具备高度光谱可调性拟烛光OLED夜灯崭露锋芒

 人必须有日光与暗夜，才能确保身体健康。本文将先简述光与暗夜对生理时钟的影响;再简单回顾，夜灯如何危害人体健康，特别是蓝光与高色温的白光，其如何直接伤害褪黑激素的分泌，除了影响睡眠品质之外，长期下来，亦将导致某些癌症罹患风险攀升。

为回应医界的呼吁：入夜若须点灯，应避免使用蓝或白光，我们特别利用有机发光二极体(OLED)照明技术，设计、制作一个非常节能又生理友善的、像烛光的夜灯。最后，简单介绍此一类烛光OLED的优异特性，期望读者可以借此资讯，为自己、为家人挑选安全夜用的光源，或一起开发节能又对身体友善的安全夜间照明。

健康照明需求看涨

现代人已经渐渐明白，光不是越亮越好;而且，只有节能，也并非好光。好的光源，除了节能，更必须对人体无害。试想：在保护孩子眼睛与节省能源之间，我们将会如何选择?在保护家人身体健康与节约用电之间，我们的抉择又会是如何?再想：适合白天、工作使用的照明，也适合用在夜晚、休息的时候使用吗?

人类曾想方设法，要点亮暗夜。近来的医学发现，夜间点灯不一定是福?尤其是最近30年，夜晚大量使用明亮的电子照明设备，特别是照射明亮的白光或蓝光，致使罹患乳癌和肠癌等案例急速增长，已经引起先进国家的注意。

据估计，2012年，全球照明的产值，约在新台币3兆元;平面显示器的产值，至2018年，才会达到同样的产值，此明显意味着，加速发展创新照明技术产业的重要性与急迫性，绝不低于发展创新显示技术产业。在全球一窝蜂发展节能照明的时刻，健康照明的议题与商机，一直被忽略，其实，发展节能又对人体健康的照明灯具，才会有高的附加价值，更是永续之道。

光、暗夜与生理时钟息息相关

人和许多生物生理时钟的运作，与光源的照射紧密相关。在白天，日光能刺激可体松(Cortisol)的分泌，以使人保持清醒、有活力;进入暗夜之后，褪黑激素会渐渐大量的分泌，而使人放松。褪黑激素除有益人们入夜舒眠之外，更是一种保护人体、抑制肿瘤的荷尔蒙，然在不恰当的时间照光之后，生理时钟错乱，褪黑激素的分泌受到抑制，除影响睡眠品质、降低免疫力之外，长期下来，对人的身体健康，影响甚巨。

史帝分包立(Steven Pauley)指出，生理时钟依靠暗夜和亮光运作，暗夜得以让人在凌晨2?4点，正常分泌褪黑激素;明亮的日光，则可以使人启动或重新设定生理时钟，而此一系统，乃是借着光子进入人眼的视网膜所启动的。这段陈述，正是古人智慧「日出而作，日落而息」以维持身体健康，最好的科学诠释。

不当的照光，会对生理时钟，产生不良的影响，而这些影响，有提高某些癌症罹患的风险。针对这一点，国际癌症研究署(International Agent for Research on Cancer)的结论是，涉及日夜阻断的轮班工作，对人类可能是致癌的。

以色列库鲁格(I. Kloog)的研究发现，在他所探索的一百四十七个社区当中，夜间灯光最亮的社区，其妇女罹患乳癌的机率，比夜间灯光最暗社区的妇女，高73%;其他的研究亦指出，妇女罹患乳癌的机率，和非白天轮班之间，有相当的关联;拔勒斯克(Blask)的报告指出，夜间照光，会使人产生睡眠困扰，且会抑制褪黑激素的分泌，并降低免疫力，也会增加乳癌、结肠癌、前列腺癌和子宫颈癌罹患风险。

阻碍褪黑激素分泌含蓝光的白光为最大元凶

因为褪黑激素对人体健康的重要，而素有「脑白金」的称呼;然而，夜间照光，却会严重抑制它的分泌。夜光抑制褪黑激素的程度，跟照光时间的长短、照光的强度及所照光线的波长，均有显著关系(图1)。

图1 照光的时间越久、亮度越强、波长越短，对褪黑激素抑制的影响越大。

Lockley等人指出，在照光总量相同的条件下，低照度但长时间的照射，如持续6.5小时，会比高照度但照射时间短者，如1.5小时，对褪黑激素的抑制更显著。 Brainard等人指出，照射的光量越多，对褪黑激素会有越强的抑制;Hanifin等人指出，照射光源的波长越短，也就是光线的能量越高，对褪黑激素的抑制越严重(图2)。

图2 光照的波长越短，也就是波动的能量越高，对褪黑激素抑制的影响越大。

Thapan等人亦发现，随着照光的波长从548奈米的绿光，逐渐降低为456奈米的蓝光，褪黑激素分泌受到抑制的程度，升高十倍;当波长继续减为424 奈米的泛紫光或靛光时，抑制效果继续上升，并未因人眼对趋近紫外线的光感受度降低而减少，因此除蓝光不适宜入夜照明使用之外，深蓝与紫光，更是不宜。

从光源对生理影响的角度观之，Kozaki等人的研究，具有很高的参考价值，因为他们直接采用一般照明灯具进行人体实验，而非理论研究用的单色光。结果指出(图3)，若使用色温5,000K的冷白萤光灯，在半夜照射1.5小时200勒克斯(Lux)的光，将抑制78%褪黑激素的分泌;若是使用色温3,000K暖白的萤光灯，则抑制约50%;色温减至2,300K时，仅会抑18%;若是再将色温降至2,000K以下，预期会有更少的抑制影响;换言之，安全的夜用光源，其色温应该是2,000K以下。

