台湾化工材料科研新进展（下）

阎桂兰

开发新型化工材料

如今电子产品的使用日趋频繁，散热成为产品品质的关键因素。以电脑中央处理器（CPU）为例，在最快运算速度下，虽然芯片表温最高只有将近100℃，但是因为芯片面积非常小，其热通量高达50瓦/平方厘米。台湾科技人员最近开发出一种新型硅胶高分子散热片，除了特殊的高分子基材外，加入氧化锌等作为填料，并使用硅烷作为改质剂，增加与硅高分子基材的相容性，使其具有较佳的柔柔性，在CPU高速运算与冷热循环时，能排挤不导热的间隙小气泡而提高散热能力，热传导值约为2.5W/mK，且仍具有耐10千伏以上电压的能力，可广泛用于许多电子领域。

再如在光电有机分子化学品方面，包括影像显示材料，如彩色滤光片、背光模组材料、偏光板、高应答速度液晶材料、配向膜、液晶显示器用玻璃基板、彩色光阻、冷阴极荧光灯管（CCFL）、棱镜片、扩散板、导光板材料、增亮膜、TAC膜、视角补偿膜、配向膜材料、各向异性导电胶（ACF）以及光阻材料等，目前已有少部分可以岛内自主供应，但大部分仍需依赖进口。

最近，台湾科技人员研发出“光电产业用功能性高分子薄膜”及“功能性高浓度塑料母粒”两项关键加工技术平台，前者通过材料选择、薄膜表面处理、涂布制程设计、感压胶配方等创新与改良，开发出光学级抗静电聚酯（PET）保护膜及保护膜撕除胶带，可应用于光电用保护膜、偏光板用PET保护膜、手机及笔记本电脑用聚乙烯（PE）保护膜等产品，有助于降低光电产品成本，预计每年将提升产值约2亿元新台币；后者开发出岛内首创浓度70%以上的阻燃母粒技术，缩短制品加工程序，直接降低混炼制造成本50%，增加产品附加价值25%，目前已有8家厂商应用于生产特殊用橡胶和塑料产品、人造树脂产品、热可塑性弹性体、辅具产品、电器连接器产品、发泡球产品等，预计每年将提升产值约1.5亿元新台币。

在新型生态材料技术方面，一般电子及家电产品皆大量使用发泡塑料，尤其是保丽龙（由聚乙烯或聚苯乙烯加发泡剂后高温发泡形成的一种材料，也称泡沫塑料）作为缓冲衬垫包装材料。然而由于回收困难、再生不易、焚烧会污染环境等问题，近来许多国际公约和法令开始禁止或要求减少使用保丽龙，目前全球著名的电子及家电企业无不积极寻找替代的包装材料。岛内生产包装材料的公司多属中小型企业，亟待技术升级。台湾工研院最新开发的淀粉改质发泡技术，以水经高压擠出淀粉产生的发泡材料来替代保丽龙，可改善淀粉原本脆硬特性使其具包装缓冲使用的韧性，其制品的缓冲效果介于发泡塑料和纸浆模塑制品之间，既有发泡塑料优异的缓冲性能，又有纸塑制品的绿色环保诉求，加上淀粉及生质纤维来源广泛，不使用有机发泡剂，制成包装材料具有生物可降解性与环境协调性，废弃掩埋后能自然降解腐烂作为肥料，不会对环境造成污染。其包装性能符合国际标准ASTMD5276-98，且保有生物分解的特性，180天分解率超过90%。该项技术已在大陆、台湾和美国申请专利，并授权厂商且参与合作，评估全面采用生态包装材料的可行性。目前规划建造淀粉发泡材料工厂，后续将投资混炼造粒、挤出发泡等生产设备，可望形成绿色包装产业链。未来外销欧洲产品所征收的回收税可由1.51欧元/公斤（包装用塑料材料）大幅降低至0.1欧元/公斤（包装用生态材料），减缓电子产品出口的非关税贸易壁垒。

