創新精進 光電半導體材料瞄準未來~《工業材料雜誌》六月號推出「光電特刊」

刊登日期:2017/6/7
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全球政經局勢充滿高度不確定性,科技產業未來發展詭譎多變,台灣面對光電產業轉型,正積極開拓新的應用領域,不僅跨足農業、醫療、健康照護、生物辨識、傳產等,崛起中的物聯網與車聯網等更是未來發展的新目標。挾著台灣半導體產業具備高度競爭力的優勢,搭配過去建立起的光電、電子產業聚落能量,支持新創產業發揮多元的創意,開發新的應用,將成為台灣光電產業轉型的機會。

台灣半導體產業表現雖亮眼,但隨著消費電子產品的普及與應用需求,IC晶片嵌入越來越複雜的功能,新裝置在滿足低功耗和更小尺寸的要求時,如何保持成本競爭力是個高挑戰的課題,包括半導體設計、晶圓製造、封裝測試等子產業,都將面臨考驗。這其中,材料技術的進步將扮演重要關鍵!366期《工業材料雜誌》「光電特刊」專題特別策劃針對光電半導體產業新製程與新材料相關的材料技術進行介紹。

半導體光電封裝材料技術不斷地提升來達到多功能化、高密度性及低成本等要求,材料廠商也竭盡全力提升自我研發能力,以期能有效掌控核心技術與專利,進而開拓高附加價值產品市場。台灣半導體產業供應鏈目前獨缺上游的關鍵材料及後端封裝材料,而相關的技術專利也大多掌控在美、日等大廠手中,「半導體晶圓級封裝材料技術與發展」介紹半導體構裝技術演進與市場趨勢、晶圓級封裝材料技術發展與材料特性需求,以及工研院材化所在相關封裝材料技術開發研究及光電構裝驗證平台之能量建置,期能在低應力、高耐熱性、高阻濕、高散熱等材料技術上提升,以朝更高信賴性之封裝材料持續研發。

半導體產業用UV膠帶發展與市場資訊」一文主要介紹UV膠帶材料的設計及市場的相關資訊。半導體和電子業朝向微小化、精細化,同時薄型化的趨勢發展,於晶圓研磨減薄及切割的製程中,以紫外線可硬化膠帶(UV Tape)保護晶圓表面,可以使製程易於操作,並且提高產品的良率。輕量薄型和功能強大的電子產品,如智慧型手機和平板電腦的需求不斷增長,是UV膠帶市場成長的主要關鍵。根據市場分析,2016~2020年UV膠帶市場的年複合成長率超過9%以上,2025年全球UV膠帶市場將達到6.8億美元。台灣是全球半導體與封裝產業重鎮,2015年UV膠帶台灣市場約30~40億台幣,卻由四家日本供應商瓜分,如何建立台灣光學膠材料技術的自主供貨能力是工研院與廠商攜手的目標。

矽晶太陽電池因矽元素資源豐富、技術純熟及穩定等優勢,成為市占率最高的太陽電池。而良好的封裝材料則需具備有高機械強度、接著性佳、強耐候性、高穿透度及高絕緣性等特性。目前太陽能封裝材料以EVA(Ethylene Vinyl Acetate)為主流,特性穩定且價格低廉,但EVA的抗UV性及耐熱性較差,必須添加抗UV吸收劑與熱安定劑才能維持太陽能模組壽命,且無法提升模組光電轉換效率。「高增益PV封裝材料技術」介紹利用具有光捕捉特性的螢光高分子材料,可將波長在400nm以下的紫外光轉換成太陽電池可吸收之可見光,提升光電轉換效率2%,並擁有良好的封裝材料所需之物性,非常歡迎國內EVA廠商共同討論,以切入高增益封裝膜市場提升產品市占率。

