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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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工研院南分院關鍵報告 下一個殺手級應用:微型雷射投影技術

文/魏茂國  攝/許育愷

工研院南分院在2009年終舉辦聯合發表會及創新技術研討會,
集結近一年來在微系統、雷射應用、材料、智慧生活等重要技術的研發成果,
讓產學研各界能來看技術、找機會、做互動。
其中,隨著微型投影機市場大幅成長,應用領域逐步延伸,
由微系統中心展出的微型雷射投影模組,以創新結構設計備受矚目,
可望成為行動裝置中下一個殺手級應用;
而以生物萃取技術協助荖花荖葉產業轉型,脫離當前困境,
更是南分院這一年來針對產業服務的重大成果之一。


成立四年的工研院南分院,連續第三年舉辦年終技術發表會,展出一年以來各項最新的研究成果,同時也秉持「連結、創新、帶動新風潮」的發展主軸,提出與學界合作的研發成果,以及為產業提供的技術服務,不只突顯工研院南分院的文化與風格,也印證了執行長蔡新源所說,工研院南分院所獨具的「熱情」基因和活力。

本次的年終聯合發表會,共展出40餘項創新技術,主要分為微系統、雷射應用、材料、智慧生活等技術領域,以及學研共同研發成果。蔡新源表示,每年一度的技術成果發表,希望能夠營造出如「市集」般的活動,讓各界每到年終之時,就知道要到工研院南分院一聚,除了可以針對技術做互動交流外,更能找尋合作或創新的機會,為產業加值。

特別是在這次的盛會中,光是報名參與的人數就多達近八百人,包括產業界人士與學校師生,顯見這樣的活動已引起相當大的注目,並帶動台灣南部對於研究與創新的風潮。以2009年為例,雖然受到金融風暴的嚴峻衝擊,工研院南分院的執行經費(含科技研發、知識服務、衍生加值)卻僅較前一年減少約新台幣2,400萬元,而在專利申請案件、學術期刊與研討會論文發表等方面,則都有顯著的提升。

MEMS帶動產業升級

在2008年的年終成果發表會中,推出多項MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微機電系統)相關技術的南分院微系統科技中心,在2009這一年來透過8吋MEMS製程技術的升級,包括MEMS元件標準製程、MEMS晶圓級封裝、CMOS MEMS後製程等關鍵技術,不只積極與業界進行合作,更加速產業發展。像是全國第一顆MEMS麥克風、加速度計元件、晶圓級封裝技術等,都已成功技轉廠商,未來陸續導入8吋製程的MEMS元件開發,還能與半導體產業接軌,已成為最炙手可熱的技術。

蔡新源指出,微機電開放實驗室(MEMS Open Lab)每年協助超過60個產學研單位,以及50項以上的元件技術研發與試量產,同時也榮獲2009經濟部科專「研發服務卓越獎」。以目前正量產導入中的MEMS三軸加速度計,就可使國內廠商自主提供動作感測應用產品,如手機、相機、遊戲機、慣性導航等,提高產品市場競爭力。

採用MEMS三軸加速度計的「車用全域高準度慣性輔助定位系統」,就是以獨創的動/靜態準位追蹤技術,以及慣性軌跡與圖資整合估測技術,可以結合目前廣為使用的GPS模組,並彌補GPS在遮蔽空間與立體角度的使用限制,提供更精準、涵蓋率更高的立體導航定位,亦已技轉國內GPS大廠麗台科技、鼎天國際等。近來愈受產業關注的「微型雷射投影技術」,也同樣應用了MEMS的技術加持。

此外,微系統科技中心還以動態雜訊判斷消除技術,完成軟性貼片式隨身無線動態生理監控系統開發,能自動判斷雜訊來源並進行消除,無論是一般生活起居,或是走動站臥、上下樓梯等情境,都能量測到穩定的心電、體溫、呼吸等訊號,還可結合即時判讀系統發出警示;目前已順利技轉國內廠商,協助相關產品開發,並切入歐美居家照護市場。

