闫建昌：疫病予防と深紫外LED技術

転自：中国照明網、極智頭条

現在、新型の冠状ウイルスは依然として持続しており、産業や企業に一定の影響を与え、各業界の人々の心にも影響を与えている。このような状況の下で、国家半導体照明プロジェクトの研究開発及び産業連盟、第三世代半導体産業技術革新戦略連盟の指導の下で、疫病の発生期間中に知識を共有し、企業に疑惑を解くように協力します。私達のLED照明の企業と産業の共に困難な時を助けます！

今期、中国科学院半導体研究員、山西中科lu安紫外光科学技術有限公司の副総経理闫建昌を招待し、「疫病状況予防と深紫LED技術」に関する素晴らしいテーマを共有しました。以下は文字の実録です。

国家半導体照明工事の研究開発と産業連盟に招待されました。新型の冠状ウイルスは猛威を振るっています。私たちの日常生活、工業生産など各方面に大きな衝撃を与えました。私自身の専門分野は紫外線LEDのエピタキシャル材料とチップです。ずっとこの分野の仕事をしていますので、この機会に個人の思考と認識を共有したいです。

一、新冠ウイルスの予防と制御、紫外殺菌消毒が認められています。

現時点では、診断や疑いのある症例に関係なく、影響を受ける人が非常に多い。新型の冠状ウイルスの予防・抑制は、治療を含めて大きく進んでいる。予防と制御の観点から、各方面の専門家は多くの意見をあげて、ウィルスの伝播を制御して、各種の方式を採用してウィルスを消滅します。

公的に提供されている殺菌消毒の方法から、多くの効果的な方法が分かります。直接高温ウイルス対策を含め、75%のアルコールを使うなどしています。また、紫外線殺菌消毒も明確に認められています。紫外線殺菌消毒は原理的には問題ありませんが、冠状ウイルスや殺菌消毒作用のある紫外線を殺すためには、まず紫外線の波長が必要です。紫外線のエネルギーも必要です。つまり紫外線量は十分です。

第5版の新型の冠状ウイルスの診療方案から見ると、強度は平方センチメートルあたり90マイクロワットより大きい紫外線を使って光照射密度を30分でSARSウイルスを殺すことができます。新型の冠状ウイルスとSARSウイルスは多くの類似性があります。同じく単一株のまっすぐな鎖RNAウィルスに属して、だから理論の上で科学的に合理的に紫外線を使って、効果的にコロナウイルスを滅ぼすことができます。しかし、ここでは紫外線は一定の強度を必要とし、しかも一定の時間を必要とします。実際には、照射の強度が大きいと時間が大幅に短縮されます。

紫外線殺菌は特に新鮮なことではありません。今までに100年近くの歴史があります。1903年、Niels Ryberg Finsenは紫外線を利用して皮膚病の治療を実現し、専門書を発表し、ノーベル生理と医学賞を受賞しました。

紫外線によってウイルス病原菌を効率的に殺すことができるのは、主としてDNAを破壊することによって滅菌するからです。紫外線の光子エネルギーが非常に高いため、細菌ウイルスのDNAチェーンを破壊し、根源から細菌やウイルスを殺すことができます。

異なった帯域の紫外線は細菌に対して、ウィルスの殺戮の効果は異なっています。従来の紫外水銀ランプは253.7または254ナノメートルの可能性がありますが、実際には最も有効な帯域幅は254ナノメートルにとどまらないかもしれません。最新の研究結果によると、264ナノメートル付近では、紫外線の殺菌効果がより高い可能性があります。

この原理に基づいて、紫外線は広いスペクトルの殺菌の特徴を持っていると言えます。細菌類、ウイルス類、藻類、胞子類などの各種の微生物に関わらず、殺戮効果は非常に顕著で、効率が非常に高いです。他の殺菌方法と比べて、紫外線殺菌の利点は、紫外線をカットしてからではなく、化学的な関与や汚染がないことです。

紫外線で効果的な殺菌消毒を行うには、十分なエネルギーが必要です。照射強度と十分な時間が必要です。波長によって、長さから短さまで、紫外帯はUVA、UVBとUVCに分けられます。その中でUVCは波長が一番短く、エネルギーが一番高いバンドです。実際、殺菌消毒に対して、本当に有効なのはUVCです。

