2020年的鼠年春节因为新型冠状病毒的肆虐，注定将成为全国人民最刻骨铭心的一个春节。截止3月1日，新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的感染者已累计确诊80000多人，累计死亡2900多人。新冠疫情让“消毒”成为高频词汇，75%浓度的酒精、84消毒液、免洗洗手液等消毒方式一次次被提及。

在国家卫健委发布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第五版）》中提到“病毒对紫外线和热敏感”，紫外线杀菌消毒也因此一跃成为当前的热点。紫外杀菌消毒在过去往往只是作为医院等特殊场景的杀菌消毒方式，广大消费者对紫外杀菌消毒还比较陌生。

那么，紫外线是如何杀死细菌和病毒的？紫外杀菌消毒有什么特点？有哪些注意事项？深紫外LED为何被称为杀菌消毒神器？各国对于这一产业的布局情况如何？本文就将为读者揭开深紫外LED的神秘面纱。

一、 紫外杀菌消毒的原理

紫外杀菌近期已经有很多文章进行了科普，这里还是重申三点：

第一，紫外线按照波长划分，可以分为UVA长波紫外线（波长范围315–400 nm）、UVB中波紫外线（波长范围280 – 315 nm）、UVC短波紫外线（波长范围200 – 280 nm）以及VUV真空紫外线（波长范围10 – 200 nm）。其中UVA长波紫外线也经常被称为近紫外线，UVC短波紫外线经常被称为深紫外线。

第二，紫外线是一种诱变剂，在特定的波长范围（主要是UVC）以及足够高的剂量下，紫外线能够引起细菌和病毒等微生物细胞中的DNA或RNA相邻嘧啶分子间形成异常的化学键，阻碍DNA或RNA的复制，从而造成微生物细胞死亡。深紫外LED即通过发出UVC波长的深紫外线达到杀菌消毒的效果。

第三，非典时期中国疾病预防控制中心的研究人员发现，使用强度大于90uW/cm2的深紫外线照射冠状病毒60分钟，可以灭杀SARS病毒。新型冠状病毒和SARS病毒类似，同属于单股正链RNA病毒，因此理论上科学合理地使用紫外线可以有效灭杀新型冠状病毒。

图 1：紫外杀菌消毒的原理

二、 紫外杀菌消毒的特点

紫外杀菌消毒主要有以下几个特点：

（1） 杀菌消毒效率高：美国食品药品监督管理局卫生评估与研究中心研究表明，在特征波长254nm、辐射强度4016uW/cm2的紫外光源照射下，SARS病毒在6分钟后灭杀率可达到99.99%。相比于加热消毒在75摄氏度下需要45分钟才能灭杀SARS病毒，紫外杀菌消毒的效率要高出许多。

（2） 杀菌广谱性：由于紫外线是直接对细菌和病毒的DNA和RNA起作用，因此在目前所有的杀菌消毒方式中，紫外线杀菌消毒的广谱性最高，对几乎所有细菌和病毒都能高效率灭杀。

（3） 无二次污染：常用的次氯酸钠消毒液对环境有危害，会造成水体污染，其所释放出的游离氯有可能引起中毒。相比之下，紫外线可以致使细菌和病毒直接死亡，没有其它化学污染物产生。但要注意尽量避免使用波长小于243nm的紫外线而产生臭氧。

三、 紫外LED的优势

目前用于杀菌消毒的紫外光源主要有两种：传统汞灯和深紫外LED。相比于传统汞灯的诸多缺点，深紫外LED具有明显的政策优势和技术优势。

传统汞灯的缺点：

（1） 外形笨重，尺寸较大，并配有高压电。

（2） 启动时间长，无法做到即开即用。

（3） 易碎，使用寿命短，高达90%的使用寿命消耗在频繁的开关阶段。

（4） 剧毒，破裂后会造成汞泄漏，污染环境，严重危害人体健康。

深紫外LED的政策优势：全球128个国家签署的《联合国水俣公约》已于2017年8月在中国正式生效，条约明令各国从2020年起禁止生产及进出口各种含有汞的制品，传统汞灯将被禁止生产和销售。我国政府先后颁布了《中国严格限制的有毒化学品名录》和《优先控制化学品名录（第一批）》等系列政策文件，对汞的管控提出明确要求。作为传统汞加工制造和汞污染大国，中国政府积极践行《水俣公约》要求。虽然，用于固化和杀菌的紫外汞灯还不在今年主要管制之列，但是从长远来看，正如在通用照明领域LED替代传统光源是必然趋势，作为绿色环保的新型紫外固态光源的深紫外LED，将是传统紫外光源--汞灯的唯一替代选择。而随着《水俣公约》的生效以及深紫外LED自身技术不断进步，深紫外LED将迎来其产业规模的快速增长。