雷射技術引領製程改良

以應用為導向的雷射應用科技中心,是南分院的一大特色。像是「軟性電致變色製程」技術,就能延伸出極具實用效果的「軟性節能膜」;另外,過去一年在顯示器應用相關技術上,也有相當多的進展。

在「軟性基板雷射圖案製程技術」上,是以雷射乾式製程及單一步驟的技術,進行顯示器薄膜材料的圖案結構加工,也能與Roll to Roll捲軸式連續製程結合,可避免傳統濕式或網印製程所造成的污染;例如近年來極為熱門的膽固醇液晶軟性顯示器,就能以此項技術進行圖案化或點矩陣的加工。

在搭配的雷射製程關鍵模組方面,則分別於控制技術及光學設計上,完成開發雷射同步觸發模組、雷射同軸視覺模組、雙光束鏡組設計與光罩掃描系統,以穩定加工各單點能量位置,維持各加工處的品質,減少材料的浪費或預跑的需要,並可即時監控蝕刻的路徑,達到「所見即所打」的目的,以增加生產良率與製程速度。

「軟性基板雷射圖案製程技術」還具有大面積掃描縫合技術,以符合大圖分割加工的需求。而於類似的「觸控面板雷射蝕刻技術」上,則整合了可程式雷射同步觸發模組、光路調變系統等,以應用於ITO導電薄膜蝕刻製程,針對ITO/Glass或ITO/PET基板進行平台的電阻式或電容式雷射加工,同樣是屬於乾式製程,可免除傳統黃光製程化學溶劑與光罩的使用,且圖案製程轉換容易,蝕刻後可直接切割,步驟、設備與人力都相對簡化,可廣泛運用在觸控面板、液晶顯示器及電子紙的ITO薄膜加工。

「飛秒雷射微奈米結構成型技術」是利用飛秒雷射在矽、不鏽鋼、ITO等材料表面或內部,誘發週期微奈米結構,可達到次波長(Sub-wavelength)的精度等級,並可產生抗反射、疏水、自潔、附著、抗摩擦、無塗料色彩等功能,且具有單一製程、低耗能、不需光罩、週期可控制等特性,因此應用的領域也很多,例如太陽光電、LED、軟性電子、生物科技、精密模具等產業,大幅提高產品等級。

南分院雷射應用科技中心也透過飛秒雷射應用實驗室,建置高功率鈦藍寶石飛秒雷射及高重複頻率飛秒光纖雷射實驗系統,並以南分院之產學研共同研發計畫,與中正、中興、成大、嘉義、虎科大、屏科大等學校師生合作,使用飛秒雷射在光纖或玻璃等透明硬脆材料上進行加工,並創新應用於生物感測器與生物晶片等生醫器材上,達到高靈敏度、微小化、低成本等優點。

奈米材料廣泛運用

奈米材料技術是南分院奈米粉體與薄膜科技中心的一大核心,因應LED的普及,2008年即推出了導光擴散板技術,以及導電/導熱的材料技術,解決LED點光源與高溫的特性。2009年更利用奈米材質提出新的研發應用方向。

在家用濾水器愈來愈普遍的同時,「奈米銀活性竹碳材抑菌技術及淨水裝置」的研發,是利用竹碳碳化磨碎後,經高溫高壓的火化程序成為活性碳,再塗布上奈米銀,一方面將高比面積活性竹碳與奈米銀結合,提高接觸水的面積與過濾品質,另方面則因使用的皆是不具危害性的生物分解材質與綠色製程,因此更為環保。

相較於市售的奈米銀活性碳產品,奈米銀含量雖為1%至4%,抑菌率約為80%至90%,奈米銀活性竹碳的奈米銀含量僅不到1%,但卻能達到99.9%的抑菌率,以及70%以上的氯去除率,效果更好且相對成本更低。只要搭配簡易的淨水設備,就能在短時間內完成水質淨化並提供飲用,尤其在戶外或緊急救難用途上,更能顯現出高效能。

