開發軟性電子產品的必備工具-掌握軟物質材料的分析技術

 

刊登日期:2007/11/16
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西游記中,由於孫悟空具有那雙一望無際的「火眼金睛」識破妖怪,才得斬妖除魔以及護衛唐三藏往西天求取真經。同樣的,在材料之研發、設計、製造上,為了比其他競爭者更早洞察先機,快速獲取尖端科技產品之關鍵知識,一般也都須要前瞻之材料檢測與分析技術來獲取設計、製造產品時之相關知識,如此才得以比其他競爭者更早累積基礎能力與應用知識能量。因此,建構前瞻材料檢測與分析技術便可進一步為國內科技產業打下「火眼金睛」基礎,以獲取西天之真經(設計、製造之關鍵知識)的作法,便成為知識經濟下,材料研發上必走之路。

軟性電子產品因為具有輕、薄、耐衝擊、不易破碎、攜帶方便等特性,甚至具捲曲性與穿戴性而備受期待,同時可因連續捲對捲(Roll-to-roll)及印刷(printing)方式生產,大大降低生產成本,已被視為下世代電子產品的發展新趨勢。然而目前許多的電子元件都是以無機材料作為元件承載基板,雖耐高溫且元件特性佳,但不易符合軟性電子產品的要求。而全以有機材料做為基板時,又有無法耐元件製程溫度的問題,同時又因有機基板與元件材料間熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)差異過大而導致熱應力過大,嚴重影響到產品的可靠度。所以採用有機/無機混成軟物質材料(Hybrid Soft Materials)的設計,取兩者之優點而避其缺點,是極被看好運用在軟性電子產品的新材料設計。

有機無機混成軟物質材料是一種可經由有效的調控於奈米尺度下的混成系統,具有多樣化之形貌特性,進而可呈現特殊的奈米性質。其在奈米尺度下(1~10nm)的微結構,如無機奈米微粒之形態、分佈、排列方向與組成成份,是影響其材料電、磁、熱、機械特性的最重要因素。工研院材化所奈米混成有機材料及應用研究室利用先進之製程技術正在發展自組裝奈米層狀基板材料。這一類混成基板是以無機物為主(Host; 50~85 vol%),有機物為輔之自我組裝(self-assembly)奈米層狀(nanolaminated)材料。其特點為具有良好的透光率與極低的熱膨脹係數,是未來應用於有機發光顯示器與有機太陽電池等元件相當具發展潛力之flexible基板材料。要達到超高透光率、極低熱膨脹係數及耐久性的目標,則必須同時具備快速乾燥兼良好阻氣性之材料設計與製備技術,例如以應力/應變場/流場導引形成大面積同方向奈米結構排列之coating製程技術。

先進樣品與電鏡分析技術
透過「先進樣品與電鏡分析技術」,其主要特色即在於掌握「軟硬兼備」之混成有機材料之樣品前處理及其電鏡分析技術,藉此探討並驗證微結構與材料基本性質間的關連性,進而加速材料開發之成功性。

冷凍超薄電鏡樣品製備技術
自我組裝性奈米層狀透明基板之微結構觀察首要突破的即是電子顯微鏡的樣品製作技術。這類樣品必須倚賴冷凍超薄切片技術(cryo-ultramicrotomy)方能完成,冷凍超薄切片技術是一項需要經驗累積的技術。溫度的控制對冷凍超薄切片技術的成功與否相當重要(Knife溫度尤其重要),一般而言溫度控制是先降至低溫(一般是低於Tg點)再依據材料之軟硬程度調升溫度至最適當的溫度(optimum temperature)。對於軟硬混合材料,利用冷凍超薄切片技術來製作樣品是相當困難地,因為silicates(硬質)與PEO(軟質)間的黏滯性(adhesion)或是說介面鍵結的強度會影響到切片之成敗,往往因為刀片經過這些介面時會將clay切出來,因而造成不平整且clay不完整的結果。

工研院材化所微結構與特性分析實驗室與京都大學共同研究,突破了幾個有機/無機混成材料之冷凍超薄電鏡樣品的製備技術點,包括(1)製作有溝槽型樣品載台,增加樣品附著性及樣品修飾成功率,如圖一所示;(2)低溫(約-70℃)精細表面修飾技術,如圖二所示;(3)TEM樣品切片厚度達到<70nm。整個冷凍槽如圖三所示。


圖一、樣品鑲埋置有溝槽之樣品載台上


圖二、低溫(~-70℃)精細表面修飾步驟圖
資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第251期


圖三、玻璃刀與冷凍鑽石切片刀進入冷凍槽示意圖
資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第251期


有機/無機混成材料之微結構特性
透過TEM顯為微鏡觀察可以了解在不同製程下Casting與lade之PEO(軟質)/Clay(硬質)複合材料之Clay分散性微結構。從圖四的高倍率TEM剖面微結構顯微影像圖顯示clay是以均勻方式分佈在PEO基材中,,Clay屬於片狀微結構形貌,長度約30~40nm。


圖四、Casting製程PEO/Clay之低倍率TEM剖面微結構顯微影像圖
資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第251期


圖五、Blade製程PEO/Clay之低倍率TEM剖面微結構顯微影像圖。Clay在PEO內部之分散性不佳,且有團聚情形產生
資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第251期


圖六、Blade製程PEO/Clay之高倍率TEM剖面微結構顯微影像圖。Clay在PEO內部之分散性不佳,且有團聚情形產
資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第251期

圖五(a)是Blade製程樣品之低倍率TEM截面微結構示意圖,結果顯示clay在PEO內部之分散性不佳有團聚現象產生,研究結果也發現部分區域有膜層破孔之情形。圖六高倍率之TEM截面微結構分析結果顯示clay在PEO內之團聚現象比casting樣品明顯,clay沒有被均勻地分散在PEO內部,有些區域有明顯破孔現象產生。這顯示blade製程下clay在PEO基材內之均勻性不是很好。

工研院材化所積極建構先進的材料分析技術平台
為因應未來高科技材料研究的趨勢,工研院材化所已建構並完成相關之精密材料分析設備及技術,如表面介面分析技術、微結構分析技術、薄膜材料分析及有機高分子材料分析技術,這些材料分析之基楚研究設備可說是已達到世界一流設備之水準。但對於如高分子材料、有機材料、混成材料與現場分析(In-Situ Analysis)等之多元性微結構分析技術卻一直有其能力上之限制,而軟性電子材料近來已逐漸成為未來科技工業發展之重要應用趨勢,對應之材料檢測與分析上的要求也就越來越複雜。是故軟物質與In-Situ 分析之材料檢測與分析技術之開發將是我們目前正極力建構的目標;如有機太陽電池、軟性電子元件與記憶體、有機TFT顯示器等之分析技術,以獲取軟性電子產品設計、製造之關鍵知識並提升國內軟物質科技產品之特殊設計或先進製造技術之能力。期望能透過已建置之軟物質與In-Situ分析檢測能量之基礎,像太上老君之煉丹爐(設備)需要三昧真火(能量)一樣,為國內科技產業粹煉出前瞻軟性電子材料研究的火眼金睛,大幅提升全國工業界世界一流水準之材料檢測與分析技術及快速擴散材料檢測與分析技術於資訊、電子、平面顯示器等產業界後續應用與研發使用,並能結合產業界進行具時效性產業之量產開發,使我國當前的高科技產業更具競爭力,同時也帶動國內產業技術轉型之基礎。

聯絡人:羅聖全 03-5915296    林麗娟 03-5916922

★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6442


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