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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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台灣科技,世界爭光

文/魏茂國  攝/鄒福生˙工研院提供

9月14日是歷史性的一刻,
華爾街日報公布2009年Technology Innovation Awards得獎名單,
來自工研院電光所的超薄音響喇叭(fleXpeaker)獲得消費性電子類首獎;
此外,在美國科技領域極富盛名的R&D雜誌,
也於9月號公布了素有科技界奧斯卡獎之稱的R&D 100 Awards,
工研院材化所的鋰電池安全裝置STOBA技術獲得此殊榮;
同時,由超薄音響喇叭所發展的創新應用「隨身包廣播」,
也獲得國際工業設計大獎red dot最佳設計獎。
技術上的突破,思考及策略的創新,
讓今年工研院在國際上發光發熱,
這些殊榮所代表的,不只是工研院本身的技術成就,
更為台灣相關產業,開創了無限可能的未來。

台灣科技,世界爭光
台灣科技,世界爭光

創 新技術的背後,往往是一群研發人員默默努力付出,他們辛苦多年,經過許多實驗、研究與反覆不斷的測試,最終展現研發成果與創新實力,更讓外界看到他們如何把不可能變成可能,把夢想變成事實。

不過,管理大師彼得杜拉克(Peter F. Drucker)也指出,技術變革無所不在,但它發生時往往也出乎人意料之外。新技術的出現,往往能創造新產業與新制度,類似的例子不勝枚舉,許多都是在意外之處崛起。

堅持是實現夢想的重要關鍵

此次得到華爾街日報(The Wall Street Journal)科技創新獎(Technology Innovation Awards)的「超薄音響喇叭」(fleXpeaker)技術,就是在靈光一閃中出現。

工研院電光所奈米電子技術組研發組長陳明道指出,當初研發團隊在尋找製造超薄揚聲器時,考慮過各種不同的材料,包括與電傳導最相關的金屬材質,或是軟電基板的塑膠。直到有一天他突然想到:「為什麼不用隨手可得,而且又是現成材料的紙張呢?」電光所所長詹益仁聽到這個創意,也是大為興奮,立刻開始著手研發。

發明人之一的劉昌和說,這項產品是從研發軟性電子顯示器而來,他與組長陳明道經過三年多的研發,才有了厚度不到0.1公分,可彎曲、可用印的,可以貼附在任何產品上,耗電量只要傳統喇叭的十分之一的超薄紙喇叭。

由於這個創新技術,讓工研院從全球500多個世界一流競爭者中脫穎而出,擊敗了包括惠普(HP)、摩托羅拉(Motorola)、Livescribe等國際知名企業,抱回科技創新獎消費性電子類首獎,這是台灣首度獲得全球性的華爾街日報在科技研發上的肯定。

華爾街日報指出,「工研院成功研發如紙片般薄度且可彎曲的超薄音響喇叭,贏得了消費電子類別的科技創新首獎。它是一個不受限於任何尺寸,還能以微小結構發出高效能(保有傳統喇叭音質)的喇叭。由於超薄音響喇叭重量輕且耗電量低,適用於手機或汽車音響系統應用,也可應用於火車站公共服務公告、購物商場廣告及巨型看板等。工研院正在尋求技轉廠商,或成立新創公司進行商品量產。」

超薄音響喇叭的研發,始自於2006年由電光所詹益仁所長帶領的團隊開始進行,目前已申請17案45件的全球專利。該技術的應用相當多元,目前除可使用在登山背包、家庭音響及車輛音響上,也可做為耳機或是工業抗噪音使用,範圍極廣,產業潛力無窮。該技術曾在全球最大的顯示器展——美國顯示器聯盟(US Display Consortium, USDC)及國際資訊顯示協會(SID)發表論文,2009年更獲美國電聲學會(JASA)期刊採用刊登。

超薄音響喇叭未來可應用於攜帶式3C產品、交通產品及大型商業廣告,更可以跟壁紙結合在一起,當做裝潢的一部分;或任意裁切成各種形狀,發展成類似隨手或隨身貼,貼附在人的身上、衣服上或物品上的喇叭、留聲Memo卡、薄片式MP3,甚而未來可以整合到綠色建築、電動汽車、娛樂及醫療等新興領域,帶動產業新商機,開啟喇叭等電聲產業全新紀元。預計在2009至2010年初進行技轉大面積超薄音響喇叭試量產,並於2010年研發完成塑膠材質的可彎曲透明喇叭。

