可彎曲的電池與 LED 構成全可撓式電子系統

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

美國研究人員研發出第一個具有彈性且透明的全石墨烯(graphene)數位調制器。此元件可望應用於許多領域，包含高速資料通訊電路、可撓式太陽電池、顯示器、電子紙以及智慧型服裝等。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料，具有蜂巢狀晶格結構及許多獨特的電子與機械性質。例如，石墨烯極高的載子遷移率使其可作為超快電晶體的內連線材料以及通道材料；透明的石墨烯從可見光到中紅外光波段的光學性質也非常吸引人，而石墨烯具備機械彈性卻又極為強韌則是另一重要優點。

此研究由密西根(Michigan)大學的Zhaohui Zhong團隊所完成。Zhong表示，此研究成果對於結合高速通訊與可撓透明平台是相當重要的進展，而實驗中僅使用兩個石墨烯電晶體便達成四位元數位調變功能，更是全石墨烯高速資料通訊電路上的重要里程碑。他們的調制器包含電晶體通道、內連線、負載電阻及源/汲/閘極電極全部由石墨烯元件組成，利用石墨烯電晶體特有的「雙極性」(ambipolar)閘極響應進行數位訊號的編碼。雙極性意指材料內的電子與電洞皆能傳導電流，只需改變閘極偏壓便可切換使用的載子種類；相形之下，一般半導體中的載子種類在摻雜時便已決定。

大多數的調變技術是藉由改變載波信號的振幅、頻率、相位或以上三者來處理資訊。改變一個參數可以用來表示二位元資訊(0與1)，結合兩種以上的二位元調制方式，便能用來表示四位元資訊(00, 01, 10及11)，此即密西根團隊的石墨烯數位調製器的編碼運算方式。

Zhong表示，四位元調制方式如四重相偏移調變(Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK)，是高效率編譯方法的主要建構基石，這些較高效率的編譯方式已廣泛使用於今日的電信通訊標準中。該團隊已使用此透明全石墨烯調制器執行QPSK，這顯示此類元件在可撓式無線通訊應用上極為看好；相形之下，一般以矽材料製作的調制器不具彈性，因此無法應用於可撓式電子設備上。另外，拜雙極性之賜，此調變器僅須使用兩個石墨烯電晶體，大幅化簡了電路的複雜度。

受到此初期實驗結果的激勵，該團隊打算進一步改良此石墨烯電路，使其能在十億赫茲(GHz)的頻率下工作。詳見Nature Communications｜DOI:10.1038/ncomms2021。

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘

資料來源：Digital modulator goes transparent. NanoTech [Aug 23, 2012]

轉載自 奈米科學網

將一種新的可撓式、薄膜鋰離子電池連接到一個彈性有機 LED 上，一個來自南韓的研究團隊展示第一個功能完整的全可撓式電子系統（all-flexible electronic system，全軟性電子系統）。換句話說，他們證明了，在不需要大量電子零件的協助下，彈性顯示器與電池能完全整合在單一塑膠基質上。這項成就依賴一種新的製造方法，那使得彈性電池能與各種電極材料配合（work with），克服先前的電極限制。

研究者，來自南韓大田的 Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)，已將其可彎曲鋰離子電池的研究發表在最近一期的《Nano Letters》上。

雖然已有其他數種彈性鋰離子電池被開發出來，但在運作穩定性上，沒有一種的表現，足以使其被應用到商業化產品中，例如可捲曲（rollable）顯示器以及其它可撓式消費性電子產品。理由是，由於製造上的困難度，這些電池的電極只能以少數幾種材料製成，而且這些材料的表現也不優。如共同作者，KAIST 的 Keon Jae Lee 的解釋，某類理想的陰極材料會是鋰過渡金屬氧化物，然而，這類材料目前無法被整合到可彎曲的鋰離子電池內。

「被當成陰極使用的鋰過渡金屬氧化物，為其結晶度（crystallinity），得在高溫下處理（例如：鋰鈷氧化物約需攝氏 700 度），」 Lee 表示。「然而，要熱處理彈性基質上的活性材料（如聚合物材料）是不可能的事。」

為了克服這項限制，研究者開發出一種製造技術，允許他們熱處理電極材料，幾乎使任何材料都能拿來當電極用。這項技術，稱為萬能轉移法（universal transfer method），涉及將電池材料以有機方式沈積到脆雲母（brittle mica）基質上，與標準非可撓式電池組裝中所用的類似。接著，研究者使用膠帶將雲膜基質一層層地剝離。在大約 10 分鐘的「剝皮」後，研究者能移除所有的雲母基質而不會損害到薄膜電池。

接下來，彈性電池被轉移到一張彈性聚合物薄片上，並以另一張彈性聚合物薄片覆蓋。成果是一個彈性鋰離子電池，幾乎能以任何電極材料製成。在此，研究者把鋰鈷氧化物當陰極材料用，由於其高效能，在非可撓式鋰離子電池中，那目前是使用最廣的陰極。至於陽極，他們使用傳統的鋰。

「我們製造出一個高效能彈性鋰離子電池，利用高密度無機薄膜以萬用轉移法製成，不管電極化學成份為何，使各種不同的鋰離子電池得以實現，」Lee 表示。 「此外，為了高效能鋰離子電池，它能在聚合物基質上形成在高溫下退火的電極。」

測試時，研究者證明，新彈性鋰離子電池，具有可撓式鋰離子電池中，最高的充電電壓（4.2 V）與電荷容量（106 μAh/cm^2）。他們亦證明該電池能以高曲率角度彎曲。然而，在 100 次的充放電週期後，電池喪失掉一些容量。彎曲變形的程度，它維持在原本容量的 88.2% 與 98.4% 之間。

如研究者的解釋，幫助他們在高曲率角度下達到有史以來最高效能的一項秘訣是，將電池的活動部件置於電池薄膜的力學中立空間（mechanically neutral space）內。當電池薄膜彎曲時，平衡作用（counterbalance）在外側的伸長應變（ensile strain）與內側的收縮應變（compressive strain）之間形成，那在中間創造出一個力學上的中立平面。此外，研究者算出，在某種程度的彎曲下，收縮應力轉變成拉伸應力的那一點，其穩定性甚至比在脆弱的基質上更大。這項發現暗示，可撓式鋰離子電池也許比非可撓式鋰離子電池具有更高的穩定性與更好的效能。

為了打造首個功能完整的全可撓式電子系統，研究者將彈性鋰離子電池連結到一種可撓式有機 LED 上，後者在一種可撓的氧化銦錫基質上被製造出來。研究者接著以彈性聚合物包裹整套系統以強化力學穩定性。他們證明，甚至當電池處於彎曲狀態下，仍然可以供電給 LED。

在未來，研究者計畫改良電池效能，尤其是它的能量密度，同時研究透過一階段雷射抬昇製程（one-step laser lift-off process）而非使用膠帶，來大量製造。他們亦注意到這種新穎的萬用轉移方法能延伸到其他彈性裝置的製造，例如：薄膜奈米發電機、薄膜電晶體以及熱電裝置。

「我對於可撓式能源與自力供電之壓電能量收成，叫做奈米發電機，的結合有興趣，」Lee 表示，「全彈性電子系統及其與奈米發電機的擴充，可以預期會改變我們的日常生活。此外，為了要在消費性電子產品中實用化，增加電容量很重要。因此，這種 10 微米厚薄膜電池的 3D 堆疊，將會是一個有趣的主題。」

資料來源：Bendable battery and LED make up the first functional all-flexible electronic system. phys.org [August 10, 2012]

轉載自 only perception