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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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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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。

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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
來源:內政部建築研究所

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。

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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。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

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。

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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%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

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。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

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。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

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。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

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。

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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。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

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。

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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。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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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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