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立刻看透LED熱情的內心-線上即時熱能分析儀

PanSci_96
・2014/11/10 ・1465字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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圖1

文/劉珈均

工研院的「線上即時熱能分析儀」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」雙雙獲得2014「全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)」,此獎項素有科技界奧斯卡獎之稱,是市場鑑定新技術的重要指標,今年邁入第52屆。「線上即時熱能分析儀」大幅提升發光二極體(Light Emitting Diode, LED)量測熱阻的速度達千倍,且可在生產線上即時量測,工研院也已與儀器業者旺矽科技合作技術轉移,實際應用於提升LED品管品質與生產效率。

深入了解這技術前,得先認識一下熱阻與LED的關係,熱阻(thermal resistance)是熱能在傳導途徑上遇到的阻抗,反映介質本身或介質與介質間的熱傳導能力,換言之,也是物體對熱能傳導的阻礙效果。

傳統光源如鎢絲燈或鹵素燈透過加熱燈絲發光,熱由光源正面以光輻射方式傳出,同時散發出的紅外光讓人感受到熱氣;LED不會讓人感受到熱,但並非不發熱,而是 LED所產生的廢熱從晶粒傳導而出,LED功率愈高,產生的廢熱愈多,加上體積要愈做愈小,散熱就成為問題。因此主要靠傳導進行的LED散熱機制,便需要以熱阻作為散熱性能好壞的指標。

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LED漸成照明光源主流,但高功率LED仍與熱的問題糾纏,熱會影響LED的壽命、顏色與亮度。過熱會造成LED波長改變、發光效率下降,繼而使顏色產生變化、亮度降低,隨之影響到可靠度。對於LED封裝散熱能力的評估,就透過熱阻量測,若熱阻的數值大,表示熱不易傳遞,套件產生的溫度較高,也有損LED壽命。

工研院電光所元件測試驗證部專案副理王建評比喻:「熱就像內傷一樣,若只從一般的光電檢測是看不出來,但長期影響很大。」不論設計、檢測或可靠度分析,都需要知道熱阻,只要能掌握LED熱阻數據,就能推估產品的壽命、效率及光品質。

王建評是主導此技術的研發人員,他解釋,早期熱阻量測程序複雜,要把LED擺在爐子裡利用空氣加熱以達到控溫目的,一顆LED要經過幾個溫度測試,以求出溫度與LED電壓的關係式;後來改以熱電制冷器,控溫速度較快;熱電控制器出現後,過程由半天縮短到10~20分鐘,一小時測六顆,但這樣的時間仍太久──對比LED光學量測,一顆只要0.1秒即能完成光度或電壓量測!生產線上一個機台一天產量可能是數萬顆以上,熱測與其他量測的速度差異非常大,所以熱測始終無法成為廠商品管時的依據,基於生產效率考量,業者多只在產品設計階段時於實驗室進行熱阻量測。

工研院技術的突破點在於解析「固晶層」,在生產線上,固晶的製程是影響LED熱阻最大的參數,王建評說:「我們發現,其實我們不需要從頭到尾將整個元件分析完畢,只要分析那層固晶層,就能知道這顆元件好不好。」以前要等整顆LED達到熱平衡,現在只要等熱能傳到固晶層,分析資訊就足夠了,量測時間因此大幅縮短。

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固晶製程難以達到品質完全均勻,一批產品有好有壞,但一顆熱阻量測的時間太久了,廠商都採抽樣,一批樣品可能只抽一顆測試,因此原有的技術限制之下,難以得知那批產品好壞比例,無法準確掌握LED產品可靠度。

而今工研院研發的「線上即時熱能分析儀」已能成功與LED自動化光電分類機台整合,在生產線上即時測量,組成全球首套自動化LED熱阻測試設備。兩相結合下,整套設備每小時的量測速度可達12000顆元件,相當於量測一顆元件只要0.3秒,比起以往在實驗室一小時量測六顆,速度快了整整2000倍。

「我們有些人畢業後就直接在工研院工作,我們也跟廠商學了很多業界的東西、機台開發的技巧。」王建評說,現階段量測光學與熱阻的機台分開,但可互相支援,一台光電量測機台可搭配數台熱能分析儀,如此便能應付生產線上大量的LED,這是廠商覺得可行的方法,未來團隊也會繼續研究將測試熱阻的功能整合到既有機台上。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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有興趣的事就可以做很久——張允崇專訪
顯微觀點_96
・2024/09/07 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

