《工業材料雜誌》八月號推出「體感互動元件與材料技術」與「微生物於化工領域之應用」技術專題

 

刊登日期:2017/8/7
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體感互動元件與材料技術
體感新視野,人機互動無所不在!隨著虛擬實境技術的發展帶來了新的應用與商業利益,觸覺回饋技術扮演人機介面最為重要的工業材料雜誌368期簡介與訂購資訊角色。觸覺回饋應用裝置要求已朝向軟性、可撓、區域多點的觸覺效果,近期又因物聯網技術盛行,可以預想未來感測功能將變得更多元化。這其中又以人體生理感知與外在環境監控對於消費者需求性最高,多功能感測穿戴式裝置被列為智慧行動裝置之下一波發展焦點,必須滿足可穿戴、薄型化、可形變及適合長時間配戴等特性,並能透過接觸人體皮膚,搜集相關生理資訊、感測/環境資訊以及動作感知/感測資料等,以滿足現代人追求生活品質及自我健康管理之需求。本技術專題因應相關市場需求,以體感互動元件與材料技術為主題,邀請了相關技術專家發表「體感互動裝置元件與模組技術介紹」、「觸覺致動材料與元件技術」、「智能感測奈米發電機」及關鍵的「可適性材料技術」,期望能讓各位讀者對新一代體感互動元件與材料技術的發展有初步的了解與認識。

體感互動裝置可應用的領域有運動/健身、服飾、時尚用品、一般消費性電子產品、商用及工業用品、軍用品與健康照護用品。其發展趨勢是微型化且軟性化、時尚化與隱形化、以消費者舒適與方便為重要考量、改良的使用者介面、符合環保/健康/安全的未來社會需求。依照應用領域的不同,體感互動裝置的組件可能包括主動元件式軟性基板、感測器模組、電源模組、資料儲存模組、通訊模組、天線、光電模組,甚或積體電路,複雜度也不同。「體感互動裝置元件與模組技術介紹」一文探討了相關技術、應用領域與多樣功能。隨著投入者漸多,未來應用創意與功能不斷提升,體感互動的普及將指日可待。

數位虛擬實境概念穿戴式產品帶動新的應用與商業利益,其中觸覺回饋技術是人機介面最為重要的部分。裝置應用需求已朝向軟性、可撓、區域多點的觸覺效果,除了回饋科技需要不斷突破,其中關鍵的致動器材料技術也仍待提升。「觸覺致動材料與元件技術」一文針對目前觸覺回饋技術產品進行說明比較,分析開發中與商業化的各類觸覺技術之致動器現況,並對能夠滿足回饋產品之需求的撓性薄化致動材料加以解說,再以材料角度的電活性聚合物之學理與實用性優/缺點的說明比較,來介紹商用電活性聚合物之致動材料元件與應用潛力產品。電活性材料元件雖具潛力但仍屬於研發階段,預計是一段漫長路程,未來也將需要更多資源與人力的投入,才能讓致動材料達到多種力回饋模態,以符合穿戴式與虛擬實境技術的實用規格。

智能感測奈米發電機」一文提出智能奈米發電機的概念,透過奈米發電機的自供電優勢,提供主動式感測特性。有別於傳統矽基半導體提供額外電源與被動感測模式,奈米發電機提供了自發電系統、高靈敏、穩定性等優勢。而少了電池裝置,奈米發電機在尺寸上更大幅縮小,容易與元件整合。近十年來,奈米發電機在智能感測的應用已遍及環境監測、速度感測、力量感測、空氣淨化、水資源處理、血糖濃度監控等。目前奈米發電機在儲能的應用已達成了個人手持式裝置之充電及眾多不規則機械能擷取,以及整合太陽能發電、電化學、鋰離子電池發電等多面向應用。為了讓讀者能對奈米發電機有進一步了解與認識,本文特別針對奈米發電機的分類在理論與應用進行說明。

電子技術迅速發展使電子設備不斷微小化,近期蓬勃發展的穿戴式電子技術,可以融入人體且功能性多,可適性電子產品已演變成為第二層皮膚貼附在人類身體表面,更能深入探索生理資訊。「可適性材料技術」一文針對開發中或商品化之可適性材料基本結構設計與材料技術進行說明,並介紹產/學/研界包括美國史丹福大學、西北大學、杜邦、日本Hitachi Chemical、Nippon Mektron、Panasonic、韓國三星顯示以及台灣工研院材化所在可適性材料的最新發展現況。

