UVCLED新应用层出不穷,背后的技术原理有哪些?

UVLED风向标 · 2020-08-13

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UVC LED新应用层出不穷,背后的技术原理有哪些?

受疫情的推动,UV LED产业发展加速,尤其是拥有消杀功能的UVC LED,在较短的时间内实现了市场教育。越来越多的企业布局相关产业,UVC LED的应用领域也越来越广泛。较常见的应用在于表面,空气及水的杀菌消毒,主流的下游应用包括:

图1:UVC LED主流应用

内容引用自行家说【UV LED 产业发展白皮书】

近来,UVC LED市场推出了一个又一个新奇的应用:将UVC 嵌入到口罩及面罩中,过滤空气中的灰尘、病原体及致敏原等污染物;UV LED嵌入无人机,应用于公共交通;照射UVC LED即可在30秒内杀灭病毒的手套;苹果申请AI环境感应芯片专利,搭载UVC LED分解有机污染物以增加检测的准确性;取代传统LED,深紫外应用于无线光通信LiFi传输等。

图2:将UVC 嵌入到口罩

图3:将UVC 嵌入到面罩

图4:UV LED嵌入无人机,应用于公共交通

图5:照射UVC LED即可在30秒内杀灭病毒的手套

图6:取代传统LED,深紫外应用于无线光通信LiFi传输

应用领域如此广泛, UVC LED的原理到底是怎样的,拥有的特性又有哪些呢?

UVC LED发光及消杀原理

利用半导体发光原理制造UVC波段的光源,氮化铝、氮化镓或铟镓氮等三五族半导体材料的禁带宽度落在蓝光到紫外光波段之间,它们的电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量释放出去,通过改变材料配比,可以释放出不同波段的紫外线和可见光。

图7:不同铝铟镓氮材料配比与禁带宽度、发射波长关系

内容引用自行家说【UV LED 产业发展白皮书】

根据光量子论,波长越短,能量越强,对生物的破坏性越大。短波紫外光甚至具备超强的破坏力,能斩断多数化合物的化学链结,还能破坏细胞的RNA与DNA,使其立即死亡或失去繁殖能力。

UVC LED相关技术原理

1. 芯片:UVC芯片以倒装芯片为目前主流,但还不一定是最优结构。垂直芯片也有其独特优势,如电流扩展更好,吸光少,散热好等。但因材料主要是AlN,要将其与蓝宝石衬底剥离,需要波长短、能量大的准分子激光器才能做到,但这又会对外延材料造成严重损伤。故截止目前仍然只有LGIT能够做到垂直结构UVC LED的量产。如果能找到既经济又简单的剥离方法,那么垂直结构有机会成为UVC LED大功率主流。

2. 封装:主要考虑UVC LED的散热和出光。在材料方面,经过多年的发展,目前市面上UVC LED基本以倒装芯片搭配高导热氮化铝基板的方案为主。固晶方式有银浆、锡膏、金锡共晶焊,其中共晶方式主要通过助焊剂进行焊接,相对能有效提升芯片与基板的结合强度,导热率,更为可靠,有利于UVC LED的品质管控。

3. 寿命:UVC LED长时间工作会光衰引起老化,尤其对大功率UVC LED来说,光衰问题更加严重。在衡量UVC LED的寿命时,仅仅以灯的损坏作为UVC LED寿命的终点是远远不够的,应该以UVC LED的光衰减百分比来规定LED的寿命。目前从产业主流水平看,在UVC LED应用中,消费类产品L70(1000H)、家电类产品达L50(10000H)较佳。

4. 发光效率:一般指UVC LED的外部量子效率(EQE),是器件内部量子效率与取出效率的乘积。内部量子效率(IQE)主要与器件本身的特性(如器件材料的能带、缺陷、杂质)、外延片材料及结构等相关。而器件的取出效率指的是器件内部产生的光子在经过器件本身的吸收、折射、反射后,实际在器件外部可测量到的数据。因此,影响取出效率的因素包括了器件材料本身的吸收、散射、结构及封装材料的折射率差等。

·内部量子效率(IQE):主要与器件本身的特性,如器件材料的能带、缺陷、杂质、外延片材料及结构等相关;

·取出效率:器件内部产生的光子在经过器件本身的吸收、折射、反射后,实际在器件外部可测量到的数目;

·外部量子效率(EQE):器件内部量子效率与取出效率的乘积;

·电光转换效率(WPE):最终成品通电后,有多少电能转换成了光能。主要考量输入功率、EQE和芯片情况,是目前较常用来评估发光效率的重要指标;

UVC LED拥有的特性

1. 电气特性:在电流控制型器件中,正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化(指数级别),反向漏电流很小,有反向击穿电压。UVC LED正向电压随温度升高而变小,具有负温度系数。UVC LED消耗的功率,一部分转化为光能,剩下的就转化为热能。

2. 光学特性:UVC LED提供半宽度很大的单色光,由于半导体能隙随温度上升而减小,因此它所发射峰值波长会随温度上升而增长,即光谱红移。UVC LED发光亮度与正向电流成正比,电流增大,发光亮度也近似增大。另发光亮度也与环境温度有关,温度高时,复合效率下降,发光强度减小。

3. 热学特性:小电流下,UVC LED温升不明显。若环境温度较高,UVC LED的主波长就会红移,亮度会下降,发光均匀性、一致性变差,所以散热设计很关键。

UVC LED以其小型化、无毒害、使用便捷等特点,能较好的应用于各式各样的场景中。随着UVC LED技术发展日益成熟,市场对UVC LED的认知和接受度越来越高,也将会有更多的常规和新奇的应用采用UVC LED技术,给人们带来全新的卫生安全体验。

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