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【极智课堂】蒋振宇:紫外消毒手册解读之紫外消毒设备

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-12 20:33   来源:中国半导体照明网  浏览次数:3201
 

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到深圳第三代半导体研究院光电器件研发总监蒋振宇带来了“紫外消毒手册解读之紫外消毒设备”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、参考书目


The Ultraviolet Disinfection Handbook, James Bolton, 2008

紫外光在水和废水处理中的应用, Willy Masschelein, 张彭义译,2014

III-Nitride Ultraviolet Emitters, editor: Michael Kneissl and Jens Rass, 2015

二、紫外消毒设备分类

1.开放式系统 Open-Channel System

污水处理为主,紫外灯可以平行或垂直水流方向。主要组成为UV灯和石英套管。

 

2.封闭式系统 Close-Pipe System

主要用于饮用水净化,设计灯具包含在水管中,相对复杂,主要组成为UV灯,UV探测器,石英套管及相应的清理设计。

3.封闭式紫外消毒系统种类

单根环形反应器,低流速 1-10 gpm(加仑每分钟),主要用于家庭或船上用净水器,多用低压汞灯。

多根平行水流反应器,高流速10-500 gpm,用于社区水净化,大部分用低压汞灯。

多根垂直水流反应器,超高流速500-2500 gpm,主要用于中大型净水厂,多用中压汞灯

 

二、紫外灯

1。气体放电灯(Gas Discharge Lamp

主要发光原理是将电子激发到元素的高轨道态,激发态的电子跃迁回基态的过程中发出光子。

汞是最容易挥发的金属,最重要的两条光谱线为253.7nm185nm253.7nm对应消毒杀菌应用的波段,因为离子化能量比较低,比较容易产生雪崩效应。形成链式反应,效率相对来说会比较高。

汞灯中,通常汞蒸气还要混合氩气、氖气或氦气,产生叫做彭宁混合物的惰性气体。如果氩气过多,也会跟汞原子发生弹性碰撞损失能量,在灯具设计中,它的含量也要做优化处理。


2.UV灯的分类

UV用汞灯,主要分为低压高输出汞灯,脉冲氙灯,低压汞灯、中压汞灯等几类,其中低压汞灯、中压汞灯使用最多。

 

低压汞灯

低压汞灯的基本工作原理是电子非弹性碰撞汞原子,使它发生电离,电离激发以后,再回到基态的时候,会发出紫外光子。低压汞灯的工作气压通常是0.110Pa,在比较低的气压下,工作温度点会比较低,相对在20-40℃的常温区间就可以工作。低压汞灯对温度相对比较敏感。如果太低,冷却浓缩降低发射效率。太高会自吸收增加降低效率。通常水温影响不大,但有的地区冬天水温太低影响效率。

 

通常汞灯的温度基本上是在优化的大概三四十度左右,低压汞灯82%的光发生在253。7nm。但也会有大概6.6%的光发射在184。9nm,这个波长会有一些臭氧产生,通常会采用一些光学玻璃或石英掺杂二氧化钛等办法处理掉。低压汞灯实际上在生活中比较常用,功率一般在20瓦到40瓦左右。

低压汞灯受电压和温度的影响比较大,会比较容易老化,低压汞灯寿命大概在一年左右,每次启动也会加速老化,每次重启大概相当于增加一个小时的老化,是要经常不断更换灯具的主要原因。

低压高输出汞灯(LPHO

这是较早时期提出的技术,由于功率的提升,温度也会随之提升,但同时也带来问题,比如掺In导致整个灯具寿命缩短。

 

 

中压汞灯

工作电压:~100kPa;电压:160-250V;功率:~30,000W;光谱:因能量大导致光谱变宽;放电弧区温度6000K,主体部件温度600-900℃,对水温不敏感。 

