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新型透明導電薄膜LFTO

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/10 ・2102字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

報導 / 江書賢

當你「滑」過智慧型手機時,你可知道玻璃面板的另一面,有一層透明的導電薄膜[1]。正是因為有這一層可以導電的透明薄膜的存在,扮演了類似皮膚下的觸覺受器,和神經的電流訊息傳遞的功能,觸控螢幕才能夠感受到你的碰觸。

透明導電薄膜,顧名思義,必須兼具有透明[2]和導電[3]這兩種特性,目前大多是使用金屬氧化物類的材料,稱為透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxides,TCO),尤其是以氧化銦錫(Indium Tin Oxide,通常簡稱為ITO)材料為主流。但是,因為氧化銦錫中的「銦」元素是稀有金屬,目前最大的蘊藏量與產量來自於中國大陸[4],而且近年來在國際市場上需求持續成長,價格攀升,未來也可能面臨原料短缺的問題,所以目前世界各地的許多廠商與研究機構都正在研發可以替代氧化銦錫的材料。

工業技術研究院的材料與化工研究所開發出了一種新型的透明導電薄膜材料[5],稱為LFTO(鋰氟共摻雜的氧化錫)。這一種材料的原料不含銦原子,成本便宜,容易取得,而且在穿透率與導電性上比目前主流的氧化銦錫,或其他材料有更優越的特性[6],因此成為一種有應用潛力的新材料。

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除了材料本身之外,透明導電薄膜製程的設計,會影響材料的有效使用率、產品良率,以及生產速度,這些也是產業界中各廠商彼此競爭的重點。目前主流的ITO薄膜是使用「真空濺鍍」製程來製造,這代表在鍍膜的時候需要把待鍍的玻璃板放在把內部空氣抽掉[7]的真空設備環境中。而工研院開發的LFTO可以使用「大氣壓噴霧熱裂解法(Spray Pyrolysis Decomposition)」(本文以下簡稱「大氣噴鍍」)進行鍍膜工作,只需要在一般的大氣環境中就可以進行。根據工研院材化所的研究同仁表示,目前的線寬已可達10 ~ 30 微米,已可充分滿足一般觸控面板所需要的電路圖案線寬(大於15微米)的需求。

圖片1
圖一:大氣噴鍍系統。LFTO的前驅物是透明的液體,在噴鍍設備中被加熱、變成霧狀,氧化並附著在基板(如玻璃等)上,形成薄膜層。照片攝於工研院材化所的實驗室。
圖片2
圖二:大氣噴鍍系統的噴嘴;下面是待噴塗鍍膜的玻璃基板。照片攝於工研院材化所的實驗室。

兩種製程相比,大氣噴鍍不但過程簡便許多、設備建置成本只有真空濺鍍系統的10% [5]、而且有效鍍膜材料使用率高(真空濺鍍:約50%~60%;大氣噴鍍:85% ~ 90% [5])。除此之外,生產速率也大幅提高(真空濺鍍:每分鐘3 ~ 5公尺;大氣噴鍍:每分鐘7公尺以上[5])。大氣噴鍍能夠使用比真空濺鍍更低溫度的製程來進行鍍膜,這也表示大氣噴鍍可以被鍍在可耐受溫度更低的基板,也就是說,可以適用在更多種類的材料上。

除了用在觸控面板的回饋電路、太陽能電池的面板等,大氣噴鍍也可以應用在節能建築的隔熱玻璃建材:因為LFTO材料雖然對於可見光來說是透明、可穿透的,但是卻可以反射陽光中的紅外線,所以若在玻璃窗上鍍一層大氣噴鍍LFTO薄膜,可以造成隔熱效果。除此之外,薄膜的耐候性佳(也就是說不容易在環境中受光照、溫度、風雨等因素的影響而破壞、變質)、化學穩定性高(耐酸鹼)、耐刮、容易噴塗等特性,使得它能容易的被應用在建築物的窗戶、屋頂、外牆上。[8]根據研究人員表示,接下來的開發目標放在使用其他方式進行大氣噴鍍的製程-例如大氣電漿法鍍膜,如此可以使製程溫度再降得更低,讓LFTO導電薄膜能夠更容易被應用在各種材料的基板上面,也將持續改進製程,使生產廠商更願意改換使用這項技術。

