UV-C LED技术及其在消毒领域的应用

UV-C LED的引入及现状

过去几年来，UV-C LED日益受到关注，因为它们可以作为紧凑型UV-C辐射源，用于消毒应用。尤其是消费市场上对辐射通量要求较低的移动应用，可以用这些基于全新铝镓氮(AlGaN)材料系统的LED来解决。相比基于广为人知的成熟系统铟镓氮(InGaN)的蓝光和白光LED，UV-C LED仍处于技术引入阶段。

图1：UV-C LED和UV-C灯具在产品生命周期曲线上所处的位置。

另一方面，市面上有传统的低压汞放电灯，这是一项有着数十年应用经验的成熟技术。从参数上看，由于LED参数相比传统灯还存在很大差异，因此，以LED直接替代UV-C灯具在目前看来仍是一个长远目标。然而，从其他应用引入可见光LED的实际经验来看(例如汽车照明、通用照明和植物照明)，其发展速度相当快，因此，从原有技术过渡到新技术的速度可能比预期更快。

图2很好地概括了艾迈斯欧司朗当前UV-C LED产品组合的功率等级、驱动电流和效率。由此可以得出关于替代传统灯具的初步结论。

图2：艾迈斯欧司朗UV-C LED产品组合概览。

目前，UV-C LED的辐射通量与传统UV-C灯具相比低了4-100mW，但在所有其他LED应用中，传统UV-C灯具并非一对一地被替代，而是被多个以不同数量和形状排列的LED所替代。与传统灯具相比，另一个较大差异就是电光转化效率(WPE)。想要轻易弥补与UV-C灯具在高效率上的巨大差异，目前看来尚无法做到。在通用照明应用中，使用低电流密度的LED来提高照明效果是一种常见的做法。遗憾的是，效率上的巨大差距无法通过这种方式来弥补。

在很多应用中，使用寿命被视为LED光源的一大优势。在这方面，LED的性能远优于其他传统光源，并且支持采用完全不同的系统设计，因为光源在产品的使用寿命内无需更换。对于UV-C LED而言，由于新材料系统在解决铟镓氮已知的老化问题方面出现了新的挑战，因此其发展仍处于起步阶段。

最后，在性价比方面，LED与传统灯相差甚远。我们所定义的性价比是指UV-C波长范围内的辐射通量成本，以欧元/瓦或美元/瓦为单位。目前，UV-C灯具和LED的成本之间大约有100倍的差距。

这种情况看起来相当具有挑战性，但与传统灯具相比，LED也有其优势所在。传统灯具的光谱主要由波长254纳米的汞特征发射谱线决定，波长无法改变或调整。LED的发射波长则可调节和优化，从而达到最高效率。一些研究和标准显示，265纳米波长的杀菌效果最为理想，这也是UV-C LED的优化目标。在此波长下，UV-C LED的杀菌效果比传统灯高15%左右，而达到相同杀菌效果所需的系统辐射通量可降低15%。

这项新技术的另一大优势是，开关不会影响到LED的寿命。传统灯的开关次数有限，因为开关会对使用寿命产生不利影响。

从应用角度来看，LED最大的优势在于外形小巧，且具有类似于点光源的特点。高辐射可实现狭窄光束的辐射特性，从而使紧凑高效的系统设计成为可能。在这种情况下，UV-C灯具的光学效率可远高于那些辐射度较低且发射面积较大的灯具系统。

根据目前的UV-C LED参数，LED似乎很难在短期内替代UV-C灯具。

UV-C LED的发展和应用效率

为了对UV-C LED替代现有UV-C灯具传统光源时间点进行现实、合理的评估，我们进行了总体拥有成本评估。在此评估中，我们仅关注UV-C光源。灯具外壳、尺寸、设计等其他成本因素暂不作考虑。

该评估中，总体拥有成本是指最初购买UV-C光源的成本、使用寿命结束时更换光源的成本，以及灯具使用过程中由UV-C光源产生的能源成本。总体拥有成本的计算基于图3所示的LED和灯具系统的四个主要输入参数，包括性价比、效率、使用寿命和应用效率。

图3：总体拥有成本计算的4个输入参数。

对于每个输入参数，我们都考虑了它们目前的状况，以及来年至2030年的发展情况。这些对未来情况的预测均基于内部估计和假设，以及市场研究中得出的见解，可能会发生变化，无法给予保证。

性价比发展趋势

图4中的性价比发展趋势可能是最受关注的一点，因为从目前的角度来看，UV-C LED和UV-C灯具之间的差距较大。

图4：2030年前UV-C光源的性价比路线图。

该图显示了LED和传统灯具之间性价比系数的发展趋势。该系数表明了UV-C LED光源比UV-C灯具贵多少倍，单位为欧元/瓦。由于不同LED和传统灯具类型以及功率等级之间的价格差异很大，因此为该路线图假设了一个平均值。目前，该系数约为100。一些有说服力的迹象表明，UV-C LED的性价比将在未来一年显著提高，并且将越来越接近传统灯具的成本。最有意思的一点是：是否必须达到传统低压汞灯相同的性价比水平，UV-C LED才能在消毒应用中具有竞争优势并替代传统灯？答案显然是否定的。

