※本文內容轉載自2018年9月之EE Times Japan(http://eetimes.jp)

殺菌、脫臭、固化、安全……: 以不可見光照亮未來
斯坦雷的紫外線/紅外線LED,持續不斷創造出嶄新價值

雖然我們無法看到紫外線及紅外線,但是由於其蘊藏了能解決社會・環境課題的力量,所以備受矚目。斯坦雷電氣(以下簡稱為斯坦雷)的LED擴展了紫外線及紅外線的應用範圍。以下就為您介紹致力於解決社會・環境課題的斯坦雷高功率紫外線/紅外線LED產品。

 我們的生命中無法缺乏光。一提到光,應該都會聯想到明亮、耀眼、光輝燦爛的感覺吧。可是,人類的眼睛所能看到的光僅只是一部份。其實還存在著我們的眼睛雖然看不到,但是卻發揮著各式各樣功能的光。 波長約400~800nm,人類的眼睛所能看到的光被定義為可見光。其他波長的光,則被稱為人類的眼睛所看不到的不可見光。此一「無法目視的光」,大致分成波長較可見光短的紫外線,及較可見光長的紅外線。紫外線及紅外線,皆具備各式各樣的功能,人類自古即開始利用至今。

波長圖

 其一具代表性的功能為,紫外線的殺菌作用。此一殺菌作用,在我們不自覺的情況下被利用,像是以涵蓋著紫外線的太陽光“曬乾”衣物或食品等方式。此外,利用燈具所產生的紫外線等光源,也可以對醫療器具或食品等進行殺菌。

 至於紅外線,電視或空調等的遙控器為具代表性的通訊方式,另外做為監控攝影機或各種感應器的光源,也為廣為人知的利用方法。

 雖然自古以來紫外線、紅外線即被廣泛利用,但是近來其卻又受到更大的矚目。其原因為能發射出紫外線/紅外線的LED有了突破性的成長。

紫外線LED的登場,可以在各種場所利用紫外線來做殺菌等運用。

如同照明用的光源,傳統的電燈泡和日光燈被LED所取代一樣,紫外線光源現在也逐漸產生了同樣的現象。隨著能發射出紫外線之LED的上市,傳統具代表性的紫外線燈(殺菌燈)被逐漸取代。相較於紫外線燈,LED具有小型化、低消耗電量、壽命長等優點,在擴展紫外線的運用面上,受到極大的矚目。

「YDU1105EAE」為一波長265nm之深紫外線(UVC)LED,擁有業界最高水準之輸出功率50mW

 在此一背景下,身為車載用燈/LED的世界級製造商,斯坦雷開發、銷售了冷陰極紫外線燈等各種光源,現在則針對「無法目視的光」,將其定位成「今後能夠解決社會・環境課題的光」,積極拓展開發紫外線/紅外線LED。

 無法目視的光具備能夠解決社會課題的能力。舉例來說,由於人口增加及產業發展,全球水需求增加。由於水資源是有限的,人類必須持續地確保安全的水源。現今仍有許多人受惡劣的水資源環境所苦,若利用紫外線進行的水殺菌,能夠為這全球性的社會問題帶來幫助。此外紫外線的樹脂固化作用,被活用於各式各樣的製造現場,若使用更高效率的LED的話,對於節能也有一大貢獻。斯坦雷除了致力於將光的力量發揮至極致,斯坦雷也以提供社會安心・安全、節能的光源為目標,陸續擴充「無法目視的光」之LED產品系列。

UVC之殺菌原理

 我們將波長200~280nm的光稱之為深紫外線,其中最廣為人知的就是它顯著的殺菌效果。透過各種研究得知,波長265nm的光,是「最能夠被菌種DNA有效吸收,使菌種增殖的DNA構造產生變化、造成DNA不活化、進而殺菌的一種波長」。但事實上,極少LED廠商能將波長265nmLED產品化。因為波長265nm的LED會比長波長的275nm~285nm的深紫外線LED更難進行高輸出化。深紫外線LED尚為發展中的光源,其輸出功率不及紫外線燈。因此市場上許多LED廠商會優先開發容易商品化的高輸出功率275nm~285nm波段。

 那麼,為什麼斯坦雷要持續挑戰將較難高輸出功率的265nm深紫外線LED商品化呢?

