深入剖析UV-C LED技術及其在消毒領域之應用

作者 : Alexander Wilm、Christian Leirer、Hans-JürgenLugauer、Marc Patrick Hoffmann,ams OSRAM

為了對UV-C LED替代現有UV-C燈具傳統光源時間點,進行實際、合理的評估,我們進行了整體擁有成本(TCO)評估。在此評估中,我們僅關注UV-C光源。燈具外殼、尺寸、設計等其他成本因素暫不作考慮。

過去幾年來,UV-C LED日益受到關注,因為它們可以作為小巧的UV-C輻射源,應用於消毒,特別是消費性市場上對輻射通量要求較低的行動應用,能以這些基於全新氮化鋁鎵(AlGaN)材料系統的LED來解決。相較基於廣為人知的成熟系統氮化銦鎵(InGaN)的藍光和白光LED,UV-C LED仍處於技術導入階段。

 

圖1:UV-C LED和UV-C燈具在產品生命週期曲線上所處的位置。

 

另一方面,市面上有傳統的低壓水銀放電燈,這是一項有著數十年歷史的成熟技術。由於LED參數相較於傳統燈還存在很大差異,要以LED直接替換所有UV-C燈具在目前看來是一個雄心勃勃的目標。

然而,從其他應用導入可見光LED的實際經驗來看──例如車用照明、通用照明和植物照明,其發展速度相當快,因此轉向採用新技術的速度可能比預期更快。圖2概括了ams OSRAM當前UV-C LED產品組合的功率等級、驅動電流和效率。由此可以得出關於替代傳統燈具的初步結論。

目前,UV-C LED的輻射通量與傳統UV-C燈具相較,低了4~100mW,但在所有其他LED應用中,傳統UV-C燈具並非一對一地被替代,而是被多顆以不同數量和形狀排列的LED所替代。與傳統燈具相較,另一個較大差異就是光電轉換效率(wall plug efficiency,WPE;EETT編按:又被稱為「插座效率」)。

想要輕易彌補與UV-C燈具在高效率上的巨大差異,目前看來LED尚無法做到。在通用照明應用中,使用低電流密度的LED來提高照明效果是一種常見的做法。遺憾的是,效率上的巨大差距無法透過這種方式來彌補。

 

圖2:ams OSRAM UV-C LED產品陣容概覽。

 

在很多應用中,使用壽命被視為LED光源的一大優勢。在這方面,LED的性能遠優於其他傳統光源,並且支援採用完全不同的系統設計,因為光源在產品的使用壽命內無需更換。對於UV-C LED而言,由於新材料系統在解決InGaN已知的老化問題方面出現了新的挑戰,因此其發展仍處於起步階段。

最後,在性價比方面,LED與傳統燈相差甚遠。我們所定義的性價比是指UV-C波長範圍內的輻射通量成本,以歐元/瓦(€/W)或美元/瓦($/W)為單位。目前,UV-C燈具和LED的成本之間大約有100倍的差距。

這種情況看起來相當具有挑戰性,但與傳統燈具相比,LED也有其優勢所在。傳統燈具的光譜主要由波長254奈米的水銀發射譜線(emission line)決定,波長無法改變或調整。LED的發射波長則可調節和最佳化,從而達到最高效率。

一些研究和標準顯示,265奈米波長的光線殺菌效果最為理想,這也是UV-C LED的最佳化目標。在此波長下,UV-C LED的殺菌效果比傳統燈具高15%左右,而達到相同殺菌效果所需的系統輻射通量可降低15%。

這項新技術的另一大優勢是,開關不會影響LED的壽命。傳統燈具的開關次數有限,因為開關會對使用壽命產生不利影響。

從應用角度來看,LED最大的優勢在於外形小巧,且具有類似點光源(point light source)的特點。高輻射可實現狹窄光束的輻射特性,從而使小巧、高效率的系統設計成為可能。在這種情況下,UV-C燈具的光學效率可以遠高於那些低輻射、發射面積較大的燈具系統。