2009年奈米粉體與薄膜科技中心還將技術的觸角,擴展到了精緻農業的領域。透過生態材料部的研發,利用超音波輔助的「生態材料萃取技術」,配合多元溶劑開發低溫生態材料萃取模組,可較一般的萃取技術提高50%至200%的萃取率,並縮短70%以上的萃取時間,節省80%以上的能源。已實際應用的類別包括洛神花素、檸檬桉葉精油、荖花荖葉等萃取,可保留較高的天然植物活性成份與原始植物色澤,亦可應用於中草藥及機能性菇蕈類成分的萃取。

「生態材料發酵技術」則是另一項相關的應用,藉由菌種篩選技術,自多重菌株中純化菌種,並放大培養單一菌種,以生產相關發酵產品。這項技術可使菌株純化率達99%以上,目前已運用於台東樹豆上,透過添加納豆菌並經發酵程序的控管,製作開發樹納豆及相關產品,同時能減少異味,還能將技術應用在各種發酵產品或機能性飲品等發酵生產中。

針對稻殼材料的創新應用,「生態材料碳化技術」是以直立式的生質能碳化爐的設計,將稻殼碳化處理後,分別產生「稻殼碳」與「稻殼醋液」。「稻殼碳」可做為有機複合的生態肥料,改善土質、促進植物生長、減少危害,並可視為土壤的代用品;「稻殼醋液」則可做為天然的病蟲害防治劑,具有殺菌及殺病毒的功用,亦能顯著減少或消除植物病蟲害,可減少農藥施用,並促進有益菌的繁殖、抑至病原菌,為原本無用的稻殼創造新附加價值。

結合虛實,創新互動

南分院人機互動科技中心的研發技術,主要分為視覺互動與多模感知互動兩方面。在視覺互動方面,「手勢互動看板」即利用影像辨識的方法,在不配戴任何感測元件的情況下,抓取手部的位置及運動軌跡,並藉由分析辨識目前的手勢語意,例如正轉、逆轉、上下、左右等,以進行看板的內容操作及互動瀏覽;使用上不僅操控簡單,而且不需要觸碰螢幕,具有衛生的考量,不論是樓層導覽、商品或交通資訊查詢等皆能適用。

和多點觸控面板的概念近似的「多點控制系統」,是以雙攝影機及視差原理,以人體位置為平面基準,並推算手部的相對位置與距離,模擬出觸控面板的型式;透過手部位置的前後移動,就可測出距離並轉換成按壓的動作,同時還能點選螢幕中的圖片,執行移動、旋轉、縮放等功能。

另一項相關應用「直覺式人機互動與視訊處理技術」,同樣是以兩台簡易的攝影機,以即時視訊辨識出使用者的肢體動作,並且可透過各種遊戲、KTV、復健教學等互動設計,經由畫面提示帶領使用者做出各種動作,達到互動體驗的目的。

經由「即時三維臉部動畫互動生成技術」,可以擷取Webcam前方的使用者臉部特徵,並隨即驅使虛擬代理人做出相同的情緒反應,是一個即時、輕鬆、所見即所得的互動系統;特別是在網路的社群溝通上,就可以利用虛擬的代理人來表達,可滿足更多的交流互動效果,也兼顧了匿名的需求。另外還可以藉此製作個人化表情動畫,或是驅動程式執行等。

在多模感知互動技術方面,較特別的是在「自主式動作與適能感知技術」中,是將原本實驗室中所使用的技術,運用在現有的運動器材上,達到「無光學標記運動力學回饋技術」,就是不需要在身上貼附標記點或感測裝置,也無需使用攝影機。以踏步機為例,即是結合特製的荷重元件與加速規模組,並根據內嵌的感測器,量測使用者運動時的關節角度、力量、力矩及消耗功率等訊息,讓使用者得以立即獲知目前的運動狀況與調整依據,以及是否具有效果及安全性,也提高了運動器材的價值。