首圖用
圖/顯微觀點

「從高中生開始到大學生,甚至到研究所碩士、博士,其實你只要做一件事-叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作,不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員,還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員,並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代,加上他對光學和雷射很有興趣,因此選擇光電半導體作為研究領域,其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED(發光二極體,light-emitting diode)是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時,電子與電洞複合以光子的形式釋放能量,而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

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一開始以磷化鎵砷(GaAsP)為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低,因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED,但一直缺少藍光 LED,就無法以光的三原色-藍、綠、紅,來任意組成不同的顏色,尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年,日本日亞化學(Nichia Corporation)的中村修二成功把鎂摻入,成功以氮化鎵和氮化銦鎵(InGaN)開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後,白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體,帶來了節能明亮的白色光源」的理由,將獎項頒給中村修二,以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說,當時藍光 LED 領域正好當紅,因此博士班期間以及回台任教之初,便以此為研究材料進行研究。

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但很快地,藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多,相關應用和研究到達瓶頸,要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄,就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始,投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」,推動奈米科技發展。因此,張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程,其中一個便是奈米球鏡微影術(Nanospherical-Lens Lithography,NLL)。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻,藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列,這樣不僅可以大面積生產,使用的設備也是產業界既有生產設備,成本相對低廉。

「到 2018 年,我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示,儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量,但在學術發表上外界期望看到「新功能」,加上後來到中研院任職,資源較多,便不再限制於奈米球上,而是開發各種奈米製程和新功能。

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張允崇
擔任 2024 Taiwan顯微攝影競賽評審的張允崇認為,像顯微攝影這樣「較為學術」的攝影競賽,加分之處在於拍攝者發揮創意,在平凡無奇圖案中找到有趣的地方,例如某個角度像朵花或是用不同的染色變成有趣的圖案。圖/顯微觀點

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究,沒有任何一個公式在投影片裡」,張允崇笑稱因為自己的數學不太好,所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例,儘管背後有很多數學推導,但在他們實驗室的研究開發中,便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺,進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」,不如說張允崇更看重科學直覺和實作,這不僅表現在他的研究,也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽,起因於他參與國際光電工程學會(International Society for Optics and Photonics, SPIE)的年會時,擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審,氣氛不錯。

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加上當時張允崇在台大物理系兼職,教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」,比起考試他更希望學生能從做中學,因此便參考年會外展活動的概念,讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽,就像區域競賽比得好,比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師,才將全國競賽籌備起來。

不過,競賽今年邁入第三屆之際,回顧這一路走來,張允崇認為,競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示,許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時,早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

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「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好,可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域,你就被他綁住了,博士班再讀(其他領域)好了,其實也跳不太開了。」張允崇說,不只選錯路不易回頭,進而出現「學用落差」外,學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽,讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師,不喜歡;大二可以換一個、大三再換一個,老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」,張允崇表示,就算學生不用跟著老師的計畫題目,教具做不出來也沒關係,單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容,進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說,考試答案都是已知的,學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此,答案都是未知的,因此培養解決問題的能力,包含問對人找到解決方法,更為重要。

而要培養解決問題能力,最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現,不僅限於書本與公式;例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工,甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室,就算「自認不適合讀書」,也能從中發現自己的專長和定位。

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從半導體到奈米光學,再到生物感測,張允崇的研究領域很廣,「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱,「優點是領域很廣,但缺點是『你問我做什麼題目,我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西,就可以做好一件事,「因為你會願意花很多時間」。

電子顯微鏡
使用電子顯微鏡拍下的奈米球,如同擺放在球釘上的高爾夫球。圖/顯微觀點

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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用 LED 燈傳資料?探秘可見光通訊的前世今生
數感實驗室_96
・2024/06/22 ・768字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑,LED 燈怎麼能傳數據?其實,這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種,而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分,只是頻率更高。既然都是電磁波,那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝,人們就用烽火台來傳遞戰情;我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話(Photophone),且 1880 年 4 月 1 日,貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

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然後?就沒有然後了,光通信技術沉寂了一百多年,直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然,我們也要提到,像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線,但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以,嚴格來說,可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界,燈光不僅僅是照明工具,更是我們連接信息世界的橋樑。

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/