣壓在1.3～13P低壓汞燈發(fā)光光譜中天然有185nm的真空紫外線。這種紫外線會激發(fā)空氣中的氧氣產生化合反應變成臭氧。這本質上是紫外線打斷了氧氣分子中的氧氧共價鍵，再和氧氣分子結合形成了O3。UVC-LED不會產生臭氧，因為氧氧共價鍵鍵能高達5.1eV，對應需要波長至少短于243nm的紫外線才能夠打斷，最終生成臭氧。

2. LED為什么不產生臭氧？

低壓汞燈通過控制蒸氣壓提高了短波紫外線的能級躍遷概率，但還會伴隨其它躍遷，以254和185nm發(fā)光為主。UVC-LED第一能級躍遷概率占主要，所以發(fā)光純粹，常見UVC-LED波長高于255 nm。 

低壓汞燈是一種氣體光源，它的激發(fā)態(tài)能級位置已經(jīng)由汞這種物質決定了。所以雖然有高壓、中壓、低壓汞燈，但蒸氣壓大小的區(qū)別主要還只是調節(jié)了不同激發(fā)態(tài)之間躍遷的概率大小，也就是不同特征峰的相對強度。所以低壓汞燈以254和185nm發(fā)光為主。UVC-LED作為一種量子阱結構的AlGaN半導體發(fā)光二極管，E0躍遷占主導，峰值波長只有一個，例如275nm，可以發(fā)現(xiàn)，深紫外LED光譜主峰的半高寬顯著低于藍光，也是因為量子阱發(fā)光比多尺寸量子點發(fā)光器件的電子躍遷更加單一。因為目前可量產的UVC-LED的發(fā)光波長還沒有低于243nm的，所以殺菌消毒用的深紫外UVC-LED，不產生臭氧。 

二、深紫外線能否分解甲醛？

紫外線分解甲醛的兩個動力學過程：一是直接被紫外線打斷光解；二是紫外線與空氣中的水作用產生OH自由基，分解甲醛。（汞燈管可以）。深紫外線可以通過打斷甲醛化學鍵直接分解甲醛等有機污染物。

深紫外線可以分解甲醛等有機污染物嗎？其實很多人都覺得應該不行，但實際上可以。O-O鍵的鍵能是5.1eV對應243nm，但有機物中必有的C-H鍵鍵能是4.31eV，對應283nm，C-O則是3.39eV對應366nm。紫外線光子能量高于鍵能就能將其打斷，就如同它破壞DNA分子鏈一個道理，所以紫外線是可以分解甲醛的。

但是我們也要注意到，甲醛的分解過程其實很復雜，它的兩個裂解過程跟波長的大小也有直接關系。不同波長下甲醛分解過程的量子產率變化。雖然不明白什么兩個峰值分別在305nm和340nm，但毫無疑問的是，紫外線自己就可以分解甲醛了。類比甲苯、TVOC，紫外線都可以分解。

三、UVC深紫外線對人體是否有傷害，怎么防護？

這是一個比較經(jīng)典的問題，UVC深紫外對人體皮膚危害不大，但對人體眼睛傷害較大。典型UVC-LED波長275 nm的紫外光幾乎97%以上會被人體皮膚角質層吸收，99.9%以上被角質層和表皮層吸收，極少一部分光會打到真皮層。紫外線只有作用到真皮層才會引起皮膚細胞癌變。所以通常認為UVC紫外線對人體皮膚影響不大。當然嬰兒皮膚，包括部分人體皮膚角質層更薄，對UVC紫外線的抵抗力也就更差。人體眼睛沒有角質層保護。UVC紫外線直射將導致晶狀體、角膜病變。因此禁止人眼直視點亮的UVC-LED燈珠。

光的波長越短穿透能力越差，這是光的波粒二象性決定的。當然具體到物質，還跟吸收有關。UVC深紫外線對人體有傷害嗎？一個最省事兒的回答是，有，不要暴露在UVC紫外線中。但其實這中間存在很大的誤區(qū)，就是UVA，例如365、385、395對人體皮膚傷害是很大的，因為這個波長紫外線能穿透到人體的真皮層，引發(fā)皮膚細胞癌變。

但UVC紫外線，例如275nm，在成人表皮中的傳播深度淺的多。在穿透角質層后，97%以上的能量都會被吸收，最終穿透到真皮層的能量連0.1%都沒有。所以，準確來講，UVC深紫外對人體皮膚危害不大，沒有角質層的人眼則危險的多。當然，再弱的光長期照射對人體也是有傷害的。

