稀土發光材料已廣泛應用在影像顯示、半導體照明、新光源、雷射晶體、閃爍晶體、X射線增光螢幕等各個領域，成為節能照明、訊息顯示、醫學設備、光電探測等領域的關鍵材料，以下就稀土與發光材料知識的基礎上，闡述介紹照明裝置及LED用稀土發光材料、醫學設備稀土發光材料（含X射線、閃爍體）、稀土長餘輝發光材料、電致發光等各種稀土發光材料的專利應用。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

照明裝置用稀土發光材料

稀土發光材料的應用領域中，照明是其應用最廣泛的領域。照明系統之螢光粉效能和流明維持率（lumen maintenance）可採用合適的離子，例如稀土離子，摻雜螢光粉而得以提高。因為稀土離子通常具有比晶格缺陷更高的載流子（charge carrier，即電子/電洞）捕獲橫截面，並因此對晶格缺陷作為可替代的載流子（電子或電洞）捕獲中心（trapping center）。這些替代的載流子捕獲中心透過防止大量載流子到達晶格缺陷，避免形成對螢光粉效能和流明維持率有負面影響的顏色中心（color center），從而提高其螢光粉效能和流明維持率。美國專利US8324793B2使用合適的三價稀土離子摻雜鋁酸鹽螢光粉[1]，這種發光材料的化學式以A_1+xMg_1+yAl_10+zO_17+x+y+1.5z:Eu²⁺, R³⁺表示，其中0≤x≤0.4、0≤y≤1且0≤z≤0.2且A選自Ca、Ba和Sr及它們的組合。該鋁酸鹽螢光粉因摻雜有稀土離子（R³⁺），可優先將載流子捕獲於基質晶格或材料中，並以穩定的多價態存在於發光材料。R³⁺選自Sm³⁺, Yb³⁺, Tm³⁺, Ce³⁺, Tb³⁺, Pr³⁺及它們的組合。

白光LED用稀土發光材料

LED為新一代綠色節能照明，LED燈的光效已遠遠超過白熾燈和螢光燈。稀土元素中釔、銪是紅色螢光粉的主要原料，廣泛應用於各種顯示器的發光材料。中國專利CN102277163B揭示了一種新的白光LED用稀土紅色螢光粉[2]，係以化學式為KCaY_1-x（MoO₄）₃:Eu_x的鉬酸鹽為基質，其中稀土元素銪（Eu）的原料選自三價稀土離子（Eu³⁺）的硝酸鹽或氧化物，優選Eu₂O₃，所得到的紅色螢光粉性能穩定，使其在近紫外光（394nm）和藍光（465nm）區間均具有高水準的激發強度，發射峰值位於613nm左右的紅光，與近紫外LED晶片和藍光LED晶片輸出波長匹配性好，可應用在白光LED及其它發光領域。

醫學設備發光材料

稀土發光材料在醫學設備上應用主要表現在醫用X射線成像方面，可用於正電子發射層析攝影術（PET）、X射線電腦斷層掃描（CT）以及X射線螢光增感螢幕等醫學領域和其他高能射線探測的靜態成像技術領域。稀土發光材料在X射線成像方面效果很好，因稀土發光材料的光譜特性可以大大提高圖像的質量及清晰度，而且可以有效延長X射線管的使用壽命，最重要的是它可以減少X射線輻射對患者帶來不必要的輻射傷害。早期通用電氣公司，即美國通用電氣公司（General Electric Company，簡稱GE，又稱奇異公司），發明不少使用稀土作為醫學設備領域之發光材料的應用專利，例如美國專利US4316092A涉及使用銩活化的鑭（thulium-activated lanthanum）或鹵氧化釓（gadolinium oxyhalide）螢光材料的稀土螢光體混合物（rare earth phosphor admixtures），其中銩（Tm）以約0.05至約1莫爾百分比的活化劑離子存在，使該稀土螢光體混合物表現出較佳的分辨率能力和減少跨界（crossover）的問題[3]。這些稀土螢光體混合物與藍色或綠色光敏的攝影膠片結合，可用於射線照相螢光螢幕，提高了X射線圖像的相對速度和分辨率，改進X射線圖像轉換器設備中的性能。

此外，稀土材料可作為用於檢測諸如X射線、β或γ射線等高能輻射儀器裝置中輻射檢測器之閃爍劑組合物的組成，例如一種含有鹼金屬和稀土金屬鎢酸鹽的固態閃爍劑組合物，在其檢測應用中具有高的光輸出、降低的餘輝、短的衰減時間以及高的X射線阻止等特徵[4]。   

