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聚焦細分市場熱點 全球UV LED發展初探

發布時間:2019-07-26 點擊量:2528

隨著2016年的通用照明領域大洗牌,2017年各大企業的關注點開始轉移到了細分領域。據估計,2016年UVC LED殺菌與凈化應用的市場產值達2800萬美元,2021年將達2.57億美元,年復合成長率高達56%。然而,UV-CLED產品技術門檻相當高,不論在磊晶、晶片技術、封裝與市場接受程度等都面臨諸多挑戰,盡管如此,有研究報告顯示,以高科技創新為特色的深紫外LED應用廣泛,將成為全球LED研究與投資的新熱點。本文將嘗試窺探世界各地近年投入研發成果的發展脈絡。

歐美

RayVio公司

2015年,全球深紫外LED器件和消毒系統解決方案商RayVio公司宣布實現深紫外LED的光功率性能記錄。據介紹,美國RayVio科技公司 (RayVio Corporation) 是由Yitao Liao博士和Robert Walker博士于2012年創建的高科技公司。RayVio科技總部位于美國加州硅谷,致力于研發及商業量產化紫外LED和基于LED的應用模組與系統。RayVio通過使用獨特的深紫外LED外延技術,RayVio在單芯片0.15mm2發光面積內實現直流輸出深紫外波段(260至280納米)45毫瓦光功率,創造出30W/cm2連續波光功率密度的紀錄。該公司使用全新的外延方法,使其能夠提供比市場現有產品更高的光功率和更低的成本。

2016年7月,RayVio公布的深紫外UVC LED殺菌解決方案的測試結果表明,RayVio深紫外UVC LED比目前最常見的殺菌產品能夠更快、更有效地殺滅醫院和家庭環境中的細菌,可進一步消除公眾和家庭環境下的相互傳染風險。一顆RayVio深紫外UVC LED能夠在60秒內殺滅99.9999%的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、李斯特菌和沙門氏菌的細菌樣本,而利用多顆深紫外UVCLED就能夠更快地殺滅細菌或殺滅更多細菌樣本。據悉,利用RayVio深紫外UVC LED的285納米發射波長,研究人員以10毫米的距離照射細菌樣本,按照介于5秒和80秒之間的時間間隔來測量細菌數量的變化。5秒時,99.99%的細菌被殺死。60秒時,99.9999%的細菌被殺死。

RayVio的深紫外UVC LED技術在所有同類深紫外LED中具有每平方毫米最高的殺菌效力,除了小巧,還能夠快速的與其他應用產品結合,如消毒導尿管、醫生的手機和醫院的門把手等高感染風險區域。相關研究結果表明,與目前的消毒解決方案相比,深紫外UVC LED照射能夠更快、更徹底地高效殺滅細菌。醫院常常使用化學消毒劑,需要幾分鐘才能有效地殺滅細菌,如MRSA和沙門氏菌。常見的酒精洗手液需要一分鐘或更長時間才能完全生效,但效能只能達到99.99%。更長的曝露時間增加了人為誤差以及無法全面消毒的風險。盡管傳統水銀燈產生的深紫外光源能夠消毒,但它們體積過大、易損壞并且含有限制使用的有害物質水銀。

同年11月,RayVio推出了一款便攜式嬰兒用品消毒器,據稱,這款名叫Ellie的產品小巧輕便又功能強大,能在60秒內殺死99.9%的有害細菌,從奶瓶到奶嘴,從磨牙環到小玩具,都能快速消除表面細菌,且只有0.9公斤,每次充電能使用一周,可以成為一個攜帶式的消毒柜。據介紹,Ellie是全球首款采用TRUVIOLET深紫外技術的C端嬰兒用品消毒器,它采用了RayVio最新LED數字化芯片,這也是RayVio推出的第一款消費場景產品。LED芯片能發射出深紫外(UVC)波長的光線,在任何環境下進行既快捷又不產生任何化學物質的殺菌。由于深紫外LED芯片本身就對消毒最拿手,RayVio首款產品選擇嬰兒用品便攜式消毒器也就順理成章了。此外,RayVio還有意與醫療衛生健康領域的各廠商牽手,推出能消毒的水杯、凈水器等更多深紫外線LED民用產品,形成一個真正的產業生態。

