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UVC半导体:新一代消毒杀菌技术,应用场景广泛
发布时间:2020-08-06 23:25 来源:互联网

UV(Ultraviolet)是指波长在 10nm 至 400nm 之间的电磁波,即紫外线。根据波长可把紫 外线分为长波紫外线(UVA)、中波紫外线(UVB)和短波紫外线(UVC),波长分别为 320~400nm、280~320nm、100~280nm。

UVC 相较于 UVA、UVB 对人体影响很小。UVA 穿透能力强,可到达皮肤真皮层,一方面, UVA 使皮肤中的黑色素前体直接转化为黑色素,使皮肤快速黑化;另一方面,UVA 会使皮 肤中产生活性氧自由基,长期作用会给皮肤带来较大的氧化压力,并导致皮肤中的胶原蛋 白、弹性蛋白和 DNA 损伤,从而造成皮肤老化、失去弹性、产生皱纹。UVB 主要作用于 皮肤表层,UVB 会激活表皮基底层的黑色素细胞中的酪氨酸酶合成黑色素,黑色素形成后 逐渐迁移到最外层,使皮肤黑化、出现红斑、或被晒伤。总之,UVA、UVB 对人体皮肤都 有损害,而 UVC 相较于 UVA、UVB 对人体伤害很低,这是因为 UVC 波长很短,穿透力很 低,不能深入皮肤表皮。

人们经常采用日晒的方式来消灭食物上的病菌,达到消毒、保质的作用,并根据阳光消毒 的作用原理,逐渐发展了人造紫外线技术。紫外线是一种诱变剂,通过对微生物的辐射损 伤和破坏核酸的功能使微生物致死,从而达到消毒的目的。在特定的波长范围(主要是 UVC) 以及足够高的剂量下,紫外线能够引起细菌和病毒等微生物细胞中的 DNA 或 RNA 相邻嘧 啶分子间形成异常的化学键,阻碍 DNA 或 RNA 的复制,从而造成微生物细胞死亡。深紫 外半导体通过发出 UVC 波长的深紫外线达到杀菌消毒的效果。

相比化学杀菌消毒,紫外线的优势是杀菌效率高,灭活一般在几秒内完成,而且不产生其 它化学污染物。在一线医疗卫生机构,它也是重要的杀菌消毒设备。由于紫外线的波长越 短,频率越高,所蕴含的能量越高,因此相较于 UVA 和 UVB,UVC 的杀菌能力更强、效 果更快。

UVC 是自然界中杀菌效果最好的紫外线,但人们想直接利用太阳光中的 UVC 十分困难, 这是因为 UVC 由于波长较短,在大气中就已经被臭氧层吸收、散射掉了,无法到达地面, 所以,人造 UVC 就变得尤为重要。

目前用于杀菌消毒的紫外光源主要有两种:传统汞灯和紫外 LED。汞灯是目前紫外线消毒、 固化与曝光最主流的产品,这种灯的原理很简单,阴极射线管打出的高能电子激发汞蒸汽 的原子呈激发态,激发态电子回到基态放出紫外光,如果外面涂上红绿蓝 RGB 的荧光粉, 就是日光灯或节能灯。紫外 LED 是利用半导体发光原理来制造 UV 波段的光源,通过利用 铝銦镓氮材料的配比变化,可以做出各种不同波段的紫外线与可见光。

与紫外 LED 相比,传统汞灯有一些缺点:尺寸较大;启动时间长,无法做到即开即用;易 碎,使用寿命短;剧毒,破裂后会造成汞泄漏,污染环境,严重危害人体健康。相比于传 统汞灯的诸多缺点,深紫外半导体具有明显的政策优势和技术优势,在各种不同的杀菌消 毒方式中,只有深紫外半导体同时具备节约能源、即开即用、节省空间、无毒无害、寿命 长、无刺激性气味等优异特性。因此,深紫外半导体成为了新的环保、高效紫外光源的不 二之选。

深紫外半导体的工艺与普通 LED 的工艺大体相同,但由于 UV-LED 的发光材料不同,因此 选取的发光材料和封装形式会有一定区别。UVC 半导体芯片可分为衬底和外延层两部分: 衬底通常沿用蓝光 LED 芯片所采用的蓝宝石衬底,外延层包括 AlN 模板层、N 型 AlGaN 层、多量子阱发光层、电子阻挡层和 P 型 GaN 接触层。芯片工艺,通过光刻、刻蚀漏出 N 型接触层, 通过蒸镀以及合金,N 型、P 型与电极形成欧姆接触,然后通过减薄、裂片, 对小芯粒进行分选,倒装到绝缘的硅片上。