此外，台湾工研院还在开发以非粮料源生产的绿色生质高分子及其复合材料应用于资通讯产品的技术，建立衣康酸和5-羟甲基糠醛（HMF）及其衍生物的制程，以降低“化石碳”含量的基础化工材料，供应化工业中下游企业加工制造绿色产品之需。其中包括以酶工程处理方式对木薯淀粉分子量大小及结构进行控制及切割的技术，使木薯淀粉分子量与颗粒微粒化和直链化，以利于转化改质及分子量降解，藉以提高直链淀粉含量及提升木薯淀粉可塑化的特性。酶降解后木薯淀粉经单螺杆挤出机反应生成热可塑性淀粉（TPS），目前其抗张强度可达到170～200千克/平方厘米，未来将配合相关产品开发，逐步建立相容化技术、界面反应改质技术等，以求达到商品化实用阶段，应用领域包括制鞋材料、运动器材、包装器材、农业相关用品以及汽车、玩具等多样化衍生应用产品。开发淀粉基生物分解包装膜将可逐步取代目前年需求量约10万吨的石化基塑料包装膜，有助于降低石化基塑料对于环境所造成的白色污染及产生的二氧化碳排放，预估未来至少产生每年20亿元新台币以上的产值。如果用于电脑及显示器以及手机、数码相机、移动上网装置机壳材料，年需求达150万吨以上，外销全球产值高达9000亿元新台币以上，影响的供应链达数千家。

另一项生物质扩散板技术开发项目，目的是用绿色生物质材料制备而成的聚乳酸（PLA）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）生物质合胶扩散材料，取代目前台湾液晶显示器产业所广泛使用的石化产业下游产品高分子光学材料。这种新型合胶扩散材料中，生物质含量大于30%，通过改变其化学组成、分子特点而改造其物理、力学及阻隔性能，使PLA/PMMA合胶达到最佳的相容状态，其穿透率为53%，雾度为99%，扩散率为95%，热变形温度大于80℃，抗拉强度达780千克/平方厘米，除了有优良的光学性能与射出加工性，不需长时间退火处理即可达到约80℃耐热性等优点外，也承袭了PMMA耐候性良好的优点，且具有更好的耐冲击性，将此材料成型为15英寸扩散板，测量其匀光特性与出光颜色，皆与目前商品化扩散板光学特性相近。

发展新型应用纳米技术

在新型纳米材料方面，通过2003—2014年连续两期实施的“纳米重大科技计划”，以纳米前瞻研究、生医农学应用、纳米电子与光电技术、能源与环境技术、仪器设备研发及纳米材料与传统产业技术应用等领域为重点方向，目的是推动纳米科技产业化，促使研发成果转化为产业的竞争力，为下一波高科技产业发展立下基础。

该计划目前在材料领域取得的成果包括：建立8套台湾纳米标准系统，包括角度校正系统（含大、小角度校正系统）、阶高校正系统、薄膜测量系统、微流量测量系统、纳米压痕测量系统、纳米粒径测量系统、力量比较校正系等，并进行与外国实验室间的纳米粒径测量比对活动，有助于国际纳米粒子测量标准的相互协调一致性。

由于一维线状纳米银线结构具有易导通电路特性，且保有纳米材料可低温烧结的特性，在电极、低温烧结导电涂料、超导厚膜电路、微波及电磁波吸收材料都可进一步应用，并大幅降低银的使用量，已成为岛内纳米科技研发的重点项目。目前，台湾科技人员在纳米银线合成技术方面，已利用化工连续制程设计完成可量化的制造方法，生产直径可控制在40～500纳米不等，长径比约100倍的纳米银线。由于银是最佳的导电金属材料，也是极佳的导热材料，因此目前岛内企业已大量应用于导电及导热银胶等涂布材料上，具有高导电及高导热性、伸缩性、耐盐雾性及适用温度广等特性。

台湾工研院正在进行数种一维纳米银线制程及其复合材料合成技术开发，包括：银纳米线连续式制程技术开发，藉由连续式制程获得高品质银纳米线，以提升产能，降低生产成本；纳米银线导电膜技术开发，进一步以硅烷界面活性剂对纳米银线进行表面改质后，可混成水性及油性胶，并与环氧树脂与乙烯树脂制成油性导电胶，且分散良好，其导电膜可达1×10-3Ω/sq等级，且银的使用量可降低6～8倍，用于电磁波干扰（EMI）遮蔽达99%以上时其银使用量可降低约4倍，可应用于薄膜开关、无线射频辨识系统（RFID）、柔性印刷电路板等；另外在透光导电膜方面，经由设计涂布纳米银线与碳纳米管方式也可得到透光性与导电性俱佳的透光导电膜，其透光率在65%及80%时其电阻分别为5×102及2×104Ω/sq。该项技术目前正在由岛内好邦科技公司进行测试验证中；纳米银线导热复合材料开发，即对纳米银线进行表面改质后，与环氧树脂制成银导热胶，在室温下以手工或机器进行涂布及硬化，经测试其热传导系数可达55.86W/mK，与0维纳米银相比其使用量可降低约6倍。

