UVC LED的专利分析与技术构成研究

武传龙 赵媛媛 朱 青 郄军建 高鹏飞

（潍坊市知识产权保护中心，山东 潍坊 261000）

0 引言

根据波长可以将紫外线划分为UVA长波紫外线（波长范围为315 nm～400 nm）、UVB中波紫外线（波长范围为280 nm～315 nm）、UVC短波紫外线（波长范围为200 nm～280 nm）以及UVD真空紫外线（波长范围为100 nm～200 nm）。其中，用于消毒杀菌的主要是深紫外线（UVC），波长为200 nm～280 nm。

与化学或加热杀菌消毒相比，紫外线杀菌消毒具备以下优势：1） 效率更高。韩国首尔伟傲世和美国 SETi 公司采用深紫外LED成功地在30 s内杀死99.9%的新型冠状病毒。2） 广谱性强。可以高效率灭杀绝大部分细菌和病毒。3） 无二次污染。紫外线可以使细菌和病毒直接死亡，不会产生其他化学污染物。目前，用于杀菌消毒的紫外光源主要有2种，传统汞灯和UVC LED。与传统汞灯的缺点相比，UVC LED具有明显的技术优势，其具备节约能源、即开即用、节省空间、免除维护、无毒无害、寿命长以及无刺激性气味等优点。

1 专利检索

检索数据库选择IncoPat数据库，IncoPat数据库目前收录了全球120个国家、组织或地区超过1.4亿件的专利文献，其数据采购自官方和商业数据提供商，集成了专利检索、专题库、分析和监视预警等多个功能模块，并且对专利著录信息、法律、运营、同族以及引证等信息进行了深度加工及整合，可实现数据的24 h动态更新的功能。其关键词包括“UVC”、“深紫外”、“短波紫外”、“LED”以及“发光二极管”等，合并同族、降噪分析后共检索专利族2 121个。

2 专利申请态势

2.1 申请-公开趋势

UVC LED专利申请量和公开量的发展趋势如图1所示。通过趋势可以从宏观层面把握分析对象在各时期的专利布局变化。专利公开与专利申请相比存在一定滞后性，一般发明专利在申请后3～18个月公开，实用新型专利和外观设计专利在申请后1～15个月公开。由图1可知，从申请量来说，2014年以前属于UVC LED专利申请的起步阶段，累计申请量只有200多件，且申请人主要是科研机构、高校及个人。2014—2019年属于稳步发展阶段，越来越多的企业开始布局UVC LED市场，例如国内的杰生电气、鸿利光电。2019年至今属于迅猛发展阶段，尤其是2020年受疫情的影响，各大厂商开始纷纷加大布局并加速技术研发，抢占市场份额，加速专利布局，仅2020年专利申请量就有687件。可以预见2021年关于UVC LED的专利申请会再创新高（部分2021年的专利申请未公开），其市场竞争也会更加激烈。

图1 专利申请量和公开量的发展趋势

2.2 专利技术生命周期

生命周期分析是专利定量分析中最常用的方法之一。通过分析专利技术所处的发展阶段，推测未来技术发展方向。该文截取2011—2020年（2011年前专利申请量较少，2021年还有大量申请未公开）的数据绘制VUC LED的生命周期图，如图2所示。由图2可知，VUC LED专利申请数量和申请人数量随着时间的推移呈向上发展的趋势。尤其是2019—2020年专利申请数量和申请人数量呈爆炸式增长。2011—2020年申请人的平均申请量小于1.5件，2020年702件专利的分属于498个申请人，每人平均只有1.4件。可见UVC LED正处于技术创新的成长期，无论是专利申请量还是申请人数量都在稳步增长，技术集中度降低，技术分布的范围呈扩大化趋势。随着目前世界各国对UVC LED的重视与投入，技术突破与产业发展将进一步提升。

图2 UVC LED专利技术生命周期

2.3 专利申请所属国分布

UVC LED在各个国家或地区的专利申请数量占比排行情况如图3所示。通过分析可以发现，UVC LED的专利申请主要来源于中国、美国、日本和韩国。其中，中国在UVC LED领域的最大，其专利申请量至少占全球申请量的2/3，美国、韩国和日本的占有量均不足10%。由此可以看出，中国是UVC LED技术创新的最活跃来源国和重要的目标市场。

图3 UVC LED全球专利申请数量占比排名

2.4 申请人排名

UVC LED领域按专利数量统计的申请人排名情况如图4所示。由图4可知，排名前二十的申请人除美国传感器公司与日本的理化学研究所外，其他的均是中国企业。其中，排名第一的是青岛杰生电气，该企业进入该领域的时间较早，其专利申请涵盖了UVC LED的外延、芯片、封装和应用等多个领域。排名第二～第四的则是中国的科研院所，分别是华中科技大学、华中科技大学鄂州工业技术研究院和西安电子科技大学，其研究主要集中在UVC LED前段的外延生长技术与核心芯片器件设计，排名第五的则是湖北深紫科技有限公司。从申请量来看，排名第一的青岛杰生电气只有40件专利，排名第二～第十八的申请人专利数量均在10件～20件，差距非常小，排名前二十的申请人专利申请总量只占该领域专利申请总量的13.9%。可见，还没有申请人对UVC LED进行深入布局，也没有形成专利垄断，各主要申请人的技术研发水平和专利布局数量仍有较大的提升空间。

