紫外技術標準現狀分析

　　當前，新型冠狀病毒感染肺炎疫情牽動所有人的心，全國疫情防控工作仍在深入進行中。其中，在這場艱巨的“抗疫戰”里，往常身居“幕后”的紫外消毒殺菌產品迅速走入大眾視野。

　　據了解，足量的紫外照射是目前已知的可以抑制該病毒的有效手段，紫外線劑量在滅菌過程中起著至關重要的作用。深紫外LED憑借安全、環保、小巧、高效、低耗等諸多優勢，逐漸被市場認可，現已初步應用于水處理，空氣殺菌，食物保鮮等領域。

　　疫情會很過去，但防疫將成為一個長期工作，相信紫外LED未來會發揮更多的作用。

　　紫外技術標準現狀分析

　　一、材料及設備

　　1、單晶及襯底

　　單晶、襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石，不同的襯底材料決定了外延片的生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。目前生產上用的襯底有藍寶石、碳化硅、硅襯底，正在研究中潛在襯底材料有GaN、AlN。其中，碳化硅襯底吸收380nm以下的紫外光。襯底相關標準明細表見文末附件1。

　　2、UV LED外延片

　　UV LED外延片基于(In/Al)GaN合金的PN結，外延層生長在襯底上，典型的UV LED外延結構如圖2-1所示，由下往上包括緩沖層、n型擴展層、有源區、p型擴展層等;緩沖層用來緩解襯底和InAlGaN晶格的不匹配;Si作為n型施主摻雜，而Mg作為P型受主摻雜;有源區(UV發射層)通常不摻雜，含有多個量子阱。外延片相關的標準匯總表見文末附件1。

　　UV LED外延層結構簡圖

　　3、半導體設備

　　與紫外LED相關的半導體生產、封裝設備標準較少，這與我國半導體生產制造設備多為進口，國產化數量比較少、企業少息息相關。現有相關標準明細表見文末附件1。

　　4、原材料

　　UV LED生產涉及的原材料包括高純金屬有機物氣體材料等，這方面國產化比例較高，如電子級三甲基鎵、電子級三甲基銦、電子級三甲基鋁、電子級三乙基鎵等已經制定國家標準。

　　二、芯片及封裝

　　1、UV LED芯片

　　UV LED外延片經過光刻、刻蝕、淀積、退火等半導體制作工藝，形成可以切割、分離的芯片。如果襯底是不導電的藍寶石，P電極通過淀積合適的金屬材料形成，而n電極需要腐蝕p型層和有源區，淀積電極材料形成平面結構的正裝芯片;其他如平面結構的倒裝芯片、轉移襯底的垂直結構芯片等，芯片相關的標準匯總表見文末附件1。

　　2、UV LED封裝

　　UV LED封裝技術與可見光LED工序類似，現在的主要兩個問題是熱管理和光提取。密封和光學材料需要增加抗UV的材料。環氧樹脂透鏡被玻璃取代的話，壽命可以從5000小時提高到2萬小時(研發水平)，因為UV加速了環氧樹脂材料的老化，玻璃的耐久性和可靠性相對好一些。另外一個選擇是玻璃透鏡和硅膠封裝組合，可以承受更高的密度，更高的光效，但是壽命相對短，只有15000-20000小時。

　　UV LED產品的封裝形式比較多樣化，根據封裝材料的類型，可以分為有機封裝，半無機封裝以及全無機封裝。有機封裝與傳統封裝一樣，采用硅膠、硅樹脂或者環氧樹脂等有機材料進行封裝，技術相對比較成熟，包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等產品。半無機封裝采用有機硅材料搭配玻璃等無機材料，通過在基板四周涂覆膠水來實現透鏡的放置。相比有機封裝，半無機封裝方式的優勢在于極大程度地減少了有機材料的比例，減少了有機材料帶來的光衰問題以及濕熱應力導致的失效問題，穩定性和可靠性得到了大幅度的提升。全無機封裝則是不使用有機材料，通過激光焊、波峰焊、電阻焊等方式來實現透鏡和基板的結合，完全避免了有機材料的存在。當然目前已經存在了抗UVC波段的氟樹脂材料，并隨著材料的發展，未來紫外器件封裝在部分領域還是有回歸到有機封裝當中的可能。

　　UV LED隨著波長的降低，壽命會降低。目前395nm比較好的壽命L70基本30000小時左右，而UVC的壽命L70目前國內外參差不齊，好的能到15000小時以上，而差的只有2000小時不到，這和LED芯片材料缺陷有關，無機封裝對壽命的提升效果有限。