深紫外半导体由于发射的光谱波长通常小于 300nm,封装方式的选择会影响出光效率,而 透镜封装和非透镜封装对紫外 LED 的出光影响尤其很大,所以制作工艺上对封装有较高要 求,常用的封装形式包括覆晶封装(FLIP FLOP)、板上芯片封装(COB)和模组式封装 (MODEUL)。

经过 10 多年研究和发展,280 nm 以下的深紫外半导体外量子效率已超过 5%,对应发光功 率大于 5 mW,寿命达 5 000 h。功率的提升推动应用领域的发展,但相较于技术十分成熟 的蓝光 LED,UVC 半导体存在芯片外延生长困难、封装材料易老化、光提取效率较低等三 个主要问题。因而后续对这些弱点的克服,推进相关技术改进是其发展的重点。

结合 UVC 半导体的使用特点与工艺流程,目前 UVC 半导体有四个努力方向:改进 UVC 半 导体外延工艺、提升杀菌效率、改善散热、降低成本。

提高UVC半导体芯片性能:目前UVC半导体芯片外延工艺主要存在缺陷位错密度高、 电子注入率低、光提取效率较低等问题。对于缺陷位错密度高的问题,解决方案为 NH3 脉冲流多层 AIN 生长技术、纳米图案蓝宝石衬底、AIN 衬底等;对于电子注入率 低,可采用硅、镁掺杂技术、梯度掺杂技术、脉冲掺杂技术等技术解决;对于光提取 效率较低的问题,可采用倒装芯片技术、透明接触层和反射层的结构优化方案。总之, UVC 半导体外延工艺的难点问题逐渐得到解决。

提升杀菌效率:理论上 265nm 紫外线杀菌效果最好,但由于越靠近短波段,难度越 大、良率越低、成本越高,不少芯片厂止步于 270~280nm 之间,转而专注提高功率, 以谋求整体杀菌效率的提升。现阶段单颗 UVC 半导体功率的提升主要依靠更大尺寸 的芯片来实现。然而,尺寸越大的芯片就越易碎,这就导致圆片的切割难度大、良率 低。对此,业内出现了一种解决办法,采用多颗小功率芯片集成实现大功率,如青岛 杰生就采用 4 颗芯片集成达到 100mW,并将成本控制在了 100 元左右。

改善散热:UVC半导体的电光转化效率极低,只有少部分电能转化为紫外光,大部分 都以热能的形式流失,这就导致 UVC 半导体芯片发热严重,影响了 UVC 半导体产品 的寿命和可靠性。由于 UV LED 电光转化效率低的根源在外延阶段,技术上又遭遇瓶 颈难以突破,因此改善散热的任务就转嫁到了下游的封装和模组。在封装材料的选择 上,业内主要采用导热系数出色的氮化铝基板和陶瓷基板,随着封装技术难点逐渐被 攻克,目前单颗 UVC 半导体封装器件的寿命和可靠性已经不成问题。

降低成本:UV LED 用在饮水机、净水器、加湿器、空气净化器等热门小家电会大幅 增加产品成本,消费者难以接受;用在空调、洗衣机这类产品价值本身足够高的家电 中,UVC 半导体的价格依然很难达到普通消费者的接受范围。这就倒逼着上游尤其是 芯片端,不断通过完善技术、提高良率、扩大产能来压缩成本。随着我国芯片技术的 不断发展和国家对于芯片产业的大力扶持,UV LED 的成本有望得到控制。

紫外 LED 市场发展迅速,2020 年 UV LED 将会真正进入高速增长期的元年。据 OFweek 数 据,2019 年全球 UV LED 市场规模预计 27 亿元,同比增长 35%,预计到 2022 年市场规 模达 65 亿元,年复合增长率高达 34.3%。其中 UVA 半导体市场规模最大,主要应用于工业 固化、美甲、验钞上;其次是 UVC 半导体,主要应用在杀菌消毒、净水上;UVB 半导体 主要应用在植物照明和光医疗,市场容量小。展望应用市场需求,除固化市场稳定成长之 外,表面/空气杀菌净化、静止水杀菌、流动水杀菌为未来主要成长动能。

UV LED 应用领域中杀菌/净化市场是未来发展最迅速、最有潜力的市场,产品应用以 UVC 为主。UV LED 应用广泛,根据 UV 波段不同而有所差别。其中,UVA 产品的典型应用为紫 外固化和 UV 喷墨打印;UVB 应用主要以光疗为主;UVC 应用相对广泛,可以广泛应用在 诸如医院,空调系统,消毒柜,水处理设备,饮水机,污水处理厂,游泳池,食品饮料加 工及包装设备上,深紫外光源最常用于消毒杀菌领域。目前 UV LED 除工业固化外主要应 用于饮用水的杀菌与净化市场,2018 年占总 UV LED 市场规模比重为 25%。

