UVC LED的專利分析與技術(shù)構(gòu)成研究

武傳龍 趙媛媛 朱 青 郄軍建 高鵬飛

（濰坊市知識產(chǎn)權(quán)保護中心，山東 濰坊 261000）

0 引言

根據(jù)波長可以將紫外線劃分為UVA長波紫外線（波長范圍為315 nm～400 nm）、UVB中波紫外線（波長范圍為280 nm～315 nm）、UVC短波紫外線（波長范圍為200 nm～280 nm）以及UVD真空紫外線（波長范圍為100 nm～200 nm）。其中，用于消毒殺菌的主要是深紫外線（UVC），波長為200 nm～280 nm。

與化學(xué)或加熱殺菌消毒相比，紫外線殺菌消毒具備以下優(yōu)勢：1） 效率更高。韓國首爾偉傲世和美國 SETi 公司采用深紫外LED成功地在30 s內(nèi)殺死99.9%的新型冠狀病毒。2） 廣譜性強?？梢愿咝蕼鐨⒔^大部分細菌和病毒。3） 無二次污染。紫外線可以使細菌和病毒直接死亡，不會產(chǎn)生其他化學(xué)污染物。目前，用于殺菌消毒的紫外光源主要有2種，傳統(tǒng)汞燈和UVC LED。與傳統(tǒng)汞燈的缺點相比，UVC LED具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，其具備節(jié)約能源、即開即用、節(jié)省空間、免除維護、無毒無害、壽命長以及無刺激性氣味等優(yōu)點。

1 專利檢索

檢索數(shù)據(jù)庫選擇IncoPat數(shù)據(jù)庫，IncoPat數(shù)據(jù)庫目前收錄了全球120個國家、組織或地區(qū)超過1.4億件的專利文獻，其數(shù)據(jù)采購自官方和商業(yè)數(shù)據(jù)提供商，集成了專利檢索、專題庫、分析和監(jiān)視預(yù)警等多個功能模塊，并且對專利著錄信息、法律、運營、同族以及引證等信息進行了深度加工及整合，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的24 h動態(tài)更新的功能。其關(guān)鍵詞包括“UVC”、“深紫外”、“短波紫外”、“LED”以及“發(fā)光二極管”等，合并同族、降噪分析后共檢索專利族2 121個。

2 專利申請態(tài)勢

2.1 申請-公開趨勢

UVC LED專利申請量和公開量的發(fā)展趨勢如圖1所示。通過趨勢可以從宏觀層面把握分析對象在各時期的專利布局變化。專利公開與專利申請相比存在一定滯后性，一般發(fā)明專利在申請后3～18個月公開，實用新型專利和外觀設(shè)計專利在申請后1～15個月公開。由圖1可知，從申請量來說，2014年以前屬于UVC LED專利申請的起步階段，累計申請量只有200多件，且申請人主要是科研機構(gòu)、高校及個人。2014—2019年屬于穩(wěn)步發(fā)展階段，越來越多的企業(yè)開始布局UVC LED市場，例如國內(nèi)的杰生電氣、鴻利光電。2019年至今屬于迅猛發(fā)展階段，尤其是2020年受疫情的影響，各大廠商開始紛紛加大布局并加速技術(shù)研發(fā)，搶占市場份額，加速專利布局，僅2020年專利申請量就有687件?？梢灶A(yù)見2021年關(guān)于UVC LED的專利申請會再創(chuàng)新高（部分2021年的專利申請未公開），其市場競爭也會更加激烈。

圖1 專利申請量和公開量的發(fā)展趨勢

2.2 專利技術(shù)生命周期

生命周期分析是專利定量分析中最常用的方法之一。通過分析專利技術(shù)所處的發(fā)展階段，推測未來技術(shù)發(fā)展方向。該文截取2011—2020年（2011年前專利申請量較少，2021年還有大量申請未公開）的數(shù)據(jù)繪制VUC LED的生命周期圖，如圖2所示。由圖2可知，VUC LED專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量隨著時間的推移呈向上發(fā)展的趨勢。尤其是2019—2020年專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量呈爆炸式增長。2011—2020年申請人的平均申請量小于1.5件，2020年702件專利的分屬于498個申請人，每人平均只有1.4件。可見UVC LED正處于技術(shù)創(chuàng)新的成長期，無論是專利申請量還是申請人數(shù)量都在穩(wěn)步增長，技術(shù)集中度降低，技術(shù)分布的范圍呈擴大化趨勢。隨著目前世界各國對UVC LED的重視與投入，技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進一步提升。

