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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

303期2017年01月號

出版日期:2017/01/15

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整合系統與產業 共創材料科技新未來

整理/魏茂國 攝影/黃鼎翔

由工研院及清華大學共同承辦的2016年「中國材料科學學會年會」,日前邀集了多位國內外產學研等領域的專家學者與會,除了探討材料科學與技術的研發及創新,同時也對材料產業的未來趨勢和發展進行交流,共同推升臺灣產業的競爭力。

國內外產學研等領域的專家學者齊聚2016年「中國材料科學學會年會」,探討探討材料科學與技術的研發及創新,並對材料產業的未來趨勢和發展進行交流。
國內外產學研等領域的專家學者齊聚2016年「中國材料科學學會年會」,探討探討材料科學與技術的研發及創新,並對材料產業的未來趨勢和發展進行交流。

今年度「中國材料科學學會年會」是以材料的創新及產業化為主題,也是因應科技持續發展和經濟成長需求下,材料科學所必須面對的重要議題。中國材料科學學會理事長、工研院材料與化工研究所所長彭裕民表示,在全球化及產業快速變遷之下,位於上游的材料創新和研發,是帶動產業轉型與突破的關鍵,同時更需要透過產業化來實現研發成果,以促進產業的提升與國際競爭力。

因此本次年會的論壇主題,即是圍繞在當前國家科技重大發展方向,包括屬於材料學核心的高質化金屬與功能性陶瓷材料,還有新興且相當熱門的生技材料、綠能材料、奈米光電磁材料等,並且在論文徵選主題上,也於原有的能源與環保材料、生醫與生物材料、奈米材料與分析、光電與光學材料、磁性及熱電材料、硬膜與抗蝕材料、功能性陶瓷材料、電子(介電、積體、封裝)材料、鋼鐵與非鐵金屬材料、複合材料、基礎理論與計算模擬等主題外,還新增了高分子/軟物質特性與應用,總計12大主題,吸引近千篇論文發表。

同時今年更首度舉辦「材料創新獎」,以創意設計、價值優化、市場加值為題,由大專院校學生組團經老師指導報名參加,鼓勵青年學子運用材料特性並導入創新概念,藉由創意開發可驗證的材料產品原型(Prototype),並吸引了40件作品參賽。此外,此次年會更特別舉辦「陳力俊院士講座」,除了表彰中央研究院院士陳力俊數十年來投入材料領域的研究貢獻,以及培育人才的卓越成就,於講座中亦邀請中研院杜經寧院士與王康隆院士,以及王中林教授等人發表材料研究成果。

前瞻國際材料技術新發展

於本屆大會所安排的專題演講中,首先是由美國喬治亞理工學院終身教授王中林於奈米摩擦發電機(Triboelectric Nanogenerator;TENG)的研究。這項技術是運用生活中存在已久,但在技術上經常被認為會產生負效應、需要排除的摩擦電,並由二種不同且經改良、增大表面密度與耐久性的材料,加上奈米結構的設計,透過摩擦起電與靜電效應將機械能轉換為電能;而且經過不斷改良後,目前功率密度已達500 W/m2,轉換效率最高也可達到50%。

運用TENG技術,就能藉由許多平時所產生的摩擦,達到自行發電與供電的效果及應用。例如在紡織品上,就可透過人體活動時的衣物摩擦來發電,並供給行動裝置使用;或是用於戶外監控的感測裝置上,可藉助風力產生摩擦,並自行供電驅動、傳送訊息,不需要更換電池或接電,對物聯網的應用相當有幫助;以及對於置於水中的設備,可用水流所產生的摩擦及電流,進而防腐蝕、保護金屬表面;甚至還能以可降解材料製成,結合量測裝置植入體內,並利用呼吸心跳產生的震動摩擦來發電,以對體內器官進行監測。

另外,TENG也可安裝在汽車排氣管上,在行車時驅動摩擦發電機產生高壓、吸附排氣粉塵,實驗證明PM2.5的吸附效率可達近99%,而且只需經清洗就可重複使用,不像濾網需要更換,這項應用也已進入產品開發階段。王中林更指出,在較大規模的能源用途上,研發團隊也將TENG製成球型封裝裝置,並組成網狀置於海面上,可隨海水波浪起伏產生摩擦發電,既不占陸地面積,而且晝夜皆可發電,不易受天候影響,成為未來「藍電」(Blue Energy)的來源。

工研院材化所所長彭裕民(右一)與產研學者共同討論本次年會的論壇主題,圍繞在當前國家科技重大發展方向。
工研院材化所所長彭裕民(右一)與產研學者共同討論本次年會的論壇主題,圍繞在當前國家科技重大發展方向。

新興材料創造新應用潛力

在光學超穎材(Optical Metamaterial)的研究著力甚深,並曾以此獲得美國時代雜誌評為2008年10大科學發現之一的美國國家工程院院士、美國奈米科學工程中心主任張翔,也在專題演講中說明光學超穎材的特性與應用。特別是超穎材並不像一般存在於自然界的材料,而是一種人造複合材料,並且透過奈米結構的設計,讓光波或電磁波能夠以不同方式折射或彎曲。