同時「自主式動作與適能感知技術」也能結合遊戲或導覽等介面,透過加速度計來辨識肢體動作,螢幕中的虛擬空間也就會以使用者為主角四處移動,如同在空中漫步一般,不僅提高了運動的趣味性,也減少使用者的束縛感。

以腕戴式加速規模組來辨識肢體動作及互動的「慣性動作辨識與健康互動技術」,可同時進行手勢辨識與運動狀態感測,運動狀態的變化除了會改變虛擬角色的體型狀態外,還可以計算活動狀態與運動強度,藉以提高使用者的運動意願,並達到互動回饋及運動健康的目的。

「非監督式調適型語音特性辨識技術」則是藉由語音特性來辨識發話者的情緒,包括語音中的頻率、音調等特徵參數,設定出喜樂、生氣、哀傷、平淡等四種語音情緒,例如生氣時聲音會較大、急促,哀傷時語調較低沉、速度慢;以此辨識技術可做為相關人機介面的系統設計應用,像是家庭照護、娛樂、遊戲等。

數位生活與照護源自科技

在科技化家庭的趨勢下,南分院家庭網路科技中心所提出的技術,包括了做為多功能型數位家庭中心的「開放式家庭服務閘道器」,亦是資通訊的裝置群組與服務存取的平台,突破一般設備單一功能與跨領域的技術解決方案;可以透過家庭網路整合生理檢測設備、居家安全監控設備、資訊家電等,也能從遠端提供各項數位健康管理、居家安全、自動控制、節能服務、影音娛樂等服務。

在網路使用普及的今日,「虛擬家庭資訊儲存與共享服務技術」和「遠端家庭多媒體分享系統」可與現有的網路儲存媒體系統結合,讓使用者透過網路播放多媒體檔案,同時利用即時通訊軟體,以跨網域的社群方式與多對多的視訊及同步分享功能,與遠方的親朋好友一同觀賞多媒體內容。

「家庭智慧節能與燈控系統」則是以家庭內的電力系統為載體,藉以傳輸燈光控制與用電資訊,利用RF訊號進行使用者定位,並回傳多個照度感測資訊,達到智慧調光與節能省電的功能。系統特色包括了情境式調光、用電回報、智慧省電、夜間紅外線偵測以及穩定照明品質等,在滿足智慧節能的需求時,也能提供舒適的居家照明。

值得一提的是,因應照護市場的需求,南分院以科技化照護專案,提出了「近床活動照護服務解決方案」,導入近床照護的SOP,並以韌體技術達成網路化感測資訊傳遞與照護情境辨識,建立模組化的子系統運作機制,包括緊急呼救、警示燈、離床感知、翻身提醒、強制事件解除、近床事件協調等,以快速掌握及滿足近床照護事件的服務需求,提升照護品質、降低照護者負擔。

2009年南分院也以資通訊技術,協助嘉義聖馬爾定醫院建置「整合型長期照護健康管理服務系統」,是國內首創以健康有行動力住民、醫護、家屬三方為對象的整合型住民機構式照護示範系統;也是透過南分院的協助,第一次由醫院單位拿到經濟部技術處的業界科專計畫補助。

服務連結提升技術價值

在技術研發之外,產業服務與學研合作也是南分院的重要成果。蔡新源強調,雖然面臨環境的不景氣,但南分院在產業服務的成績比過去還要好,包含協助廠商申請經濟部技術處研發補助通過191案,總計畫經費達9.99億元,其中由政府補助4.38億元,較2008年成長164%;另外,由業界委託的研究計畫,經費合計也達1.35億元,比2008年高出146%。

服務南部在地廠商是南分院的主要工作之一,年初時即成立「草根服務團」,訪視並協助廠商申請研發補助。2009年南分院共輔導了14個研發聯盟,其中有10個是以南部及台東為主,並且是首次前往台東地區;以協助廠商申請政府研發補助的191案中,南部及台東八縣市就計有144案,占了75%。同時在過去一年裡,南分院也結合工研院各技術團隊,共推動13個技術密集型群聚,並協助申請經濟部中小企業處SBIR計畫共36個。