对比其他LED成功替代传统光源的应用，可以清楚看到，未必非要达到传统灯的性价比，才能实现替代并在应用中获得成功。图5的两个示例显示了街道照明和植物照明应用中LED的性价比发展趋势。

图5：LED在街道照明和园艺应用中的性价比发展趋势。

在街道照明应用中，白色大功率LED的价格在过去几年中已大幅下降。即便在目前，LED光源的价格(单位为欧元/流明)还是高于传统光源，但LED已被视为新装街道照明的先进光源。

植物照明应用中的LED也是如此。与街道照明应用中的白光LED相比，植物照明应用中红光LED的性价比差异更加明显。然而，目前大多数新设计都是围绕LED光源进行的，园艺LED市场也在不断增长。

这清楚表明，尽管性价比是系统设计过程中的重要因素，但并非一定要达到传统灯的性价比才能在应用中取得成功，因为判断依据并非仅凭性价比这一个因素，还要结合整个系统，并且在计算总体拥有成本时要将LED设计的所有其他参数纳入考量。

效率

接下来要讨论的参数是图6中的光源效率。图中可以看出，UV-C灯具的效率远高于UV-C LED。由于本次评估假设LED的峰值波长为265纳米，因此效率已做调整，并按提高15%调整到265纳米时的杀菌效果。

图6：2030年前UV-C光源的效率路线图。

假设传统UV-C灯的效率发展趋势十分平缓，因为该技术已非常成熟，预计未来几年有所改进的可能性不大。由于UV-C LED仍处于技术的引入和早期阶段，预计未来几年将有重大改进。有待改进的几个方面包括外延层、芯片设计和结构以及封装设计和材料等。

寿命

LED的改进还需考虑使用寿命的延长，如图7所示。在合理的运行条件下，LED的使用寿命已经达到目前普通UV-C灯的使用寿命范围，并且有望在未来几年有所提高，这将显著影响总体拥有成本计算中UV-C光源的成本，因为更换LED光源非常昂贵。而传统UV-C灯的使用寿命预计不会有所改进。

图7：未来几年UV-C光源的使用寿命发展路线图。

LED系统还有另一个特点，可与UV传感器结合使用，确保闭环监控系统中的恒定输出。由于LED是电子装置，其电流源可以通过微控制器实现轻松控制。如果辐射通量下降，系统中的UV传感器可以测量到偏差，微控制器则可相应调整LED驱动器的电流，使应用中的目标辐照水平始终保持在所需水平。

效率

计算总拥有成本的最后一个输入参数是UV-C灯具在不同应用中的应用效率或系统效率。图8中所示的四个应用可作为示例，用于展示和判断应用效率对总拥有成本计算的影响。这些数值均来自产品数据手册和内部模拟。

图8：传统灯具和LED系统用于UV-C消毒的应用效率。

在UV-C上层空气处理应用中，系统在天花板下产生一道非常窄的UV-C辐射光束。由于要求辐射范围小于10°，而且灯具的尺寸有限，因此可认为该系统集光率有限，并且很难通过光学器件将UV-C灯的辐射导入窄光束。在灯具尺寸一定的情况下，只能通过牺牲大量辐射，以作为系统中的光学损耗来实现这项任务。LED的高辐射点光源特性可以高效准直，因此非常适合此类应用。应用效率的巨大差异将对总体拥有成本的计算产生极大影响。

在UV-C空气处理应用中，空气在通风作用下通过灯箱时，由UV-C辐射进行处理。使用传统灯具时，根据灯箱的长度，光子从光源传播到灯箱壁的自由距离会非常短。因此，灯箱壁的反射率对系统效率有很大影响。模拟结果表明，与传统灯具系统相比，在光学辐射通量相同的情况下，具有准直窄光束的LED系统在系统内的平均辐照度可能要高出2-3倍。

在表面处理应用中，则使用简单的UV-C棒式灯具。目标是将辐射均匀地覆盖表面。这就要求灯具基本上要具有半球形的辐射特性。如果使用传统灯，则必须使用反射系统将全向辐射转化为半球形辐射。

这些系统会造成光学损耗，降低灯具的应用效率。UV-C LED的优势在于其固有的半球形辐射特性，这有助于降低系统中的光学损耗，提高应用效率。

本次评估的最后一个应用是UV-C城市饮用水处理。在此应用中，LED和传统灯具系统的应用效率非常接近。传统灯的全向辐射特性和大辐射面积在系统设计中没有明显的不利影响，因为水通常在光源周围流动，没有任何额外的光学系统。大型LED反应装置仍然很少见。内部模拟和评估表明，由于LED系统的小尺寸、辐射特性和布置灵活性，其在应用效率方面只有很小优势。未来随着新LED反应装置设计的出现，这一点可能会有所改变。

基于这些UV-C光源的输入数据、随时间推移而发生的进展，以及对每个应用的系统和操作参数所做的假设，总体拥有成本将评估未来几年到2030年的情况，其中仅关注UV-C光源。图9给出了一个示例。