为了增加汞灯输出,把工作气压提升到100kPa的水平,正常工作电压是160-250V,但启动时,会有30005000伏的脉冲启动,会使得整个灯具可以达到3万瓦这样大功率的应用。但因为这样大功率的应用,能量非常高,使得整个汞灯的光谱,就不仅仅局限在253。7nm,会有一个非常宽的光谱。

因为能量比较大,放电弧区温度非常高,在6000K左右,主体部件温度在600-900℃,是非常高的温度,所以对于器件的材料、设计有更高的要求。比如一些末端的电极温度在15002000度的高温区间,需要考虑比较低热膨胀系数的材料,如钼材料。因为光谱很宽,所以有效消毒效率相对会低一些。

宽光谱也会同时具备消毒和协同氧化的功能。另外对于电压会相对比较敏感,整个输入电压和输出光功率几乎是一种线性的正比关系,相对来说剂量大小比较好调节。

 

脉冲氙灯(Flash Lamp

通常灯管中填充氙气,10-30 kV高压,等离子体温度8000-25000K,脉冲:~30Hz;寿命短,材料老化快;220-320nm以外光发射;可能的次级反应(硝酸根离子);商业化应用仍需推进。

由于这种技术设计。整个器件的寿命比较低,最多大概是一个月左右,材料老化很快,目前主要还在研发阶段,产业应用非常少。

  

气体放电灯总结

一般来说,低压汞灯和中压汞灯最大的差异是汞蒸气的蒸气压,使用的温度也非常不一样,低压汞灯相对低一点,低压高输出汞灯会稍微高一点,大约在60-100度。中压汞灯会到600-900度的区间,寿命方面低压汞灯是最长的。

效率部分,对于杀菌有效的能量效率,低压汞灯的能量转换效率大概是35%-40%,低压高输出汞灯大约在30%-35%,中压汞灯的是12%-13%,脉冲氙灯也是比较低的区间,功率密度方面,中压汞灯是最高的。

深紫外LED消毒灯

消毒用深紫外LED采用AlGaN材料;波长范围260-280nm;产品效率3-5%(效率亟需提升);

单颗芯片功率>5mW;无汞;无延时;体积小。

LED具有无汞、启动无延时、体积小的优势,在飞机或太空等需要便携式应用的场所,有相关应用。但在大规模净水领域,还没有达到跟汞灯媲美的效果。其中一个主要原因可能与产品效率低有关,现在深紫外LED的出光效率还在非常低的效率区间。从外延芯片制备到后端封装等环节,总体上,还有很多技术问题需要解决才能提高效率。


准分子灯(Excimer Lamp

准分子是一种半衰期非常短暂的分子状态,由同种原子或者异种原子组合而成。准分子可以通过自发辐射或受激辐射,释放出光子回到基态。不过,因为效率和寿命问题,基本上也处在研发阶段,对产业界基本没太大影响。


三、紫外探测器

紫外探测器主要用于检测净水设备中紫外光消毒剂量,从而监控消毒效果到底有没有达到理想中的效果。正常情况下是200-300nm日盲探测器探测紫外光,主要材料为AlGaN(不是书中所说的SiC材料)。

紫外探测器基本上需要每个月定期检测和校准,因为在流水处理中或净化处理中,经常会影响紫外灯光输出的衰减,会有变化。石英套筒本身会吸收,筒外会积攒一些水垢,会影响光输出,水本身也会吸收光。探测器窗口也会沉积一些东西来影响光的吸收。


四、石英套筒

为什么紫外消毒设备都采用石英材料做套筒?因石英材料对200-300nm的深紫外光透射率高;但石英表面温度高,易造成矿物质的沉积,需每月定期清洗2-3次;可以采用不锈钢刷,或加酸洗;或拆卸更换清洗,这也是净水工作中不可避免的操作。