稀土長餘輝發光材料

長餘輝發光材料（Long afterglow luminescent materials或稱Long decay luminescent materials或稱long-lasting luminescence materials）是一種可吸收外界激發光，並儲存起來，然後在暗處以光的形式緩慢釋放出來實現長時間光發射的光致發光材料。現有的可見光區的長餘輝材料主要分為紅色系、黃色系和藍色系。黃色長餘輝發光材料的缺乏是阻礙長餘輝發光材料多色化的一個主要原因，黃色長餘輝發光材料的研製對長餘輝發光材料的整體有重要意義。

中國專利CN109266335B揭示一種黃色長餘輝發光材料及其製備方法。該新型黃色長餘輝發光材料的化學式為Sr_12-x-y-zAl₁₄O₃₃：xEu²⁺，yDy³⁺，zHo³⁺；式中以Sr₁₂Al₁₄O₃₃作為基質，Eu²⁺、Dy³⁺、Ho³⁺為活化劑離子，x、y和z為莫耳數，透過高溫固相反應共摻雜稀土離子Eu²⁺、Dy³⁺、Ho³⁺，合成發射黃光的新型鋁酸鹽長餘輝發光材料，所得新型黃色長餘輝發光材料，不僅亮度高、化學穩定性好且餘輝時間長，具有較寬的激發波段，在紫外光或日光激發下可看到590 nm發射的餘輝發光（圖4），且製備方法簡易，對環境無污染，在一些顯示裝置和雷射設備領域有很大的潛在應用價值[5]。

圖一顯示該黃色長餘輝發光材料Sr_12-x-y-zAl₁₄O₃₃：xEu²⁺，yDy³⁺，zHo³⁺的長餘輝發光光譜，其發射峰位於590nm，在紫外光或日光激發下可看到590nm發射的餘輝發光。圖二顯示為該黃色長餘輝發光材料Sr_12-x-y-zAl₁₄O₃₃：xEu²⁺，yDy³⁺，zHo³⁺的色座標圖，其中x＝0.523，y＝0.472，說明其發光顏色為黃色。

圖一、黃色長餘輝發光材料的長餘輝發光光譜

圖片來源：中國專利CN109266335B

圖二、黃色長餘輝發光材料Sr_12-x-y-zAl₁₄O₃₃：xEu²⁺，yDy³⁺，zHo³⁺的色座標圖

圖片來源：中國專利CN109266335B

電致發光裝置用稀土發光材料

有機電致發光的研究始於二十世紀六十年代，當時使用的是有機材料晶體，需要較高的驅動電壓，而且發光亮度和發光效率不高，未能引起人們的重視，其後二十多年的研究進展緩慢，到了二十世紀八九十年代，8-羥基喹啉鋁（英文名：8-Hydroxyquinoline aluminum salt，分子式為C27H18AlN3O3）作為發光層的有機電致發光裝置的出現，可低電壓驅動、才引起人們的重視。

有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，簡稱OLED）因為其自發光、驅動電壓低、柔性顯示、回應速度快等特性一直備受科學界和工業界人士關注。自1994年Kido等人成功發明了發白光的白色有機發光二極體（WOLED）開始，為OLED在固態照明領域的研究和應用開闢了先河[6]。WOLED照明器件由於其在綠色環保和節約能源方面的絕對性優勢而在全彩平板顯示技術、液晶顯示技術背光源，尤其是其在作為下一代固態照明光源方面顯示出了巨大的應用潛力，成為科學界研究的熱點領域。中國學研機構有這方面的研究與突破，例如基於三苯胺和稀土錯合物的白色有機電致發光材料製備方法及應用[7]，其合成的新白光材料以稀土銪錯合物作為紅光發色團，並組合了藍光發射的三苯胺螢光團於一個分子內。利用不同發色團的紅藍兩種光匹配，開發了能夠發射高純度白光的稀土有機小分子白光材料，所獲得的白光材料可用作液晶的背光源和固態照明，應用前景廣泛。

用於有機電致發光裝置的發光材料主要有金屬錯合物、有機小分子染料和有機聚合物，屬於有機金屬錯合物（Organometallic compound）範疇的稀土有機金屬錯合物，發射光譜之發射峰的半高峰寬度窄（僅10奈米），色純度高，這一獨特優點是其他發光材料所無法比擬的，而且量子效率幾乎可達100％，是很有前途的有機電致發光材料。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社科技暨工程研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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