化合物半導體材料—近代高性能電力高頻通訊元件基礎
近年隨著電動車的技術快速成熟，加上全球社會持續加重對高速網路的需求與依賴，相關技術所採用的電力電子元件也面臨瓶頸與挑戰，須改採更耐壓、低損耗、高功率、高速的半導體功率元件，化合物半導體因寬能隙特性成為兵家發展必爭之地。台灣半導體產業對於化合物半導體的代工製程早
已積極布局，但相對於化合物半導體的晶圓，以及製造晶圓的原材料投入相對較少。政府近幾年於南台灣積極布局化合物半導體材料開發，已補足我國於SiC、AlN、化合物半導體封裝技術及AlSc靶的技術缺口，透過產政學研的戰略合作，帶動南臺灣化合物半導體的產業聚落發展。
化合物半導體碳化矽晶圓材料已是全球重要的策略材料，其中，高純半絕緣型(HPSI)碳化矽晶圓因高純度、高電阻、與氮化鎵熱膨脹係數接近等特性，被選擇用於5G、衛星RF通訊功率放大器產業中，作為氮化鎵磊晶成長的關鍵襯底材料。高純半絕緣碳化矽單晶生長以粉體為原料，高純度的碳化矽粉體可採用高純矽粉和碳粉在高溫下反應合成，然而，如何達到高純度(≧99.999%)與半絕緣(Nitrogen Doping <5 × 1015/cm3)是一大挑戰。「化合物半導體碳化矽粉體材料技術探討」一文藉由相關數據的探討瞭解，找出高純度半絕緣碳化矽粉體合成製程中的關鍵，以作為未來發展的重點方向。
氮化鋁具有非常優異之物理特性，如高導熱、高電性阻抗、寬能隙與低熱膨脹係數等。這些性質使得氮化鋁可廣泛應用在導熱基板、高功率元件、微電子元件、光電元件、導熱填充料、散熱片、加熱器與承載晶圓的靜電吸盤等。目前國外廠家也都早已布局相關技術與產業。國內雖然具有完整的上/中/下游產業，但在技術與產品規格上，仍與國外大廠有些差距。「化合物半導體氮化鋁材料之合成與應用」一文綜覽氮化鋁之國內外產業現況、比較粉體之工業量產方法，並對材料的應用趨勢進行介紹與分析。目前國內在政府的半導體政策推動下，於2021年高雄中油前煉油廠建置循環技術暨材料創新研發專區，提升半導體相關材料研發量能與人材的培養，期望打破現有原材料受國外壟斷之現況，並提高國內自主化能力、推動產業發展與建立產業聚落。
因應新興創能、儲能以及電動系統的發展，電動車、5G基建、快充對高功率低損耗元件需求已成為寬能隙半導體發展之重要推動引擎，其中碳化矽更因其材料特性成為發展焦點。若能利用AI技術輔助SiC生產鏈中的製程優化或是特性預測，將能大幅縮短材料開發的時間或加速找到最佳製程參數。「AI技術於碳化矽化合物半導體材料領域之可能應用」介紹目前國際上已應用AI技術於碳化矽材料開發之案例，包含晶界特性預測、長晶製程、晶圓缺陷檢測與元件製程參數模型建立等應用。
隨著5G高頻網路的技術成熟及應用興起，高頻濾波器的關鍵材料—鋁鈧(AlSc)合金靶的發展成為重要關鍵。鋁鈧合金靶主要用於濺鍍ScAlN壓電薄膜製程，藉由在氮化鋁(AlN)壓電薄膜中添加少量的鈧(Sc)，大幅加強壓電薄膜的響應特性，使其極具潛力應用於高頻濾波器、傳感器以及MEMS麥克風等5G通訊半導體、車用以及消費性電子元件產品的領域當中。當鋁鈧合金靶的鈧含量大於25 at%後，其成分主要由性質硬脆且物理性質差異大的AlxSc化合物組合而成，使得鋁鈧靶材的製備充滿挑戰性，且以傳統熔煉澆注工法生產的鋁鈧靶良率及性能較低，造成靶材價格昂貴。「鋁鈧化合物靶：製程、應用及其市場」詳細地說明鋁鈧合金靶製程技術，包含靶材成型、霧化技術與純鈧製程等，並針對鋁鈧靶材的相關技術發展現況與產業趨勢進行介紹。
