學校/研究單位介紹

 

中研院原分所尖端材料研究簡介

 

原分所是中研院三十幾個所當中少數座落於台灣大學的,當初李遠哲院士在規劃原分所時堅持選擇設在台灣大學內,主要就是要加強中研院與台大的合作關係,整合中研院的研究人力、設備與台大師資、學生,以期發展成為具有國際競爭力的研究單位。從1982年成立籌備處、1995年正式成所至今,原分所逐漸成長,目前涵蓋化學動態學與光譜、尖端材料與表面科學、生物物理與分析技術、與原子物理與光學等四個研究領域。

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尖端材料與表面科學組的前身是表面科學組,其研究重點在創製、量測及應用各種新穎材料,並闡明這些特殊結構或物性的微觀機制,進而嘗試將具潛力的新穎材料推廣至應用層面。早期在莊東榮、王玉麟、林景泉、與宋克嘉等研究員的努力下建立了基礎表面科學實驗室,隨後在陳貴賢、李連忠、王偉華、魏金明、郭哲來的加入後拓展至更多新穎材料研究,所以改名為尖端材料與表面科學組,材料研究成為原分所的研究重點之一。在周美吟所長回國之後進一步拓展量子物理計算的研究,成為當今國內理論計算方面的重要團隊。在王俊凱、陳家俊、林敏聰、汪根欉、邱博文等合聘研究員的參與下,尖端材料與表面科學組成為原分所人數最多並且具有影響力的一個分組。

目前本組成員正積極推動三個主題式的大型合作計畫,彙整較多的人力與資源,以進行具有高能見度的研究方向:

(一)熱電材料及其原理: 由陳貴賢主持的熱電研究計畫在永續科學中心支持下已經進行三年,成員包括]周美吟院士、吳茂昆院士、陳洋元博士、台大周方正、張之威博士等,並與工研院、中國鋼鐵公司合作,針對新穎低維度奈米結構熱電材料之合成與特性研究,包括新穎二維與籠網狀結構熱電材料開發與單晶成長、量子尺寸效應對低維系統材料熱電效率之提升、低成本熱電材料與理論模擬、利用熱傳導的波動性質增強熱電效率等子題做深入的探討。除了學術研究之外,也和工研院、中鋼公司做產業影用合作,並與日本AIST、美國西北大學、印度MNIT、與越南VNUHCM進行國際合作。目前在熱凝膠()熱電複合材料、n-型PbTe熱電材料、與薄膜熱電材料上有大的突破,並在熱傳導的波動性質與理論模擬上有新的進展。

 

(二)發展奈米電漿聚場效應光譜技術,追求將光譜技術之空間解析度推進至奈米尺度。王玉麟的群組透過表面科學的研究產生高度平整的鋁平面,進而用聚焦離子束定位產生規則排列的孔洞氧化鋁陣列,可以應用在各種光電、感測方面的研究。透過與王俊凱的合作進一步將銀粒子植入孔洞內,可以有效控制銀奈米粒子的大小與間距,作為高靈敏度的表面拉曼光譜(SERS)的基板,有效提升細菌與病毒的偵測度。王玉麟也和大醫學中心合作組成包含材料、光學、醫學等領域專家的大型團隊,進行結核病毒等偵測的不可能任務,這類工作也獲得行政院科技獎。同時,王玉麟利用表面科學技術發現表面奈米奇異原子團,是繼碳-60之後的另一創舉,也開啟了系列表面原子團特性相關的研究。

 

(三)第一原理理論計算研究材料電子、結構、及動態現象。在理論計算模擬方面,包括周美吟、魏金明、郭哲來等三人,其主要目標是利用現代快速發展的電腦科學及技術,發展及應用最先進的理論模擬方法來提高計算的精確度及效率,同時結合隨機結構搜尋方法、密度泛函理論、GWA和BSE 激發態計算方法、量子蒙地卡羅法等建立一套全新整合第一原理方法的理論軟體平台來有效地預測及甄選適用於新穎能源及元件應用的低維度尖端材料。研究題材的重點是新近發展出之二維層狀結構及其異質結構,特別著重於介面之交互作用對於特殊應用之系統功能設計的效果及影響,希望能夠對於相關新穎材料的基礎性質就理論的觀點提出深入的探討,並藉由理論計算的預測研究,發展其應用潛力與系統功能,同時與相關實驗團隊緊密結合致力於新穎材料之開發。除此之外,郭哲來博士亦著重於探討氫鍵團簇、第一原理之應用、人工智慧方法開發新材料及凝聚態水之相變及等方面的研究。