微生物於化工領域之應用
1973年生物化學家成功將外來基因殖入細菌,開啟利用基因轉殖技術,讓細菌和其他細胞有機會可以被設計成為小型的化學工廠,用於生產多種化學品、藥物、蛋白質、酵素等。至今,隨著全新的代謝工程領域萌芽,合成生物學與系統生物學快速發展,加上21世紀氣候異常、溫室氣體排放急需減量等議題,微生物在工業上的用途更為廣闊,包含食品、藥物、酵素、化妝品、保健食品、水處理等。其中以生質化學品市場占最大產值,2016年達到197億美元,年成長率約為12%。本期專題規劃四篇文章,分別探討「微生物用於大宗化學品之現況與未來」、「生質二元羧酸技術發展與應用」、「合成生物與生質特用化學品的未來趨勢」、「微生物染料之發展與應用」,期能引導國內更多材料、化工、紡織染整、助劑業者投入相關的生質化學品技術開發,提供新興崛起的生物工程生產製程想法與應用,以建立永續和環境友善的生質化學產業。

化學工業因嚴重依賴原油且其製程對環境造成衝擊,加上氣候異常與永續發展的議題日益受到關注,因此以生物法生產化學品已成為許多產業的重要推動力。美國能源部於2004年篩選出十二個最有價值的生質平台化學品,至今已超過十年,其中十個化學品生產與應用相關技術趨於成熟。「微生物用於大宗化學品之現況與未來」一文較深入介紹其中三個可以使用微生物生產之化學品―琥珀酸、3-羥基丙酸和衣康酸的發展現況與未來,隨著對生物代謝路徑的了解加深、菌種改質與醱酵工程的進步,最終將可建立一個對環境更加友善的永續生質化學工業。

尼龍因具獨特的熱、物理、化學和機械性能,是一種高性能、高單價的化工材料。短碳鏈尼龍6物化特性與尼龍66相似,其熔點較低,抗衝擊性和吸濕性較佳,己二酸為尼龍6與尼龍66合成之前料源,2013年需求量約為230萬噸,產值達50億美元,可應用於尼龍66(85%)、聚氨酯(5%)、己二酸酯(4%)。長碳鏈尼龍12是唯一通過驗證可被使用在汽車燃油管路和制動管路之高規格材料,月桂二酸是生產長碳鏈尼龍12與尼龍612的主要原料,2012年產量約為10萬噸,產值達284億美元。目前二元羧酸主要為化學製程,會產生大量氮氧化物與揮發性有機化合物,造成高工安風險與環境汙染,「生質二元羧酸技術發展與應用」一文探討作為尼龍生質料源的己二酸/月桂二酸之技術開發現況與尼龍產業的應用現況,隨著全球循環經濟與永續發展趨勢下,綠色環保的安全生物製程儼然成為技術研發主軸。

合成生物結合基因工程、系統生物、生物科技、奈米科技等領域,提供發展綠色能源、低碳經濟以及環境治理所需的技術。「合成生物與生質特用化學品的未來趨勢」一文向讀者介紹,除了生質燃料,不少特用化學品目前都能以微生物發酵的方式生產,減少製程時間與汙染。因生質化學品的多樣性,目前已應用到再生能源、食品、醫藥、生醫材料、個人保健、合成纖維等諸多領域,預測未來市占率可成長到45~50%。

合成染料的使用對於環境及人體影響日益受到關注及規範,無毒及可生物分解之染料市場需求將會增加。天然染料的生產與應用成為一具有潛力的開發方向。利用微生物生產天然染料,具有不受氣候環境影響、品質穩定之優勢。隨著基因工程技術的提升,將天然染料生產基因組轉殖入工業化生產微生物,可增進其製程穩定性、減少毒性代謝物產生,加強工業化應用之發展性。「微生物染料之發展與應用」探討現今天然染料、微生物染料的現況與發展,以及轉殖微生物染料之進展與未來應用趨勢。

主題專欄
台灣紡織產業在機能纖維材料開發、織造技術及染整加工等生產製造領域具備世界級競爭力,鎖定九月紡織展,《工業材料雜誌》本期推出智能纖維與奈米纖維兩專欄文章。隨著織造技術的演進,產品不斷推陳出新,智能紡織品的設計方式一直扮演著舉足輕重的角色,其結合了人因工程數據、Body Mapping、運動力學、關鍵材料、織造方式及使用者情境模擬等資料庫,預先為使用者料想可能的狀況,並藉由紡織技術予以解決,最後進行場域驗證來完成開發程序。「智能紡織品於戶外運動服飾之設計應用與未來展望」介紹目前運動市場中,智能紡織品的設計應用以及未來展望,相信能激盪出更多異業結盟的藍海契機。

奈米機能纖維及反光/吸熱粉體技術」探討靜電紡絲生產之奈米纖維各種特性、製程與應用。靜電紡絲生產奈米纖維具有高比表面積、大孔隙率、較高的導熱/導電性能等優點,在組織工程、藥物緩釋、過濾分離、能源存儲等方面已有相當深入的研究,為進一步拓展應用範圍,各界研究多種特殊結構,如多孔結構、核殼結構、定向結構、有機/無機複合結構等,更考慮了生物相容性,在涉及到生物醫學領域的材料大多引入天然高分子應用。文中也對奈米纖維防水透濕織物的製程進行詳細整理與介紹,希望與業界建立相互交流的合作機會。

