從溶液製程到光電元件，材料的創新與挑戰
相較於傳統的真空蒸鍍製程，材料以溶液製程完成光電元件的製作，具有高效的材料利用率，除可降低生產成本外，更可透過噴印、塗佈等製程技術應用於大尺寸顯示器、太陽能電池等產品的製造。有機電致發光顯示器(OLED)是溶液製程最成功的應用之一，為OLED產業帶來新的發展機遇，也
實現了軟性顯示器巨大之潛力；同時溶液製程技術在量子點、鈣鈦礦等領域的應用亦充滿了希望，特別是在高製造效率和降低成本方面。然而溶液製程須面臨如溶劑選擇、溶液穩定性以及材料沉降控制等諸多挑戰，例如無機粒子溶液需監控溶液中的微粒大小和分散性，以確保產品良率；另外，QDEL技術的進步也需仰賴溶液製程的優化，以實現高效率和長壽命。一項革新性技術的突破往往需要來自不同領域的共同努力，期許藉由本期「光電元件材料溶液製程技術」專題的拋磚引玉，醞釀出更多關鍵性的創新與跳躍式的瓶頸克服，促進科技蓬勃發展，為光電產業帶來更多積極的影響。
量子點(QDs)因其優異的光學與電子特性，成為顯示技術中的重要研究領域，特別是在新世代廣色域顯示器應用中。量子點墨水主要分為有溶劑型與無溶劑型，並應用於噴墨印刷(IJP)和光阻(PR)製程。噴墨印刷墨水需具備適當的黏度與流動性，以實現高精度圖案。有溶劑型墨水雖具良好的流動性，但溶劑揮發可能導致不易控制成膜品質；無溶劑型墨水具備更好的環保性與穩定性，適合長期應用。「量子點墨水材料技術」深入探討量子點墨水的類型及其應用，並強調其光學性能、製程挑戰及未來應用前景。
隨著顯示技術的不斷發展，量子點(QD)技術憑藉其出色的色彩表現力和能效優勢，在顯示領域逐漸占據一席之地。而量子點色轉換層技術則是一種提高顯示器色彩表現的關鍵技術。另一方面，噴印製程技術作為一種靈活、高精度的製造工藝，逐漸成為製作量子點色轉換層的理想方法。「噴印式量子點色轉換層元件製作技術」詳細探討噴印製程技術、量子點色轉換層技術及噴印式量子點色轉換層技術的原理和應用。工研院成功開發了一種利用厚膜BM擋牆結構的噴印QD色轉換層元件，並通過表面處理顯著提升了QD墨水的噴墨精度與製程能力。噴印式量子點色轉換層技術結合噴印的靈活性和量子點的卓越光學性能，為顯示器技術的提升提供了一種創新解決方案。而持續地優化製程技術和精進材料特性，噴印式量子點色轉換層技術有望在高端顯示領域取得更多突破，成為未來顯示技術的核心之一。
折射率材料的使用可減少發光源與封裝材(填平層)因折射率落差造成之光損失。「低黏度高分散―IJP噴印材料技術」以折射率材料的技術原理為引言，接續介紹工研院材料與化工研究所開發具折射率之低黏度、高分散有機無機奈米材料技術，並將其運用於量子點墨水以提升分散性與穩定性，延長IJP噴塗製程使用使間，完成元件製作。工研院材化所除了致力於相關折射率填平材料開發外，並將技術整合發展運用於IJP QLED(QD電激發光)與IJP-QDCC(QD色轉換)的相關墨水材料與製程開發，解決業界面臨之困境與問題，提升材料技術。目前已可穩定合成低黏度有機無機複合式材料，並運用於IJP噴塗，有效解決墨水粒子沉降與黏度變高的問題，成功於IJP噴塗製程延長使用時間。
三元有機太陽能電池作為高性能元件，近年來引起了廣泛關注，並取得顯著進展，其功率轉換效率甚至已超過19%。儘管加入第三種成分會增加製程的複雜度，但在學者們的努力下，這些問題正逐步被克服。目前的製程技術已接近於常規的二元有機太陽能電池，許多大面積製程技術已經開始應用於三元有機太陽能電池。同時，隨著技術的進步，有機太陽能電池的製作成本也逐漸降低至與矽基太陽能電池相當。有機太陽能電池在實現商業化之前仍需克服許多挑戰，「近期優化三元有機太陽能電池之策略與發展」主要探討三元有機太陽能電池當前面臨的瓶頸，以及該研究領域的進展與解決方案，透過如：主動層形貌控制、傳輸層選擇、大面積製程等策略，希望能夠推動有機太陽能電池向更成功的方向發展，並實現商業化目標。
鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、製程簡單、元件效率優異以及具廣泛的應用，在學者們不斷地推進下，光電轉換效率從2013年的3.9%飆升至2024年所認證的26.7%，已站到太陽光電領域的前端，引起前所未有的關注。「載子傳輸層應用於鈣鈦礦太陽能電池之近況與展望」針對電洞傳輸材料與電子傳輸材料於近年的進展，包含有機小分子、共軛高分子、富勒烯、非富勒烯等，透過如界面工程、缺陷鈍化、能階調整等策略，以確認這些傳輸層材料在鈣鈦礦系統中的有效性，在實現具有高效且優異穩定性之元件的同時，也為將來潛在的商業化描繪出一條途徑。
「低碳高效益太陽能複合背板」報導工研院材化所開發低碳高效益太陽能複合透明背板技術及太陽光電模組背板材料塗佈技術，透過抗紫外線配方調控與導入表層散射粒子增加膜材穿透性，成功開發出含有紫外光吸收劑與高安定性的耐候型樹脂材料，作為複合透明背板之耐候性保護層。這項技術符合台灣高溫、高濕及高腐蝕地理環境之需求，建立國內太陽光電模組國產背板供應鏈永續循環模式，未來回收時可將整個背板粉碎後重新填回PET材料使用，不僅較無毒亦具綠色環保效益。低碳高效益太陽能複合背板之耐候性保護層，已通過精密連續塗佈製程驗證，封裝製成雙面背板模組符合IEC 61215認證標準驗證。
「塗佈型量子點電激發光(QDEL)元件技術」一文指出，量子點電致發光元件(QDEL)因具有高效率、每個像素擁有完美的對比度、極薄的元件結構、低成本製程技術、適合未來軟性基板的應用等諸多優勢，被視為在有機發光二極體(OLED)之後下一代理想的顯示器。隨著材料與元件結構上的重要研究進展，其性能表現正在接近OLED。無毒、環境友善量子點材料、優化元件結構、電荷傳輸材料最佳化、透明電極導入和溶液加工生產製造技術提升，是目前QDEL元件之研究方向。工研院材化所開發QDEL元件之相關材料與塗佈製程，技術重點在作為電子傳輸層材料之ZnO粒子及低鎘量子點材料之合成，藉由不同前驅物比例及合成時間，控制粒徑大小和晶體結晶度，改變能階以配合各功能層之能階結構，達到最佳元件效率。
陶瓷不只是陶瓷，無機半導體材料之母
先進陶瓷與無機半導體材料的技術發展，無論是在電子、通訊、工業加工或建築材料方面，都展現出令人期待的潛力與前景。碳化矽材料的生產技術優化為高功率電子與光電子技術的發展提供了強大支撐；鋁鈧合金濺鍍靶材則為次世代通訊技術的進步奠定了基礎；超硬材料的進步，促進了高負荷工業應用的發展；而無機聚合物技術則為建材領域的綠色轉型帶來了新契機。隨著技術的持續突破和應用領域的拓展，這些材料將在未來高效能電子、工業製造和永續建築等領域發揮更為重要的作用。
「碳化矽長晶技術：利用COMSOL模擬分析PVT長晶爐熱場設計」旨在探討透過數值模擬技術優化碳化矽(SiC)長晶製程中的溫度分布，以提高晶體品質和生產效率。碳化矽因其優異的熱學和電學性能，廣泛應用於高功率電子器件和先進的光電子器件。然而，在長晶過程中，溫度分布的不均勻性常導致晶體缺陷生成，影響其最終性能。本文採用COMSOL Multiphysics®模擬軟體並以有限元素法(FEA)建立三維幾何模型，模擬呈現碳化矽晶體在生長過程中熱傳導的現象，以及電感加熱系統在溫度場控制中所扮演的角色。好的熱場設計是長晶成功的第一步，本文藉由COMSOL模擬軟體介紹模擬開發的環境，為碳化矽長晶製程提供製程優化的方向，以利加速製程開發。
全球5G/6G/WiFi 7等次世代通訊濾波器頻段逐步由N41拉至N77，鋁鈧(AlSc)靶的鈧含量需增加至20 at%以上來提升壓電係數與機電耦合係數，並降低訊號傳輸的損耗。但鋁鈧靶在高鈧含量下(Sc≧20 at%)易形成硬脆的鋁鈧介金屬化合物，不易加工、難以成形，且目前皆仰賴國外進口，因此需建置與開發AlSc合金靶關鍵技術細晶半導體靶材，以提升產業競爭力。「鋁鈧合金靶材成形與薄膜驗證」介紹通訊產業的演進與在其需求趨勢帶動下，鋁鈧合金濺鍍靶材的需求以及市場規模，並就工研院材化所建置的鋁鈧合金濺鍍靶材成形技術與氮化鋁鈧薄膜特性驗證做一介紹並詳述其成果。
