《工業材料雜誌》2021年七月號推出「B5G次太赫茲關鍵材料」與「材料模擬數位AI應用」兩大技術專題

 

刊登日期:2021/7/5
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What’s the Next? After 5G    
到2021年4月,全球已經有162家電信業者推出5G商用網路,我國也隨著國際趨勢,自2020年7月正式進入5G時代,5G為世界所帶來的改變與商機也正一步一步地發酵中。隨著5G的商轉,下一個普遍受到關注的議題是:5G之後呢?B5G (Beyond 5G)?還是6G?三星電子在2020年7月發表的6G白皮書中,勾勒出下一代通訊技術的願景:最高傳輸速度將由20 Gbps增加到1,000 Gbps,為5G的50倍;延遲必須低於1微秒,為5G的1/10;終端連結密度將由100萬/km2,提升到1,000萬/km2;定位精準度也將由數公尺提升到公分等。為了達到這樣的高挑戰需求,各項技術紛紛開始發展與規劃,包括衛星通訊、次太赫茲通訊、低能耗通訊、巨量天線束波成型、人工智慧與大數據運算等。其中,次太赫茲通訊為達到超高速傳輸速率的關鍵技術,亦為本期專題的探討重點。
 
2020年7月,3GPP宣布5G Rel-16技術標準完成制定後,推動了更多電信業者投入5G網路建置;截至2021年4月中,全球已有435家電信業者投入5G網路建置、162家電信業者在68個國家推出5G商用網路;而目前5G用戶分布上,以中國和南韓為領先國家。在B5G市場發展上,目前已有多家業者發表對B5G之看法並投入相關技術研究,潛在技術包括:太赫茲通訊、先進巨量天線、低軌道衛星、零耗能通訊、公分等級定位、人工智慧等;而國際標準組織ITU、3GPP也陸續啟動B5G/6G情境、技術標準之討論,預計2030年後進入B5G/6G時代。「5G/B5G通訊市場發展趨勢」一文探討5G市場發展現況及B5G通訊市場發展趨勢,以掌握5G/B5G所帶來的商機。
 
5G商轉引爆各種磷化銦(Indium Phosphide; InP)的潛在商機浮上檯面,根據Yole預測,2024年磷化銦基板和磊晶晶圓的市場需求將成長到1.72億美元,2018年至2024年的複合年增長率為14%。磷化銦是一種III-V族化合物半導體材料,具有高電光轉換效率、高電子遷移率、高工作溫度、強抗輻射能力的特點,在光纖通訊、毫米波和無線應用等方面具有明顯的優勢。但在技術開發與產品製造上,仍有許多挑戰需克服。「磷化銦單晶應用與技術發展現況」介紹磷化銦晶體材料技術發展現況、市場趨勢與未來展望。隨著市場愈見其重要,國內各界應及早重視並積極投入,提早布局、掌握商機。
 
磷化銦異質接面電晶體長期應用於光纖通訊及相關高頻應用市場。隨著對5G毫米波放大器要求日益嚴苛和對未來6G太赫茲操作的展望,有著優於砷化鎵及矽鍺半導體高頻特性的磷化銦被視為高潛力的明日之星。然而,磷化銦長年來在市場上的發展十分有限,大多來自學術性研發單位。主要是受限於目前昂貴基板價格和缺乏相關產業鏈的支援。縱使已有代工廠投入這個領域,但主要的成就都是完成在四吋基板上。近來隨著六吋基板的問世和磊晶供應商的陸續支援,為磷化銦元件大規模量產帶來曙光。「毫米波生力軍前進太赫茲:磷化銦異質接面雙極性電晶體的發展及其商業化的挑戰」一文介紹穩懋半導體致力發展六吋磷化銦異質接面電晶體的商業化,並提供其在5G毫米波和6G太赫茲的解決方案。
 
6G超高頻無線通訊應用關鍵材料之需求與挑戰」一文指出,5G行動通訊技術帶給人類高頻寬、巨量傳輸的新體驗。新冠肺炎在全球蔓延之際,使得遠距會議、居家上班的人越來越多,在此數據化的需求下,已能感受到通訊頻寬的不足,也推升高頻寬通訊技術的發展速度。太赫茲頻段通訊成為6G通訊的主要候選技術,相關應用於太赫茲頻段之材料已非現行材料可以負荷,新材料的研究與開發投入,將成為後續通訊產業發展的一大重點。工研院在經濟部技術處科技專案支持下,已建置微波介電量測實驗室,對於20~110 GHz頻段,建立高解析自主開發毫米波介電量測測試能量,並先期投入自主開發220 GHz材料介電特性測試平台技術,未來可提供與協助國內相關材料開發廠商高可靠與具信賴度之測試平台。
 
