武傳龍 趙媛媛 朱 青 郄軍建 高鵬飛

（濰坊市知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心，山東 濰坊 261000）

0 引言

根據(jù)波長(zhǎng)可以將紫外線劃分為UVA長(zhǎng)波紫外線（波長(zhǎng)范圍為315 nm～400 nm）、UVB中波紫外線（波長(zhǎng)范圍為280 nm～315 nm）、UVC短波紫外線（波長(zhǎng)范圍為200 nm～280 nm）以及UVD真空紫外線（波長(zhǎng)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(zhǎng)為200 nm～280 nm。

與化學(xué)或加熱殺菌消毒相比，紫外線殺菌消毒具備以下優(yōu)勢(shì)：1） 效率更高。韓國(guó)首爾偉傲世和美國(guó) SETi 公司采用深紫外LED成功地在30 s內(nèi)殺死99.9%的新型冠狀病毒。2） 廣譜性強(qiáng)?？梢愿咝蕼鐨⒔^大部分細(xì)菌和病毒。3） 無(wú)二次污染。紫外線可以使細(xì)菌和病毒直接死亡，不會(huì)產(chǎn)生其他化學(xué)污染物。目前，用于殺菌消毒的紫外光源主要有2種，傳統(tǒng)汞燈和UVC LED。與傳統(tǒng)汞燈的缺點(diǎn)相比，UVC LED具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其具備節(jié)約能源、即開(kāi)即用、節(jié)省空間、免除維護(hù)、無(wú)毒無(wú)害、壽命長(zhǎng)以及無(wú)刺激性氣味等優(yōu)點(diǎn)。

1 專利檢索

檢索數(shù)據(jù)庫(kù)選擇IncoPat數(shù)據(jù)庫(kù)，IncoPat數(shù)據(jù)庫(kù)目前收錄了全球120個(gè)國(guó)家、組織或地區(qū)超過(guò)1.4億件的專利文獻(xiàn)，其數(shù)據(jù)采購(gòu)自官方和商業(yè)數(shù)據(jù)提供商，集成了專利檢索、專題庫(kù)、分析和監(jiān)視預(yù)警等多個(gè)功能模塊，并且對(duì)專利著錄信息、法律、運(yùn)營(yíng)、同族以及引證等信息進(jìn)行了深度加工及整合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的24 h動(dòng)態(tài)更新的功能。其關(guān)鍵詞包括“UVC”、“深紫外”、“短波紫外”、“LED”以及“發(fā)光二極管”等，合并同族、降噪分析后共檢索專利族2 121個(gè)。

2 專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

2.1 申請(qǐng)-公開(kāi)趨勢(shì)

UVC LED專利申請(qǐng)量和公開(kāi)量的發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。通過(guò)趨勢(shì)可以從宏觀層面把握分析對(duì)象在各時(shí)期的專利布局變化。專利公開(kāi)與專利申請(qǐng)相比存在一定滯后性，一般發(fā)明專利在申請(qǐng)后3～18個(gè)月公開(kāi)，實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利在申請(qǐng)后1～15個(gè)月公開(kāi)。由圖1可知，從申請(qǐng)量來(lái)說(shuō)，2014年以前屬于UVC LED專利申請(qǐng)的起步階段，累計(jì)申請(qǐng)量只有200多件，且申請(qǐng)人主要是科研機(jī)構(gòu)、高校及個(gè)人。2014—2019年屬于穩(wěn)步發(fā)展階段，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始布局UVC LED市場(chǎng)，例如國(guó)內(nèi)的杰生電氣、鴻利光電。2019年至今屬于迅猛發(fā)展階段，尤其是2020年受疫情的影響，各大廠商開(kāi)始紛紛加大布局并加速技術(shù)研發(fā)，搶占市場(chǎng)份額，加速專利布局，僅2020年專利申請(qǐng)量就有687件?？梢灶A(yù)見(jiàn)2021年關(guān)于UVC LED的專利申請(qǐng)會(huì)再創(chuàng)新高（部分2021年的專利申請(qǐng)未公開(kāi)），其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈。