深紫外LED的技术优势：在各种不同的杀菌消毒方式中，只有深紫外LED同时具备节约能源、即开即用、节省空间、免除维护、无毒无害、寿命长、无刺激性气味等优异特性。相比于其它杀菌消毒方式，深紫外LED具有明显的技术优势。

表 1：深紫外LED的技术优势

四、 紫外LED的市场规模

综合多家调研机构的市场分析，紫外LED器件的产值在2017年为2亿美元，到2025年将达到13亿美元左右，年复合成长率超过30%，其中深紫外LED为主要的成长动能。紫外LED具有体积小、设计灵活方便、无污染等特点，十分适合在白色家电中应用。根据中商产业研究院发布的《2018-2023年中国白电行业市场前景及投资机会研究报告》数据显示，2018年我国白色家电产品销量突破3.5亿台。若每台产品增加紫外LED消毒功能，成本增加50元左右，据此全国即可增加175亿人民币的紫外LED消毒产品市场。

图 2：紫外LED市场预测

五、 深紫外LED外延芯片相关企业

目前全球紫外LED外延芯片相关企业主要分布在美国、德国、日本、韩国以及中国（包括大陆和台湾地区）。

美国：

成立于1999年，位于美国南卡罗来纳州的SETi公司是世界上最早在蓝宝石衬底上商业化生产深紫外LED外延芯片产品的企业，其技术主要来源于南卡罗来纳大学（University of South Carolina）的Asif Khan教授研究组。SETi的独门绝技是在蓝宝石衬底上通过迁移率增强外延（Migration Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 简称MEMOCVD）技术生长高质量的氮化铝外延层。SETi于2015年被韩国Seoul Viosys收购，成为首尔半导体旗下的子公司。

另外一家成立于1997年，位于美国纽约州的企业Crystal IS，则主要专注于在单晶氮化铝衬底上制备紫外LED外延芯片，其技术来源于伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）。Crystal IS于2011年被日本旭化成（Asahi Kasei）收购，成为旭化成的全资子公司。

成立于2014年，位于美国加利福尼亚州的Bolb公司，在2018年公开报道了其独特的“透明P型层”技术，创造了深紫外LED光电转换效率（WPE）新的世界纪录。

另外一家位于美国加利福尼亚州的Rayvio公司，技术来源于波士顿大学（Boston University）Theodore Moustakas教授研究组，曾经推出过几款UVB/UVC的产品。

德国：

LED巨头欧司朗在多年前就开始开发深紫外LED，并在2017年宣布与美国的单晶氮化铝衬底制造商HexaTech达成战略合作，在HexaTech的氮化铝衬底上开发大功率深紫外LED，但目前市面上似乎还没有见到相关的产品。

另外一家德国企业UVphotonics成立于2015年，技术来源于莱布尼兹工业技术研究所（FBH）和柏林工业大学（TU Berlin）的Michael Kneissl教授研究组，产品组合涵盖UVB和UVC波长范围内的单芯片和全封装LED，尤其在UVB波段的产品有比较强的优势。

日本：

日本的紫外LED外延芯片相关企业除了收购Crystal IS的旭化成以外，主要还有日亚（Nichia）、日机装（Nikkiso）、Nitride Semiconductors及同和电子（DOWA）。

日亚于2019年正式发布了深紫外LED产品，主要瞄准水净化和空气净化的高端市场。

日机装于2012年通过收购UV Craftory公司进入紫外LED领域。UV Craftory成立于2006年，技术来源于2014年诺贝尔物理奖得主Akasaki教授和Amano教授，其技术特点是使用大偏转角的蓝宝石衬底。

