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紫外技术标准现状分析

http://www.yanjunaudio.com2020年04月13日 15:18教育装备网

　　当前，新型冠状病毒感染肺炎疫情牵动所有人的心，全国疫情防控工作仍在深入进行中。其中，在这场艰巨的“抗疫战”里，往常身居“幕后”的紫外消毒杀菌产品迅速走入大众视野。

　　据了解，足量的紫外照射是目前已知的可以抑制该病毒的有效手段，紫外线剂量在灭菌过程中起着至关重要的作用。深紫外LED凭借安全、环保、小巧、高效、低耗等诸多优势，逐渐被市场认可，现已初步应用于水处理，空气杀菌，食物保鲜等领域。

　　疫情会很过去，但防疫将成为一个长期工作，相信紫外LED未来会发挥更多的作用。

　　紫外技术标准现状分析

　　一、材料及设备

　　1、单晶及衬底

　　单晶、衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，不同的衬底材料决定了外延片的生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。目前生产上用的衬底有蓝宝石、碳化硅、硅衬底，正在研究中潜在衬底材料有GaN、AlN。其中，碳化硅衬底吸收380nm以下的紫外光。衬底相关标准明细表见文末附件1。

　　2、UV LED外延片

　　UV LED外延片基于(In/Al)GaN合金的PN结，外延层生长在衬底上，典型的UV LED外延结构如图2-1所示，由下往上包括缓冲层、n型扩展层、有源区、p型扩展层等;缓冲层用来缓解衬底和InAlGaN晶格的不匹配;Si作为n型施主掺杂，而Mg作为P型受主掺杂;有源区(UV发射层)通常不掺杂，含有多个量子阱。外延片相关的标准汇总表见文末附件1。

　　UV LED外延层结构简图

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　　3、半导体设备

　　与紫外LED相关的半导体生产、封装设备标准较少，这与我国半导体生产制造设备多为进口，国产化数量比较少、企业少息息相关。现有相关标准明细表见文末附件1。

　　4、原材料

　　UV LED生产涉及的原材料包括高纯金属有机物气体材料等，这方面国产化比例较高，如电子级三甲基镓、电子级三甲基铟、电子级三甲基铝、电子级三乙基镓等已经制定国家标准。

　　二、芯片及封装

　　1、UV LED芯片

　　UV LED外延片经过光刻、刻蚀、淀积、退火等半导体制作工艺，形成可以切割、分离的芯片。如果衬底是不导电的蓝宝石，P电极通过淀积合适的金属材料形成，而n电极需要腐蚀p型层和有源区，淀积电极材料形成平面结构的正装芯片;其他如平面结构的倒装芯片、转移衬底的垂直结构芯片等，芯片相关的标准汇总表见文末附件1。

　　2、UV LED封装

　　UV LED封装技术与可见光LED工序类似，现在的主要两个问题是热管理和光提取。密封和光学材料需要增加抗UV的材料。环氧树脂透镜被玻璃取代的话，寿命可以从5000小时提高到2万小时(研发水平)，因为UV加速了环氧树脂材料的老化，玻璃的耐久性和可靠性相对好一些。另外一个选择是玻璃透镜和硅胶封装组合，可以承受更高的密度，更高的光效，但是寿命相对短，只有15000-20000小时。

　　UV LED产品的封装形式比较多样化，根据封装材料的类型，可以分为有机封装，半无机封装以及全无机封装。有机封装与传统封装一样，采用硅胶、硅树脂或者环氧树脂等有机材料进行封装，技术相对比较成熟，包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等产品。半无机封装采用有机硅材料搭配玻璃等无机材料，通过在基板四周涂覆胶水来实现透镜的放置。相比有机封装，半无机封装方式的优势在于极大程度地减少了有机材料的比例，减少了有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题，稳定性和可靠性得到了大幅度的提升。全无机封装则是不使用有机材料，通过激光焊、波峰焊、电阻焊等方式来实现透镜和基板的结合，完全避免了有机材料的存在。当然目前已经存在了抗UVC波段的氟树脂材料，并随着材料的发展，未来紫外器件封装在部分领域还是有回归到有机封装当中的可能。

　　UV LED随着波长的降低，寿命会降低。目前395nm比较好的寿命L70基本30000小时左右，而UVC的寿命L70目前国内外参差不齐，好的能到15000小时以上，而差的只有2000小时不到，这和LED芯片材料缺陷有关，无机封装对寿命的提升效果有限。