工研院材料设计与元件验证实验室建立的一维纳米银线合成技术，如稳定剂结构设计，并探讨分散剂种类、反应速率、成核行为等关键参数，可作为未来调控二维金属结构合成参考并建立一维纳米银线的成长机制及测量分析方法。新型液晶材料是在垂直排列（VA）型液晶中添加高分子单体，并在制程中使高分子单体在液晶盒中聚合成高分子网络以固定液晶偏转的角度，使液晶偏转速度加快而达到提高应答速度的效果。该研究所开发的光电高分子复合材料界面取样技术可将新型液晶面板中的液晶完整取出，并搭配分析技术，可探测液晶面板中的离子不纯物。此外，此技术也可應用于各种不同复合材料界面的取样。

由台湾“国研院”仪器科技研究中心主任暨台大物理系教授蔡定平带领的研究团队，与英国南安普敦大学合作开展研究，以极新颖的想法及精密的纳米制作与测量技术，成功研发出环型线圈式超颖材料（即具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料），以实验明确地证明环型线圈式人工结构可以形成具高应用价值的超颖材料，开启了人工超颖材料设计与制作的新契机。一般的大自然材料由原子及分子组成，其天然的原子振荡的特性便决定了它的材料特性，然而由如同甜甜圈般的环型线圈的人造单元结构所组成的环型线圈式超颖材料，拥有十分实用的电磁场振荡与放大效应，犹如人造原子般的环型线圈，可以充分地提供人为掌控超颖材料光电物理特性的条件。这项成果已发表在美国《科学》（Science）期刊上，在国际上受到高度重视。该中心目前正积极开拓将环型线圈式超颖材料应用于能源、环境与生技医疗器材等仪器科技平台上。

由新竹清华大学光电研究所所长孔庆昌带领的研究团队，成功找出控制光场的方法，所开发出的光学波形合成器能进一步供发展纳米电子、纳米材料及超快电子等研究领域使用。此外，通过操控位于原子与分子内的电子活动，这项装置也可以帮助科学家控制化学反应。

台湾工研院材料与化工研究所利用自组装技术及应用抑制剂成功操控导电高分子的聚合速率，开发出高导电率的导电高分子纳米材料，使导电高分子以1000倍的导电率取代原有的液态电解液电容器，成为下世代新兴的被动元件。由于该材料技术的突破，使导电高分子固态电容器能承受IC运算速度的提升所造成的热能及高涟波电流，并能匹配携装尺寸的缩小，解决便携式电子产品因CPU功率提升的散热及运算可靠度问题，达到电子产品既能轻薄短小，又能高功能、高效率的双重目的。目前部分成果技术已转让给岛内企业，成功开启台湾导电高分子固态电容器产业。

台湾工研院还建立起岛内自主高性能热电纳米材料及微小型致冷元件等新世代纳米材料设计与模组制作技术、量产制程技术及元件应用的完整能力，切入国际高端热电材料应用市场，使岛内传统散热鳍片、风扇及散热管等产品进一步提升至主动式冷却及精密温控等高端领域，从目前代工制造逐步进展到具有材料自主设计开发能力，其应用领域除了3C电子产品与零组件之外，热电致冷空调与冷藏冷冻也逐渐显现商机。

在纳米光电技术领域，台湾工研院研究人员利用纳米材料制程技术，以油墨与水不相溶的特质作为显示介质，藉由施加电压时极性溶液对疏水层的湿润来控制影像的色彩变化，具有无视角显视差异、不需要装设背光源、更新速度快等特性，符合动态影像显示需求；若搭配太阳能基板，更可以做到自主供电，也更适合用于户外大面积动态显示屏与智慧调变窗。目前，工研院已与岛内厂商进行技术合作，开发出全球第一片主动式半反射半穿透彩色电润湿显示（EWD）面板和新型主动式半反穿彩色微流体显示器。