　　正在制定中的器件相關電子行業標準《半導體紫外發射二極管第一部分：測試方法》(2018-0137T-SJ)、《半導體紫外發射二極管第二部分：芯片規范》(2018-0138T-SJ)、《半導體紫外發射二極管第三部分：器件規范》(2018-0139T-SJ)。

　　3、封裝相關材料

　　封裝相關材料涉及散熱基底、石英透鏡、封裝粘結材料等。

　　三、光源及設備

　　1、模塊

　　GB/T 24826-2016《普通照明用LED產品和相關設備術語和定義》中，LED模塊的定義為“未裝燈頭的LED光源，包含一個或多個裝在印刷電路板上的LED封裝，并可能包括一個或多個組件，比如電子、光學、機械、熱部件、接口和控制裝置等”。

　　UV LED在應用時，可分為兩種情況，一為直接替換原有紫外光源(含燈頭)，二為設計新的接口的LED模塊(不含燈頭)。針對普通照明，LED球泡燈、LED管燈是第一種替代方案，LED路燈、LED筒燈、LED射燈多為燈具的直接替換，不再沿用原有光源的燈頭(如E40、E27、E14、GU10等)。在光固化、誘蚊等應用中，目前直接替代原有光源的解決方案較少，未來隨著UV LED光電效率的提高，可能逐漸會有替代原有光源的解決方案出現。

　　2、光源

　　GB 19258-2012《紫外線殺菌燈》規定了低氣壓汞蒸氣放電、石英玻璃生產的有臭氧或無臭氧、峰值波長為253.7nm、功率65W以下的燈;雙端燈和單端燈初始紫外線輻照度(1m測試距離，雙管)不低于表2-1中的93%;燈的平均壽命應不低于5000h，2000h紫外輻射通量維持率不低于85%，壽終時紫外線輻射通量的維持率不低于65%。

　　GB/T 30809-2014 《光催化材料性能測試用紫外光光源》規定了光催化材料性能測試對紫外光光源的要求，不包含LED紫外光光源;規定紫外光源在燈管的光輸出中紫光占光總輸出功率80%以上的低壓氣體放電燈，紫外線光源波長以365nm為主波長，在輻射距離為1000mm±1mm條件下，光輻射照度額定值要求如表2-2所示。同時規定紫外光源的平均壽命不低于5000h，紫外光光源的正常燃點2000h時，輻射通量維持率不低于80%，在正常燃點至70%壽命時，輻射通量維持率不低于65%。

　　YY 0055.1-2009 《牙科-光固化機第1部分:石英鎢鹵素燈》、YY 0055.2-2009《牙科光固化機第2部分:發光二極管(LED)燈》規定了光固化機所用光源的技術要求。

　　GB/T 21096-2013《保健用熒光紫外燈測量和規范方法》給出了用于保健目的熒光紫外燈的性能規定以及測量和評估方法，包括涉及這種燈標志的具體要求;只涉及型式試驗。

　　3、配套部件

　　配套部件如驅動電源、控制器、透鏡、陶瓷基板、散熱部件、燈頭/燈座等。

　　4、設備

　　4.1 光固化

　　QB/T 4967-2016 《制鞋機械紫外線光固化機》中，紫外線光固化機要求輸送速度2m/min～3m/min，紫外線光源光譜范圍為350nm～450nm，光源功率密度在50W/cm～120W/cm。

　　YY 0055-2018 《牙科學光固化機》規定了光固化機在200nm～385nm波長范圍以及515nm以上波長范圍光輻射值的要求和試驗方法。

　　4.2 光催化

　　空氣凈化器方面，國家出臺了一系列的安全、能效、性能的標準如GB 4706.45-2008《家用和類似用途電器的安全空氣凈化器的特殊要求》、GB 36893-2018《空氣凈化器能效限定值及能效等級》、GB/T 18801-2015《空氣凈化器》;其他家用電器如有凈化功能，需滿足GB 21551.3-2010《家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能空氣凈化器的特殊要求》。

　　GB/T 18801-2015《空氣凈化器》適用于家用和類似用途的空氣凈化器，用于但不限于以下工作原理：過濾式、吸附式、絡合式、化學催化式、光催化式、靜電式、等離子式、復合式等。目標污染物主要分為顆粒式、氣態污染物、微生物三大類。

　　其他一些標準，如QB/T 5217-2018《醫用環境空氣凈化器》、JG/T 294-2010《空氣凈化器污染物凈化性能測定》、GB/T 33017.5-2017 《高效能大氣污染物控制裝備評價技術要求第5部分：空氣凈化器》、DB31/T 1022-2016《乘用車空氣凈化器凈化性能測定方法》等。