美國康乃爾大學

2017年初,美國康乃爾大學的研究團隊研發出一種體積小且更環保的深紫外線LED光源,并創下目前業界deep-UV LED最低波長的紀錄。據悉, UV-C紫外光波長僅200到280奈米、能量高,可以穿透病毒、細菌、真菌和塵螨的薄膜,攻擊DNA并殲滅這些有害的有機體。研究人員采用原子級控制界面的氮化鎵(GaN)與氮化鋁(AlN)單層薄膜為反應作用區域,成功發射出波長介于232到270奈米的深紫外LED。這種232奈米的深紫外線,打破了由日本團隊創下的239奈米紀錄。

目前紫外線LED最大瓶頸就是發光效率,這可以由三個方面來衡量,分別為注入效率、內量子效率(IQE)、 出光效率。如三個方面的效率都達到50%,相乘起來只有八分之一,等于發光效率已降到12%。在深紫外線波段,這三方面的效率都很低,但研究團隊發現,利用氮化鎵取代傳統的鋁氮化鎵,可以提高內量子效率和出光效率。為了提高注入效率,研究團隊采用之前開發出的技術,在正極(電子)和負極(電洞)載體區域,采用極化感應摻雜法來實現。深紫外光的應用領域包含食物保鮮、假鈔辨別、光觸媒、水的凈化殺菌等。在成功提升深紫外LED的發光效率后,研究團隊下一步會將光源整合到裝置內,朝上市的目標邁進。

歐司朗

此外,有消息指歐司朗在UV LED領域制定了將不可見光光電產品組合擴展到UV-C波長范圍的戰略,并于2017年的2月15日,與AlN單晶基板供應商HexaTech公司簽署兩項戰略協議。這些協議包括長期供應協議和若干HexaTech的知識產權(IP)許可,其中,前者涉及作為HexaTech公司2英寸(直徑)基板開發項目的直接支持的氮化鋁(AlN)基板。據報道,此舉有助于歐司朗加速其基于HexaTech材料的UV-CLED器件開發,從而使其成為主要的高性能光電技術提供商,提供從深紫外波長到紅外波長的各種產品。

中國

圓融科技

2015年10月16日,圓融科技發布公告稱,分別以現金和換股方式收購張國華、上海久卜等9名股東持有青島杰生電氣合計85.61%股權,深紫外LED芯片成為了圓融科技收購青島杰生電氣后獨家擁有的技術。深紫外LED主要應用在四個方面:空氣,如空氣凈化、空調殺菌功能;食品,如冰箱食物保鮮等;水,包括自來水桶裝水、野外江河湖海自然水消毒后的飲用;而更誘人的方向在醫療體系。據介紹,早在2013年,全球紫外LED市場規模已達8億美元,預計整個產業鏈的放大效應在80億-100億美元之間。有分析指出,這個市場如果進一步成熟,應用也會再擴大。

2016年1月26日晚間,圓融科技發布公告稱,經過國家級認證機構“中國杭州遠方檢測校準技術有限公司”的檢測論證,其公司控股子公司青島杰生電氣有限公司研發的280納米大功率深紫外發光芯片,單顆芯片最大光輸出功率創造了新的世界紀錄。該紀錄再次奠定了圓融科技在全球固態深紫外發光芯片領域的領先地位。據悉,青島杰生電氣有限公司研發的280納米大功率深紫外發光芯片,常溫常壓和1000毫安電流連續通電條件下,其單顆芯片獲得了穩定的176.6毫瓦輸出功率,而電壓只有5.8伏。這些優異的電學特性使得該大功率芯片能夠直流通電到1安,才接近輸出功率飽和。該項單顆芯片最高輸出功率紀錄已遠遠超過了最近美國SETI 公司報道的100毫瓦、日本信息通信研究機構與德山的90毫瓦記錄。

2016年10月21日,圓融科技宣布青島杰生電氣有限公司正式推出壽命達到1萬小時的10毫瓦UVC(深紫外)LED產品,這一水平處于世界領先地位。據報道,該公司產品包括2毫瓦,5毫瓦和10毫瓦不同功率檔,30毫瓦以上大功率的產品將在后期陸續推出。圓融科技兼青島杰生董事長梁旭東曾經表示,該公司的目標是給世界提供高效耐用,高性價比,最好的深紫外UVC LED器件。相信其最新的長壽命產品的推出,將進一步推動市場應用,并承諾將緊密的與客戶合作,提供全方位解決方案?!?