图4 UVC LED专利申请人排名

2.5 IPC 分类分布

以IPC分类号的大组为横轴统计分析了UVC LED的主要技术类别以及研究热点，如图5所示。由图5可知，UVC LED分类主要集中在A61L（材料或消毒的一般方法或装置；空气的灭菌、消毒或除臭；）、H01L（半导体器件）、C02F（水、废水或污水的处理）、F21V（照明装置或其系统的功能特征或零部件）、F21Y（涉及光源的构成或类型）、F24F（空气调节；空气增湿；通风；空气流作为屏蔽的应用）、A61N（放射疗）以及B60H（车辆客室或货室的空气处理设备的布置或装置）等。从这些分类可以看出，UVC LED专利布局主要集中在下游应用领域（包括杀菌消毒、空气净化以及水处理等），其次则是上中游的半导体器件领域（包括外延生长、芯片设计与加工以及芯片封装等）以及中下游的照明装置（包括灯光源、应用电路等），涵盖了UVC LED的整个产业链。

图5 UVC LED技术分类分布

3 专利技术分析

3.1 UVC LED外延与芯片

UVC LED外延生长与芯片的生产技术壁垒高，涉及的专业技术广，而UVC LED正处于技术创新的成长期，其专利申请量还比较少，国内的科研院所处于该领域专利申请的领先地位，包括华中科技大学、华中科技大学鄂州工业技术研究院、西安电子科技大学以及华南师范大学等。国内只有少数企业涉足外延生长、芯片制造领域，例如湖北深紫科技有限公司、北京中科优唯科技有限公司等。国外申请则主要以企业为主，包括日本的丸文株式会社、美国的传感器电子技术股份有限公司等。

目前，在公开的专利文献中，UVC LED外延的衬底普遍采用的是在蓝宝石（AlO）衬底上生长ALGAN材料，而芯片结构则与传统的蓝光LED近似，均是P、N电极在同一侧的正装结构。理论上， 蓝宝石衬底并不是理想的选择，它与AlGaN 材料有相当大的晶格失配和热失配， 又存在绝缘、热导率差等缺点，但它不仅对200 nm～400 nm的紫外光来说是透明的，而且价格低廉，制备工艺完善。同时，AlGaN 基UVC LED 芯片制备工艺的许多环节与GaN基蓝光LED相似，因此大量专利公开技术均是基于蓝宝石衬底的结果，例如JP2015216352A、CN101604716A等。但是上述结构面临高Al组分AlGaN的材料的外延生长困难、光转换效率较低（内外量子效率均低）等原因，因此目前已经发展出一些新的技术方案，例如ALN同质衬底缓冲技术（CN113594320A）、纳米图形衬底外延技术（CN113594320A） 、透明p型层技术（CN111599906B）以及倒装结构（CN212725355U）等（专利申请较少，仅处于起步阶段）。

3.2 UVC LED芯片封装技术

国内外研究者对UVC LED 封装技术进行了深入研究，从封装技术角度提高了UVC LED 光效和可靠性，同时也推动了UVC LED 技术专利申请。但是，与波长较长的近紫外和蓝光 LED 相比，UVC LED 封装的专利申请也处于初步发展阶段。国内的企业所处于该领域专利申请的领先地位，排名靠前的分别是至芯半导体、鸿利国泽光电以及青岛杰生电气等，但是申请量最多的至芯半导体也仅有十几件，且申请都集中在2018年以后，由此可以看出深紫外 LED 封装技术仍有许多值得研究的方向。

研究者提出了多种深紫外 LED 封装技术，主要包括早期 TO 封装技术、半无机封装技术和全无机封装技术。TO封装由于散热差，尺寸大等缺陷，因此库中并没有此种封装技术的专利申请，其专利申请主要集中在后两者中。半无机封装是将UVC LED 芯片贴装在封装基板腔体（围坝）内，再利用有机粘胶将石英玻璃盖板固定于封装基板围坝上，公开号CN106299087A、CN215771202U等专利均采用了该技术。半无机封装虽然工艺简单、成本低，但存在有机粘接层易紫外降解失效、玻璃盖板脱落以及气密性差等问题，因此，研究者提出了全无机封装技术，利用全无机材料实现UVC LED 气密封装， 例如公开号CN113659054A、CN213401192U以及CN110310947B等专利技术，全无机气密封装技术气密性强、可靠性高以及寿命长等优点已然成了研究的热点与专利申请的热门领域。此外，紫外LED 封装技术研究及专利布局主要围绕材料选择（主要包括出光材料、散热基板材料和焊接键合材料）、结构优化、工艺改进、光提取效率以及散热等方面。

