工業材料雜誌二月號推出「熱電材料與應用」及「塗佈覆膜貼合技術」兩大技術專題

 

刊登日期:2019/2/11
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熱能管理與轉換的新契機—熱電技術發展與新應用趨勢
熱電材料廣泛應用在航太軍用設備、科學與生醫儀器、無壓縮機冷藏箱、工業及車輛引擎排氣廢熱回收、車用空調等領域。包括美國、歐洲及日本等大型企業均積極投入,同時也誕生了許多新創公司。近年5G及AIoT智慧物聯網興起,對於大量無線傳輸與感測器從環境擷能轉電的需求,更是讓熱電技術在未來產業上擁有巨大應用潛力。綜觀目前已商業化的熱電材料與應用模組,基本上是以碲化鉍(Bi2Te3)系列為主流,但適用溫度範圍通常被限制在250˚C以下,在更高溫時,碲化鉍系材料熱電轉換特性會快速衰退;另外,中高溫(>250˚C)具潛力的熱電材料,包括碲化鉛系、矽化鎂系、硒化亞錫系、方鈷礦系等,其研究文獻與相關報導雖多,但始終相對缺乏系統性來探究材料微結構與特性之關係,總有見樹不見林的缺憾;此外,熱電轉換模組的外形,長期以來幾乎都是硬式平板狀,未來如想要擴展到形式多變化的環境擷能,或穿戴式體溫發電裝置,倘若熱電轉換模組能具有軟性可撓的特性,無疑地將具有極大的吸引力,並且大幅提升各種應用的可行性。有鑑於此,本期「熱電材料與應用」技術專題特別安排幾篇高可讀性的文章。

熱電元件的應用十分廣泛,隨著熱電技術的進步,許多應用逐漸被開發,在這重視永續能源的世代,熱電材料與熱電模組是一項具有潛力的綠能科技。熱電材料可將熱能與電能相互轉換,其轉換效率與本身之熱/電傳輸性質相關,而傳輸性質與材料的相穩定性、微結構等息息相關。在熱電材料系統中,相圖扮演了重要角色,其提供相區、微結構、溶解度區間與熱/電傳輸性質之關聯性,以簡潔之方式歸納整理,提供熱電材料穩定的合成路徑,以利熱電技術之商業化與工業化。「熱電材料相圖研究與應用」從熱電材料發展史談起,並針對常用熱電材料系統,深入淺出的探討其相圖、微結構與熱電性質之關係。期能藉由闡述相圖在熱電領域中的應用性與重要性,使熱電技術更加先進化與成熟化。

中高溫型高熱電優值材料的開發,使得熱電發電技術不僅在系統穩定性上具有優勢,在轉換效率上亦能夠與其他能源技術相競爭,後續熱電發電產業的發展將不再只是一個願景,而有逐步落實的可能。中高溫型熱電材料為熱電發電技術的核心,熱電發電系統轉換效率的高低,主要取決於應用情境的溫差與材料熱電優值的大小。近年來拜材料科學研究與奈米技術的蓬勃發展,成功打破熱電材料導電率、席貝克係數與熱傳導係數等傳輸特性彼此的連動關係,使得熱電材料的熱電優值得以大幅度提升,無因次熱電優值從1快速進展到2以上,並持續朝向3邁進。「中高溫熱電材料研究現況」一文介紹如何從材料設計的觀點提高熱電材料的性能,並介紹主要的中高溫型熱電材料系統發展現況。

溫泉地熱熱電發電技術」分享工研院與臺東大學利用熱電模組在台東知本溫泉進行熱能回收發電的成果。地熱發電具有24小時穩定發電性,是目前唯一成熟的基載型再生能源,地熱發電和其他再生能源相比有其優勢,且亟待開發。熱電技術無運動件、易於維護、體積小、無噪音、維護成本低;較不受空間及經濟規模限制、較不受天候影響、可24小時運作、環境友善,可直接利用現有溫泉進行地熱發電。目前日本已將熱電技術應用於溫泉發電。工研院和臺東大學合作應用熱電技術於溫泉發電,發電量初步已達200 W,並針對溫泉發電設計應用及效益進行評估及長期測試。未來可進一步將規模放大,為東部地區提供新的再生能源應用。

隨著智慧世代到來,生活中有越來越多的隨身智慧型裝置,這些設備的能源供給逐漸變成重要的議題。太陽能或壓電等供能方式難以適用在穿戴式裝置上,而讓熱電模組重新有發展的機會。科學家利用軟性高分子作模組基板,改善傳統熱電模組難以彎曲的缺點,使其能貼合人體不規則表面,提高熱源利用效率,並使穿戴更加舒適。但為了增加可撓性,可撓式模組通常厚度較薄,難以建立較大的溫差,且因摻雜高分子,其性質較傳統熱電模組差,仍須進一步改善。「軟性可撓熱電模組技術與應用」探討可撓式熱電技術及最新應用發展趨勢,介紹熱電模組應用在隨身設備供能的優勢,以及藉由改善傳統模組的結構與製程,製備出可撓的軟性熱電模組。目前已有研究結合軟性熱電模組與衣服而製成可靠體溫發電的機能衣,相信未來軟性熱電模組能在智慧生活中有更多應用,讓生活更便利。