2017年3月,繼去年推出壽命1萬小時10mW UVC LED產品和基于HeaChips健康芯片技術的靜態水和流動水殺菌模塊之后,青島杰生電氣有限公司再次實現技術突破,自主研發出100mW級別的UVC LED產品。該產品整體體積小,卻可發出100mW的275nm深紫外線。這將為大流量的流動水和空氣類殺菌方案設計帶來了無限想象和應用空間。據介紹,200―280nm的紫外線可以通過破壞細菌和病毒的DNA,從而阻止其繁殖,達到極佳的殺菌效果,目前被廣泛的應用于各個殺菌消毒領域。UVC LED體積小,壽命長,滅菌效率高,綠色環保,不含任何有毒物質,被認為是革命性的發明和理想的紫外線光源。然而目前市場上UVC LED都是相對較低的紫外輸出功率,極大限制了UVC LED的應用場景。

據透露,青島杰生電氣公司通過多年的積累實現了自主知識產權的HeaChips技術,覆蓋從外延片,芯片,封裝到應用設計的各個環節,產品線覆蓋了殺菌消毒用的UVC(275nm)LED,治療皮膚病用的UVB(308nm)LED和工業固化用的UVA(365nm)LED?;凇敖苌姎狻钡腍eaChips健康芯片技術革新,“杰生電氣”在外延生長技術、芯片技術和散熱技術方面實現突破,成功實現275nm UVC LED100mW輸出光功率,極大地的拓展了UVC LED的應用空間。未來公司還將會推出1000mW也就是瓦級的產品應用于大流量的水和空氣殺菌處理。

中科優唯

2015年10月 繼圓融光電高調宣布入主青島杰生之后,中科優唯完成了金額6000萬元的A輪融資。據報道,中科優唯將從深紫外氮化物外延生長MOCVD設備研發及產業化生產來切入,從根本上解決制約深紫外LED應用的瓶頸問題。中科優唯科技有限公司作為一家高科技初創公司,通過與中國科學院半導體研究所進行深入合作,專注于深紫外光電材料專用高溫設備研發及產業化,致力于成為國際一流的高溫專用設備供應商。

其時,廣闊市場前景和巨大附加值的深紫外領域被行業公認為藍海,然而生產裝備的缺失、制造工藝的復雜讓垂涎深紫外這一領域的眾多廠商望而卻步,器件價格的居高不下嚴重制約了深紫外LED市場的爆發。深紫外2mw芯片市場主流報價高居不下,是藍光芯片幾百倍,主要原因是可商用化的高溫MOCVD的缺位,僅靠目前市場上現有的小型機臺設備,很難將芯片成本降下來。因此,中科優唯表示,將從深紫外氮化物外延生長MOCVD設備研發及產業化生產來切入,從根本上解決制約深紫外LED應用的瓶頸問題。

從紫外LED光源來看,目前主要用于紫外光固化、防偽檢測、醫學光照、熒光分析、藥物研發、空氣和水凈化等領域。據法國市場研究公司Yole Développement的調研報告顯示,到2017年UV LED市場規??蛇_2.7億美元,超過整個紫外光源市場的1/3,五年內的復合年增長率可高達43%,從而形成和紫外汞蒸氣燈分庭抗禮的局面。隨著紫外LED生產成本的不斷降低,應用產品價格的不斷下降,紫外LED會有越來越多的應用方向出現,中科優唯表示,其使命就是突破國際上高Al組分高溫MOCVD設備的缺失,推動AlGaN材料和器件價格的大幅度降低,繼而實現深紫外LED產品的普及應用。

2016年6月,中科優唯宣布在深紫外UV設備和工藝方面取得突破性進展。目前紫外LED光源主要用于紫外光固化、防偽檢測、醫學光照、熒光分析、藥物研發、空氣和水凈化等領域。北京中科優唯科技有限公司是在與中國科學院半導體研究所合作基礎上于2015年2月組建的高新技術企業,專注于深紫外(300nm以下)LED的產業化。針對深紫外氮化物外延生長設備、深紫外LED的外延工藝和器件工藝,為客戶提供能夠充分發揮深紫外LED性能的材料和器件。