所以不盲目懼怕UVC深紫外線，因為短時間皮膚照射傷害可以忽略；也不要以身試險，盯著LED看肯定會導致眼部受傷。

四、深紫外LED應用品的光窗材質如何選擇？

客戶在方案設計時，誤以為可見光方案設計中常見的透明塑料比如亞克力，也可以用作UVC-LED的光窗，結果殺菌效果為零。這種情況屢見不鮮。借用鍵能的概念，C-H和C-O鍵在UVC和UVB紫外波段的吸收系數(shù)是很高的，所以很薄的塑料就可以吸收幾乎全部的深紫外線。普通聚苯乙烯和亞克力的吸收邊是385nm左右，在275nm處的透過率已經(jīng)等同于零了。

那應該用什么樣的材質來做深紫外LED的光窗呢？藍寶石是深紫外LED的襯底，也是芯片出光面，所以它可以作為光窗，但是材料和加工成本高。石英的種類有很多，光學玻璃中常見的三種，JGS123，建議275nm的UVC-LED可以用JGS2規(guī)格的石英，265nm甚至以下的LED，需要采用JGS1石英或者藍寶石。這同樣也適用于燈珠封裝的透鏡材料。

五、深紫外UVC-LED的有效照射距離是多遠？

深紫外UVC-LED的有效照射距離不是定值，取決于光功率、光傳播介質、“有效”的定義標準。雖然沒有定值，但可以根據(jù)應用場景已知信息去估計有效距離，距離1.22米下， 8.9×105 pfu/mL濃度MERS病毒的殺滅所需時間分別為5min。

點擊訪問：常用紫外線殺菌照射劑量情況

深紫外UVC-LED的有效照射距離有多遠？這是最經(jīng)常會被問到的一個問題，如果直接回復一個距離，就顯得有點不負責任了。一個比較可靠的回復是，根據(jù)客戶關心的指示細菌種類對應的致死劑量，結合LED燈珠的光功率、所處介質環(huán)境、和“有效”這個標準的定義，來計算出有效照射距離是多遠。 

如果為了讓客戶快速定性理解UVC-LED的照射距離，是可以考慮估算出一個值的。例如5min殺滅8.9×105 pfu/mL濃度MERS病毒的有效距離是1.22米。  

六、深紫外UVC-LED在水中的傳播距離？

純水及自來水對波長250~800 nm之間的光線均表現(xiàn)出了好的透射特性。5 mm厚度透過率均在80%以上。波長短于250 nm后，兩者光吸收率均快速增加。特別是自來水對<250 nm光吸收更加強烈。2.4cm衰減至70%；8.5cm衰減至30%；16.3cm衰減至10%。

在有效距離話題基礎上進一步延伸，就是UVC紫外線在水中的穿透距離有多遠？一切還是回到鍵能這個概念，水分子中，H-O鍵的鍵能是485kJ/mol，對應4.98eV，也就是大約249nm。所以在測試純水的透射光譜時，測出吸收邊開始下降也是在249nm左右?；谶@個數(shù)據(jù)，可以說正常的飲用水雜質比較少的自來水，對275 nmUVC-LED的吸收并不強，基于UVC殺菌原理的紫外殺菌裝置是可以殺到很遠的距離的。

最重要考慮的是，應該是光在傳播過程中的快速發(fā)散，導致遠端強度急劇下降。半球小角度封裝其實在UVA行業(yè)是很普遍的，這同樣適用于UVC封裝，小角度出光可以讓UVC傳播的更遠，非常適合類似水杯、長水箱、過流式水殺菌裝置這樣的廠家。

高的環(huán)境濕度，對UVC也沒有造成明顯的吸收，這意味著即便桑拿房里面，也可以利用UVC紫外線實時殺菌。 

七、深紫外UVC-LED的有效殺菌范圍？

談到有效殺菌范圍，也要基于劑量這個概念。不幸的是，對于一顆點發(fā)光光源，平面的被照射面強度分布是與高斯分布近似的山峰形狀，中心處和邊緣處可以有數(shù)倍的強度差異。如果客戶是嚴謹?shù)脑趩栠@個問題，我們應該進行更為準確的光學仿真，計算平面上各處的強度分布。仿真可能不足夠精確，但它為我們的方案設計提供了定性的參考。輻照面均不均勻，仿真工具可以算的比較清楚。