圖1 專利申請(qǐng)量和公開(kāi)量的發(fā)展趨勢(shì)

2.2 專利技術(shù)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(guò)分析專利技術(shù)所處的發(fā)展階段，推測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。該文截取2011—2020年（2011年前專利申請(qǐng)量較少，2021年還有大量申請(qǐng)未公開(kāi)）的數(shù)據(jù)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(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量隨著時(shí)間的推移呈向上發(fā)展的趨勢(shì)。尤其是2019—2020年專利申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)。2011—2020年申請(qǐng)人的平均申請(qǐng)量小于1.5件，2020年702件專利的分屬于498個(gè)申請(qǐng)人，每人平均只有1.4件。可見(jiàn)UVC LED正處于技術(shù)創(chuàng)新的成長(zhǎng)期，無(wú)論是專利申請(qǐng)量還是申請(qǐng)人數(shù)量都在穩(wěn)步增長(zhǎng)，技術(shù)集中度降低，技術(shù)分布的范圍呈擴(kuò)大化趨勢(shì)。隨著目前世界各國(guó)對(duì)UVC LED的重視與投入，技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進(jìn)一步提升。

圖2 UVC LED專利技術(shù)生命周期

2.3 專利申請(qǐng)所屬國(guó)分布

UVC LED在各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的專利申請(qǐng)數(shù)量占比排行情況如圖3所示。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，UVC LED的專利申請(qǐng)主要來(lái)源于中國(guó)、美國(guó)、日本和韓國(guó)。其中，中國(guó)在UVC LED領(lǐng)域的最大，其專利申請(qǐng)量至少占全球申請(qǐng)量的2/3，美國(guó)、韓國(guó)和日本的占有量均不足10%。由此可以看出，中國(guó)是UVC LED技術(shù)創(chuàng)新的最活躍來(lái)源國(guó)和重要的目標(biāo)市場(chǎng)。

圖3 UVC LED全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量占比排名

2.4 申請(qǐng)人排名

UVC LED領(lǐng)域按專利數(shù)量統(tǒng)計(jì)的申請(qǐng)人排名情況如圖4所示。由圖4可知，排名前二十的申請(qǐng)人除美國(guó)傳感器公司與日本的理化學(xué)研究所外，其他的均是中國(guó)企業(yè)。其中，排名第一的是青島杰生電氣，該企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間較早，其專利申請(qǐng)涵蓋了UVC LED的外延、芯片、封裝和應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。排名第二～第四的則是中國(guó)的科研院所，分別是華中科技大學(xué)、華中科技大學(xué)鄂州工業(yè)技術(shù)研究院和西安電子科技大學(xué)，其研究主要集中在UVC LED前段的外延生長(zhǎng)技術(shù)與核心芯片器件設(shè)計(jì)，排名第五的則是湖北深紫科技有限公司。從申請(qǐng)量來(lái)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(qǐng)人專利數(shù)量均在10件～20件，差距非常小，排名前二十的申請(qǐng)人專利申請(qǐng)總量只占該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的13.9%。可見(jiàn)，還沒(méi)有申請(qǐng)人對(duì)UVC LED進(jìn)行深入布局，也沒(méi)有形成專利壟斷，各主要申請(qǐng)人的技術(shù)研發(fā)水平和專利布局?jǐn)?shù)量仍有較大的提升空間。

圖4 UVC LED專利申請(qǐng)人排名

2.5 IPC 分類分布

以IPC分類號(hào)的大組為橫軸統(tǒng)計(jì)分析了UVC LED的主要技術(shù)類別以及研究熱點(diǎn)，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(dǎo)體器件）、C02F（水、廢水或污水的處理）、F21V（照明裝置或其系統(tǒng)的功能特征或零部件）、F21Y（涉及光源的構(gòu)成或類型）、F24F（空氣調(diào)節(jié)；空氣增濕；通風(fēng)；空氣流作為屏蔽的應(yīng)用）、A61N（放射療）以及B60H（車(chē)輛客室或貨室的空氣處理設(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)體器件領(lǐng)域（包括外延生長(zhǎng)、芯片設(shè)計(jì)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(yīng)用電路等），涵蓋了UVC LED的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。

