UVC LED的專利分析與技術構成研究

武傳龍 趙媛媛 朱 青 郄軍建 高鵬飛

（濰坊市知識產權保護中心，山東 濰坊 261000）

0 引言

根據波長可以將紫外線劃分為UVA長波紫外線（波長范圍為315 nm～400 nm）、UVB中波紫外線（波長范圍為280 nm～315 nm）、UVC短波紫外線（波長范圍為200 nm～280 nm）以及UVD真空紫外線（波長范圍為100 nm～200 nm）。其中，用于消毒殺菌的主要是深紫外線（UVC），波長為200 nm～280 nm。

與化學或加熱殺菌消毒相比，紫外線殺菌消毒具備以下優勢：1） 效率更高。韓國首爾偉傲世和美國 SETi 公司采用深紫外LED成功地在30 s內殺死99.9%的新型冠狀病毒。2） 廣譜性強。可以高效率滅殺絕大部分細菌和病毒。3） 無二次污染。紫外線可以使細菌和病毒直接死亡，不會產生其他化學污染物。目前，用于殺菌消毒的紫外光源主要有2種，傳統汞燈和UVC LED。與傳統汞燈的缺點相比，UVC LED具有明顯的技術優勢，其具備節約能源、即開即用、節省空間、免除維護、無毒無害、壽命長以及無刺激性氣味等優點。

1 專利檢索

檢索數據庫選擇IncoPat數據庫，IncoPat數據庫目前收錄了全球120個國家、組織或地區超過1.4億件的專利文獻，其數據采購自官方和商業數據提供商，集成了專利檢索、專題庫、分析和監視預警等多個功能模塊，并且對專利著錄信息、法律、運營、同族以及引證等信息進行了深度加工及整合，可實現數據的24 h動態更新的功能。其關鍵詞包括“UVC”、“深紫外”、“短波紫外”、“LED”以及“發光二極管”等，合并同族、降噪分析后共檢索專利族2 121個。

2 專利申請態勢

2.1 申請-公開趨勢

UVC LED專利申請量和公開量的發展趨勢如圖1所示。通過趨勢可以從宏觀層面把握分析對象在各時期的專利布局變化。專利公開與專利申請相比存在一定滯后性，一般發明專利在申請后3～18個月公開，實用新型專利和外觀設計專利在申請后1～15個月公開。由圖1可知，從申請量來說，2014年以前屬于UVC LED專利申請的起步階段，累計申請量只有200多件，且申請人主要是科研機構、高校及個人。2014—2019年屬于穩步發展階段，越來越多的企業開始布局UVC LED市場，例如國內的杰生電氣、鴻利光電。2019年至今屬于迅猛發展階段，尤其是2020年受疫情的影響，各大廠商開始紛紛加大布局并加速技術研發，搶占市場份額，加速專利布局，僅2020年專利申請量就有687件。可以預見2021年關于UVC LED的專利申請會再創新高（部分2021年的專利申請未公開），其市場競爭也會更加激烈。

圖1 專利申請量和公開量的發展趨勢

2.2 專利技術生命周期

生命周期分析是專利定量分析中最常用的方法之一。通過分析專利技術所處的發展階段，推測未來技術發展方向。該文截取2011—2020年（2011年前專利申請量較少，2021年還有大量申請未公開）的數據繪制VUC LED的生命周期圖，如圖2所示。由圖2可知，VUC LED專利申請數量和申請人數量隨著時間的推移呈向上發展的趨勢。尤其是2019—2020年專利申請數量和申請人數量呈爆炸式增長。2011—2020年申請人的平均申請量小于1.5件，2020年702件專利的分屬于498個申請人，每人平均只有1.4件。可見UVC LED正處于技術創新的成長期，無論是專利申請量還是申請人數量都在穩步增長，技術集中度降低，技術分布的范圍呈擴大化趨勢。隨著目前世界各國對UVC LED的重視與投入，技術突破與產業發展將進一步提升。

圖2 UVC LED專利技術生命周期

2.3 專利申請所屬國分布

UVC LED在各個國家或地區的專利申請數量占比排行情況如圖3所示。通過分析可以發現，UVC LED的專利申請主要來源于中國、美國、日本和韓國。其中，中國在UVC LED領域的最大，其專利申請量至少占全球申請量的2/3，美國、韓國和日本的占有量均不足10%。由此可以看出，中國是UVC LED技術創新的最活躍來源國和重要的目標市場。

圖3 UVC LED全球專利申請數量占比排名

2.4 申請人排名

UVC LED領域按專利數量統計的申請人排名情況如圖4所示。由圖4可知，排名前二十的申請人除美國傳感器公司與日本的理化學研究所外，其他的均是中國企業。其中，排名第一的是青島杰生電氣，該企業進入該領域的時間較早，其專利申請涵蓋了UVC LED的外延、芯片、封裝和應用等多個領域。排名第二～第四的則是中國的科研院所，分別是華中科技大學、華中科技大學鄂州工業技術研究院和西安電子科技大學，其研究主要集中在UVC LED前段的外延生長技術與核心芯片器件設計，排名第五的則是湖北深紫科技有限公司。從申請量來看，排名第一的青島杰生電氣只有40件專利，排名第二～第十八的申請人專利數量均在10件～20件，差距非常小，排名前二十的申請人專利申請總量只占該領域專利申請總量的13.9%。可見，還沒有申請人對UVC LED進行深入布局，也沒有形成專利壟斷，各主要申請人的技術研發水平和專利布局數量仍有較大的提升空間。

