臺灣化工材料科研新進展（下）

閻桂蘭

開發(fā)新型化工材料

如今電子產(chǎn)品的使用日趨頻繁，散熱成為產(chǎn)品品質的關鍵因素。以電腦中央處理器（CPU）為例，在最快運算速度下，雖然芯片表溫最高只有將近100℃，但是因為芯片面積非常小，其熱通量高達50瓦/平方厘米。臺灣科技人員最近開發(fā)出一種新型硅膠高分子散熱片，除了特殊的高分子基材外，加入氧化鋅等作為填料，并使用硅烷作為改質劑，增加與硅高分子基材的相容性，使其具有較佳的柔柔性，在CPU高速運算與冷熱循環(huán)時，能排擠不導熱的間隙小氣泡而提高散熱能力，熱傳導值約為2.5W/mK，且仍具有耐10千伏以上電壓的能力，可廣泛用于許多電子領域。

再如在光電有機分子化學品方面，包括影像顯示材料，如彩色濾光片、背光模組材料、偏光板、高應答速度液晶材料、配向膜、液晶顯示器用玻璃基板、彩色光阻、冷陰極熒光燈管（CCFL）、棱鏡片、擴散板、導光板材料、增亮膜、TAC膜、視角補償膜、配向膜材料、各向異性導電膠（ACF）以及光阻材料等，目前已有少部分可以島內自主供應，但大部分仍需依賴進口。

最近，臺灣科技人員研發(fā)出“光電產(chǎn)業(yè)用功能性高分子薄膜”及“功能性高濃度塑料母粒”兩項關鍵加工技術平臺，前者通過材料選擇、薄膜表面處理、涂布制程設計、感壓膠配方等創(chuàng)新與改良，開發(fā)出光學級抗靜電聚酯（PET）保護膜及保護膜撕除膠帶，可應用于光電用保護膜、偏光板用PET保護膜、手機及筆記本電腦用聚乙烯（PE）保護膜等產(chǎn)品，有助于降低光電產(chǎn)品成本，預計每年將提升產(chǎn)值約2億元新臺幣；后者開發(fā)出島內首創(chuàng)濃度70%以上的阻燃母粒技術，縮短制品加工程序，直接降低混煉制造成本50%，增加產(chǎn)品附加價值25%，目前已有8家廠商應用于生產(chǎn)特殊用橡膠和塑料產(chǎn)品、人造樹脂產(chǎn)品、熱可塑性彈性體、輔具產(chǎn)品、電器連接器產(chǎn)品、發(fā)泡球產(chǎn)品等，預計每年將提升產(chǎn)值約1.5億元新臺幣。

在新型生態(tài)材料技術方面，一般電子及家電產(chǎn)品皆大量使用發(fā)泡塑料，尤其是保麗龍（由聚乙烯或聚苯乙烯加發(fā)泡劑后高溫發(fā)泡形成的一種材料，也稱泡沫塑料）作為緩沖襯墊包裝材料。然而由于回收困難、再生不易、焚燒會污染環(huán)境等問題，近來許多國際公約和法令開始禁止或要求減少使用保麗龍，目前全球著名的電子及家電企業(yè)無不積極尋找替代的包裝材料。島內生產(chǎn)包裝材料的公司多屬中小型企業(yè)，亟待技術升級。臺灣工研院最新開發(fā)的淀粉改質發(fā)泡技術，以水經(jīng)高壓擠出淀粉產(chǎn)生的發(fā)泡材料來替代保麗龍，可改善淀粉原本脆硬特性使其具包裝緩沖使用的韌性，其制品的緩沖效果介于發(fā)泡塑料和紙漿模塑制品之間，既有發(fā)泡塑料優(yōu)異的緩沖性能，又有紙塑制品的綠色環(huán)保訴求，加上淀粉及生質纖維來源廣泛，不使用有機發(fā)泡劑，制成包裝材料具有生物可降解性與環(huán)境協(xié)調性，廢棄掩埋后能自然降解腐爛作為肥料，不會對環(huán)境造成污染。其包裝性能符合國際標準ASTMD5276-98，且保有生物分解的特性，180天分解率超過90%。該項技術已在大陸、臺灣和美國申請專利，并授權廠商且參與合作，評估全面采用生態(tài)包裝材料的可行性。目前規(guī)劃建造淀粉發(fā)泡材料工廠，后續(xù)將投資混煉造粒、擠出發(fā)泡等生產(chǎn)設備，可望形成綠色包裝產(chǎn)業(yè)鏈。未來外銷歐洲產(chǎn)品所征收的回收稅可由1.51歐元/公斤（包裝用塑料材料）大幅降低至0.1歐元/公斤（包裝用生態(tài)材料），減緩電子產(chǎn)品出口的非關稅貿易壁壘。