此外,在莫拉克風災後,南分院便積極協助57家次廠商進行受損設備的製程參數及設備修復;金融海嘯造成38家廠商離駐南創園區,但同時間招商數也達38家,累計進駐廠商達130家。由這些數據來看,顯見南分院以豐富的技術能量,提供了南部廠商極大的幫助與輔導,也建立了良好的合作及互動。

為連結南部的學界資源,南分院延續運用前瞻經費860萬元,以及飛秒/超快雷射與Gleeble合金試驗機等重要儀器設備,開放與八所學校共同研究使用;由學校師生提案,與南分院一同進行創新研究的發展,並提供研究費用。蔡新源認為,這不但提高了設備使用率,並可與學校師生一同研究、發表成果與論文;像是與中正、中興、屏科大所進行的飛秒雷射微成型研究,其通訊用光纖之定域電漿共振生物感測器,就是國際首創技術,也期望南分院能成為台灣的雷射研發中心。

而在「南台灣研發資源分享中心」的運作成效上,也持續地發酵。目前共有17個學研單位、566套付費使用的設備,共同建構這座虛擬實驗室;以南分院於2009年即使用了10所學校設備,共47套、超過4,600小時,外界亦使用了南分院的設備超過5,700小時,充份達到資源的整合與分享。於「南台灣研發資源分享中心」網站上,還設有「創新蜂巢」平台,可以多媒體方式展示研發成果,目前已有12所學校、175件作品上網展示,也促進了技術的交流與媒合。

蔡新源表示,無論是技術研發、產業服務或學研合作,南分院都相當重視品質,團隊的熱情創意與務實精神,更是南分院與產學互動的基礎;希望透過每年一度的「科技市集」,能讓產學研各界看到南分院的研發能量,也成為未來繼續成長的動力。

【關鍵技術之一】

微型雷射投影技術
以微機電技術與雷射做為微投影技術的核心,
讓投影機體積縮到最小,同時提高投影品質。


在全球規模最大、超過2,500家廠商參加的美國拉斯維加斯2010消費電子展(Consumer Electronics Show;CES)中,隨著經濟的復甦,各種創新科技產品紛紛出籠,成為眾所矚目的焦點;其中,從多家業者所推出的微投影技術身上,不僅可看出是未來相當熱門的一大應用技術,更有機會在數年間躍為手機、數位相機或筆記型電腦等消費性電子產品的標準配備。

透過搭載微型投影機的行動裝置,可以大幅提升檔案分享的便利性;尤其手機的功能愈來愈強大多元,但受制於使用的規格尺寸,能夠展現的畫面大小也有限,微投影正能滿足行動投影的需求。以工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)的預估,於2010年前全球至少會有5%的手機將內建微型投影模組,數量約為6,000萬隻,顯見微投影技術的發展潛力。

針對微投影技術及應用,有許多國際大廠早已投入布局,包括德州儀器(TI)的DMD(Digital Micromirror Device)、3M的LCoS(Liquid Crystal on Silicon)、Explay的LCD(Liquid Crystal Display)等,但這些技術主要還是利用現有成熟的液晶投影機制,改採LED的光源成本也較低廉方便,因此發展較快,易導入產品應用。國內即有廠商與3M合作,將LCoS模組內建於數位相機上,成為產品的一項特色。

不過,若運用現有投影技術為基礎,由於需要光學聚焦鏡頭組,除了會有元件成本高、體積較大、色域小、光學效率低等缺點外,同時也因LED需持續點亮,造成功耗大及散熱等問題。因此,以雷射做為微投影技術的核心,將是另一項能有效微型化,並且提高投影品質的解決方案,也是工研院南分院過去一年積極投入「微型雷射投影技術」的方向。

