工業材料雜誌四月號推出「純化/微量分析與微孔洞機能材料」及「氫能技術發展與應用趨勢」兩大技術專題

 

刊登日期:2018/4/9
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材料產業高值化不再盲人摸象
台灣在高純度材料研發領域中,與日本或德國等領先國家有著不小的差距。近來全球都在不同領域運用大數據資料庫,材料研發亦然,有效應用正確合適的分析技術與數據,在高純度的高值材料純化研發上是最重要的一件事。簡單的說,要有準確的分析數值,才知道要去除材料中的哪種不純物,設計合適的純化流程,否則就會如盲人摸象,很難得到最好的結果,這也正是台灣產業界目前轉型高值化時要跨越的鴻溝。以產業界需求而言,材料的功用與純度,基本上代表了材料的價值,分析是材料研發一個最重要的工具,要能善用這個「正確的」工具,才能讓材料研發更有效率,並創造更高價值。「純化/微量分析與微孔洞機能材料」技術專題精選五篇文章與讀者分享工研院材化所在此領域的能量與成果。

我國雖然為半導體、平面顯示器和各類型電子資訊產品的主要生產國,但這兩兆產業卻存在一個隱憂,即對於製程中不可或缺之光電特化材料的自給率偏低,絕大部分必須仰賴進口。光電材料會因不同純度,使材料的應用價值呈現幾何倍數的差異,「光電特化材料之微量分析與純化技術」一文介紹量產光電特化材料的兩大關鍵技術—微量分析與純化技術,並以環氧樹脂為例,藉由含氯不純物之分析鑑定技術和純化技術,可將環氧樹脂之氯含量由上千ppm大幅降低至小於10 ppm的超低氯等級,得用以製作光電特化材料。

全球有三分之一的面板來自臺灣,液晶顯示器已取代傳統陰極射線管成為主流顯示裝置,其生產量及使用量日益增多,導致廢棄量與日俱增,若因缺乏合適的處理方式,將造成嚴重的環保問題。以現行處理模式雖可將廢液晶顯示器簡單拆解成數個單元並依材料別進行回收,然而對於廢液晶面板卻僅能委託廢棄物處理廠進行掩埋。「廢液晶面板再利用處理技術與應用」一文介紹工研院依據液晶面板的結構和材料特性設計一套處理程序,依序將液晶、銦和玻璃自廢液晶面板中取出、純化後,轉化為高值化的再利用產品,這是全球首創的技術,兼具環保與經濟雙重效益,更符合循環經濟的國際潮流。

首先是「新型玻璃奈米孔洞吸附材料於重金屬廢水之吸附處理應用」,工研院利用全球首創的奈米改質技術,將廢液晶面板玻璃轉化為對重金屬具高吸附效能的玻璃奈米孔洞吸附材料,可用以徹底解決國內外重金屬廢水問題。此材料的優點尚包含:具極佳的耐酸、耐化性;吸附範圍廣(sub-ppm~%);可重複再生;重金屬可脫附再使用;廢水不需前處理且不產生二次汙染等。預期可用以吸附處理電鍍業(銅、鎳、鉻、鋅)、廢鉛蓄電池處理業(鉛)、農地整治(鎘)、LED業(砷)、液晶面板業(銅、硼)等產業之重金屬廢水,徹底解決全球許多國家目前所面臨之嚴重重金屬汙染問題。

其次是「玻璃奈米孔洞吸附材料於重金屬污染土地之整治處理應用」,土壤重金屬汙染為國內重要環境議題之一,過去為了追求經濟發展,工業活動產生含重金屬的廢棄物未經妥善處理即排放至環境裡,造成重金屬進入並累積於土壤中。工研院已建立面板玻璃改質技術,能將廢棄液晶面板玻璃改質為玻璃奈米孔洞材料,該材料對於多種重金屬皆具有良好的吸附能力,工研院創新將其應用於土壤重金屬汙染整治,期望發展能兼具「汙染物移除」及「土壤重複使用」,且合乎成本的整治技術,並藉此增加廢面板玻璃的去化管道。此技術不僅能將重金屬汙染物移除,處理後的土壤也能回填現地使用,為一種積極且對環境友善的整治技術,後續將針對不同土質、不同重金屬汙染物的土壤進行測試,藉此提高技術完整性,並拓展其應用性。

國內目前正面臨空氣品質每況愈下的窘境,其中PM2.5的主要成因之一便來自於汽、柴油燃燒後產生的NOx和SOx等汙染物。汽、柴油這些石化產品與我們的日常生活息息相關,其燃燒後所產生的含硫氧化物易形成酸雨,不僅破壞生態環境更危害人體,故嚴格並有效地管控汽、柴油中的硫含量乃勢在必行。國內目前有2,465座加油站,若每座加油站有4個油槽,每天汽/柴油樣品的檢測量高達9,860個。然為了監測汽、柴油品中的硫含量是否符合國家標準,卻因傳統的實驗室方法無法用以檢測每日數以千計的樣品量。「石化產品的分析與快篩技術應用」介紹一低成本、分析時間短、效率高且準確性高的硫含量奈米快篩技術,實為汽、柴油中硫含量最佳的快篩技術。

