UVC:新一代消毒殺菌技術
UVC:健康光源首選
UV(Ultraviolet)是指波長在10nm-400nm 之間的電磁波,即紫外線。根據波長可把紫外線分為長波紫外線(UVA)、中波紫外線(UVB)和短波紫外線(UVC),波長分別為320-400nm、280-320nm、100-280nm。
UVC 相較于 UVA、UVB 對人體影響很小。
UVA 穿透能力強,可到達皮膚真皮層,一方面, UVA 使皮膚中的黑色素前體直接轉化為黑色素,使皮膚快速黑化;另一方面,UVA 會使皮膚中產生活性氧自由基,長期作用會給皮膚帶來較大的氧化壓力,并導致皮膚中的膠原蛋白、彈性蛋白和 DNA 損傷,從而造成皮膚老化、失去彈性、產生皺紋。UVB 主要作用于皮膚表層,UVB 會激活表皮基底層的黑色素細胞中的酪氨酸酶合成黑色素,黑色素形成后逐漸遷移到最外層,使皮膚黑化、出現紅斑、或被曬傷。總之,UVA、UVB 對人體皮膚都有損害,而 UVC 相較于 UVA、UVB 對人體傷害很低,這是因為 UVC 波長很短,穿透力很低,不能深入皮膚表皮。
UVC 殺菌消毒效果強,滅活病毒更徹底。
人們經常采用日曬的方式來消滅食物上的病菌,達到消毒、保質的作用,并根據陽光消毒的作用原理,逐漸發展了人造紫外線技術。紫外線是一種誘變劑,通過對微生物的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死,從而達到消毒的目的。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。深紫外半導體通過發出 UVC 波長的深紫外線達到殺菌消毒的效果。
相比化學殺菌消毒,紫外線的優勢是殺菌效率高,滅活一般在幾秒內完成,而且不產生其它化學污染物。在一線醫療衛生機構,它也是重要的殺菌消毒設備。由于紫外線的波長越短,頻率越高,所蘊含的能量越高,因此相較于 UVA 和 UVB,UVC 的殺菌能力更強、效果更快。
UVC 是自然界中殺菌效果最好的紫外線,但人們想直接利用太陽光中的 UVC 十分困難, 這是因為 UVC 由于波長較短,在大氣中就已經被臭氧層吸收、散射掉了,無法到達地面, 所以,人造 UVC 就變得尤為重要。
UVC 具有明顯的優勢:小型化、無毒害、使用便捷
目前用于殺菌消毒的紫外光源主要有兩種:傳統汞燈和紫外 LED。汞燈是目前紫外線消毒、固化與曝光最主流的產品,這種燈的原理很簡單,陰極射線管打出的高能電子激發汞蒸汽的原子呈激發態,激發態電子回到基態放出紫外光。紫外 LED 是利用半導體發光原理來制造 UV 波段的光源,通過利用鋁銦鎵氮材料的配比變化,可以做出各種不同波段的紫外線與可見光。
與紫外 LED 相比,傳統汞燈有一些缺點:尺寸較大;啟動時間長,無法做到即開即用;易碎,使用壽命短;劇毒,破裂后會造成汞泄漏,污染環境,嚴重危害人體健康。相比于傳統汞燈的諸多缺點,深紫外半導體具有明顯的政策優勢和技術優勢,在各種不同的殺菌消毒方式中,只有深紫外半導體同時具備節約能源、即開即用、節省空間、無毒無害、壽命長、無刺激性氣味等優異特性。因此,深紫外半導體成為了新的環保、高效紫外光源的不二之選。
UVC 工藝改進方向明晰,技術難題不斷突破
深紫外半導體的工藝與普通 LED 的工藝大體相同,但由于 UV LED 的發光材料不同,因此選取的發光材料和封裝形式會有一定區別。UVC 半導體芯片可分為襯底和外延層兩部分: 襯底通常沿用藍光 LED 芯片所采用的藍寶石襯底,外延層包括 AlN 模板層、N 型 AlGaN 層、多量子阱發光層、電子阻擋層和 P 型 GaN 接觸層。芯片工藝,通過光刻、刻蝕漏出 N 型接觸層, 通過蒸鍍以及合金,N 型、P 型與電極形成歐姆接觸,然后通過減薄、裂片, 對小芯粒進行分選,倒裝到絕緣的硅片上。
深紫外半導體由于發射的光譜波長通常小于 300nm,封裝方式的選擇會影響出光效率,而透鏡封裝和非透鏡封裝對紫外 LED 的出光影響尤其很大,所以制作工藝上對封裝有較高要求,常用的封裝形式包括覆晶封裝(FLIP FLOP)、板上芯片封裝(COB)和模組式封裝 (MODEUL)。
經過 10 多年研究和發展,280 nm 以下的深紫外半導體外量子效率已超過 5%,對應發光功 率大于 5 mW,壽命達 5 000 h。功率的提升推動應用領域的發展,但相較于技術十分成熟的藍光 LED,UVC半導體存在芯片外延生長困難、封裝材料易老化、光提取效率較低等三 個主要問題。因而后續對這些弱點的克服,推進相關技術改進是其發展的重點。
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