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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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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 3 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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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

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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