高硬質材料以其卓越的硬度、耐磨性、熱穩定性與化學穩定性，在現代科技與工業製造中扮演了重要角色，特別是在軍工、航空航太、汽車製造、半導體技術及醫療設備領域。這些材料具備抵抗極端環境的能力，因此成為許多關鍵應用的理想選擇。「高硬質化合物材料技術與應用」介紹了包括碳化物、氮化物與硼化物等高硬質材料；因材料之合成方法與塊材製備等理論相近，特別以碳化鈦進行說明與介紹，以達舉一反三之效。隨著工業需求的不斷增長，超高硬質材料的開發和應用有巨大潛力。未來的研究方向應著重於提高材料的均勻性、穩定性及微結構的控制，以滿足更高效、更精確的製造需求。此外，應用於不同領域的高硬度材料製程技術仍需改進，以降低生產成本並提高材料的可靠性和可持續性。在推動材料性能與工業應用之間平衡發展的同時，對環境友好型製程的開發也將成為未來研究的重要課題。
傳統磚塊製造依賴黏土和高溫燒結，造成高能耗及大量二氧化碳排放。與傳統高溫燒製磚相比，無機聚合物技術展現出更大的環保潛力，特別是在消除磚塊生產中的高溫燒結階段，其非晶態結構可在燒結過程中轉變為半晶態或結晶陶瓷相，從而有效降低能耗。從經濟和環保的角度來看，這項技術不僅能顯著降低生產成本，還能縮短製程時間。「無機聚合技術應用於磚材製造」介紹無機聚合物技術在磚材製造中的應用潛力，可利用工業副產品或循環物料作為原料，透過鹼性溶液活化矽鋁酸鹽材料形成強韌的三維結構；文章同時整理了低溫無機聚合技術(LTGS)在製磚中的應用，證明其不僅能大幅降低能源消耗，還具備優異的抗壓強度。此技術有助於達成節能減碳目標，並為永續建材技術的發展提供了創新解決方案。
主題專欄與其他
市場瞭望專欄「Micro LED量產技術、材料與市場展望」指出，Micro LED性能優異，被視為下世代顯示器的最佳解決方案，隨著產業邁入量產階段，預估2023~2030年應用市場CAGR將會有98.6%的高速成長，不同技術路線的競爭也趨於白熱化，接下來如何持續突破瓶頸、降低成本，將成為業者發展重點。而成本下降關乎著材料技術的掌握，包括使用更大面積的晶圓、更小尺寸的晶片、能提升生產效率的巨量轉移材料、Bonding材料、色轉換材料、提升出光效率的封裝材料等。此外，臺灣在全球量產進度上具有領先優勢，對於國內材料業者而言，是一個值得關注的焦點產業。
材料與技術專欄「纖維素奈米微晶應用於傷口敷料之探討」將分兩期，深入探討纖維素奈米微晶在生醫領域中關於傷口敷料方面的應用前景。纖維素奈米微晶是纖維素奈米材料其中的一個種類，可透過不同製備方式，從木材、細菌、海鞘、真菌、甚至農業廢棄物等來源製成。作為第二代可再生資源，因具有許多理想的特性，如：高拉伸強度與剛性、大表面積、出色的膠體穩定性及表面改質能力等，被認為有取代石化產品的潛力，在許多領域中皆有其研究與應用。此外，目前已有許多文獻證實，儘管纖維素奈米微晶會因為製程條件差異具有不同性質，但透過適當的表面改質，可使該材料具有醫材所需的生物相容性，使纖維素奈米材料在生醫領域的應用當中具有良好前景。本篇將著重於探討纖維素奈米微晶於傷口敷料的應用特性，簡介皮膚傷口的癒合過程與傷口敷料的種類，並根據不同適應症所需的材料特性，回顧纖維素奈米微晶在止血、抗菌及載藥方面的文獻應用，顯示纖維素奈米微晶在傷口敷料應用的潛力。然而，纖維素奈米微晶在人體內的許多作用機制目前仍尚未明瞭，也被視為潛在安全疑慮，限制了其發展與應用性，這部分仍有待後續進行更深入的研究。
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2024年11月號《工業材料》455期或參見「材料世界網」，並歡迎
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