UVA、UVB 與 UVC LED：技術與量測
UVA、UVB 與 UVC LED 之間的差異不僅在於峰值波長。材料系統、效率、熱負載、光譜頻寬、老化情形以及可用光功率，皆會隨著 UV 範圍而顯著變化。因此，為了獲得可靠的應用，LED 數據必須在明確定義的電流與溫度條件下進行評估，並在使用現場輔以合適的輻射量測。
UV LED 是在鋁、鎵與銦的氮化物半導體中產生紫外線輻射。其組成決定了發射波長位於 UVA（315–400 nm）、UVB（280–315 nm）與 UVC（200–280 nm）；常見的有 UVA 中的 365 nm 與 385 nm、UVB 中的 285 nm 與 295 nm，以及 UVC 中的 265 nm。個別 LED 類型的實測光譜可於紫外線燈與紫外線 LED 光譜資料庫下載。
歐盟 RoHS 指令對含汞燈管有所限制；目前的現況說明請參閱RoHS 與紫外線燈。Opsytec 因此所提供的儀器，請參閱紫外線 LED 光源。
紫外線發光二極體的生產
電磁輻射通常是在 III-V 半導體中產生，也就是由週期表中第三主族和第五主族元素所組成的半導體，而 UV LED 發射峰值的波長主要是由材料的固溶體組成所決定。
透過合金化半導體氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）與氮化銦（InN），可達成 UVA（400 nm 至 315 nm）、UVB（315 nm 至 280 nm）及 UVC（280 nm 至 200 nm）範圍內的發射波長。
UV LED 的生產包含多個步驟：
LED 異質結構與晶片佈局的設計、基板與底層的生長、半導體異質結構的磊晶、晶圓層級的 LED 元件加工，最後是將晶圓分割成 LED 晶片並將其組裝於封裝中。因此，UV LED 由數百層半導體層所組成，其組成與摻雜必須根據各自的功能性進行調整。
LED 的發射波長取決於產生紫外線輻射所在層的組成與摻雜。在所有步驟中，重要的是要有效地將電功率轉換為光輻射功率。插座效率（WPE）是應用上特別重要的參數。UV LED 的整體效率表示光輻射功率與所供應電功率之間的比率。
目前發射 UVA 的 UV LED 已達到約 30–40 % 的 WPE，而發射藍光的 LED 則已達到約 80 % 的極高 WPE。相較之下，發射低 UVB 及 UVC 範圍的 LED 其 WPE 明顯較低，僅低於 5 % 至 10 %。因此，UVB 與 UVC LED 持續受到優化與技術開發。因此，現有的 LED 型號在一段時間後必須被後續型號所取代。
UVA、UVB & UVC 用 UV LED 之比較
與較舊的 UV LED 相比，最新的 UVB 和 UVC LED 顯示出明顯較高的效率與改善的性能。較舊的 UV LED 常受到高操作溫度與快速劣化的困擾，而最新的發展已顯著改善此問題。目前一代的 UVB 與 UVC LED 採用先進的散熱技術、改良的半導體結構與光學耦合，不僅延長了使用壽命，也提高了效率。
UVB 與 UVC LED 目前尚未達到 UVA LED 的性能與輸出，但近年來已能顯著追趕上來。
UVB 與 UVC LED 以及 UVA LED 是由不同的基板並透過不同的磊晶製程所製造，這些製程專門針對所需的波長與性能要求進行調整。基板與磊晶方法的選擇對 LED 的效率、性能與成本有重大影響。
以下針對波長為 365 nm 與 385 nm 的 UVA LED，以及波長為 265 nm（UVC）、285 nm 與 295 nm（UVB）的短波長 LED 進行技術比較。此表格考量了效率、輸出、使用壽命及典型應用等一般參數。
