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20年坚守填补紫外LED产业空白 汉造“小太阳”跻身全球一流

武汉光电国家研究中心2018-06-20 08:31:36

一枚小小的LED灯,宛如人造“小太阳”,装在空调、净水机上,可以消灭 99.99% 以上的细菌,市场规模达百亿之巨。


这一成果,已从武汉优炜星科技有限公司的实验室里,变成现实——其研发的深紫外LED灯,单颗灯珠功率达到18毫瓦,比肩美国SETi、日本日亚等国际一流大厂。


这一技术,填补了湖北紫外LED 产业空白,提升了我国在半导体紫外LED领域的研发能力及产业化水平。



武汉光电国家研究中心教授、武汉优炜星科技有限公司创始人 陈长清


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陈长清生于福建。1988年,17岁的他考入武汉大学物理学系。1995年硕士毕业后,先后赴中国科学院上海冶金所和德国埃尔朗根—纽伦堡大学(University of Erlangen-Nürnberg)求学,并在德国取得博士学位。


而后在美国南卡大学(University of South Carolina),他师从知名学者Prof. M. Asif. Khan,在其指导下从事III族氮化物半导体材料与器件研发工作,由此进入紫外LED领域,转眼已近20年。


LED真正为大众所熟知,是2014年赤崎勇、天野浩、中村修二等3位科学家,因发明蓝光LED技术而被授予诺贝尔奖。


陈长清说,蓝光LED属于可见光,而他所研究的紫外LED属于不可见光,波长更短,能量更高。从全球LED技术发展趋势来看,紫外LED研究难度更大、应用领域更广、商业价值也更高。


美国Sensor Electronic Technology传感器电子科技有限公司(SETi),研发的紫外LED消毒杀菌技术,被美国宇航局在太空空间站上使用。这一技术能快速对太空空间站的物体表面、液体和空气进行消毒,使太空净水供应系统杀菌率高达99.99%。


SETi 还为美国海军研发了一个可供军人野外使用的独立便携式水净化系统。利用军用水壶上一个小小的LED灯珠,就可以将任何流动水源净化为饮用水。

紫外LED 消毒杀菌率高达99.99%


2015年,韩国一家医学研究机构,甚至将该技术应用于C型肝炎治疗上,结果发现99.9%的C型肝炎病毒在照射5分钟之后被杀死。


从空气净化器、净水器到冰箱的消毒杀菌,到治疗皮肤病的医疗领域,再到喷墨印刷固化、电子产品的胶水固化和光纤固化等工业领域,紫外LED技术的时代已经来临。


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长期以来,紫外LED技术一直被国外企业垄断,中国厂家使用相关技术和产品,成本高昂。


2015年,陈长清从美国回国创业,在武汉光电工业技术研究院孵化平台上,组织专业研发团队,从事紫外LED技术的研发与产业化。


他说,太阳光包含不同波长的光。400纳米以上的是红、绿、蓝等可见光,而400纳米以下的紫外线是人眼不可见的,英文是Ultraviolet,简写为UV,翻译成中文就是“优炜”。


他便给公司取名优炜星。


要突破技术垄断,必须从最基础的材料开始。在LED技术产业链上,LED外延片衬底材料最为关键。它是制造紫外LED最核心的器件,对最终产品品质、成本控制影响最大。


当时,美国 SETi 公司技术最先进,可在蓝宝石衬底上生长出0.3微米厚的AlN单晶薄膜。陈长清与研发团队的戴江南、张建宝等多名博士,在此基础上不断改进创新,历时4年时间,终于制备出10微米厚的AlN单晶厚膜,厚度达SETi的数十倍,大大提高了LED外延质量。

美国SETi 公司可在蓝宝石衬底上生长出0.3 微米厚的AlN 单晶薄膜


而紫外灯珠的制备,还面临另一个难题:必须在同等面积上,封装集成更多的灯珠,实现更高功率密度的紫外光照,才能在技术性能上与国外竞争。


这一过程中,能否更有效地散热,成为决定技术成败的关键。


优炜星研发团队经过反复试验,选择了具有高导热系数的氮化铝陶瓷作为基板,采用全球最先进的倒装共晶技术进行封装,成功使光源模组的热阻降低到每瓦5.5K以下,远低于国外企业每瓦20K的水平。