「波長265nm」,能有效殺菌的深紫外線LED

 波長265nm與波長285nm,有著大不相同的殺菌效果。雖因菌種而有所差異,比方以大腸菌(NBRC3301)來說,實驗已經證明波長265nm可以帶來2.4倍之殺菌效果。輸出功率50mW波長265nm的深紫外線LED,其殺菌效果遠比輸出功率100mW波長285nm的深紫外線LED來得高。再加上有低耗電量的優勢。斯坦雷利用其獨創的LED製造技術,使波長265nm達高輸出功率。而事實上,斯坦雷的確開發出業界最高水準的輸出功率50mW的265nm。斯坦雷秉持一貫方針著力於創造出更高的輸出功率,讓斯坦雷的波長265nm深紫外線LED做為殺菌用途之深紫外線LED市場的領頭羊。

殺菌效果比較

 隨著能夠實現高效率殺菌之265nm深紫外線LED登場,我們預測,透過運用深紫外線的殺菌機能的相關用途會更加廣泛。

深紫外線(UVC)LED之應用

 至今為止,深紫外線的殺菌機能多半依靠紫外線燈管達成。紫外線燈管的輸出功率雖高,但要體積小型化卻有一定的限制、壽命也不長,等等因素限制住了其使用途徑,這是目前需要存在的相關課題。

 相對的LED因為尺寸小,也能安裝於一些較為小型的機器,像是家庭用淨水器或加濕器。

 此外,由於紫外線燈管存在含有汞此一環境負荷物質的課題,未來將可能受到國際條約『水俁公約』*)的規範。儘管目前由於尚未出現能替代紫外線燈管的產品,因此其不屬於規範對象之一,但是在不久的將來,將會開始探討以深紫外線LED取代其使用。

*)水俁公約:為一國際條約,規範汞或含有汞的產品之製造及進出口。正式名稱為「汞問題水俁公約」。於2017年8月開始施行。

 斯坦雷制定新的計劃,推動・開展環境・殺菌事業,針對利用紫外線光源之氣體・液體・固體的殺菌事業,持續挑戰前進。

除了硬化用途,除臭用途也備受期待之近紫外線LED

近紫外線(UVA)LED之應用

 紫外線之中,波長315~400nm之近紫外線(UVA)LED的技術也正急速發展,其應用範圍擴大為一受到矚目的領域。

 近紫外線具代表性之作用為樹脂等的硬化,除了被應用於各式各樣的製造現場,也被運用在利用螢光體發光作用的檢驗光源及誘蟲燈。近來由於近紫外線LED的登場,開發出使用UV墨水之UV印表機及小型3D印表機,加速了普及。此外,387.5nm以下之近紫外線,由於擁有能促進二氧化鈦(TiO2)等光催化劑活性化之性質,其與光催化劑組合運用之脫臭作用也受到關注。

 近紫外線LED,由於其應用範圍之擴大使得市場規模擴張,預測今後其需求將會更為增加。

 因應近紫外線LED需求之增加,斯坦雷擴充了其近紫外線LED產品系列,以滿足各類市場之需求。例如輸出功率950~1100mW等級之中功率微波爐,及輸出功率1400~1600mW等級之高功率微波爐,其各備有波長365nm、385nm、395nm、405nm之產品。

