2020年的鼠年春節因為新型冠狀病毒的肆虐，注定將成為全國人民最刻骨銘心的一個春節。截止3月1日，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的感染者已累計確診80000多人，累計死亡2900多人。新冠疫情讓“消毒”成為高頻詞匯，75%濃度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等消毒方式一次次被提及。

在國家衛健委發布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》中提到“病毒對紫外線和熱敏感”，紫外線殺菌消毒也因此一躍成為當前的熱點。紫外殺菌消毒在過去往往只是作為醫院等特殊場景的殺菌消毒方式，廣大消費者對紫外殺菌消毒還比較陌生。

那么，紫外線是如何殺死細菌和病毒的？紫外殺菌消毒有什么特點？有哪些注意事項？深紫外LED為何被稱為殺菌消毒神器？各國對于這一產業的布局情況如何？本文就將為讀者揭開深紫外LED的神秘面紗。

一、 紫外殺菌消毒的原理

紫外殺菌近期已經有很多文章進行了科普，這里還是重申三點：

第一，紫外線按照波長劃分，可以分為UVA長波紫外線（波長范圍315–400 nm）、UVB中波紫外線（波長范圍280 – 315 nm）、UVC短波紫外線（波長范圍200 – 280 nm）以及VUV真空紫外線（波長范圍10 – 200 nm）。其中UVA長波紫外線也經常被稱為近紫外線，UVC短波紫外線經常被稱為深紫外線。

第二，紫外線是一種誘變劑，在特定的波長范圍（主要是UVC）以及足夠高的劑量下，紫外線能夠引起細菌和病毒等微生物細胞中的DNA或RNA相鄰嘧啶分子間形成異常的化學鍵，阻礙DNA或RNA的復制，從而造成微生物細胞死亡。深紫外LED即通過發出UVC波長的深紫外線達到殺菌消毒的效果。

第三，非典時期中國疾病預防控制中心的研究人員發現，使用強度大于90uW/cm2的深紫外線照射冠狀病毒60分鐘，可以滅殺SARS病毒。新型冠狀病毒和SARS病毒類似，同屬于單股正鏈RNA病毒，因此理論上科學合理地使用紫外線可以有效滅殺新型冠狀病毒。

圖 1：紫外殺菌消毒的原理

二、 紫外殺菌消毒的特點

紫外殺菌消毒主要有以下幾個特點：

（1） 殺菌消毒效率高：美國食品藥品監督管理局衛生評估與研究中心研究表明，在特征波長254nm、輻射強度4016uW/cm2的紫外光源照射下，SARS病毒在6分鐘后滅殺率可達到99.99%。相比于加熱消毒在75攝氏度下需要45分鐘才能滅殺SARS病毒，紫外殺菌消毒的效率要高出許多。

（2） 殺菌廣譜性：由于紫外線是直接對細菌和病毒的DNA和RNA起作用，因此在目前所有的殺菌消毒方式中，紫外線殺菌消毒的廣譜性最高，對幾乎所有細菌和病毒都能高效率滅殺。

（3） 無二次污染：常用的次氯酸鈉消毒液對環境有危害，會造成水體污染，其所釋放出的游離氯有可能引起中毒。相比之下，紫外線可以致使細菌和病毒直接死亡，沒有其它化學污染物產生。但要注意盡量避免使用波長小于243nm的紫外線而產生臭氧。

三、 紫外LED的優勢

目前用于殺菌消毒的紫外光源主要有兩種：傳統汞燈和深紫外LED。相比于傳統汞燈的諸多缺點，深紫外LED具有明顯的政策優勢和技術優勢。

傳統汞燈的缺點：

（1） 外形笨重，尺寸較大，并配有高壓電。

（2） 啟動時間長，無法做到即開即用。

（3） 易碎，使用壽命短，高達90%的使用壽命消耗在頻繁的開關階段。

（4） 劇毒，破裂后會造成汞泄漏，污染環境，嚴重危害人體健康。

深紫外LED的政策優勢：全球128個國家簽署的《聯合國水俁公約》已于2017年8月在中國正式生效，條約明令各國從2020年起禁止生產及進出口各種含有汞的制品，傳統汞燈將被禁止生產和銷售。我國政府先后頒布了《中國嚴格限制的有毒化學品名錄》和《優先控制化學品名錄（第一批）》等系列政策文件，對汞的管控提出明確要求。作為傳統汞加工制造和汞污染大國，中國政府積極踐行《水俁公約》要求。雖然，用于固化和殺菌的紫外汞燈還不在今年主要管制之列，但是從長遠來看，正如在通用照明領域LED替代傳統光源是必然趨勢，作為綠色環保的新型紫外固態光源的深紫外LED，將是傳統紫外光源--汞燈的唯一替代選擇。而隨著《水俁公約》的生效以及深紫外LED自身技術不斷進步，深紫外LED將迎來其產業規模的快速增長。

