本研究透過專利分析及德菲法深入探討奈米複合材料發展趨勢，並透過目前技術發展現況及所面臨之瓶頸與挑戰，藉以提供政府及產研機構未來擬定研發策略之參考。本研究發現，美國是奈米複合材料技術之領先國家，其次為日本、德國、加拿大、韓國及台灣。台灣於各主要分類號領域之專利申請仍處於佈局狀態，大多集中於「高分子基材−機械或空間穩定性」領域，且專利申請及佈局猶仍不足。在研發策略的運用上，台灣奈米複合材料較適合走向獨力研發，除此之外，如何克服「市場需求」及「經濟規模」的瓶頸與限制亦成為重要挑戰。
奈米複合材料
隨著奈米科技研發的快速發展，奈米材料的問世為新型複合材料的合成提供了嶄新契機，也為傳統複合材料的改良提供一個新途徑。奈米複合材料技術發展路徑可分為「由上而下」(Top-down)以及「由下而上」(Bottom-up)兩種。「由上而下」即透過加工技術，不斷地在尺寸上將人類創造的功能產品微型化。「由下而上」即是指以原子及分子為單元，根據人類的意願進行設計和組裝，為因應市場需求而構築出具備特定功能的產品。
奈米複合材料可應用於各項民生及高科技產業， 1990 年代晚期的美國開始採用摻混具有碳奈米管(Nanotubes)的尼龍於汽車燃料系統上，作為防止靜電之用途；使用為保護電腦讀寫頭之奈米管ESD 聚合物。在歐洲，部分建築物使用摻混有奈米黏土(Nanoclay)的難燃聚合物；日本的汽車製造商則運用填充奈米黏土的聚合物於引擎零件。最著名的奈米複合材料應用則屬通用汽車(GM)宣布旗下Chevrolet Impala 首次應用填充奈米黏土之TPO 於汽車外部(7)。常見的奈米分子複合材料應用仍有：具難燃、抗菌、抗紫外線的材料機能，用於紡織及纖維工業；其阻氣的特性則可用於食品容器或醫療包裝；耐濕、耐熱、阻氧的功能可應用於高科技電子產品，做為基板或封裝材料。因為高性能奈米複合材料不僅符合目前市場對產品輕薄短小的需求，亦可多次回收使用而不失其原有之材料特性。
技術趨勢解析
技術預測旨在找出技術無法超越的性能極限、掌握技術進步的速度、評估技術發展成功的機率，並分析可供選擇的替代方案，藉此提供決策者是否投入技術研發之參考指標。技術預測方法的採用則須視預測者相關資料的多寡、環境之不確定性及技術發展階段而定。依上述技術預測目的，本研究採用德菲法(Delphi)，乃因奈米複合材料技術過去文獻及專利數不多，技術應用領域之不確定性較高，且奈米複合材料技術發展目前尚屬萌芽期至成長期階段。德菲法的操作流程乃是針對一群符合技術領域需求之專家，進行一系列問卷訪談，問卷除核心問題之外，並提供每位參加成員其他成員所提出來的不同觀點與爭論。問卷是群體腦力激盪之媒介物，透過問卷發放的方式收斂專家意見，並於下回合問卷中提供專家先前調查結果作為參考，藉此促進專家之間的互動，以期最終能達到共識。在專利資訊的統計及分析乃是對「過去技術發展軌跡」的瞭解；而技術預測則是描繪「未來的技術趨勢」。本研究透過專利資訊的統計及分析，結合運用德菲法所進行之技術預測研究調查，對未來極具發展潛力之奈米複合材料進行分析。本研究試圖將過去20 年奈米複合材料之技術發展軌跡，連結至2015 年之技術預測藍圖，提出切合台灣之奈米複合材料發展趨勢，並運用量化的專利指標結合S-curve 作為技術績效的衡量指標，進而深入探討奈米複合材料所處之技術生命週期階段，提供政府及產研機構未來擬定研發策略之參考。
奈米複合材料專利分析
本研究以奈米複合材料技術為研究對象，主要以「在奈米尺度下所進行之複合材料技術，並在美國申請通過之專利，而非偶然情形下非預期而得之複合材料。」因此，本研究運用美國專利局、專利分析軟體(Patent-guider)及專利資料庫(Delphion)進行在美國申請之「奈米複合材料技術專利」之搜尋及分析。並以三組關鍵字以及相關變化詞針對專利名稱(Title)及摘要(Abstract)欄位於美國專利局(USPTO)資料庫進行檢索。但由於專利全文內容經常涉及上位用語、下位用語，以及刻意隱藏之相關文字，進而造成部份專利無法被有效檢索出來。為求專利檢索結果之完整性，因此本研究同時也運用下列策略進行檢索。最後輔以人工判讀與篩選，共得672 篇專利。1.透過交互引證率超過5 篇卻未被納入之專利。2.透過被引證率前十名之專利的引證關係進行擴充，篩選出符合本研究主題之專利。3.利用發明人及專利權人進行隱藏專利之檢索，透過發明人及專利權人之前五名，找出其歷年所發表且符合本研究目的之專利。