此外，臺灣工研院還在開發(fā)以非糧料源生產(chǎn)的綠色生質高分子及其復合材料應用于資通訊產(chǎn)品的技術，建立衣康酸和5-羥甲基糠醛（HMF）及其衍生物的制程，以降低“化石碳”含量的基礎化工材料，供應化工業(yè)中下游企業(yè)加工制造綠色產(chǎn)品之需。其中包括以酶工程處理方式對木薯淀粉分子量大小及結構進行控制及切割的技術，使木薯淀粉分子量與顆粒微粒化和直鏈化，以利于轉化改質及分子量降解，藉以提高直鏈淀粉含量及提升木薯淀粉可塑化的特性。酶降解后木薯淀粉經(jīng)單螺桿擠出機反應生成熱可塑性淀粉（TPS），目前其抗張強度可達到170～200千克/平方厘米，未來將配合相關產(chǎn)品開發(fā)，逐步建立相容化技術、界面反應改質技術等，以求達到商品化實用階段，應用領域包括制鞋材料、運動器材、包裝器材、農業(yè)相關用品以及汽車、玩具等多樣化衍生應用產(chǎn)品。開發(fā)淀粉基生物分解包裝膜將可逐步取代目前年需求量約10萬噸的石化基塑料包裝膜，有助于降低石化基塑料對于環(huán)境所造成的白色污染及產(chǎn)生的二氧化碳排放，預估未來至少產(chǎn)生每年20億元新臺幣以上的產(chǎn)值。如果用于電腦及顯示器以及手機、數(shù)碼相機、移動上網(wǎng)裝置機殼材料，年需求達150萬噸以上，外銷全球產(chǎn)值高達9000億元新臺幣以上，影響的供應鏈達數(shù)千家。

另一項生物質擴散板技術開發(fā)項目，目的是用綠色生物質材料制備而成的聚乳酸（PLA）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）生物質合膠擴散材料，取代目前臺灣液晶顯示器產(chǎn)業(yè)所廣泛使用的石化產(chǎn)業(yè)下游產(chǎn)品高分子光學材料。這種新型合膠擴散材料中，生物質含量大于30%，通過改變其化學組成、分子特點而改造其物理、力學及阻隔性能，使PLA/PMMA合膠達到最佳的相容狀態(tài)，其穿透率為53%，霧度為99%，擴散率為95%，熱變形溫度大于80℃，抗拉強度達780千克/平方厘米，除了有優(yōu)良的光學性能與射出加工性，不需長時間退火處理即可達到約80℃耐熱性等優(yōu)點外，也承襲了PMMA耐候性良好的優(yōu)點，且具有更好的耐沖擊性，將此材料成型為15英寸擴散板，測量其勻光特性與出光顏色，皆與目前商品化擴散板光學特性相近。

發(fā)展新型應用納米技術

在新型納米材料方面，通過2003—2014年連續(xù)兩期實施的“納米重大科技計劃”，以納米前瞻研究、生醫(yī)農學應用、納米電子與光電技術、能源與環(huán)境技術、儀器設備研發(fā)及納米材料與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術應用等領域為重點方向，目的是推動納米科技產(chǎn)業(yè)化，促使研發(fā)成果轉化為產(chǎn)業(yè)的競爭力，為下一波高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展立下基礎。