　　正在制定中的器件相关电子行业标准《半导体紫外发射二极管第一部分：测试方法》(2018-0137T-SJ)、《半导体紫外发射二极管第二部分：芯片规范》(2018-0138T-SJ)、《半导体紫外发射二极管第三部分：器件规范》(2018-0139T-SJ)。

　　3、封装相关材料

　　封装相关材料涉及散热基底、石英透镜、封装粘结材料等。

　　三、光源及设备

　　1、模块

　　GB/T 24826-2016《普通照明用LED产品和相关设备术语和定义》中，LED模块的定义为“未装灯头的LED光源，包含一个或多个装在印刷电路板上的LED封装，并可能包括一个或多个组件，比如电子、光学、机械、热部件、接口和控制装置等”。

　　UV LED在应用时，可分为两种情况，一为直接替换原有紫外光源(含灯头)，二为设计新的接口的LED�？�(不含灯头)。针对普通照明，LED球泡灯、LED管灯是第一种替代方案，LED路灯、LED筒灯、LED射灯多为灯具的直接替换，不再沿用原有光源的灯头(如E40、E27、E14、GU10等)。在光固化、诱蚊等应用中，目前直接替代原有光源的解决方案较少，未来随着UV LED光电效率的提高，可能逐渐会有替代原有光源的解决方案出现。

　　2、光源

　　GB 19258-2012《紫外线杀菌灯》规定了低气压汞蒸气放电、石英玻璃生产的有臭氧或无臭氧、峰值波长为253.7nm、功率65W以下的灯;双端灯和单端灯初始紫外线辐照度(1m测试距离，双管)不低于表2-1中的93%;灯的平均寿命应不低于5000h，2000h紫外辐射通量维持率不低于85%，寿终时紫外线辐射通量的维持率不低于65%。

　　GB/T 30809-2014 《光催化材料性能测试用紫外光光源》规定了光催化材料性能测试对紫外光光源的要求，不包含LED紫外光光源;规定紫外光源在灯管的光输出中紫光占光总输出功率80%以上的低压气体放电灯，紫外线光源波长以365nm为主波长，在辐射距离为1000mm±1mm条件下，光辐射照度额定值要求如表2-2所示。同时规定紫外光源的平均寿命不低于5000h，紫外光光源的正常燃点2000h时，辐射通量维持率不低于80%，在正常燃点至70%寿命时，辐射通量维持率不低于65%。

　　YY 0055.1-2009 《牙科-光固化机第1部分:石英钨卤素灯》、YY 0055.2-2009《牙科光固化机第2部分:发光二极管(LED)灯》规定了光固化机所用光源的技术要求。

　　GB/T 21096-2013《保健用荧光紫外灯测量和规范方法》给出了用于保健目的荧光紫外灯的性能规定以及测量和评估方法，包括涉及这种灯标志的具体要求;只涉及型式试验。

　　3、配套部件

　　配套部件如驱动电源、控制器、透镜、陶瓷基板、散热部件、灯头/灯座等。

　　4、设备

　　4.1 光固化

　　QB/T 4967-2016 《制鞋机械紫外线光固化机》中，紫外线光固化机要求输送速度2m/min～3m/min，紫外线光源光谱范围为350nm～450nm，光源功率密度在50W/cm～120W/cm。

　　YY 0055-2018 《牙科学光固化机》规定了光固化机在200nm～385nm波长范围以及515nm以上波长范围光辐射值的要求和试验方法。

　　4.2 光催化

　　空气净化器方面，国家出台了一系列的安全、能效、性能的标准如GB 4706.45-2008《家用和类似用途电器的安全空气净化器的特殊要求》、GB 36893-2018《空气净化器能效限定值及能效等级》、GB/T 18801-2015《空气净化器》;其他家用电器如有净化功能，需满足GB 21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能空气净化器的特殊要求》。

　　GB/T 18801-2015《空气净化器》适用于家用和类似用途的空气净化器，用于但不限于以下工作原理：过滤式、吸附式、络合式、化学催化式、光催化式、静电式、等离子式、复合式等。目标污染物主要分为颗粒式、气态污染物、微生物三大类。

　　其他一些标准，如QB/T 5217-2018《医用环境空气净化器》、JG/T 294-2010《空气净化器污染物净化性能测定》、GB/T 33017.5-2017 《高效能大气污染物控制装备评价技术要求第5部分：空气净化器》、DB31/T 1022-2016《乘用车空气净化器净化性能测定方法》等。