UVC 半导体下游应用广泛,市场潜力大。UVC 半导体广泛应用于空气净化、食品及物体表面杀菌、洁净水、医疗及个人护理等领域,未来在家电、公共场所卫生保护等市场潜力较 大。据 LED inside 估计,2023 年 UV LED 市场整体有望达到 9.91 亿美元,2019-2024 年全 球 UV LED 市场规模年复合增长率高达 27%,其中 UVC 半导体产品年复合增长率预计达到 60%。来自消费终端的市场信息反馈,随着消费者对紫外杀菌消毒产品的理解不断加深, 消费者需求也正催生出更多 UVC 半导体的应用场景,比如母婴消毒器、电梯扶手杀菌机、 空气净化器、扫地机器人等。未来 UVC 半导体市场将具备超大的增长潜力,OFweek 预计 2022 年 UVC 半导体将占据 UV LED 的 70%市场份额。

2020 年 2 月 5 日国家卫生健康委员会发布了《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第 五版)》,方案中指出新型冠状病毒对紫外线和热敏感,56 摄氏度 30 分钟、75 度乙醇等均 可有效灭活病毒。

疫情催生较大的消毒市场,紫外线消毒灯在环境空气消毒、饮用水及污水消毒、衣物和餐 具表面消毒等领域被广泛使用。疫情爆发带动市场对紫外线灭菌灯的需求,此次疫情使得 消费者对于紫外杀菌消毒的认知得到普及和重视,为 UVC 半导体提供了一个良好的发展机 遇。

疫情使得人们更加重视健康,并随着厂商对紫外灯的不断改进,使之更加贴近生活,紫外 灯有望作为健康产品进入人们的生活,从而带来持续的需求。

多项研究表明 UVC 半导体可有效杀灭冠状病毒。德国 UV 技术开发商好乐集团近期宣布已 证明短波 UVC 照射能够有效灭活新型冠状病毒,研究结果表明,其 UV 单元能够在数秒内 杀死冠状病毒,杀菌率达 99.99%;5 月 27 日,宫崎大学宣布,联合实验表明日机装的短波 UVC 半导体灯可有效抑制新型冠状病毒的传染力并将其杀灭,可将新型冠状病毒的传染力 降低 99.9%以上;哥伦比亚大学研究表明远 UVC 光能够杀死空气飞沫传播的季节性冠状病 毒,灭活率达 99.9%。

米兰大学、IRCCS 基金会和意大利国家天体物理研究所于 2020 年 6 月 5 日通过全球顶尖 医学论文预印本网站 medrxiv 公开发表一项最新的研究成果:UVC 紫外光可有效抑制新型 冠状病毒。研究人员采用不同功率的 UVC 紫外光源对新冠病毒进行照射,实验结果表明, 在较低的感染复合指数 MOI=0.05 的情况下,紫外辐射剂量达到 4mJ/c m就可以杀死新冠 病毒。即使是在极端情况下,感染复合指数高达 MOI=1000 的新冠病毒,紫外辐射剂量达 到 16.9 mJ / c m的就能有效抑制新型冠状病毒。根据这份研究报告,以最保守的计算:采 用 30W 的 UVC 紫外光源,35s 就可以杀死新冠病毒。

多家公司已推出 UVC 半导体杀菌产品。瑞丰光电子公司紫光推出 Magical Partner 杀菌盒, 经第三方权威机构检测,对杀灭冠状病毒有效;三安光电、科沃斯商用机器人和纳泽光电 携手推出一款面向 B 端市场的新式移动消杀机器人;昕诺飞正增加其 UVC 紫外线产品的 产能并进一步拓展 UVC 紫外线产品组合,新推出的 UVC 紫外线产品系列包括应用于专业 市场的各类消毒灯具和消毒柜。

水俣公约正式实施,UV-C 对汞灯替代加速。联合国在 2013 年通过的《水俣公约》已于 2017 年正式生效,近 140 个缔约国被要求自今年(2020)起,不能再生产及进出口含汞 的产品。作为传统汞加工制造和汞污染大国,中国政府积极践行《水俣公约》要求,我国 政府先后颁布了《中国严格限制的有毒化学品名录》和《优先控制化学品名录(第一批)》 等系列政策文件,对汞的管控提出明确要求。