採用密封封裝之高功率UVA LED

 在近紫外線LED市場,對於設備的高速化及為了要控制 LED使用個數,高輸出功率的LED需求極大。斯坦雷仍持續不斷的進行高輸出功率化之開發。於高輸出功率化之同時,為了降低維修頻率,壽命長為一很重要的因素。再加上我們也運用了在汽車用LED所培養出之有高信賴性的高放熱性封裝技術。散熱是左右LED信賴性的重要因素,LED所產生的熱必須極有效率的散出到外頭。斯坦雷把車載規格的高散熱性封裝運用在近紫外線LED產品,波長365nm,功率950mW產品的熱阻為3.0℃/W,1400mW產品熱阻則為3.5℃/W,實現業界頂級的低熱阻。並且針對保護LED不受濕氣及外來氣體影響之氣密封裝技術,也開始運用於近紫外線LED。目前,一般構造的為非氣密封裝,在常溫、最大額定值趨動的條件下,即使經過1萬小時,也還能維持70%之輸出功率,不過,一旦更改為密封封裝產品,其壽命將更長。

 透過這些技術,使高輸出功率、壽命長、高信賴性並存,是斯坦雷近紫外線LED的特點。

作為感應器的光源,需求增加之高功率紅外線LED

 雖然和紫外線一樣均能發出「無法目視的光」之紅外光的紅外線LED,近年來對其需求越來越高漲。

 紅外線LED,和近年登場之紫外線LED不同,已經擁有很長的歷史。斯坦雷於1970年代開始開發紅外線LED,並將其商品化,以家電產品遙控器、紅外線通訊系統為主廣泛地被使用。近年隨著照相機需求之增加,作為輔助光源之紅外線LED的利用也為之擴大。

紅外線LED之主要應用方式

 由於全球恐怖事件及犯罪威脅增多,帶動了監控攝影機等安全系統的整備。日本國內由於今後將舉辦多項國際性的活動,正加快腳步進行整備,作為監控攝影機用之補助光源,紅外線LED的需求正擴大當中。

另一方面,隨著自動駕駛的實現,技術有顯著進步的汽車業,車上配有相機/影像感測器的搭載數量持續攀升,因此作為感應器光源之紅外線LED,需求也隨之增加。特別是目前需求量暴增的駕駛監視系統Driver Monitoring System (DMS),該系統可以檢測出駕駛是否處於打瞌睡等狀態。DMS從駕駛的正面以影像感測器攝影,檢知駕駛當下狀態,目前已經開始裝載於巴士,計程車,和卡車等商用車輛。以影像感測器攝影時,於黑暗的夜晚照明為不可或缺的存在,但是基於安全觀點車內並無法照太亮。在此情況下,紅外線LED作為光源是一不可或缺的存在。

 隨著感應器光源之需求持續增加,斯坦雷致力於開發高效率高功率紅外線LED。2017年10月,發光效率位居業界領先地位的產品開始上市。

 其中波長940nm產品「MFN110□MS」,每瓦的發光功率達633mW,擁有極高的發光效率。至於波長850nm產品「MGN110□MS」,也實現了611mW/W之發光效率。

紅外線LED之發光效率比較

 並且本產品採用了順向電壓(Vf)低的LED元件,除了能夠削減耗電量,低熱阻設計也能大幅減低散熱。高功率紅外線LED和其他LED相同,於高溫環境下輸出功率會降低,使用壽命減短。而且還有可能因為高溫使得LED遭受破壞,因此安裝散熱片等散熱對策是必要的。此外,如果使用能大幅抑制散熱之新產品,將可簡化防熱對策。

 至於波長的種類,有855nm (功率1100mW),及945nm(功率950mW)兩種產品,並且其各備有指向角60度及120度2種類型。此外,還備有能對應車載品質需求之高信賴性封裝品,及適用於監控攝影機等之黑色封裝品。雖然同為紅外線高功率LED,但是可以根據是重視信頼性用途,或是重視成本用途等不同目的,來選擇所需封裝,為斯坦雷紅外線LED產品之特點。

 斯坦雷於「斯坦雷群體理念」中,提倡經由探求光的5個價值來創造社會價值。

光的5個價值 光的5個價值

 雖然我們無法看到紫外線及紅外線,但是在於提供環境・社会課題之解決對策方面,它們卻蘊藏著極大的力量。斯坦雷將繼續透過提供高功率・高信頼性之紫外線/紅外線LED,為社會帶來貢獻――。

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