超薄音響喇叭也透過特殊的整合技術,將廣播與喇叭結合,包裝成類似即溶飲品的隨身包,依國家、地區及喜好,自行組合個人化超薄音響喇叭廣播禮盒,可隨身攜帶及收聽廣播。這個「隨身包廣播」也獲得今年度國際工業設計大獎red dot的最佳設計獎。

跨領域的意外發現

同樣的,獲得2009年R&D 100全球百大科技獎的STOBA創新材料,也是個美麗的偶然。

「將高分歧的材料應用在鋰電池,可說是個意外的發現。」提到STOBA的研發,工研院材料與化工研究所儲能材料及技術研究組組長潘金平表示,他原本在電子構裝(IC Package)的領域,就曾接觸過相關的耐高溫材料,而在十多年前投入鋰電池的研發計畫後,也從許多鋰電池的相關文獻報導與國際研討會中,發現頗為相似的化學結構,便興起將高分歧材料應用於鋰電池上的想法。

不過,當初想要導入高分歧的材料,並不是要用在鋰電池的安全與保護的用途上。1997年就開始進行鋰電池研究的工研院材料與化工研究所儲能組先進薄型電池研究室主任楊長榮表示,原本這項新材料的應用研發,是要使用在高分子鋰電池中。也就是說,為解決一般液態電解質的漏液問題,高分子鋰電池採用的則是膠態電解質;如果能將高分歧的材料導入,其樹枝狀的結構或許能提高鋰離子的傳輸效能。

但經過研究後,楊長榮指出,其實一般的鋰電池只要封裝製程做得好,就不必擔心漏液的問題,並且也不會因改用膠態的電解質而降低電池性;更重要的是,在不斷的研究中,還發現在鋰電池裡加入高分歧的材料,就有抑制因短路而產生熱爆炸的效果,STOBA也才應運而生。

從一個想法的觸發,到落實在研究與應用上,還有著一段不小的距離。潘金平就說,與原始的材料技術相較,STOBA真正能夠用到的技術,僅有約30%;而且從電子構裝進入鋰電池的領域,還會有不同的使用需求,需要考慮到放電能力、電容量、循環壽命等問題,也要進行許多調整與試驗。

在團隊的努力下,STOBA終於在一年多前開花結果,成為可以導入量產、也是獨步全球的領先技術,並且在去(2008)年報名參加R&D 100 Awards;在大夥兒充滿信心與期盼之下,最終雖然未能夠獲獎,卻引起不小的注意,也更深覺STOBA的技術潛力,並投入了更多的資源與人力,希望能再加以改善,做到更好。

一年之後,經過更深入的研究與分析,STOBA的技術更加成熟、進步,改良了材料的塗布方式,並具有效果更明確的應用,對於實際製程的相容度也更高,利於廠商導入量產。因此,STOBA也終於在今(2009)年的R&D 100 Awards中捲土重來,並獲得肯定。

安全是唯一的路

提高鋰電池的安全,一直是產業界的重要課題。2006年8月,戴爾公司(Dell)針對先前筆記型電腦上所傳出的多起鋰電池爆炸意外,特別與美國消費者產品安全委員會(Consumer Product Safety Commission, CPSC)進行了電子產業史上最大規模的全球性電池召回通知,共回收410萬顆由Sony製造的鋰電池;Sony並於2006年9月啟動全球性的「鋰電池自主更換計畫」,回收筆記型電腦用鋰電池,並提供免費更換新品的服務。

而蘋果(Apple)、東芝(Toshiba)、富士通(Fujitsu)、日立(Hitachi)、聯想(Lenovo)、夏普(Shape)等公司,也陸續宣布或配合召回由Sony生產的筆記型電腦鋰電池。估計Sony共召回了960萬顆的筆記型電腦鋰電池,並造成約510億日圓的損失。

這樣的案例並未因此停歇,而且不只是筆記型電腦,也包括了手機、MP3等設備,以及其他的電池生產廠商。以航空業界來說,因應鋰電池的安全問題,連國際航空運輸協會(IATA)也要求於搭機時,備用鋰電池禁止託運,只得放在手提行李內帶上飛機;2006年美國UPS快遞公司的貨機,就曾因鋰電池著火而緊急迫降,並燒燬大部分貨物,造成機組員受傷;台灣亦有航空公司的倉儲,因下雨使得鋰電池潮濕短路起火,而將貨物燒毀。

當鋰電池的正負極因不正常的連接或接觸,就會產生並加速電化學反應,而使電池溫度快速升高、導致起火爆炸。許多國際大廠也發現這樣的狀況,並藉由IC線路的保護,當外部短路發生時,能夠立即阻斷預防,防止意外發生;通常來路不明的低價電池,即可能因成本考量而缺乏類似的設計或裝置,這也是相關單位持續向消費者宣導避免使用的主要原因。