複材產業之淨零永續
國家發展委員會正式公布台灣2050淨零排放路徑及策略，其中循環經濟部分涵蓋：原料替代、廢棄物衍生燃料、能資源整合、CCU技術等。纖維複合材具高剛性、質輕、耐久等特性，廣泛運用於各項航空、軍事、風電與民生產業。例如，風電葉片主要由玻璃纖維複材所構成，近年3 MW級以上的風電葉片則大量導入碳纖複材以減輕重量。雖然生產1噸碳纖維會排放20噸二氧化碳，但據碳纖維領導廠商Toray公司使用生命週期評估方法統計，使用碳纖複材製作的飛機卻可在服務期間減少多達50噸的碳排量，能減少二氧化碳並為全球環境做出貢獻，且其結束使用後取出纖維的成本也遠低於生產新的碳纖維。然而，纖維複材的堅固耐久，也表示其不易分解成原先組成的材料以供再利用，故其循環再生的技術頗具挑戰。本期「複材產業淨零永續之綠色技術」專題自趨勢宏觀到案例展現，期望能增進讀者對於纖維複合材料之淨零永續的認識。
淨零成為未來產業標配的趨勢下，對複合材料產業應是個機會而不是危機，複合材料廢棄物處理的經濟及環保衝擊似乎也有解決之道。「複材產業淨零技術的今生與來世」由整個生命週期評估產品對總體環境負荷角度切入，在環保永續的目標下，探討複合材料回收再生技術的重要性，以及廢棄複合材料的回收與再生技術、財務可行性、後續市場、標竿廠商，同時剖析回收碳纖維在車輛運輸、消費用品、運動用品、工業、海洋、航太國防等方面之市場，最後並介紹新近發展中可同時回收樹脂的纖維複材全循環回收技術，希望能給複材同業們一些幫助。
印刷電路板(PCB)含有許多有價金屬，如果能夠有效地回收再利用，其循環經濟價值相當驚人。在廢棄複合材料的循環應用實例方面，「無機聚合物固化廢棄印刷電路板粉末製成植草磚 — 循環經濟之應用」一文中，研究將鹼液加爐石粉形成的無機聚合物加入PCB廢料與回收玻璃粉，取代傳統鹼激發膠結材之原料進行填充，以降低爐石使用量，並比較不同材料配比所對應之抗壓強度，製造出一個符合市面上強度規範、具有施工性佳、抗壓強度高、美觀性與環保性質的植草磚，未來能應用於透水鋪面之研究。同時也提供成本分析，產出高值化產品的同時，亦可以解決國內電子產業所產生的大量PCB廢棄物問題，減少對環境的污染和降低地球有限資源的消耗。
在工業機器人應用領域中，驅動器控制的進步隨著自動化複雜度而增加，藉由減少機器自重，降低馬達負擔，以提供更高的生產力、穩定性，並減少能源消耗，進而達到永續經濟發展。「複合材料於自動化設備之節能應用」一文透過探討機械手臂在纏繞路徑下，手臂姿態多變換過程中，比較出機器人自身材料重量是否會影響耗電量。由於在動力學理論中，物體的旋轉慣量大小會受到重量及旋轉半徑影響，於是需降低手臂慣量，以減少手臂在多姿態的工作環境下之加速與減速時的耗電量；然而在結構學上，手臂結構須有高強度、高剛性、穩定性之特質，故手臂結構越密、重量就越重，手臂旋轉慣量相對就越高，當旋轉慣量越高，馬達負載亦越高，耗電量就隨之越高。這項研究選用複合性材料來解決上述兩難的問題，旨在探討複合性材料手臂機器人與一般機器人，在進行相同纏繞路徑實驗下何者較為省電。
主題專欄與其他