3.3 UVC LED应用技术

虽然UVC LED 的研究还有很大的发展空间，但是一些UVC LED 的产品却已经在市场上出现，而且随着 LED 技术的发展变得更成熟，UVC LED 的应用领域也将变得越来越广泛。国内的企业所处于该领域专利申请的领先地位，由于应用相对技术门槛较低，且有传统的紫外杀毒技术的借鉴，自2018年大量的申请人涌入该领域进行专利申请，由于前期的紫外LED存在价格昂贵、出光效率低等缺点，各申请人的专利申请量都较少，其代表企业主要有青岛杰生电气、青岛衡进智能科技等。

深紫外LED的应用领域极其广泛，目前专利申请领域的重点有以下4个方面：1）空气净化，主要的专利申请领域是杀灭空气中的细菌病毒的各种设备设施，例如空调、加湿器、UV光触媒净化器以及空气灭菌器等。2）食品消杀，专利申请领域主要有食品加工、销售以及贮藏过程中的各种杀菌消毒设备，例如冰箱、各种消毒柜等。3）水类消杀，专利申请领域包括杀灭水中的细菌和病毒的各种设备，例如饮水机、消毒水杯、鱼缸杀菌以及消毒笔等各种消毒饮水器具。4）医疗器械，专利申请领域包括主要可用于血疗和光治疗2个领域的医疗器械，例如皮肤病的治疗器械等。此外，也有部分申请人将UVC LED的专利申请布局在紫外光固化（CN108212713A）、紫外光通信（CN112636828A）等领域，但相关的专利非常少，其研究仅处于起步阶段。

4 结语

我国在UVC LED方面的材料和器件上均有大量积累，随着部分UVC LED产品的大力推广，未来UVC LED会拥有巨大的市场潜力与发展前景。目前，国内关于UVC LED的专利申请虽然数量巨多，但却存在以下问题：1） 虽然UVC LED的深紫外LED技术取得了长足的进步，但是UVC LED仍面临光效低、可靠性差和成本高等问题，尚难以满足大规模应用需求，其发展的空间仍非常大。2） 中国企业持有的专利数排名靠前，在国内布局数量多，但全球布局明显不足。3） 专利申请技术分散且大多数都集中在应用上，缺少高质量的外延技术、芯片技术和封装技术的专利核心专利。4） 专利申请人很多，但缺少行业龙头与标杆，各申请人的产品市场、市场定位等有待进一步明确。

综上所述，笔者针对中国国内UVC LED的发展情况提出以下5个建议：1） 加强UVC LED产业自主创新力度。首先，从高质量的紫外发光材料外延和掺杂工艺出发，分别从UVC LED的量子结构与效率、芯片工艺、光提取以及可靠性与热管理等方面改善芯片外延技术和芯片结构。其次，从新型封装材料、封装结构、高集成封装工艺以及强化封装设计等发展方向加强对深紫外波段的LED器件制作和封装技术的研究。最后，加强对其应用领域的研究，研发高效、快速、便携且耐用的UVC LED设备。2） 加强产学研合作。目前我国的科研院所和大专院校在UVC LED外延、芯片及以及封装等方面具有全链条的技术储备，并拥有很多专利，同时聚集了大量的高科技人才和研发设备，具有非常强的研发技术和能力，对各学科领域前沿的科研情况掌握十分全面。实现学术、研发和产业化相结合，共同推动UVC LED产品和技术的发展和创新，实现多赢局面，一方面帮助企业提升了产品的技术含量和竞争力，另一方面帮助科研单位提高其科技成果的转化率。3）积极开展UVC LED领域的专利导航。围绕UVC LED的外延、芯片以及封装等关键器件、材料和UVC LED多场景应用等领域开展专利导航分析与专利信息预警分析，编制UVC LED专利导航报告。灵活运用导航报告中的各种信息，跟踪分析所涉UVC LED行业前沿技术、国内外主要竞争对手专利状况、市场竞争态势及面临的知识产权风险，以明确企业技术研发方向，制定合理的竞争战略，提高创新研发效率。4） 加强全球专利布局，鼓励创新主体引进来、走出去。首先，要根据市场的专利情况、自身的专利情况、竞争对手的专利情况以及法律法规等相关因素，经过综合考虑后进行合理专利布局规划。其次，要加强核心高质量专利的培育与布局，并围绕该技术申请相关专利。最后，要积极走出去，增强PCT专利申请，在国际范围内加强UVC LED相关技术和产品的专利布局。5） 企业应加强与专业知识产权服务机构的合作。专利导航、专业预警、专利分析、专利挖掘、专利申请以及专利撰写等工作均是复杂而专业的，其涵盖了技术、法律以及区域政策等内容，因此应该让“专业的人做专业的事”，加强与知识产权服务机构沟通、探讨，强强联合企业的技术优势与专业机构的专利策略方面优势，实现有效保护核心技术的目标。