追赶Mercury UV-C杀菌效率，UV-C LED有望完成替代

电子发烧友网报道（文/李宁远）UV，众所周知指的是紫外线，根据波长不同又有不同的分类。大于350nm的UV-A常用于园艺照明以及光固化，280nm～320nm的UV-B常用于光疗。
 
而短波UV-C，波长介于200～275nm，被称为短波灭菌紫外线，是杀菌效果最强的紫外线。深紫外UV-C LED作为疫情时代的重要防控手段之一，正越来越多地受到社会关注。深紫外UV-C LED 体积小、便于设计、安全无汞，有着许多易用优势，正在家电、流水、医疗等消费级与专业级消毒应用中逐渐开始渗透。
 
UV-C的消杀能力
 
目前市面上比较常见的杀菌指标都是以多少个9来衡量，比如两个9就是99%，也被叫做两个log2，如果是三个9则是99.9%的消杀率，就会被叫成log3。这也是现在国内各种表面杀毒大众化的一个标准，常规环境下的杀菌要求通常以三个9为准。医疗级的消杀要求更高，要求四个9甚至更高的标准。
 
UV-C LED在杀菌剂量和效果指标方面，由于这个病原体它的种类、结构、大小都不一样，需要不同的暴露剂量来实现一定的消杀效果，由公式D=Ee×t计算。实际的杀菌测试来进行一个标定计量的话，用单位面积的光功率乘以暴露时间就是想达到这个计量。很容易理解，单位面积光功率较大的时候，可以减少暴露的时间。如果面积光功率比较小的话，就需延长这个暴露时间来达到相同的剂量。
 
根据IESNA和DIN定义的平均杀菌反应曲线，最高的相对杀菌效果波长在265nm左右。一般来说的话，杀死带有细胞壁的细菌需要更少的剂量，可能20多毫焦每平方厘米就够了，但是可能杀死病毒需要更多的更高剂量达到33毫焦每平方厘米。
 
LED UV-C与Mercury UV-C
 
在UV-C LED出现以前，很多杀菌设备使用的是Mercury UV-C注汞石英灯管来实现消杀效果。LED UV-C与Mercury UV-C对比，优势还是很明显的。
 
首先是设备的易碎性大大提升，注汞石英灯管外壳采用的是玻璃，极易碎，成品尺寸往往超过1m。因为灯具外形体积大，360°出光也比较浪费。而且在运输过程中因为其重量更大，整体成本也较高。并且含汞的设备使用时也需要格外注意安全。采用UV-C LED无论是灯具形式还是其他的形式，设计都比较灵活，其封装非常小，一般都是小于1平方厘米的封装，可以把它设计成任何的组装形态，更加安全可靠。
 
从散热方面来看，注汞石英灯管是同一个表面同时发出光和热，UV-C LED是正面出光，散热主要靠背板，相对来说UV-C LED在散热上更加集中。二者的启动时间也有很大差异，注汞石英灯管需要一定的这个启动时间，也就是灯丝需要预热的时间，但是UV-C LED则完全不需要启动时间，它是瞬态启动，可以频繁开关。
 
那从系统设计角度，上面提到了Mercury UV-C灯具的外形体积比较大，而且它的角度是360°出光，如果需要添加一些光学调整（反光照等），然调整出的出光角度就会造成辐射能量的浪费。但是UV-C LED是方向性180°出光，可以直接将出光面设计到所需的方向，减少辐射能量的浪费。
 
注汞石英灯管依靠汞的谱线，只能够发出253.7nm的波段，这是其特性决定的。而UV-C LED的波长实际上并不固定，波长可以通过调整化工半导体的成分去改变，一般来说，性价比比较高的波段是260至280nm。
 
虽然上述这些对比项UV-C LED完全占据了上风，但是有一点是目前UV-C LED无法抗衡Mercury UV-C的，那就是效率。目前，注汞石英灯管是完全领先的，效率基本上在25%到30左右。目前市面上常见的中小功率UC-V LED效率在3%左右。一些领先的光学厂商如艾迈斯，可以把效率提到6%（处于275nm波段）。但是在效率上，UV-C LED还是有很大的追赶空间。根据这些厂商的预测，五年时间内，UV-C LED的效率将提升到20%-25%。
 
UV-C LED的性价比最优解
 
对紫外线来说，波长越短的紫外线成本越高，但是如果紫外的波长太长，又失去了杀菌效果。所以目前平衡成本和杀菌效率就成为UV-C LED的重中之重。上面已经提到，最高的相对杀菌效果波长在265nm，Mercury UV-C的典型波长253.7nm需要补偿16%的剂量才能达到265nm同样的杀菌效果，而出光效率最高的波长在280nm。
 
成本和杀菌效果二者平衡下来得到的相加比最优的波长是265到275nm。目前UV-C LED厂商普遍选择这个区间的波长做来产品。280nm的LED虽然看起来可能输出比较高，但与275nm相比，光功率相同情况下，同样的杀菌效果275nm可以节省16%的颗数。
 
小结
 
最早开始应用也是目前UV-C LED应用最广的市场是随着疫情爆发最先触发消毒消杀需求的消费类及家电市场。这一市场需求主要集中在小功率，以3毫瓦到30毫瓦为典型值，效率在2%左右的UV-C LED为主。这种场景对于寿命没有很长的要求，基本上3000小时就足够。比如便携式的消毒棒，可以接插在手机的Type C等接口上随时使用，实现随身消毒。
 
在消费类普及后，目前UV-C LED正在小规模流水通风、食品消杀等中小功率市场拓展，基本上是30毫瓦到100毫瓦为典型值的一些应用。对效率的要求开始逐渐提高，这种场景对单颗的效率上升到4%到7%左右，寿命要求也在逐渐提升要达到5000小时。比如电梯扶手的表面消杀，把UV-C LED安装在电梯扶手皮带出来的部分，进行循环消毒。
 
随着消费者对UV-C LED认可度的逐渐上升，UV-C消毒应用市场也在不断扩大。上面提到的已经开始普及的两个市场对于UV-C LED的效率要求不高。随着UV-C LED效率往10%、20%发展，后续在公共交通、医疗以及车载前装的市场UV-C LED将全面替代Mercury UV-C，适配消杀要求更高的专业场所。