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科技專案成果

建構深紫外光元件與模組研發平台 引導LED與傳統產業價值再造 建構我國UVC LED完整產業鏈
發佈日期:2021-04-13
單位:財團法人工業技術研究院
案例年度:2020
簡介:
建立UVC LED產業鏈 開發紫外線殺菌應用
在國際競爭下,臺灣業者難以取得技術難度高的UVC LED,造成國內下游產業受到元件限制,無法順利發展各式模組產品應用,因此臺灣必須建立UVC LED的自主生產及提供完整解決方案的能力。再者,國內UVC LED產業起步較晚,該如何後發先至,而不是淪為代工模式,這些皆是此計畫要解決的重點。

特色:

獎項名稱:研發服務卓越獎
執行單位:財團法人工業技術研究院電子與光電系統研究所
計畫名稱:工研院環境建構總計畫(1/3)
資料出處:109年度經濟部技術處法人科專成果表揚成果專輯
 

研發團隊團體照

▲ 研發團隊團體照
 

UVC LED國際大廠多以策略聯盟或併吞方式採一條龍模式發展,由上游磊晶至下游應用產品皆有生產,導致臺灣不易取得技術難度高的UVC LED元件,造成國內下游產業受到元件限制,難以發展各式模組產品應用,必須建立自行開發生產的能力,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元件技術仍與國際大廠落後一大距離。
 

為協助臺灣業者自行開發UVC LED元件並提供完整解決方案,計畫團隊以環構平台建立模組試量產平台,善用工研院應用研究和政府計畫資源,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。
 

工研院專利技術殺菌力99.99%-深紫外線殺菌隨身杯

▲ 工研院專利技術殺菌力99.99%-深紫外線殺菌隨身杯
 

發展上中下游 建立縝密流程
 

計畫執行過程中,透過NSDB(Needs/Solution/-Differentiation/Benefits)系統化研發方法,了解顧客的需求與產業趨勢,制定了UVC LED產業策略,包含在上游端,以技術移轉方式協助廠商快速突破磊晶技術瓶頸,並持續提升效能,協助建置試量產產線,小量供貨協助應用端發展相關模組技術。中游端,則是開發水殺菌模組,應用於飲水系統,以合作開發方式引導廠商先期投入。下游端,由工研院主導建立UVC LED-應用研發聯盟,廣納光電及消毒領域應用廠商,串聯上中下游廠商形成產業鏈,開發應用產品。
 

因應產業界的要求,此計畫成立「高效率UVC LED磊晶與晶粒技術」、「高取光高散熱氣密UVC LED封裝技術」、「高效能殺菌系統設計與殺菌測試」和「專利分析與技術評估」等四個團隊,依循計畫架構進行專案管理,並定期召開技術討論會議。
 

在計畫品質控管部分,UVC LED晶粒技術開發係採用田口方法來進行,田口方法(Taguchi Methods)是一種低成本、高效益的品質工程方法,強調產品品質的提高不是通過檢驗,而是通過設計。LED殺菌系統則是藉由創新解題理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)方法,進行有關使用者需求及製作時所面臨的矛盾問題解決,最後藉由品質迴圈(Plan-Do-Check-Action)改善機制的修正檢討方式,隨時進行工作方向及內容檢討。計畫開始時就安排了關鍵技術人員,分工合作,對於不當或疏漏的流程,矯正缺失,以確保計畫執行流程正確無誤。
 

反覆試驗 終於跑到馬拉松終點
 

工研院有一群LED專家,長期投入LED的相關研究,看到LED近年來面臨價格競爭的紅海,苦思如何協助產業轉型,看到UVC消毒殺菌市場應用廣泛,但現有傳統UVC濾水器光殺菌技術,仍仰賴汞燈管產生UVC光來殺菌,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,因此想到從自身最拿手的LED光源下手,為產業找出更好的解決方案。
 

開發UVC LED光源,團隊從磊晶的研發方式到後續元件蝕刻、蒸鍍、研磨切割的研磨、鍍膜、蝕刻等種種製程,都需要一再反覆試驗以找出解決方法,而每一次的試產就需要兩到三周的時間,每每在嘗試與錯誤中來回,研究的投入猶如參加一場不知道終點的馬拉松賽。
 