圖5 UVC LED技術(shù)分類分布

3 專利技術(shù)分析

3.1 UVC LED外延與芯片

UVC LED外延生長(zhǎng)與芯片的生產(chǎn)技術(shù)壁壘高，涉及的專業(yè)技術(shù)廣，而UVC LED正處于技術(shù)創(chuàng)新的成長(zhǎng)期，其專利申請(qǐng)量還比較少，國(guó)內(nèi)的科研院所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的領(lǐng)先地位，包括華中科技大學(xué)、華中科技大學(xué)鄂州工業(yè)技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)以及華南師范大學(xué)等。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)涉足外延生長(zhǎng)、芯片制造領(lǐng)域，例如湖北深紫科技有限公司、北京中科優(yōu)唯科技有限公司等。國(guó)外申請(qǐng)則主要以企業(yè)為主，包括日本的丸文株式會(huì)社、美國(guó)的傳感器電子技術(shù)股份有限公司等。

目前，在公開(kāi)的專利文獻(xiàn)中，UVC LED外延的襯底普遍采用的是在藍(lán)寶石（AlO）襯底上生長(zhǎng)ALGAN材料，而芯片結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)的藍(lán)光LED近似，均是P、N電極在同一側(cè)的正裝結(jié)構(gòu)。理論上， 藍(lán)寶石襯底并不是理想的選擇，它與AlGaN 材料有相當(dāng)大的晶格失配和熱失配， 又存在絕緣、熱導(dǎo)率差等缺點(diǎn)，但它不僅對(duì)200 nm～400 nm的紫外光來(lái)說(shuō)是透明的，而且價(jià)格低廉，制備工藝完善。同時(shí)，AlGaN 基UVC LED 芯片制備工藝的許多環(huán)節(jié)與GaN基藍(lán)光LED相似，因此大量專利公開(kāi)技術(shù)均是基于藍(lán)寶石襯底的結(jié)果，例如JP2015216352A、CN101604716A等。但是上述結(jié)構(gòu)面臨高Al組分AlGaN的材料的外延生長(zhǎng)困難、光轉(zhuǎn)換效率較低（內(nèi)外量子效率均低）等原因，因此目前已經(jīng)發(fā)展出一些新的技術(shù)方案，例如ALN同質(zhì)襯底緩沖技術(shù)（CN113594320A）、納米圖形襯底外延技術(shù)（CN113594320A） 、透明p型層技術(shù)（CN111599906B）以及倒裝結(jié)構(gòu)（CN212725355U）等（專利申請(qǐng)較少，僅處于起步階段）。