| Parameters | UVA LED 365 nm | UVA LED 385 nm | UVC LED 265 nm | UVB LED 285 nm | UVB LED 295 nm |
| 峰值波長 | 365 nm | 385 nm | 265 nm | 285 nm | 295 nm |
| 光輸出功率 | 10～1000 mW | 10～1000 mW | 1～30 mW | 1～30 mW | 1～30 mW |
| 效率（WPE） | 20～40% | 20～40% | 5～15% | 5～15% | 5～15% |
| 使用壽命 | 最高 10,000 h | 最高 10,000 h | 最高 5,000 h | 最高 5,000 h | 最高 5,000 h |
| 操作溫度 | -20 °C ～ +60 °C | -20 °C ～ +60 °C | -10 °C ～ +50 °C | -10 °C ～ +50 °C | -10 °C ～ +50 °C |
| 典型應用 | 硬化、測試 | 硬化、測試 | 消毒、滅菌 | 消毒、滅菌 | 消毒、滅菌 |
說明：
峰值波長：LED 發射強度最高時所對應的波長。
光輸出功率：LED 發射光的總功率，單位為毫瓦。
效率：發射光功率與吸收電功率之比值。
使用壽命：LED 預期運作時間，直至輸出功率下降至原始值之特定百分比為止，通常為 70%（L70）。
操作溫度：LED 能安全且有效運作之溫度範圍。
典型應用：特定 LED 最常見之應用領域。
表中所列數值為一般參考值，可能因製造商及具體 LED 型號而有所差異。此外，值得注意的是，UVC LED（尤其是在較短波長時）之效率與輸出功率通常低於 UVA LED。
雖然 UVA LED 之 AlGaN 層通常含鋁量較低，但 UVB 與 UVC LED 須有較高含鋁量才能達到較短波長。由於含鋁量較高及相應之較高結晶缺陷，UVB 與 UVC LED 之磊晶沉積在技術上要求更高。這導致生產成本較高、良率較低。
此外，由於製造過程之關係，發射波長會有所波動。因此，紫外線 LED 在分離後會依光譜進行分組，此過程稱為分級（binning）。值得注意的是，若更換為不同批次之 LED，波長可能會略有變化。相對地，傳統燈管之發射則由原子躍遷與粒子碰撞所決定。因此，傳統燈管之發射不會改變。
UVA LED 的應用
波長範圍在 315 至 400 nm 的 UVA LED 被廣泛應用於眾多技術、科學及工業領域，在非破壞性檢測（NDT）及許多其他創新應用中扮演核心角色。
非破壞性檢測（NDT）：UVA LED 是螢光檢測（NDT 的一個子領域）中的重要工具。它們藉由激發塗覆在待測零件上的螢光染料，使表面缺陷或材料差異可視化。此方法常用於航太、汽車及金屬加工產業，用以辨識裂縫、重疊、氣孔及其他缺陷。
紫外線固化：UVA LED 最常見的應用之一是油漆、黏著劑及塗料的紫外線固化。此技術用於印刷業、電子產品製造（例如智慧型手機螢幕的黏接）。UVA LED 具有快速且精準固化的優勢，可縮短製程時間並提高能源效率。
長期以來應用於紫外線固化及紫外線印刷的光起始劑，是專門設計用來對相應的 UVA 波長產生反應。額外以 280 至 300 nm 範圍的 UVB 光照射，可改善固化過程。
醫療應用：在皮膚科學中，UVA LED 用於光療，特別是治療如乾癬及濕疹等皮膚疾病。UVA 輻射有助於減輕發炎並緩解這些疾病的症狀。
植物生長與園藝：UVA LED 在農業技術中扮演一定角色，特別是在溫室植物生長的人工照明方面。它們有助於控制某些生長過程並提高植物對害蟲的抵抗力。以 UVA 照射會使植株縮短。