项目研发过程中,一块集成电路板,曾卡住陈长清的“脖子”。他回忆,因为做一个电路板,要完成印刷、贴片、回流焊、检测等多个步骤,需要在SMT贴片加工生产线上进行产品“打样”。


本地拥有SMT生产线的企业,多是大型企业,不接小批量、个性化订单,而小作坊又实现不了产品的高端需求。不得已,优炜星只得在广州找工厂委托生产,不仅沟通成本高,研发也受限。


为解决这一困局,光电工研院成立公共服务平台,引进多条专业的第三方SMT生产线,专为初创企业的研发、产业化试验服务,即使一片样品也能生产,而且可以随时进行修改、迭代。


该平台前后为优炜星做了120多个小型电路板,总价仅为7000多元,每片电路板样品成本不足60元。即便如此,平台依旧安排专人,用一条独立生产线为其生产,并跟踪样品的质量和使用情况。


“不亚于斯坦福大学的服务平台。”陈长清感慨。


截至目前,陈长清带领团队申请了近20项专利,成功研制出性能世界领先的全波段紫外UV-LED核心器件,并成功应用在固化、医疗、杀菌、消毒等民用领域及国防军事领域。


2016年,因贡献突出,他成为武汉“城市合伙人”。


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拥有先进技术后,优炜星开始紧盯市场需求,研发各类新产品。


陈长清认为,只有将先进技术转化为符合市场需求、满足客户要求、品质优良的产品,企业才能生存,创新才有意义。


他瞄准的第一个行业是印刷业。


当时,公司CTO戴江南博士的一位同学,恰好在光谷一家印刷企业工作。他无意间提到,该公司年营收达一两亿元,但印刷机上使用的紫外LED灯全部都是日美产品,价格高昂。


陈长清闻讯后,马上与客户接触,凭借过硬的技术实力顺利拿下订单,将这家企业所使用的紫外LED设备全部替换为自主研发的产品,实现了100%国产化。


自2008 年以来,紫外LED 产业已实现6 倍增长


陈长清说,在印刷行业中,喷墨打印机将墨粉喷印在纸上时是湿的,紫外LED灯的作用是利用发出的紫外线,催化油墨发生交联反应,从而“干燥”固化。“这一技术早已形成,只是外企垄断多年,优炜星所做的便是用性能更佳、价格更优的产品进行替代。”


某光纤光缆企业的光纤拉丝塔中,需要使用紫外光源对光纤涂覆层进行固化。此前,该企业使用的是传统UV 汞灯,能耗高、寿命短。优炜星与其合作,设计、制备的紫外LED灯,寿命达到汞灯的5到10倍,能耗仅为传统汞灯的30%。


上述产品,使用的主要是波长在320至400纳米的近紫外LED。


而现在,优炜星的目标,是积极研发波长200至320纳米之间的深紫外LED,并首次将功率提升至18毫瓦,达到世界一流水平。深紫外技术虽也主要用于杀菌消毒,应用领域却更为广泛。产品一旦成熟,将LED灯装在空调、净水机、冰箱、汽车上就能消毒杀菌。

LED 植物生长灯


“试想一下,如果全国所有的冷链物流车和所有大型商超的保鲜货柜上,都装一排深紫外LED灯,那么全国的水果、蔬菜、海鲜、肉类保鲜期,就能延长一天,这将产生多大的市场价值?”陈长清兴奋地提出。


曾有媒体测算,目前全中国家庭使用的消毒柜、洗碗机、净水器、空调、冰箱、洗衣机和汽车,总规模超过10亿台次。如果以每台商品在深紫外LED上平均消费10元,销售收入将超过100亿元。


目前,优炜星已与某日用电器龙头企业合作,研发用于消毒柜、冰箱等白色家电的紫外杀菌光源。同时,还与法国PSA集团合作,研发用于车载空调的空气净化系统。



来源:
“武汉光电工业技术研究院有限公司”公众号



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