圖4 UVC LED專利申請人排名

2.5 IPC 分類分布

以IPC分類號的大組為橫軸統計分析了UVC LED的主要技術類別以及研究熱點，如圖5所示。由圖5可知，UVC LED分類主要集中在A61L（材料或消毒的一般方法或裝置；空氣的滅菌、消毒或除臭；）、H01L（半導體器件）、C02F（水、廢水或污水的處理）、F21V（照明裝置或其系統的功能特征或零部件）、F21Y（涉及光源的構成或類型）、F24F（空氣調節；空氣增濕；通風；空氣流作為屏蔽的應用）、A61N（放射療）以及B60H（車輛客室或貨室的空氣處理設備的布置或裝置）等。從這些分類可以看出，UVC LED專利布局主要集中在下游應用領域（包括殺菌消毒、空氣凈化以及水處理等），其次則是上中游的半導體器件領域（包括外延生長、芯片設計與加工以及芯片封裝等）以及中下游的照明裝置（包括燈光源、應用電路等），涵蓋了UVC LED的整個產業鏈。

圖5 UVC LED技術分類分布

3 專利技術分析

3.1 UVC LED外延與芯片

UVC LED外延生長與芯片的生產技術壁壘高，涉及的專業技術廣，而UVC LED正處于技術創新的成長期，其專利申請量還比較少，國內的科研院所處于該領域專利申請的領先地位，包括華中科技大學、華中科技大學鄂州工業技術研究院、西安電子科技大學以及華南師范大學等。國內只有少數企業涉足外延生長、芯片制造領域，例如湖北深紫科技有限公司、北京中科優唯科技有限公司等。國外申請則主要以企業為主，包括日本的丸文株式會社、美國的傳感器電子技術股份有限公司等。

目前，在公開的專利文獻中，UVC LED外延的襯底普遍采用的是在藍寶石（AlO）襯底上生長ALGAN材料，而芯片結構則與傳統的藍光LED近似，均是P、N電極在同一側的正裝結構。理論上， 藍寶石襯底并不是理想的選擇，它與AlGaN 材料有相當大的晶格失配和熱失配， 又存在絕緣、熱導率差等缺點，但它不僅對200 nm～400 nm的紫外光來說是透明的，而且價格低廉，制備工藝完善。同時，AlGaN 基UVC LED 芯片制備工藝的許多環節與GaN基藍光LED相似，因此大量專利公開技術均是基于藍寶石襯底的結果，例如JP2015216352A、CN101604716A等。但是上述結構面臨高Al組分AlGaN的材料的外延生長困難、光轉換效率較低（內外量子效率均低）等原因，因此目前已經發展出一些新的技術方案，例如ALN同質襯底緩沖技術（CN113594320A）、納米圖形襯底外延技術（CN113594320A） 、透明p型層技術（CN111599906B）以及倒裝結構（CN212725355U）等（專利申請較少，僅處于起步階段）。

3.2 UVC LED芯片封裝技術

國內外研究者對UVC LED 封裝技術進行了深入研究，從封裝技術角度提高了UVC LED 光效和可靠性，同時也推動了UVC LED 技術專利申請。但是，與波長較長的近紫外和藍光 LED 相比，UVC LED 封裝的專利申請也處于初步發展階段。國內的企業所處于該領域專利申請的領先地位，排名靠前的分別是至芯半導體、鴻利國澤光電以及青島杰生電氣等，但是申請量最多的至芯半導體也僅有十幾件，且申請都集中在2018年以后，由此可以看出深紫外 LED 封裝技術仍有許多值得研究的方向。

研究者提出了多種深紫外 LED 封裝技術，主要包括早期 TO 封裝技術、半無機封裝技術和全無機封裝技術。TO封裝由于散熱差，尺寸大等缺陷，因此庫中并沒有此種封裝技術的專利申請，其專利申請主要集中在后兩者中。半無機封裝是將UVC LED 芯片貼裝在封裝基板腔體（圍壩）內，再利用有機粘膠將石英玻璃蓋板固定于封裝基板圍壩上，公開號CN106299087A、CN215771202U等專利均采用了該技術。半無機封裝雖然工藝簡單、成本低，但存在有機粘接層易紫外降解失效、玻璃蓋板脫落以及氣密性差等問題，因此，研究者提出了全無機封裝技術，利用全無機材料實現UVC LED 氣密封裝， 例如公開號CN113659054A、CN213401192U以及CN110310947B等專利技術，全無機氣密封裝技術氣密性強、可靠性高以及壽命長等優點已然成了研究的熱點與專利申請的熱門領域。此外，紫外LED 封裝技術研究及專利布局主要圍繞材料選擇（主要包括出光材料、散熱基板材料和焊接鍵合材料）、結構優化、工藝改進、光提取效率以及散熱等方面。

