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勇於突破現狀 建立自主性光電薄膜設備技術

2018-06-30
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薄膜製程是光電產品製造流程中的重要關鍵,雖然臺灣擁有龐大的光電產業產值,但卻一直缺乏此關鍵設備的自主性技術。為了突破現狀,工研院機械所從現有主流的真空式技術中,另闢蹊徑,建立了國際領先的非真空薄膜製程設備技術,不僅帶動國內產業的升級,且由於創新活力的注入,預期可協助業者拓展新的成長機會。


勇於突破現狀 建立自主性光電薄膜設備技術

團隊創新領航-財團法人工業技術研究院機械與機電系統研究所
綠色化薄膜製程設備開發平台技術團隊【精密塗佈與大氣壓電漿製程設備技術及應用服務】


文/ 勾淑婉

為了達到導電、光穿透等不同的功能性,薄膜是許多光電製程中不可或缺的關鍵設備。但由於國內業者缺乏薄膜設備與材料的設計能力,使得長期以來相關設備都是仰賴進口。另一方面,為了取得優異的鍍膜品質,傳統的高精度薄膜製程都是採用真空鍍膜製程,但它卻難以擺脫效率、能耗、與成本方面的固有限制。

機械所團隊將這些產業問題視為切入市場的好機會,因而大膽跨入非真空薄膜製程技術的開發,以滿足未來產品對綠色環保的需求。這是一項跨領域整合的研發工作,集結了所內包含機械、控制、材料和化工等各專長的研發人員,耗費大量時間及心力,克服種種困難,終於建立領先的綠色化薄膜製程設備開發平台,並藉由自主技術的建立,進一步協助業者開發新的製程與產品應用,提升產業競爭力。

建立開發平台 彌補技術缺口

團隊負責人,同時也是機械所先進製造技術組組長周大鑫博士表示,「我們的目標是要發展出可取代真空鍍膜製程的精密塗佈和大氣壓電漿鍍膜設備技術,這些技術不僅具備成本和材料利用率的優勢,而且節能效益可達50%以上。」

談到為什麼敢投入一項不同於國際主流技術的研究計畫,除了看到國內產業的技術缺口與市場機會之外,更重要的是機械所提供了一個讓團隊成員勇於挑戰的環境。事實上,機械所早從七、八年起,就展開了大氣壓製程的前瞻研究,一步步建立成果。所內鼓勵創新的環境,支持團隊成員勇於挑戰不可能。此外,集合了跨領域的團隊成員,特別是薄膜製程的開發需要結合材料、化學與機械專長,才能彼此互補,共同解決問題。

「我們組內的跨領域團隊在機械所內算是比較特別的,尤其是涵蓋了老、中、青三階段的工程資歷,其中有擁有深厚精密機械設計經驗的成員,因此能協助材料化工成員克服無法掌握的工程問題。」周大鑫繼續說道,「要開發出以非真空來取代真空的技術,並符合產業所需的基本規格,不管在材料及設備面都會面臨許多挑戰。而由於我們團隊的組成涵蓋前端的基礎研究到後段的量產製程,因此,深厚的基本功讓我們得以克服各種困難,成功挑戰了不可能,一路走到今天。」

要開發非真空鍍膜製程技術,主要的關鍵在於材料的功能性要能符合要求,以及必須有相對應的製造設備,然而國內缺乏製程與材料的設計能力,為解決此問題,機械所成功建立精密塗佈和大氣壓電漿鍍膜設備的設計分析能力和製程驗證平台,為業界提供新材料驗證、光電薄膜設備開發,以及光電應用產品開發等三項服務。

在精密塗佈製程方面,由於塗佈模具的精度與流道設計會直接影響塗膜品質,設計分析平台透過計算流體力學的分析,便可加速進行塗佈模具的設計開發工作。在驗證平台方面,機械所建立了平面式以及捲對捲(R2R)的製程驗證平台,整合自行開發的機密機構、供料模組及運動控制模組,能針對不同的材料特性,達到均勻的塗膜效果。

在大氣壓電漿製程方面,同樣也是建立了國際領先的大氣壓電漿模組設計和製程能力,透過熱流場模擬分析與材料製程整合能力,除了可應用於表面清潔、表面改質製程(親水和疏水特性)和圖案化蝕刻等製程,還可用於SiOx、TiO2、GZO等多種材料的鍍膜應用。

周大鑫表示,「我們在開發過程中曾面臨許多挑戰。以大氣壓電漿製程為例,我們一開始是開發點狀電漿技術,鍍膜的面積只有5x5公分大。後來為了符合大面積面板的需求,改為多頭方式,但卻又遭遇品質均勻度的問題,最後才終於開發出符合G5尺寸需求的線性電漿模組。」

連結多方業者 加速產業創新

藉由這些設計平台的建立,初期將能協助業者達到自行開發設備,進口替代的目標。長期來看,可望帶動設備、材料和光電產品業者跨入更高附加價值的市場,拓展新商機。「目前在精密塗佈領域,我們已建立了臺灣最完整的團隊,大氣壓電漿鍍膜更是全球唯一。」周大鑫驕傲地說。

一直以來,薄膜材料商、設備商以及終端客戶都各自有其不同的需求。透過機械所建構的設計與驗證平台做法,能夠將三方業者連結在一起,共同驗證材料與製程,建立新的產業供應鏈。此外,業者之間的密切交流能大幅加速研發速度,激發出新的想法與應用。