該計劃目前在材料領域取得的成果包括：建立8套臺灣納米標準系統(tǒng)，包括角度校正系統(tǒng)（含大、小角度校正系統(tǒng)）、階高校正系統(tǒng)、薄膜測量系統(tǒng)、微流量測量系統(tǒng)、納米壓痕測量系統(tǒng)、納米粒徑測量系統(tǒng)、力量比較校正系等，并進行與外國實驗室間的納米粒徑測量比對活動，有助于國際納米粒子測量標準的相互協(xié)調一致性。

由于一維線狀納米銀線結構具有易導通電路特性，且保有納米材料可低溫燒結的特性，在電極、低溫燒結導電涂料、超導厚膜電路、微波及電磁波吸收材料都可進一步應用，并大幅降低銀的使用量，已成為島內納米科技研發(fā)的重點項目。目前，臺灣科技人員在納米銀線合成技術方面，已利用化工連續(xù)制程設計完成可量化的制造方法，生產(chǎn)直徑可控制在40～500納米不等，長徑比約100倍的納米銀線。由于銀是最佳的導電金屬材料，也是極佳的導熱材料，因此目前島內企業(yè)已大量應用于導電及導熱銀膠等涂布材料上，具有高導電及高導熱性、伸縮性、耐鹽霧性及適用溫度廣等特性。

臺灣工研院正在進行數(shù)種一維納米銀線制程及其復合材料合成技術開發(fā)，包括：銀納米線連續(xù)式制程技術開發(fā)，藉由連續(xù)式制程獲得高品質銀納米線，以提升產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本；納米銀線導電膜技術開發(fā)，進一步以硅烷界面活性劑對納米銀線進行表面改質后，可混成水性及油性膠，并與環(huán)氧樹脂與乙烯樹脂制成油性導電膠，且分散良好，其導電膜可達1×10-3Ω/sq等級，且銀的使用量可降低6～8倍，用于電磁波干擾（EMI）遮蔽達99%以上時其銀使用量可降低約4倍，可應用于薄膜開關、無線射頻辨識系統(tǒng)（RFID）、柔性印刷電路板等；另外在透光導電膜方面，經(jīng)由設計涂布納米銀線與碳納米管方式也可得到透光性與導電性俱佳的透光導電膜，其透光率在65%及80%時其電阻分別為5×102及2×104Ω/sq。該項技術目前正在由島內好邦科技公司進行測試驗證中；納米銀線導熱復合材料開發(fā)，即對納米銀線進行表面改質后，與環(huán)氧樹脂制成銀導熱膠，在室溫下以手工或機器進行涂布及硬化，經(jīng)測試其熱傳導系數(shù)可達55.86W/mK，與0維納米銀相比其使用量可降低約6倍。

工研院材料設計與元件驗證實驗室建立的一維納米銀線合成技術，如穩(wěn)定劑結構設計，并探討分散劑種類、反應速率、成核行為等關鍵參數(shù)，可作為未來調控二維金屬結構合成參考并建立一維納米銀線的成長機制及測量分析方法。新型液晶材料是在垂直排列（VA）型液晶中添加高分子單體，并在制程中使高分子單體在液晶盒中聚合成高分子網(wǎng)絡以固定液晶偏轉的角度，使液晶偏轉速度加快而達到提高應答速度的效果。該研究所開發(fā)的光電高分子復合材料界面取樣技術可將新型液晶面板中的液晶完整取出，并搭配分析技術，可探測液晶面板中的離子不純物。此外，此技術也可應用于各種不同復合材料界面的取樣。

由臺灣“國研院”儀器科技研究中心主任暨臺大物理系教授蔡定平帶領的研究團隊，與英國南安普敦大學合作開展研究，以極新穎的想法及精密的納米制作與測量技術，成功研發(fā)出環(huán)型線圈式超穎材料（即具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合材料），以實驗明確地證明環(huán)型線圈式人工結構可以形成具高應用價值的超穎材料，開啟了人工超穎材料設計與制作的新契機。一般的大自然材料由原子及分子組成，其天然的原子振蕩的特性便決定了它的材料特性，然而由如同甜甜圈般的環(huán)型線圈的人造單元結構所組成的環(huán)型線圈式超穎材料，擁有十分實用的電磁場振蕩與放大效應，猶如人造原子般的環(huán)型線圈，可以充分地提供人為掌控超穎材料光電物理特性的條件。這項成果已發(fā)表在美國《科學》（Science）期刊上，在國際上受到高度重視。該中心目前正積極開拓將環(huán)型線圈式超穎材料應用于能源、環(huán)境與生技醫(yī)療器材等儀器科技平臺上。