UVAであれ、UVCであれ、これらのバンドであれ、対応する紫外線発光を半導体材料で実現することができます。

二、紫外LED光源の優勢

伝統的な紫外線光源は低圧/中圧水銀灯、マイクロ波無極水銀灯などがあります。新しい紫外光源は，主に広い禁止帯半導体材料に基づいており，従来の光源に比べて，寒い光源であり，また紫外光源の将来の発展傾向でもある。

AlGaN材料中のAI成分を調整することにより、LED発光波長は200−365 nmの間で任意に調整可能で、UV−AからUV−Cまでの広い帯域をカバーする。従来の水銀ランプの紫外光源に比べて，これはAlGaN半導体材料の紫外LED光源作りの利点である。

従来の紫外線光源に比べて、AlGaNベースの紫外LEDはコンパクトで携帯性、環境に優しい、デザインしやすいなどの利点があります。様々な光源設計が可能です。

また、紫外LEDの最も重要な利点は水銀材料を採用しないことであり、水銀フリー環境である。水俣条約によれば、2020年から、締約国は水銀を含む製品の生産及び輸出を禁止している。もちろん、水銀灯はすぐには取り除かれません。現在、紫外LEDは水銀灯に取って代わることができません。しかし、長期的には、UV LEDの性能が次第に向上するにつれて、将来的には水銀灯を上回る発光効率が期待されます。環境保護の角度から、次第に紫外LEDを使うことを広めていくのは大勢の赴くところです。

三、紫外LEDの応用範囲は広いです。

紫外LEDは様々な病原菌、ウィルスに対して、新型の冠状ウイルスを含めて、効率的に殺傷できます。この殺菌機能の応用範囲はとても広くて、日常生活の各方面はすべてそれを使うことができます。例えば飲料水は無菌、無毒の健康と安全を保証します。高速鉄道、飛行機、駅などの公共環境の中で、空気がより衛生的で安全であることを望んでいます。

このほかにも、この紫外殺菌消毒を使って、病院、汚水処理場、食品工場、乳製品工場、醸造工場、飲料工場などの各分野で、応用環境が非常に広いです。

紫外LEDの背丈は非常に小さいので、伝統的な水銀灯とは違った応用需要を生み出すことができます。例えば、携帯型の電子消毒製品、エレベーターの手すり殺菌機、ロボット掃除などがあります。これは伝統的な紫外光源の使いにくいところであり、紫外LEDがもたらす増分新興市場であり、これらの増分市場は他の伝統的な応用市場よりはるかに大きいかもしれない。

実際、紫外線光源の応用は殺菌消毒だけではない。他の多くの分野では、生化学探査、殺菌医療、高分子硬化及び工業光触媒など多くの分野において広範な応用の見通しがあります。

UV LEDの見通しは、私個人の観点から非常に楽観的です。将来の紫外線LEDは、家庭から工業まで、あらゆる面で使えます。将来は照明とは違った新興国産業が生まれる可能性がある。

四、深UV LEDエピチップの技術現状と難点

UV LEDの見通しは明るいが、技術状態はまだ向上していない。現在、UVA LEDはより成熟しており、EQEは50-60%に達することができ、将来的にはより多くの作業がアプリケーションシステムの開発に焦点を当てている。UVBとUVC帯の深い紫外LEDの外量子効率はまだ低いです。EQEは普通10%以下で、商業化製品は基本的に1%~3%です。

ですから、UV LEDというのは、UVAの近紫外か、それともUVB、UVCの深紫かを明確に言う必要があります。この二つの製品の形態に対応する応用差は非常に大きいです。深紫外線LED製品は、基本的に変換効率が1%～3%と低い。

紫外LEDの量子効率が低いのは、基本的に材料が発光効率を制限するためであり、主な要因はエピタキシャル材料の品質が悪い、電気注入効率が低い、光抽出効率が低いなどを含む。材料から着手するのは深い紫外線LEDの問題を解決する根本です。

五、深紫外LEDエピチップの研究進捗

紫外LED材料は基板と密接に関係している。現在のサファイア基板材料は，転位密度をどのように低下させるか，材料を作るか，あるいはエピタキシャルにするかという核心的な問題である。国内外で様々な方法を研究し、検討しています。材料中の欠陥と転位密度を効果的に低減することが期待されます。

