376期2023年08月號
出版日期:2023/08/15
封面故事 Features
寫材料創新精彩篇章
整理/編輯部
材料創新推進物質文明演進,也能為產業再創成長曲線。工研院一路從碳纖維、電池材料、奈米科技,做到低溫共燒陶瓷技術(LTCC)的高頻通訊應用,不僅寫下材料創新的精彩篇章,更帶動產業轉型升級,做臺灣產業海外開疆拓土的堅強後盾。
科技的演進與工業的發展,都與新材料的研發、應用息息相關,像是矽晶圓材料則為人類開啟了多采多姿的數位時代;碳纖維集堅韌與質輕於一身,無論是運動用品、車輛、航太都能應用。工研院在1980年代投入碳纖維的研發應用,從高爾夫球桿、網球拍切入,1985年起與巨大機械合作,開發碳纖維自行車架,協助巨大以「捷安特」品牌,成功打入全球高價車市場,成為材料創新帶動產業升級的典範。
1990年代,臺灣躍為筆記型電腦王國,手機市場也蓬勃發展,符合3C產品輕薄短小需求的鋰電池前景看好。工研院在1993年,投入鋰電池正極材料與電解液的研發,成果技轉多家電池廠,也催生了臺灣第一波鋰電池投資潮。2000年後,工研院更突破大廠專利桎梏,運用奈米改質技術研發出「STOBA ® 高安全性鋰電池材料」,克服了高容量鋰電池短路造成的高熱、易爆問題,並技轉國內外廠商。
2010年後,工研院在電池研發上的成果更是百花齊放,包括「化學SEI改質長續航力電動車鋰電池」、1分鐘可充電完成的「可高速充放電鋁電池」技術、為汰役電池找尋第二春的「RAIBA可動態重組與自我調節之電池陣列系統」,不僅促進資源永續利用,更協助產業掌握下世代綠能商機。
而今日大眾琅琅上口的「奈米(Nanometer) 」科技,也是在工研院推動下進入日常生活。奈米是1公尺的十億分之一,當材料結構小至奈米水準,物性會產生顯著改變,衍生出全新應用。工研院從電子產業切入,開發包括奈米碳管場發射顯示器、奈米碳管場效電晶體;民生產業方面,開發奈米光熱粉體,製成保暖發熱衣;另研發水性玻璃防汙透明塗料技術,推廣至臺鐵、高鐵、臺北捷運等車廂防汙處理,每年可省大筆清潔費用;首創奈米標章制度,幫助消費者認識真正的奈米產品。
樹脂固態電池 下世代儲能明星
在淨零排放趨勢下,綠色能源與電動車市場快速成長,當中的關鍵技術就是儲能系統,鋰電池獨領儲能市場風騷數十年,但因能量密度逼近極限,加上安全隱憂,以固態電解質來取代傳統鋰離子電池的液態電解液,成為下世代儲能技術的新希望。
工研院開發出「高能量及高安全樹脂固態電池」,以高離子導電樹脂(NAEPE)材料取代易燃的電解液,由於NAEPE在常溫下就可固化,保有原本電解液高離子導電度,同時也改善了高電壓穩定性;固化後的NAEPE具難燃性、高溫循環壽命佳等特點,電池更安全;NAEPE固態鋰電池內部還能像積木一樣串聯,突破鋰電池單一結構限制,1個電池就有12V的高伏特電壓;加上製程操作容易,可快速導入現有電池製程,榮獲2020年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。現已與多家國內電池業者合作,並已衍生成立新創公司。
LTCC導入5G毫米波技術 搶占高頻通訊先機
材料創新固然影響巨大,既有材料創新應用也能為產業帶來新氣象。低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fire Ceramic;LTCC)將導電線路或被動元件電路嵌入,共同燒結成基板,再搭配晶片等主動元件形成功能模組。採用LTCC技術形成的模組或元件有體積小、散熱快,具高頻高速傳輸特性,可廣泛應用於手機、Wi-Fi、藍牙、功率放大器與汽車電子等。
工研院鑽研LTCC技術研發超過30年,2000年曾與日本廠商合作,開發出當時全球最小藍牙LTCC模組,如今隨著5G高頻通訊的發展,將可展現LTCC的材料特性及優勢。工研院與杜邦微電路及元件材料公司(Microcircuit Materials;MCM)共同開發「9KC GreenTape™ LTCC於5G毫米波通訊技術」,將低溫共燒陶瓷應用於5G毫米波通訊技術。
雙方合作是由MCM提供材料,工研院負責高頻晶片選用、電路到製程整合之技術環節,將杜邦的LTCC材料透過工研院的毫米波電路設計,達到低耗損、高穩定和高散熱性的效果,成功打造出極具商業價值的5G毫米波通訊元件,成功為臺灣通訊產業開啟小基站、RU射頻單元、用戶終端設備(CPE)市場,成為臺灣業者5G O-RAN領域上的一大利器,搶攻全球高頻通訊市場,因而獲得2022年全球百大科技研發獎。
材料的創新往往需要日積月累,「十年磨一劍」的研究比比皆是,除了深入鑽研、累積經驗,更要無比耐心。工研院以創新思維,推動「材料數位科技平台」,運用模擬工具與人工智慧,縮短開發時程、降低成本,期能使材料發揮無窮潛力,成為產業發展的利器,為產業再創下一個世代的成長。
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