而自2013年搭載了指紋識別功能的iPhone 5s上市後,指紋辨識技術瞬間翻紅,連帶也拓展了其他生物辨識技術的應用與開發,在安全及效率上皆可大幅提升效益,目前最有爆發力的是在安全與消費電子兩大領域,其中又以智慧型手機的市場商機最為龐大。「生物辨識技術進展」針對目前生物辨識技術的發展現況做簡單的介紹,並以指紋辨識及靜脈辨識技術為技術簡介之主軸。在技術上因為取消Home鍵的需求,光學式感測技術前景看俏,光學式指紋辨識器的開發上,光學模擬扮演很重要的角色;而安全性更高的靜脈辨識如能在硬體薄型裝置有更進一步的突破,靜脈辨識作為行動支付與身份認證的鑰匙也指日可待。最後於文中也簡介工研院材化所近幾年在生物辨識的光學模擬技術發展現況。

另外,OLEDs被視為未來顯示器或光源的明日之星,是因其具有自發光、不需背光源、可實現超薄柔性、驅動電壓低、省電、反應速度快等優點。然而OLEDs的壽命會受到空氣中水、氧氣存在的影響,封裝技術則是能將OLED材料膜層、金屬電極與外界做有效隔絕,進而延長元件壽命。「OLEDs元件封裝材料技術」介紹不同OLEDs元件的封裝方法在材料與製程上的差異,以及下世代封裝材料的發展趨勢:UV硬化型樹脂框膠其封裝蓋或下板之其中一種必須能被UV光穿透,因而限制了封裝蓋與背板的選擇性;Frit Glass熔融黏合封裝方式具有很好的阻水、阻氣能力,但元件內部為中空狀,不適用在OLED TV等大型面板;在Dam & Filling材料的封裝結構中,雖然在製程步驟上較為繁瑣,但是符合大型化OLED TV面板及下世代薄型化玻璃基板的需求;薄膜型膠材如果製程上需要長時間的高溫硬化製程,會有容易對OLEDs元件造成不良影響的可能性,因此非反應型薄膜型膠材逐漸被重視。工研院材化所在OLED發光材料與封裝膠材上已經努力多年,包含OLED綠光、黃光、橘光、紅光等磷光發光材料,以及框膠、Dam膠與薄膜型膠材等封裝膠材方面,皆有相當不錯的成績,期許能為國內相關廠商貢獻心力。

軟性顯示器具有比傳統顯示器更輕、更薄等優點。許多軟性顯示器製造商開始將軟性技術應用於自家產品上,如智慧型手機與智慧型手錶,更進一步地將製作可摺疊甚至可捲曲型的軟性顯示器。軟性顯示器的發展是必然的,全球軟性顯示器產業重點逐漸從大尺寸轉向中、小尺寸發展。「軟性顯示技術與材料之發展現況」概述軟性顯示技術與材料及全球大廠如友達光電、京東方光電、元太電子、日本JOLED、韓國樂金、三星顯示器等目前發展近況。隨著智慧型手機、手錶、AR/VR應用、車用顯示器等產品的發展,AMOLED將會是下世代顯示面板發展的重點。目前我國在軟性面板與材料技術發展上以工研院顯示中心與材化所位居領先地位,透過政府研發計畫的支持,協助上游材料、設備與下游品牌商之整體技術整合以趕上日韓歐美等先進國家之腳步,並掌握關鍵技術與材料自主化能量,朝軟性AMOLED產業全面國產化之目標邁進。

量子點材料的開發及應用至今多以鎘系量子點為主,但因鎘及鎘化合物為毒化物的議題,使得非鎘系量子點材料中Ⅲ-Ⅴ族的磷化銦和Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族三元的CuInS2備受期待,有機會可以取代鎘系量子點。當前無鎘量子材料技術的發展方向,主要以提升量子效率、增加對熱與環境的穩定性及對環境友善等方向發展,並追求良好的量子點性能和品質。由於磷化銦量子點材料的量子效率通常約只有1%左右,一般透過殼層包覆能有效提升發光效率40~60%。「無鎘量子點材料合成與應用」介紹工研院材化所開發的殼層修補技術、核殼層介面晶格匹配設計與類晶核成核技術來克服核/殼的不匹配性,提升量子效率與穩定性,並以TEM、XPS與EXAFS分析鑑定結構對量子效率的影響。