逐步嶄露頭角的氫能經濟
「氫能技術發展與應用趨勢」技術專題為讀者掃描氫能應用發展最新動態。氫不僅是一種潔淨能源,也是燃料與化學品。氫的燃燒熱值比石油高三倍,是目前已知能源燃燒效率最高的,因此氫不僅可作為燃料電池的發電用燃料,也可添加入天然氣或煤炭中以提升渦輪發電的效率。氫能是儲能的一環,電解產氫技術可以調控再生能源的不穩定性,藉由氫氣的壓縮儲存,可作電力的季節調控。氫氣也是製造氨氣、甲醇及天然氣的重要成分,近年來全球投入大量資源將氫氣與二氧化碳轉化成甲醇、甲烷及二甲基碳酸酯等化學品,成為循環經濟中節能減碳重要的研究議題。氫能經濟與二氧化碳循環經濟的結合,再度帶動全球氫能的投資熱潮。

COP21大會過後,世界主要國家均已對全球暖化以及減碳達成共識,減少石化燃料之使用並朝向永續能源發展的目標前進。其中氫能由於資源豐富、高能量密度、環境友善、高經濟效益與用途廣泛而被列為重點發展項目。現今支撐全球經濟發展仍以化石燃料為主要支柱,因此氫能產業的發展必須依賴政策的支持。目前全球氫能發展以歐盟與日本為領頭羊,「氫能趨勢分析與儲能應用新思維」一文就德國、日本等主要國家於氫能作為混成電力供應一環之評估考量、政策規劃與規範制定進行說明與探討,期能作為國內氫能發展參考之思維。

現今歐、美、日各國均已將氫能經濟列入未來發展永續能源的重要核心,基於高效率、低成本、易操作與對環境友善等因素,各國不約而同地將低成本產氫的鹼性水電解產氫列為短中期發展的關鍵技術。而氫氣又可與二氧化碳進行循環利用,轉換為能源載體或是化學品。「氫能發展的明日之星—水電解產氫」一文就氫能經濟發展、電解產氫技術發展、氫能產業應用進行現況說明。對於進口能源占比96%以上的台灣而言,發展鹼性水電解產氫將是提升自主能源的重要可行方案之一。

由美國能源部DOE所提供之現今社會主要產氫方法有四種,分別為熱化學法、水電解法、光催化法、生物法等。「生物產氫之趨勢與未來展望」一文指出,相較於其他產氫方法,生物產氫可利用有機物質為料源,不會增加大氣中的溫室氣體含量,也可利用簡單的反應器系統,使得設備成本和操作成本最小化。暗醱酵產氫系統已具有多年成功的模場試驗,適合與現有厭氧生物單元(如厭氧消化)結合,以提高有機物的轉化率並產生氫氣。生物產氫的未來發展,可藉由生物精煉程序產生綠色化學品,並擴大生物產氫的合適有機料源與試驗規模。

現代社會面臨能源與環境的種種問題,尋找替代能源已為趨勢,有效利用太陽光進行能源轉換是目前重要的研究領域。模仿植物進行光合作用一直是人類的夢想。以光觸媒為核心的人造光合作用系統,將水分解產生氫氣將會是未來氫經濟重要的技術之一。光觸媒產氫的反應總共分兩大類:光催化反應以及光電化學反應,兩者皆發展許多不同材料以及改進的方式以增加效率。「光觸媒產氫」一文聚焦半導體光觸媒的發展,目前光電化學反應的最高太陽能轉換氫氣效率為17%,雖然在成本的考慮下光觸媒產氫仍未能實際應用,但隨著清潔能源技術的進步與多元化,也提供了能源轉型一個重要的發展方向,亦將會是台灣邁向低碳家園與永續發展的必要手段。

點亮您的需求與心情
智慧照明可藉由自動化的照明管理系統、依使用者的習慣或是想法,來調整照明的色溫與亮度等變化,以營造出不同光的環境;也可以將環境維持在最適照度和均勻度,提高照明舒適性,減緩人眼的疲勞程度;更可搭配時序控制與人員感知等功能,以獲得照明節能減碳之功效。人因照明是智慧照明中的一個重要項目,照明系統設計以人的需求為中心,同時考量使用者的心理和生理感受,建立符合視覺感受與生理節律之照明系統。工研院綠能所LED照明計畫團隊,多年來在經濟部能源局支持下,對於智慧(人因)照明進行許多相關之研究與技術開發,配合四月底台灣國際照明科技展,本期特別報導規劃「智慧與人因照明」主題,與各位讀者分享團隊在智慧照明應用與技術發展之部分成果。

照明環境的需求隨著應用情境不同,影響人們對於舒適的感受也不同。隨著智慧照明的普遍,人性化照明研究得以設計各式光環境控制實驗,以問卷來收集使用者的主觀感受,進而分析喜好與資料探勘,探討照明參數與舒適度間的關係。「智慧人性化照明應用於機場之建置案例分析」一文以機場閱讀與睡眠應用之光環境體驗場域之智慧人性化照明為例,從體驗環境建置、智慧照明控制,到雲端管理與回饋系統,都能有效地增加回饋之收集,可作為相關研究人員於未來設計人性化照明實驗與規劃體驗場域之參考。

