當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時艱！
本期，我們邀請到湖北深紫科技有限公司市場總監(jiān)陳景文帶來了“深紫外線殺滅新冠病毒劑量調(diào)研綜述與深紫外LED‘淘氣三千問’”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：
一、深紫外LED產(chǎn)生臭氧嗎？
1.紫外線如何產(chǎn)生臭氧的？
理論上，光子能量高于鍵能即可打斷化學(xué)鍵。所以波長短于243 nm的紫外線都能激發(fā)空氣或水中的氧氣產(chǎn)生臭氧。波長高于243 nm的UVC-LED不產(chǎn)生臭氧。
低壓汞燈會產(chǎn)生臭氧，因為蒸氣壓在1.3～13P低壓汞燈發(fā)光光譜中天然有185nm的真空紫外線。這種紫外線會激發(fā)空氣中的氧氣產(chǎn)生化合反應(yīng)變成臭氧。這本質(zhì)上是紫外線打斷了氧氣分子中的氧氧共價鍵，再和氧氣分子結(jié)合形成了O3。UVC-LED不會產(chǎn)生臭氧，因為氧氧共價鍵鍵能高達5.1eV，對應(yīng)需要波長至少短于243nm的紫外線才能夠打斷，最終生成臭氧。
2. LED為什么不產(chǎn)生臭氧？
低壓汞燈通過控制蒸氣壓提高了短波紫外線的能級躍遷概率，但還會伴隨其它躍遷，以254和185nm發(fā)光為主。UVC-LED第一能級躍遷概率占主要，所以發(fā)光純粹，常見UVC-LED波長高于255 nm。
低壓汞燈是一種氣體光源，它的激發(fā)態(tài)能級位置已經(jīng)由汞這種物質(zhì)決定了。所以雖然有高壓、中壓、低壓汞燈，但蒸氣壓大小的區(qū)別主要還只是調(diào)節(jié)了不同激發(fā)態(tài)之間躍遷的概率大小，也就是不同特征峰的相對強度。所以低壓汞燈以254和185nm發(fā)光為主。UVC-LED作為一種量子阱結(jié)構(gòu)的AlGaN半導(dǎo)體發(fā)光二極管，E0躍遷占主導(dǎo)，峰值波長只有一個，例如275nm，可以發(fā)現(xiàn)，深紫外LED光譜主峰的半高寬顯著低于藍光，也是因為量子阱發(fā)光比多尺寸量子點發(fā)光器件的電子躍遷更加單一。因為目前可量產(chǎn)的UVC-LED的發(fā)光波長還沒有低于243nm的，所以殺菌消毒用的深紫外UVC-LED，不產(chǎn)生臭氧。
二、深紫外線能否分解甲醛？
紫外線分解甲醛的兩個動力學(xué)過程：一是直接被紫外線打斷光解；二是紫外線與空氣中的水作用產(chǎn)生OH自由基，分解甲醛。（汞燈管可以）。深紫外線可以通過打斷甲醛化學(xué)鍵直接分解甲醛等有機污染物。
深紫外線可以分解甲醛等有機污染物嗎？其實很多人都覺得應(yīng)該不行，但實際上可以。O-O鍵的鍵能是5.1eV對應(yīng)243nm，但有機物中必有的C-H鍵鍵能是4.31eV，對應(yīng)283nm，C-O則是3.39eV對應(yīng)366nm。紫外線光子能量高于鍵能就能將其打斷，就如同它破壞DNA分子鏈一個道理，所以紫外線是可以分解甲醛的。
但是我們也要注意到，甲醛的分解過程其實很復(fù)雜，它的兩個裂解過程跟波長的大小也有直接關(guān)系。不同波長下甲醛分解過程的量子產(chǎn)率變化。雖然不明白什么兩個峰值分別在305nm和340nm，但毫無疑問的是，紫外線自己就可以分解甲醛了。類比甲苯、TVOC，紫外線都可以分解。