在定義燈珠發(fā)光角時，是用峰值強度的一半的夾角。建議我們在方案設計時也將平面上峰值強度一半的位置定義為有效范圍，同時劑量的計算也按照半高的位置進行計算。

因為LED光型是類球面的原因，距離近的地方和遠的地方，強度分布均勻性是有很大的差異。在20cm處，有效照射范圍占整個被照射面的比例更大了。

八、有沒有便捷的測試方法測試燈珠的發(fā)光角？

如何快速測試發(fā)光角呢？在實驗室環(huán)境可以借助角分布測試儀，普通環(huán)境下，就可以利用一個簡單辦法，即利用白紙對紫外線的熒光反應特點，將紙面垂直燈珠出光面并中心對齊。肉眼可見藍白色區(qū)域的角度即是出光角。如下示意圖，可以很容易看出深紫科技半球透鏡燈珠的發(fā)光角就是60°左右。

九、一定要用恒流IC驅動嗎，電阻分壓方案行不行？

LED的非線性伏安特性將放大Vf的差異，體現(xiàn)為電流的較大波動。如果堅持不用恒流方案，是否可行？可以，至少串聯(lián)一個電阻，并且這個電阻的阻值是有講究的。LED正向偏壓下的非線性整流特性會放大燈珠Vf的差異，體現(xiàn)為電流的波動。這個波動是可以通過串聯(lián)電阻來抑制的。串聯(lián)了一個電阻之后的IV曲線如下圖，它在工作區(qū)間的斜率更小了，所以同樣電壓下，它們的電流差異也更小。

十、深紫科技實戰(zhàn)工具

湖北深紫科技有限公司，芯片級深紫外LED紫外殺菌技術開拓者，專業(yè)的深紫外UVC/UVB-LED核“芯”器件供應商，自產外延、芯片及封裝，面向全球深紫外LED方案商和應用廠家，提供全球領先的深紫外LED燈珠、PCBA模組產品與服務，以卓越的科技創(chuàng)新能力打造豐富的行業(yè)解決方案，構建開放共贏的產品生態(tài)，推動產業(yè)規(guī)范建設，助力紫外殺菌各行各業(yè)實現(xiàn)LED產業(yè)化升級。從2008年起，經(jīng)歷十年研發(fā)積累，成功實現(xiàn)高性能深紫外DUV-LED量產。

早在2008年，深紫科技主要技術團隊在陳長清博士牽頭下，在華中科技大學武漢光電國家研究中心從事深紫外LED外延、芯片和封裝研究，2017年成立深紫科技，2018年五月第一款3mW深紫外LED產品SWC1S15A600上市銷售。到現(xiàn)在，已經(jīng)有了10多年的技術積累，團隊碩博人數(shù)超過10人，報道的WPE插墻效率實驗室水平達到了20.3%。現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)KK級的產能供應。

深紫外UVC-LED燈珠是深紫科技最主要的業(yè)務，目前聚焦270~280nm的UVC-LED研發(fā)生產。殺菌消毒是UVC最核心且最重要的價值，目前希望先聚焦做好一件事件，那就是量產中小光功率的275 nm UVC-LED。還有很重要的一點，深紫科技不做例如靜態(tài)水殺菌模塊這樣的組件和各類殺菌消毒應用品。公司始終堅信，練好內功被集成，是公司的價值所在。

1. 實戰(zhàn)工具：【視頻教程】深紫外UVC-LED殺菌方案深度設計

2. 實戰(zhàn)工具：表面殺菌模型

在一個消毒包場景，或者長寬高明確的場景，可以方便地根據(jù)光功率計算出底面的光功率密度，再根據(jù)病菌的致死劑量，算出多長時間需要多少顆燈珠。利用有效照射范圍的概念可以計算出來燈珠的物理分布。

總結：模型永遠不會是準確的，就像計算機無法算出未來。但我們可以一起分享數(shù)據(jù)、方法，使其變成一個科學的、可用于定性預測的工具。也歡迎行業(yè)同仁分享更多殺菌測試數(shù)據(jù)，一起修正工具，使其變得更加準確和成熟。（還有更多實戰(zhàn)工具，可以持續(xù)關注深紫科技）。

