深紫外LED技術(shù)應(yīng)用研究

田文玉 張秀雯 武艷玲

摘 要：現(xiàn)如今，UV LED今年已成功獲得普及，并已出現(xiàn)在UVA，UVB和UVC等各自的應(yīng)用中。然而，UVB LED的應(yīng)用范圍相對(duì)較小，UVC/UVA LED憑借其直接和間接的殺菌和凈化功能而受到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是隨著全球時(shí)尚的普及，UVC/UVA LED市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。將來(lái)，預(yù)計(jì)LED市場(chǎng)將分為兩部分：用于普通照明的可見光LED和具有先進(jìn)創(chuàng)新的深紫外LED。由于深紫外LED的發(fā)光效率和光輸出通常低于可見光LED，因此深紫外LED的發(fā)展具有重要的研究意義。

關(guān)鍵詞：深紫外LED;直接殺菌;創(chuàng)新

一、UV-C與紫外線的區(qū)別

紫外線是電磁波，波長(zhǎng)小于可見光。地球表面的大多數(shù)紫外線來(lái)自太陽(yáng)輻射。紫外線是一種有害的光，它可以被皮膚吸收和DNA損傷。當(dāng)紫外線進(jìn)入人體或機(jī)體時(shí)，機(jī)體就會(huì)發(fā)生變化。各種紫外線有不同的生理作用。根據(jù)紫外線對(duì)生物學(xué)的影響，過(guò)程中它們可分為幾個(gè)范圍。

黑斑紫外線（UV-A）介于320到400納米之間，紅斑紫外線或保健輻射（UV-B）介于280到320納米之間，殺菌紫外線（UV-C）介于200到200納米之間。它處于320納米波段。引起臭氧的紫外線（UV-D）在180-200納米范圍內(nèi)。

UV-C區(qū)域中的紫外線具有短波長(zhǎng)和高能量，可以有效殺死有害生物。這種特殊形式的紫外線可以穿透病毒，細(xì)菌，真菌和塵螨的細(xì)胞膜，攻擊并殺死DNA。

丹麥醫(yī)生尼爾斯·盧貝里·芬森（NielsLubéryFinsen）在發(fā)現(xiàn)紫外線可用于治療結(jié)核病后，于1903年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。從那時(shí)起，UV-C射線已在衛(wèi)生治療中使用了100多年。

二、UV-C技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新

當(dāng)前，大多數(shù)深紫外線燈都基于汞。它們對(duì)環(huán)境有害，體積大且效率低。由邢慧麗和Debdeep Jena領(lǐng)導(dǎo)的康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與圣母大學(xué)的研究人員在設(shè)計(jì)更小，更環(huán)保的深線照明方面取得了突破。

相關(guān)工作使用了受原子水平控制的氮化鎵（GaN）單分子膜和氮化鋁（AlN）有源區(qū)，以創(chuàng)建一種能夠發(fā)射波長(zhǎng)為232至270納米的深紫外光的LED。使用氮化鎵作為發(fā)光材料，這種232納米的深紫外線記錄了人類發(fā)出的最短波長(zhǎng)的光。之前的記錄是日本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的239nm。用于提高UV LED燈的效率。

當(dāng)前，UV LED面臨的主要挑戰(zhàn)是效率，這可以從三個(gè)方面進(jìn)行衡量：

（1）注入效率，電子通過(guò)器件進(jìn)入有源區(qū)的百分比。

（2）內(nèi)部量子效率（IQE），是有源區(qū)中所有產(chǎn)生光子或紫外線的電子的百分比。

（3）光萃取效率，即在有源區(qū)域中產(chǎn)生的光子的比率，這些光子可以從設(shè)備中提取出來(lái)，并且確實(shí)有用。

三、深紫外LED技術(shù)應(yīng)用

1.紫外線固化光源

紫外線固化技術(shù)具有320nm至400nm的波長(zhǎng)范圍，并且是引起輻射交聯(lián)反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程，該輻射交聯(lián)反應(yīng)通過(guò)將紫外線照射到有機(jī)涂層上而將低分子量物質(zhì)固化為高分子量物質(zhì)。

例如，UV粘合劑在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用為UV LED固化光源帶來(lái)了市場(chǎng)。蘋果使用紫外線粘合劑覆蓋傳感元件以保護(hù)它們免受紫外線傷害，并使用紫外線LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紫外線汞。作為固化光源，該燈由Apple提供動(dòng)力，以促進(jìn)UV LED市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。

其他被忽略的指甲市場(chǎng)在UV LED指甲固化燈方面擁有更廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用。相關(guān)調(diào)查顯示，中國(guó)人均美甲消費(fèi)量是人均美甲的10.7倍，美甲產(chǎn)品和美甲服務(wù)正在成為美容行業(yè)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)美甲店數(shù)量的迅速增加，UV LED指甲固化燈越來(lái)越受歡迎。它們具有節(jié)能，環(huán)保，安全，便攜，響應(yīng)速度快，固化時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在很大程度上取代了傳統(tǒng)的水銀燈指甲固化燈。將來(lái)，UVLED指甲光療燈在指甲行業(yè)的應(yīng)用市場(chǎng)中值得期待。

2.醫(yī)用紫外線療法

紫外線處理的波長(zhǎng)范圍是275nm-320nm。原理是光能引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，具有消炎，止痛和病的作用。它通常用于治療化膿性皮膚炎癥和其他皮炎，疼痛綜合癥。

在310?313nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外線被稱為窄帶紫外線（NBUVB），起效時(shí)間短，起效快和其他特性已成為最受歡迎的研究主題之一，尤其是使用LED作為光源的光療設(shè)備，這是當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。LED具有高效，低功耗，發(fā)熱少，壽命長(zhǎng)，環(huán)保等特點(diǎn)，因此在光療領(lǐng)域被廣泛用作高效安全的光源。

