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未来之光—深紫外,杀细菌于无形

来源:  发布日期:2016-09-01  点击次数:1222

导语:  新一代的尖端技术“深紫外LED(发光二极管)”能释放出具有杀菌作用,而且肉眼看不到的光线。这种具有杀菌作用的光线,叫作深紫外线。在LED领域现在开发的主要是释放“UV-C”,即100~280nm(纳米,纳为10亿分之1)光线的类型。

人类的生活就是长期与各类细菌共生与斗争的过程。如益生菌可以促进体内菌群平衡,从而让身体更健康,而有害的细菌将会引发导致诸多疾病。比如空调、加湿器、浴室、厨房等有水的地方打扫只要稍有懈怠,这些地方就会容易滋生细菌。

 

  一、未来之光“深紫外线”

 

  新一代的尖端技术“深紫外LED(发光二极管)”能释放出具有杀菌作用,而且肉眼看不到的光线。这种具有杀菌作用的光线,叫作深紫外线。在LED领域现在开发的主要是释放“UV-C”,即100~280nm(纳米,纳为10亿分之1)光线的类型。

 

  深紫外线的威力早就得到了证实。深紫外线能直接作用于生命的基础——DNA,从根本上掐断细菌繁殖。研究表明,波长为260nm的深紫外线特别容易被DNA吸收。具有消灭DNA遗传信息的效果。

二、深紫外线发展情况

 

  深紫外线的发展技术主要在美国、日本、韩国等国家。2014年,赤崎勇和天野浩因开发出蓝色LED而荣获诺贝尔物理学奖。凭借着诺贝尔技术源泉,日本目前站在了深紫外开发的最前沿。美国在深紫外的研究方面领先,具有代表性的企业是美国的SETI公司,但是近年有被日本超越的趋势,日本日机装(NIKKISO)从2015年春季开始量产发光波长为255~350nm的深紫外LED。

 

  韩国厂商首尔半导体与LG Innotek也在研发紫外LED。同时日本信息通信研究机构(NICT)宣布,新开发的波长265nm的深紫外LED,实现了输出功率高达90mW/cm2的连续发光,这一功率足以满足实用化需求。为夺取成长市场,以通过提高发光效率、建立量产技术,实现成本化为目标,全球掀起了白热化的技术开发竞争。一马当先的是3家日本企业:日机装、旭化成和德山。

紫外LED芯片发光的波长越短,技术难度就越大,在深紫外LED芯片领域我国也有以青岛杰生为代表的优秀企业。另外以鸿利智汇、国星光电为代表的中游封装公司都计划推出了各自的深紫外LED产品。

 

  三、深紫外LED发展存在问题

 

  UV-LED单个芯片面积小,便于灵活设计;但相应的是单个芯片的辐射功率也较低,在很多应用中难以满足高辐射功率密度的要求,这也是目前UV-LED在众多领域很难替代UV放电灯的重要原因之一。

3.1 提升芯片发光效率

 

  1)高质量AlN晶体层

 

  首先需要就解决的是UVC LED芯片各波段的高质量AlN模块。制作蓝色LED时,蓝宝石基板上叠加氮化铟镓的晶体层。制作高质量的晶体层,是实现量产和性能稳定化的重点,但氮化铟镓不容易在蓝宝石上结晶。

 

  为此,人们想出了先在蓝宝石上设置氮化镓“缓冲层”,再在上面叠加氮化铟镓层的方法。但是,深紫外LED的发光材料与蓝色LED不同,采用氮化铝镓,而且氮化镓具有容易吸收紫外线的性质,所以缓冲层的材料需要变更为氮化铝。随着晶体生长技术的进步,高IQE(内量子效率)的单晶AlN逐步走向成熟。

2)AlGaN掺杂技术研究

 

  首先高Al组成的n-AlGaN各项特性研究。在不同Al含量条件下,对活化能的影响、欧姆电阻的变化以及肖特特性等的研究。

其次高Al组成的P-AlGaN各项特性研究。研究表明,Al组成为70%时,AlGaN中Mg的活化能将达到320meV,因此新的掺杂技术是决定UVC LED芯片能否做到高输出功率的关键因素。

3)紫外LED出光效率提高技术

 

  AlN基板存在折射率大、光提取效率非常低的问题,因此需要提高芯片光萃取效率。因此提出AlN基板表面形成了由尺寸与波长基本相同的结构二维光

子晶体结构,光提取效率达到未做这种表面加工时的140%,加之尺寸比波长小的纳米结构组合而成的图案。光提取效率达到未做这种表面加工时的196%。

 

  3.2耐热抗紫外封装方式

 

  因为深紫外光子能量很大,如果沿用白光的封装方式,采用光学树脂对其进行封装,在长时间高能量的紫外线照射条件下,光学树脂很容易黄化,进而导致

 

  UVC LED寿命大幅度的缩短。

 

  金属玻璃气密封装玻璃陶瓷气密封装玻璃陶瓷粘结封装玻璃陶瓷粘结封装
因此目前UVC LED的封装不约而同的转向采用无机金属或者陶瓷、玻璃封装。通过采用无机材料对UVC LED进行封装避免因为有机材料导致的寿命缩短。鸿利凭借CMH技术平台,实现UVLED的全无机封装,同时提出保护气或者真空的气密性封装,为UVC LED芯片提供一个相对稳定的工作环境。为UVC LED封装提供一种耐深紫外、高性价比的封装方式。(CMH即C=ceramic 陶瓷、M=Metal 金属、H=Glass 玻璃)

Ts=75℃ IF=700mA Ta=25℃ RH<50%

 

  Ts=75℃ IF=700mA Ta=25℃ RH<50%

 

  四、结论

 

  尽管深紫外的应用市场巨大,芯片发射功率、稳定性得到了极大的提升,但是对于UVC LED的封装技术稍显落后,因此寻求一种稳定可靠的封装方式变得非常迫切。因为有机材料的限制,蓝光封装方式的思考DNA需要被打破,寻求一种无机、气密性、相对性价高的封装方式是实现UVC LED大规模推广的制约因素之一。

 

  鸿利希望借助CMH技术平台实现对UV LED进行封装,力求提升UV LED的稳定性。借助CMH平台助力UV LED SMD方式可靠封装,实现对深紫外UV LED进行保护气或真空封装,实现稳定可靠的封装,进而提高其使用寿命。同时借助CMH平台,拓展在下严酷环境下(如高湿,水下等)UV LED的应用。