法醫應用：在法醫學中，UVA LED 用於使血液、精液或其他體液等生物痕跡可視化。此技術也用於辨識偽造的文件或紙鈔。
分析應用：在化學及生物化學中，UVA LED 用於藉由螢光光譜法分析物質。此方法可精確測定化學化合物的組成及濃度。
UVB LED 的應用
UVB LED 在醫學上越來越常用於治療如乾癬等皮膚疾病及維生素 D 的合成。過去皮膚科學長期使用波長 308 nm 的激發式雷射或雷射。紫外線 LED 正逐漸取代傳統紫外線燈。因此其他應用包括：
維生素 D 的產生：UVB 輻射對於皮膚或食物中維生素 D 的天然生成至關重要。UVB 用於裝置中以產生維生素 D、維生素 D2 或前維生素 D3。當波長在 290 至 315 nm 之間的 UVB 光照射到皮膚時，7-DHC 分子的 B 環結構會被分解。此過程稱為光解作用。
與人類藉由皮膚暴露於 UVB 輻射來合成維生素 D 不同，植物並不以相同方式產生維生素 D。當真菌及某些藻類物種暴露於紫外線輻射時，其細胞內存在的麥角固醇可透過與人類皮膚合成維生素 D3 類似的光解反應，轉化為麥角固醇鈣化醇（維生素 D2）。UVB 輻射會打斷麥角固醇分子中特定的鍵，導致其轉化為前維生素 D2。與人類維生素 D3 的合成類似，不穩定的前維生素 D2 會透過依賴熱能的異構化轉化為穩定的維生素 D2。
曬黑：在化妝品產業中，UVB LED 及紫外線燈可用於曬黑裝置，以達到均勻且可控的皮膚曬黑效果。
光療：在醫療治療中，UVB 用於光療，特別是針對如乾癬及白斑症等皮膚疾病。UVB 輻射有助於使過度活躍的皮膚細胞恢復正常，並緩解這些疾病的症狀。
植物栽培：UVB LED 也應用於植物育種，因為 UVB 光會影響植物的生長、開花時間及次級代謝物。以 UVB 光照射有助於提高某些植物成分（如維生素、香氣物質及色素）的產量。
大麻中的 THC 產量：UVB LED 的一項特定應用是優化大麻中 THC 的產量。已知 UVB 輻射會增加植物的壓力，進而可能提高如 THC 等次級植物化合物的產量。此方法特別用於合法大麻種植環境，以提升植株的效力及品質。
材料測試：UVB 用於材料的加速老化測試，以模擬太陽輻射並評估塑膠、油漆及其他材料的長期穩定性。
UVC LED 的應用
UVC LED 在效率、耐用性及成本方面的持續發展，使其在許多傳統上使用汞蒸氣燈的領域中成為日益具吸引力的選擇。因此，其一般應用包括：
紫外線消毒：UVC 最主要的用途之一是水、表面及空氣的消毒。UVC 輻射在使細菌、病毒及其他微生物失去活性方面極為有效，因為它會破壞其 DNA 或 RNA，從而阻止其繁殖。
UVC LED 用於小型水處理系統，在使用點（即水龍頭）去除飲用水中的致病菌。
表面消毒：在醫院、實驗室及食品加工業中，使用可攜式或永久安裝的 UVC 裝置發出 UVC 輻射，以對工具、包裝及工作表面進行滅菌。此外，UVC 燈也整合於空調及通風系統中，以淨化空氣中的病菌並防止疾病傳播。
傷口護理：未來 UVC LED 也將用於醫療治療及傷口護理，特別是治療難以癒合的傷口及感染。將 UVC 光施用於受感染的傷口可抑制細菌病原體的生長並促進癒合。精確控制輻射劑量以避免損傷皮膚十分重要。
直接光聚合作用：UVC LED 較少用於光聚合作用：其輻射會被最上層的樹脂層吸收，且可用功率遠低於 UVA LED。對於塗料、黏著劑及 3D 列印樹脂而言，365 至 405 nm 的 UVA LED 才是標準選擇。
其他分析應用：
UVC LED 可作為光譜分析的光源，用於分析化學及生物樣本，例如環境監測中的螢光或吸光度測量。
哪種波長適合紫外線黏著劑？
