具備高度光譜可調(diào)性擬燭光OLED夜燈嶄露鋒芒

 人必須有日光與暗夜，才能確保身體健康。本文將先簡述光與暗夜對生理時(shí)鐘的影響;再簡單回顧，夜燈如何危害人體健康，特別是藍(lán)光與高色溫的白光，其如何直接傷害褪黑激素的分泌，除了影響睡眠品質(zhì)之外，長期下來，亦將導(dǎo)致某些癌癥罹患風(fēng)險(xiǎn)攀升。

為回應(yīng)醫(yī)界的呼吁：入夜若須點(diǎn)燈，應(yīng)避免使用藍(lán)或白光，我們特別利用有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)照明技術(shù)，設(shè)計(jì)、制作一個(gè)非常節(jié)能又生理友善的、像燭光的夜燈。最后，簡單介紹此一類燭光OLED的優(yōu)異特性，期望讀者可以借此資訊，為自己、為家人挑選安全夜用的光源，或一起開發(fā)節(jié)能又對身體友善的安全夜間照明。

健康照明需求看漲

現(xiàn)代人已經(jīng)漸漸明白，光不是越亮越好;而且，只有節(jié)能，也并非好光。好的光源，除了節(jié)能，更必須對人體無害。試想：在保護(hù)孩子眼睛與節(jié)省能源之間，我們將會如何選擇?在保護(hù)家人身體健康與節(jié)約用電之間，我們的抉擇又會是如何?再想：適合白天、工作使用的照明，也適合用在夜晚、休息的時(shí)候使用嗎?

人類曾想方設(shè)法，要點(diǎn)亮暗夜。近來的醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，夜間點(diǎn)燈不一定是福?尤其是最近30年，夜晚大量使用明亮的電子照明設(shè)備，特別是照射明亮的白光或藍(lán)光，致使罹患乳癌和腸癌等案例急速增長，已經(jīng)引起先進(jìn)國家的注意。

據(jù)估計(jì)，2012年，全球照明的產(chǎn)值，約在新臺幣3兆元;平面顯示器的產(chǎn)值，至2018年，才會達(dá)到同樣的產(chǎn)值，此明顯意味著，加速發(fā)展創(chuàng)新照明技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要性與急迫性，絕不低于發(fā)展創(chuàng)新顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)。在全球一窩蜂發(fā)展節(jié)能照明的時(shí)刻，健康照明的議題與商機(jī)，一直被忽略，其實(shí)，發(fā)展節(jié)能又對人體健康的照明燈具，才會有高的附加價(jià)值，更是永續(xù)之道。

光、暗夜與生理時(shí)鐘息息相關(guān)

人和許多生物生理時(shí)鐘的運(yùn)作，與光源的照射緊密相關(guān)。在白天，日光能刺激可體松(Cortisol)的分泌，以使人保持清醒、有活力;進(jìn)入暗夜之后，褪黑激素會漸漸大量的分泌，而使人放松。褪黑激素除有益人們?nèi)胍故婷咧?，更是一種保護(hù)人體、抑制腫瘤的荷爾蒙，然在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間照光之后，生理時(shí)鐘錯亂，褪黑激素的分泌受到抑制，除影響睡眠品質(zhì)、降低免疫力之外，長期下來，對人的身體健康，影響甚巨。

史帝分包立(Steven Pauley)指出，生理時(shí)鐘依靠暗夜和亮光運(yùn)作，暗夜得以讓人在凌晨2?4點(diǎn)，正常分泌褪黑激素;明亮的日光，則可以使人啟動或重新設(shè)定生理時(shí)鐘，而此一系統(tǒng)，乃是借著光子進(jìn)入人眼的視網(wǎng)膜所啟動的。這段陳述，正是古人智慧「日出而作，日落而息」以維持身體健康，最好的科學(xué)詮釋。

不當(dāng)?shù)恼展?，會對生理時(shí)鐘，產(chǎn)生不良的影響，而這些影響，有提高某些癌癥罹患的風(fēng)險(xiǎn)。針對這一點(diǎn)，國際癌癥研究署(International Agent for Research on Cancer)的結(jié)論是，涉及日夜阻斷的輪班工作，對人類可能是致癌的。

以色列庫魯格(I. Kloog)的研究發(fā)現(xiàn)，在他所探索的一百四十七個(gè)社區(qū)當(dāng)中，夜間燈光最亮的社區(qū)，其婦女罹患乳癌的機(jī)率，比夜間燈光最暗社區(qū)的婦女，高73%;其他的研究亦指出，婦女罹患乳癌的機(jī)率，和非白天輪班之間，有相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián);拔勒斯克(Blask)的報(bào)告指出，夜間照光，會使人產(chǎn)生睡眠困擾，且會抑制褪黑激素的分泌，并降低免疫力，也會增加乳癌、結(jié)腸癌、前列腺癌和子宮頸癌罹患風(fēng)險(xiǎn)。