三、UVC深紫外線對人體是否有傷害，怎么防護？
這是一個比較經(jīng)典的問題，UVC深紫外對人體皮膚危害不大，但對人體眼睛傷害較大。典型UVC-LED波長275 nm的紫外光幾乎97%以上會被人體皮膚角質(zhì)層吸收，99.9%以上被角質(zhì)層和表皮層吸收，極少一部分光會打到真皮層。紫外線只有作用到真皮層才會引起皮膚細胞癌變。所以通常認為UVC紫外線對人體皮膚影響不大。當(dāng)然嬰兒皮膚，包括部分人體皮膚角質(zhì)層更薄，對UVC紫外線的抵抗力也就更差。人體眼睛沒有角質(zhì)層保護。UVC紫外線直射將導(dǎo)致晶狀體、角膜病變。因此禁止人眼直視點亮的UVC-LED燈珠。
光的波長越短穿透能力越差，這是光的波粒二象性決定的。當(dāng)然具體到物質(zhì)，還跟吸收有關(guān)。UVC深紫外線對人體有傷害嗎？一個最省事兒的回答是，有，不要暴露在UVC紫外線中。但其實這中間存在很大的誤區(qū)，就是UVA，例如365、385、395對人體皮膚傷害是很大的，因為這個波長紫外線能穿透到人體的真皮層，引發(fā)皮膚細胞癌變。
但UVC紫外線，例如275nm，在成人表皮中的傳播深度淺的多。在穿透角質(zhì)層后，97%以上的能量都會被吸收，最終穿透到真皮層的能量連0.1%都沒有。所以，準確來講，UVC深紫外對人體皮膚危害不大，沒有角質(zhì)層的人眼則危險的多。當(dāng)然，再弱的光長期照射對人體也是有傷害的。
所以不盲目懼怕UVC深紫外線，因為短時間皮膚照射傷害可以忽略；也不要以身試險，盯著LED看肯定會導(dǎo)致眼部受傷。
四、 深紫外LED應(yīng)用品的光窗材質(zhì)如何選擇？
客戶在方案設(shè)計時，誤以為可見光方案設(shè)計中常見的透明塑料比如亞克力，也可以用作UVC-LED的光窗，結(jié)果殺菌效果為零。這種情況屢見不鮮。借用鍵能的概念，C-H和C-O鍵在UVC和UVB紫外波段的吸收系數(shù)是很高的，所以很薄的塑料就可以吸收幾乎全部的深紫外線。普通聚苯乙烯和亞克力的吸收邊是385nm左右，在275nm處的透過率已經(jīng)等同于零了。
那應(yīng)該用什么樣的材質(zhì)來做深紫外LED的光窗呢？藍寶石是深紫外LED的襯底，也是芯片出光面，所以它可以作為光窗，但是材料和加工成本高。石英的種類有很多，光學(xué)玻璃中常見的三種，JGS123，建議275nm的UVC-LED可以用JGS2規(guī)格的石英，265nm甚至以下的LED，需要采用JGS1石英或者藍寶石。這同樣也適用于燈珠封裝的透鏡材料。
五、 深紫外UVC-LED的有效照射距離是多遠？
深紫外UVC-LED的有效照射距離不是定值，取決于光功率、光傳播介質(zhì)、“有效”的定義標準。雖然沒有定值，但可以根據(jù)應(yīng)用場景已知信息去估計有效距離，距離1.22米下， 8.9×105 pfu/mL濃度MERS病毒的殺滅所需時間分別為5min。
常用紫外線殺菌照射劑量情況
深紫外UVC-LED的有效照射距離有多遠？這是最經(jīng)常會被問到的一個問題，如果直接回復(fù)一個距離，就顯得有點不負責(zé)任了。一個比較可靠的回復(fù)是，根據(jù)客戶關(guān)心的指示細菌種類對應(yīng)的致死劑量，結(jié)合LED燈珠的光功率、所處介質(zhì)環(huán)境、和“有效”這個標準的定義，來計算出有效照射距離是多遠。
如果為了讓客戶快速定性理解UVC-LED的照射距離，是可以考慮估算出一個值的。例如5min殺滅8.9×105 pfu/mL濃度MERS病毒的有效距離是1.22米。