Nitride Semiconductors成立于2000年，是日本最早开发紫外LED的先驱，其技术来源于德岛大学，在高温SiN插入层方面有自己独特的技术。

同和电子则通过与日本理化所（RIKEN）合作，推出了多款波长涵盖265-340nm的紫外LED芯片产品，但在今年2月20日，同和电子突然宣告将终止深紫外LED的生产。

韩国：

韩国的紫外LED外延芯片生产企业，对UV LED的布局最为深入的要数成立于1992年的首尔半导体，在2002年成立了Seoul Viosys，并于同年与日本Nitride Semiconductors达成战略联盟，后于2015年收购美国SETi。据称2019年市场份额已达46%。

此外，主要还有LG Innotek、Semiconlight、Soft-Epi和Photonwave。

LG Innotek在2018年推出紫外LED品牌“InnoUV”，计划将其应用于40种紫外LED产品中。其独特的垂直结构深紫外LED，在350mA驱动电流下单颗芯片的光功率可以达到100mW，是量产品的最高水平。但LG Innotek计划在2020年第二季度以前裁撤掉全部LED业务，因此其曾经风光无限的紫外LED产品出师未捷身先死，只能将好不容易打下的市场拱手让人。

另一家韩国LED企业Semiconlight则专注于flip chip芯片的生产，其flip chip深紫外LED芯片的成本和良率比LG Innotek的垂直结构深紫外LED芯片有一定的优势，但在性能上要略逊一筹。

Soft-Epi成立于2012年，主要专注于外延片的生产。Photonwave公司成立于2016年，主要销售基于韩国TES公司的MOCVD平台生产的外延片和芯片。

中国：

台湾地区的晶电、光宏、隆达等LED生产企业都有深紫外LED相关的外延芯片产品。

大陆地区的青岛杰生（2015年被圆融光电收购）是国内最早专注于全波段紫外LED产品开发的企业。

三安光电自2014年涉足紫外LED领域，目前其深紫外LED产品已累计客户逾百余家。

成立于2017年的湖北深紫科技依托华中科技大学和武汉光电国家研究中心，成功实现高性能深紫外LED量产。

成立于2018年的中科潞安依托中科院半导体所在紫外LED方面的技术积累，实现了全波段紫外LED芯片产品的生产。

晶能光电基于独特的硅衬底技术，推出了多个系列的近紫外UVA LED产品，主要应用于固化领域。

乾照光电与世界知名的深紫外LED公司开展战略合作，此外还与信达光电和光莆股份共同承担了厦门市重大科技项目“高光功率紫外固态光源研发及产业化应用”，积极推动紫外LED的产业化。

六、 新冠肺炎疫情对紫外LED产业的影响

细菌和病毒存在于人类生活的各个角落，但是只要不引起严重的健康问题，人们对杀菌消毒的关注并不多，甚至还有人抱持着“不干不净，吃了没病”的不健康的生活理念。再加之紫外线和细菌都是看不见摸不着的，消费者对于紫外线杀菌消毒的效果很难有直观的感受。因此在此次疫情发生之前，深紫外LED的市场推广一直面临比较大的困难。

此次疫情极大地提高了人们对紫外杀菌消毒的认知，对深紫外LED的市场培育起到了促进作用。一旦终端消费市场被打开，必将自下而上带动整条深紫外LED产业链的发展。而随着产业链的共同进步，深紫外LED的性价比将不断得到提升，从而进一步推动终端应用市场的渗透，形成一个良性循环。

目前，由于深紫外LED的性价比与传统汞灯相比尚不具有显著的优势，大部分中低功率的深紫外LED主要被应用于普通消费市场的表面杀菌等场景。在对光功率要求较高的工业应用领域，目前暂时仍然是汞灯的天下。深紫外LED和汞灯在未来一段时间内将以互补的形式共同存在。但随着深紫外LED的性价比不断提升，相信在不久的将来深紫外LED将完成对汞灯从互补到替代，从替代到超越的华丽转身，甚至还将开创出属于自己的全新应用领域。

当然，任何一项强大的新技术都有其利弊，使用得当则造福人类。遇到问题，我们不可矫枉过正，更不能因噎废食。我们能做的就是尽可能最大限度地提高正面效应，让好的技术更好地为全人类服务。