最適化長者照護光環境的研究成果」主要是針對高齡長者照護的環境照明對於身心健康的影響進行研究,期望透過照明參數的優化與調變,提供使用者一個節能、健康、舒適及明亮之LED照明光環境。在照明改善後,場域之照度與均勻度都有顯著改善,照明用電密度下降25%,系統節能也達26%,而對於減緩老年失智的症狀亦有影響,未來將持續長時間追蹤後續效益。

低成本與智慧化為LED照明未來主要的發展方向。在現今人力短缺及工資成本高的大環境下,如何使用智慧照明來解決人力問題,將至為關鍵。本研究提出一套具失效回報功能之智慧型LED照明控制系統,「具失效回報功能之智慧型LED照明控制系統」會偵測燈板狀態,透過內建的演算法進行分析與判斷,若燈具出現異常情形,如閃爍、過亮或不亮等,系統會回傳燈具狀態給雲端伺服器,並即時推播警示訊息給管理者,便可以在最短的時間內派員前往維修,降低事故發生與客訴機會。由於本套系統具失效回報功能,可減少巡視人員出勤檢視燈具所造成的維護成本,締造民眾與業主的雙贏局面。

主題專欄
照明在我們日常生活中一直扮演著不可或缺的關鍵角色,隨著科技與時代進步、人類居住型態與生活方式改變,使得照明工具與方式不斷地改變。其中被喻為照明第三次革命的LED進入後,更為照明產業帶來不同的競爭與樣貌。市場瞭望專欄與讀者分享「全球照明市場發展動向」,該文將掃描全球照明產業環境、分析照明市場規模以及2018年發展,作者歸納節能/環保照明政策持續利多,LED照明滲透率將持續上升;而市場競爭激烈,低價競爭仍是主要手段;智慧化技術成為發展重點三面向的趨勢。期望讓讀者掌握產業環境、照明市場變化以及可能的影響與衝擊。

過去量子點之研究主要集中於含鎘之量子點(CdSe)材料,但因含鎘材料不適用綠色環保之全球趨勢,故無鎘磷化銦量子點之開發為目前之趨勢。目前市售之無鎘磷化銦核殼量子點應用於電激發放光裝置時,會產生非輻射緩解之能量轉移,常見之問題為量子點之歐傑復合(Auger Recombination)現象及螢光共振能量轉移(FRET),造成量子點式有機發光二極體裝置效能低落。光電/顯示專欄「無鎘厚殼層磷化銦量子點之合成及其於量子點式有機發光二極體之應用」發表學界在厚殼層磷化銦量子點最新研究成果,藉加厚殼層提升穩定性,並減少非輻射緩解之能量轉移,此無鎘厚殼層磷化銦量子點式有機發光二極體裝置可達發光強度大於10,000 cd/m2,電流效率可達4.4 cd/A與功率效率4.32 lm/W,為目前無鎘系列裝置之最佳結果。

固態電池的技術核心即為固態電解質材料。全固態電池系統中使用無機的陶瓷電解質,不但可以減少或完全不使用有機溶劑,還可藉由其固態的機械強度來抑制鋰枝晶的成長,擁有穩定的電極界面,解決了鋰電池的安全問題,並可用高能量密度之鋰金屬作負極材料,大幅提高電池之能量密度,而鋰電池之加工設計也更有彈性。此外,固態電解質耐高電壓以及高溫之特性,使得此類電池之應用領域更為廣泛,近來固態鋰電池吸引許多團隊投入研究。能源/儲能主題專欄「無機固態電解質材料(下)」接續上月探討,介紹多種無機固態電解質之近期發展,並討論工研院材化所近期於無機固態電解質(LLZTO、LAGP)相關的成果,已不斷優化製程提升材料之離子導電度,並簡化合成步驟以降低製造成本。

材料補給站帶來「科技律師學苑參訪交流活動紀實」之報導。由清華大學科技法律研究所、新竹律師公會、工研院技術移轉與法律中心聯合辦理的「科技律師學苑」,是讓法律與科技共同交流的平台,讓原本隔行如隔山的兩者能夠溝通對話,進而攜手面對商戰競爭。面對科技驅動的未來,國內的法律界菁英各自提出評析與建言,為趨勢做引導、為競爭開處方!

「熱門專利組合」本期精選工研院材化所在「液晶材料技術」、「綠色能源儲能系統」、「聚醯亞胺材料」三大領域之優質專利組合。「液晶材料技術」計有膽固醇液晶技術、反應型液晶技術、分散型液晶技術、液晶配方顯示材料技術四項;「綠色能源儲能系統」計有高效率低成本鹼性膜與觸媒技術、超級電容器技術兩項;「聚醯亞胺材料」計有透明聚醯亞胺材料及應用、耐熱聚醯亞胺材料及應用兩項。資料豐富多元,有興趣合作之讀者請與材化所智權室聯繫。

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