圖2 UVC LED專利技術(shù)生命周期

2.3 專利申請所屬國分布

UVC LED在各個國家或地區(qū)的專利申請數(shù)量占比排行情況如圖3所示。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，UVC LED的專利申請主要來源于中國、美國、日本和韓國。其中，中國在UVC LED領(lǐng)域的最大，其專利申請量至少占全球申請量的2/3，美國、韓國和日本的占有量均不足10%。由此可以看出，中國是UVC LED技術(shù)創(chuàng)新的最活躍來源國和重要的目標(biāo)市場。

圖3 UVC LED全球?qū)＠暾垟?shù)量占比排名

2.4 申請人排名

UVC LED領(lǐng)域按專利數(shù)量統(tǒng)計的申請人排名情況如圖4所示。由圖4可知，排名前二十的申請人除美國傳感器公司與日本的理化學(xué)研究所外，其他的均是中國企業(yè)。其中，排名第一的是青島杰生電氣，該企業(yè)進入該領(lǐng)域的時間較早，其專利申請涵蓋了UVC LED的外延、芯片、封裝和應(yīng)用等多個領(lǐng)域。排名第二～第四的則是中國的科研院所，分別是華中科技大學(xué)、華中科技大學(xué)鄂州工業(yè)技術(shù)研究院和西安電子科技大學(xué)，其研究主要集中在UVC LED前段的外延生長技術(shù)與核心芯片器件設(shè)計，排名第五的則是湖北深紫科技有限公司。從申請量來看，排名第一的青島杰生電氣只有40件專利，排名第二～第十八的申請人專利數(shù)量均在10件～20件，差距非常小，排名前二十的申請人專利申請總量只占該領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?3.9%?？梢姡€沒有申請人對UVC LED進行深入布局，也沒有形成專利壟斷，各主要申請人的技術(shù)研發(fā)水平和專利布局數(shù)量仍有較大的提升空間。

圖4 UVC LED專利申請人排名

2.5 IPC 分類分布

以IPC分類號的大組為橫軸統(tǒng)計分析了UVC LED的主要技術(shù)類別以及研究熱點，如圖5所示。由圖5可知，UVC LED分類主要集中在A61L（材料或消毒的一般方法或裝置；空氣的滅菌、消毒或除臭；）、H01L（半導(dǎo)體器件）、C02F（水、廢水或污水的處理）、F21V（照明裝置或其系統(tǒng)的功能特征或零部件）、F21Y（涉及光源的構(gòu)成或類型）、F24F（空氣調(diào)節(jié)；空氣增濕；通風(fēng)；空氣流作為屏蔽的應(yīng)用）、A61N（放射療）以及B60H（車輛客室或貨室的空氣處理設(shè)備的布置或裝置）等。從這些分類可以看出，UVC LED專利布局主要集中在下游應(yīng)用領(lǐng)域（包括殺菌消毒、空氣凈化以及水處理等），其次則是上中游的半導(dǎo)體器件領(lǐng)域（包括外延生長、芯片設(shè)計與加工以及芯片封裝等）以及中下游的照明裝置（包括燈光源、應(yīng)用電路等），涵蓋了UVC LED的整個產(chǎn)業(yè)鏈。

圖5 UVC LED技術(shù)分類分布

3 專利技術(shù)分析

3.1 UVC LED外延與芯片

UVC LED外延生長與芯片的生產(chǎn)技術(shù)壁壘高，涉及的專業(yè)技術(shù)廣，而UVC LED正處于技術(shù)創(chuàng)新的成長期，其專利申請量還比較少，國內(nèi)的科研院所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾埖念I(lǐng)先地位，包括華中科技大學(xué)、華中科技大學(xué)鄂州工業(yè)技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)以及華南師范大學(xué)等。國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)涉足外延生長、芯片制造領(lǐng)域，例如湖北深紫科技有限公司、北京中科優(yōu)唯科技有限公司等。國外申請則主要以企業(yè)為主，包括日本的丸文株式會社、美國的傳感器電子技術(shù)股份有限公司等。

目前，在公開的專利文獻中，UVC LED外延的襯底普遍采用的是在藍寶石（AlO）襯底上生長ALGAN材料，而芯片結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)的藍光LED近似，均是P、N電極在同一側(cè)的正裝結(jié)構(gòu)。理論上， 藍寶石襯底并不是理想的選擇，它與AlGaN 材料有相當(dāng)大的晶格失配和熱失配， 又存在絕緣、熱導(dǎo)率差等缺點，但它不僅對200 nm～400 nm的紫外光來說是透明的，而且價格低廉，制備工藝完善。同時，AlGaN 基UVC LED 芯片制備工藝的許多環(huán)節(jié)與GaN基藍光LED相似，因此大量專利公開技術(shù)均是基于藍寶石襯底的結(jié)果，例如JP2015216352A、CN101604716A等。但是上述結(jié)構(gòu)面臨高Al組分AlGaN的材料的外延生長困難、光轉(zhuǎn)換效率較低（內(nèi)外量子效率均低）等原因，因此目前已經(jīng)發(fā)展出一些新的技術(shù)方案，例如ALN同質(zhì)襯底緩沖技術(shù)（CN113594320A）、納米圖形襯底外延技術(shù)（CN113594320A） 、透明p型層技術(shù)（CN111599906B）以及倒裝結(jié)構(gòu)（CN212725355U）等（專利申請較少，僅處于起步階段）。

