深紫外线杀菌:突破265纳米后, 下一个目标:226纳米 | 未来力

深紫外线杀菌:突破265纳米后, 下一个目标:226纳米 | 未来力


因为新冠疫情的暴发和持续蔓延,杀菌消毒的需求迅速放量。于是,更安全、更有效的深紫外线LED(UVC LED)开始引发市场越来越多的关注。

多家企业正尽力在这一赛道上取得更大突破。这其中,目前全球唯一的265纳米波长的深紫外线杀菌产品KlaranTM高功率输出产品,有望明年正式上市完成商用。

这是一款来自旭化成的UVC LED产品。2020年10月,旭化成与波士顿大学国家新兴传染病实验室(NEIDL)的一项共同研究,也实际验证了KlaranTM的260-270纳米波长光可使新冠病毒灭活。

经过不懈的研究突破,结合自有的氮化铝单结晶基板制造技术及膜结晶成长技术,旭化成在灭活病毒及杀灭细菌效果最好的265纳米带宽范围内,实现了业界最高功率输出。

“虽然Klaran的高输出功率产品还没有实际正式上市,但因为疫情的持续影响,这方面的咨询已经非常多了。”旭化成株式会社执行官、执行研究员久世直洋(NAOHIROKUZE)说,目前已经有多家客户正在评估上市的可能性。

与旭化成的研发项目大多由市场&创新本部负责不同,UVC LED项目是由总经理直管启动的。这一安排背后,是旭化成对其的巨大期待。

此前,DR未来已经在“未来力”这一主题下,探讨了如何寻找到一款产品,并使之成功应对各种不确定性,穿过多个周期成就百年事业;如何“武装”人类的身体,让人类在与疾病的对抗中获得更高质量的生活等内容。

近日,DR未来又与久世直洋做了一次深谈,以探讨杀菌消毒这一越来越广泛的需求,将会被怎样深度满足,以及,UVC LED这一技术创新还将向什么方向演进,带给这个世界怎样的可能性。

 

 


Q:紫外线所有人都不陌生,沐浴在阳光里,每天都可以感受到。相对于紫外线,深紫外线是更符合未来需求的杀菌光源吗?

A: 确实。紫外线杀菌消毒是普遍存在的,在太阳底下晒被子,就是利用紫外线来除螨、杀菌的最直接案例。

其原理,是紫外线可以穿透微生物的细胞膜和细胞核,破坏其DNA与RNA分子结构,使之灭活,无法继续分裂繁殖,达到杀菌的效果。

根据不同的波长,人们通常将紫外线分为A、B、C三类,即近紫外线(UVA,315-400纳米),远紫外线(UVB,280-315纳米)和超短紫外线(UVC,200-280纳米)。这三类紫外线人类肉眼皆不可见。其中,UVC是波长最短、能量最高的一个波段,也被称为深紫外线。


但由于这一波段的紫外线在通过地球表面时基本被臭氧层吸收,不能达到地球表面,因此,人为造出这一波段的深紫外线,就成为科学家们持续努力的方向。

目前使用较为广泛的深紫外线光源是汞灯(波长254纳米),也就是俗称的水银灯。但汞灯有一些缺点,比如使用寿命短;启动时间长,无法做到即开即用;易碎,且破裂后会造成汞泄漏,污染环境,严重危害人体健康。

随着《关于汞的水俣公约》的实施,全球对水银的限制也越来越严格。2020年,国家药监局综合司发布关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知,提出从2026年1月1日开始,我国将全面禁止生产含汞(水银)的血压计和体温计。

但与此同时,2020年11月起,国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布的《紫外线消毒器卫生要求》最新国家标准正式生效。这个备受LED行业关注的新标准,将紫外线杀菌灯的中心波由253.7纳米扩展到200至280纳米。这意味着,新型的UVCLED也被纳入其中。

在业界看来,UVC LED的三大优势—小型化、无毒害、使用便捷,让其可以更全方位地覆盖消毒需求。

首先,UVC LED芯片和模组的小型化,使杀菌元器件有足够广阔的设计空间,它可以植入家用电器如冰箱、空调、洗衣机,也能依附各种生活器皿如水杯、饭盒、牙刷等随身携带。

其次,相对于汞灯而言,UVC LED的无毒害风险,使其可以直接进入净水器、饮水机内部。尤其是,随着《水俣公约》的生效,无毒害、无污染的UVCLED,将更好替代汞灯。

此外,UVC LED有着强大的杀菌效率。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”的范畴内。比洗洁剂、消毒液、光触媒等杀菌方式更为简单便捷。


因此,寻找到新的人造深紫外线方式,实现最具杀菌效果的紫外线波长,成了许多科研工作者的努力方向。


 

 


Q:在深紫外线杀菌这一赛道上投入的企业不少,在200~280这个波长区间内,为什么旭化成要聚焦在265纳米?