由新竹清華大學光電研究所所長孔慶昌帶領的研究團隊，成功找出控制光場的方法，所開發(fā)出的光學波形合成器能進一步供發(fā)展納米電子、納米材料及超快電子等研究領域使用。此外，通過操控位于原子與分子內的電子活動，這項裝置也可以幫助科學家控制化學反應。

臺灣工研院材料與化工研究所利用自組裝技術及應用抑制劑成功操控導電高分子的聚合速率，開發(fā)出高導電率的導電高分子納米材料，使導電高分子以1000倍的導電率取代原有的液態(tài)電解液電容器，成為下世代新興的被動元件。由于該材料技術的突破，使導電高分子固態(tài)電容器能承受IC運算速度的提升所造成的熱能及高漣波電流，并能匹配攜裝尺寸的縮小，解決便攜式電子產(chǎn)品因CPU功率提升的散熱及運算可靠度問題，達到電子產(chǎn)品既能輕薄短小，又能高功能、高效率的雙重目的。目前部分成果技術已轉讓給島內企業(yè)，成功開啟臺灣導電高分子固態(tài)電容器產(chǎn)業(yè)。

臺灣工研院還建立起島內自主高性能熱電納米材料及微小型致冷元件等新世代納米材料設計與模組制作技術、量產(chǎn)制程技術及元件應用的完整能力，切入國際高端熱電材料應用市場，使島內傳統(tǒng)散熱鰭片、風扇及散熱管等產(chǎn)品進一步提升至主動式冷卻及精密溫控等高端領域，從目前代工制造逐步進展到具有材料自主設計開發(fā)能力，其應用領域除了3C電子產(chǎn)品與零組件之外，熱電致冷空調與冷藏冷凍也逐漸顯現(xiàn)商機。

在納米光電技術領域，臺灣工研院研究人員利用納米材料制程技術，以油墨與水不相溶的特質作為顯示介質，藉由施加電壓時極性溶液對疏水層的濕潤來控制影像的色彩變化，具有無視角顯視差異、不需要裝設背光源、更新速度快等特性，符合動態(tài)影像顯示需求；若搭配太陽能基板，更可以做到自主供電，也更適合用于戶外大面積動態(tài)顯示屏與智慧調變窗。目前，工研院已與島內廠商進行技術合作，開發(fā)出全球第一片主動式半反射半穿透彩色電潤濕顯示（EWD）面板和新型主動式半反穿彩色微流體顯示器。

臺灣工研院研究人員還利用其掌握的納米光電技術，協(xié)助島內柔性顯示產(chǎn)業(yè)上游材料廠長春人造樹脂公司、中游液晶面板制造廠友達光電公司及達虹光電公司、下游系統(tǒng)廠義隆電子公司投入研發(fā)雙模式柔性可彎曲顯示器相關技術。目前，友達光電公司已開發(fā)出應用在高端移動裝置上的柔性主動顯示器，并提供柔性基板及柔性電晶體相關技術，協(xié)助廠商驗證金屬氧化物柔性薄膜電晶體（TFT）液晶背板，并以工研院轉讓的柔性基板技術為基礎，計劃開始量產(chǎn)柔性基板并立即用于制造柔性電泳顯示器，已在2013年日本橫濱展覽會上展出4英寸柔性主動有機發(fā)光顯示器（AMOLED）面板。義隆電子公司研發(fā)出垂直整合觸控IC設計、制造與柔性顯示器模組相關技術，并開發(fā)出柔性觸控模組，促成柔性多點觸控顯示器新應用。