UV-C LED的發展和應用效率

根據目前的UV-C LED參數,LED似乎很難在短期內替代UV-C燈具。為了對UV-C LED替代現有UV-C燈具傳統光源時間點,進行實際、合理的評估,我們進行了整體擁有成本(TCO)評估。在此評估中,我們僅關注UV-C光源。燈具外殼、尺寸、設計等其他成本因素暫不作考慮。

在評估中,TCO是指最初購買UV-C光源的成本、使用壽命結束時更換光源的成本,以及燈具使用過程中由UV-C光源產生的能源成本。TOC的計算是以圖3所示的LED和燈具系統的四個主要輸入參數,包括性價比、效率、使用壽命和應用效率。

圖3:計算TCO的4個輸入參數。

圖3:計算TCO的4個輸入參數。

對於每個輸入參數,我們都考量了它們目前的狀況,以及來年至2030年的發展情況。這些對未來情況的預測均基於內部估計和假設,以及市場研究中得出的見解,可能會發生變化,無法給予保證。

性價比發展趨勢

圖4中的性價比發展趨勢可能是最受關注的一點,因為從目前的角度來看,UV-C LED和UV-C燈具之間的差距較大。

圖4顯示了LED和傳統燈具之間性價比係數的發展趨勢。該係數表明了UV-C LED光源比UV-C燈具貴多少倍,單位為€/W。由於不同LED和傳統燈具類型以及功率等級之間的價格差異很大,因此為該發展藍圖假設了一個平均值。目前,該係數約為100。

一些具說服力的跡象表明,UV-C LED的性價比將在未來一年顯著提高,並且將越來越接近傳統燈具的成本。最有意思的一點是:是否必須達到傳統低壓水銀燈相同的性價比水準,UV-C LED才能在消毒應用中具有競爭優勢並替代傳統燈?答案顯然是否定的。

 

圖4:到2030年之前UV-C光源的性價比發展藍圖。

 

對比其他LED成功替代傳統光源的應用,可以清楚看到,未必非要達到傳統燈具的性價比,才能實現替代並在應用中獲得成功。圖5的兩個範例顯示了街道照明和植物照明應用中LED的性價比發展趨勢。

在街道照明應用中,白色大功率LED的價格在過去幾年中已大幅下降。即便在目前,LED光源的價格──單位為歐元/流明(€/lm)──還是高於傳統光源,但LED已被視為新式街道照明的先進光源。

 

圖5:LED在街道照明和園藝應用中的性價比發展趨勢。

 

植物照明應用中的LED也是如此。與街道照明應用中的白光LED相比,植物照明應用中紅光LED的性價比差異更加明顯。然而,目前大多數新設計都是圍繞LED光源進行的,園藝LED市場也在不斷成長。

這清楚表明,儘管性價比是系統設計過程中的重要因素,但並非一定要達到傳統燈的性價比才能在應用中取得成功,因為判斷依據並非只有性價比這一個因素,還要結合整個系統,並且在計算TOC時,要將LED設計的所有其他參數納入考量。

效率

接下來要討論的參數是圖6中的光源效率。從圖中可以看出,UV-C燈具的效率遠高於UV-C LED。由於本次評估假設LED的峰值波長為265奈米,因此效率已做調整,並按提高15%調整到265奈米時的殺菌效果。

 

圖6:到2030年UV-C光源的效率發展藍圖。

 

假設傳統UV-C燈的效率發展趨勢十分平緩,因為該技術已非常成熟,預計未來幾年有所改善的可能性不大。由於UV-C LED仍處於技術導入與初期發展階段,預計未來幾年將有顯著的進步。有待改善的幾個方面包括磊晶層、晶片設計和結構,以及封裝設計和材料等。

壽命

LED的改善還需考慮使用壽命的延長,如圖7所示。在合理的運作條件下,LED的使用壽命已經達到目前普通UV-C燈的使用壽命範圍,並可望在未來幾年有所提高,這將顯著影響TOC計算中UV-C光源的成本,因為更換LED光源非常昂貴。而傳統UV-C燈的使用壽命預計不會有所改善。

 

圖7:未來幾年UV-C光源的使用壽命發展藍圖。

 