隨著日漸嚴苛的氣候環境，相對也帶動不同產業對於使用材料之性能要求，例如在汽車與工程產業中，一般工程塑料已無法完全滿足一些具有較高安全係數的產品，因此材料的改性與功能化技術逐漸受到重視。尼龍因具有優良的機械性質、耐熱性與可加工性，被大量應用於汽車、電子、工程與航太等領域；但日漸嚴格的產品性質規範，迫使尼龍需透過改質製程來進一步改善其性質上的不足，例如尺寸安定性與低溫耐衝擊性等。藉由對增韌機理的了解，並搭配適當的增韌劑配方與混煉製程設計，即可順利開發出不同規格的超韌尼龍材料。「超韌尼龍混煉改質技術與應用驗證」一文針對改性尼龍製程進行介紹，同時著重探討超韌尼龍之市場與其應用領域，以及增韌機理與混煉技術，最後也分享工研院材化所已開發之新型熔融增韌技術與材料性質驗證結果。
隨著硬體運算能力大幅提升與軟體內容豐富多元，擴增實境相關之應用越來越廣泛。因擴增實境頭戴式眼鏡在使用舒適性方面仍有待改善，直視型透明顯示互動技術被寄望為下世代殺手級的應用，其主要為透明顯示屏幕在顯示影像內容的同時，可透過顯示屏幕看到後方之實體物件，並利用AI辨識整合實體物件與對應資訊內容，呈現在使用者視線之屏幕上並與之互動，提供使用者更直覺與新穎的智慧生活互動體驗。「透明顯示器於智慧生活之場域應用」一文報導工研院電光系統研究所提出一創新設計架構，其包含高準度資訊融合技術、互動模組整合技術與透明顯示模組技術，使用了直視型透明顯示架構，免除頭戴的不適感，讓使用者以更直覺的方式體驗虛實融合並進行互動，目前該透明顯示互動系統已應用於包括台北捷運、國立自然科學博物館、國立海洋科技博物館、中友百貨、清華大學旺宏館與中央大學互動科技與學習實驗室等多處相關實際場域，預計2022年將開始導入於智慧移動載具上進行測試與驗證。
「稀土原材料之環保問題與綠色技術趨勢」延續上期論述分析，稀土元素是現代科技應用中，不可或缺的重要因素之一，且隨著能源、電子、機械、石化等產業之快速發展，對於稀土元素的需求更是逐年成長。由於低碳政策之轉型，預期其需求量會瞬間增加，特別是在永續能源方面之應用，如風力發電和電動車用之永久磁石，皆含有稀土金屬，且用量相當大。稀土之來源集中，主要來自於中國，其次是美國及俄羅斯等，因為稀有，故被視為國際重要戰略物資。然而，在稀土需求量持續增加、礦源大量開採的同時，環保的議題也相對獲得重視，如水質、土壤汙染等問題，皆會造成環境之負擔。有鑒於此，若能掌握稀土綠色技術之先驅，將可使國家處於穩定且領先之發展地位。
二氧化碳再利用之間接碳酸化技術有助於富鈣資源材料進行循環再利用。「富鈣資源材料轉製碳酸鈣於混凝土強化之應用」一文報導，工研院已成功將轉爐石、加工廢石粉、天然貝殼中富含之鈣元素提取，並轉製為高均質且分散之超微米輕質碳酸鈣。經電子顯微鏡觀察其表面形貌及粒徑分布於1~5 μm之間；晶體結構可分別製得單顆立方體方解石、花瓣型或實心球體球霰石；碳酸鈣純度可高達98%以上；毒性溶出測試及戴奧辛分析皆符合再生粒料之環保法規規範，且水中酸鹼值皆≤9.0，顯示其對環境友善度佳。而產製的輕質碳酸鈣可用作取代1~10%水泥添加量，成為混凝土強度增加劑，並以CNS混凝土試體製作及養護法進行抗壓測試。混凝土經符合CNS抗壓強度測試結果顯示，可得最高強度為320 kgf/cm2，相較未添加碳酸鈣之混凝土測試結果(239 kgf/cm2)，可顯著提升1.34倍，不僅降低高碳排水泥量，同時兼具固碳及循環經濟之多重效益。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2022年5月號《工業材料雜誌》或參見材料世界網，並歡迎
長期訂閱或加入
材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！