深紫外LED的技術優勢：在各種不同的殺菌消毒方式中，只有深紫外LED同時具備節約能源、即開即用、節省空間、免除維護、無毒無害、壽命長、無刺激性氣味等優異特性。相比于其它殺菌消毒方式，深紫外LED具有明顯的技術優勢。

表 1：深紫外LED的技術優勢

四、 紫外LED的市場規模

綜合多家調研機構的市場分析，紫外LED器件的產值在2017年為2億美元，到2025年將達到13億美元左右，年復合成長率超過30%，其中深紫外LED為主要的成長動能。紫外LED具有體積小、設計靈活方便、無污染等特點，十分適合在白色家電中應用。根據中商產業研究院發布的《2018-2023年中國白電行業市場前景及投資機會研究報告》數據顯示，2018年我國白色家電產品銷量突破3.5億臺。若每臺產品增加紫外LED消毒功能，成本增加50元左右，據此全國即可增加175億人民幣的紫外LED消毒產品市場。

圖 2：紫外LED市場預測

五、 深紫外LED外延芯片相關企業

目前全球紫外LED外延芯片相關企業主要分布在美國、德國、日本、韓國以及中國（包括大陸和臺灣地區）。

美國：

成立于1999年，位于美國南卡羅來納州的SETi公司是世界上最早在藍寶石襯底上商業化生產深紫外LED外延芯片產品的企業，其技術主要來源于南卡羅來納大學（University of South Carolina）的Asif Khan教授研究組。SETi的獨門絕技是在藍寶石襯底上通過遷移率增強外延（Migration Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 簡稱MEMOCVD）技術生長高質量的氮化鋁外延層。SETi于2015年被韓國Seoul Viosys收購，成為首爾半導體旗下的子公司。

另外一家成立于1997年，位于美國紐約州的企業Crystal IS，則主要專注于在單晶氮化鋁襯底上制備紫外LED外延芯片，其技術來源于倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）。Crystal IS于2011年被日本旭化成（Asahi Kasei）收購，成為旭化成的全資子公司。

成立于2014年，位于美國加利福尼亞州的Bolb公司，在2018年公開報道了其獨特的“透明P型層”技術，創造了深紫外LED光電轉換效率（WPE）新的世界紀錄。

另外一家位于美國加利福尼亞州的Rayvio公司，技術來源于波士頓大學（Boston University）Theodore Moustakas教授研究組，曾經推出過幾款UVB/UVC的產品。

德國：

LED巨頭歐司朗在多年前就開始開發深紫外LED，并在2017年宣布與美國的單晶氮化鋁襯底制造商HexaTech達成戰略合作，在HexaTech的氮化鋁襯底上開發大功率深紫外LED，但目前市面上似乎還沒有見到相關的產品。

另外一家德國企業UVphotonics成立于2015年，技術來源于萊布尼茲工業技術研究所（FBH）和柏林工業大學（TU Berlin）的Michael Kneissl教授研究組，產品組合涵蓋UVB和UVC波長范圍內的單芯片和全封裝LED，尤其在UVB波段的產品有比較強的優勢。

日本：

日本的紫外LED外延芯片相關企業除了收購Crystal IS的旭化成以外，主要還有日亞（Nichia）、日機裝（Nikkiso）、Nitride Semiconductors及同和電子（DOWA）。

日亞于2019年正式發布了深紫外LED產品，主要瞄準水凈化和空氣凈化的高端市場。

日機裝于2012年通過收購UV Craftory公司進入紫外LED領域。UV Craftory成立于2006年，技術來源于2014年諾貝爾物理獎得主Akasaki教授和Amano教授，其技術特點是使用大偏轉角的藍寶石襯底。

