時國誠, 蔡世榮, 楊智超, 陳文祈
工業技術研究院南分院 奈米粉體及薄膜科技中心

工研院南分院的研究單位組織分為微系統中心，雷射科技中心，奈米粉體及薄膜科技中心(奈粉中心)，人機互動中心，家庭網路中心，以及科技照護專案，其中奈粉中心以材料研發為主軸，其研究內容包括高分子材料，奈米碳簇材料，太陽能材料，鍍膜及金屬材料，以及生態材料等，部份研究內容略述如下。

碳化鎢/多元合金超硬複合材料技術

開發多元合金粉體取代金屬鈷作為碳化鎢燒結時的結合金屬。利用熱壓燒結與熱均壓燒結技術製作碳化鎢/多元合金燒結體(圖一)。透過調整多元合金配方，可獲得高韌性與不同硬度之碳化鎢/多元合金燒結體，比目前商用碳化鎢具有更大的應用範圍。

(a)	(b)
圖一 (a) 碳化鎢/20%鈷複合材料；(b) 碳化鎢/20%多元合金複合材料之金相。

多元合金耐磨材料技術

將多元合金表面做離子滲氮處理，增加材料的磨耗性。多元合金經離子滲氮後，滲氮層表面硬度值可達Hv 1040(圖二(a))，滲氮層厚度約370 μm(圖二(b))。
多元合金及各種鋼鐵材料在離子滲氮前後之磨耗速率明顯比S45C、SKD61、SACM645及316不鏽鋼離子滲氮後之磨耗速率低。

(a)	(b)
圖二 (a)多元合金離子滲氮後，硬度隨深度變化曲線；(b)離子滲氮層金相

多元合金可撓式基板

具有FCC結構之多元合金在壓延的過程中，加工硬化的現象並不明顯，在室溫下連續壓延，當伸長量超過20倍後，硬度值幾乎不再增加(圖三(a))，使得多元合金可在常溫中連續壓延而不需要做任何的退火處理，reduction ration >50%，壓延後金屬箔厚度<60 nm(圖三(b))。

(a)	(b)
圖三 (a) 箔片伸長量與硬度的變化曲線；(b) 壓延後之多元合金箔片

生態複合材料

經由高溫碳化與活化製程所獲得的竹碳，具有高表面積以及吸附特性，以苯丙氨酸(L-phenylalanine)為例，於批次系統中，短時間內竹碳吸附量可達35mg/g(苯丙氨酸/竹碳重量)。
生態複合材料專利研究近年來已研發，(一)多孔質擔體處理高輻射游離粉塵汙染之技術、(二)先進活體材料及分子生物技術處理工業廢水之應用、(三)新型態生態材料於高等包覆式生物反應牆之應用等。例如本團隊利用高溫碳化與活化技術，製備活性竹碳材料，開發具有吸附輻射物質之生物多孔性擔體，其效率優於市售產品10%以上。
天然植物萃取亦是生態材料部門研發的主要技術，已建立超臨界流體技術，例如自竹葉萃取黃酮類化合物。黃酮類化合物是一大類天然產物，廣泛存在於植物界，是許多中草藥的有效成分，是一群頗具發展潛力的天然抗氧化劑，可抑制食物氧化及提供動物有益的代謝作物。

光學級單體/高分子材料開發

研發氫化與氧化多相催化技術與有機化學技術。透過有機金屬觸媒與奈米承載型觸媒的設計與合成，開發符合產業要求的單體材料並及於高附加價值特用化學品。已完整建立實驗室級高溫高壓反應釜設備(>100 atm)、絕水絕氧處理設備(手套箱及真空設備等)以及分析設備(GC、FTIR、HPLC、GPC及高溫GPC等)。同時亦研發光學級聚合觸媒篩選及合成技術與精密聚合製程技術；實驗室已擁有1升及10升的聚合設備，並已建立完整的高分子物性分析設備，包括DSC、TGA、DMA(動態機械性質分析儀)、Capillary Rheometer(毛細管流變儀)、折射儀及LOI(最低需氧量)測試儀等。