六、 深紫外UVC-LED在水中的傳播距離？
純水及自來水對波長250~800 nm之間的光線均表現(xiàn)出了好的透射特性。5 mm厚度透過率均在80%以上。波長短于250 nm后，兩者光吸收率均快速增加。特別是自來水對<250 nm光吸收更加強烈。2.4cm衰減至70%； 8.5cm衰減至30%；16.3cm衰減至10%。
在有效距離話題基礎(chǔ)上進一步延伸，就是UVC紫外線在水中的穿透距離有多遠？一切還是回到鍵能這個概念，水分子中，H-O鍵的鍵能是485kJ/mol，對應(yīng)4.98eV，也就是大約249nm。所以在測試純水的透射光譜時，測出吸收邊開始下降也是在249nm左右。基于這個數(shù)據(jù)，可以說正常的飲用水雜質(zhì)比較少的自來水，對275 nmUVC-LED的吸收并不強，基于UVC殺菌原理的紫外殺菌裝置是可以殺到很遠的距離的。
最重要考慮的是，應(yīng)該是光在傳播過程中的快速發(fā)散，導(dǎo)致遠端強度急劇下降。半球小角度封裝其實在UVA行業(yè)是很普遍的，這同樣適用于UVC封裝，小角度出光可以讓UVC傳播的更遠，非常適合類似水杯、長水箱、過流式水殺菌裝置這樣的廠家。
高的環(huán)境濕度，對UVC也沒有造成明顯的吸收，這意味著即便桑拿房里面，也可以利用UVC紫外線實時殺菌。
七、 深紫外UVC-LED的有效殺菌范圍？
談到有效殺菌范圍，也要基于劑量這個概念。不幸的是，對于一顆點發(fā)光光源，平面的被照射面強度分布是與高斯分布近似的山峰形狀，中心處和邊緣處可以有數(shù)倍的強度差異。如果客戶是嚴謹?shù)脑趩栠@個問題，我們應(yīng)該進行更為準確的光學(xué)仿真，計算平面上各處的強度分布。仿真可能不足夠精確，但它為我們的方案設(shè)計提供了定性的參考。輻照面均不均勻，仿真工具可以算的比較清楚。
在定義燈珠發(fā)光角時，是用峰值強度的一半的夾角。建議我們在方案設(shè)計時也將平面上峰值強度一半的位置定義為有效范圍，同時劑量的計算也按照半高的位置進行計算。
因為LED光型是類球面的原因，距離近的地方和遠的地方，強度分布均勻性是有很大的差異。在20cm處，有效照射范圍占整個被照射面的比例更大了。
八、 有沒有便捷的測試方法測試燈珠的發(fā)光角？
如何快速測試發(fā)光角呢？在實驗室環(huán)境可以借助角分布測試儀，普通環(huán)境下，就可以利用一個簡單辦法，即利用白紙對紫外線的熒光反應(yīng)特點，將紙面垂直燈珠出光面并中心對齊。肉眼可見藍白色區(qū)域的角度即是出光角。如下示意圖，可以很容易看出深紫科技半球透鏡燈珠的發(fā)光角就是60°左右。
九、 一定要用恒流IC驅(qū)動嗎，電阻分壓方案行不行？
LED的非線性伏安特性將放大Vf的差異，體現(xiàn)為電流的較大波動。如果堅持不用恒流方案，是否可行？可以，至少串聯(lián)一個電阻，并且這個電阻的阻值是有講究的。LED正向偏壓下的非線性整流特性會放大燈珠Vf的差異，體現(xiàn)為電流的波動。這個波動是可以通過串聯(lián)電阻來抑制的。串聯(lián)了一個電阻之后的IV曲線如下圖，它在工作區(qū)間的斜率更小了，所以同樣電壓下，它們的電流差異也更小。
十、 深紫科技實戰(zhàn)工具
