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用「閃電」鍍製觸控螢幕的導電膜

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/12 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

文/劉珈均

工研院機械與系統所的團隊研發「大氣電漿鍍膜技術」,能在大氣常壓下鍍製透明導電膜,為目前已知唯一能常壓進行製程並達到商用品質的技術,此技術也曾獲得「R&D百大科技獎」與「華爾街日報科技創新獎(TIA)」。

手指滑過手機或平板電腦時,因為螢幕下面那層透明導電薄膜,機器才得以「感知」碰觸、執行功能。現在觸控面板常用ITO(Indium Tin Oxide,銦錫氧化物)作為透明導電材料,透明導電膜兩項主要的性能指標為電阻和透光率,ITO符合低電阻與高可見光穿透率,此外還具有良好的化學穩定性和熱穩定性、基材黏著性佳、利於圖形加工等優點。因此,在眾多可作為透明電極的材料中,ITO成為主流,應用也相當廣泛,觸控面板、太陽電池、液晶、電漿顯示器等光電產品皆可見ITO。

業務組長周大鑫博士說,研發初衷是為了節能,希望開發低耗能的光電產業鍍膜技術。現在鍍膜的製程為達到高品質,須在真空環境下進行,為了維持真空度,即便不鍍膜,真空設備也要持續運行,相當耗能;另一方面,銦是稀有金屬,主要出產自中國,來源不穩定,常有價格波動問題。隨著近年導入非銦材料取代ITO薄膜的議題亦趨熱門,團隊也研究導入非貴重金屬材料鍍製透明導電膜,降低製造成本與風險。

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大氣電漿鍍膜技術的計畫主持人、工研院機械所業務組長周大鑫博士。
大氣電漿鍍膜技術的計畫主持人、工研院機械所業務組長周大鑫博士。

相較於傳統真空環境製程,團隊的「大氣電漿鍍膜技術」省了一半以上的電力,也節省了60%的設備空間。大氣電漿製程最大缺點是材料出了噴嘴、碰到大氣便容易碰撞產生結晶,團隊技術的巧思在於「電漿噴嘴」(又稱電漿頭或電漿產生器)裡電極與氣流場特殊設計,在局部區域裡產生高密度的電弧。

團隊設計電漿噴嘴,使其電漿密度夠高,得以完整解離材料,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。「有點像大自然現象的閃電,我們可以讓電弧產生的數量最多,產生的能量高,範圍也大。」周大鑫說,模組也整合電源供應器設計,控制電極的放電頻率,達到足夠溫度。

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機械所團隊開發的大氣鍍膜機器。電漿噴嘴的電漿密度夠高,完整解離氧化鋅,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。
機械所團隊開發的大氣鍍膜機器。電漿噴嘴的電漿密度夠高,完整解離氧化鋅,透過氣流帶下來,讓材料順利覆在基板上形成一層薄膜。

「傳統也有大氣電漿技術,但能量沒像我們這麼高,所以只能做些表面清潔的工作。」周大鑫說,團隊的電漿密度高,得以完整解離材料,所以可在大氣條件下作鍍膜製程,甚至鍍製透明導電膜。高能量密度的電漿讓不同材料組合變得可行,團隊改以氧化鋅為鍍製材料,鍍出來的透明導電薄膜片電阻小於100 ohm/square,透明度90%以上,相當於市售的ITO薄膜水準。團隊計算過,觸控面板大約有三四成的成本都花在那透明導電膜,而用氧化鋅搭配大氣電漿技術,成本可降低為一成。(此為三年前的數據,現在透明導電膜成本較低了。)

團隊成員將玻璃基板放至鍍膜機並示範操作,此機器為線型鍍膜,鍍製疏水的功能性薄膜。
團隊成員將玻璃基板放至鍍膜機並示範操作,此機器為線型鍍膜,鍍製疏水的功能性薄膜。

大氣電漿鍍膜還可局部鍍製,讓製程環保許多。傳統上,若要局部鍍膜,得先全面鍍上一層,再用「黃光微影製程」去除不要的地方,過程中會產生許多化學廢液,新技術省下了這過程,避免了化學材料汙染。

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談及研發過程,周大鑫說,一開始大家聽到開發在非真空環境鍍膜技術的點子都覺得挑戰太大,難以達成。2008年計畫最初執行的那半年,團隊也果真鍍不出來,因為解離不完全,材料從噴嘴出來後接觸空氣立即結晶,在基板上覆上一層顆粒狀粉末,變成「一盤散沙」而不是融合成一層薄膜。後來調整電極模組設計、調整材料配方,隔年才成功鍍膜,再經兩三年改良製程,才鍍出透明導電膜。

不同的功能性薄膜的製程有差異,但概念與設備大致相同,只是更換材料組成。因此,此技術除了用於製作觸控面板的透明導電薄膜,作為ITO的替代品,也可以跨產業,用於其他功能性鍍膜製程,如表面抗污、疏水、親水等,除了硬材質的玻璃或塑膠產品表面鍍膜,周大鑫也期望未來延伸至軟性材基材元件,應用於穿戴式設備。

研發大氣電漿鍍膜技術的團隊。
研發大氣電漿鍍膜技術的團隊。

更多資訊請參考解密科技寶藏

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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