註解與參考資料

  1.  確切的來說,也可能不只一層,情況依照觸控面板的設計而定。能夠達成觸覺感應功能的面板設計有許多種不同的形式,在本文中將介紹的透明導電薄膜特別是電容式觸控的關鍵材料。關於各種觸控面板的設計方式可以參閱維基百科的「觸控螢幕」詞條。
  2.  也就是材料可以被可見光穿透的特性。在專業上以「穿透率」來表示與衡量,一般要求必須在80%以上。
  3.  物理上一般常以電阻率(Resistivity)來衡量材料的導電性,單位為:「歐姆.公分」。電阻率愈低,導電性愈好。產業界目前一般對導電薄膜的電阻率要求大約在10的負三次方以下。對於薄膜電阻,在實用上常特別以「片電阻(Sheet Resistance)」來衡量,單位為:「歐姆/平方」,它的量綱和歐姆相同,詳情可以參見維基百科的「薄膜電阻」詞條。
  4.  請參閱維基百科的「」詞條。
  5.  陳俞君、林晉慶,《新型透明導電薄膜應用於投射式電容觸控面板》,工業材料 297,2011年九月,第144-151頁。
  6. 各種透明導電材料的比較,可以參閱[5]的「表一」。
  7.  嚴格來說,物理學上的極限使我們不可能真的把一個密閉空間內的所有氣體都完全抽掉,但是我們可以抽出大部分的氣體,使得真空設備內部空間中的氣體數量少於我們生活空間中的一般環境,因此氣壓降低。氣壓愈低代表真空度愈高,也需要花費愈多的能源成本、時間與更強的設備去抽真空。根據不同的製程與成品品質的要求,鍍膜時需要選擇相對應的適當真空度。
  8. 智慧化居住空間_系列專題報導_技術專題_兼具環保與節能的創新科技產品。

技術專頁:新型透明導電薄膜 LFTO

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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當玻璃也能身段柔軟時-R2R製程技術/卷對卷超薄基板技術
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2014/01/13 ・645字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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19-R2$卷對卷報導/廖英凱

隨著國際潮流與產業需求,「輕、薄、大面積、可撓曲」已成為業界炙手可熱的話題及趨勢。而目前主流的觸控螢幕中,電容式觸控螢幕更為人們所使用,典型的例子莫過於引發行動裝置革命的iPhone了。電容式觸控螢幕的基本原理,是將一個絕緣體的螢幕玻璃基板(或是塑膠基板)內側塗上可導電的傳導層,並在傳導層施加一個微小的電壓,形成一個均勻的靜電場。當手指或可導電的物體從螢幕的另一面接觸時,有靜電場的傳導層和可導電的手指之間便形成了一個動態的電容,測量此電容的位置和大小就可做為觸控訊號的依據。

觸控元件生產的方式可分為板對板式(sheet to sheet)與卷對卷式(roll to roll, R2R)兩種方式。枚葉式,是將加工品一片一片的送入機器加工,適用於較硬無法彎曲的基板。而卷對卷式的加工則可用於可彎曲的基板,以連續生產的方式在基板上加工為觸控元件,因此生產速度比枚葉式快上許多。

工研院電光所的「R2R製程技術/卷對卷超薄基板技術」計畫,正是利用超薄可撓基板的特點,結合卷對卷式製程,大幅提高產能降低成本。

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未來可以打造出輕薄且曲面的新穎手機,增加行動裝置內的設計空間彈性也可以用於OLED照明燈具與太陽能電池等產品,近年來許多穿戴式電子產品的概念與研發消息也不斷問世,相信這項技術的研發,將有助於我國產業引領下一代的軟性電子科技風潮。

技術專頁:玻璃卷對卷、觸控新里程

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當你「滑」過智慧型手機時,你可知道玻璃面板的另一面,有一層透明的導電薄膜[1]。正是因為有這一層可以導電的透明薄膜的存在,扮演了類似皮膚下的觸覺受器,和神經的電流訊息傳遞的功能,觸控螢幕才能夠感受到你的碰觸。

透明導電薄膜,顧名思義,必須兼具有透明[2]和導電[3]這兩種特性,目前大多是使用金屬氧化物類的材料,稱為透明導電氧化物(Transparent Conducting Oxides,TCO),尤其是以氧化銦錫(Indium Tin Oxide,通常簡稱為ITO)材料為主流。但是,因為氧化銦錫中的「銦」元素是稀有金屬,目前最大的蘊藏量與產量來自於中國大陸[4],而且近年來在國際市場上需求持續成長,價格攀升,未來也可能面臨原料短缺的問題,所以目前世界各地的許多廠商與研究機構都正在研發可以替代氧化銦錫的材料。

工業技術研究院的材料與化工研究所開發出了一種新型的透明導電薄膜材料[5],稱為LFTO(鋰氟共摻雜的氧化錫)。這一種材料的原料不含銦原子,成本便宜,容易取得,而且在穿透率與導電性上比目前主流的氧化銦錫,或其他材料有更優越的特性[6],因此成為一種有應用潛力的新材料。

