可彎曲的電池與 LED 構成全可撓式電子系統

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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