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UVC LED家用杀菌时代的先锋企业——烟台维佳半导
发布时间:2021-11-23

  UVC LED打开家用杀菌市场的前提是有需求,这一问题我们要辩证地看待:人们对卫生条件的要求随生活水平上升而提高,由此观之,消费者对家用杀菌的需求不仅真实存在,而且非常巨大;但换一个角度,人类用于家用杀菌的手段几千年来变化甚微,仍旧依靠日晒和开水烫,清洁剂、消毒液也是工业时代到来后的产物,再言之,人类和细菌的平衡共存是自然法则,谁也别想一举消灭谁,打破平衡意味着引发负面效应,全面的家用杀菌既不是刚需,市场上哪家熟食加盟品牌值得创业者选择?。也没有必要。

  因此,家用杀菌的需求不是随处都有、随时存在,深挖场景、青年歌唱家唱响《我爱你中国找准痛点才能抓住机会,UVC LED打开家用杀菌市场也就无往而不利。接下来,作为家用杀菌市场的先锋企业,烟台维佳半导体科技公司的綦晓晖总经理为我们逐层剖析了UVC LED之于家用杀菌的价值。

  綦晓晖首先总结了UVC LED芯片的主要优势。UVC LED芯片和模组的小型化使得杀菌元器件有了足够广阔的设计空间,它小巧的体型,令其足以植入多型家用电器充当幕后英雄(如冰箱、空调、洗衣机),它也能依附各种生活器皿随身携带(如水杯、饭盒、牙刷),UVC LED的出现使得从前的许多杀菌死角得以覆盖,也满足了对卫生条件有特定需求的人群。

  无毒害是对比汞灯而言的,汞是致命的重金属,用于工业都要慎之又慎,何况家用?UVC LED的出现打消了这一顾虑,无毒害风险使得深紫外杀菌可以直接进入净水器、饮水机内部,即便出现在家中各个角落,也不会造成消费者恐慌。在《水俣公约》生效之际,凭借无毒害、无污染的特性,UVC LED也成为了汞灯的合法继承人。

  使用便捷不仅得益于UVC LED的小型化,更来自它强大的杀菌效率,以目前的功率和光电转化率来看,UVC LED的杀菌时长基本控制在秒的尺度内,操作只需拨动开关。相比之下,洗洁剂、消毒液、光触媒等杀菌方式不仅耗时费力,显得麻烦,还有外在的条件约束(洗洁剂、消毒液要有清水,光触媒要有光照和空气流动)。

  明确UVC LED的优势后,发挥自身长处补齐其他杀菌方式的短板,以此姿态进入家用市场,更易占到先机。

  尽管在现阶段UVC LED还有诸多不确定性,但围绕它的努力方向,业界已经达成了三个不成文的共识,按照綦晓晖的说法,那就是提升杀菌效率、改善散热、降低成本。

  綦晓晖提到,提升杀菌效率,波段的选取至关重要,由于265nm紫外线对生物细胞中的DNA和RNA分子结构的破坏力最强,因此理论上杀菌效果更好,外延阶段都会尽可能地往这一波长靠。但由于越靠近短波段,难度越大、良率越低、成本越高,不少芯片厂止步于270~280nm之间,转而专注提高功率,以谋求整体杀菌效率的提升。单颗芯片也从从最初的1mW到10mW,再到50mW、100mW,经历了从低功率到中功率,再到大功率的成长过程。

  不过,单颗UVC LED功率的提升现阶段并非主要依赖芯片发光效率,而是靠更大尺寸的芯片来实现。然而,尺寸越大的芯片就越易碎,这就导致圆片的切割难度大、良率低,功率越大的UVC LED芯片就越贵。对此,业内出现了一种解决办法,采用多颗小功率芯片集成实现大功率,如青岛杰生就采用4颗芯片集成达到100mW,并将成本控制在了100元左右。

  提升杀菌效率对于封装端而言,意味着提高透光率,在确保可靠性的前提上,尽可能采用透光率更高的封装材料,是这一环节共同的使命。而到了杀菌模组设计阶段,主要的考虑在于优化模组内部紫外光反射,以减少光功率损耗。

  UVC LED的电光转化效率极低,以WPE来衡量,烟台维佳做到了9.5%,这已经是非常高的水平了,目前业内普遍还在2%~5%左右。由于只有少部分电能转化为紫外光,大部分都以热能的形式流失,这就导致UVC LED芯片发热异常严重,直接影响了UVC LED产品的寿命和可靠性。

  由于UV LED电光转化效率低的根源在外延阶段,技术上又遭遇瓶颈难以突破,因此改善散热的任务就转嫁到了下游的封装和模组。在封装材料的选择上,业内主要采用导热系数出色的氮化铝基板和陶瓷基板,随着封装技术难点逐渐被攻克,目前单颗UVC LED封装器件的寿命和可靠性已经不成问题。与此同时,由于上文提到的多芯片集成大功率UVC LED的出现,又给发光组件的散热带来了新挑战:集成芯片越多,散热性就越差,有的甚至要加装小风扇。而在杀菌模组的设计上,根据綦晓晖的观点,UV LED杀菌模组的结构设计优先考虑的就是散热这一点。

