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LED照明的生理適應

2011/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 299

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▓撰文:商育滿、程金保

照明是人類生活中不可或缺的基本需求,也是現代文明生活水準的重要指標之一,長期以來照明用電更是國家競爭力及進化的象徵。根據經濟部能源局出版的2010年能源產業技術白皮書,目前世界各主要工業國的照明用電比例在10~20%之間,我國去(2010)年的照明用電量約260億度,占全國總用電量的11.3%,電力支出約達新臺幣456億元。而在節能減碳議題受到國內外強烈關注下,節能照明盛行,發光二極體(Light Emitting Diode, LED)的照明應用順勢崛起,也同時照亮了產業發展的前景,帶動每年倍數成長的廣大市場。即使這樣,本文特別針對LED照明的生理適應,是否適用於室內照明提出研究與看法,與各界討論。

明日之星 絢麗中透著光彩

由於LED照明具有小型化、低耗電、高發光效率、低溫發光、可調光、壽命長等優點,在這個嚴峻能源情勢中脫穎而出,即將取代傳統高耗能的人工照明光源。根據法國環境與能源管理局(英文為:French Agency for the Environment and Energy Management;法文為:Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie,故簡稱ADEME)報告,LED照明即將以黑馬之姿超越現有的人工光源的應用,於2020年更可突破200 lm╱W的發光效率,「lm╱W」這個單位,指的是每耗用1瓦(W)的電力所能產出的照度,數字越高表示照度越高,當然也就表示發光效率越高,越省電。

由圖1可以看出部分傳統光源(如白熾燈)呈現停滯的成長狀態,只有大約10 lm╱W的效率,而LED光源的成長卻是一柱擎天,遙遙領先。由於它的發光特性仍有很大的發揮空間與發展潛力,當然也由於時勢所趨,可以預見這條線很有可能再度修正,成為更陡的高度成長。

對照美國能源部之固態照明團隊(Department of Energy, Solid State Lighting)於2008年提出的報告,亦可看出端倪,而且更細緻的結構變化也可一目瞭然。圖2可顯示在所謂的LED照明產業中,可再細分不同色溫及產品的成長趨勢,高色溫(偏藍光或冷色光)的白光LED具有最高的發光效率,預計於2020年左右將會達到顛峰,不論是實驗室水平或是真正商品化的光源產品,都能有200 lm╱W以上的發光效能。然而低色溫(偏黃光或暖色光)的白光LED,則將停在170 lm╱W的極限水平上。

本質上的差異,應用時需更加謹慎

LED的發光特性為「點光源」,它的發明基礎為指示性功能(Indicator),與傳統的「面光源」做為照明(Illumination)不同。LED是一種能發光的半導體電子元件,將電能直接轉換為光能。係利用電致發光原理,當電流通過半導體材料時,電子與電洞在其內結合而發出光,而所發出光線的波長、顏色與其所採用的半導體材料種類與摻雜的元素有關。

LED因使用的材料不同,其內電子、電洞所擁有的能階也有差異,結合後釋出的光子能量不同,因而產生各種波長的光,如紅、橙、黃、綠、藍或不可見光等。人類的生理系統對人工光源的特性,以緩慢的速度進化適應中,因此部分的LED光源頻譜分布及波長表現,容易造成生理的過度負荷,此負荷不易為視覺系統立即察覺,且有長期性的累積效應,可能長達數年或數十年才會有真正的臨床表現。

此外我們的眼睛也同時負責非視覺性的光反應,透過視網膜中的桿細胞、錐細胞和節細胞,將非視覺性的光訊號傳到大腦,進而調節生理時鐘。地球上的生物受天然日照週期的影響,透過光度及頻譜的改變,生理週期以24小時的規律反覆進行著。因此吸收象徵日光的藍色光譜可提高警覺、對抗時差或睡眠失衡,並可減緩高緯度地區常見的季節性憂鬱症,帶有藍光頻譜的LED光源於是對於生理時鐘產生很好的控制效果,也就被廣泛應用在此類的療法上。然而過猶不及,過多的藍光LED光源,卻也對生理時鐘產生干擾,攪亂了正常的規律。

當我們再度檢視圖2所暗示的市場訊息,若是過度著重發光效率或節能效益,可能的路徑便往高色溫的白光(偏藍光)的方向快速揚起這條成長線,而所連帶引發的生理影響不難預期;然若我們提高健康的考量,可能的路徑便會往下修正,或許犧牲部分照度,以更謹慎的態度維護健康,應較合理。至於這天平上的法碼如何下,方能維持最佳的平衡點,需要更多的科學實驗提供證據,也考驗大家的智慧。

細部的研究目前較具規模的有:法國的食品、環境及職業衛生安全局(French Agency for Food, Environmental and Occupational Health & Safety)組成的團隊進行,然而我國的背景光照環境及眼球生理結構與法國(人)有所差異,並不宜全面引用此團隊的結果。因此,一個專屬於我國的研究是眾所期待的,臺大公共衛生學院與臺大醫學院眼科部,結合臺師大機電系及工研院綠能所預計展開相關研究,也期許能夠為整體產業的發展注入新養分,在發展的初期即提供完整的思維與建議,確保產業發展的正確方向與長期榮景。

全面考量 寄予厚望

LED的發光原理重新定位了大眾對光運用的認知,光不再只是經由氧化燃燒產生,也可以是一種電子現象。LED的發光強度、波長、頻譜分布乃至於光場形狀是否適合用於室內照明,其光學特性與性能表現是否對使用者產生健康的正面提升,抑或造成負面的影響,都待研究討論。具體而言,LED的照明應用,除了眼睛張開時可能受到的視力衝擊,還有另一套沈默的視覺系統(生理時鐘及情緒反應),即便是閉著眼睛,神經系統仍會對其反應,也因此LED 光照的醫療應用,在高緯度國家相當普遍,常被用來調整睡眠失衡或治療憂鬱症,這是很大的福音;但若身邊過多的藍光干擾了睡眠的品質或生理機轉,就該避免。

科技源自於人性,面對新興產業或新的轉型,雖寄予厚望但也誠心提出建言,希望帶來省思與更好的發展。LED照明產業對使用者健康效應的考量,是必要的自我挑戰,是因高度繁榮而自發的深刻要求,或因快速發展激發更高期許。(作者為臺師大機電科技學系教授與臺大環境衛生研究所博士生)


關鍵字:LED照明,白光LED,視覺系統,生理時鐘

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