3.2 UVC LED芯片封裝技術(shù)

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)UVC LED 封裝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，從封裝技術(shù)角度提高了UVC LED 光效和可靠性，同時(shí)也推動(dòng)了UVC LED 技術(shù)專利申請(qǐng)。但是，與波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紫外和藍(lán)光 LED 相比，UVC LED 封裝的專利申請(qǐng)也處于初步發(fā)展階段。國(guó)內(nèi)的企業(yè)所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的領(lǐng)先地位，排名靠前的分別是至芯半導(dǎo)體、鴻利國(guó)澤光電以及青島杰生電氣等，但是申請(qǐng)量最多的至芯半導(dǎo)體也僅有十幾件，且申請(qǐng)都集中在2018年以后，由此可以看出深紫外 LED 封裝技術(shù)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(shù)，主要包括早期 TO 封裝技術(shù)、半無(wú)機(jī)封裝技術(shù)和全無(wú)機(jī)封裝技術(shù)。TO封裝由于散熱差，尺寸大等缺陷，因此庫(kù)中并沒(méi)有此種封裝技術(shù)的專利申請(qǐng)，其專利申請(qǐng)主要集中在后兩者中。半無(wú)機(jī)封裝是將UVC LED 芯片貼裝在封裝基板腔體（圍壩）內(nèi)，再利用有機(jī)粘膠將石英玻璃蓋板固定于封裝基板圍壩上，公開(kāi)號(hào)CN106299087A、CN215771202U等專利均采用了該技術(shù)。半無(wú)機(jī)封裝雖然工藝簡(jiǎn)單、成本低，但存在有機(jī)粘接層易紫外降解失效、玻璃蓋板脫落以及氣密性差等問(wèn)題，因此，研究者提出了全無(wú)機(jī)封裝技術(shù)，利用全無(wú)機(jī)材料實(shí)現(xiàn)UVC LED 氣密封裝， 例如公開(kāi)號(hào)CN113659054A、CN213401192U以及CN110310947B等專利技術(shù)，全無(wú)機(jī)氣密封裝技術(shù)氣密性強(qiáng)、可靠性高以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)已然成了研究的熱點(diǎn)與專利申請(qǐng)的熱門(mén)領(lǐng)域。此外，紫外LED 封裝技術(shù)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改進(jìn)、光提取效率以及散熱等方面。

3.3 UVC LED應(yīng)用技術(shù)

雖然UVC LED 的研究還有很大的發(fā)展空間，但是一些UVC LED 的產(chǎn)品卻已經(jīng)在市場(chǎng)上出現(xiàn)，而且隨著 LED 技術(shù)的發(fā)展變得更成熟，UVC LED 的應(yīng)用領(lǐng)域也將變得越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)的企業(yè)所處于該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的領(lǐng)先地位，由于應(yīng)用相對(duì)技術(shù)門(mén)檻較低，且有傳統(tǒng)的紫外殺毒技術(shù)的借鑒，自2018年大量的申請(qǐng)人涌入該領(lǐng)域進(jìn)行專利申請(qǐng)，由于前期的紫外LED存在價(jià)格昂貴、出光效率低等缺點(diǎn)，各申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)量都較少，其代表企業(yè)主要有青島杰生電氣、青島衡進(jìn)智能科技等。

深紫外LED的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，目前專利申請(qǐng)領(lǐng)域的重點(diǎn)有以下4個(gè)方面：1）空氣凈化，主要的專利申請(qǐng)領(lǐng)域是殺滅空氣中的細(xì)菌病毒的各種設(shè)備設(shè)施，例如空調(diào)、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(qǐng)領(lǐng)域主要有食品加工、銷售以及貯藏過(guò)程中的各種殺菌消毒設(shè)備，例如冰箱、各種消毒柜等。3）水類消殺，專利申請(qǐng)領(lǐng)域包括殺滅水中的細(xì)菌和病毒的各種設(shè)備，例如飲水機(jī)、消毒水杯、魚(yú)缸殺菌以及消毒筆等各種消毒飲水器具。4）醫(yī)療器械，專利申請(qǐng)領(lǐng)域包括主要可用于血療和光治療2個(gè)領(lǐng)域的醫(yī)療器械，例如皮膚病的治療器械等。此外，也有部分申請(qǐng)人將UVC LED的專利申請(qǐng)布局在紫外光固化（CN108212713A）、紫外光通信（CN112636828A）等領(lǐng)域，但相關(guān)的專利非常少，其研究?jī)H處于起步階段。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)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(chǎn)品的大力推廣，未來(lái)UVC LED會(huì)擁有巨大的市場(chǎng)潛力與發(fā)展前景。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于UVC LED的專利申請(qǐng)雖然數(shù)量巨多，但卻存在以下問(wèn)題：1） 雖然UVC LED的深紫外LED技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是UVC LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問(wèn)題，尚難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求，其發(fā)展的空間仍非常大。2） 中國(guó)企業(yè)持有的專利數(shù)排名靠前，在國(guó)內(nèi)布局?jǐn)?shù)量多，但全球布局明顯不足。3） 專利申請(qǐng)技術(shù)分散且大多數(shù)都集中在應(yīng)用上，缺少高質(zhì)量的外延技術(shù)、芯片技術(shù)和封裝技術(shù)的專利核心專利。4） 專利申請(qǐng)人很多，但缺少行業(yè)龍頭與標(biāo)桿，各申請(qǐng)人的產(chǎn)品市場(chǎng)、市場(chǎng)定位等有待進(jìn)一步明確。