  从技术和功能上看,UV LED用在饮水机、净水器、加湿器、空气净化器上是非常匹配的,但这类热门小家电的价格区间都在几百到一千不等,本身并不贵,而1颗100mW的UVC LED芯片价格降到100元已经是当前的极限,成本上增加太多,消费者不愿意买单,终端家电厂商更不能接受。如果采用便宜的低功率芯片,面对动态出水口和流动空气,杀菌效果又不尽人意。

  綦晓晖认为,UVC LED用在空调、洗衣机这类产品价值本身足够高的家电中,价格依然很难达到普通消费者的接受范围。以空调为例,进风口、出风口和内部能量交换的磁片上各配1颗芯片,假设用杀菌效率更强的100mW,成本无形之中就增加了300元,用在洗衣机滚筒内壁和夹层中所需芯片或许更多,成本也更高。

  最能打动终端家电厂的是高功率UVC LED,但昂贵的价格又让他们望而却步。低价高效始终是终端厂商共同的追求,这就倒逼着上游尤其是芯片端,不断通过完善技术、提高良率、扩大产能来压缩成本。

  上文中讲到了265nm对细胞分子结构的破坏力更强,理论上杀菌效率更高,但顾及技术实力或者成本、良率,不少企业也将产品波段定位于270~280nm,技术分野由此产生。

  日亚近期推出的UVC LED芯片在280nm;三安的用于杀菌抑菌的深紫外芯片波段在270nm~286nm;中科潞安的UVC LED芯片波段也在280nm。

  首尔每隔10nm设计一型产品,255nm、265nm、275nm都在做,但目前主要用到的还是275nm;LG则保持两个方向并行,一方面波段从265nm往263nm降,另一方面尽可能提高278nm的功率,并且认为采用265nm在成本上不占优势,278nm更能满足现实;青岛杰生起初产品在280nm,后来逐渐靠向270nm,尽管255nm也有涉及,但成本太高,出货量很少。

  而烟台维佳半导体开发研制的集成全球最大光功率UVC LED 的阵列式光源(单颗100毫瓦@250毫安,波长265-275纳米, 总输出功率2500-3000毫瓦),原本作为光学研究的超级实验室光源,已用于全球COVID19抗疫第一线。 这款名为BLAZARTM 灭活 MRSA*(发源于医院的高抗药超级细菌,人类滥用抗生素的杰作) 可在1米距离上照射约一米直径的类圆形面积: 60 秒, 灭活率超过99.999% ,在20公分距离上照射约20公分直径的类圆形面积: 2 秒, 灭活率超过99.99% ,在1米距离上照射约一米直径的类圆形面积: 60 秒, 灭活率超过99.99

  毫无疑问,无论从技术水平,还是实际运用,烟台维佳都已达到了全国乃至全球领先的水平。

  UVC的破坏力是UVA的1K~1W倍,人眼受照射有视网膜脱落的风险。这也是便携式消毒器不被看好的原因,它无法避免深紫外光直接照射眼睛,尤其是儿童使用时,存在极大的安全隐患。此外,UVC还能分解一些容器的材质,使之溶于水,因此,在用作饮用水杀菌时应当慎重考虑容器的材料选择。尤其是当100mW UVC LED即将普及,以上两点隐患将被放大。

  从更加长远的眼光来看,UVC LED杀菌如果全面普及、广泛使用,有可能会导致耐紫外线细菌的产生,并促进其增强自我修复能力。科技是一把双刃剑,破坏自然规律给人类带来的负面影响是深刻而持久的,自1928年青霉素被发明以来,不到100年时间内的大量滥用,令很多病菌对于它的耐药性增强,甚至还导致了杀不死的超级细菌诞生。以史为鉴,如何避免UVC LED不被滥用,是綦晓晖及其公司科研团队始终严格要求自我的体现。

  上文已结合应用实例,提及UVC LED如何发挥长处、规避短处、补齐短板、防范隐患,从而提升商业价值。文章最后,綦晓晖总经理也着重介绍了烟台维佳半导体胜场的UVC LED的市场定位。

  杀菌不需要全覆盖,对杀菌有刚需的场景较特殊,具体要求各异。市场应用集中度不够,各家都要找到属于自己的细分领域,只有技术和资金实力强大的企业才能整合生态圈,掌控全局。

  面对传统杀菌的方式,不要总想着替代,与之相互补充配合,达到更优的杀菌效果,也是一条很好的思路。

  UVC LED产品规格、用于不同终端产品的参数配置、不同环境和不同菌种的杀灭效率、安全使用规范…… 行业标准是UVC LED得到终端品牌和消费者认可的保证。而维佳半导体与Bolb联合推出的产品目前均属业界技术最高的水平,可以说是为行业制定了标杆,对UVC LED芯片消毒行业的整体发展起将到强有力的推动作用。(何云)


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