台湾工研院研究人员还利用其掌握的纳米光电技术，协助岛内柔性显示产业上游材料厂长春人造树脂公司、中游液晶面板制造厂友达光电公司及达虹光电公司、下游系统厂义隆电子公司投入研发双模式柔性可弯曲显示器相关技术。目前，友达光电公司已开发出应用在高端移动装置上的柔性主动显示器，并提供柔性基板及柔性电晶体相关技术，协助厂商验证金属氧化物柔性薄膜电晶体（TFT）液晶背板，并以工研院转让的柔性基板技术为基础，计划开始量产柔性基板并立即用于制造柔性电泳显示器，已在2013年日本横滨展览会上展出4英寸柔性主动有机发光显示器（AMOLED）面板。义隆电子公司研发出垂直整合触控IC设计、制造与柔性显示器模组相关技术，并开发出柔性触控模组，促成柔性多点触控显示器新应用。

台湾工研院研发的高耐候性透明热反射薄膜应用技术，已开发高透明红外线（热）反射材料并搭配非真空喷镀制程，直接将热反射薄膜材料应用在传统建材上，研制出低本质缺陷的高透明薄膜，可大幅降低热反射薄膜在现有建材上的颜色变异，提升该技术在建材市场的应用性。这种高耐候性热反射薄膜技术可藉由氧化物材料的组成与结构组合改变光波的反射波段，增加传统建材的热反射率；低缺陷化合物复合氧化物薄膜材料调制技术则可控制透明薄膜的本质缺陷与杂质缺陷，以利于应用在广色系的建材基板上，作为节能玻璃、隔热磁砖与热反射外壳材料。

台湾中山科学研究院开发出纳米碳材高分子复合薄膜阵列传感器技术，应用于气味的鉴定，其中每一个传感器都被挑选针对许多不同的化学制品做出回应。目前已建立6种工业有害气体探检能力与测量技术，包括乙醚（检测下限500毫克/立方米）、丙酮（100毫克/立方米）、甲苯（100毫克/立方米）、对二甲苯（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），并设计及制作出高灵敏度阵列型并联式微型气体传感元件，开发高信噪比阵列式电路系统架构，与气体辨识演算法暨人因操作软件，建立8组阵列式纳米高分子复合薄膜气体吸附即时测量技术，侦测反应时间小于30秒，辨识正确率可达85%以上。

该技术现已转让成泰公司，并协助开发工业卫生、环境监测等空气品质测量系统，促成该公司投资开发半导体制程废气处理新产品，可即时侦测并处理蚀刻与薄膜制程所产生的有害剧毒气体，在侦测室内空气品质、医疗诊断、化学工厂及环境安全性测量监测、食品品质管理、制药、有毒气体侦测、甚至军事用途上，都有许多的应用，每年可创造数亿元的商機。

中山科学研究院目前正在研制具有气体选择性的双层式胜肽感测薄膜，以纳米碳管为导电层，上面披覆特殊的胜肽分子层，针对各种气体具有不同的反应特性。除了纳米碳管外，也利用纳米金作为导电层，比较各类型纳米导电材料的性能。另外，他们也尝试使用更多种类的高分子材料，并找出适当的组合以建立30阵列气体感测元件，搭配主成分分析演算法，针对数种气态毒性物质已具备辨识能力；在电路方面已完成传感电路微机电整合，成功开发出智慧型气体传感器芯片，已具备相关制程能力。

在纳米技术产业化推动方面，台湾经济主管部门近年实施辅导项目，聚焦于纳米抗菌、纳米防护功能、纳米环境净化、纳米阻气等42项应用技术，提供企业利用研究机构已开发的纳米相关技术，提升纳米技术商品化的机会，通过举办说明会/座谈会等方式积极推广成果，促使纳米产业化技术由点向面迅速拓展。在纳米技术产业化环境构建与育成方面，“经济部工业局”也进行验证规范草案研拟项目筛选，目前正在对3C产品用纳米探针卡、纳米陶瓷散热基板、纳米银抗菌塑料板等产品项目进行筛选评估。此外，纳米标章推动工作仍在持续进行，已研拟纳米标章验证规范草案项目规划、拟订纳米金属氧化物抗菌木质板等7项验证规范草案稿及建立纳米光触媒自我洁净涂料等十余项纳米标章验证规范，共计有9家厂商227项产品获得纳米标章认可。