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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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HyTAC一甲子基本功 工研院用紮實馬步站上國際舞台

文/羅弘旭

武俠小說中真正的高手、飛花落葉皆可傷人,金庸更是如此形容:「不滯於物,草木竹石,均可為劍。」只是,要反璞歸真到這樣的境界,需要長時間的基本功。工研院的研發團隊,就是靠合計六十年的蹲馬步紮根,在材料化工領域,以HyTAC膜超越百年大廠Konica和Fuji Film,更一舉奪下R&D 100 Awards。

武俠小說中,動輒以「一甲子功力」來形容功力深厚的絕世高人,這一甲子六十年時光代表什麼意義?可以讓垂髫小兒變成白髮老人,也可以讓世家豪門平地一聲雷興起到到眼看他樓塌,更可以讓一項你我家中可能都有的文具用品,搖身一變成為iPhone手機中的關鍵材料。

在工研院,就有這樣的團隊,這一群資歷加起來超過60年研發人員,當其他人練習著凌厲劍招與虎虎生風拳法時候,他們依然持續的扎著馬步,練習最平淡無奇的基本功,只鑽研一項你我都用過的產品----環氧樹脂,也就是俗稱的白膠,在今年的R&D 100 Awards獎項中,奪下材料科學大獎,讓工研院能在R&D 100 Awards,與Intel、3M、NASA並列,成為舞台上的大贏家。

環氧樹脂其實是一種熱固體型樹脂,當主劑與硬化劑,以一定比例適當混合,經交聯硬化後,則形成三度空間之網狀結構,因而賦予產品有特殊的物理性、機械性及耐化學品性等,過去一般被用在複合材料上,例如國內第一把複合材料的網球拍、捷安特複合材料的腳踏車架,都是以工研院研發的環氧樹脂為基礎開發出來。

國際大廠把持全部市場 偏光膜需要自主技術

但是2002年,這個團隊卻面臨境外高手上門踢館,一個是日本富士(Fuji Film),一個是柯尼卡(Konica)這兩位東瀛高手。沒錯,後者就是『他傻瓜、你聰明』,前者則是『十種表情,百樣心情』,兩家都是從事相機軟片研發超過百年的高手。

但可別以為當時工研院是想進軍已經呈現頹勢的相機軟片市場,當時Konica和Fuji Film早已經把底片的材料「三醋酸纖維素膜」(TAC膜),運用在液晶螢幕的材料上,在具有偏光功能的「聚乙烯醇膜」(PVA膜)的兩邊黏貼具良好透光吸水的TAC膜,就成為液晶螢幕關鍵材料「偏光板」。

九年前,正是台灣兩兆雙星產業正要起飛之際,當時的面板五虎開始大力投入TFT LCD的生產,但TFT LCD六成以上的成本來自材料,許多關鍵性材料更是把持在日系廠商手中。例如每一片TFT LCD就需要兩片偏光板,而偏光板的TAC膜,九成以上的市場都把持在Konica和Fuji Film手中,即使另一家底片大廠柯達都難以介入。

主導這項產品研究的工研院材化所組長李宗銘回憶起當年的情況,無奈的說:「其實三醋酸纖維素膜的材料和製程我們都很清楚,就是棉花,把棉花中的三醋酸纖維素粒子溶到溶劑,塗到滾筒上再把溶劑溶解掉,把膜撕下來就是成品了。」

只是對手已經發展百年,台灣如果用同樣材料、同樣設備,在後面追趕,就永遠落後對手。而且Konica和Fuji Film也很謹慎,「為了防堵對手加入,從技術到原材料,都不肯出售,台灣想要掌握關鍵技術,根本無從追起。」李宗銘苦笑著解釋。

所以當時工研院為了協助台灣TFT LCD產業自主研發,研究的出發點就是要尋找更具有競爭力的替代材料。

更具競爭力的材料,說得簡單,但何其苛刻,既要有經濟上的競爭力,又要不循著對手的老路走,最好製程還要更簡易,套用武俠小說中的說法,就是得創出一門比九陽功威力更大、還得速成,最好不限資質誰都能學的新內功。

