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用光守護你我健康 - 談深紫外光LED在微生物消毒的應用

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用光守護你我健康 - 談深紫外光LED在微生物消毒的應用
  • 作者

    傅毅耕
  • 簡介

    傅毅耕博士於2010年取得國立中央大學(National Central University, NCU) 光電工程與科學的博士學位後,即加入工業技術研究院-微型光電元件與系統應用組擔任工程師,嗣後升任部門經理到擔任研發副組長,帶領組專精於III-V化合物半導體磊晶元件與模組應用,2017~2018年共獲得三次美國R&D100世界百大發明獎,2020年榮獲經濟部法人科專研發服務卓越獎。工作至今共發表了20篇SCI/EI論文與獲證33件專利。目前聚焦於III-V化半之深紫外光發光二極體、大尺寸矽基氮化鎵功率元件、紅外垂直腔面面射型雷射的研究。

  • 單位

    工業技術研究院
  • 文章來源

    可攜式智能流動水產品-榮獲美國R&D100百大發明獎
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  化合物半導體繼矽半導體之後,被各國視為重要戰略物資,應用面涵蓋發光元件、感測元件、功率電子元件與微波通訊元件等。自COVID-19疫情爆發以來,促使民眾重視健康安全議題,現行的汞燈管因2020《水俁公約》而禁止生產及進出口含汞產品,深紫外光已被證實能有效消滅冠狀病毒等危害,加上化合物半導體擁有發光與波長可調的特性,將能應用於環保節能UVC LED。目前臺灣不易取得技術難度高的元件,造成下游產業受到限制,為協助臺灣業者掌握關鍵技術,經濟部技術處支持本計畫團隊,建置了UVC LED元件模組試量產平臺,成功突破元件發光效率瓶頸,,研發了七款產品,並落實三件產品量產成功,快速輔導光電業者、傳統產業、醫院與新創業者轉型和加速研發時程,降低產業界投資風險,成功的建構我國UVC LED上中下游產業鏈,同步結合政府的人才培育相關計畫,為產業界訓練實務人才。


  綜觀半導體材料的發展歷史,從第一代矽、第二代砷化鎵到現今的第三代寬能隙化合物半導體可透過不同材料的結合,實現了包含發光、感測、功率電子與微波通訊等元件,進而創造了智慧手機、5G通訊、自駕車與AR/VR顯示器等新應用產生,也因為如此,化合物半導體是繼矽半導體之後,各國視為重要戰略物資的發展重點。

  掀開近代人類的歷史,從西元1350年的黑死病大流行、2002年的SARS到2020年的COVID-19,無處不在的傳染源,威脅著人類的生活健康。深紫外光(UVC)的光線可直接破壞細菌和病毒裡的脫氧核醣核酸(DNA)和核醣核酸(RNA)鍵結,物理消毒機制而無化學藥劑殘留,可廣泛應用在民眾生活上,提供健康安全的光防護,然現有技術仍仰賴汞燈管產生UVC光源,不僅體積大、燈管易碎,還容易產生汞污染問題,對環境危害也大,因此促成了140多個國家簽署了《水俁公約》,自2020年起禁止生產及進出口含汞產品,而化合物半導體因擁有直接能隙發光與波長可調的特性,應用於環保節能之深紫外光發光二極體將是國際光電大廠下一個研發的主戰場。

  臺灣雖具備完整LED產業鏈,在紅光~近紫外光(365nm)元件與光模組具有國際競爭力,然而UVC LED元件技術仍落後國際大廠一大段距離,導致臺灣不易取得高效率的UVC LED元件,箝制了國內產業難以發展各式模組產品應用。所幸在經濟部技術處法人科專的支持下,建置了「UVC LED元件模組試量產平臺」,成功突破元件發光效率瓶頸,透過奈米圖案化基板技術獲得高品質薄膜、特殊多層量子井結構設計獲得高內部量子效率以及多指叉電極與鑽孔技術獲得高元件取光效率,元件亮度從研發初期的10mW提升到世界第一100mW水準,團隊針對水、空氣與物體表面消毒等應用,研發了七款產品,快速輔導光電業者、傳統產業、醫院與新創業者轉型和加速研發時程,降低產業界投資風險,成功的建構我國UVC LED上中下游產業鏈,同步結合政府的人才培育相關計畫,為產業界訓練實務人才,榮獲了2020年法人科專計畫之研發服務卓越獎之肯定。

  傅博士和團隊將其高效能之UVC LED應用在各式民生消費性產品上,首創可攜式除氯除菌光淨水飲瓶和筷潔菌產品,僅需10mW光功率即可在45-60秒時間內,將350ml水與筷子達到99.9%大腸桿菌除菌率,創新應用成果榮獲2016 Computex BC AWARD和資訊月百大發明獎,並促成合作廠商在臺成立UVC LED新事業部並完成產品上市數千套,更進一步的與醫療院所-彰基醫院合作,完成三款產品研發,解決院內物品交叉感染問題;成功開發全球第一款智慧可攜式UVC LED流動水消毒系統,具有微型化反應腔,兼具雙軸向光學與流場設計,整合智能感測功能,對比傳統汞燈管系統,體積縮小1/3且使用時間提升三倍達三年之久,榮獲美國2018 R&D 100 Award大獎肯定,2020年透過與慈濟基金會的合作,研發急難救助可攜式過濾系統,讓慈濟未來在全球災難救助時候,能快速提供安全的飲用水。

  傅博士認為技術不能只停留在研發階段,更要能將技術實現至業界做生產,方能完成研發的最後一哩路,因此,團隊成功的協助了合作夥伴於工廠內建置了三條UVC LED元件生產線,技術授權使其量產元件效率達到世界第一,並完成三項UVC LED產品量產並上市發售,相關技轉與合作金額已超過1.5億元。 

  展望未來,晶粒光源仍是UVC LED產品裡中最核心的關鍵零組件,本團隊將進一步提升元件可靠度與效能,讓臺灣的元件朝向高端與高價值發展,並利用LED波長可調性特性,發展新的應用,例如可攜式即時微生物感測技術,讓防疫科技產品有如長了眼睛一樣,能感測周遭環境微生物狀況以做好預防,更例如在COVID-19疫情爆發下,快速地完成口罩復甦機,能在一分鐘內完成口罩表面細菌與病毒消毒,重複使用達十次以上,透過不斷的精益求精,為人類的健康貢獻一己之力。

 
 

 延伸閱讀-科技部(科技大觀園) 

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