LED系統還有另一個特點,就是能與UV感測器結合使用,確保閉路監控系統中的持續輸出。由於LED是電子元件,其電流源可以透過微控制器實現輕鬆控制。如果輻射通量下降,系統中的UV感測器可以測量到偏差,微控制器則可相應調整LED驅動器的電流,使應用中的目標輻照水準始終保持在所需水準。

效率

計算TOC的最後一個輸入參數,是UV-C燈具在不同應用中的應用效率或系統效率。圖8中所示的四個應用可作為範例,用於展示和判斷應用效率對TOC計算的影響。這些數值均來自產品資料手冊和內部模擬。

 

圖8:傳統燈具和LED系統用於UV-C消毒的應用效率。

 

在UV-C上層空氣處理應用中,系統在天花板下產生一道非常窄的UV-C輻射光束。由於要求輻射範圍小於10°,而且燈具的尺寸有限,因此可認為該系統集光率有限,並且很難透過光學元件將UV-C燈的輻射導入窄光束。

在燈具尺寸一定的情況下,只能藉由犧牲大量輻射,以作為系統中的光學損耗來實現這項任務。LED的高輻射點光源特性可以高效率準直(collimated),因此非常適合這類應用。應用效率的巨大差異將對TOC的計算產生極大影響。

圖9:傳統燈具和LED系統的TOC比較範例。

圖9:傳統燈具和LED系統的TOC比較範例。

在UV-C空氣處理應用中,空氣在通風作用下通過燈箱時,由UV-C輻射進行處理。使用傳統燈具時,根據燈箱的長度,光子從光源傳播到燈箱壁的自由距離會非常短。因此,燈箱壁的反射率對系統效率有很大影響。模擬結果顯示,與傳統燈具系統相比,在光學輻射通量相同的情況下,具有準直窄光束的LED系統在系統內的平均輻照度可能要高出2~3倍。

在表面處理應用中,則使用簡單的UV-C棒式燈具。目標是將輻射均勻地覆蓋表面。這就要求燈具基本上要具有半球形的輻射特性。如果使用傳統燈,則必須使用反射系統將全向輻射轉化為半球形輻射。

這些系統會造成光學損耗,降低燈具的應用效率。UV-C LED的優勢在於其固有的半球形輻射特性,這有助於降低系統中的光學損耗,提高應用效率。

本次評估的最後一個應用是UV-C城市飲用水處理。在此應用中,LED和傳統燈具系統的應用效率非常接近。傳統燈的全向輻射特性和大輻射面積,在系統設計中沒有明顯的不利影響,因為水通常在光源周圍流動,沒有任何額外的光學系統。

大型LED反應裝置仍然很少見,內部模擬和評估表明,由於LED系統的小尺寸、輻射特性和佈置靈活性,在應用效率方面的優勢不大,未來隨著新LED反應裝置設計的出現,這一點可能會有所改變。

基於這些UV-C光源的輸入資料、隨時間推移而發生的進展,以及對每種應用的系統和運作參數所做的假設,對TOC的評估是未來幾年到2030年的情況,其中僅關注UV-C光源。圖9顯示了一個範例。

整體成本包括UV-C光源的成本部分,該部分考量最初採購光源的費用,以及光源達到壽命期限時的汰換費用(按5年使用壽命計算)。第二個部分是考量系統中UV-C光源在使用壽命期間所用能源的累積成本。這兩部分共同組成了傳統燈具系統和LED系統中UV-C光源的TOC。

UV-C上層空氣處理應用TOC評估結果

如前所述,傳統燈具和LED系統在光學效率上的巨大差異,對TOC計算中的成本構成有極大影響,如圖10所示。相較於佔比較大的能源成本,傳統燈具系統的UV-C光源成本極低。這是由於系統的低光學效率所導致。

在LED系統中,能源成本佔比較小,而UV-C光源成本佔比較大。從這裡可以看出,對於集光率有限的系統而言,高輻射或點光源特性優勢明顯,但同時LED產生的UV-C輻射的價格居高不下。評估結果表明,用LED替代傳統UV-C燈在目前已成為可能,而且,LED系統相較傳統燈具解決方案的節省優勢,在未來幾年將增加。

 