試遍天下材料 回歸最基礎的基本功夫

要取代用於偏光板上的三醋酸纖維素膜,替代品得要具有透明的光學特性,還要有一定耐熱性。但最大要克服的難題,是吸水的問題,具有偏光功能的聚乙烯醇膜本身含有碘的成份,因此會滲水,如果外面兩層包膜無法讓水排出或者吸附,最後就會凸出成氣泡狀,影響密合度。

過去十多年,許多研究單位希望用一般塑膠膜取代三醋酸纖維素膜,例如PET膜就是大家發想的方向之一,但是PET膜在光學特性和耐熱性上都符合,可是就是不吸水,水無法滲透出去。

除了PET,也有單位試過 PC聚碳酸酯(Polycarbonate)或者聚甲基丙烯酸甲酯這種壓克力樹脂(hylmethacrylate,簡稱PMMA),但都還是回到老問題,每一種材料都無法兼顧透明度、耐熱度和吸水性。

帶著一定得為台灣產業開路的精神,工研院回過頭來,從被認為不可能的材料裡面找機會,這項曾經被德國人嗤之以鼻認定絕對不可能的產品,是文具店都有賣的環氧樹脂,也就是白膠。

早在民國七十年代,工研院就開始研究環氧樹脂技術,其實就是把環氧樹脂加上硬化劑形成網狀結構,這種複合材料可以作為結構用,曾經被視為台灣自製戰機的主要材料之一,後來更廣泛利用在民間產業,包括第一把行銷海外的碳纖維複合網球拍,還有巨大捷安特的複合車架,甚至到後來的高爾夫球桿,背後都有工研院技術的影子。

由於環氧樹脂的特性就是比較硬,工研院後來甚至想過「可不可以把環氧樹脂作得和玻璃一樣」,所以後來奈米計畫就是以這為目標來推動,最後也順利做出和玻璃透光度一樣、剛性也不輸玻璃的產品。

雖然環氧樹脂玻璃後來困於耐熱度的問題,沒能百分之百成功,但卻意外讓研發團隊發現環氧樹脂在光學特性上的一個優勢:「光進入的時候折射率是一樣的!!」

失敗的經驗 成為日後滋養的元素

這個發現成為研發團隊心中的「Data Bank」,等著被啟用的一天,直到前瞻計畫決定開發偏光膜的替代材料來臨的那天。

計畫的開始,來自當時擔任材化所所長的工研院副院長劉仲明,他看到環氧樹脂這項光學特性,比起傳統三醋酸纖維素膜(TAC)更優秀,有機會挑戰三醋酸纖維素膜,於是給了團隊計畫目標,也是最高難度的挑戰。

原本環氧樹脂就具有硬化的特質,過去也都用於增加結構強度之用,現在卻要反過來軟化、輕薄,等於是完全不同的方向,不僅在於技術的難度,更挑戰開發團隊既有的思考觀點。研究團隊坦承:「要挑戰跟過去研究相反的可能性,相當痛苦。」

但熱固性的環氧樹脂比起其他高分子材料,先天上就有優勢,常溫狀態下是液體的環氧樹脂,只要加熱形成所需形狀就好,比較不會形成結晶和霧狀。

拉成膜狀,既要讓他軟,還要讓他能夠成為滾筒狀,最後,將雙層塗佈改為單層塗佈,解決了塗佈性與離型性互斥的問題;也獲得在不鏽鋼帶製膜機上產出成捲HyTAC膜的重大技術成果。

到此,環氧樹脂成為技術上可行的產品,研發過程其實很單調,例如二氧化矽要不要加?要加多少?微包軟化劑份量要多少?哪一種硬化劑添加進去才不會讓HyTAC在光線下變黃。

產品添加物其實就哪幾樣,但配方比例調整起來卻可能超過千種,如果不是這團隊超過六十年的經驗把各種數據都紀錄在自己的Data Bank當中,光是重新作實驗,花去的時間就不只六年。

