趙蓓瑩、黃泳彬 / 工研院材化所
近年來，交流電致發光(ACEL)作為一種顯示技術已被快速且蓬勃地研究。由於組件材料(發光層、介電層、電極層)的優化，ACEL器件展現了極高的可變形性、高穩定性和拉伸發光特性，且不會產生熱源，因此ACEL能夠適用於顯示紡織品和作為傳感器使用。在這個穿戴式電子產品和柔性顯示器有巨大需求的時代，柔性ACEL器件面臨著前所未有的發展機遇，加速了研究成果的突破。本文首先介紹ACEL器件的結構和機制，並重點整理柔性ACEL器件的功能和發展；再來，分別對兩種不同型態(發光纖維、發光薄膜)的ACEL紡織品研究進展做說明；最後則是探討ACEL在傳感器上的應用。
【內文精選】
柔性ACEL元件的進展
因織物本身是一種具有彈性且不平整的布料，與電子元件結合時，電子元件必須具有可延展的特性，在彎曲變形的同時也不能影響通電的效能。而柔性ACEL因具備拉伸、可撓、扭曲以及適應非平坦表面的能力，所以用途廣泛，特別適合用在紡織品領域，故此處先對柔性ACEL元件進展進行介紹。
Yunlei Zhou等人開發了一種可拉伸電致發光元件，使用熱黏合法製備，上、下皆為奈米銀線透明電極(Transparent Electrode)，以及包夾在中間的發光層。透明電極的製備是將奈米銀線分散在異丙醇中並噴塗於TPU基板上，加熱至160˚C使奈米銀線埋入TPU中固定，有效提升可拉伸性。透明導電層中奈米銀線基重為~40 μg/cm2、透光度40%、片電阻為2.1 Ω/sq。發光層則是將磷光粉體(ZnS:Cu)分散在溶解的熱塑性彈性體中，使用行星式球磨儀均化，磷光粉平均粒徑可降低至~2.6 μm，再加入高介電值熱塑性彈性體e-PVDF-HFP，讓元件在2 kHz及180 V驅動電壓下，亮度可達192 cd/m2。製備完的可拉伸電致發光元件柔性性能如圖三(a)，經過不同程度的拉伸(25%、50%、75%、100%)，元件未損壞、發光性能也未受損，且在拉伸率達100%時亮度為原來的1.3倍，主要是因為拉伸導致元件厚度降低，發光層電場增加進而增強亮度；圖三(b)為經過500次循環後的亮度變化率，在20%拉伸率經過500次循環後，強度保持在初始值的89%，而50%拉伸率經過500次循環後，強度保持在初始值的81%，顯示其具備高穩定性；圖三(c~e)則是對發光元件進行穿刺、切割及打孔等破壞性測試，皆不影響發光效能。
圖三、可拉伸電致發光元件(a)拉伸亮度測試；(b)20%及50%拉伸率重複500次之耐用度測試；(c)穿刺測試；(d)切割測試；(e)打孔測試
柔性ACEL織物
2. ACEL纖維技術
Zhitao Zhang等人通過一步擠壓製程製備超拉伸電致發光纖維(Super-stretchable Electroluminescent Fibers; SEFs)。SEFs的製造過程如圖十三，外部為發光層(綠色，由發光粉體和有機矽膠彈性體組成)以及內部兩個平行之水凝膠電極(藍色)，分別通過三個注射泵之針頭共擠壓，再由後端滾輪收集而得。水凝膠電極由PVA和PEO混合而得，透光度>92%、電極可拉伸800%，並在300%拉伸1,000次循環應變下，電阻變化率<4%，顯示水凝膠電極具備高度穩定性。
圖十三、超拉伸電致發光纖維(SEFs)的製造示意圖
ACEL在傳感器上的應用
ACEL裝置除了可以結合紡織品作為顯示應用外，也越來越多人將它應用於傳感器上。Yotsarayuth Seekaew等人利用絲網印刷及滴塗方式製備石墨烯基ACEL二氧化碳氣體感測器，藉由CO2分子和石墨烯間電荷轉移而造成的電阻變化，進而影響ACEL發光效能，並藉此特性開發可視化二氧化碳偵測器。當CO2濃度越高，在石墨烯表面反應使得電洞減少，進而導致電阻增加、ACEL亮度銳減。此感測器可重複使用且再現性高，對CO2具有良好的靈敏度外，也具有高選擇性。
另一個應用則是結合濕度傳感器，Yaqin He等人開發一種柔性紙基ACEL濕度傳感器，因紙具有良好的機械穩定性、成本低、可回收、重量輕、對環境友好及高柔韌等特性，且紙的多孔結構及粗糙表面有利於水氣的吸收，是良好的濕度感測介質。此篇文獻中，紙可以作為底層鎳電極載體，也可作為ACEL裝置的介電層，藉由吸收環境中的水氣影響介電常數，進而提升ACEL裝置的發光效能。ACEL裝置在固定電壓及頻率的測試下，環境中濕度越高，發光效能越好。此技術未來可應用於採收後的蔬菜及作物，利用低光照特性延長新鮮期，同時監測環境中的濕度變化---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》433期，更多資料請見下方附檔。