汞灯或俗称水银灯是目前紫外线消毒、固化与曝光最主流的产品,甚至日光灯管与节能灯 也是汞灯最大的应用之一,相较于汞灯,LED 灯的使用寿命通常能超过 20000 小时,是传 统汞灯的 10 倍以上,且启动速率快,体积小,能够配合不同应用需求设计,相较于汞灯 灯管具有更高的应用弹性。更重要的是,UV LED 不会造成环境污染,消耗的能量也低, 比汞灯更为环保安全。长期来看,UV LED 作为紫外光源将成为未来的市场主流,实现对 汞灯的替代。

国内外 LED 厂商积极布局 UVC 半导体产业,UVC 半导体产品已量产。近年 LED 产业竞争 增加,LED 厂商积极拓展新产品市场,高毛利率的 UVC 半导体就是其中一个方向,包含 Nichia、OSRAM OS、UVphotonics、Violumas 等日韩厂商都积极朝向高功率 UVC 半导体 应用发展,进入流动水模块市场。

从中国台湾 LED 厂布局来看,晶电推出 275~285nm UVC 半导体产品,隆达开发搭载光学透镜 封装形式的 UVC 半导体,可应用于日常杀菌消毒使用。晶电和隆达 UVC 半导体产品目前 都已经量产出货。其他包括佰鸿、光鋐也都开发了 UVC 半导体产品,正在跟客户接洽中。 亿光推出可搭配提供不同功率的 UVC 半导体模块,用于 UV 净水器,另外还有 UVC 半导 体灭菌灯、灭菌手电筒。此外,光宝科推出 270~280nm UVC 半导体产品,可以在多个 领域得到应用。

2018 年排名第一的紫外线 LED 厂商为 Nitride Semiconductors。我国则以圆融科技为行业 龙头,2018 年圆融科技位于世界第五位。目前市场上高端的深紫外半导体产品仍主要以日 本、韩国厂商为主,不过越来越多的国内半导体公司开始关注深紫外行业,进行了深度布 局。

UVC 半导体下游应用广泛,从应用场景来看,UVC 半导体的应用方向可以分为表面杀菌、 空气杀菌、静止水杀菌和流动水杀菌。

从时间维度来看,UVC 半导体应用方向可以分为短期市场和中长期市场。短期市场包括家 用空调、加湿器、空气净化器、智能垃圾通、电动牙刷杀菌盒、饮水机、制冰机、智能马 桶及食物保鲜等;中长期市场包括商用空调、立式空调、母婴用品杀菌消毒、过流式直饮 水的杀菌等。

2B2C 应用:自我国推行产业升级政策以来,消费升级概念深入人心,产品智能化 及健康概念产品越来越受到消费者的追捧。加之新冠肺炎疫情推动,B 端及 C 端用户 杀菌防毒意识提升,居民对自身健康更加关注,母婴杀菌用品、除菌冰箱、杀菌洗衣 机,杀菌空调、除菌马桶等与健康高度相关的产品受到消费者更多的青睐,有望推动 UVC 半导体 2B2C 应用加速发展。

2G 应用:受疫情推动,公共场所杀菌消毒需求大幅增加,由于公共场所空间相对封 闭,比如高铁站、地铁站、机场等,人群聚集、空气欠流通,病毒感染的风险较高, 消毒杀菌在防控疫情的工作中显得尤为重要。UVC 半导体凭借安全、环保、小巧、高 效、低耗等性能以及无化学残留的特性,在公共场所杀菌消毒可以发挥重要的作用, 在未来会得到越来越多的应用。

受新冠疫情影响,家电品牌加强杀菌防疫商品。目前市场每年成长双位数的扫地机器人, 品牌厂有意将 UVC LED 纳入规格,对集尘盒再杀菌,冷气机、空气清净机也有意导入,未 来有望成为家电标准配备,法人透露,欧美及中国大陆一线大厂找上 LED 厂隆达供应,强 攻杀菌商机。

目前,很多白色家电搭配能杀菌、除臭的 UVA 半导体,但新冠肺炎疫情爆发后,能在短时 间内透过辐射破坏微生物机体(包括细菌、病毒及芽孢等病原体)的 UVC 半导体受到家电 品牌厂商高度重视。

5 月,首尔伟傲世宣布其用于清洁洗衣的 Violeds UVC 半导体 产品已批量生产,并且已供 应家用电器制造商海信和海尔,用于洗衣机内外筒之间杀菌和除臭问题,同时也对洗衣机 用水进行杀菌。近日,该公司再宣布与另一个中国家用电器品牌格力达成合作。格力将推 出采用 Violeds UV LED 技术的新空调产品系列 Fresh Air。