3.實戰(zhàn)工具：空氣殺菌

4.實戰(zhàn)工具：續(xù)航評估

十一、UVC深紫外線殺滅新型冠狀病毒劑量的調研綜述

致死劑量是一切紫外殺菌消毒方案仿真、推測、演算的基礎。當然工況中實測值跟理論值會有差異，理論模型也有誤差，但理論值可以提供定型參考。

本月初疫情擴散，根據(jù)國內外幾篇文獻資料，綜述了新型冠狀病毒劑量的致死劑量，TCID50初始濃度約105.8 /mL的2019-nCoV新型冠狀病毒NCP的99.99%紫外致死劑量為1445 mJ/cm2。但是通過光功率密度乘以時間計算出來的，Bolb的張劍平博士指出了一個重要的細節(jié)，那就是這個SARS的測試場景是高度1cm的水溶液，用表面的強度來計算整個溶液的照射劑量是不準確的。

輻照強度跟距離的平方呈反比，那么溶液底部和頂部的輻照強度是不一樣的，如果計算累積劑量，應該取線性平均值；LED是小平光源近似點光源，被照射面的分布也不是均勻的，但考慮到1cm范圍內波動較小，影響不大， 這里可近似平均。水溶液對UVC的吸收，前面提到純水對275nm的吸收是比較少的，病毒分散的密度也有限。先不考慮水的吸收，在對深度積分后，鄭重地將致死劑量修正為1085mJ/cm2，供各位行業(yè)同仁參考使用。

需要注意的是，“致死劑量"的實驗光源來源于低壓汞燈，其值尚難以指導UVC LED滅菌實踐。針對不同波長紫外線的致死劑量，是全行業(yè)面臨且需要解決的問題，而不是看DNA吸收譜。

最后，非常感謝國家半導體照明工程研發(fā)及產業(yè)聯(lián)盟指導中國半導體照明網(wǎng)和極智頭條組織的直播活動。深紫科技是一家年輕的公司，希望成為一個真正推動行業(yè)發(fā)展的有價值的公司，也歡迎行業(yè)同仁經(jīng)常交流互動，攜手開創(chuàng)UVC-LED新時代。2020年的新冠疫情只是長跑的開始，讓我們共同見證UVC-LED的黃金時代，加油！

問 答 環(huán) 節(jié)

問：在開發(fā)設計深紫外LED相關產品過程中如何做好防范，有哪些注意事項？

答：陳景文：如果是對自身的防護，那需要做到：1.不直視點亮的UVC-LED；2.如果一定要看也不要盯著看；3.如果一定要盯著看，請帶樹脂類眼鏡或護目鏡；4.皮膚不太需要注重防護，UVC紫外線幾乎穿透不到真皮層。但若注重皮膚膚色，還是穿上衣服。

問：目前公司有沒有批量化的產品或者應用開始面向市場供貨？

答：陳景文：深紫科技定位做深紫外LED燈珠和簡單PCBA模組，不做組件和應用品。我們只想練好內功被集成，讓更多的合作伙伴去做專業(yè)的模組方案和成品。產品已經(jīng)實現(xiàn)量產批量，參見：深紫外UVC-LED燈珠產品列表

問：UVC LED在實驗艙分解甲醛的條件能否詳細介紹下？比如艙室大小，uvc led波長，功率或照射位置，是否有循環(huán)風等條件？

答：陳景文：UVC分解甲醛，采用的是單顆12mW，波長278nm附近，1立方米實驗艙。測試標準按廣微測標準測試流程。最終8小時分解90%以上。

問：目前市面上有沒有用藍寶石當窗口的產品，或者有沒有相關的信息呢，其應用的絕大部分限制是成本問題嗎？

答：陳景文：據(jù)我了解，市面上主流出貨產品中，還沒有用藍寶石作為光窗的，但有研發(fā)品。限制因素就是成本，其它問題都是可以通過錢來解決的。

問：UV-LED紫外線的輻射效率只有3%比低壓汞燈紫外線低很多，想要達到相同單位的輻射劑量，成本也會高很多。那么從性價比上考慮，是不是現(xiàn)在UV-LED紫外線目前還不適合用在家用大空間的殺菌？

答：陳景文：是的，但凡事有例外，在對殺菌時間不敏感的場景下，用減配的LED方案來實現(xiàn)目標殺菌效果，依然是可行的。