本研究透過專利分析對於技術掌握與領域分布提供一定程度的了解。專利數趨勢動向（如表一所示），自西元1984 年起至2003 年於美國專利局所申請之專利數呈現逐年增加的趨勢，然而自2004 年後專利申請件數卻逐年下滑。為驗證此數據所顯示之管理意涵，本研究利用Gompertz 與Logistic成長模型進行專利申請件數之預測，分析奈米複合材料技術所處之技術生命週期階段，藉此擬定奈米複合材料技術未來研發之因應策略。
表一、奈米複合材料技術歷年專利申請件數（以申請日為基礎）
透過技術生命週期的S-curve 型態僅能看出技術尺度的單一面向，卻無法深入探討技術潛在所形成的經濟效益。因此本研究運用量化的專利指標結合S-curve 作為衡量技術績效的指標，根據過去逐年於美國專利局所申請之專利件數，探討奈米複合材料所處之技術生命週期階段，並運用Scurve理論分別以Gompertz 與Logistic 成長模型預測分析之。依時間軸以專利件數與專利權人數為二個主要構面進行模型預測。如圖一所示， Gompertz 與Logistic 成長模型皆顯示奈米複合材料技術尚處於「萌芽期至成長期階段」，奈米複合材料技術之專利件數與專利權人數隨著時間逐年增加。如圖二所示，技術依其所處之生命週期階段，其專利佈局及應用策略皆有所不同。因此，企業與國家在目前奈米複合材料技術發展階段之策略運用上應著重「專利申請、卡位以及佈署」，藉此掌握技術未來趨勢以搶佔先機。
圖一、利用Gompertz Model 與Logistic Model進行專利數預測
圖二、專利技術生命週期及策略運用
奈米複合材料可依其基材種類、增強體種類、基材形狀、增強體形狀、複合方式、材料用途以及固相成分進行分類。以奈米結構複合材料為例，其有效改進材料的強度與性質，並提供較傳統複合材料更好的機械強度、高剛性、高耐熱性、低吸水率、低透氣率等高功能性質。傳統的陶瓷材料質地較脆，韌性、強度亦較差，使其應用受到限制。隨著奈米技術的廣泛應用，陶瓷奈米結構隨之希望來克服陶瓷之缺點，使陶瓷像金屬一樣具可加工性。因此，奈米顆粒的加入使陶瓷材料緻密化的速度更快、降低燒結溫度、提高韌性、熱導性和耐熱疲勞性能等功用。
本研究將奈米複合材料基材分為高分子(Polymer)、黏土(Clay)、陶瓷(Ceramic)以及金屬(Metal)等。不同的基材透過不同的複合方式與固相成分的運用，可提升材料功能。利用人工判讀逐項專利，進行技術功能矩陣之分類，即對每件專利所揭露之基材與其新穎或進步之功能進行分類。每件專利所揭露之基材及其新穎或進步之功能可能超過一項，因此一件專利可能被重複歸類至不同項目之基材與功能，所得結果如表五。透過技術功能矩陣之專利分類，進一步提供奈米複合材料技術發展趨勢，根據表五所列，以高分子基材之專利件數為最多，約503 件專利，其次為陶瓷基材138 件。功能構面之分析則以「機械或空間穩定性」項目最多為285 件專利，其次為導電性148 件，以及光學或發光特性121 件。（待續）
表五、奈米複合材料專利－技術功效矩陣
對於以專利分析及技術預測方法探討奈米複合材料技術趨勢有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：李沛錞 、蘇信寧 / 國家實驗研究院
★本文節錄自「工業材料雜誌261期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7182