湖北深紫科技有限公司，芯片級深紫外LED紫外殺菌技術(shù)開拓者，專業(yè)的深紫外UVC/UVB-LED核“芯”器件供應(yīng)商，自產(chǎn)外延、芯片及封裝，面向全球深紫外LED方案商和應(yīng)用廠家，提供全球領(lǐng)先的深紫外LED燈珠、PCBA模組產(chǎn)品與服務(wù)，以卓越的科技創(chuàng)新能力打造豐富的行業(yè)解決方案，構(gòu)建開放共贏的產(chǎn)品生態(tài)，推動產(chǎn)業(yè)規(guī)范建設(shè)，助力紫外殺菌各行各業(yè)實現(xiàn)LED產(chǎn)業(yè)化升級。從2008年起，經(jīng)歷十年研發(fā)積累，成功實現(xiàn)高性能深紫外DUV-LED量產(chǎn)。
早在2008年，深紫科技主要技術(shù)團隊在陳長清博士牽頭下，在華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心從事深紫外LED外延、芯片和封裝研究，2017年成立深紫科技，2018年五月第一款3mW深紫外LED產(chǎn)品SWC1S15A600上市銷售。到現(xiàn)在，已經(jīng)有了10多年的技術(shù)積累，團隊碩博人數(shù)超過10人，報道的WPE插墻效率實驗室水平達到了20.3%。現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)KK級的產(chǎn)能供應(yīng)。
深紫外UVC-LED燈珠是深紫科技最主要的業(yè)務(wù)，目前聚焦270~280nm的UVC-LED研發(fā)生產(chǎn)。殺菌消毒是UVC最核心且最重要的價值，目前希望先聚焦做好一件事件，那就是量產(chǎn)中小光功率的275 nm UVC-LED。還有很重要的一點，深紫科技不做例如靜態(tài)水殺菌模塊這樣的組件和各類殺菌消毒應(yīng)用品。公司始終堅信，練好內(nèi)功被集成，是公司的價值所在。
1.實戰(zhàn)工具·【視頻教程】深紫外UVC-LED殺菌方案深度設(shè)計
2. 實戰(zhàn)工具·表面殺菌模型
在一個消毒包場景，或者長寬高明確的場景，可以方便地根據(jù)光功率計算出底面的光功率密度，再根據(jù)病菌的致死劑量，算出多長時間需要多少顆燈珠。利用有效照射范圍的概念可以計算出來燈珠的物理分布。
總結(jié)：模型永遠不會是準確的，就像計算機無法算出未來。但我們可以一起分享數(shù)據(jù)、方法，使其變成一個科學(xué)的、可用于定性預(yù)測的工具。也歡迎行業(yè)同仁分享更多殺菌測試數(shù)據(jù)，一起修正工具，使其變得更加準確和成熟。（還有更多實戰(zhàn)工具，可以持續(xù)關(guān)注深紫科技）。
十一、UVC深紫外線殺滅新型冠狀病毒劑量的調(diào)研綜述
致死劑量是一切紫外殺菌消毒方案仿真、推測、演算的基礎(chǔ)。當(dāng)然工況中實測值跟理論值會有差異，理論模型也有誤差，但理論值可以提供定型參考。
本月初疫情擴散，根據(jù)國內(nèi)外幾篇文獻資料，綜述了新型冠狀病毒劑量的致死劑量，TCID50初始濃度約105.8 /mL的2019-nCoV新型冠狀病毒NCP的99.99%紫外致死劑量為1445 mJ/cm2。但是通過光功率密度乘以時間計算出來的，Bolb的張劍平博士指出了一個重要的細節(jié)，那就是這個SARS的測試場景是高度1cm的水溶液，用表面的
強度來計算整個溶液的照射劑量是不準確的。
