「科研利器」的製造所-台大凝態中心光電工坊

 
2017/06/02 涂煥昌 | 特約文字編輯     267
 

談起科學「實驗室」,大家的印象不外是「化學藥品」、「試管」、「燒杯」、「顯微鏡」、「各式量測儀器」、「電腦設備」、及研究人員穿梭其中忙碌工作的情景吧。但你可曾想過頂尖科學研究所需的量測儀器,到底是如何製造出來的呢?台大凝態中心光電工坊的張玉明研究員,提供了一個令人意外的答案:「自己做」。

 

夢幻的整合型科研儀器

 

在2011年底,清華大學貴儀中心規劃了一套具有尖端研究功能的儀器系統,涵蓋「超快雷射光譜」、「原子力顯微術」、與「光學顯微鏡技術」三大專業領域。雖然清華大學已先確認技術規格,並購入所需的儀器,但後來卻面臨系統難以整合的窘境。

 

他們先求助儀器的國外原廠,提出整合的要求,但廠商給了個天價的報價單。無奈之餘,清華大學轉而尋求臺灣大學凝態中心張玉明研究員團隊的幫忙,期待能解決這個跨領域的儀器整合問題。在歷經兩年的努力後,他們終於成功打造出全世界獨一無二的科研利器,且使用經費遠低於國外廠商的報價;重要的是,該系統至今仍穩定、可靠地提供全台灣科研社群的使用。

 

在科學研究過程中常會遭遇千奇百怪的各種技術難關,這時候就需要科學家親自「動手」、「動腦」去解決;再者實驗中,多變的各種量測需求,可能也無法直接用市售的儀器達成,這促使物理學家體會到研究人員必須具備有設計、製作、或整合實驗儀器的核心能力。有了與清華大學貴儀中心合作的經驗之後,更堅定了張研究員成立「台大凝態中心光電工坊」(簡稱「光電工坊」) 的信心。

 

中小企業的研發實驗室

 

無論是學術性質的研究,或是產業的生產線上,以「雷射光譜」為核心的技術,經常被運用在「非接觸」、「非破壞」的檢測上。但是,這個領域因受限於國內市場的產業規模不大,故大部分的廠商都傾向只「代理」國外相關的儀器設備,較不重視自主研發的能力,以及人才培育;久而久之,不但無法深入了解代理的高端光電儀器,更遑論該如何推廣與應用。

 

另一方面,這些高端光電儀器的使用者(如光電產業的製造廠商,或是科研人員),經常為了應付急迫性的生產線或研發的需求,也傾向直接採購商用套裝的設備,較少能通盤考量儀器性能的侷限性、操作難易度、與維護成本等,故常常到實際使用的階段,才發現「規格不符」的窘境。

 

有鑑於此,張研究員在科技部「產學小聯盟」的計畫支助下,成立了「光電工坊」。這個具有二十餘年光電研發經驗與技術的產學交流平台,能提供會員「專業諮詢」的服務:一方面,可以幫助設備代理商了解自身的產品,厚實相關的專業知識,以助廠商拓展銷售市場;另一方面,「光電工坊」也能幫助高端光電量測儀器的使用者,提供選擇儀器的專業分析與建議。

 

「光電工坊」除了「專業諮詢」服務之外,還進一步提供「技術服務」:無論是工廠生產線,或是科研實驗室裡,光電儀器的整合,甚至光電系統的光路設計、修改,都是經常發生的事。「光電工坊」運用二十餘年來所累積的實務經驗,及純熟的光電量測技術,能針對產業與學界會員的問題與需求提供可行的解決方案。

 

比較特別的是,光電工坊堅持以「使用者付費」的模式來提供專業諮詢,與技術服務;這使工坊會員要用更審慎與認真的態度,來看待這些技術和量測的內容,從而提升了數據資料的品質與可信度。張研究員表示,當工坊與廠商會員能在專業上建立良好互動,並彼此信任後,接下來的「產學合作」與「技轉授權」,將能水到渠成。

 

台灣光電產業升級的後盾

 

「光電工坊」自成立以來,透過「專業諮詢」、「技術服務」、及「產學合作」,已成功地將實驗室的研究經驗與核心技術,回饋給台灣的產業與學界,大幅促進了台灣光電產業的發展。

 

例如,台灣某生產太陽能板用「矽晶片」的半導體廠,在面對中國大陸的競爭之下,對於產品的品質須有更高的規格;但是,生產線上矽基板品質的監控,長期以來都是仰賴購買更新、更貴的國外光學量測機台,這造成成本的巨幅增加。去年,經由工坊會員的引薦與光電工坊建立了聯繫後;透過工坊的專業技術協助,他們終能建立自主研發的矽晶片產線的光學即時監控能力,除提升品質拉大了與競爭對手的差距外,並得以跨入更高效能、與高價值的太陽能板市場。

 

張研究員指出,台灣的電子產業與中國大陸的競爭日趨白熱化,務必進行產業升級,往更高端技術的市場邁進。隨著工業4.0的發展趨勢,未來以「雷射光譜」為主的「高階光學量測技術」,必定會陸續導入國內,故台灣的學界,有責任培養更具專業素養的光電人才,以承擔台灣產業升級的責任。

 

沒有標準答案的實驗室

 

進入光電工坊,會發現鮮少有光鮮亮麗的「套裝儀器設備」,反倒是隨處可見到「光學實驗桌」上零亂的擺滿了光學零組件與儀器設備,而且絕大多數是「自製」的。張研究員開玩笑的說:「在物理學家的實驗室裡,每天要面對的,就是從『提出實驗構想』,到『設計實驗進行』與『量測』所遭遇到的大小問題。我們怎能奢求,單純地透過某個套裝的商業儀器,在電腦上按幾個鍵,就能搞定一個可能是全世界的科學家都還沒搞懂的問題呢?」

早已養成動手、動腦做實驗的張研究員,期許工坊的成員,能有「看清楚問題的能力」、「找出關鍵問題的能力」以及「提出解決方案的能力」。他指出,在研究過程中,其實沒有所謂的「標準答案」;以光電工坊為例,研究人員要先深入了解「雷射光源」、「光路設計」、「樣品裝置」、「光譜偵測裝置」等相關理論,才能具體評估每個裝置與設計,可能對量測結果造成的影響,進而解決實驗所遭遇的問題,讓研究工作往前邁進一小步。而這些都是教科書上沒有寫到的。

 

欣賞科研之美

 

要培育一個具備「動手動腦」、「能發現問題」、「能解決問題」的人才,過程就如同「種樹」一般辛苦,樹苗栽植之初,可能無法立即看到有任何具體成效,但是數年之後,當樹根扎的夠深,枝葉能充分擴展,就會開花結果了。

 

光電工坊在培訓光電人才的願景,正是希望透過實作訓練過程,培養年輕學子獨立思考,與解決問題的能力,以便日後不管立足何處,他們都能發揮自己的特長,展現「多元的價值」。正如同光電工坊LOGO的彩虹意象,表徵了人的「價值」應該像彩虹般豐富又多元,七彩顏色之間是不存在任何邊界的。唯有各色共存,彼此襯托,方能成就彩虹之美。

 

註:張玉明研究員研究團隊獲科技部106年度「產學技術聯盟合作計畫」補助(計畫名稱:台大凝態中心光電工坊(3/3),執行期間:2017/02/01~2018/01/31)。科技部推動「產學技術聯盟合作計畫」之目的,係為促使大專校院及學術研究機構有效運用研發能量,以其已建立之核心技術與相關之上中下游業界建構技術合作聯盟,以協助產業界提昇競爭能力及產品價值。