材料數位轉型新契機—材料多尺度模擬與數位AI應用
台灣材料產業目前導入材料模擬與數位化技術的時程緩慢,材料新功能的開發都是採取Trial and Error的方式,不斷的試誤,需要耗費大量的時間金錢與成本物力。隨著現代電腦運算能力倍增、計算成本下降,以及在廿一世紀初數位設計與雲端分享經濟概念興起,世界各國大力投入奈米材料開發累積相當的材料數據,並運用量子力學、分子動力學、粒子動力學等微/介理論與巨觀連續體等多尺度模擬技術搭配,已經可以利用材料模擬技術,協助新材料的開發與試用驗證。發展材料數位應用的契機來臨,透過模擬方法協助實驗累積足夠的資料庫,再經由機器學習AI技術建立正確的預測模型,能夠快速找出新材料配方、製程優化條件與產品可靠度失效模型,以提供新產品在性能設計、可製造性設計與可靠度設計上所需的參數,大幅縮減新產品開發時程與成本。  
 
高分子混材於現今化學與材料相關產業具有重要的應用。由於混材之間不相容的特性,在混煉加工過程中,當不同熱與應力歷程的作用下,可能會產生不同的微相型態以及最終的複材性質。傳統的研發模式大多仰賴簡易的末端分析與試誤的策略,對於混材於加工過程中所呈現之多尺度微結構、型態、流變性質的掌握相對不足。「高分子混材之多尺度電腦模擬」以工業上具代表性之混材Nylon 6/ACM為例,闡述如何利用多尺度電腦模擬技術作為相關程序設計的可行性與挑戰,以及未來可能發展的方向。其中所涵蓋的電腦模擬技術包括全原子模擬、粗粒化分子模擬、商用軟體的介觀加工性質模擬。整個模擬過程不需可調參數,因此具有絕對的預測能力。
 
量子力學模擬結合AI技術輔助材料設計」一文闡述,材料的篩選或是新材料的開發在元件應用上扮演革命性的角色。過往篩選適當的材料或是開發性質更好的新材料都是利用已累積的經驗,先在經驗範圍內做推測,再以實驗利用試誤法進行驗證。此種方式不但費時費力,且需要很大的成本。為了縮短材料研發的時程並降低成本,導入模擬及機器學習已成為材料研發的趨勢。機器學習的效果取決於學習的資料量以及資料在預設的變數空間裡之覆蓋率。很幸運地,目前世界上已有多個機構正在建立大量且多變異性的材料結構及其相對應性質之材料資料庫,可作為材料機器學習之用。除了以機器學習預測材料特性外,逆向篩選的技術也是重要的環節,俾研發者能因應某項應用所需之材料特性範圍,直接篩選出新材料結構,以大量減少新材料的開發時程及成本。
 
分子級的化學模擬軟體是一種數位套裝產品,讓使用者可以創建反應過程以進行數位化分析評估,並以視覺化的方式呈現,而無需實際執行相關實體反應。透過多種尺度的商用套裝軟體連結,最終有助於使用者可以測試、追蹤和分析,藉此應用於不同材料體系的產品製造過程。「分子級反應型網實整合之材料模擬技術」一文以「二氧化碳與鎳觸媒烷化反應機構模擬」以及「聚氨酯發泡反應模擬」,進行分子級反應型網實整合材料模擬技術的案例說明;工研院在經濟部支持下,已建構完整的基礎軟硬體環境平台,布局「材料數位網絡與高端結構複材應用研究」,建構產業界材料網實整合能量,整合材料基因組(MGI)資料庫以及強化材料大數據解析能力,推動關鍵廠商升級成為具備高度客製化能力的生產智慧化產業供應鏈核心。 
 
離散耦合有限元素模擬於反應暨模壓製程應用」一文說明,非連續相粒子運動廣泛應用於岩石土壤及工業製程,單純仰賴有限元素分析法(FEM)模擬,無法確實完整描述與建立粒子堆疊的真實樣貌,像是陶瓷粉體用於模壓成型製造,先透過離散元素分析法(DEM)依據粒子尺寸、形貌與分布資訊,建立初始粒子堆疊模型,再以FEM模擬計算其粒子受模壓等製程參數影響之壓合密度與應變結果。另一方面,粒子態模型也常見於觸媒化式粉床(PBR)應用,其與觸媒粒子堆疊方式,影響流場、質傳、反應等作用,透過模擬技術可視化內部質傳分布,與反應作用產生之生成物與反應生成熱關係,進而透過多物理結合DEM模擬分析方法,提供產品優化與新產品設計開發之構想與方向。
 
