未來科技發展趨勢下之潛力材料

 

刊登日期:2018/7/5
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工研院產經中心(IEK)從「全球性的大趨勢所引發的材料需求」的市場與需求端角度,與「核心技術所發展出來的新材料」及「運用新生產技術或應用技術所生產的新材料」的技術與供給端角度,由材料的市場與技術、供給與需求兩個方向來觀測與分析未來發展的潛力材料項目。從市場需求端角度觀察,「城市內電動運輸工具需求」、「產品與食品長途運輸需求」與「材料循環再利用需求」是台灣材料產業值得關注的需求部分。而「輕量化電動運輸工具」、「延長並確保保存期限的新型包裝」、「可再生(Renewable)塑膠材料」是在這些需求中具發展潛力的產品品項。從標竿國家關注的材料種類觀察:功率半導體材料—碳化矽材料發展;高性能高電容二次電池,包括固態型、多價陽離子型、金屬-空氣電池、鋰硫等新型態二次電池;生醫材料—組織再造用的生物材料、細胞墨水等為受重視的項目。3D列印、MGI與AI技術將改變材料的應用方式、開發方式與生產方式,這些項目都將為未來材料的發展投入新的契機。

本文將從以下大綱,從市場與需求端角度、技術及供給端角度兩方向,第一手觀測與分析未來具發展潛力的材料項目。
‧全球大趨勢變動下未來受重視的材料需求
‧各國材料研發機構聚焦之新材料
 1. 日本科學技術振興機構(JST)
  (1) 下世代半導體
  (2) 下世代儲能裝置
  (3) 生物製造技術
  (4) 多孔性材料
  (5) 材料基因
  (6) 拓樸絕緣體
  (7) 聲子工程
 2. 韓國十大重點材料開發計畫項目
‧材料新生產技術或應用技術所產生的新材料
 1. 3D列印技術帶動高結構強度材料的發展
 2. MGI技術將大幅縮短材料開發時程
 3. AI將大幅應用於工廠進行「數位管理」
‧IEK View
 1. 在全球大趨勢變動下台灣可關注的產品與材料
 2. 「SiC」與「奈米」為日、韓關注的材料技術與項目
 3. 3D列印/MGI/AI技術將改變材料的開發與生產

【內文精選】
未來科技發展趨勢下的潛力材料(Potential Materials)觀測與分析是一件不容易的事情。最主要的原因是材料的範疇太廣,從金屬、陶瓷到高分子與複合材料等,加上每年新開發的材料種類與數目極為繁複與眾多,亦造成觀測與分析上的困難。另外,材料因終端應用的不同而有經調整的不同分子組態或成分配方,讓對應衍伸的材料型號更加眾多,也讓潛力材料觀測這件事情更形複雜與困難。

從材料發展的歷史經驗來分析,驅動材料的發展主要有三種方式。一是全球的大趨勢造成市場需求的改變,所形成的新材料需求出現。例如:全球目前均面臨「氣候變遷」這樣全面性的大趨勢,氣候變遷帶來的極端氣候開始造成農民收益的減少,溫室成為農民保護收益的必需設備,於是溫室使用的材料需求開始興起,也因此促使材料製造商開始開發可以承受極端氣候變化的溫室用建構材料,帶動具強韌性、耐候性膜材的開發。經由整理這些全球性的大趨勢所引發的材料需求,將可明確的協助材料開發者開發對正未來市場需求的產品。

各國材料研發機構聚焦之新材料
此節將介紹並分析各國材料研發機構或科技觀測單位所開發或觀測的重要材料項目。日本方面,將介紹日本科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency; JST)所關注的材料;韓國方面,則介紹韓國產業通商資源部所發布之韓國十大重點材料開發計畫項目。
1. 日本科學技術振興機構(JST)
JST隸屬於日本文部科學省,其前身是日本科學技術振興事業團,為實施「日本科學技術基本計畫」的核心機構。JST下的策略研究發展中心(Center for Research and Development Strategy)發表的「ナノテクノロジー.材料分野(2017年)」一書中,將世界目前受矚目的主要發展技術與材料列出,包括:下世代半導體、下世代儲能裝置、生物製造技術、大腦量測技術、人工智慧設備、量子演算、多孔性材料、材料基因、拓樸絕緣體、聲子工程、操作數測量等項目(見圖三)。

圖三、JST發表之「全球技術發展趨勢」
圖三、JST發表之「全球技術發展趨勢」

材料新生產技術或應用技術所產生的新材料
1. 3D列印技術帶動高結構強度材料的發展
3D列印(3D Printing)技術在航太、醫療與運動領域已實際應用至生產航太部件、個人醫療耗材與運動鞋,但受限於可印材料種類少、材料結構強度不足、顏色單一、成型速度慢是目前生產這些產品所遭遇的問題。在可以預見的未來,3D/4D列印材料將朝向更多元化發展。在民生休閒應用方面,可減緩運動衝擊的「軟硬質複合材料」(圖四)與可縮減體積而自行伸展的「記憶材料」是發展重點;在生醫應用方面,植入人體後「人體可吸收材料」與可列印人體組織的「生物墨水」是發展重點;在航太應用方面,可3D列印的「高強度合金材料」與耐熱絕緣的「陶瓷材料」是發展重點。另外因材料結構強度不足而限制3D列印技術實現實體製造的瓶頸,已有研究單位開發高強度複合材料來解決(圖五)...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖五、美國ORNL實驗室運用3D列印技術印製的碳纖複材電動跑車
圖五、美國ORNL實驗室運用3D列印技術印製的碳纖複材電動跑車

作者:蘇孟宗、鄒念濤、劉致中、林國權、陳明君、蕭亞漩、楊思亮/工研院產經中心;葉仰哲/工研院企劃與研發處
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期,更多資料請見下方附檔。


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