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此外在新穎材料成長方面,從早期陳貴賢的鑽石薄膜、奈米碳管、到石墨烯等,提供合作者各種尖端研究的材料。在鑽石成長方面與林景泉、張煥正共同研究氫原子在鑽石各表面上的鍵結,了解鑽石的表面化學,並探討第四族半導體表面上氫鍵振動相位離散的動態過程。張煥正進一步研究螢光奈米鑽石,作為生醫偵測之用。陳應誠進而利用奈米鑽石缺陷的螢光特性做為量子計算的研究,成就原分所一系鑽石相關的研究工作。陳貴賢與陳家俊成功突破氮化物奈米結構材料的成長後,系列氮化鎵、氮化銦、氮化鋁等奈米結構的研究成為熱門,它們的光電特性、電化學特性、太陽能產氫、以至生醫感測等研究相繼出爐。李連忠加入原分所之後在石墨烯、二硫化鉬等二為奈米材料的成長與特性分析,乃至光電、儲能應用上大放異彩,為本所帶來許多高影響力的論文。

 

在磁性金屬薄膜方面,宋克嘉與林敏聰研究薄膜引發之表面縐化及其相變、薄膜之磊晶成長及三維團簇形成、薄膜磁性、一維金屬氧化物薄膜形成之機制及其上所衍生奈米金屬粒子之物理化學性質。在光化學方面,林景泉以掃描穿隧顯微鏡直接觀測到經紫外光激發後,成對順反式異構分子如 Stillnene、Azobenzenethiol等的轉換機制,對分子異構物的認知與操控有新的認識。

 

在能源材料方面,劉尚斌與陳貴賢發展新觸媒,以替代白金作為下一代燃料電池觸媒,利用含有Co-corrin的維生素B12與合成的Co-corrole、Fe-corrole等作為高性能氧還原觸媒。也將氧化石墨烯等相關材料應用於光觸媒上,有效提升人工光合作用的轉換效率。甚至在加入銅奈米顆粒作為共觸媒之後,進一步提升人工光合作用至百倍以上效率,在替代能源與減碳上有相當潛力。陳貴賢也利用氮化鎵、氧化鋅等奈米材料透過電能或是太陽光激發將水轉換成氫氣,或者是白金替代觸媒作為廉價電解水的技術,可成為未來大量能量儲存的有效方法。同時,該實驗室發展奈米材料作為超級電容材料,可以在高功率下儲存電能,具有未來實用性。

王偉華博士的研究主題是二維材料及奈米結構的傳輸性質,並研究提升這些傳輸性質的方法。有鑑於二維材料對於環境材料的敏感度,操控介面性質、基板表面性質以及二維材料本體的材料特性對於其電學、光學等物理性質均有莫大的影響。該群組利用微米及奈米製程製作奈米器件,展現提升新穎材料的電子傳輸及光電特性。例如運用高疏水性的自組裝層修飾二氧化矽的基板,可作為高品質傳輸性質的石墨烯的介面層,又例如運用小分子以及氧化物的特殊表面處理,可以在石墨烯表層形成非共價鍵的塗佈並同時提供電子轉移的效果,此技術可以製程高品質傳輸性質的石墨烯p-n或p-n-p結的結構,可以作為研究基礎傳輸特性以及新穎電學性質的元件應用。

合聘研究人員的研究主題包括:台大王俊凱博士利用先進光譜技術來研究飛秒時域及奈米尺度下光與物質間的作用,進而應用在有機太陽電池方面。台師大陳家俊博士研究奈米材料合成、檢測、分析,以及這些奈米材料在能源、光電、和生醫方面之應用。台大林敏聰博士但討奈米磁學與自旋電子學,利用自旋極化之穿隧電子掃描顯微鏡以及磁性圓形二色性效應等實驗技術研究材料的磁性,新穎二維材料等。台大汪根欉博士研究功能性有機奈米材料之分子設計與合成,以及這些有機奈米材料在光電與電化學方面之應用。清大邱博文博士從事二維層狀結構材料的成長與能帶結構操控,以及這些二維材料在高速電子元件和光偵測器方面之應用。這些合聘研究人員的研究領域與尖端材料與表面科學組的成員相近並且具有互補性,彼此之間形成緊密的合作關係,有效的增強本組的研究能量。

目前原分所正積極與台大材料系共同開設分子科技學程,在中研院國際研究生院(TIGP)的架構下建立胡作關係,提供優渥獎學金與師資、設備,期望共同拓展尖端材料方面的研究動能,歡迎有興趣同學參加(資訊詢查: http://tigp.sinica.edu.tw/MST.html)。

 

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中鋼公司技術研發現況簡介 —推動開放式創新的作法與成效

 