隨著運算能力的提升、人工智慧的崛起,機器學習在材料領域的應用呈指數增長,但實務上最關心的還是如何設計出符合目標特性的材料,也就是所謂的逆設計。因此,「人工智慧於材化產業之應用技術」一文將機器學習應用於逆設計問題拆解成三個步驟,並輔以工研院目前的案例,演示實作材料開發、參數優化的簡單工作流程,提供新產品在性能設計、可製造性設計與可靠度設計上所需的材料參數,縮減新產品開發時程與成本。   
 
主題專欄與其他
循環經濟已成為全球石化產業的重要趨勢,品牌與製造業者除了將焦點放在周遭的塑料廢棄物回收處理外,也開始重視海洋廢棄物所造成的汙染。占全球總海洋廢棄物約1/10的漁具,其主要的材料為尼龍,因較具有經濟價值,已有服飾品牌將再生尼龍纖維做成織物。但尼龍分子鏈容易因為水解效應與多次加工熱履歷而產生斷裂,進而影響其機械性質並使應用範圍受限。「回收漁網之混煉改質與加工技術」一文介紹廢漁網回收與全球發展趨勢,以及工研院開發之新型熔融改質技術與後續應用加工驗證。發展深入且多元化的漁網回收再生技術,能使改質後的環保尼龍符合各種產品性質要求,並提高再生原料需求量,增加回收業者投入處理廢漁網之意願。期望政府、業者與法人三方合作,共同建立廢漁網循環產業鏈,提高我國於海廢再生尼龍之國際競爭力。    
 
根據農委會農糧署統計,台灣2019年非生物性農業廢棄物中,塑膠膜類用量可觀,合計至少11,679公噸。因使用後的塑膠膜體數量龐大,不易清運,再加上難以分解的特質,對環境造成很大的負擔。可分解材料用於農資材,在大自然中就能夠被微生物分解為二氧化碳和水,能有效避免土壤污染,提高土壤質量並保障土壤環境可持續利用的天然效益,將成為未來取代傳統塑膠材料之所趨。「循環經濟新指標—植物纖維結合可分解農資材之開發與應用(下) 」延續上期,探討可分解生質複合農地膜與可分解水果抑菌包材。透過利用可分解材料結合植物纖維、纖維素、多酚的選擇與添加,進行農地膜及蔬果套袋的功能改質開發,除改善其結晶性能及材料加工性、機械物性外,更添加阻氣、抑菌的功能,使可分解材料在農業資材的應用上更具環保價值。
 
應用於吸附式乾燥設備之高性能水氣吸附劑,需兼具可低溫脫附、於低濕環境仍有高水氣吸附率之特性。傳統的水氣吸附劑無法同時滿足上述要求,4A沸石於不同相對濕度下,其水氣吸附率變化不大,符合低濕吸附的需求,然而其脫附溫度卻高達160˚C;矽膠與活性氧化鋁可分別於較低之80˚C與120˚C脫附,但其水氣吸附率受環境相對濕度的影響很大,因此較適合用於高濕環境。「低耗能吸附劑技術及其應用」介紹工研院製備之ITRI-MOF吸附材料,以80˚C/30 min之條件脫附後,於25˚C/30% RH低濕與25˚C/80% RH高濕之條件吸附,可分別獲得約33 wt%與35 wt%的水氣吸附率,顯示其同時具備可低溫脫附、於低濕環境仍具有高水氣吸附率之特性,深具應用於吸附式乾燥設備之潛力。
 
智慧螺桿進給系統之全動態直效嵌入式複合感測技術」一文指出,工具機加工精度的主要關鍵在於進給系統,而進給系統精度又直接受滾珠螺桿之預壓力與溫度影響。目前市面上的智慧螺桿進給系統大多採用振動感測器間接估算預壓值,導致準確性較差且易受干擾。有鑑於此,工研院團隊串聯國內產業能量,開發全動態直效嵌入式複合感測器於智慧螺桿進給系統,可直接測量滾珠螺桿之預壓力與溫度,並整合回饋預析模組推估智慧螺桿進給系統之健康狀態與故障原因,以便管理者擬訂維修保養規劃與排程;以及定位誤差補償模組校正工具機進給系統位置變異,維持精度使加工品質更加穩定。
 
材料補給站「未來三十年全球化工發展大趨勢」一文簡要針對未來三十年石化工業發展作一綜合討論。作者認為未來三十年使用化石原料作為化工原料及能源仍是最可能的方法。雖然再生能源及其他原料在過去十年研究者眾多,但至今其成本仍比化石原料高,除非碳稅大幅提高,以及技術上有特別的突破,否則很難與化石原料競爭,當然不同國家的地理環境與政策也會影響不同能源的成本。但如果我們對於石化製程做更好的設計與管理,也可大幅降低排碳量。在未來三十年綠色化學與循環經濟在化工業會扮演重要的角色,但短期內的成果仍有限。
    
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