五、辅助部件

电源,为紫外灯提供所需的电压和电流;镇流器提供稳定的电压和电流;镇流器效率92-95%

电源效率95-98%

控制系统包括紫外光剂量控制;水流量控制;石英套管透射率(UVT)监控;控制中心等部分。


大型紫外消毒设备


书中展示的一些大型紫外消毒设备,比如在美国、加拿大的一些设备,有些汞灯组件的功率都达到20千瓦的量级。

深圳第三代半导体研究院

第三代半导体是新一代电力电子、微波射频、光电子应用的核心材料和关键器件,支撑新能源汽车、高速列车、能源互联网、消费电子、5G移动通信、基于MicroLED的显示应用等产业绿色可持续发展。实现该领域核心技术的自主可控,是国家半导体战略的重要组成部分。

目前研究院正在建设中,建成之后,会形成六到八英寸的碳化硅以及氮化镓的宽禁带半导体的涵盖了一个晶体生长外延生长和器件制备一条线。包括微波射频、电力电子、光电子等方向,其中光电子涉及Micro LED、可见光通信、激光显示、紫外光源、医疗健康、环境探测等内容。

 

感谢联盟(CSA)提供机会,能在极智课堂上与大家分享消毒手册一书中关于紫外消毒设备部分的内容与收获,希望与各位专家一起交流合作。我们研究院也会就Micro-LED等课题在极智课堂的平台上与大家继续交流,敬请关注。  

问答环节

1。Micro LED面临LED芯片微缩和巨量转移两个难题,就这两个难道目前有没有新进展?

蒋振宇:芯片微缩的问题,最主要的还是芯片功率的一些线宽卡控等,实际芯片微缩现在还是可以做的。比如现在国内有厂商已经可以提供30微米这样尺寸的Micro LED芯片出货,或者更小尺寸的,现在可能量产有困难,但实验研发这部分问题不会太大。

巨量转移是很火的一个话题,有各种各样的转移方式,可以说是百花齐放的状态。这个技术难题到目前为止还没有完整成熟的量产化方案,目前最有希望的是巨量转移加修复的方法来实现。

如何通过转移和修复来控制成本,是业界关注的焦点,从一些报道中可以看到一些进展,大家可以多多关注一下。

2.深紫外LED采用AlGaN材料,目前产品效率3-5%,对于这种效率低下,主要困难点在哪里?有没有别的探索路径?

蒋振宇:深紫外LED效率问题是个困难点,这个困难从一开始材料生长就已经出现了,蓝宝石用的MOCVD设备基本上去长铝氮基本上就不好用了。其中一个困难点就是没有适合生长深紫外LED材料的反应器。

另外,效率低下的主要原因是出光效率,出光效率对应材料本身的吸光,在260-280纳米的材料,本身材料也会吸光。现在很多电极为了做P电极的金属接触,很多结构里还用了一层薄薄的PGaNGaN材料的禁带宽度是3.4eV,这个带宽260纳米的光基本100%全部都被吸收了,出光效率有不好影响。有很多研究机构想换成PAlGaN来做,后续的欧姆接触也是问题,材料掺杂也存在问题,影响效率。而且在蓝光LED中常用有机的硅胶来帮助出光的方式,在深紫外中无法用到。

种种困难导致目前效率比较低,而且效率低,芯片的散热问题也会非常严重,再加上材料质量本身也不是很好,深紫外LED的寿命与蓝光或其他无法相比,比如很多封装材料的寿命可能比芯片寿命更长,一些技术或材料本身的问题还没有解决。

探索路径也是开放的状态,国内外企业都有自己在探索,比如改造MOCVD设备等,随着市场慢慢打开,越来越多人进入这个领域,相信会有快速的发展。

深紫外UVC LED用的是倒装工艺结构,会导致反射镜、本身材料吸光等问题影响效率,也有一些研究探索想要做一种垂直芯片,增加光的透射率,可能会有一些帮助。封装方面,尝试用新的材料帮助出关或者表面粗化,还有一些纳米结构来帮助出光等,这些也是未来的一些方向。


 

(文字根据直播内容编辑整理,略有删减,仅供参考)

 

 

 
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