徐崇凱、陳文章／國立台灣大學；黃承鈞、張光偉／工研院材化所
目前產業普遍應用於軟性電子元件的基材主要為PET等塑膠材料，在全球聚焦於綠色能源與環境的同時，促成可取代PET的生質PEF材料之開發。本文介紹利用PEF製備高導電度及高機械強度的生質材料導電膜，以及後續於高效率薄膜電晶體及有機太陽能電池之應用，期盼同時兼顧環境永續及軟性電子元件的發展。
本文將從以下大綱，介紹新一代生質聚呋喃二甲酸乙二酯(PEF)材料之高值化應用。
‧前言
‧PEF作為電子基材之應用潛力
‧生質材料導電膜（PEF/奈米銀線）在軟性電子基材之應用
‧PEF於穿戴式元件之應用潛力
‧結論
【內文精選】
聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate; PET)為最被廣泛使用的聚酯高分子材料，舉凡包裝工業、紡織工業，甚至到顯示器的偏光片等都會使用此材料。例如在包裝使用上的PET，全世界2015年需求量達17.2百萬噸、產值約500億美元且仍在逐年增加中，可預見其高度的市場需求。也由於PET可觀之需求量，所產生的使用後廢棄物因本身為非生物可分解材料，衍生嚴重的環境與後續處理的經濟問題。因此近年學界與產業界開始以生物技術方式，轉化再生性天然資源取得合成PET所需單體，可降低石油的消耗量。
如圖一(a)所示，傳統合成PET高分子主要來自於原油的兩種單體為對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)，經由縮合反應後得到PET高分子。而近期則是利用生質能轉化獲得Bio-EG，如圖二所示，目前已有多種方式可以獲得Bio-EG單體，包括可以將纖維素(Cellulose)或農林廢棄物水解獲得葡萄糖(Glucose)後，再經由催化反應獲得Bio-EG；或是將生物萃取油轉酯化成甘油後獲得Bio-EG；或是利用細菌或酵母菌經由代謝過程發酵蔗糖所獲得之生質酒精，再將生質酒精轉化為Bio-EG等。獲得Bio-EG單體已屬於成熟製程，因此目前在合成PET的部分單體，已經可以導入Bio-EG生產環境更友善的新世代PET塑料。若能開發出一個高分子，其物理性質近似PET或是更優越，並且其單體可全由生質物所獲得，將具有取代PET與永續發展的潛力；倘能進一步將此類生質高分子高值化，則將更能提升其經濟價值同時又有保護環境之特色。
圖二、由生質能為材料開發乙二醇單體之不同製備路線示意圖
有鑑於此，近期學研界與業界致力於開發新一代綠色生質聚酯材料取代石油化工塑膠產品。其中，聚呋喃二甲酸乙二酯(Polyethylene Furanoate; PEF)，結構如圖一(b)，被視為極具有潛力取代PET之新穎高分子材料。PEF其中一種可能應用為取代PET作為電子元件基材，除了來自再生能源外，PEF相較於PET，其主鏈結構較為剛硬，非線性程度亦較高，使其具有更好的機械強度及阻氣性，因此相較於市面上的可撓式基板，PEF具有更多的潛在優勢。
生質材料導電膜（PEF/奈米銀線）在軟性電子基材之應用
目前普遍應用於軟性電子元件的基材主要為Polyethylene Naphthalate（聚萘二甲酸）、Polyimide（聚醯亞胺）及Polyethylene Terephthalate（聚對苯二甲酸乙二酯）等塑膠材料，其中PET基材因其機械強度、耐化學穩定性及價格競爭優勢等優點，已普遍應用於各種工業產品。然而在全球聚焦於綠色能源與環境的同時，如何克服PET膜材其製備完全取決於石油原料的課題實為重要，因此促成可取代PET的生質材料—PEF之開發。PEF是以植物萃取原料的EG取代源自石油的EG，以及由醣類提煉出之FDCA所組成。相對而言，導電高分子、奈米銀線、奈米碳管及石墨烯等可提供較佳的機械強度，為可能的導電ITO替代選項。但考慮成本、耐候性及滿足量產需求下，奈米銀線是目前較佳的選擇。
結合PEF所帶之Furan官能基及奈米銀線的特性，製備高導電度及高機械強度的生質材料導電膜，可同時兼顧環境永續及軟性電子元件的發展。圖三為奈米銀絲於PEF基材之特性，此PEF基材的透光度可高達90%，我們在其上旋轉塗佈不同濃度的奈米銀絲溶液（2 mg/ml、3 mg/ml、4 mg/ml），透光度會隨著銀絲濃度提升而下降，其透光度分別為87%、84%與80%，接著利用雙電極的方式來計算片電阻，其片電阻分別為…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、透明銀電極於PEF基材之彎曲循環測試結果
★本文節錄自「工業材料雜誌」395期，更多資料請見下方附檔。