国内家电市场规模庞大,智能家电市场规模逐年上升。根据中国电子信息产业发展研究院 发布的《2019 年中国家电市场报告》显示,2019 年中国家电市场零售额规模达到 8910 亿元。同时,国内智能家电规模逐年上升,根据前瞻产业研究院的数据,2018 年我国智 能家电市场零售额达到 3492 亿元,预计到 2024 年,中国智能家电市场规模将突破 7000 亿元,2018-2024 年复合增长率达 13%。相比普通家电,UVC 半导体在智能家电的应用将 会更快、更广,家电标配有望成为趋势。

我国拥有完整的 UVC 半导体产业链,与传统的 LED 产业链相类似,UVC 半导体产业链主 要可分为芯片、封装、下游灯具应用等领域。相较传统 LED,UVC 半导体对技术的要求更 高,行业门槛有所提高。UVC 半导体采用高频率的深紫外光源,对芯片、封装技术和材料 性能提出更高要求。其中芯片技术是目前深紫外半导体产品的主要瓶颈与核心竞争力,能 够实现自制生产设备的企业不多,行业领先的大厂和紫外 LED 细分领域的龙头企业投资不 断加码。

在 UVC 半导体上游芯片制造方面,国内有晶能光电、三安光电、圆融科技、中科潞安等公 司。新冠肺炎疫情促使企业积极投入生产和建设生产线、优化工艺流程,从而加快 UVC 半导体新产品上市,抓住市场机遇。

在 UVC 半导体中游,封装公司开始加快布局。国内主要有 BYTECH、国星光电、旭宇光电 等公司,与芯片制造相比,封装的技术壁垒相对较低。国内有很多封装公司,规模相对较 小,主要分布在长三角和珠三角地区,通过优化公司治理结构、改善资本营运能力、增加 资本投入,以及和跨境合作加速发展和布局 UVC 半导体产品。

细分龙头深紫外芯片技术不断突破。圆融科技子公司青岛杰生从 2008 年开始一直深 耕深紫外半导体市场,目前可以实现深紫外半导体芯片量产销售,并自主进行深紫外 封装、模组产品生产销售,布局了整个深紫外芯片-封装-模组产品链。

传统 LED 龙头厂商加快布局。传统照明 LED 芯片巨头三安光电和初创公司武汉深紫 也于 2019 年实现了深紫外半导体芯片量产,其中三安光电是以销售深紫外半导体芯 片为主,处于整个行业产品链的上游;而武汉深紫则主要基于自己研发的芯片制作深 紫外半导体封装及模组产品,但对外不提供核心深紫外半导体芯片。此外,国内正在 研发深紫外半导体芯片的公司还有中科潞安、华灿光电、鸿利秉一(主营封装,芯片 采购自 LG)等白光 LED 行业巨头。

在 UV LED 下游方面,可以细分为 UVA 半导体固化、UVB 半导体光疗和 UVC 半导体杀菌 消毒三个应用方面。

UVA 半导体固化:主要应用于印刷和木材涂料领域,波长以 UVA 为主,同时与 UVB、 UVC 波段配合使用,国内 UVA 半导体固化光源设备公司主要有蓝盾机电、蓝谱里克、 润沃机电、云硕灯业、UV LED TEK、永成股份等公司。

UVB 半导体紫外光疗:主要应用于美容和家用仪器,国内 UVB 半导体厂商主要有 SIGMA、科诺、半岛家用、润昌联合等公司。

UVC 半导体杀菌消毒:新冠肺炎疫情加速了 UVC 半导体杀菌消毒产品的应用进程。 国内 UVC 半导体应用公司主要是:深紫科技、慧亿科技、光莆股份、sunuv、奥普、 科沃斯、开能等公司。

疫情推动 UVC 半导体产业链加速发展,产业链在芯片、模块、品牌等方面迎来新机遇。以全球冰箱、洗衣机、家用空调、UVC 小家电为例进行测算,按照行业规模逐步提升、杀 菌模块单价逐步下降的趋势,预计从 2020 年到 2024 年,UVC 杀菌模块在洗衣机、冰箱、 家用空调、UVC 小家电上的市场规模将分别从 1.74 亿元、1.85 亿元、1.94 亿元、15 亿元 上升到 85.38 亿元、89.27 亿元、97.36 亿元 35 亿元,预计到 2024 年 UVC 杀菌模块在汽 车方面的市场规模达 134.59 亿元。

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