個人的には最も重要なのはナノパターンのサファイア基板（NPSS）技術であり、この方法によって材料の転位密度を低下させ、材料の品質を向上させ、応力を緩和させることなどが重要である。一方，この技術は紫外LEDの出光効率の低い問題に対しても大きく改善された。

総合的に見ると、ナノグラフィックスサファイア基板（NPSS）技術は、材料から光の出し方まで様々な面で改善され、紫外LEDの性能向上に大きな役割を果たし、将来は産業の主流技術になると思います。

AlNエピタクシーにおける温度挿入層技術は，応力を解放し，転位を遮断する役割を持つ探索的な方法である。

AlGaN材料については，P型ドーピングも難問であり，この問題についても多くの方法論があり，個人的な角度は紫外光源へのpAlGaN分極ドーピング技術の応用が望ましい。

深紫外LEDの高アルミニウム成分材料は一連の問題をもたらし、量子井戸などの構造設計から量子効率を改善または向上させ、チップレベルで光の抽出効率を向上させ、光の出効率を向上させることが重要な研究の一部である。

これらの方法は、実際には実験室だけでなく、産業化に応用できると信じています。

現在も，ナノ技術あるいはマイクロナノ技術を紫外LEDに応用することを模索している。

未来の三年から五年の間に、紫外線LEDの電気光学変換効率は15%以上、ひいては20%以上になると信じています。水銀灯と比較して擬似する程度に達することができる。この目標を達成するには、材料の向上だけでなく、透明電極、熱管理、パッケージ技術など、チップレベルの採用が必要です。

全体として、紫外線LEDの技術開発は過去二、三年の間に、ますます注目されています。多くの人が紫外線LEDの研究や産業に参加するにつれて、将来の紫外線LED技術は進歩を加速させる状態になると信じています。

劉、連盟の積極的な配置は紫外LED標準化システムの建設を推進しています。

Q&A：紫外殺菌灯の国标GB/T 19258-2012の「紫外線殺菌灯」がありますが、この規格は伝統的な光源だけに対して、紫外LED光源は国内外の製品基準、要求がありますか？

闫建昌：これはいい問題です。既存の紫外線標準は伝統的な水銀灯に基づいています。現在の紫外LED光源はテストから応用までの一連の標準が必要です。業界の角度から、すでに国家半導体照明プロジェクトの研究開発と産業連盟（CSA）に頼って紫外線専門委員会を創立して、紫外線標準制定の一連の仕事を推進して、みんなが一緒に協力することをも期待します。

国家半導体照明工事の研究開発及び産業連盟の標準委員会の副秘書長偉：技術の進歩、学科の交差、応用の融合に従って、絶えず新しい応用領域を生んで、標準は絶えず改善しなければなりません。従来の紫外水銀灯に比べ、紫外LEDは環境にやさしいので、応用の見通しが広いです。

深紫外殺菌消毒において、標準化は一連の挑戦に直面しています。紫外水銀灯殺菌は主に253.7 nmで、UVC LED波長は主に280 nmで分布しています。

標準化された空白領域を補填するために、連盟標準化委員会は団体標準を発揮し、迅速に市場需要に応答する優位性を発揮し、計量、標準、検査などの方面に対する調査を展開し、積極的に標準化体系を配置し、「紫外LED標準化体系報告」を作成し、「紫外LED技術と応用」を開始した。用語と定義」、「紫外LED殺菌消毒技術報告」は、将来的にはUVC LEDの規模に合う新たな標準化システムを構築していきます。

2014年6月、国務院参事室と国家標準委員会がCSAの標準化作業を調査する時、国家標準委の総技師殷明漢はCSAは連盟の標準化作業の「生きた見本」であると表しました。

2015年6月、CSAは国家標準委員会の第一陣の団体標準パイロット機構を承認した。

2016年4月、CSAは「中関村国家自主創新模範区標準化モデル部門」を承認した。

2016年10月、T/CSA 016は2016年「中国標準イノベーション貢献賞」二等賞を受賞し、この賞を獲得した最初の団体基準である。

2017年6月、CSAは品質検査総局、科学技術部、国家標準委員会の「第一陣の科学技術成果を技術標準試験業務に転化する」単位を承認した。

2020年1月、CSAは共同協力機関として、中国科学院半導体所など他の9社と共に2019年度の「国家科学技術進歩賞」一等賞を受賞しました。この賞はCSA連合団体の標準化作業が産業発展に寄与することを高く評価しました。