3.2 UVC LED芯片封裝技術(shù)

國內(nèi)外研究者對UVC LED 封裝技術(shù)進行了深入研究，從封裝技術(shù)角度提高了UVC LED 光效和可靠性，同時也推動了UVC LED 技術(shù)專利申請。但是，與波長較長的近紫外和藍光 LED 相比，UVC LED 封裝的專利申請也處于初步發(fā)展階段。國內(nèi)的企業(yè)所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾埖念I(lǐng)先地位，排名靠前的分別是至芯半導(dǎo)體、鴻利國澤光電以及青島杰生電氣等，但是申請量最多的至芯半導(dǎo)體也僅有十幾件，且申請都集中在2018年以后，由此可以看出深紫外 LED 封裝技術(shù)仍有許多值得研究的方向。

研究者提出了多種深紫外 LED 封裝技術(shù)，主要包括早期 TO 封裝技術(shù)、半無機封裝技術(shù)和全無機封裝技術(shù)。TO封裝由于散熱差，尺寸大等缺陷，因此庫中并沒有此種封裝技術(shù)的專利申請，其專利申請主要集中在后兩者中。半無機封裝是將UVC LED 芯片貼裝在封裝基板腔體（圍壩）內(nèi)，再利用有機粘膠將石英玻璃蓋板固定于封裝基板圍壩上，公開號CN106299087A、CN215771202U等專利均采用了該技術(shù)。半無機封裝雖然工藝簡單、成本低，但存在有機粘接層易紫外降解失效、玻璃蓋板脫落以及氣密性差等問題，因此，研究者提出了全無機封裝技術(shù)，利用全無機材料實現(xiàn)UVC LED 氣密封裝， 例如公開號CN113659054A、CN213401192U以及CN110310947B等專利技術(shù)，全無機氣密封裝技術(shù)氣密性強、可靠性高以及壽命長等優(yōu)點已然成了研究的熱點與專利申請的熱門領(lǐng)域。此外，紫外LED 封裝技術(shù)研究及專利布局主要圍繞材料選擇（主要包括出光材料、散熱基板材料和焊接鍵合材料）、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改進、光提取效率以及散熱等方面。

3.3 UVC LED應(yīng)用技術(shù)

雖然UVC LED 的研究還有很大的發(fā)展空間，但是一些UVC LED 的產(chǎn)品卻已經(jīng)在市場上出現(xiàn)，而且隨著 LED 技術(shù)的發(fā)展變得更成熟，UVC LED 的應(yīng)用領(lǐng)域也將變得越來越廣泛。國內(nèi)的企業(yè)所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾埖念I(lǐng)先地位，由于應(yīng)用相對技術(shù)門檻較低，且有傳統(tǒng)的紫外殺毒技術(shù)的借鑒，自2018年大量的申請人涌入該領(lǐng)域進行專利申請，由于前期的紫外LED存在價格昂貴、出光效率低等缺點，各申請人的專利申請量都較少，其代表企業(yè)主要有青島杰生電氣、青島衡進智能科技等。

深紫外LED的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，目前專利申請領(lǐng)域的重點有以下4個方面：1）空氣凈化，主要的專利申請領(lǐng)域是殺滅空氣中的細菌病毒的各種設(shè)備設(shè)施，例如空調(diào)、加濕器、UV光觸媒凈化器以及空氣滅菌器等。2）食品消殺，專利申請領(lǐng)域主要有食品加工、銷售以及貯藏過程中的各種殺菌消毒設(shè)備，例如冰箱、各種消毒柜等。3）水類消殺，專利申請領(lǐng)域包括殺滅水中的細菌和病毒的各種設(shè)備，例如飲水機、消毒水杯、魚缸殺菌以及消毒筆等各種消毒飲水器具。4）醫(yī)療器械，專利申請領(lǐng)域包括主要可用于血療和光治療2個領(lǐng)域的醫(yī)療器械，例如皮膚病的治療器械等。此外，也有部分申請人將UVC LED的專利申請布局在紫外光固化（CN108212713A）、紫外光通信（CN112636828A）等領(lǐng)域，但相關(guān)的專利非常少，其研究僅處于起步階段。

