深紫外發光二極體的殺菌應用-有效、環保且節能的抗「疫」神器

林俊良 副教授/李偉彰 研究助理

崑山科技大學綠能科技研究中心 /   電機系

日益全球化與方便的交通載具，加大了人類的移動力，也讓人與人之間的接觸與互動更密切頻繁，一但有細菌或病毒引發的傳染病，將會導致傳染的路徑多元且迅速，我們熟知的有：2002年的嚴重急性呼吸道症候群(SARS)與2019年底爆發的嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)，兩者皆為人與人間的病毒傳播並蔓延到國際。當年SARS在全球共計有8,096例病例且造成774人死亡[1]，而統計至2020年5月20日止，全球COVID-19已有4,921,252人確診且造成322,039人死亡[1]，許多國家至今仍無法有效抑制疫情。因應日益難纏的細菌或病毒，除了需透過合作與工具以縮短開發疫苗的時程，也需要透過有效殺菌技術以截斷傳染路徑，好的殺菌技術應具備有效殺菌、節能、環保、可移動且有安全設計等要件。

目前市面上的殺菌技術與產品琳瑯滿目，根據殺菌原理整理在表1。照射紫外線C波段(UVC)(波長範圍100~280 nm)的光線，可以直接分解細菌或病毒的DNA、RNA；照射紫外線A波段(UVA)的光線激發光觸媒，可以在觸媒表面產生強氧化劑，再氧化光觸媒表面的細菌或病毒蛋白質；酒精可使細菌或病毒蛋白質脫水死亡；次氯酸鈉、次氯酸水、氯氣及臭氧等，則可直接氧化細菌或病毒的蛋白質；高溫加熱可以去除細菌或病毒蛋白質中酵素的活性，使細菌或病毒無法代謝而死亡。酒精擦拭是相當有效的殺菌方法，但長期吸入揮發的酒精會影響人類神經系統，同時也不適合長時間碰觸皮膚；次氯酸鈉、次氯酸水、氯氣及臭氧等殺菌方式，除了有儲存不穩定之外，於殺菌後易產生異味或有殘留汙染疑慮，需謹慎使用；高溫加熱殺菌則相當耗能且耗時。因此直接照射UVC波段的光線，以分解細菌或病毒，已普遍應用在水處理與產業。

表1 各種殺菌技術的殺菌原理。

UVC殺菌光源比較

目前常見的UVC光源主要有汞燈與UVC-發光二極體(LED)，其中汞燈峰值波長固定在254 nm，UVC-LED則可透過磊晶結構設計，調整光輸出波長在200~280 nm之間，兩種光源的特性比較整理在表2。汞燈採用高電壓激發汞蒸氣發射UVC光線，扣除低效率的安定器與熱耗能後，在波長254 nm實際效率僅10~30%，在殺菌效率較高的波長265 nm發光效率更低，此外汞燈具有較寬的光譜波峰半高寬、壽命短(6-8千小時)、運作溫度高、啟動速度慢、體積龐大、外殼玻璃易因撞擊而破碎損毀且內含危害環境的汞。UVC-LED主要是由半導體P-N接面組成的發光元件，透過電子電洞複合發光，與汞燈的發光機制不同，在UVC波段相較於汞燈有較高的發光效率，因此相對較為節能，此外還具有較窄的光譜波峰半高寬、壽命長(1萬小時以上)、可低溫操作、點滅快、堅固耐用、體積小、不含汞等優點。根據2017年8月16日生效的《水俁公約》，2020年全球將禁止生產及進/出口含汞量超過5 mg的光源，隨著UVC-LED的快速發展與技術突破，將可進一步促進UVC光源的無汞化。

目前市面上長管狀的汞燈長度約10~30 cm，不方便攜帶且有照射死角。單顆封裝後的UVC-LED尺寸均小於1 cm，可以靈活配置設計與應用，因此吸引國內外大廠與研究單位積極投入模組與產品的開發，包括：工研院、光鋐、研晶、晶電、隆達、億光、誠創科技，南韓的LG Innotek與Seoul Viosys，日本的Nikkiso、Nichia及DOWA。隨著COVID-19疫情蔓延，在缺乏標準與規範下，許多號稱具有殺菌效果的產品蜂湧而出且參差不齊，讓消費者無所適從。