Nitride Semiconductors成立于2000年，是日本最早開發紫外LED的先驅，其技術來源于德島大學，在高溫SiN插入層方面有自己獨特的技術。

同和電子則通過與日本理化所（RIKEN）合作，推出了多款波長涵蓋265-340nm的紫外LED芯片產品，但在今年2月20日，同和電子突然宣告將終止深紫外LED的生產。

韓國：

韓國的紫外LED外延芯片生產企業，對UV LED的布局最為深入的要數成立于1992年的首爾半導體，在2002年成立了Seoul Viosys，并于同年與日本Nitride Semiconductors達成戰略聯盟，后于2015年收購美國SETi。據稱2019年市場份額已達46%。

此外，主要還有LG Innotek、Semiconlight、Soft-Epi和Photonwave。

LG Innotek在2018年推出紫外LED品牌“InnoUV”，計劃將其應用于40種紫外LED產品中。其獨特的垂直結構深紫外LED，在350mA驅動電流下單顆芯片的光功率可以達到100mW，是量產品的最高水平。但LG Innotek計劃在2020年第二季度以前裁撤掉全部LED業務，因此其曾經風光無限的紫外LED產品出師未捷身先死，只能將好不容易打下的市場拱手讓人。

另一家韓國LED企業Semiconlight則專注于flip chip芯片的生產，其flip chip深紫外LED芯片的成本和良率比LG Innotek的垂直結構深紫外LED芯片有一定的優勢，但在性能上要略遜一籌。

Soft-Epi成立于2012年，主要專注于外延片的生產。Photonwave公司成立于2016年，主要銷售基于韓國TES公司的MOCVD平臺生產的外延片和芯片。

中國：

臺灣地區的晶電、光宏、隆達等LED生產企業都有深紫外LED相關的外延芯片產品。

大陸地區的青島杰生（2015年被圓融光電收購）是國內最早專注于全波段紫外LED產品開發的企業。

三安光電自2014年涉足紫外LED領域，目前其深紫外LED產品已累計客戶逾百余家。

成立于2017年的湖北深紫科技依托華中科技大學和武漢光電國家研究中心，成功實現高性能深紫外LED量產。

成立于2018年的中科潞安依托中科院半導體所在紫外LED方面的技術積累，實現了全波段紫外LED芯片產品的生產。

晶能光電基于獨特的硅襯底技術，推出了多個系列的近紫外UVA LED產品，主要應用于固化領域。

乾照光電與世界知名的深紫外LED公司開展戰略合作，此外還與信達光電和光莆股份共同承擔了廈門市重大科技項目“高光功率紫外固態光源研發及產業化應用”，積極推動紫外LED的產業化。

六、 新冠肺炎疫情對紫外LED產業的影響

細菌和病毒存在于人類生活的各個角落，但是只要不引起嚴重的健康問題，人們對殺菌消毒的關注并不多，甚至還有人抱持著“不干不凈，吃了沒病”的不健康的生活理念。再加之紫外線和細菌都是看不見摸不著的，消費者對于紫外線殺菌消毒的效果很難有直觀的感受。因此在此次疫情發生之前，深紫外LED的市場推廣一直面臨比較大的困難。

此次疫情極大地提高了人們對紫外殺菌消毒的認知，對深紫外LED的市場培育起到了促進作用。一旦終端消費市場被打開，必將自下而上帶動整條深紫外LED產業鏈的發展。而隨著產業鏈的共同進步，深紫外LED的性價比將不斷得到提升，從而進一步推動終端應用市場的滲透，形成一個良性循環。

目前，由于深紫外LED的性價比與傳統汞燈相比尚不具有顯著的優勢，大部分中低功率的深紫外LED主要被應用于普通消費市場的表面殺菌等場景。在對光功率要求較高的工業應用領域，目前暫時仍然是汞燈的天下。深紫外LED和汞燈在未來一段時間內將以互補的形式共同存在。但隨著深紫外LED的性價比不斷提升，相信在不久的將來深紫外LED將完成對汞燈從互補到替代，從替代到超越的華麗轉身，甚至還將開創出屬于自己的全新應用領域。

當然，任何一項強大的新技術都有其利弊，使用得當則造福人類。遇到問題，我們不可矯枉過正，更不能因噎廢食。我們能做的就是盡可能最大限度地提高正面效應，讓好的技術更好地為全人類服務。