發展沿革

中鋼公司創辦人趙耀東前董事長深知技術是攸關鋼廠競爭力的重要基石,在民國64年建廠工程陸續展開後,即積極構思技術部門的設置藍圖,旋於民國65年5月成立技術部門,並在民國66年9月開國內風氣之先河,創立了產業界第一所專注於研發的單位。早期中鋼研發是以支援生產為主,聚焦於協助現場解決相關生產問題、製程開發改善及新產品的研發。隨著時代的脈動,中鋼研發的功能定位亦逐年演進,目前已將研發工作的層次,由過去側重「改良改善」的〝跟隨型〞研發,躍進為能「建立自主技術」的〝創新前瞻型〞研發。此外,更跨越中鋼的圍牆,將研究工作由廠內延伸至客戶端,積極協助下游用鋼產業技術升級,提升國內整體鋼鐵產業的國際競爭力,以善盡國內鋼鐵產業龍頭之責。在研發規模方面,中鋼的專責研發單位已由早先的一個研發處,擴展至目前的三個研發處,包括鋼鐵研究發展處(T1)、新材料研究發展處(T6)及風電技術中心(T7)等。人力亦由當初成立時的20多人,發展至今已有379人,其中具博士學位的研究人員達167人。研發經費方面也是逐年增加,104年已成長至16.2億元,約占公司營業額的1%。

開放式創新理念

企業的資源有限,社會的資源無窮。面對當今全球化激烈競爭的時代,企業必須懂得善用及結合外界的資源,才能有效的提升企業的競爭力。就研發創新而言亦不例外,所謂的開放式創新(Open Innovation),就是善加運用外界的研發創新資源,以彌補本身的不足。換言之,必須調整傳統的R&D(Research & Development)理念,由固守內部單一資源的封閉式研發模式,積極的導入R&C(Research & Connection)的研發理念,如圖1所示。近十年來,中鋼公司已藉由擴大連結外部研發資源的模式,積極推動多項開放式創新,並達到廣納研發資源、加大研發格局、加快研發速度、提升研發品質的實際成效。

圖1 開放式創新的基本理念

 

籌組「研發聯盟」協助國內用鋼產業轉型升級

由於國際鋼鐵市場的競爭,已由過去〝個別企業的競爭〞轉變為〝整個生態體系及產業環境的競爭〞,中鋼身為國內鋼鐵產業的龍頭企業,對如何協助下游用鋼產業價值創新,以引領台灣鋼鐵產業繁榮發展,自是責無旁貸。因此,自95年起就以「產業升級」為主軸、「提升產品附加價值」為目標,整合國內產、官、學、研的研發資源,藉由籌組「研發聯盟」方式,積極協助國內金屬產業轉型升級。

其具體做法為先對台灣的用鋼產業進行整體性的調查盤點,將用鋼產業分割為21個分項,其後再以用鋼量、產值、技術層次、產業前景為考量因素,選定執行的優先順序。針對選定優先執行的產業項目,透過以下三階段多層次的訪查,完成「研發聯盟」的籌組。包括(1)產業普查:全面蒐集與分析該分項產業所面臨的問題與機會,鑑別高值化方略與待培育之關鍵核心技術。(2)深度訪查:對具有企圖心的可能合作廠商,就待建立之關鍵技術項目,進行研發可行性分析與研發進路規劃。(3)聯盟籌組:擬訂聯盟的研發計畫書,及申請經濟部技術處的業界科專計畫,協助參與廠商爭取研發經費補助。

自95年起推動迄102年止,共分兩個階段來執行研發聯盟,第一期由95年至97年,主要是針對產值與產量較大的產業,如扣件、手工具、汽車、馬達、鋼構、線材等產業,優先籌組研發聯盟進行合作研發。第二期由98年至102年,除深化第一期在扣件、汽車、馬達產業之研發聯盟外,進一步地在軸承、晶圓切割線等難度更高,且具高附加價值的產業來攻堅,以提升產品價值與技術創新力,引領用鋼產業往高值化發展,並透過策略投資及成立新創公司,促使產業鏈整體價值提升。

透過兩個階段研發聯盟之執行,已在螺絲螺帽、汽車、馬達、鋼結構與手工具等產業,及軸承鋼、晶圓切割線等特殊應用產品,共籌組16個研發聯盟及執行13個業界科專計畫,匯集國內8個學研單位、66家廠商參與,提出38件合作研究計畫案,除開發58項新產品,增加368.3億產值,及引導投資297.6億的效益外,更成功協助國內用鋼產業轉型升級,提昇產品附加價值,使鋼鐵產業成為國內另一個兆元產業,有關兩期研發聯盟所達成的重要成果與效益,請參見表一。目前中鋼仍持續與各研發聯盟參與廠商維持密切聯繫,除針對個別廠商之有利條件與發展機會,提供量身訂做的專需升級服務(on demand upgrading service, ODUS)外,亦引導其參與中鋼主導之相關產學合作研究計畫,如產學大聯盟、工程研究中心及聯合實驗室等,協助其取得所需之研發資源。