　　4.3 紫外殺菌消毒

　　GB 28235-2011《紫外線空氣消毒器安全與衛生標準》“6.2.7消毒效果”要求，在空氣消毒效果試驗中，對白色葡萄球菌(8032株)的殺滅率≥99.90%，或對自然菌的消亡率≥90%的消毒時間不超過3h者為合格，用于醫療機構環境空氣消毒的，還應符合GB 15982的衛生標準值;適用體積不得小于30m3;距消毒器周邊30cm處，紫外線泄漏量應≤5μW /cm2。

　　CJ/T 204-2000《生活飲用水紫外線消毒器》中指出，消毒(disinfection)的定義為“殺滅或清除傳播媒介上病原微生物，使其達到無害化的處理”。其中，消毒器在進水水質(渾濁度≤5度、總含鐵量≤0.3mg/L、色度≤15度、水溫≥5℃、總大腸桿菌≤1000個/L、細菌總數≤2000個/mL)、額定消毒水量(單位m3/h)下出水的細菌學指標符合GB 5749要求;5.2.15部分要求“按照本標準的檢驗要求，裝備新燈管的消毒器產品，測得的紫外線輻照劑量不得小于12000μW·S/cm2(應沖水)，正常工作的消毒器測得的紫外線輻照劑量不得小于9000μW·S/cm2”。

　　HJ 2522-2012 《環境保護產品技術要求紫外線消毒裝置》規定了飲用水、城鎮污水、城市污水再生水、醫院污水、禽畜養殖場污水的生物驗證計量要求，具體如表3所示。

　　GB 21551系列標準分別規定了家用和類似用途電器的抗菌、除菌、凈化功能的通則、抗菌材料的特殊要求、空氣凈化器的特殊要求、電冰箱的特殊要求、洗衣機的特殊要求、空調器的特殊要求，其中通則附錄A規定了抗菌、除菌、防霉部件毒理學試驗項目的衛生要求，包括急性經口毒性試驗要求急性經口毒性(LD50)>10g/Kg體重，鼠傷寒沙門氏菌/回復突變試驗(Ames試驗)為陰性，體外哺乳動物細胞染色體畸變試驗為陰性，斑馬魚急性毒性試驗要求96h試驗后無中毒病癥。

　　4.4 普通照明用紫外LED

　　目前產業內有以380nm-400nm的UV LED激發熒光粉用于普通照明，因半導體照明標準體系相對成熟，LED器件、光源、燈具均可參照普通照明各標準，所以附件標準明細表不再列入照明相關技術標準。

　　4.5 昆蟲等生物誘集

　　因昆蟲具有趨光性，能感受到的波長范圍為240nm(紫外光)-700nm(黃、橙色)的光，如蚊蟲趨光性的光譜波長集中在254nm-265nm、365nm-370nm左右。

　　農業、林業方面有殺蟲燈、誘蟲燈等相關標準。GB/T 24689.2-2017《植物保護機械殺蟲燈》是全國農業雞血標準化技術委員會歸口，適用于電擊式、風力式殺蟲燈;NB/T 34001-2011 《太陽能殺蟲燈通用技術條件》由能源行業農村能源標準化技術委員會歸口，適用于太陽能光伏發電系統供電的殺蟲燈;LY/T 1915-2010 《誘蟲燈林間使用技術規程》由國家林業局森林病蟲害防治總站提出并歸口，適用于全國范圍內林業有害生物監測中誘蟲燈的使用，防治科參考使用。T/CSA 067-20XX《田間防治棉鈴蟲高選擇性LED殺蟲燈系統一般技術要求》適用于針對棉鈴蟲的高選擇性LED殺蟲燈系統，針對田間黏蟲、二點委夜蛾等其他鱗翅目害蟲的LED殺蟲燈系統可參考使用。

　　4.6 醫學相關應用

　　紫外醫療相關的應用包括：A、白癜風、銀屑病等皮膚疾病的紫外照射治療;B、UVB照射促進形成維生素D以及相關醫學作用;C、美黑作用等。國家對醫療器械按照風險程度實行分類管理。按照《醫療器械分類目錄》，“光量子血液治療機(紫外線照射)、紫外線治療機、紅外線治療機、遠紅外輻射治療機常規光源治療機、光譜治療儀、強光輻射治療儀”屬于“6826物理治療及康復設備”，管理類別為Ⅱ類。根據《醫療器械監督管理條例》的規定，開辦第Ⅰ類醫療器械生產企業，應向生產企業所在地市級藥監局進行備案;開辦第Ⅱ、Ⅲ類醫療器械生產企業需要向省(直轄市)藥監局辦理生產許可證。

　　相關的行業標準有YY 0901-2013《紫外治療設備》、YY 0055-2018《牙科學光固化機》，還有一些地方標準等。