全球材料產業實驗室e化浪潮來襲–從東亞各國領導品牌之策略與經驗談起

刊登日期:2015/6/5
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何謂e化
研發實驗室的e化泛指使用電腦輔助增進研發流程,筆者認為主要可以歸類為兩類。
1. 電子實驗記錄簿
電子實驗記錄簿( Electronic Lab Notebook; ELN )(又稱電子實驗筆記本)簡單來說,是一個目的在取代紙本實驗記錄簿的電腦程式。幾個世紀以來,舉凡科學家、工程師、技術人員等都會利用紙本來記錄研究與實驗的結果,以及實驗進行過程一切相關的資訊。實驗記錄簿不但記錄了研發人員心血的結晶,更是該企業或機構最重要的智慧資產。當然,也許有人認為這些成果在未成為專利之前都尚難被稱為智慧資產( Intellectual Property ),這也就是為什麼實驗記錄簿經常也被對待成一份法律文件,成為專利申請和知識產權訴訟時非常重要的佐證。

2. 電腦(材料)模擬
但隨著製程的微小化,以及特殊材料如光電材料的特性,CAD/CAM方法逐漸遭遇瓶頸。很多關鍵的缺陷、雜質對應的物理化學性質改變,或是電子能階、偶極矩等分子原子層級所產生的問題,研發人員必須採用較 CAD,甚至有限元素分析法( Finite Element Analysis )更微觀尺度的電腦模擬工具才能精確模擬且獲得答案。一般此類軟體包含計算物理與計算化學常用到的量子力學( Quantum Mechanics )工具、分子動力學( Molecular Dynamics )工具以及介尺度模擬( Meso-scale Simulation )工具。而電腦最擅長的自動化以及大規模的計算,當然也被廣泛的利用作為高通量與高速篩選用途。

東亞各國與我國電子化成效
1. 韓國
(2)三星尖端技術研究所
三星尖端技術研究所在金屬錯合物光電材料開發上,使用了電腦模擬方法,並且大規模的計算與比較電腦自行衍生出來的材料效能。此種方法有一個專有的名稱,叫做「高通量篩選」( High-throughput Screening; HTS )。此類方法在需要短時間從數百萬可能的化合物中,篩檢出合適小分子的藥物開發上早已廣泛被採用。

2. 日本
(1)三菱化學
日本三菱化學在鋰離子電池電解液開發上也使用了自動化的高速高通量篩選系統。乙烯酯(EC)為骨幹的環狀碳酸酯,經常被當作陽極的固體電解質膜(Solid Electrolyte Interphase; SEI)添加劑與石墨陽極搭配使用。為了探索烷基或氟化基對於EC的添加劑性能的影響,三菱化學選用電腦自動衍生官能基(R-Group)取代與列舉(Enumerate)的方式找出所有可能的EC基底添加劑,以及其影響效果。結果共得到7,381個分子(圖三)。


圖三、乙烯酯官能基列舉(R-Group Enumeration)

電子化系統導入實況與成效
以三星為例,在導入ELN之過程便對實際效益與投資報酬率(Return on Investment; ROI)進行詳細評估,雖然一開始導入的成本不菲,然而只經過短短兩年,從第三年開始,其所投入的費用就可以透過研發效率的大幅提升而開始回本(圖六)。此外,產業研究報告亦指出,相較於使用紙本的實驗記錄簿,採用ELN者在原本的實驗報告撰寫、電腦輸入、相關的實驗資訊搜尋、主管審核與會議討論等各項活動上,平均大約節省了原來20%的時間 ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖六、三星導入電子實驗記錄系統之投資報酬(ROI)分析

作者:江定遠、張敦傑、李佩力、蔡宜君 / 創源生物科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」342期,更多資料請見下方附檔。 


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