3.3 UVC LED應用技術

雖然UVC LED 的研究還有很大的發展空間，但是一些UVC LED 的產品卻已經在市場上出現，而且隨著 LED 技術的發展變得更成熟，UVC LED 的應用領域也將變得越來越廣泛。國內的企業所處于該領域專利申請的領先地位，由于應用相對技術門檻較低，且有傳統的紫外殺毒技術的借鑒，自2018年大量的申請人涌入該領域進行專利申請，由于前期的紫外LED存在價格昂貴、出光效率低等缺點，各申請人的專利申請量都較少，其代表企業主要有青島杰生電氣、青島衡進智能科技等。

深紫外LED的應用領域極其廣泛，目前專利申請領域的重點有以下4個方面：1）空氣凈化，主要的專利申請領域是殺滅空氣中的細菌病毒的各種設備設施，例如空調、加濕器、UV光觸媒凈化器以及空氣滅菌器等。2）食品消殺，專利申請領域主要有食品加工、銷售以及貯藏過程中的各種殺菌消毒設備，例如冰箱、各種消毒柜等。3）水類消殺，專利申請領域包括殺滅水中的細菌和病毒的各種設備，例如飲水機、消毒水杯、魚缸殺菌以及消毒筆等各種消毒飲水器具。4）醫療器械，專利申請領域包括主要可用于血療和光治療2個領域的醫療器械，例如皮膚病的治療器械等。此外，也有部分申請人將UVC LED的專利申請布局在紫外光固化（CN108212713A）、紫外光通信（CN112636828A）等領域，但相關的專利非常少，其研究僅處于起步階段。

4 結語

我國在UVC LED方面的材料和器件上均有大量積累，隨著部分UVC LED產品的大力推廣，未來UVC LED會擁有巨大的市場潛力與發展前景。目前，國內關于UVC LED的專利申請雖然數量巨多，但卻存在以下問題：1） 雖然UVC LED的深紫外LED技術取得了長足的進步，但是UVC LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問題，尚難以滿足大規模應用需求，其發展的空間仍非常大。2） 中國企業持有的專利數排名靠前，在國內布局數量多，但全球布局明顯不足。3） 專利申請技術分散且大多數都集中在應用上，缺少高質量的外延技術、芯片技術和封裝技術的專利核心專利。4） 專利申請人很多，但缺少行業龍頭與標桿，各申請人的產品市場、市場定位等有待進一步明確。

綜上所述，筆者針對中國國內UVC LED的發展情況提出以下5個建議：1） 加強UVC LED產業自主創新力度。首先，從高質量的紫外發光材料外延和摻雜工藝出發，分別從UVC LED的量子結構與效率、芯片工藝、光提取以及可靠性與熱管理等方面改善芯片外延技術和芯片結構。其次，從新型封裝材料、封裝結構、高集成封裝工藝以及強化封裝設計等發展方向加強對深紫外波段的LED器件制作和封裝技術的研究。最后，加強對其應用領域的研究，研發高效、快速、便攜且耐用的UVC LED設備。2） 加強產學研合作。目前我國的科研院所和大專院校在UVC LED外延、芯片及以及封裝等方面具有全鏈條的技術儲備，并擁有很多專利，同時聚集了大量的高科技人才和研發設備，具有非常強的研發技術和能力，對各學科領域前沿的科研情況掌握十分全面。實現學術、研發和產業化相結合，共同推動UVC LED產品和技術的發展和創新，實現多贏局面，一方面幫助企業提升了產品的技術含量和競爭力，另一方面幫助科研單位提高其科技成果的轉化率。3）積極開展UVC LED領域的專利導航。圍繞UVC LED的外延、芯片以及封裝等關鍵器件、材料和UVC LED多場景應用等領域開展專利導航分析與專利信息預警分析，編制UVC LED專利導航報告。靈活運用導航報告中的各種信息，跟蹤分析所涉UVC LED行業前沿技術、國內外主要競爭對手專利狀況、市場競爭態勢及面臨的知識產權風險，以明確企業技術研發方向，制定合理的競爭戰略，提高創新研發效率。4） 加強全球專利布局，鼓勵創新主體引進來、走出去。首先，要根據市場的專利情況、自身的專利情況、競爭對手的專利情況以及法律法規等相關因素，經過綜合考慮后進行合理專利布局規劃。其次，要加強核心高質量專利的培育與布局，并圍繞該技術申請相關專利。最后，要積極走出去，增強PCT專利申請，在國際范圍內加強UVC LED相關技術和產品的專利布局。5） 企業應加強與專業知識產權服務機構的合作。專利導航、專業預警、專利分析、專利挖掘、專利申請以及專利撰寫等工作均是復雜而專業的，其涵蓋了技術、法律以及區域政策等內容，因此應該讓“專業的人做專業的事”，加強與知識產權服務機構溝通、探討，強強聯合企業的技術優勢與專業機構的專利策略方面優勢，實現有效保護核心技術的目標。