先進塗佈製程與設計開創高價值產品
塗佈覆膜技術的應用橫跨許多重要產業,開發的塗佈產品是電子構裝、平面顯示器、儲能產業、被動元件、機能性布料等產業的關鍵零組件。國內長期以引進國外技術與相關設備進行後段加工為主,造成自主材料、製程、設備整合之基礎技術能力不足,難以跨入高單價、高技術門檻、高規格特性之差異化產品,時至今日,大多尚停留在單層材料塗佈能力程度。然而,當材料特性發展到一個階段,若期望產品規格/特性能跳躍式提升,則有賴透過不同設計的多層結構來解決。國際大廠均透過學理分析、模擬分析等基礎技術,有效導入塗料物性、製程條件設計與產品量產之關聯性,大幅縮短產品開發時程,快速進入市場。國內市場上並非沒有多層塗佈產品的需求,只是礙於材料設計與製程技術無法匹配,導致只能仰賴分次階段式完成多層產品的開發。未來要趕上美、日等大廠實力,除了提升硬體設備與製程技術,也要落實在關鍵零組件的模擬分析與設計能力國產化;同時,利用線上取得大量實驗數據,與模擬分析獲得的數據整合到AI塗佈機上,由AI自動計算並調整最佳化參數,將可有效降低開發的時間與成本。本期「塗佈覆膜貼合」技術專題特別邀請學有專精的作者,針對目前的研發成果與心得進行分享。

雙層塗佈製程之相關技術與應用介紹」主要說明雙層塗佈技術與工研院材化所對此技術的發展現況。多層塗佈技術可一次性考量材料配方組成,單次製程成型出雙層材料與結構,是一種高效率製程方法,也可降低溶劑與VOCs的使用量,可視為較環保與環境友善之製程。國/內外多層塗佈技術的開發已日益成熟,未來可導入更多的多層結構相關產品。精密雙層塗佈的發展與配方穩定性,可協助國內傳統單層塗佈廠商跳脫過往陳舊技術模式,提高生產效率、提升產品的附加價值。工研院材化所已建置雙層塗佈軟/硬體技術,可提供國內產業進行相關的技術合作與輔導。後續更看重有機太陽能電池(OPV)與OLED照明產業的崛起,該元件皆屬於多層結構產品,日後隨著產品普及與量化,預期多層塗佈技術也將加速導入其製程,可大幅降低製程成本,是兩大產業樂見之趨勢。

鋰電池製程技術未來的發展趨勢是朝向高塗重極板、高安全性功能層、高速塗佈、寬幅增加、同時多層極板技術等。為了因應各式各樣的鋰電池結構製作,工研院材化所建立精密塗佈產品技術開發平台,具有從實驗室材料驗證、塗佈模具設計/加工、單(雙)層極板製程控制、試量產技術建立等能量,也同時擁有精密流變儀量測分析技術、精密塗佈加工技術、精密模具與塗層乾燥設計與模擬分析技術,可提供國內相關業者產品開發所需要的支援,以加快產品研發速度。「鋰電池極板結構與製程操控技術」介紹鋰電池製作程序中有關電極結構層製作相關的漿料配置特性、塗佈、乾燥程序與輾壓等技術,並針對每一製程與鋰電池產品之關聯性進行探討。文中也針對電池設計要求高能量密度、高安全等特殊功能層的設計,介紹如何透過先進塗佈技術的開發以滿足未來的需求。

通常塗佈業者與模具加工業者多半分屬化工材料與機械相關背景人士,由於專業背景差異甚大,雙方相互不了解所提出的數據意義何在,所以認知存在落差。在討論模具設計需求時,往往只依生產條件需求提供一些簡單條件,如塗佈幅寬、塗佈厚度、塗佈速度、樹脂固含量、黏度範圍、精度公差等基本數據,不甚了解樹脂流變特性分析意義對塗佈模具設計的重要性影響,以致於製作產出的塗佈模具經常還需經過反覆的修模作業,或導致操控性不佳的情形發生。「三層共擠塗佈技術及產業應用」一文說明如何透過高分子流變、模具設計及流場模擬分析開發三層共擠塗佈模具,以達到事半功倍之效,設計製作出來的共擠塗佈模具適用性及操控性才能達到最佳狀態。

二十多年前,軟性銅箔積層板(FCCL)生產之關鍵技術仍掌握在美、日,台灣開始從有膠FCCL摸索發展,相關製程與設備也多以國外公司馬首是瞻。但隨著3C與消費電子產品的興起普及,軟性電路板(FPC)產業突飛猛進,對品質與數量的需求,也鞭策了上游國產FCCL材料在無膠軟性銅箔積層板的研究開發,並帶動相關製程與設備關鍵組件(如精密模具)的國產化。「無膠軟性銅箔積層板(FCCL)製程與設備介紹」一文有系統地逐一介紹解析有關無膠FCCL的製程與設備,其中包含單體聚合、多層塗佈、無氧亞胺化、壓合覆銅以及精密裁切等;事實上,這也已經幾乎完整涵蓋了一座FCCL工廠的主要製造流程與關鍵設備。期許伴隨5G世代的來臨,無膠軟性銅箔積層板也更上一層樓,迎來高頻材料的新世代。