緊接著要面對如何能有效發揮殺菌的作用,優化UVC光利用率,就牽涉到機構的設計,於是研發團隊就發揮「大禹治水」的精神,從機構設計上開始著手,絞盡腦汁在最小的面積上建構出水流最能被UVC光源照射到的通道,並增強投射進水流通道的UVC強度,希望達到水流量每分鐘2公升,能消除99.9%以上的大腸桿菌,達到最佳殺菌效果。
 

雖然一開始成功開發出UVC LED流動水技術,但在初期卻因為技術太前瞻而找不到合作廠商,直到團隊在德國柏林舉辦的「UVC LED技術與應用國際會議」中作發表,獲得與會專家的關注而大放異彩,連德國柏林工業大學都因此與團隊建立了研究交流計畫,成功地為技術打出了名號。
 

臺灣LED產業在全球名列前茅,團隊現已結合國內多家LED與傳統產業廠商,投入研發,逐步建立臺灣UVC LED完整上中下游自主的產業鏈,開創高附加價值藍海市場,「可攜式UVC LED流動水殺菌模組」有已成功技轉的廠商於2020年8月上市,讓更多家庭都能享有乾淨的水源。
 

本團隊已完成磊晶元件到封裝模組研發平台,協助產業界針對各別需求提供共同開發合作、技術與專利授權等服務,協助國內外廠商進行相關材料驗證、技術開發與專利授權保護等服務,引領產業升級並創立完整的UVC LED產業鏈。
 

「筷潔菌」榮獲Computex BC Award, 資訊月百大發明獎 UVC-LED殺菌模組
▲ 「筷潔菌」榮獲Computex BC Award、資訊月百大發明獎 ▲ UVC-LED殺菌模組

 

榮獲美國R&D100百大發明獎肯定

▲ 榮獲美國R&D100百大發明獎肯定
 

開發防疫產品 即時感測微生物
 

展望未來,在元件發展規劃方面,晶粒光源仍是UVC LED產品裡最核心的關鍵零組件,本團隊下一步將解決可靠度問題,並利用LED波長可調性特性,發展UVC LED新的應用,例如發展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。
 

下一階段結合國內臺灣廠商發展相關防疫科技技術與產品,平時可做為居家衛生、公共場域、食品生技工業、醫院感染控制等用途,防疫期間更可快速投入防疫滿足政府政策及產業需求,提升產業、醫護場所及居家的防疫成效。
 

成功心法Box
 

專利獲證19案37件,創新紫外線UVC LED模組帶動國內廠商投入殺菌應用科技產品研發,三項產品已輔導業界成功量產,僅淨化保溫瓶與筷潔菌迄今已銷售數千套;完成5,000套流動水殺菌模組生產。研發服務國內外十五家次以上廠商,合作金額達1.2億元,帶動廠商投入研發經費1.15億臺幣,預估2024年三年總銷售額達到15.2億臺幣。
 

紫外光(UVC)可直接破壞細菌和病毒的DNA和RNA鍵結,無抗藥性問題殺菌效率高

▲ 紫外光(UVC)可直接破壞細菌和病毒的DNA和RNA鍵結,無抗藥性問題殺菌效率高
 

【專家推薦】
 

本計畫以環構平台整合跨單位科專資源,提供產業一站式的服務。以UVC LED磊晶及模組技術為核心,促成幾個特定應用領域之產業鏈,專利獲證達19案37件,形成技術核心,帶動多元領域的發展,與15家次廠商合作,合作金額達1.2億,預期2024年銷售總額達15億。在上游端,以技術移轉方式協助廠商快速突破磊晶技術瓶頸,並持續提升效能,協助建置試量產產線,小量供貨協助應用端發展相關模組技術。在中游端,開發水殺菌模組,應用於飲水系統以合作開發方式引導廠商先期投入。在下游端,由工研院團隊主導建立UVC LED應用研發聯盟,廣納光電及消毒領域應用廠商,串聯上中下游廠商形成產業鏈,開發應用產品。更因應COVID-19疫情,快速完成口罩殺菌機雛形開發,也以UVC LED空氣淨化模組結合生醫所開發臺灣首台醫療級呼吸器原型機。終端產品研發,帶動光電與傳統產業共同合作,所研發之創新產品獲選Computex BC Award、資訊月百大發明獎與美國R&D100百大發明獎肯定。


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更新日期:2019-12-18

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