3.紫外線通訊

紫外線通信是一種以大氣散射和吸收為基礎(chǔ)的無(wú)線電通信技術(shù)。其基本原則是利用太陽(yáng)盲區(qū)頻譜作為發(fā)射信號(hào)的載體和調(diào)制平臺(tái)和加載到紫外線介質(zhì)。調(diào)頻后，高頻紫外信號(hào)通過(guò)大氣散射傳播，最后通過(guò)紫外線傳播。

通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和解碼，建立接收和跟蹤以及檢索信息的光學(xué)通信渠道。紫外線在大氣層中的影響改變了紫外線能量傳輸方向，這為紫外線的擴(kuò)散奠定了基礎(chǔ)，但由于吸收的減弱，紫外線在一定距離內(nèi)傳播。紫外線通信是一種以大氣散射和吸收為基礎(chǔ)的無(wú)線電通信技術(shù)。紫外線通信特別適用于復(fù)雜條件下的短距離保密通信。UV-LED目前用于遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸，UV-LED應(yīng)用程序目前可以形成功率增高柵格形式，這增加了UV通信傳輸距離。

4.心臟外部的LED恒定

深紫外LED常數(shù)的波長(zhǎng)范圍是200nm-280nm。殺菌的原理是達(dá)到殺菌的目的，使細(xì)菌不會(huì)通過(guò)破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)而死亡或繁殖。純物理殺菌，無(wú)毒，無(wú)殘留，無(wú)異味，非常簡(jiǎn)潔高效，因此具有廣泛的應(yīng)用范圍。由于最初的流行病對(duì)公眾的影響，人們對(duì)日常生活的健康意識(shí)不斷提高。將來(lái)，地表/空氣殺菌和凈化，水凈化和自來(lái)水殺菌將成為深紫外線LED。

5.油煙的光解和氧化凈化技術(shù)

光解氧化和煙道凈化工藝的原理是，使用185nm特殊紫外線燈切割油分子鏈，形成小的油分子。同時(shí)，特種紫外線輻射對(duì)空氣中的氧產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧，從而降低了油分子，氧化能產(chǎn)生水、二氧化碳和少量的白色粉末。同時(shí)，煙霧中所含的有機(jī)物質(zhì)因光解而氧化，并消除煙道特有的氣味，消除根源，以確保排放不受污染。

光解氧化油煙凈化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下。處理流程短，可以在通風(fēng)櫥中處理。從氧化的油煙氣中分解有害物質(zhì)，去除油煙味，進(jìn)行消毒和滅菌，無(wú)油污，無(wú)需維護(hù)，消除火災(zāi)隱患，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行成本低，無(wú)噪音，操作簡(jiǎn)單，凈化效率高，安裝簡(jiǎn)單，無(wú)生產(chǎn)，二次污染，易于管理，無(wú)需專人管理。

6.光催化空氣凈化技術(shù)

光催化劑是一種具有光電催化作用、二氧化鈦納米的光電半導(dǎo)體材料的總稱。它覆蓋著主要材料的表面，并在紫外線和可見光的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的催化分解。它可以有效地分解空氣中有害氣體和有害氣體。它可以有效地殺死各種細(xì)菌，分解和解毒細(xì)菌或真菌釋放的毒素，并發(fā)揮去除甲醛、除臭的作用，污染控制和空氣凈化。（1）空氣凈化：處理影響人類健康的甲醛、苯、氨、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物和其他有害有機(jī)物質(zhì)。（2）殺菌：對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌作用。它還可分解細(xì)菌在滅菌過(guò)程中釋放出來(lái)的有害化合物。（3）去除氣味：去除香煙、廁所、垃圾和動(dòng)物的氣味，除此之外，它還有效地防止霉菌、銹病、堿金屬硫、銹病和涂料的著色。（4）凈化：具有水凈化功能和有機(jī)有害物質(zhì)，表面超親水性，防霧，易于清洗和干燥。

7. UVLED植物照明

由于缺少紫外線光譜中的成分，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植在作物生長(zhǎng)和品質(zhì)方面存在某些缺陷。調(diào)查植物生長(zhǎng)的秘密表明，UVLED對(duì)作物生長(zhǎng)具有非常明顯的作用，例如改善植物抗性。氧化物含量，增加藥物中次生代謝產(chǎn)物的積累，促進(jìn)花葉和花瓣等有色物質(zhì)的合成和積累，節(jié)能環(huán)保，發(fā)光光源，壽命長(zhǎng)，體積小，光質(zhì)純正，發(fā)光效率高，波長(zhǎng)種類豐富， UVLED的顯著優(yōu)勢(shì)，例如容易的光譜能量組合和便捷的調(diào)制，使UVLED在植物工廠領(lǐng)域取得了突破。在國(guó)家明確致力于整合發(fā)展，減輕日益嚴(yán)重的糧食危機(jī)和其他7個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的示范，UVLED作為7個(gè)關(guān)鍵開發(fā)領(lǐng)域的“ LED節(jié)能光源”，在植物工廠領(lǐng)域至關(guān)重要而且植物照明的市場(chǎng)前景令人振奮。

結(jié)論

現(xiàn)如今深紫外線LED殺菌燈引起了公眾的關(guān)注。嗅覺敏銳的企業(yè)家爭(zhēng)相推出新的深紫外線殺菌燈，以占領(lǐng)市場(chǎng)份額。隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)的擴(kuò)展和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，UV LED的市場(chǎng)前景變得越來(lái)越廣闊。

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