工研院南分院微系統科技中心微致動系統部副經理王郁仁指出,「微型雷射投影技術」是應用微機電二維微型掃描面鏡及紅綠藍(RGB)雷射,以雷射掃描方式成像,畫面可達無窮遠且不需對焦;而創新的雙環大角度掃描鏡結構設計,預期可使投影畫面尺寸較一般單環結構掃描鏡增加30%以上,並保持畫面清晰與色彩亮度,達到VGA等級的畫質,而且光損失少、體積小、耗電低。

目前以「微型雷射投影技術」所開發的產品模組尺寸,已可達14×8×4mm3左右;若能將所有元件整合於同個IC上,體積還可再縮小,包括未來研發矽基板微型光機系統,以MEMS技術持續進行體積的微型化,將更適合裝載於智慧型手機、數位相機、PDA、NB等3C消費性電子產品上,提供高準度的雷射行動隨身投影功能。

此外,「微型雷射投影技術」也可用在車用螢幕抬頭顯示器,以及生醫感測、工業偵測等用途。王郁仁表示,因「微型雷射投影技術」的光機具備多種微型元件與技術,因此有機會聯結產業鏈共同研發,包括雷射、微機電結構、系統控制、光學組裝等廠商,提升產業發展效應。(魏茂國)

【關鍵技術之二】

軟性電致變色製程/軟性節能膜技術
有效阻擋80%至95%的紅外線與熱幅射,
應用到建材與汽車產業,達到節能減碳的效果。


相較於普通的玻璃,可以透過電控進行深淺變色的玻璃,能視環境與使用者的需求,加以調控光線照明的強度;除了可當成窗簾或玻璃牆,以及特別的遮蔽用途與視覺效果外,更可增加空間的運用變化及彈性,甚至能夠具備調溫節能的功能。

但以目前市面上的電控變色玻璃,在技術上主要是將特殊的液晶材質加入玻璃或是薄膜基材上,並透過電壓來達到控制調色的目的。然而,這種方式不僅成本相當高昂,所使用的液晶材料也必須經過改質處理,否則只能阻擋一般的可見光,對於真正產生熱源的長波長與紅外光區段,也就無法產生遮蔭降溫的效用。

工研院南分院所開發的「軟性電致變色製程」與「軟性節能膜技術」,是以ITO/PET為透明導電基材,並於基材上鍍上材料成本較便宜的電致變色材料(Electrochromic Material),更可以透過Roll to Roll的捲軸方式大量生產,比起以液晶為材質的電控變色技術,成本要來得低上許多;而且以目前60cm×30cm的面積規格,驅動電壓只需要±3.5v,就能在藍色與透明之間進行切換,並有效阻擋80%至95%的紅外線與熱幅射,也就是只有5%至20%的紅外線熱源可以穿透,經實驗測量確實可達到降低3℃的節能效果。

更進一步的利用電致變色材料優越的顏色顯示特性,再結合光子晶體獨特的調色機制,成功開發出國際間第一個單一電致變色元件中同時具有紅、綠、藍三原色的顯示技術,此為全彩顯示的基礎機制,並已達到72%的NTSC色域範圍;更開發具有奈米結構的電極層,經以膠態電解質進行封裝與透過電壓使元件進行顏色切換,可達200ms的切換速度,所以團隊已成功的突破電致變色兩大技術瓶頸-全彩與快速切換技術。

在節能減碳的趨勢下,「軟性電致變色製程」與「軟性節能膜技術」最直接的應用就是在建材與汽車產業。工研院南分院雷射應用中心軟電製程設備部鍾儀文指出,利用軟性節能膜可以明顯降低房屋室內的溫度,減少空調的使用,進而達到節能的目的;同樣地在車輛上,也可以和汽車天窗整合,以遮蔽陽光,減少實際的能源消耗,同時還兼具時尚感。

對於較大面積的電致變色需求,研發團隊則開發以小面積拼貼的方式來克服。例如針對大片的落地窗,只要該玻璃具有導電的功能以驅動節能膜變色,就能以塊狀拼貼來完成,實現隔熱節能的效果;這種方式還能同時解決大面積節能膜變色速度較慢,以及內外顏色不均勻的缺點,而且不論是安裝或更換起來也較為方便。如果未來能有效地產品化、導入市場,甚至在居家修繕的材料用品店裡就可買到,讓消費者有更多的DIY選擇。