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除了材料本身之外,透明導電薄膜製程的設計,會影響材料的有效使用率、產品良率,以及生產速度,這些也是產業界中各廠商彼此競爭的重點。目前主流的ITO薄膜是使用「真空濺鍍」製程來製造,這代表在鍍膜的時候需要把待鍍的玻璃板放在把內部空氣抽掉[7]的真空設備環境中。而工研院開發的LFTO可以使用「大氣壓噴霧熱裂解法(Spray Pyrolysis Decomposition)」(本文以下簡稱「大氣噴鍍」)進行鍍膜工作,只需要在一般的大氣環境中就可以進行。根據工研院材化所的研究同仁表示,目前的線寬已可達10 ~ 30 微米,已可充分滿足一般觸控面板所需要的電路圖案線寬(大於15微米)的需求。

圖片1
圖一:大氣噴鍍系統。LFTO的前驅物是透明的液體,在噴鍍設備中被加熱、變成霧狀,氧化並附著在基板(如玻璃等)上,形成薄膜層。照片攝於工研院材化所的實驗室。

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圖二:大氣噴鍍系統的噴嘴;下面是待噴塗鍍膜的玻璃基板。照片攝於工研院材化所的實驗室。

兩種製程相比,大氣噴鍍不但過程簡便許多、設備建置成本只有真空濺鍍系統的10% [5]、而且有效鍍膜材料使用率高(真空濺鍍:約50%~60%;大氣噴鍍:85% ~ 90% [5])。除此之外,生產速率也大幅提高(真空濺鍍:每分鐘3 ~ 5公尺;大氣噴鍍:每分鐘7公尺以上[5])。大氣噴鍍能夠使用比真空濺鍍更低溫度的製程來進行鍍膜,這也表示大氣噴鍍可以被鍍在可耐受溫度更低的基板,也就是說,可以適用在更多種類的材料上。

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除了用在觸控面板的回饋電路、太陽能電池的面板等,大氣噴鍍也可以應用在節能建築的隔熱玻璃建材:因為LFTO材料雖然對於可見光來說是透明、可穿透的,但是卻可以反射陽光中的紅外線,所以若在玻璃窗上鍍一層大氣噴鍍LFTO薄膜,可以造成隔熱效果。除此之外,薄膜的耐候性佳(也就是說不容易在環境中受光照、溫度、風雨等因素的影響而破壞、變質)、化學穩定性高(耐酸鹼)、耐刮、容易噴塗等特性,使得它能容易的被應用在建築物的窗戶、屋頂、外牆上。[8]根據研究人員表示,接下來的開發目標放在使用其他方式進行大氣噴鍍的製程-例如大氣電漿法鍍膜,如此可以使製程溫度再降得更低,讓LFTO導電薄膜能夠更容易被應用在各種材料的基板上面,也將持續改進製程,使生產廠商更願意改換使用這項技術。

註解與參考資料

  1.  確切的來說,也可能不只一層,情況依照觸控面板的設計而定。能夠達成觸覺感應功能的面板設計有許多種不同的形式,在本文中將介紹的透明導電薄膜特別是電容式觸控的關鍵材料。關於各種觸控面板的設計方式可以參閱維基百科的「觸控螢幕」詞條。
  2.  也就是材料可以被可見光穿透的特性。在專業上以「穿透率」來表示與衡量,一般要求必須在80%以上。
  3.  物理上一般常以電阻率(Resistivity)來衡量材料的導電性,單位為:「歐姆.公分」。電阻率愈低,導電性愈好。產業界目前一般對導電薄膜的電阻率要求大約在10的負三次方以下。對於薄膜電阻,在實用上常特別以「片電阻(Sheet Resistance)」來衡量,單位為:「歐姆/平方」,它的量綱和歐姆相同,詳情可以參見維基百科的「薄膜電阻」詞條。
  4.  請參閱維基百科的「」詞條。
  5.  陳俞君、林晉慶,《新型透明導電薄膜應用於投射式電容觸控面板》,工業材料 297,2011年九月,第144-151頁。
  6. 各種透明導電材料的比較,可以參閱[5]的「表一」。
  7.  嚴格來說,物理學上的極限使我們不可能真的把一個密閉空間內的所有氣體都完全抽掉,但是我們可以抽出大部分的氣體,使得真空設備內部空間中的氣體數量少於我們生活空間中的一般環境,因此氣壓降低。氣壓愈低代表真空度愈高,也需要花費愈多的能源成本、時間與更強的設備去抽真空。根據不同的製程與成品品質的要求,鍍膜時需要選擇相對應的適當真空度。
  8. 智慧化居住空間_系列專題報導_技術專題_兼具環保與節能的創新科技產品。

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