最終成品出爐之後,換來的是斐然的成績。HyTAC膜不僅沒有三醋酸纖維素膜雙折射的光學問題要解決,更重要的是,大幅度降低建廠成本和對環境的破壞。

創造更具競爭力 更環保的HyTAC膜

要生產傳統TAC膜,製程會用到二氯甲烷,二氯甲烷在工業上常被用作去漆劑、金屬去脂、黏著劑、滅火器成分、穀物燻蒸殺蟲劑、合成纖維及底片製造之溶劑。是一種無色可揮發性液體,聞起來似乙醚或氯仿氣味。但卻是種有害事業廢棄物,人體不論由吸入、口服或皮膚接觸都會中毒。急性接觸可導致黏膜、呼吸道剌激、頭痛,較高濃度可抑制中樞神經糸統及導致呼吸衰竭。皮膚接觸可致刺激感或灼傷,若濃度超過50,000ppm可致對生命產生立即危險,心臟血管系統吸入過量會因為心絞痛、心肌梗塞致死。

為了避免公安意外,一座TAC膜生產工廠,造價起碼五十億元,光是二氯甲烷的廢棄處理,就要花十億到二十億,攤提到生產成本中,增加了無形的成本。但是工研院的HyTAC膜,不需要使用二氯甲烷溶劑,既減少了廢氣回收設備成本,也符合環保趨勢,只要以一般膠帶廠的生產規格就可以處理,投資可能在五億到十億,僅僅是對手的二成,從製程、設備、投資、原料都有優勢。

除了製造成本更有優勢,HyTAC膜優異的光學特性,也讓產品本身更有競爭力,以現在最夯的iPhone手機來說,都已經採用液晶水平面轉的IPS面板,這種新類型面板看起來更美觀,解析度也更高,但表面不能有偏光,所以對偏光板的品質要求更高,HyTAC膜不需要額外處理,就能直接應用在IPS面板上。

從生產成本、製程、技術、效能都達到當初設定的目標,HyTAC膜除了獲得R&D 100 Awards 榮耀,更獲得國內廠商認可,獲得工研院技術移轉給的達輝光電表示,HyTAC新型偏光板保護膜除了在整體表現上較為平均,而且還具有較好的穩定性,包括耐濕、耐熱、耐紫外光等優點,不像傳統材料必須使用添加劑或其他化學方法來補強,因此也較為適合用在環境條件較嚴苛或高性能要求的使用狀況。

回歸基本功 成為勝利方程式

回首過去這七年的開發歷程,研發團隊心中仍是有說不出的感慨,材料這個領域,不比其他科技,可能在短期之內就可以看到成效,材料光是一個工程師的養成,就需要五年以上時間的實做才能夠入門,這過程當中需要長期的支持,連賣TAC技術給達輝光電的德國顧問,聽到工研院拿環氧樹脂當材料來開發偏光膜,都大呼:「不可能!」,但最後看到工研院的技術分析,終於服氣承認:「工研院的確作到了。」

李宗銘透露當年的糗事,在開發塑膠玻璃時候,曾經很高興的拿著成品交給當時擔任所長的劉仲明副院長,結果這成品卻在成果報告中,一個不小心就被折斷,讓在場的長官都很尷尬,但副院長回所內之後,並沒因此勃然大怒,只是勉勵同仁作更多改善,「就是這樣的管理方式,讓研發團隊遇到困難時候可以堅持著繼續撐過去。」

在武俠小說中,主角總是有著天生的光環,跌下山崖就會遇到絕世高人傳授秘技,隨便吃個什麼野生果實就是百年才能成熟的天材地寶。但在現實社會中,這種機遇不可能總是讓你遇到,HyTAC膜的研發團隊,終於還是在最入門的基本功夫中,累積深厚的功力,終於一舉打敗來自海外的對手,維繫了自家門派的尊嚴。



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