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[導(dǎo)讀]生活就是與霉菌的戰(zhàn)斗??照{(diào)、加濕器、空氣凈化器、浴室、廚房——打掃只要稍有懈怠,這些地方就會發(fā)霉。如果不把小小的霉菌放在眼里,一定會吃到苦頭。不光是氣味難聞,霉菌在空調(diào)的送風(fēng)口和加濕器中繁殖

生活就是與霉菌的戰(zhàn)斗。空調(diào)、加濕器、空氣凈化器、浴室、廚房——打掃只要稍有懈怠,這些地方就會發(fā)霉。如果不把小小的霉菌放在眼里,一定會吃到苦頭。不光是氣味難聞,霉菌在空調(diào)的送風(fēng)口和加濕器中繁殖后,一旦散播到房間中,還有可能引發(fā)支原體肺炎等疾病。

“深紫外LED(發(fā)光二極管)”能釋放出具有殺菌作用,而且肉眼看不到的光線。這種具有殺菌作用的光線,叫作深紫外線。只需要照射看不見的光線,就能輕松殺菌的時(shí)代即將到來。除了日常生活之外,深紫外LED還有助于改善貧困地區(qū)等的衛(wèi)生條件。日本企業(yè)正在憑借技術(shù)實(shí)力,引領(lǐng)拯救世界的“未來之光”。

 

深紫外線是指波長較短的紫外線。在LED領(lǐng)域,現(xiàn)在開發(fā)的主要是釋放“UV-C”,即100~280nm(納米,納為10億分之1)光線的類型。陽光中也含有深紫外線,但是受到臭氧層的阻擋,基本到達(dá)不了地面。

深紫外線的威力早就得到了證實(shí)。深紫外線能直接作用于生命的基礎(chǔ)——DNA,從根本上掐斷細(xì)菌繁殖。旭化成UVC項(xiàng)目的項(xiàng)目主管久世直洋介紹說:“研究表明,波長為260nm的深紫外線特別容易被DNA吸收。具有消滅DNA遺傳信息的效果”。失去遺傳信息后,細(xì)菌就不能再繼續(xù)繁殖。

在過去,汞燈是人們熟知的深紫外線發(fā)生設(shè)備。主要應(yīng)用于商用殺菌和檢查用途,例如醫(yī)療器械、工廠和研究機(jī)構(gòu)、食品領(lǐng)域等。但汞燈在其他領(lǐng)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(fā)光之前的預(yù)熱,就需要10~30分鐘。而且壽命僅為3000~5000個(gè)小時(shí)。這樣的尺寸、耗電量和耐久性,無法應(yīng)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(gè)國家簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》。強(qiáng)化限制汞燈的做法正在全球不斷擴(kuò)大。

而深紫外LED可以輕松地在機(jī)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(yù)熱時(shí)間為0秒。壽命長達(dá)1萬個(gè)小時(shí)以上,并且沖擊耐久性強(qiáng),不使用汞。

深紫外LED打破了汞燈的諸多限制。這項(xiàng)新技術(shù)如果得到普及,在生活的方方面面,“殺菌日?;?rdquo;將會成為現(xiàn)實(shí)。

 

 

不只是空調(diào)、冰箱、飲水機(jī)、加濕器等家電,便攜終端、住宅設(shè)備和汽車等各個(gè)場所也都可以安裝。因?yàn)楣ぷ髂芎牡?,在世界上缺乏清潔飲水的貧困地區(qū),應(yīng)該也能起到改善生活環(huán)境的作用。用途將一舉實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大。有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,深紫外LED的相關(guān)市場規(guī)模在今后的3~4年間,將會突破1000億日元(約合人民幣52.1億元)。

這項(xiàng)技術(shù)目前還存在弱點(diǎn):發(fā)光效率比汞燈差,量產(chǎn)技術(shù)也不成熟。不過,用來彌補(bǔ)這些弱點(diǎn)的技術(shù)正在開發(fā)。

為奪取成長市場,以通過提高發(fā)光效率、建立量產(chǎn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)成本化為目標(biāo),全球掀起了白熱化的技術(shù)開發(fā)競爭。一馬當(dāng)先的是3家日本企業(yè):日機(jī)裝、旭化成和德山。

深紫外LED以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)。競爭的重點(diǎn),在于能否以高成品率,量產(chǎn)高性能半導(dǎo)體。

諾貝爾獎技術(shù)是源泉

2014年,赤崎勇和天野浩因開發(fā)出藍(lán)色LED而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。大型工業(yè)泵企業(yè)日機(jī)裝從2006年起,開始在兩人的指導(dǎo)下開展實(shí)用化研究。在10年后的2015年3月,實(shí)現(xiàn)了深紫外LED的量產(chǎn)供貨。