周大鑫補充說,「這也是因為我們的策略目標正確,我們專注於關鍵技術的開發,而不從整機設備著手,因而能以更中立的角色,同時吸引材料、設備與終端客戶業者與我們合作,這樣的作法在薄膜產業中是獨樹一格 的。」

舉例來說,機械所團隊促成了設備業者和椿、模具業者迪比恩以及材料大廠永光化學共同開發領先國際的大面積圖案化設備系統,包含塗佈、壓印和自動光學檢查(AOI)檢測三段設備,並配合國產的壓印材料和模具,將能應用於OLED光萃取基板的生產,以突破OLED元件因材料折射率差異造成的效率偏低問題。

此外,為了協助LED封裝業者開發新的螢光粉塗佈封裝技術,開發低色偏、低色差的LED照明產品,機械所也促成了多家業者組成小型企業創新研發計畫(SBIR)研發聯盟,帶動LED封裝、材料和設備廠商建立新製造技術的供應鏈,掌握關鍵自主技術。這些都是開創新製造技術、以及新供應鏈體系的成功案例。

由於薄膜製程廣泛應用在光電與半導體製程,因此與機械所團隊的合作廠商橫跨自潔性玻璃建材、節能光學膜、無銦透明導電膜、觸控面板、以及薄膜太陽能等各個領域。輔導的業者包括亞智、均豪、志華機械、台灣凸版、輔祥、淞耀、祥容、北儒、明興等多家廠商,更孕育了雷立強光電等新創公司的成立,並協助雪曼電漿和宇亮智能膜等新創公司建立關鍵技術,克服工程化瓶頸,成果亮眼。

對於設備開發能力較弱的國內產業來說,機械所綠色化薄膜製程團隊所建立的自主性技術,是一項從設備技術切入的成功研發專案,將能夠改變長久以來依賴進口的產業現況,這非常難得,也是價值最高的部分,對於提升產業競爭力與技術門檻已做出了非常顯著的貢獻。

「老實說,業者都是碰到最困難的問題,才會來找我們解決。」周大鑫笑說,「為了符合廠商快速上市時程的要求,研發單位的步調也必須與產業一致,才能真正發揮價值。還好,我們累積了豐富的經驗,並已建立設計資料庫與分析能力,確實能加速解決問題的流程,甚至曾經有廠商要求我們在三個月內就完成塗佈設備的設計。每個合作案的技術積累與成果,證明了我們團隊確實擁有能夠滿足產業需求的能力。」

持續深化能力 擴大技術應用

除了與國內廠商合作,機械所建立的技術也已獲得國際級業者的肯定。其中一個實例是與國際玻璃大廠康寧公司的合作。周大鑫介紹說,「我們與康寧已有四到五年的合作經驗,從單純的解決問題開始,在獲得對方的信任與肯定後,現在我們已針對其新材料展開前期合作,共同開發所需的設備。」

康寧最新推出的柔性玻璃產品Willow Glass,其厚度不到100微米的,便是與機械所合作建立R2R塗佈製程驗證平台。此概念性產品雖然早在2012年就已發表,但目前仍處於找尋新應用及試量產階段。待未來時機成熟並展開大規模佈署時,機械所開發的R2R塗佈製程就會派上用場,且由於部分設備已技轉國內業者,因此甚至還有機會將臺灣廠商帶進康寧的供應鏈體系,有助於國內設備業者開拓國際視野與提早佈署商機。

周大鑫強調,「薄膜應用無所不在,任何需要改善表面功能特性的產品,都有可能會用到薄膜製程。除了光電、材料、半導體之外,其他像是纖維紡織的表面處理,或是開發機能性布料,或是醫材、生醫感測器等也都有可能。」

「我們的任務是要找到更多非真空薄膜製程的機會,擴展其應用層面。」以這些豐碩的成果為基礎,周大鑫期望能持續提升非真空製程技術的深度與廣度,以開拓更多的可能性。

在設計能力深化方面,由於目前的重點侷限於單一設備的設計,為了能從製程模組擴大到整個生產系統的整體方案,須加強製程模擬分析的能力,以提供更高的價值。周大鑫解釋說,「以精密塗佈為例,我們目前已建立了塗佈頭與流道的設計分析能力,未來若能進一步擴展到製程的模擬分析,掌握各種製程參數對塗佈品質的影響,再與驗證平台連結,將能夠開發出結合設備與製程的更完整方案。」

另一方面,在技術擴散的廣度方面,就像OLED光萃取基板的新應用開創一樣,跨領域整合的連結效應已經展現。未來,機械所將開放平台來供更多業者使用,並與公協會等各方資源交流互動,擴大合作目標,以帶動更多的創新應用。


感言:組長 周大鑫

謝謝第5屆國家產業創新獎評審委員與主辦單位對於本團隊的肯定,在此要感謝經濟部技術處長久的支持與工研院跨領域研發環境的培育,讓我們能夠逐步建構起這個具備國際級水準的綠色化薄膜製程設備開發平台。回想這個團隊在成立之初,曾經面臨非常大的挑戰與質疑,但本團隊成員並不為此受到攔阻,在機械所長官的支持與所有成員的努力下,我們一步一步的克服許多不可能的挑戰,不僅成功地將自主研發完成的精密塗佈與大氣壓電漿技術導入臺灣產業界,彌補產業關鍵技術缺口,相關成果也獲得國際大廠的重視。設備是製造業發展重要的根基與關鍵,這次得獎的榮耀將激勵本團隊持續追求精進,期盼能成為臺灣的光電製造業朝向永續發展目標邁進的重要推手。

資料來源:第5屆國家產業創新獎得獎專輯《創新x淬鍊》

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