4 結(jié)語

我國在UVC LED方面的材料和器件上均有大量積累，隨著部分UVC LED產(chǎn)品的大力推廣，未來UVC LED會擁有巨大的市場潛力與發(fā)展前景。目前，國內(nèi)關(guān)于UVC LED的專利申請雖然數(shù)量巨多，但卻存在以下問題：1） 雖然UVC LED的深紫外LED技術(shù)取得了長足的進步，但是UVC LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問題，尚難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求，其發(fā)展的空間仍非常大。2） 中國企業(yè)持有的專利數(shù)排名靠前，在國內(nèi)布局數(shù)量多，但全球布局明顯不足。3） 專利申請技術(shù)分散且大多數(shù)都集中在應(yīng)用上，缺少高質(zhì)量的外延技術(shù)、芯片技術(shù)和封裝技術(shù)的專利核心專利。4） 專利申請人很多，但缺少行業(yè)龍頭與標(biāo)桿，各申請人的產(chǎn)品市場、市場定位等有待進一步明確。

綜上所述，筆者針對中國國內(nèi)UVC LED的發(fā)展情況提出以下5個建議：1） 加強UVC LED產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新力度。首先，從高質(zhì)量的紫外發(fā)光材料外延和摻雜工藝出發(fā)，分別從UVC LED的量子結(jié)構(gòu)與效率、芯片工藝、光提取以及可靠性與熱管理等方面改善芯片外延技術(shù)和芯片結(jié)構(gòu)。其次，從新型封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、高集成封裝工藝以及強化封裝設(shè)計等發(fā)展方向加強對深紫外波段的LED器件制作和封裝技術(shù)的研究。最后，加強對其應(yīng)用領(lǐng)域的研究，研發(fā)高效、快速、便攜且耐用的UVC LED設(shè)備。2） 加強產(chǎn)學(xué)研合作。目前我國的科研院所和大專院校在UVC LED外延、芯片及以及封裝等方面具有全鏈條的技術(shù)儲備，并擁有很多專利，同時聚集了大量的高科技人才和研發(fā)設(shè)備，具有非常強的研發(fā)技術(shù)和能力，對各學(xué)科領(lǐng)域前沿的科研情況掌握十分全面。實現(xiàn)學(xué)術(shù)、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合，共同推動UVC LED產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，實現(xiàn)多贏局面，一方面幫助企業(yè)提升了產(chǎn)品的技術(shù)含量和競爭力，另一方面幫助科研單位提高其科技成果的轉(zhuǎn)化率。3）積極開展UVC LED領(lǐng)域的專利導(dǎo)航。圍繞UVC LED的外延、芯片以及封裝等關(guān)鍵器件、材料和UVC LED多場景應(yīng)用等領(lǐng)域開展專利導(dǎo)航分析與專利信息預(yù)警分析，編制UVC LED專利導(dǎo)航報告。靈活運用導(dǎo)航報告中的各種信息，跟蹤分析所涉UVC LED行業(yè)前沿技術(shù)、國內(nèi)外主要競爭對手專利狀況、市場競爭態(tài)勢及面臨的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險，以明確企業(yè)技術(shù)研發(fā)方向，制定合理的競爭戰(zhàn)略，提高創(chuàng)新研發(fā)效率。4） 加強全球?qū)＠季?，鼓勵?chuàng)新主體引進來、走出去。首先，要根據(jù)市場的專利情況、自身的專利情況、競爭對手的專利情況以及法律法規(guī)等相關(guān)因素，經(jīng)過綜合考慮后進行合理專利布局規(guī)劃。其次，要加強核心高質(zhì)量專利的培育與布局，并圍繞該技術(shù)申請相關(guān)專利。最后，要積極走出去，增強PCT專利申請，在國際范圍內(nèi)加強UVC LED相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的專利布局。5） 企業(yè)應(yīng)加強與專業(yè)知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)機構(gòu)的合作。專利導(dǎo)航、專業(yè)預(yù)警、專利分析、專利挖掘、專利申請以及專利撰寫等工作均是復(fù)雜而專業(yè)的，其涵蓋了技術(shù)、法律以及區(qū)域政策等內(nèi)容，因此應(yīng)該讓“專業(yè)的人做專業(yè)的事”，加強與知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)機構(gòu)溝通、探討，強強聯(lián)合企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢與專業(yè)機構(gòu)的專利策略方面優(yōu)勢，實現(xiàn)有效保護核心技術(shù)的目標(biāo)。