图9.传统灯具和LED系统的总体拥有成本比较示例

总体成本包括UV-C光源的成本部分，该部分考虑最初购买光源的费用，以及光源达到寿命期限时的更换费用(按5年使用寿命计算)。第二个部分是考虑系统中UV-C光源在使用寿命期间所用能源的累积成本。这两部分共同组成了传统灯具系统和LED系统中UV-C光源的总体拥有成本。

总体拥有成本(TCO)评估

UV-C上层空气处理应用总体拥有成本评估结果

如前所述，传统灯具和LED系统在光学效率上的巨大差异对总体拥有成本计算中的成本构成有极大影响，如图10所示。

图10：未来几年UV-C上层空气处理应用的总体拥有成本评估。

相较于占比较大的能源成本，传统灯具系统的UV-C光源成本极低。这是由于系统的低光学效率所导致。在LED系统中，能源成本占比较小，而UV-C光源成本占比较大。从这里可以看出，对于集光率有限的系统而言，高辐射或点光源特性优势明显，但同时LED产生的UV-C辐射的价格居高不下。评估结果表明，用LED替代传统UV-C灯在目前已成为可能，而且，LED系统相对于传统灯具解决方案的节省优势在未来几年将增加。

UV-C空气处理应用的总体拥有成本评估结果

在UV-C空气处理应用中，不同UV-C技术间的应用效率差异正在逐步缩小。因此，传统灯具和LED灯具的能源成本非常接近。

图11：未来几年UV-C空气处理应用的总拥有成本评估。

图11显示，未来几年，总体拥有成本的巨大差异是由UV-C光源成本造成的。图中可以看出，LED的价格较高，导致总体拥有成本较高。但根据路线图，到2025年，LED效率的提高和光源成本的降低使LED系统略呈优势，表明其替代传统灯具的可能性。

UV-C棒式灯具表面处理应用总体拥有成本评估结果

随着传统灯具和LED系统之间的应用效率差异进一步缩小，输入参数的性能差距对总体拥有成本的影响更加直接，如图12所示。

图12：未来几年UV-C棒式灯具表面应用的总体拥有成本评估。

灯具的电效率与UV-C光源效率更加直接相关。因此，效率路线图中所示的传统灯和LED之间的差异主导着图表所示趋势的走向，并表明LED系统会在2026年至2027年左右替代传统灯。值得注意的是，近年来，仅UV-C LED光源的成本而言，仍然明显高于传统UV-C灯具，但如果综合考虑效率、使用寿命和应用效率，两种光源的总体拥有成本不相上下。

UV-C城市饮用水处理应用的总体拥有成本评估结果

要替代传统UV-C灯具，挑战最大的领域可能是大型水处理应用。此类应用中，应用效率的差异非常小，因此UV-C光源参数(如性价比、效率和使用寿命)的直接差距就在计算中占主导地位。

图13：未来几年UV-C城市饮用水处理应用的总体拥有成本评估。

根据图13的计算结果，在饮用水处理应用中以LED光源替代传统灯具，较为合理的时间点可能在2027年到2028年左右。这一预测可能会随着新型反应装置设计的出现而有所改变。这些反应装置注重利用LED的特性，但目前的应用效率差异相当小。

综合看待UV-C灯具和系统市场的替代路线图

基于之前对不同应用的评估，关于用LED替代UV-C灯具，似乎可以归纳出三组不同的结论。

应用优势明显：这一组涵盖上层空气处理等应用，传统灯具系统和LED系统在应用效率上有很大差异。也适用于其他应用要求，如窄辐射特性、频繁开关或有冲击或振动的环境。

应用优势中等：这一组涵盖空气处理或表面处理等应用，应用效率差异中等。也适用于具有其他半球辐射特性、区域均匀辐射或低辐照度下长时间辐射的系统。

应用优势较小：这一组涵盖大型水处理等应用，在此类应用中，可以假设应用效率没有差异或差异很小。此外还包括全向辐射应用。

接下来，我们预估了可能被UV-C LED替代的UV-C灯具和系统的总体市场，以及空气处理、表面处理和水处理等次级应用的市场规模。每个次级应用都根据三组应用优势进行了分组，并根据总体拥有成本计算确定了光源替换的合理时间点。图14显示了这种趋势曲线。

图14：未来几年LED在传统UV-C照明灯具和系统市场的渗透率。

分析表明，仅对不同技术的关键参数进行直接比较，并不能对替代的时间点做出切实评估，因为应用效率和系统设计也有很大影响，必须在评估中予以考虑。

结论与展望

通过比较清楚表明，基于LED的独特功能及特性，随着其性价比、效率和使用寿命的不断改进，与传统光源的关键参数之间存在的差异将在未来几年内显著缩小。基于LED的设计在应用和系统效率方面均具有明显优势。如果与UV传感器结合应用，可带来更多优势，包括大大延长LED光源和整个系统的使用寿命。

UV-C灯具的更新换代已经开始，未来几年将不断出现在越来越多的应用中。到2025年，传统UV-C照明灯具和系统50%的市场将由UV-C LED占据。

本文为《电子工程专辑》2022年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订