輻照強度跟距離的平方呈反比，那么溶液底部和頂部的輻照強度是不一樣的，如果計算累積劑量，應(yīng)該取線性平均值；LED是小平光源近似點光源，被照射面的分布也不是均勻的，但考慮到1cm范圍內(nèi)波動較小，影響不大， 這里可近似平均。水溶液對UVC的吸收，前面提到純水對275nm的吸收是比較少的，病毒分散的密度也有限。先不考慮水的吸收，在對深度積分后，鄭重地將致死劑量修正為1085mJ/cm2，供各位行業(yè)同仁參考使用。
需要注意的是，“致死劑量"的實驗光源來源于低壓汞燈，其值尚難以指導(dǎo)UVC LED滅菌實踐。針對不同波長紫外線的致死劑量，是全行業(yè)面臨且需要解決的問題，而不是看DNA吸收譜。
最后，非常感謝國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟指導(dǎo)中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)和極智頭條組織的直播活動。深紫科技是一家年輕的公司，希望成為一個真正推動行業(yè)發(fā)展的有價值的公司，也歡迎行業(yè)同仁經(jīng)常交流互動，攜手開創(chuàng)UVC-LED新時代。2020年的新冠疫情只是長跑的開始，讓我們共同見證UVC-LED的黃金時代，加油！
（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
問答環(huán)節(jié)
在開發(fā)設(shè)計深紫外LED相關(guān)產(chǎn)品過程中如何做好防范，有哪些注意事項？
陳景文：如果是對自身的防護，那需要做到：1.不直視點亮的UVC-LED；2.如果一定要看也不要盯著看；3.如果一定要盯著看，請帶樹脂類眼鏡或護目鏡；4.皮膚不太需要注重防護，UVC紫外線幾乎穿透不到真皮層。但若注重皮膚膚色，還是穿上衣服。
目前公司有沒有批量化的產(chǎn)品或者應(yīng)用開始面向市場供貨？
陳景文：深紫科技定位做深紫外LED燈珠和簡單PCBA模組，不做組件和應(yīng)用品。我們只想練好內(nèi)功被集成，讓更多的合作伙伴去做專業(yè)的模組方案和成品。產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)批量，參見產(chǎn)品列表：http://www.duvtek.com/products/leds/#list
UVC LED在實驗艙分解甲醛的條件能否詳細介紹下？比如艙室大小，uvc led波長，功率或照射位置，是否有循環(huán)風(fēng)等條件？
陳景文：UVC分解甲醛，采用的是單顆12mW，波長278nm附近，1立方米實驗艙。測試標準按廣微測標準測試流程。最終8小時分解90%以上。
目前市面上有沒有用藍寶石當(dāng)窗口的產(chǎn)品，或者有沒有相關(guān)的信息呢，其應(yīng)用的絕大部分限制是成本問題嗎？
陳景文：據(jù)我了解，市面上主流出貨產(chǎn)品中，還沒有用藍寶石作為光窗的，但有研發(fā)品。限制因素就是成本，其它問題都是可以通過錢來解決的。
UV-LED紫外線的輻射效率只有3%比低壓汞燈紫外線低很多，想要達到相同單位的輻射劑量，成本也會高很多。那么從性價比上考慮，是不是現(xiàn)在UV-LED紫外線目前還不適合用在家用大空間的殺菌？
陳景文：是的，但凡事有例外，在對殺菌時間不敏感的場景下，用減配的LED方案來實現(xiàn)目標殺菌效果，依然是可行的。
注：識別二維碼關(guān)注公眾號，對話框回復(fù)關(guān)鍵詞 “219” 獲取完整會議PPT。