據悉,中科優唯研發出的專門用于深紫外LED的7片機和48片機型,生長溫度高達1400℃以上,加熱絲具有很好的壽命;生長壓力30torr到常壓連續可調;頂盤實現水冷噴淋式均勻進氣,均勻性優于1%,有限元仿真模擬熱場、流場可滿足客戶需求。其開發出的深紫外LED基礎材料AlN緩沖層的基礎工藝生長速率為1um/h時,在7片機和48片機上獲得滿足深紫外LED生長的XRD搖擺曲線半高寬,(002)最低達到30弧秒,(102)已小于500弧秒。其初步制作的280nm附近深紫外LED已實現電注入發光,發光功率大于1mw。

據介紹,從目前進展來看,我們有望實現批量設備上280nm以下深紫外LED的材料生長,并結合器件工藝實現規?;钭贤釲ED的技術突破,為深紫外LED降低成本,規模應用解決生產設備和成套工藝的技術瓶頸。未來白色家電將是使用深紫外LED消毒應用的一大新領域,電冰箱、洗衣機、空調機、空氣凈化器、飲水機等產品都有使用小型消毒器的需求,各大廠家都在尋找適合的產品,紫外LED具有體積小、設計方便、沒有污染等特點,十分適合在白色家電中應用。

2016年11月,臺灣LED廠光鋐與研晶預計共組品牌,宣布進軍殺菌UVC LED市場,雙方已開始利用新合資品牌擴大行銷,預計于2017年產生營收貢獻。另外有消息指,臺灣隆達電子、大陸地區鴻利智匯、國星光電等企業也在深紫外領域展開布局。

日本

日本立命館大學

2014年3月24日,日本立命館大學發表一份公報稱,其研究人員開發出了一種能夠以很低的成本高效制作深紫外線發光二極管(LED)的技術,有望成為聯合國限制水銀使用后被廣泛采用的深紫外線光源。過去,很多深紫外線光源采用水銀燈,但聯合國去年組織各方簽訂的《水俁公約》規定要大幅限制水銀的使用,所以有必要開發替代光源。其中,深紫外線LED就可以用來替代水銀燈,但是過去制作深紫外線LED時要用昂貴的藍寶石做基板,其高昂成本限制了普及程度。立命館大學高級研究員青柳克信等人報告說,可以利用廉價的硅酮取代藍寶石作為基板,從而能大幅削減成本。

此外,過去的工藝中為了讓電流通過,需要剝離基板上的一部分絕緣層。而新方法是在硅酮基板上附著一層氮化鋁作為絕緣體,然后在上面開出多個微孔讓電流通過。這樣做無需剝離絕緣層,大幅縮短了工序,以前需要5天的制作工作可以縮短到1天,而且避免了剝離絕緣層時對LED的損傷,發光效率也得到提高。研究小組認為,新方法可大幅削減深紫外線LED的制造成本,有望促進這種深紫外線光源的大規模生產和廣泛應用。

日機裝

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,實現了深紫外LED的量產供貨。同年10月24日,諾貝爾物理學獎得主天野浩在一次答記者問的時候提到,其正在研究波長僅為250nm~350nm左右的深紫外LED。這種LED除了殺菌用途外,預計還可應用于印刷領域。印刷領域過去使用的紫外光源的發光波長有限。因此,印刷墨水等使用的高分子材料需要配合波長來開發,既費時又費力。而LED容易調節波長,能按照高分子的特性選擇紫外LED的波長,從而可使開發變得更簡單。

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,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,在生活的方方面面,“殺菌日?;睂蔀楝F實。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。當中,一馬當先的是3家日本企業:日機裝、旭化成和德山。

德山及豐田合成

2017年2月,日本化學大廠德山與日本電氣設備大廠斯坦利電氣決定,在深紫外線LED領域擴大合作,德山維持深紫外線LED材料研發,而晶圓生產、封裝、與產品制造銷售等業務,由Stanley Electric負責。德山的深紫外線LED晶圓生產線及專利,均轉讓給Stanley Electric。

另外,日本豐田合成為了打造更新的藍光與紫外線LED,從德國大廠AIXTRON采購了新的MOCVD相關模組設備。此設備是強化過的5x4寸CRIUS Close Coupled Showerhead(CCS) 系統,可打造藍光LED以及深紫外光LED,預計在2017上半年交貨給豐田合成運用。AIXTRON新的CCS設備能更有效地幫助豐田合成的LED磊晶事業與產品,包括針對東南亞與其他區域市場的LED照明。



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