電致變色材料發展近況及未來應用」一文整理電致變色技術發展近況,說明此技術目前在建築智慧窗、航空用遮光板、車用天窗及防眩光後視鏡、電子標籤及顯示器等的多元應用,以及工研院材化所開發用於不同遮光載具的電致變色材料,並已搭配許多載具進行整合驗證。電致變色技術在眾多的遮光顯示介質中,其低驅動電壓、雙穩態及色彩可調控具有優勢,未來無論在建築綠色節能窗、車載裝置、太陽眼鏡、相機光圈甚至透明顯示器的應用,都極具市場潛力。就電致變色技術來看,高對比度的關鍵問題大多數都圍繞在材料本質上,而反應速度的提升則與元件結構及驅動系統息息相關,未來產業界及學術界需因應不同情境使用之特殊材料規格及載具進行永續的技術開發。

矽晶太陽能電池在太陽能產業中具有最大的市占率,其中多晶矽占有超過一半的太陽能市場,另一半市場則是單晶矽。多晶矽一直以來的競爭優勢為其低成本及低技術門檻。從多晶矽技術發展至今,製造技術不斷地進步,連帶著多晶矽太陽能電池效率也不斷創下新高。為了讓多晶矽太陽能電池的發電成本降低,除了創新的長晶技術製造出了特高效的多晶矽晶片,矽晶片的切片製程也開始使用鑽石線切割程序,然而鑽石線切割使用在多晶矽晶片時,卻有表面蝕刻的問題需要克服。「太陽能多晶矽生長技術與晶片製造技術之演進」一文對多晶矽的生長技術做一個簡介,從早期的多晶矽生長技術到最新的小晶粒生長技術,以了解歷代技術演進的關聯性。此外多晶矽切片使用鑽石線切割製程是近年來最熱門的議題,切割後的晶片表面後續處理方法也將一併做整理比較。

印度日照良好,很適合發展太陽能,2010年推出的「尼赫魯國家太陽能計畫」奠定其太陽能市場與產業發展基石。現任總理莫迪積極推動太陽能設置,2015年6月將2022年設置目標由22 GW大幅提升至100 GW,屆時可滿足9%的國內電力需求,使印度成為最受國際矚目的太陽能市場。「印度太陽能政策對齊市場與產業發展之影響研析」研究顯示,「100 GW太陽能計畫」已有效吸引外商投入地面電廠專案,而標案競爭激烈導致每度電得標價格已貼近燃煤發電成本,預期2020年起太陽能將超越燃煤發電成為重要電力來源。

「專利前哨站」本期推出四項材化所最新獲證專利:
(一)軟性電子元件使用的塑膠基材相較於金屬薄片基材具有透明及可撓性較高的優點,但對水、氧的阻障效果不佳,使得光電元件中的作用層及高功函數電極易與空氣中的水、氧反應,成為了軟性電子產品發展上的限制。「阻氣複合膜」揭露一種可撓曲的氣體與水氣之阻氣膜,可有效阻絕水氣,保護基板避免水解,維持長期穩定性,可應用於包括電子紙、有機發光二極體、有機太陽能電池或薄膜太陽能電池等軟性電子元件之阻氣基材或背板。

(二)液晶顯示器、電致發光顯示面板、電漿顯示面板、場發射顯示器、觸控式面板、太陽電池等電子產品皆使用透明導電薄膜當作電極材料。「透明導電膜組合物及透明導電膜」揭露一種製程成本低廉、導電度低、透明度高且可應用於中大型尺寸面板、軟性電子產品之透明導電薄膜。

(三)工業製程會產生大量廢氣,用於淨化高溫廢氣或回收廢氣中有機揮發物已有許多習知的技術,例如,冷凝法、吸收法、吸附法等。「氣體處理方法及系統」揭露一種不需額外添加吸收劑/共凝劑、吸附劑的氣體處理方法及系統,可提高有機揮發物之回收率;且產物流中的有機揮發物濃度較高,而尾氣中的有機揮發物濃度較低,可改善習知技術的缺陷。

(四)含有巴比土酸改質馬來醯亞胺所製得的鋰電池產品,雖具安全特性,但最後所得的鋰電池有阻抗較高的現象,造成操作時無謂的電能消耗以及電容量下降。「用於鋰離子電池的添加劑配方、電極漿料組合物及鋰離子電池」揭露一種鋰離子電池添加劑配方及電極漿料組成物,可以解決上述缺陷以降低電池產品的阻抗,同時兼顧高電容量、高安全性及優異的循環壽命。

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