另外,「軟性電致變色製程」與「軟性節能膜技術」因具有彩色電致變色技術,因此能藉由訊號驅動來顯示不同顏色的圖案或字體,即可成為「電致變色彩色電子紙」,相較於膽固醇液晶的彩色軟性顯示技術,因具有較鮮豔的顏色顯示特性,所以更提供了彩色電子紙的另一項選擇。(魏茂國)

【關鍵技術之三】

高透光太陽能窗發電模組
利用兩片玻璃中間加裝的奈米材質擴散基板,
可將20%至50%的太陽光轉換成直流電,
供照明及3C產品使用。


在未來潔淨能源的開發上,太陽光電是不可或缺的重要角色,對於減碳環保也有很大的幫助;不過,目前裝設太陽能板的價格仍不算低,同時受到住宅與環境的條件影響,並非所有地點都適合架設太陽能板進行發電。因此,如果能夠有更簡易的方式來收集太陽光,在日常生活提供電力的來源,將能更有效推廣太陽光電的普及。

現今LED的應用愈來愈廣泛,工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心也曾推出自行研發的奈米材料技術,將奈米碳球塗料添加在LED燈座的鋁製散熱鰭片中,以增加散熱的效果。而在一般居家環境或辦公場所中,通常都可發現太陽光是從窗戶照射進來,於是在「高透光太陽能窗發電模組」(太陽電池奈米結構薄膜材料)技術上,也是利用奈米材料,以使用環境為主體,將窗戶設計成為能進行太陽能發電的機制。

 「高透光太陽能窗發電模組」在窗面的結構上,主要是以兩片玻璃間夾隔奈米材質的擴散基板,經過膠合固定後,當太陽光照射穿越時,透過中間的擴散基板導光,即會將光線向四周側面的窗框進行反射;另一方面,在四面窗框內則設置有太陽能晶片模組,因此當太陽光線經反射進入時,就能進行發電。

工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心光能轉換材料研發部黃贛麟表示,擴散基板是使用TiO2與SnO2複合奈米粒子,添加在塑膠PC基板中射出或壓出,除了可大面積生產外,由於玻璃與塑膠的折射率不同,可增加全反射的機率,使太陽光線更往四邊窗框進行反射,也就能提高太陽能晶片吸收陽光的機率與發電的效率。

一般在PMMA或PC中加入粒子的擴散板,光徑只能傳導約10cm就會擴散殆盡,窗中央的陽光無法傳到邊框上;「我們的專利特色,是利用導光與光擴散的複合層結構,使陽光能集中傳導到邊框上的太陽電池,」黃贛麟指出,窗上大面積的光能被傳導聚到小面積的框上,因此框上太陽電池受的光照量,約有10至20倍的日照強度,「這樣才能達到維持窗的透光視野,與高發電效能的產出。」另外,也將奈米碳球塗料塗布在太陽窗框上,幫助太陽電池散熱,以進一步提升發電性能。

目前經由「高透光太陽能窗發電模組」的擴散與導光,可將20%至50%的太陽光傳導至窗框的太陽能電池上,提供直流發電,做為手機、筆記型電腦、LCD等直流電子產品的供電系統,並可避免直流電轉交流電的電能損失。此外,發電效率也依霧度的不同而有差別,霧度愈高代表透光率愈低,發電的效率也會更好,但相對地在視覺上的阻隔就愈大;因此可視實際使用的場所及需求,來選擇適當的霧度。

在未來電器產品耗電量逐漸降低的趨勢下,例如LED的使用,以及像都會區般大樓林立的狀況,就很適合「高透光太陽能窗發電模組」的發展應用;只需在原有的建築結構上,就可直接生產電力能源,並且還能提高自行供電的能力、減少電費支出,達到節能減碳的目的。(魏茂國)



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