A:为了提升杀菌效率,紫外线波长的选取至关重要。因为即使在UVC的200-280纳米这一波段,杀菌效果也不尽相同。

由于265纳米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。但由于越靠近短波段,难度越大、良率越低、成本越高,一些企业止步于275~280纳米之间。

在2017年举行的上海国际水展上,旭化成的子公司Crystal IS,Inc.(下称“Crystal IS”)推出了世界上首款用深紫外线LED杀菌的KlaranTM芯片,可以实现265纳米的紫外线波长。

2019年,旭化成与2014年诺贝尔物理学奖获得者、名古屋大学天野浩教授合作,首次成功使用氮化铝基板在室温下进行了深紫外波长(272nm)激光振荡,突破了这一领域十多年来无人成功的研究困境。

“我们的优势在于尽早地专注于氮化铝(AIN)材料,并开发和制造氮化铝基板。”久世直洋说。

尽早地专注于氮化铝材料,原因是旭化成十多年前就已经开始布局UVC LED。

2008年,旭化成开始对UVC LED的研究。2011年,旭化成收购了Crystal IS(CIS),这家美国公司的核心技术是其花费15年时间研发出来的氮化铝基板技术,氮化铝基板能够发出短波长的紫外线光。

完成收购后,根据各自优势,Crystal IS和旭化成形成了各自的分工,其中,基板由Crystal IS研发生产,基板上生成的膜和LED的产品化由旭化成负责研发推进。而在市场拓展方面,欧美市场由CrystalIS负责,亚洲市场则由旭化成负责。

“收购的最大目的是拿到基板,在这个基础上加大业务开拓,研发出不用水银的、对人体伤害较小的短波产品,并衍生出很多新产品。”久世直洋说。

对于可以实现260-270纳米波长光的KlaranTM而言,具备更快速、更彻底的杀菌效果。

实验结果发现,在DNA、RNA的吸收能力方面,KlaranTM是280纳米的1.7倍;对于新冠病毒的破坏力,是280纳米的4倍;如果新冠病毒达到99.99%杀毒效果,KlaranTM需要4秒,但280纳米波长需要30秒。

 



Q:看起来数据都很好,但是从上市商用角度,从用户角度,265纳米波长的深紫外线产品在2021年已经能做到性能最优吗?

A:即使已经经过了长年的研发,现阶段UVCLED还存在一些不确定性,它最需要努力和改善的,是三大方向—提升杀菌效率、改善散热、降低成本。

水银灯虽然有劣势,但也有优势,比如它的输出功率可以很强大。相对而言,UVC LED的一个弱点是输出不够大,光的强度也要弱于水银灯。

其原因,是因为UVC LED的电光转化效率极低,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UVCLED产品的寿命和可靠性。

目前,旭化成正在不断提高LED的输出功率。

2020年,Crystal IS对KlaranTM的产品线完成了技术和生产改进,除了60mW (毫瓦)之外,还将输出功率高的70mW追加到生产线上,并提供了80mW工程样品。Crystal IS产品管理副总裁Eoin Connolly当时表示,新近完成的生产和技术改进实现了Crystal IS氮化铝基板的承诺;在深紫外线波长下,实现高产量的器件。他同时说,公司将继续关注并实现重要的里程碑,能够提供满足全球杀菌市场需求所需的产品、性能和价格。

而对于光的强度的提高,旭化成也在加快从基板、膜和光提取效率三方面进行改良。比如,在基板的改良上,因为基板对光的吸收比较厉害,所以改成低吸收的基板。在光提取效率上,因为265纳米的紫外线很难从基板中出来,可以通过对基板面的改良,来提高光提取效率。

“光强度增加一倍,杀菌效果就会增强一倍。”久世直洋说。

当被问及KlaranTM的研发中最难的是什么,久世直洋坦言,旭化成现在依然在挑战中。“最难的是客户的需求,客户需要的产品一定是要求综合能力、综合性价比,比如输出功率强度、产品寿命、规格、耐热、成本等等,整体都合乎客户要求,才算成功,这是最难的。”

比如,久世直洋说,如果客户希望UVC LED有大的输出,这很容易做到,通过加大电力驱动就可以,但这样一来,产品的寿命就下降了。如果用2个LED实现加大输出的效果,客户的成本就又上去了。

“LED的改良研发是非常难的,我们也在不断改善升级。”久世直洋说。

 

Q:除了265纳米的进一步研发和完善,在深紫外线杀菌领域,还有什么技术方向可以作为储备研究方向?

