日本企業深耕深紫外LED 技術動向揭曉

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-11-27

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只需要照射看不見的光線， led亮化工程，就能輕松殺菌的時代即將到來。除了日常生活之外，這項技術還有助于改善貧困地區等的衛生條件。日本企業正在憑借技術實力，引領拯救世界的“未來之光”。

生活就是與霉菌的戰斗。空調、加濕器、空氣凈化器、浴室、廚房——打掃只要稍有懈怠，這些地方就會發霉。如果不把小小的霉菌放在眼里，一定會吃到苦頭。不光是氣味難聞，霉菌在空調的送風口和加濕器中繁殖后，一旦散播到房間中，還有可能引發支原體肺炎等疾病。

人類能否贏得與宿敵——霉菌的戰斗呢？現在，一種可以稱之為“新一代武器”的尖端技術即將進入實用階段。

“深紫外LED（發光二極管）”能釋放出具有殺菌作用，而且肉眼看不到的光線。這種具有殺菌作用的光線，叫作深紫外線。

深紫外線是指波長較短的紫外線。在LED領域，現在開發的主要是釋放“UV-C”，即100～280nm（納米，納為10億分之1）光線的類型。陽光中也含有深紫外線，但是受到臭氧層的阻擋，基本到達不了地面。

深紫外線的威力早就得到了證實。深紫外線能直接作用于生命的基礎——DNA，從根本上掐斷細菌繁殖。旭化成UVC項目的項目主管久世直洋介紹說：“研究表明，波長為260nm的深紫外線特別容易被DNA吸收。具有消滅DNA遺傳信息的效果”。失去遺傳信息后，工程照明，細菌就不能再繼續繁殖。

在過去，汞燈是人們熟知的深紫外線發生設備。主要應用于商用殺菌和檢查用途，例如醫療器械、工廠和研究機構、食品領域等。但汞燈在其他領域，普及卻存在困難。

首先是性能受限。汞燈的工作電壓為100V以上，尺寸為幾cm～幾m。耗電量大，單是充分發光之前的預熱，就需要10～30分鐘。而且壽命僅為3000～5000個小時。這樣的尺寸、耗電量和耐久性，無法應用于家電和汽車。

最重要的問題是汞對人體有毒。2013年，日本等92個國家簽署了《關于汞的水俁公約》。強化限制汞燈的做法正在全球不斷擴大。

而深紫外LED可以輕松地在機器上安裝，廠房照明，還具有良好的安全性。工作電壓約為5～7V，尺寸只有幾mm，預熱時間為0秒。壽命長達1萬個小時以上，并且沖擊耐久性強，不使用汞。

深紫外LED打破了汞燈的諸多限制。這項新技術如果得到普及，醫院led照明，在生活的方方面面，“殺菌日常化”將會成為現實。

不只是空調、冰箱、飲水機、加濕器等家電，便攜終端、住宅設備和汽車等各個場所也都可以安裝。因為工作能耗低，家用照明，在世界上缺乏清潔飲水的貧困地區，節能與環保，應該也能起到改善生活環境的作用。用途將一舉實現擴大。有業內人士認為，深紫外LED的相關市場規模在今后的3～4年間，將會突破1000億日元。

這項技術目前還存在弱點：發光效率比汞燈差，量產技術也不成熟。不過，用來彌補這些弱點的技術正在開發。

為奪取成長市場，以通過提高發光效率、建立量產技術，實現成本化為目標，全球掀起了白熱化的技術開發競爭。一馬當先的是3家日本企業：日機裝、旭化成和德山。

深紫外LED以半導體技術為基礎。競爭的重點，在于能否以高成品率，量產高性能半導體。

諾貝爾獎技術是源泉

2014年，赤崎勇和天野浩因開發出藍色LED而榮獲諾貝爾物理學獎。大型工業泵企業日機裝從2006年起，開始在兩人的指導下開展實用化研究。在10年后的2015年3月，LED照明工程，實現了深紫外LED的量產供貨。

借助了世界半導體權威的智慧，口碑，LED天花燈，建立量產技術為什么還要這么長的時間？這是因為藍色、紅色等已經進入普及階段的各種LED與深紫外LED使用的材料不同。

一般來說，星級酒店照明燈具，LED是通過在藍寶石基板上疊加薄膜狀發光材料的方式制作。

制作藍色LED時，藍寶石基板上疊加氮化銦鎵的晶體層。制作高質量的晶體層，是實現量產和性能穩定化的重點，建筑照明，但氮化銦鎵不容易在藍寶石上結晶。

為此，人們想出了先在藍寶石上設置氮化鎵“緩沖層”，再在上面疊加氮化銦鎵層的方法。赤崎與天野正是憑借開發緩沖層技術等成就，獲得了諾貝爾獎。

日機裝也著手開發了在藍寶石基板上設置緩沖層的深紫外LED量產技術。但是，深紫外LED的發光材料與藍色LED不同， led服裝照明，采用氮化鋁鎵，而且氮化鎵具有容易吸收紫外線的性質，所以緩沖層的材料需要變更為氮化鋁。

“通過溫度管理等方面的改善，現在已經可以量產可靠的產品”（負責研發的日機裝技研UV-LED事業部長石黑永孝）。日機裝從2016年春天起，還將開始量產發光功率為50毫瓦，LED球泡燈，達到以往1.7倍的產品。今后還計劃供應適合嵌入不同設備的LED，作為第一款產品，該公司開發出了在用水設備中安裝的“水殺菌模塊”。設備中的水只需以每分鐘2～10L的速度流經模塊，就能殺滅其中99.9％的大腸桿菌等細菌。

改革基板材料

旭化成對制造方法進行了自主改進。利用2011年收購的美國Crystal IS的技術，口碑，成功將基板材料變更為了氮化鋁。久世自豪地說：“我們制作出了非常漂亮的單晶基板，而且與發光材料的兼容性良好。可以大幅減少薄膜狀發光材料的內部缺陷。”

深紫外LED的單位毫瓦價格據說為2～3美元左右。旭化成已經制定了目標，要利用基板的大口徑化技術等，使成本在2016年達到0.5～1美元，未來還要進一步降低到0.25美元。只需幾千日元即可在家電中安裝的時代即將到來。

旭化成將發揮業務領域廣泛，從醫療到住宅、家電部件均有涉獵的優勢，推動深紫外LED實現普及。力爭到2020年，使銷售額達到100億日元。

不過，氮化鋁基板也存在課題：“光提取效率差”。氮化鋁的折射率高，LED內部產生的光線，大部分會在平坦的基板表面發生反射，封閉在LED內部。

日本信息通信研究機構與德山正在著手解決這個問題。開發出了世界上輸出功率最高、超過90毫瓦的深紫外LED。首先如上圖所示，在基板的表面，制作“光子晶體結構”，也就是幾百nm大小的凹凸。然后再在上面疊加幾十nm大小的微細凹凸，形成“混合結構”，使光提取效率提高到了過去2倍左右。