借助了世界半導(dǎo)體權(quán)威的智慧,建立量產(chǎn)技術(shù)為什么還要這么長的時(shí)間?這是因?yàn)樗{(lán)色、紅色等已經(jīng)進(jìn)入普及階段的各種LED與深紫外LED使用的材料不同。

一般來說,LED是通過在藍(lán)寶石基板上疊加薄膜狀發(fā)光材料的方式制作。

制作藍(lán)色LED時(shí),藍(lán)寶石基板上疊加氮化銦鎵的晶體層。制作高質(zhì)量的晶體層,是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和性能穩(wěn)定化的重點(diǎn),但氮化銦鎵不容易在藍(lán)寶石上結(jié)晶。

為此,人們想出了先在藍(lán)寶石上設(shè)置氮化鎵“緩沖層”,再在上面疊加氮化銦鎵層的方法。赤崎與天野正是憑借開發(fā)緩沖層技術(shù)等成就,獲得了諾貝爾獎。

日機(jī)裝也著手開發(fā)了在藍(lán)寶石基板上設(shè)置緩沖層的深紫外LED量產(chǎn)技術(shù)。但是,深紫外LED的發(fā)光材料與藍(lán)色LED不同,采用氮化鋁鎵,而且氮化鎵具有容易吸收紫外線的性質(zhì),所以緩沖層的材料需要變更為氮化鋁。

 

 

“通過溫度管理等方面的改善,現(xiàn)在已經(jīng)可以量產(chǎn)可靠的產(chǎn)品”(負(fù)責(zé)研發(fā)的日機(jī)裝技研UV-LED事業(yè)部長石黑永孝)。日機(jī)裝從2016年春天起,還將開始量產(chǎn)發(fā)光功率為50毫瓦,達(dá)到以往1.7倍的產(chǎn)品。今后還計(jì)劃供應(yīng)適合嵌入不同設(shè)備的LED,作為第一款產(chǎn)品,該公司開發(fā)出了在用水設(shè)備中安裝的“水殺菌模塊”。設(shè)備中的水只需以每分鐘2~10L的速度流經(jīng)模塊,就能殺滅其中99.9%的大腸桿菌等細(xì)菌。

改革基板材料

旭化成對制造方法進(jìn)行了自主改進(jìn)。利用2011年收購的美國Crystal IS的技術(shù),成功將基板材料變更為了氮化鋁。久世自豪地說:“我們制作出了非常漂亮的單晶基板,而且與發(fā)光材料的兼容性良好。可以大幅減少薄膜狀發(fā)光材料的內(nèi)部缺陷。”

深紫外LED的單位毫瓦價(jià)格據(jù)說為2~3美元左右。旭化成已經(jīng)制定了目標(biāo),要利用基板的大口徑化技術(shù)等,使成本在2016年達(dá)到0.5~1美元,未來還要進(jìn)一步降低到0.25美元。只需幾千日元即可在家電中安裝的時(shí)代即將到來。

旭化成將發(fā)揮業(yè)務(wù)領(lǐng)域廣泛,從醫(yī)療到住宅、家電部件均有涉獵的優(yōu)勢,推動深紫外LED實(shí)現(xiàn)普及。力爭到2020年,使銷售額達(dá)到100億日元。

不過,氮化鋁基板也存在課題:“光提取效率差”。氮化鋁的折射率高,LED內(nèi)部產(chǎn)生的光線,大部分會在平坦的基板表面發(fā)生反射,封閉在LED內(nèi)部。

日本信息通信研究機(jī)構(gòu)與德山正在著手解決這個(gè)問題。開發(fā)出了世界上輸出功率最高、超過90毫瓦的深紫外LED。首先如上圖所示,在基板的表面,制作“光子晶體結(jié)構(gòu)”,也就是幾百nm大小的凹凸。然后再在上面疊加幾十nm大小的微細(xì)凹凸,形成“混合結(jié)構(gòu)”,使光提取效率提高到了過去2倍左右。

日本信息通信研究機(jī)構(gòu)深紫外光ICT器件尖端開發(fā)中心主任井上振一郎說:“我們還在開發(fā)能夠利用(像印章一樣沖壓表面的)納米壓印法,以低成本制造混合結(jié)構(gòu)的技術(shù)。”德山將于2016年,投產(chǎn)采用該技術(shù)的深紫外LED。

作為深紫外LED開發(fā)競爭的領(lǐng)跑者,怎樣獲得最后的勝利,考驗(yàn)日本實(shí)力的時(shí)候到了。

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