A:除了265纳米波长的LED开发,旭化成还在进行另外一项技术突破—深入230纳米波长以下的LED开发。

因为265纳米的紫外线对人体有伤害,只能在无人的情况下进行杀菌消毒,所以,研发出对人体可以直接照射且不会产生伤害的UVC LED产品,是旭化成的新目标。而230纳米以下的紫外线对人体没有伤害,就可以用于有人的环境下消毒,甚至人体表面的杀菌消毒。

此前,旭化成与奈良县立医科大学的微生物感染症学讲座教授矢野寿一、免疫学讲座教授伊藤利洋合作,对226纳米的UVC LED新型冠状病毒的不活化效果以及对动物细胞的影响进行了验证。

这次的实验,使用了100个发光波长226纳米的UVC LED制作了10×10的阵列状照射器。与270纳米的UVC LED产品的阵列状照射器的比较实验后,结果表明,226纳米的UVCLED在约6秒的照射下使冠状病毒不活化99.9%,具有与现有270纳米相同的效果;在使用老鼠皮肤细胞的细胞障碍性评价中,受到障碍的细胞数量明显低于270纳米。

这表明,226纳米的UVC LED有可能放心地使用于手指和身体周围的杀 菌。

但目前的问题在于,226纳米的UVC LED因为紫外线波长更短,输出就更低,所以今后要达到有效杀菌效果,又不能伤害人体,需要找到一个全新的平衡点,进一步提高发光输出。

久世直洋说,未来在UVC LED的研发方面,旭化成的策略就是两条技术路线并行,一是实现265纳米的高输出,二是230纳米以下波长的产品化。

“230纳米以下,大概2、3年以后会有相应的产品出来。”

 

 

 

Q:技术推进的可持续,有赖于满足相应的市场需求,并依据市场需求加以改善优化。KlaranTM高输出功率产品还没有上市,该如何更快推动这个进程?

A:根据LEDinside发布的《2019深紫外线LED应用市场报告》,2018年全球UV LED市场规模达2.99亿美金,预计到2023年市场规模将达9.91亿美金,2018~2023年的复合增长率达到27%。

虽然高输出功率产品尚未上市销售,但疫情已经带来了更大量的杀菌需求,深紫外线LED被用于更多的场景:医院病房、生物实验室、洁净室等高风险的场所可以使用,也可以为小尺寸的个人物件杀菌消毒,例如门把手、公用电脑的键盘和钥匙。

目前,旭化成正致力于将杀菌模块商业化,更多开发水、物体表面和空气杀菌产品。

大金工业株式会社从今年4月26日开始发售的空气净化器UV Streamer中,已经搭载了旭化成的KlaranTM。实验室数据确认,这一搭配组合可以在30分钟内实现抑制99%以上的病毒,对细菌的抑制速度也是以往的约10倍。

为了形成更多的解决方案、应用场景,旭化成发起了一项名为加速器的计划。2020年6月23日,旭化成和Crystal IS宣布启动“UVCAccelerator Program”,以支持开发深紫外线LED的开发。这项工作旨在收集深紫外线LED的商业灵感,为被选中的创新公司提供25万美元的投资,发挥这些公司在深紫外线LED应用方面的创新想法,加速产品开发。

2021年1月26日,旭化成美国公司宣布了加速器程序第一轮申请结果—一家名为阿基米德(Archimedes)的公司,因为带来了洗手技术的革命性创新,获得了基金的资助。

介绍显示,阿基米德研发的一款名为HALOTM的产品,能够发出杀菌光,将手放入光圈仅5秒钟,就可以在不浪费水或肥皂的情况下实现皮肤表面99%病原体的消毒。HALO还可以给小型手持物品如钢笔、电话或餐具消毒。这一产品预计到2022年,会在办公室、医院和其他高交通量公共区域普遍出现。


在HALOTM的研发中,旭化成不仅仅是提供投资,还一起参与改进产品设计,并为其提供消毒光源的更优选择。

今年5月10日,旭化成再度发布了杀菌领域的企业加速器计划,面向社会征集新业务和新产品创意,对于创意与旭化成的相容性特别高的企业,企业不仅可以获得风险投资资助,还可以获得与旭化成在中国和海外市场的合作机会,有机会接触旭化成的客户网络。

 

双方结成双赢的关系,共同开发市场。几年之内,我们希望消费者可以买到带有UVCLED的家用电器。

—久世直洋

 

22-01-07
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