李國興、張仕欣、黃泳彬 / 工研院材化所
本文介紹夜光/應力發光材料的發展歷程，通過對專利數據庫的分析，觀察近年來夜光/應力發光材料的發展趨勢，以及它們在紡織品之應用。進一步探討夜光材料的發光原理和應力發光材料的作用機制，並通過個別專利案例思考夜光/應力發光材料在紡織品中的應用機會。最後，介紹工研院開發的夜光材料，未來可應用於紡織品。
【內文精選】
夜光原理與應力發光的機制
1. 夜光原理
激發態高能階的電子有機會再發射出相同或較長波長的輻射回到基礎態，吸收部分可見光的物質就會呈色。發射波長較長的輻射，為一般的螢光(Fluorescence)；激發態的分子，到達能量較低的三重態之激發態，電子回到基礎態時所放出的輻射即為磷光(Phosphorescence)，所以磷光的波長又大於螢光。螢光在激發光線截斷照射後幾乎立即消失(<10-6 s)，而磷光則會持續較久的時間。
銪摻雜鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+)夜光材料是近些年研究比較多的一類長餘輝夜光材料，最初開發是作為燈粉或者陰極射線管粉的用途，後來有人開始研究基質晶體結構對Eu2+發光特性的影響，希望通過設計特定晶體結構，達到製備高性能磷光體的目的。近十多年來，研究主要集中在鹼土鋁酸鹽體系在添加除Eu之外的第二種啟動劑上，如Dy、Nd等，希望通過引入微量元素構成適當的雜質能階，來延長餘輝時間。實驗上已證明，銪鏑共摻鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)和銪釹共摻鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Nd3+)等材料，發光亮度和餘輝時間都要優於僅摻銪鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+)體系。因此，共摻雜的鋁酸鍶長餘輝夜光材料的製備技術和發光性能仍是目前發光材料領域的研究熱點。F. Clabau研究表明，銪鏑共摻鋁酸鍶(SrAl2O4:Eu2+,Dy3+)中Dy3+共摻雜增強了磷光效果，因為它增加了Eu2+附近的電子陷阱數量及陷阱深度。
圖十、添加光轉換劑的稀土夜光纖維發光示意圖
2. 應力發光的機制
應力發光材料是近些年逐漸興起的一類光電功能材料，該材料明顯有別於光致發光材料。光致發光材料需要高能X射線、紫外線、可見光等激發光源進行激發，然後通過能級之間的躍遷來實現發光的過程；而應力發光材料在受到不同機械應力下即可產生相應的發光現象，且僅僅需要超音波級別的微小應力激發就能實現很強的可重複性應力發光。
夜光/應力發光技術在紡織品的應用
3. 應力發光織物及其製備方法
彭慧勝等提出一種具有應力回應的發光織物及其製備方法，將具有應力回應的發光材料分散在具有彈性透光材料中作為發光複合材料，進一步組裝在織物或纖維基底表面，以構建具有不同結構的應力發光織物。發光織物在應力作用下具有發光能力，發光亮度與材料本身以及施加應力有關，同時發光的顏色也可以調節。通過結構的設計可實現多種發光圖案的顯示。這種對應力回應的發光織物可以應用於智慧紡織品的領域，具有裝飾和警示等作用。此基於彈性纖維基底的應力發光複合纖維的製備方法如圖十四所示。其中發光顆粒為ZnS:Cu發光粉、彈性高分子前驅體為PDMS前驅體、彈性高分子纖維為聚二甲基矽氧烷彈性纖維編織的網織物。應力發光複合織物的作法為將上述所得的應力發光複合纖維，通過平紋織布的方式編織成織物，即應力發光織物。
圖十四、應力發光複合纖維的製備方法
衣服是最貼近民生的日常用品，在現代服裝設計開發過程中，使用發光複合材料可以綜合考慮不同服裝材料、顏色、舒適性、整潔和藝術美感等諸多因素，讓設計師進一步探索服裝發光複合材料的潛在實際應用。發光複合纖維與織物可以廣泛地應用於各種運動服裝，例如運動T恤、休閒服、舞臺表演服裝、室內裝飾建築材料和其他民俗用裝飾等領域，在將各種不同的設計/技術應用時，應特別注意各種纖維參數測量標準，例如發光織物纖維密度、厚度、組織纖維結構和單位分布面積纖維品質等。這些重要參數將直接影響到紡織物的整體發光處理效果，否則發光織物的特殊效果將大大減弱。
目前工研院材料與化工研究所自行開發夜光材料應用於纖維。圖十六明顯可見工研院開發粉體經光源照射1分鐘後，以PL光譜觀察放光餘暉的強度與時間的關係，強度剩下14%的時間較市售夜光粉體長5倍。所開發之放光粉體SEM觀察，粒徑範圍5.0~12.5 μm。未來利用應力發光材料的特性，可開發出應力發光的紡織品---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十六 、工研院與市售粉體放光餘暉比例及時間比較圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》433期，更多資料請見下方附檔。