因而在超穎材可以改變折射率,甚至可實現負折射率(Nagative Refraction)之下,張翔指出,包括在光學顯微鏡的奈米級成像,以及奈米光刻製程、奈米級集成光子電路,還有醫療方面的高頻核磁共振與生物分子檢測等,都具有未來應用的潛力。也因為超穎材可打破演色極限,使得原本可看到的物體變成看不到,或是讓原來看不到的物體出現在眼前,因此還可產生有如電影中隱形斗蓬般的透視效果。

另一場大會專題演講,則是由工研院院長劉仲明以「駕馭新興科技,開創材料新局」為題,從技術研發與應用的角度,來看未來材料科技的發展。劉仲明提到,過去臺灣透過技術的引進與政府科技專案的支持,建構IC產業的關鍵技術與投資,同時將經濟模式由要素驅動轉型為效率驅動,也就是從勞力密集走向技術密集;但在當前全球以創新驅動的經濟浪潮中,臺灣產業更必須進入下一波的轉型升級,進入知識密集型產業,也就是要藉由跨領域的合作創新,走向軟硬整合的智能化「系統」,才能讓臺灣再次翻轉躍升。

以系統創新打造競爭優勢

不同於目前臺灣產業多停留在硬體、軟體與韌體之間的整合,在「系統」的時代中,更需要運用跨業整合,創造新的功能、應用及服務。劉仲明舉例,有些公司採用許多不同領域的既有技術,但經技術交叉融合後則可產生「系統」創新。工研院將相同的道理應用在技術研發上,推動的「開放式創新系統平台」(Open Innovation System Platform;OISP),也是以多元的技術模塊(Technology Building Block;TBB),並連結各種研發能量與內外部資源,產生出新的系統、服務或產品,形成完整的生態體系、建立新的核心能力。

也就是說,運用跨領域整合來發展創新智能系統,可讓整個系統的價值大於所有零組件或技術的總和,其中材料就是促成系統的關鍵之一。比如過去在材料等技術的研發上,就是希望能開發特定技術或創新材料來解決問題;但是在系統的概念下,一方面需要「探索」(Exploration)新的需求與機會,同時也要藉此「回逼」(Exploitation)出具有市場應用價值的差異化技術,並整合跨界優勢與研發資源持續精進。

像是工研院研發可防止鋰電池爆炸的STOBA(Self Terminated Olygomers with Hyper-Branched Architecture)材料,或是用於軟性顯示器的高無機含量之透明聚亞醯胺混成材料,以及用於行動輔具及車輛的輕量化碳纖維複合材料等,當中所使用的技術來源透過設計、製程、設備、服務等環節的串聯,也就是結合創新材料與系統工程,卻可產生更大的應用與價值。因此劉仲明認為,在解決問題與掌握重要趨勢為導向之下,以跨領域、異業合作產出「從0到1」的整合性系統創新,將能開創臺灣在國際上的「絕對競爭優勢」(Unfair Advantage),也是產業提升的重要方向。

工研院所研發可防止鋰電池爆炸的STOBA材料,就是結合創新材料與系統工程,因而產生更大應用與價值的表現。
工研院所研發可防止鋰電池爆炸的STOBA材料,就是結合創新材料與系統工程,因而產生更大應用與價值的表現。

臺灣材料產業仍具發展空間

不論是尋求技術的創新與整合,或是為解決問題、滿足需求,近年來相當熱門的創新創業,正是能夠推助技術及產業發展的重要力量。因此為呼應創新和產業化的趨勢與訴求,本次年會中特別以「如何成為下一波材化產業之CEO」為主題,邀請業界資深企業領導人舉辦新創事業心得分享與交流座談會,讓更多對材料產業具興趣的有志之士,能夠更深入了解創新創業的挑戰與機會。

尤其臺灣在半導體、印刷電路板等產業,雖然在產品或競爭力上能夠領先全球,但許多材料卻都來自國外,再加上中國大陸材料產業的崛起,不只影響未來臺灣產業的發展,也是臺灣材化產業的一大經營課題。佳邦科技董事長鄭敦仁就指出,過去臺灣在材料領域的投入及努力還不夠,像是德國、日本等,都在材料科技上長年累積發展,甚至形成產業生態圈;因此臺灣的材料產業也必須要能「接地氣」,透過上下游的合作來發展,例如研究單位能多開發材料,或是有客戶願意協助驗證等,才能共同有效地將材料推升到世界頂尖。

鼎茂光電董事長高繼祖也認為,很多國外大廠的材料產品,主要也都是銷往其他國家,不像臺灣有上下游產業可以連結;如果能夠利用臺灣在材料與化學產業的基礎,再加上人才、科技等,還是能夠找出核心關鍵的材料並加以發展,為臺灣產業帶來新的動能。國碩科技總經理蔡禮全則以國碩集團旗下二家公司,分別生產太陽能矽晶片及導電漿,但因材料性質、規格化程度不同,需要的投資規模與獲利也相差許多;因此若要能夠在材料產業中競爭,就要靠智慧財,集結更多創意與知識,才能占有領先地位與市場。