阻礙褪黑激素分泌含藍(lán)光的白光為最大元兇

因?yàn)橥屎诩に貙θ梭w健康的重要，而素有「腦白金」的稱呼;然而，夜間照光，卻會嚴(yán)重抑制它的分泌。夜光抑制褪黑激素的程度，跟照光時(shí)間的長短、照光的強(qiáng)度及所照光線的波長，均有顯著關(guān)系(圖1)。

圖1 照光的時(shí)間越久、亮度越強(qiáng)、波長越短，對褪黑激素抑制的影響越大。

Lockley等人指出，在照光總量相同的條件下，低照度但長時(shí)間的照射，如持續(xù)6.5小時(shí)，會比高照度但照射時(shí)間短者，如1.5小時(shí)，對褪黑激素的抑制更顯著。 Brainard等人指出，照射的光量越多，對褪黑激素會有越強(qiáng)的抑制;Hanifin等人指出，照射光源的波長越短，也就是光線的能量越高，對褪黑激素的抑制越嚴(yán)重(圖2)。

圖2 光照的波長越短，也就是波動的能量越高，對褪黑激素抑制的影響越大。

Thapan等人亦發(fā)現(xiàn)，隨著照光的波長從548奈米的綠光，逐漸降低為456奈米的藍(lán)光，褪黑激素分泌受到抑制的程度，升高十倍;當(dāng)波長繼續(xù)減為424 奈米的泛紫光或靛光時(shí)，抑制效果繼續(xù)上升，并未因人眼對趨近紫外線的光感受度降低而減少，因此除藍(lán)光不適宜入夜照明使用之外，深藍(lán)與紫光，更是不宜。

從光源對生理影響的角度觀之，Kozaki等人的研究，具有很高的參考價(jià)值，因?yàn)樗麄冎苯硬捎靡话阏彰鳠艟哌M(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)，而非理論研究用的單色光。結(jié)果指出(圖3)，若使用色溫5,000K的冷白螢光燈，在半夜照射1.5小時(shí)200勒克斯(Lux)的光，將抑制78%褪黑激素的分泌;若是使用色溫3,000K暖白的螢光燈，則抑制約50%;色溫減至2,300K時(shí)，僅會抑18%;若是再將色溫降至2,000K以下，預(yù)期會有更少的抑制影響;換言之，安全的夜用光源，其色溫應(yīng)該是2,000K以下。

圖3 入夜之后，照射光源的色溫越低，也就是藍(lán)光越少、紅光越多，對褪黑激素分泌的影響越小。

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，跟另外一項(xiàng)獨(dú)立進(jìn)行的模擬計(jì)算結(jié)果吻合;根據(jù)Schulmeister等人研究指出，在100勒克斯的照度下，要抑制50%的褪黑激素， 白光LED僅需13分鐘;冷白螢光燈需15分鐘;色溫2,500K的白熾燈泡則需39分鐘;色溫1,900K的蠟燭為66分鐘(圖4)。此結(jié)果再次確認(rèn)， 含有藍(lán)光越多的高色溫光源，越不適合人們?nèi)胍故褂?此處，100勒克斯，乃是一般居家照明的照度，而一般辦公室為500勒克斯上下。

圖4 藍(lán)光越多，光源的色溫越高，對褪黑激素的壓抑越快速。

藍(lán)光含量極少擬燭光最適用于晚間點(diǎn)燈

蠟燭光確實(shí)有幾項(xiàng)好處，除了大眾所最熟知，它那橙紅光色在晚餐時(shí)分所營造出的浪漫氛圍之外(圖5)，最重要的，燭光對褪黑激素的負(fù)面影響最小;簡言之，在現(xiàn)有光源當(dāng)中，燭光最能營造羅曼蒂克氛圍，并最為人體友善。

圖5 擬燭光OLED映照在葡萄酒杯上的氛圍，與燭光完全相似，上圖對照的是冷白螢光燈管與白光LED的映​​照效果。

蠟燭會是對人體比較安全的夜用光源，主因是它的光譜當(dāng)中，橘光、紅光含量較多，而藍(lán)光的含量非常的少(表1)。相對于高能量的藍(lán)光，屬于長波長、低能量的橘光、紅光，其對褪黑激素所產(chǎn)生的負(fù)面影響，低得相當(dāng)?shù)亩?。定量上，藍(lán)光傷害褪黑激素的強(qiáng)度，是紅光的一萬倍，這也是說明為什么醫(yī)界不斷呼吁，入夜臨睡前，切勿照射藍(lán)光或是含有藍(lán)光的白光。