　　4.3 紫外杀菌消毒

　　GB 28235-2011《紫外线空气消毒器安全与卫生标准》“6.2.7消毒效果”要求，在空气消毒效果试验中，对白色葡萄球菌(8032株)的杀灭率≥99.90%，或对自然菌的消亡率≥90%的消毒时间不超过3h者为合格，用于医疗机构环境空气消毒的，还应符合GB 15982的卫生标准值;适用体积不得小于30m3;距消毒器周边30cm处，紫外线泄漏量应≤5μW /cm2。

　　CJ/T 204-2000《生活饮用水紫外线消毒器》中指出，消毒(disinfection)的定义为“杀灭或清除传播媒介上病原微生物，使其达到无害化的处理”。其中，消毒器在进水水质(浑浊度≤5度、总含铁量≤0.3mg/L、色度≤15度、水温≥5℃、总大肠杆菌≤1000个/L、细菌总数≤2000个/mL)、额定消毒水量(单位m3/h)下出水的细菌学指标符合GB 5749要求;5.2.15部分要求“按照本标准的检验要求，装备新灯管的消毒器产品，测得的紫外线辐照剂量不得小于12000μW·S/cm2(应冲水)，正常工作的消毒器测得的紫外线辐照剂量不得小于9000μW·S/cm2”。

　　HJ 2522-2012 《环境�；げ芳际跻笞贤庀呦咀爸谩饭娑艘盟�、城镇污水、城市污水再生水、医院污水、禽畜养殖场污水的生物验证计量要求，具体如表3所示。

　　GB 21551系列标准分别规定了家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能的通则、抗菌材料的特殊要求、空气净化器的特殊要求、电冰箱的特殊要求、洗衣机的特殊要求、空调器的特殊要求，其中通则附录A规定了抗菌、除菌、防霉部件毒理学试验项目的卫生要求，包括急性经口毒性试验要求急性经口毒性(LD50)>10g/Kg体重，鼠伤寒沙门氏菌/回复突变试验(Ames试验)为阴性，体外哺乳动物细胞染色体畸变试验为阴性，斑马鱼急性毒性试验要求96h试验后无中毒病症。

　　4.4 普通照明用紫外LED

　　目前产业内有以380nm-400nm的UV LED激发荧光粉用于普通照明，因半导体照明标准体系相对成熟，LED器件、光源、灯具均可参照普通照明各标准，所以附件标准明细表不再列入照明相关技术标准。

　　4.5 昆虫等生物诱集

　　因昆虫具有趋光性，能感受到的波长范围为240nm(紫外光)-700nm(黄、橙色)的光，如蚊虫趋光性的光谱波长集中在254nm-265nm、365nm-370nm左右。

　　农业、林业方面有杀虫灯、诱虫灯等相关标准。GB/T 24689.2-2017《植物�；せ瞪背娴啤肥侨┮导ρ曜蓟际跷被峁榭�，适用于电击式、风力式杀虫灯;NB/T 34001-2011 《太阳能杀虫灯通用技术条件》由能源行业农村能源标准化技术委员会归口，适用于太阳能光伏发电系统供电的杀虫灯;LY/T 1915-2010 《诱虫灯林间使用技术规程》由国家林业局森林病虫害防治总站提出并归口，适用于全国范围内林业有害生物监测中诱虫灯的使用，防治科参考使用。T/CSA 067-20XX《田间防治棉铃虫高选择性LED杀虫灯系统一般技术要求》适用于针对棉铃虫的高选择性LED杀虫灯系统，针对田间黏虫、二点委夜蛾等其他鳞翅目害虫的LED杀虫灯系统可参考使用。

　　4.6 医学相关应用

　　紫外医疗相关的应用包括：A、白癜风、银屑病等皮肤疾病的紫外照射治疗;B、UVB照射促进形成维生素D以及相关医学作用;C、美黑作用等。国家对医疗器械按照风险程度实行分类管理。按照《医疗器械分类目录》，“光量子血液治疗机(紫外线照射)、紫外线治疗机、红外线治疗机、远红外辐射治疗机常规光源治疗机、光谱治疗仪、强光辐射治疗仪”属于“6826物理治疗及康复设备”，管理类别为Ⅱ类。根据《医疗器械监督管理条例》的规定，开办第Ⅰ类医疗器械生产企业，应向生产企业所在地市级药监局进行备案;开办第Ⅱ、Ⅲ类医疗器械生产企业需要向省(直辖市)药监局办理生产许可证。

　　相关的行业标准有YY 0901-2013《紫外治疗设备》、YY 0055-2018《牙科学光固化机》，还有一些地方标准等。