「量子點材料廠商動向分析」分析了廠商的動向與策略。目前量子點已開發新材料解決含鎘的問題,但QD Film仍須進一步解決成本過高以及必須使用Barrier Film的問題,同時量子點材料生產的粒子大小控制與分散仍有進一步改良的需求。在量子點材料成為未來LCD對抗OLED之關鍵下,三星電子自2015年起大力推展量子點技術,推出「SUHD TV」與「QLED」電視,並積極從事量子點材料的佈局與投資,近期更可能對有財務需求的QD Vision進行收購。期許台灣廠商能積極建立自有技術,方能保有在TFT-LCD產業中與OLED技術競爭的籌碼。

主題專欄
材料與技術主題專欄本期介紹「奈米鐵氧磁體之稀土吸附材料研發」。稀土元素常被用於生產電池、永磁、螢光、儲氫、催化、精密陶瓷等材料,但大量產業需求導致全球面臨供不應求的窘境,且大量開採稀土礦石造成土地環境嚴重破壞與環境污染,因此尋求陸地開採之外的稀土取得方法成為各國競相較勁的關鍵技術。本期分享的研究是以逆尖晶石型態之奈米鐵氧磁體作為稀土吸附材料,該吸附材料對稀土元素具親和力,研究者應用表面電荷調整方法,發展一套吸附、分離及脫附程序,並進一步藉由縮小粒徑與表面改質,來提升飽和吸附率以增加其經濟效益,並應用在不同產業稀土廢棄物以驗證其效能。奈米鐵氧磁體之稀土吸附材料製備簡易,具選擇性吸/脫附、分離效率高、高效率稀土濃縮特性、具安定性,且在強酸/鹼溶液下可回收使用,能藉由其奈米性質及磁力特性達到快速有效富集工業廢水中的稀土元素,提升回收產能,以解決全球稀土短缺與開採嚴重污染的問題。

近年來,物聯網打造智慧生活已成為顯學,其中的關鍵即為無線射頻識別(RFID)與感測系統,應用標籤量必將大幅成長。由於現有RFID天線鋁膜蝕刻製程製作空間大、廢水處理量大、無法製作紙質RFID天線,而印刷製程有製程簡單、可連續大量生產、基材材質與印刷面積不受限制、成本低、污染低等優勢,將成為未來低成本且可大量生產的製程技術,而柔版印殺製程又是UHF RFID標籤的唯一選擇。智慧感測主題專欄「導電油墨及其在RFID天線印刷之應用」分析RFID標籤的天線製造方法之優/缺點,說明天線印刷製程技術及其所用的導電銀油墨發展與特性,並介紹工研院材化所以及國內業界在此領域投入的心力。

生質材料主題專欄本月介紹「超臨界流體在高分子發泡之應用」之應用技術發展以及其工業應用潛力。超臨界流體黏度接近於氣體、密度接近於液體,具高質傳效率、低表面張力以及溶解度可隨溫度、壓力調控等特性,因此在工業上已經廣泛應用於食品和醫藥等領域。其中二氧化碳流體其臨界溫度接近室溫,不具毒性,亦不會自燃,來源廣泛且價格不高,加上有效地利用二氧化碳將有助於循環經濟的發展,因此,利用二氧化碳來進行萃取、染色、發泡等是目前熱門發展的工業綠色製程技術。由於高分子發泡材料具有質量輕、彈性好、可撓曲性、緩衝防震、比強度高、隔音、隔熱等優點,在3C家電資訊、汽車產業、建築施工、運輸包裝以及運動器材等產業獲得廣泛應用。工研院材化所生質材料研發團隊透過超臨界流體發泡技術平台,開發用於食品包裝的發泡材、鞋材部件、生質彈性體等,可協助國內業者發展新一代低碳、綠色、高性能微細發泡塑膠材料產品。