光學級高分子材料精密加工技術

研發高分子材料熔融摻混技術、聚酯複材混摻技術、熱塑性彈性體動態硫化交聯技術、奈米粉體表面官能機改質技術、有機材料雙軸延伸製程技術以及薄膜押出加工技術等。建立高分子光學材料研發技術平台。已建立高分子材料精密加工設備包括塑譜儀(Brabender)、高長徑比的雙螺桿壓出機(L/D=56)、雙軸延伸機及光學級薄膜押出機。

自擴散導光板材料

以新穎材料設計，使入射光散射在整個導光板中，以研發具備擴散功能的新世代導光板。藉適當控制板材內部分散相的分佈及分散相與連續相折射率的差異性，以調節對光的散射能力，使得導光板側面的入射光均勻地從上表面輸出。本研發材料適用於塑化及光電領域例如:背光模組、燈箱、個人隨身產品、戶外看板、傢俱裝飾藝術品、LED室內外燈具等。

奈米碳球材料

奈米碳球(Carbon Nanocapsules)是一種外殼具封閉多層石墨層結構特徵的多面體形碳簇(圖四)。粒徑介於5～100 nm，主要為30~40 nm。其內部可為中空的（Hollow Nanocapsules）或填充金屬（Metal Filled Nanocapsules）(1)。奈米碳球外殼的多層石墨結構使其具有熱傳導性、導電性，強度佳，化學性穩定..等優點。奈米碳球具有特殊的結構與 光、電、磁的性質，其重要性不亞於碳六十與奈米碳管等碳簇材料。工研院南分院在此領域研發，已逐漸實現奈米碳球商品化應用。

圖四：填充金屬奈米碳球(左)與中空奈米碳球(右)的電子顯微鏡照片。奈米碳球呈顆粒狀，經化學修飾後可分散於溶劑中，使其應用性大幅提高。

(a) 奈米碳球應用於潤滑油添加劑

顆粒狀的奈米碳球的多層石墨殼層表面經化學修飾改質，易分散於潤滑油脂中。球狀的奈米顆粒類似微細小球軸承的滾動，可以降低摩擦及磨損。奈米碳球的結構穩定、導熱、並具有掃除自由基的特性，可抵抗較惡劣的環境，成為良好的潤滑油添加劑配方。在模擬汽車引擎磨潤環境試驗，以固定500N的荷重條件下進行SRV磨擦係數測試，含奈米碳球之潤滑油，可較基礎油料磨擦係數下降50%，達0.06。

(b) 奈米碳球應用於輻射散熱技術

奈米碳球外殼為封閉多層石墨結構，使其能在3D方向朝外輻射紅外線。將奈米碳球粒子添加於樹脂中，藉靜電粉體塗裝方式塗佈在金屬材表面，幅射冷卻效果佳。將此應用於單顆5W LED檯燈製品，LED溫度可由75.1℃降至50.8 ℃，亮度增加30%且壽命可大幅提升(圖五)。

圖五: 左圖為5W高功率LED檯燈產品，燈座鰭片塗裝含奈米碳球之塗層，右圖為紅外線攝相儀測試情況，在壓克力罩內無風環境下同時點亮兩檯LED燈，有塗裝奈米碳球塗料的表面很火紅且均溫，溫度約50.8℃；而未塗裝的檯燈製品鰭片上溫度分佈不均，核心部份溫度會上升達75.1℃。

奈米二氧化鈦溶膠在光能相關產業之應用

以二氧化鈦奈米溶膠取代奈米粉體，以得到高性能的二氧化鈦薄膜，可以使用於染料敏化太陽電池光電極之製作，適度調控TiO2之粒徑大小，製作多層結構之光電極，以降低暗電流，提升太陽電池光電流與電池效率。同時具有緻密層、緩衝層與多孔層之光電極所組成之染料敏化太陽電池，於陰極結合反光層材質(如鋁箔)時，可有效提升光電流與專換效率(轉換效率從7.1%增加至9.7%)。