按此，蠟燭或許是最佳的夜間照明光源，但因?yàn)楹难?、黑煙、燒傷、火?zāi)等因素，加上蠟燭的耗能，而被白熾燈泡取代。

近年來，節(jié)能意識抬頭，歐、日等國將陸續(xù)停止生產(chǎn)、禁用白熾燈泡;而螢光燈管，仍有色溫偏高、含汞與其他潛在不利的因素，因此找尋更安全的替代光源，便至關(guān)重要。

消除藍(lán)光光源OLED為擬燭光首選方案

盡管燭光的優(yōu)點(diǎn)非常顯著，但蠟燭的能量效率極低，也是一項(xiàng)致命傷。燃燒等同1瓦特能量的蠟燭時(shí)，只能產(chǎn)生0.1個(gè)流明的亮度;而擬被淘汰的白熾燈泡，尚有10~15個(gè)流明瓦。

新世代的固態(tài)照明光源：LED及OLED，是目前節(jié)能的新選擇;然而，雖已進(jìn)入大量生產(chǎn)，白光LED幾乎都是以藍(lán)光做為主要的組成光源，顯然不是夜間照明的良好選擇。相對的，OLED擁有各種光色的染料，具有最高度的光譜可調(diào)特性，可以完全避除藍(lán)光的使用，更能夠自由裁選出最接近燭光光色的光譜，將是取代白熾燈泡做為夜間明的主流。

2012年12月，國立清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表擬燭光OLED，此乃繼5,000年前埃及人發(fā)明的蠟燭以來，第一個(gè)可由電力驅(qū)動且沒有溫室氣體排放的擬燭光光源;此光源除了提供知覺溫暖的照明氛圍之外，更可免除燭火所可能引發(fā)的燒燙傷，更去除燭火的閃爍不定及眩眼缺點(diǎn)(圖6)。

圖6 與蠟燭光比較，擬燭光OLED可以控制發(fā)光方向與亮度，不會有眩光與光線突兀的問題。

此一擬燭光，系采用高效率的OLED所制作，所以非常節(jié)能，至少比蠟燭節(jié)能三百倍，也比白熾燈節(jié)能四倍;另外，此一擬燭光OLED，更沒有令人感到灼熱的紅外線放射，因此將是一種會令人心理溫暖的冷光。

該擬燭光OLED，包含發(fā)光層、助發(fā)光層、電流注入層及導(dǎo)電電極(圖7)，燭光雖呈現(xiàn)橘黃色，但其光譜包含大量的紅、橙與黃光，與微量的天藍(lán)光。為使擬燭光OLED光色貼近蠟燭光譜，在發(fā)光層部分，采用紅、黃、綠、藍(lán)四種燭光互補(bǔ)色發(fā)光體;為了提高效率，在發(fā)光層前后以助發(fā)光材料包覆，促進(jìn)電流流入發(fā)光層，并于助發(fā)光層外再以電流注入材料包覆，最后鍍上電極，即為擬燭光OLED。

圖7 擬燭光OLED元件(左)由數(shù)層薄膜組成(右)，每層厚度約30奈米，層數(shù)再多元件還是一樣輕薄。

擬燭光OLED有望成為夜燈主流

此一擬燭光OLED的研究成果，已獲得國際著名期刊-前瞻功能材料(Advanced Functional Materials)接受刊登;該期刊以最高優(yōu)先順位，對此論文進(jìn)行編輯、校稿并網(wǎng)上刊載，且在其材料眺望(Materials Views)網(wǎng)上專文刊載，以做為2012年圣誕節(jié)的特輯。

以人體健康的角度來看，夜晚使用蠟燭的色光是相對上最為安全的;但因?yàn)橄灎T的能效太差，而被白熾燈泡取代?，F(xiàn)在，擬取代白熾燈泡的節(jié)能光源，幾乎全數(shù)是高色溫的白光，其等色溫，不只高過白熾燈泡，更高過燭光甚​​多，非常不利于入夜照明之用。也因此，光色、色溫和燭光相近的擬燭光OLED，其能源效率高過蠟燭三百多倍、高過白熾燈泡四倍以上，既節(jié)能且人體友善，將是黃昏后入睡前的照明主流，預(yù)期擬燭光OLED的推出，當(dāng)可改寫人類夜間照明史。

(本文作者周卓輝為臺灣清華大學(xué)材料系教授;謝浚宇為該系畢業(yè)生)