持續學習才能因應創業挑戰

除了產業本身的競爭與變化,要投入材化新創事業,也同樣會面臨各種在創業時所遭遇的問題;特別是很多創業者都由技術出身,但是當從技術研發走向新創事業、成立公司時,就還需要面對策略、業務、財務、人才、法規等企業經營管理上的各項工作,也是許多新創團隊的挑戰。高繼祖表示,要由技術人變成生意人,尤其是新創事業的領導者,不僅身段要放軟、多方面學習,並要具備遠大的眼光與格局,還要能接納不同領域的人,才能有效推動新創事業。

高繼祖也提到,成功的新創企業,在團隊的建立上也一定相當成功,包括負責經營管理的團隊以及董事會。蔡禮全則表示,創業除了由技術團隊募集資金來新創公司外,想要創業的人也可以進入既有企業中,就近學習領導者如何經營管理,了解帶領一家公司所需要的技能;甚至企業本身也可以運用內部機制,例如在公司內組成團隊來執行特定計畫,並透過實務工作培養相關技能,同時還能運用母公司資源,等時機成熟後再分拆成新創公司,不但風險較低,也更能獲得客戶認同。

因此在創新創業的資源上,今年初由工研院院友為基礎所成立的臺灣工研新創協會,就是希望能結合並提供創業資源與平台,讓有創業經驗的人來協助新創團隊發展成長。鄭敦仁認為,相較於過去,雖然現在市場競爭更為激烈,需要更努力挖掘機會,不過在社會氛圍及創業資源等因素改變下,當前可說是最好的創業時機;即使創業是個辛苦的過程,但就算創業失敗也能獲得許多經驗和資源,若是創業成功更能實現成就感和經濟獨立,享受努力的果實。

未來趨勢帶動材料發展

由材料業界領導人的觀點,不難看出對於既有的材料產業,亦或是新創的材料事業,都必須要找到關鍵的材料技術與發展方向,才能進一步在市場上創造優勢與競爭力。因此工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)主任蘇孟宗也就「未來趨勢下十大潛力材料」為題,從未來材料的應用趨勢切入,分析未來約十年中較具潛力的材料,供材料產業參酌,甚至能夠透過更多整合投入相關研發、促進技術成長。

藉由未來趨勢分析潛力材料,著眼的就是環境與市場的變化,將會帶動新材料的需求及開發;像是在全球人口持續成長及都市化的影響下,加上極端氣候發生頻率提高、綠色永續愈受重視,就將會增加輕量、節能、耐候、低碳等高性能與環境友善材料的需求。另外在先進國家趨向少子化及高齡化,但醫療照護和生活品質要求卻相對增加之下,也會帶動如智慧衣、個人醫療、日常照護等促進健康與舒適生活的材料;而在區域經濟和物聯網的興起下,具有彈性製造與智慧化生產的材料需求也將會提升。

蘇孟宗還提到為了支持產業和經濟發展,許多國家在蘇孟宗還提到,為了支持產業和經濟發展,許多國家在新材料的推動及研發上,都有相當積極的做法和計畫;以中國大陸來說,新材料就列為《中國製造2025》戰略計畫中的重點項目之一,並規劃針對先進基礎材料、關鍵戰略材料、前瞻新材料等類別投入技術研發。美國在先進製造夥伴(Advanced Manufacturing Partnership;AMP)計畫中,目前也已透過國家製造創新研究機構網路(National Network for Manufacturing Innovation;NNMI)成立九個研究中心,並且投入3D列印、輕量化、複合、機能性紡織品、軟性電子等材料的研究;而日本對於材料的研究開發,除了政策等資源的支持外,也透過未來開拓研發系統(Future-Pioneering R&D System)來選擇能帶來巨大影響且具優勢的技術。

潛力材料開發需產官合作

以應用面趨勢來看,未來材料需求將走向輕量化、節能、可回收、環保、低毒/無毒、功能性提升、安全、低碳、效率提升等特性。而根據全球成長諮詢顧問公司Forst & Sullivan與工研院IEK觀點所整理的未來十大潛力材料,包括有碳纖維(Carbon Fibers)、石墨烯(Graphene)、智慧包裝(Smart Packaging)、奈米塗料(Nanocoatings)、抗腐蝕塗料(Anti- Corrosive Coatings)、輕量化材料(Lightweight Materials)、生物質材料(Bio based Materials)、自我修復材料(Self Healing Materials)、量子點(Quantum Dots)、水處理膜(Water Treatment Films)等。

蘇孟宗強調,在評估技術的投入與回收時,最終還是要與能夠創造的價值相較,也就是新的技術能夠帶來多少價值,而不是只看到應用趨勢就認為一定值得投入。同時在未來產業發展上,企業與政府也必須就其角色,例如提高研發能量、建立核心能力、強化綠色製程,或是給予政策支援並建構環境、提供研發補助等,甚至共同打造應用生態系,才能有效結合技術研發和產品應用,並透過高值化材料的開發,提升產業經濟的發展。

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