光起始劑僅在有限的波段內吸收光。為 365 nm 設計的起始劑，即使以更高功率的 405 nm 光源照射，也幾乎無法被激發。工業用紫外線 LED 在 365、385、395 及 405 nm 的峰值波長，代表的是不同的化學配方，而非可互換的功率等級（UV-int – UV wavelength selection；ScienceDirect – Specific photoinitiating systems at 365, 385, 395 and 405 nm）。選擇應從黏著劑的技術資料表開始，並以在實際光源上的量測結果作為最終依據。常見的錯誤來源是：型號名稱標示的是名義峰值波長，而非光譜半高全寬（FWHM）、製造公差，或隨接面溫度而產生的偏移。
365、385、395 或 405 nm — 光譜範圍與應用
| 波長 | 特性 | 典型光起始劑／材料相容性 | 典型應用 |
|---|---|---|---|
| 365 nm | 四個峰值中光子能量最高（3.39 eV）；歷史上為汞蒸氣燈的 i 線峰值；穿透清澈材料的深度往往較深 | 與為汞燈配方設計的傳統光起始劑相容；通常是既有、未變更黏著劑配方的首選 | 較厚的透明填封材料；光學黏接；將既有汞燈製程轉換為 LED（UV-int；Incure Lab） |
| 385 nm | 穿透深度與表面固化之間比例均衡（3.22 eV）；與許多雙重固化型起始劑具有廣泛相容性 | 為 LED 固化重新配方、資料表範圍為 380–390 nm 的黏著劑 | 對深度與表面固化有混合需求的零件；同時生產多種工件類型的產線（Incure Lab） |
| 395 nm | 具高能源效率及長 LED 使用壽命的產業標準（3.14 eV）；許多現代黏著劑配方已重新調整為 390–400 nm | 材料相容性廣泛；部分可穿透在近可見光範圍開始透光的紫外線阻隔添加劑 | 一般工業固化、電子產品製造、數位印刷、高產能量產線（UV-int） |
| 405 nm | 四個峰值中光子能量最低（3.06 eV）；更接近可見光；表面固化效率高、穿透深度較低；額外熱負載極小 | 自由基型光起始劑仍可使用，但效率較低；配方範圍通常為 400–410 nm | 表面固化、熱敏感零件、3D 列印及牙科樹脂、醫療用黏著劑（Incure Lab） |
備註：本表描述的是技術文獻中的一般趨勢。特定情況下哪種波長合適，取決於實際使用的光起始劑及接合零件的透光性，應在實際組裝件上量測確認，而不應僅憑 LED 的名義標示推斷。
如何據此規劃並釋放黏接或填封製程，請參閱紫外線黏接與填封製程的設計；哪種材料類別適合此應用，請參閱紫外線固化黏著劑、塗料及填封材料的選擇。
紫外線 LED 的基板與磊晶：
- UVA LED（315 nm 至 400 nm）：
藍寶石（氧化鋁）因價格低廉且容易取得，常被用作基板。碳化矽（SiC）或矽（Si）等其他基板也被使用，以發揮其熱導性及與現有半導體製造技術的相容性。磊晶層藉由金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）沉積而成，通常由氮化鋁鎵（AlGaN）組成，鋁含量會依所需的發射波長進行調整。
- UVB LED（280 nm 至 315 nm）及 UVC LED（100 nm 至 280 nm）
UVB 及 UVC LED 通常使用與 UVA LED 相同的基板，但對材料品質及純度的要求更高，特別是 UVC 範圍內較短波長的部分。另外也使用如氮化鋁（AlN）等原生基板，可實現更佳的晶格匹配，因而降低缺陷密度。此處同樣使用 AlGaN 作為磊晶層，但鋁含量更高，以達到更短的波長。磊晶層同樣以 MOCVD 形成，過程中特別注重缺陷控制及層的均勻性。
熱輸入：UV LED 與放電燈管的比較