主題專欄
少量多樣生產與應用的特用化學品,受到其上游原物料與下游終端消費產品綠色永續發展的影響,也將朝向綠色創新。市場瞭望專欄的「全球特用化學品綠色發展趨勢」一文分析原物料與終端產品在綠色發展下為全球特用化學品帶來的創新機會與案例,以說明全球特用化學品綠色發展趨勢。

生醫材料專欄「氧化鋯牙材染色技術」一文探討,陶瓷的呈色與摻雜元素相關,透過溶解於陶瓷基體中的元素離子、細微顆粒或晶體,對光線特定波長之選擇性吸收,所表現出的視覺效果,因此可以藉由離子的選擇,使陶瓷體呈現出不同的顏色;其光學性質也與微結構高度相關,如透光度、透明度和色澤等。在牙材染色技術中,如何在達到美觀、自然透光的情形下同時達成良好的機械性質,為此技術最重要的需求。為建立牙冠/牙橋產品相關研發製造之技術基礎,除針對氧化鋯進行染色,還需要對牙材摻雜材料、製程、微結構特性與染色系統進行匹配研究,藉由材料與製程選擇來控制微結構,以進一步達到染色品質、透明度與機械性質的最適化。此相關技術未來能夠延伸於多種混色,建立氧化鋯染色系統資料庫與色劑地圖,不只提供國內牙材供應商的材料自主能力,還能擴大技術應用範圍至各種染色氧化鋯產品的應用,如人造寶石、陶瓷刀具、耐磨錶殼、手機保護殼等用途。

循環經濟專欄介紹「利用農業廢棄物製備二維多孔生物碳材並應用於能源儲存」。農廢再生之化學活化技術,可將咖啡渣、甘蔗渣或玉米穗皮轉化成高比表面積及高孔隙度之二維農廢衍生生物碳,並應用於電能儲存。製備所得之三種生物碳均顯示sp2石墨晶面結構,且高度微孔/中孔比可對應其優異的孔洞結構與比表面積,同時兼具良好的電雙層電容行為,其高能量與高功率密度突顯了此材料的開發價值。此些碳材不僅可作為儲能材料包括超級電容與鋰離子電池的電極活性基材,也相當適合作為電容脫鹽及吸附重金屬/極性有機物的活性基材。如能在孔洞碳材表面添加金屬或金屬氧化物,更可作為優異的光電化學催化劑,拓展實際應用於吸附/分離、催化、環境復育及水質淨化與回收技術的開發利用。

材料與技術專欄「奈米複合碳材料於生醫及次世代鋰離子電池相關應用與未來趨勢」一文指出,石墨烯相關材料優異之特性,使得「碳」這種古老材料再次受到世人的矚目與研究。近年來由於奈米科技與分析儀器的進步,人類對於奈米尺度之材料與其製程已有著長足的進步。其中,奈米複合碳材料由於具有許多優異之特性,而受到全球高度關注。例如結合奈米碳管之高機械強度與高生物相容性,可將其應用於人體神經細胞修復之母材上;而搭配優異的表面吸附效果,可於材料表面吸附不同之官能基,進行生物系細胞成像與標記;此外,製備具有方向性與特殊結構之奈米複合碳材料,則可應用於高功率之鋰離子電池與高效率之散熱材料。上述研究成果皆凸顯先進奈米複合碳材料在未來之重要性,因此,如何確認未來之應用方向,同時以更工業化之製程進行相關奈米複合碳材之製備,將成為未來重要之研究課題。

除了台灣,全球都有核電廠待除役,依法國EDF公司2016年之估計,未來15年內除役總產值將達約2,220億美元。核能電廠除役涉及放射性物質及輻射劑量,相較其他產業的工廠或設施拆除,需投入更多的時間與技術進行廠區結構、系統及設備組件的拆除,以確保在安全無虞的情況下,完成電廠的除役工作。台電委託工研院執行「核能產業技術先期研究」計畫,目的為建立我國核能電廠之除役技術與我國核能除役產業能量,盤點除役相關核能產業技術,替台電評估並整合具實力之廠家,以成為核能產業的一環。工研院依除役優先應用技術為主題,將陸續辦理6場技術研討/商機說明會,期待為國內廠商創造一個產業技術平台,分享技術,共創商機。本期廠商動態報導「核能除役產業商機說明會系列一 表面除污技術暨台電需求說明」與讀者分享第一場的舉辦情形。

熱門專利組合本月推出工研院材化所兩類八項優質專利組合。「熱電應用專利組合」精選熱管理應用技術、小型化熱電致冷技術、廢熱回收發電材料、熱電晶片檢測裝置;「塗布加工專利組合」則有基板塗布PI材應用、塗布模具技術、電池塗布應用技術、電極粉體材料。材化所技術豐富多元,歡迎業界與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。

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