綜上所述，筆者針對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)UVC LED的發(fā)展情況提出以下5個(gè)建議：1） 加強(qiáng)UVC LED產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新力度。首先，從高質(zhì)量的紫外發(fā)光材料外延和摻雜工藝出發(fā)，分別從UVC LED的量子結(jié)構(gòu)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(shù)和芯片結(jié)構(gòu)。其次，從新型封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)、高集成封裝工藝以及強(qiáng)化封裝設(shè)計(jì)等發(fā)展方向加強(qiáng)對(duì)深紫外波段的LED器件制作和封裝技術(shù)的研究。最后，加強(qiáng)對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的研究，研發(fā)高效、快速、便攜且耐用的UVC LED設(shè)備。2） 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作。目前我國(guó)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(shù)儲(chǔ)備，并擁有很多專利，同時(shí)聚集了大量的高科技人才和研發(fā)設(shè)備，具有非常強(qiáng)的研發(fā)技術(shù)和能力，對(duì)各學(xué)科領(lǐng)域前沿的科研情況掌握十分全面。實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化相結(jié)合，共同推動(dòng)UVC LED產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)多贏局面，一方面幫助企業(yè)提升了產(chǎn)品的技術(shù)含量和競(jìng)爭(zhēng)力，另一方面幫助科研單位提高其科技成果的轉(zhuǎn)化率。3）積極開(kāi)展UVC LED領(lǐng)域的專利導(dǎo)航。圍繞UVC LED的外延、芯片以及封裝等關(guān)鍵器件、材料和UVC LED多場(chǎng)景應(yīng)用等領(lǐng)域開(kāi)展專利導(dǎo)航分析與專利信息預(yù)警分析，編制UVC LED專利導(dǎo)航報(bào)告。靈活運(yùn)用導(dǎo)航報(bào)告中的各種信息，跟蹤分析所涉UVC LED行業(yè)前沿技術(shù)、國(guó)內(nèi)外主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手專利狀況、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)及面臨的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，以明確企業(yè)技術(shù)研發(fā)方向，制定合理的競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略，提高創(chuàng)新研發(fā)效率。4） 加強(qiáng)全球?qū)＠季?，鼓?lì)創(chuàng)新主體引進(jìn)來(lái)、走出去。首先，要根據(jù)市場(chǎng)的專利情況、自身的專利情況、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的專利情況以及法律法規(guī)等相關(guān)因素，經(jīng)過(guò)綜合考慮后進(jìn)行合理專利布局規(guī)劃。其次，要加強(qiáng)核心高質(zhì)量專利的培育與布局，并圍繞該技術(shù)申請(qǐng)相關(guān)專利。最后，要積極走出去，增強(qiáng)PCT專利申請(qǐng)，在國(guó)際范圍內(nèi)加強(qiáng)UVC LED相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的專利布局。5） 企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與專業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)機(jī)構(gòu)的合作。專利導(dǎo)航、專業(yè)預(yù)警、專利分析、專利挖掘、專利申請(qǐng)以及專利撰寫(xiě)等工作均是復(fù)雜而專業(yè)的，其涵蓋了技術(shù)、法律以及區(qū)域政策等內(nèi)容，因此應(yīng)該讓“專業(yè)的人做專業(yè)的事”，加強(qiáng)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)服務(wù)機(jī)構(gòu)溝通、探討，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與專業(yè)機(jī)構(gòu)的專利策略方面優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)核心技術(shù)的目標(biāo)。