圖10:未來幾年UV-C上層空氣處理應用的TOC評估。

 

UV-C空氣處理應用的TOC評估結果

 在UV-C空氣處理應用中,不同UV-C技術間的應用效率差異正在逐步縮小。因此,傳統燈具和LED燈具的能源成本非常接近。

圖11顯示,未來幾年,TOC的巨大差異是由UV-C光源成本造成的。圖中可以看出,LED的價格較高,導致TOC較高。但根據發展藍圖,到2025年,LED效率的提高和光源成本的降低使LED系統略呈優勢,表明其替代傳統燈具的可能性。

 

圖11:未來幾年UV-C空氣處理應用的TOC評估。

 

UV-C棒式燈具表面處理應用TOC評估結果

隨著傳統燈具和LED系統之間的應用效率差異進一步縮小,輸入參數的性能差距對TOC的影響更加直接,如圖12所示。

燈具的電效率與UV-C光源效率更加直接相關。因此,效率路線圖中所示的傳統燈和LED之間的差異主導著圖表所示趨勢的走向,並表明LED系統會在2026年至2027年左右替代傳統燈。值得注意的是,近年來,僅UV-C LED光源的成本而言,仍然明顯高於傳統UV-C燈具,但如果綜合考慮效率、使用壽命和應用效率,兩種光源的TOC不相上下。

 

圖12:未來幾年UV-C棒式燈具表面應用的TOC評估。

 

UV-C城市飲用水處理應用的TOC評估結果

要替代傳統UV-C燈具,挑戰最大的領域可能是大規模的水處理應用。此類應用中,應用效率的差異非常小,因此UV-C光源參數(如性價比、效率和使用壽命)的直接差距就在計算中扮演主導角色。

根據圖13的計算結果,在飲用水處理應用中以LED光源替代傳統燈具,較為合理的時間點可能在2027年到2028年左右。這一預測可能會隨著新型反應裝置設計的出現而有所改變。這些反應裝置注重利用LED的特性,但目前的應用效率差異相當小。

 

圖13:未來幾年UV-C城市飲用水處理應用的TOC評估。

 

綜觀UV-C燈具和系統市場的替代發展藍圖

基於之前對不同應用的評估,關於用LED替代UV-C燈具,似乎可以歸納出三組不同的結論:

應用優勢明顯──這一組涵蓋上層空氣處理等應用,傳統燈具系統和LED系統在應用效率上有很大差異。也適用於其他應用要求,如窄輻射特性、頻繁開關或有衝擊或振動的環境。

應用優勢中等──這一組涵蓋空氣處理或表面處理等應用,應用效率差異中等。也適用於具有其他半球輻射特性、區域均勻輻射或低輻照度下長時間輻射的系統。

應用優勢較小──這一組涵蓋大型水處理等應用,在此類應用中,可以假設應用效率沒有差異或差異很小。此外還包括全向輻射應用。

接下來,我們預估了可能被UV-C LED替代的UV-C燈具和系統的整體市場,以及空氣處理、表面處理和水處理等次級應用的市場規模。每個次級應用都根據三組應用優勢進行了分組,並根據TOC計算確定了光源替換的合理時間點。圖14顯示了這種趨勢曲線。

 

圖14:未來幾年LED在傳統UV-C照明燈具和系統市場的滲透率。

 

分析結果顯示,僅對不同技術的關鍵參數進行直接比較,並不能對替代的時間點做出確切評估,因為應用效率和系統設計也有很大影響,必須在評估中予以考量。

結論與展望

透過比較可清楚看到,基於LED的獨特功能及特性,隨著其性價比、效率和使用壽命的不斷改進,與傳統光源的關鍵參數之間存在的差異將在未來幾年內顯著縮小。基於LED的設計在應用和系統效率方面均具有明顯優勢。如果與UV感測器結合應用,可帶來更多優勢,包括大大延長LED光源和整個系統的使用壽命。

UV-C燈具的汰舊換新已經開始,未來幾年將不斷出現在越來越多的應用中。預期到2025年,傳統UV-C照明燈具和系統將有50%的市場被UV-C LED佔據。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

責編:Judith Cheng

 

 

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