臺灣工研院研發(fā)的高耐候性透明熱反射薄膜應用技術，已開發(fā)高透明紅外線（熱）反射材料并搭配非真空噴鍍制程，直接將熱反射薄膜材料應用在傳統(tǒng)建材上，研制出低本質缺陷的高透明薄膜，可大幅降低熱反射薄膜在現(xiàn)有建材上的顏色變異，提升該技術在建材市場的應用性。這種高耐候性熱反射薄膜技術可藉由氧化物材料的組成與結構組合改變光波的反射波段，增加傳統(tǒng)建材的熱反射率；低缺陷化合物復合氧化物薄膜材料調制技術則可控制透明薄膜的本質缺陷與雜質缺陷，以利于應用在廣色系的建材基板上，作為節(jié)能玻璃、隔熱磁磚與熱反射外殼材料。

臺灣中山科學研究院開發(fā)出納米碳材高分子復合薄膜陣列傳感器技術，應用于氣味的鑒定，其中每一個傳感器都被挑選針對許多不同的化學制品做出回應。目前已建立6種工業(yè)有害氣體探檢能力與測量技術，包括乙醚（檢測下限500毫克/立方米）、丙酮（100毫克/立方米）、甲苯（100毫克/立方米）、對二甲苯（100毫克/立方米）、三氯甲烷（30毫克/立方米）、四氯甲烷（25毫克/立方米），并設計及制作出高靈敏度陣列型并聯(lián)式微型氣體傳感元件，開發(fā)高信噪比陣列式電路系統(tǒng)架構，與氣體辨識演算法暨人因操作軟件，建立8組陣列式納米高分子復合薄膜氣體吸附即時測量技術，偵測反應時間小于30秒，辨識正確率可達85%以上。

該技術現(xiàn)已轉讓成泰公司，并協(xié)助開發(fā)工業(yè)衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測等空氣品質測量系統(tǒng)，促成該公司投資開發(fā)半導體制程廢氣處理新產(chǎn)品，可即時偵測并處理蝕刻與薄膜制程所產(chǎn)生的有害劇毒氣體，在偵測室內空氣品質、醫(yī)療診斷、化學工廠及環(huán)境安全性測量監(jiān)測、食品品質管理、制藥、有毒氣體偵測、甚至軍事用途上，都有許多的應用，每年可創(chuàng)造數(shù)億元的商機。

中山科學研究院目前正在研制具有氣體選擇性的雙層式勝肽感測薄膜，以納米碳管為導電層，上面披覆特殊的勝肽分子層，針對各種氣體具有不同的反應特性。除了納米碳管外，也利用納米金作為導電層，比較各類型納米導電材料的性能。另外，他們也嘗試使用更多種類的高分子材料，并找出適當?shù)慕M合以建立30陣列氣體感測元件，搭配主成分分析演算法，針對數(shù)種氣態(tài)毒性物質已具備辨識能力；在電路方面已完成傳感電路微機電整合，成功開發(fā)出智慧型氣體傳感器芯片，已具備相關制程能力。

在納米技術產(chǎn)業(yè)化推動方面，臺灣經(jīng)濟主管部門近年實施輔導項目，聚焦于納米抗菌、納米防護功能、納米環(huán)境凈化、納米阻氣等42項應用技術，提供企業(yè)利用研究機構已開發(fā)的納米相關技術，提升納米技術商品化的機會，通過舉辦說明會/座談會等方式積極推廣成果，促使納米產(chǎn)業(yè)化技術由點向面迅速拓展。在納米技術產(chǎn)業(yè)化環(huán)境構建與育成方面，“經(jīng)濟部工業(yè)局”也進行驗證規(guī)范草案研擬項目篩選，目前正在對3C產(chǎn)品用納米探針卡、納米陶瓷散熱基板、納米銀抗菌塑料板等產(chǎn)品項目進行篩選評估。此外，納米標章推動工作仍在持續(xù)進行，已研擬納米標章驗證規(guī)范草案項目規(guī)劃、擬訂納米金屬氧化物抗菌木質板等7項驗證規(guī)范草案稿及建立納米光觸媒自我潔凈涂料等十余項納米標章驗證規(guī)范，共計有9家廠商227項產(chǎn)品獲得納米標章認可。