防止鋰電池熱爆走

然而,除了外部引起的短路之外,鋰電池還有個難以防範的問題,即是內部的短路。當鋰電池內的電解質中,摻有微小的金屬碎片或雜質時,在經過多次或不正常的充放電後,就有可能刺穿正負極間的隔離膜,形成內部短路,並造成連鎖反應,將隔離膜熔解,讓正負極接觸面積增多,電化學作用加快,使溫度急遽升高,甚至可高達攝氏五、六百度,危險也就此發生。前面提到的Sony案例,正是因為金屬微粒滲入電池中,進而產生短路與過熱的意外。

鋰電池具有高能量密度、無記憶效應、低自放電、充放電速度快等優點,因而受到廣泛的應用;但鋰電池也不耐受過度的充放電,溫度還會縮短使用壽命,內部短路的安全性更是目前的最大挑戰。

潘金平指出,目前對於鋰電池安全性的改良研究,大多數是針對電池內正負極間的隔離膜。由於對能量密度與電池體積的要求,隔離膜愈做愈薄,卻更容易遭到穿刺破損,也更不能容忍製程上的瑕疵;況且僅以隔離膜來保護,仍顯得過於薄弱。如果是將隔離膜加厚,雖然能使穿刺的可能性降低,卻也影響了電池的體積;另一方面,若是於隔離膜塗上不導電、耐高溫的材料,也可能會使厚度增加、電阻提升。

根據他的觀察,即使鋰電池愈來愈普遍,使用量也愈來愈大,但也由於安全的問題,使得像是汽車產業就遲遲未能採用鋰電池,更不用說電動車的開發,因為若在車輛上發生爆炸意外,情況將會更加危險與嚴重;這不僅影響了鋰電池的未來應用,也是亟需克服的關鍵。因此,STOBA可說是目前解決鋰電池內部短路安全問題的最有效方式,並可協助推進鋰電池的發展。

潘金平認為,即使相對於鋰電池的產量,發生起火爆炸的意外機率仍低,但卻可能會造成財產或身體的損傷,消費者能夠容忍意外的程度也很低,更突顯出STOBA技術的獨特性。楊長榮也指出,目前STOBA已申請專利共9案、29件,將成為帶動台灣相關產業發展的重要動力。

未來電能的應用主角

目前STOBA的技術,已可應用於手機、筆記型電腦等較小型的鋰電池上,讓相關的3C電子產品使用者能獲得安全上的保護;工研院並已和國內生產鋰電池的廠商進行合作,提供技術轉移與量產協助,以提高產品競爭力。

潘金平並以資訊產業為例,台灣在筆記型電腦的顯示器、IC等部分,於全球都是名列前茅,卻唯有電池的部分,僅占全球的3%至5%。國內的電池廠商,不但面臨來自日本、韓國的既有大廠優勢,更有中國方面的急起直追,著實是個不小的壓力。他認為,「安全」是個普世的價值,當鋰電池的安全規範與標準提升之時,如果台灣有像STOBA的獨特技術可以滿足,就有機會能夠領先世界;不只能使產品讓國際市場接受,更可藉此保護消費者,對於廠商的形象也有幫助,並形成產業的進入障礙。

運用STOBA技術,「材料成本增加不多,與現有製程相容度高,卻可帶來極高的附加價值。」潘金平表示,雖然有不少國際大廠對STOBA有興趣,但工研院還是以輔導國內廠商為優先,並持續研究將STOBA應用在更大型的鋰電池上。例如汽車或電動車所使用的鋰電池,因使用條件與情境的不同,對於安全性的要求更高,可靠性也要更好,因此必須經過更多的技術提升及驗證,這是工研院目前的研發方向。

此外,在低污染、零排放的車輛發展趨勢下,政府所推動的「新能源產業旗艦計畫」中,電動車即是發展項目之一,而鋰電池正是其中的重要關鍵。台灣原本就在機車與自行車的技術及產業上保有優勢,因此若能夠與具有STOBA技術的鋰電池結合,開發電動機車與電動自行車產業,更將能創造另一個極佳的機會。

當電能已成為未來能源運用的主角,電池的技術就成為研發的重心;具有STOBA技術的鋰電池,能夠做為再生能源儲電的電池,當然也更具安全性。「只要是與鋰電池相關的產業,都能夠結合STOBA來發展;」潘金平雄心勃勃地說,「希望能帶動台灣的鋰電池產業,成為世界前三大!」

超薄音響喇叭
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華爾街日報全球創新獎
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