除了可用的紫外線輻射外，UV 燈管還會發射大量紅外線成分，因為電漿及高溫燈管外殼會將大部分損耗以熱能形式輻射出去。而在 UV LED 中，損耗則是被導引至散熱片或水冷系統，而不會以輻射方式到達工件。因此輻射熱輸入明顯較低。
然而，較低並不代表可忽略：高功率模組在被照射材料表面可達到每 cm² 數 W 的輻照度水準——其功率密度大約相當於電磁爐的等級。即使沒有紅外線成分，工件仍會明顯升溫。因此對於溫度敏感的基材，除了劑量外，還必須考量照射的時間曲線，且元件溫度也應納入製程評估。
第二點則與波長範圍的長波末端有關：發射波長高於 400 nm 的 LED，嚴格來說屬於藍光 LED。此時必須評估光化學視網膜危害（「藍光危害」）。相關基本原理說明於 職業安全與光生物安全 頁面；對於實驗室工作及手動黏接作業，封閉式 UV LED 照射腔室 是較安全的解決方案。
實際到達工件的輻照度可在製程中透過 UV 測量儀器與輻射計 進行監測；針對個別 LED 波長的校正則由 經認證的校正實驗室 執行。
哪些量測儀器可擷取 365 至 405 nm 紫外線 LED 的光譜、輻照度與輻射通量，請參閱紫外線 LED 量測技術頁面。
紫外線 LED 量測常見問答
脈衝式紫外線 LED 應如何正確量測？
關鍵區別在於脈衝峰值與時間平均值之間的差異。積分時間較長的儀器（例如光譜儀）所顯示的是平均值，也就是峰值乘以工作週期──就劑量而言是正確的，但用來判斷峰值輻照度則是錯誤的。若要量測峰值，需要頻寬遠高於脈衝頻率的儀器，或採用以脈衝觸發的量測方式。
紫外線 LED 可達到多高的效率？
整體效率，即所謂的插頭效率（wall-plug efficiency），是將光輻射功率與所消耗的電功率相比較。UVA LED 可達約 30 至 40 %，藍光 LED 甚至已達約 80 %。而深紫外線 UVB 及 UVC 範圍的 LED 則明顯偏低，僅約 5 至 10 % 以下。原因在於製程：波長愈短，AlGaN 層所需的鋁含量愈高，這使磊晶製程更為複雜，產生更多晶體缺陷，並降低良率。因此 UVB 及 UVC LED 仍持續研發中，市面上的型號會在一段時間後被後續型號取代。
紫外線 LED 的分級（binning）是什麼意思？
由於製程因素，所發出的波長會有所差異。晶圓切割成單顆晶粒後，LED 晶片會依光譜特性分組，此分類程序稱為分級（binning）。實際上的影響是：若以來自不同批次的元件更換 LED，發射波長可能略有偏移，此時採用窄頻加權的感測器便會顯示不同的數值。傳統燈管則不會發生此情況，因為其發射光譜是由原子躍遷與粒子碰撞所決定，更換燈管時不會產生偏移。
紫外線 LED 的使用壽命有多長？
UVA LED 可達最高 10,000 小時的操作時間，UVB 及 UVC LED 則最高可達 5,000 小時。壽命通常以 L70 表示，也就是輻射功率下降至初始值 70 % 時所經過的操作時間。可容許的操作溫度亦有所不同：UVA LED 為 −20 °C 至 +60 °C，UVB 及 UVC LED 為 −10 °C 至 +50 °C。由於輸出功率會隨使用時間持續下降，因此採用劑量控制的製程調節方式，優於採用固定的照射時間。
作者：Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia 為 Opsytec Dr. Gröbel GmbH（位於 Ettlingen）的董事總經理，並負責領導該公司已獲認證的校正實驗室。在 KIT 照明技術研究所從事脈衝式氙氣激發準分子放電之研究後，他目前的研究重點為光學輻射量測技術。他同時擔任 DIN 標準委員會 FNL 7「光學輻射」小組副主席，並為 DVGW 紫外線消毒專案小組成員。