其他專欄
「材料補給站」專欄本期「開放式創新X設計思考—談工研院經驗」一文,由工研院產服中心黃新鉗副主任分享工研院創新體系與設計思考的觀察、思維、作法與未來規劃。近年來工研院透過開放式創新及設計思考的運作,將產業的缺口與工研院累積的能量快速鏈結,協助產業跨越技術、應用瓶頸,提升價值創新。要投入前瞻的研發,開創別人還未開發的產品、系統與服務,必須了解終端使用者的需求;而設計力創新的意義,就在於從追尋產品的意義去「回逼」技術的研發,才能產生前瞻與創新。作者於文中同時提出設計思考的五大要素--「觀、移、提、踏、推」,這是一個生生不息的循環,從觀察、內省、長遠的洞察、轉譯為技術、溝通、連結外部能量、產業化,是一個以人為本完整的經營策略,非常推薦長期浸淫技術研發的讀者暫時跳離從技術出發的思維角度,品閱思量!

「專利前哨站」本期有三篇材化所獲證專利。「熱電轉換裝置」揭露一種具有串接結構的熱電轉換裝置專利。由於能源短缺,再生能源技術的發展成為重要議題。熱電轉換技術為目前一種可直接將熱能與電能進行轉換的新興再生能源技術,藉由熱電材料內部載子移動讓熱能與電能達到能量轉換之功效,能量轉換過程不需機械動件,因此具有體積小、無噪音、無振動及具環境親和性之優點,有應用於溫差發電、廢熱回收、電子元件冷卻及空調系統等方面的潛力。近年來熱電轉換技術受到各國相關研究單位高度重視,並投入大量研發能量,除了材料的開發,也積極進行熱電技術應用,材化所於熱電研發能量豐沛,歡迎業界洽詢!

封裝組合物及包含其之封裝結構」是一種在固化後可擁有高導熱、良好的硬度和抗刮磨能力的封裝材料,非常適合應用於可撓式光電裝置,例如:可撓式顯示裝置、電子票卡、重覆使用熱寫電子紙,能提高熱寫入之解析度及增加重複使用率。此外,本發明所得之預聚物再與自由基可聚合單體反應,可提升與基板或電極(例如:鋁、銀、或氧化銦錫)之間的附著性,使得該封裝組合物之固化物不易由基板或電極上剝落。

使用高濃度甲醇蒸氣進料方式之微型燃料電池,其膜電極組目前面臨兩大考驗,第一是高濃度甲醇易滲透至陰極,造成陰極觸媒被毒化或電位降問題;第二是高濃度甲醇進料使陽極端缺乏關鍵反應物—水。因而膜電極組必須具有回水功能,質子交換膜厚度愈薄則愈有利陰極回水及質子之傳導,但是甲醇滲透問題易隨質子交換膜之厚度變薄而愈趨嚴重。為了解決高濃度甲醇滲透與缺水兩大關鍵問題,質子交換膜必須兼具低甲醇燃料滲透率及保水之特質,進而才能解決使用高濃度甲醇蒸氣進料之微型燃料電池的關鍵問題。「雙層複合質子交換膜及膜電極組」是有關於一種燃料電池之雙層複合質子交換膜,可以阻絕燃料穿越同時具有高保水能力。本發明另提供一種膜電極,包含上述雙層複合質子交換膜,進而能提升微型燃料電池之放電功率。材化所發展領域豐富多元,更多技術歡迎業界挖寶與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。

凡對以上內容有興趣的讀者,歡迎參閱2017年六月號《工業材料雜誌》366期或參見材料世界網,並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員,以獲得最快、最即時的資訊!


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