图3 入夜之后，照射光源的色温越低，也就是蓝光越少、红光越多，对褪黑激素分泌的影响越小。

以上的实验结果，跟另外一项独立进行的模拟计算结果吻合;根据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仅需13分钟;冷白萤光灯需15分钟;色温2,500K的白炽灯泡则需39分钟;色温1,900K的蜡烛为66分钟(图4)。此结果再次确认， 含有蓝光越多的高色温光源，越不适合人们入夜使用;此处，100勒克斯，乃是一般居家照明的照度，而一般办公室为500勒克斯上下。

图4 蓝光越多，光源的色温越高，对褪黑激素的压抑越快速。

蓝光含量极少拟烛光最适用于晚间点灯

蜡烛光确实有几项好处，除了大众所最熟知，它那橙红光色在晚餐时分所营造出的浪漫氛围之外(图5)，最重要的，烛光对褪黑激素的负面影响最小;简言之，在现有光源当中，烛光最能营造罗曼蒂克氛围，并最为人体友善。

图5 拟烛光OLED映照在葡萄酒杯上的氛围，与烛光完全相似，上图对照的是冷白萤光灯管与白光LED的映​​照效果。

蜡烛会是对人体比较安全的夜用光源，主因是它的光谱当中，橘光、红光含量较多，而蓝光的含量非常的少(表1)。相对于高能量的蓝光，属于长波长、低能量的橘光、红光，其对褪黑激素所产生的负面影响，低得相当的多。定量上，蓝光伤害褪黑激素的强度，是红光的一万倍，这也是说明为什么医界不断呼吁，入夜临睡前，切勿照射蓝光或是含有蓝光的白光。

按此，蜡烛或许是最佳的夜间照明光源，但因为耗氧、黑烟、烧伤、火灾等因素，加上蜡烛的耗能，而被白炽灯泡取代。

近年来，节能意识抬头，欧、日等国将陆续停止生产、禁用白炽灯泡;而萤光灯管，仍有色温偏高、含汞与其他潜在不利的因素，因此找寻更安全的替代光源，便至关重要。

消除蓝光光源OLED为拟烛光首选方案

尽管烛光的优点非常显著，但蜡烛的能量效率极低，也是一项致命伤。燃烧等同1瓦特能量的蜡烛时，只能产生0.1个流明的亮度;而拟被淘汰的白炽灯泡，尚有10~15个流明瓦。

新世代的固态照明光源：LED及OLED，是目前节能的新选择;然而，虽已进入大量生产，白光LED几乎都是以蓝光做为主要的组成光源，显然不是夜间照明的良好选择。相对的，OLED拥有各种光色的染料，具有最高度的光谱可调特性，可以完全避除蓝光的使用，更能够自由裁选出最接近烛光光色的光谱，将是取代白炽灯泡做为夜间明的主流。

2012年12月，国立清华大学实验室发表拟烛光OLED，此乃继5,000年前埃及人发明的蜡烛以来，第一个可由电力驱动且没有温室气体排放的拟烛光光源;此光源除了提供知觉温暖的照明氛围之外，更可免除烛火所可能引发的烧烫伤，更去除烛火的闪烁不定及眩眼缺点(图6)。

图6 与蜡烛光比较，拟烛光OLED可以控制发光方向与亮度，不会有眩光与光线突兀的问题。

此一拟烛光，系采用高效率的OLED所制作，所以非常节能，至少比蜡烛节能三百倍，也比白炽灯节能四倍;另外，此一拟烛光OLED，更没有令人感到灼热的红外线放射，因此将是一种会令人心理温暖的冷光。

该拟烛光OLED，包含发光层、助发光层、电流注入层及导电电极(图7)，烛光虽呈现橘黄色，但其光谱包含大量的红、橙与黄光，与微量的天蓝光。为使拟烛光OLED光色贴近蜡烛光谱，在发光层部分，采用红、黄、绿、蓝四种烛光互补色发光体;为了提高效率，在发光层前后以助发光材料包覆，促进电流流入发光层，并于助发光层外再以电流注入材料包覆，最后镀上电极，即为拟烛光OLED。

图7 拟烛光OLED元件(左)由数层薄膜组成(右)，每层厚度约30奈米，层数再多元件还是一样轻薄。

拟烛光OLED有望成为夜灯主流

此一拟烛光OLED的研究成果，已获得国际著名期刊-前瞻功能材料(Advanced Functional Materials)接受刊登;该期刊以最高优先顺位，对此论文进行编辑、校稿并网上刊载，且在其材料眺望(Materials Views)网上专文刊载，以做为2012年圣诞节的特辑。

以人体健康的角度来看，夜晚使用蜡烛的色光是相对上最为安全的;但因为蜡烛的能效太差，而被白炽灯泡取代。现在，拟取代白炽灯泡的节能光源，几乎全数是高色温的白光，其等色温，不只高过白炽灯泡，更高过烛光甚​​多，非常不利于入夜照明之用。也因此，光色、色温和烛光相近的拟烛光OLED，其能源效率高过蜡烛三百多倍、高过白炽灯泡四倍以上，既节能且人体友善，将是黄昏后入睡前的照明主流，预期拟烛光OLED的推出，当可改写人类夜间照明史。

(本文作者周卓辉为台湾清华大学材料系教授;谢浚宇为该系毕业生)