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高介電係數陶瓷–有機物複合軟板的開發與應用

近年來,電子產品如行動電話、電視、電腦、數位相機、電子書等大肆普及,帶來便利和充滿樂趣的資訊生活,消費者也因而對電子產品的性能有更多期望。
 
 
 
近年來,電子產品如行動電話、電視、電腦、數位相機、電子書等大肆普及,帶給我們便利和充滿樂趣的資訊生活,消費者也因而對電子產品的性能有更多的期望。輕薄短小只是最基本的,還希望加強可攜帶性,最好也能自由捲曲,收納方便。軟性電子產品因為能符合這些期望,成了研發上的顯學。

軟性電子材料需具備可撓曲度、韌性、溫度穩定性、抗化學腐蝕性、防水氧能力、介電係數高,以及不易破裂等特性,但目前還沒有哪種單一材料完全令人滿意。學界傾向開發有機/無機複合材料,結合有機高分子及無機陶瓷材料的優點,來提升複合材料的特性。

電子陶瓷專家的楊證富教授就是專長於這方面,他在高雄大學化學工程及材料工程學系任教,約7年前就對「高介電係數陶瓷–有機物複合軟板的開發與應用」計畫採用印刷法來研究。所謂印刷法就是像印刷圖案在衣服上一樣,把電子零件印刷在所用的基板上,最早主要是使用在印刷電阻,而本研究主要在製造電容器。

陶瓷具有耐高溫、硬度大、抗腐蝕、介電係數高等特性,有機物則柔軟、易撓、不易碎裂,但不耐高溫、硬度低。介電係數反映物質儲存電荷的能力,數值越大,儲存電荷的能力越好。通常有機物的介電係數不會太高,也就是說儲存電荷的能力不好。結合這二種材料,可讓創新的複合材料有機會達到理想的軟性電子材料特性。

楊教授把高介電陶瓷材料經過煆燒、燒結,成為多晶相陶瓷後,把它磨為粉末,再與有機聚合物充分混合。他曾測試過不同的有機物,目前則選用環氧樹脂或聚乙烯亞銨。至於所磨成的陶瓷粉末的顆粒大小最早是微米(10-6 m)級,但是為了達到製造方便的目標,最好能夠使用印刷法來製造。

楊教授與中山大學陳英忠院長、高雄大學蘇進成教授、高苑科技大學刁建成教授、吳家慶教授等組成的研究團隊,經過幾年不斷的嘗試,掌握了這方法所製材料的最佳組成與製程參數,並得到最佳材料特性的樣本。

一個電容器要能夠有高電容值,基本上有3種方法。第一是增大面積,這和現今希望輕薄短小的3C產品目標牴觸,因此一般不採用;第二是提高介電係數,一般有機物的介電係數是2~4,而在使用陶瓷,甚至加入奈米碳管後可提升,楊教授的研究成果則把複合材料的介電係數提高到25左右;第三個方法是降低介電層(印刷膜)的厚度,由於微米級的陶瓷顆粒還不夠小,因此近年來楊教授更朝向奈米(10-9 m)級邁進。然而這種奈米級的陶瓷粉末在自然狀態下傾向聚集成較大的粒子,要加入特殊的分散劑才能避免聚集,以保持奈米的顆粒大小。

這種陶瓷—有機物複合材料可以用在電子產品上當作基板,讓其體積越來越小,功能卻越來越多。還可用於通訊器材,取代現在RFID的天線,除了讓特性變好之外,價錢也可比現行通用的材料便宜。

目前國內的廠商似乎還沒有勇氣接手這項創新的技術,楊教授尚在思考怎麼讓自己的研究成果真的為大家所享用。
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