<表一 中鋼推動研發聯盟的執行效益>

研發聯盟期別

第一期

第二期

小計

執行期間(民國)

95~97年

98~102年

研發聯盟(數)

9

7

16

學研單位(數)

7

4

8

產業廠商(數)

47

32

66

研發支出費用

7.7億元

6.4億元

14.1億元

年效益

296.0億元

209.6億元

505.6億元

衍生產品(項)

33

25

58

產值

201.3億元

167億元

368.3億元

引導投資

70.1億元

227.5億元

297.6億元

 

成立「工程研發中心」,強化中鋼與台灣學研界的合作

中鋼秉持開放式創新的理念,每年都有許多的研發案,委託學研界一起合作進行研究。近年來中鋼為了加深研發的深廣度,與外界的合作也已由過去個別教授的委託,逐漸走向與適當的學校和教授進行團隊合作,運用群聚的專業力量,更有系統地來做研究,以發揮加乘的作用。為了達到這個目的,中鋼乃與台灣的學研界一起合作,以共同成立〝工程研發中心〞(Engineering Research Center, ERC)方式,以整合導入外部的研發能量。目前中鋼已成立了八個工程研發中心,清單如表二。其中「金屬物性與微結構」、「先進鋼鐵組織控制」與「特殊合金」,主要為協助中鋼建立調控鋼材特性的核心冶金控制技術,以開發推動用鋼產業升級所需之高端鋼材。而「馬達」等其他五個工程研發中心,則是協助國內用鋼產業精進深加工及產品應用技術,開發先進高值產品以加速轉型升級。

<表二 已成立工程研究中心清單>

項次

ERC名稱

合作單位

成立時間

1

馬達科技研究中心

成功大學

97.05

2

金屬物性與微結構工程研究中心

中山大學

99.12

3

鋼結構工程中心

台灣科技大學

100.03

4

先進鋼鐵組織控制研究中心

台灣大學

100.11

5

金屬產業高值化工程研發中心

金屬中心

101.04

6

次世代手工具工程研究中心

雲林科技大學

103.10

7

先進特殊合金工程研發中心

清華大學

104.06

8

鍛造輥壓成形工程研究中心

高雄應用科技大學

104.08

 

成立「聯合實驗室」,推動EVI創新服務

為提供客戶差異化的技術服務,中鋼亦透過與客戶共同成立〝聯合實驗室〞(Joint Research Laboratory,JRL)方式,深入客戶現場協助解決其實際用料問題,提升中鋼料與客戶加工製程的適配性,來加強客戶的信賴度,增加中鋼供料機會。此外,並透過供應商先期參與(Early Vendor Involvement,EVI)的創新技術服務,與客戶建立協同研發機制,為彼此的需求規劃長期、策略性的技術藍圖,攜手客戶共同成長。目前中鋼除與瑞智及工研院合作成立「壓縮機聯合實驗室」,與東元合作成立「馬達聯合實驗室」外,在汽車產業更與國內華創車電、全興工業、英利汽車,以及大陸的奇瑞汽車與江淮汽車,分別成立五個汽車聯合實驗室,與車廠建立緊密的夥伴關係。目前中鋼已成立的七個聯合實驗室,其清單如表三。

<表三 已成立聯合實驗室清單>

 

項次

聯合實驗室名稱

合作單位

成立時間

1

壓縮機聯合實驗室

瑞智、工研院

99.09

2

汽車板材學習型聯合實驗室

大陸江淮汽車

101.11

3

汽車用鋼聯合開發中心

大陸奇瑞汽車

101.11

4

汽車用鋼聯合實驗室

華創車電、金屬中心

101.11

5

馬達聯合實驗室

東元電機

102.06

6

汽車應用聯合實驗室

全興、至興工業

103.03

7

汽車用鋼聯合實驗室

英利、宏利汽車部件

104.12

 

所謂供應商先期參與,是一項上游供應商在其下游客戶進行新產品開發的設計階段,就與客戶共同進行終端產品協同研發的工作模式,也是中鋼在成立〝聯合實驗室〞後,提供給客戶差異化技術服務的創新作法,與以往於產品售出後才提供服務的傳統概念不同,而是在售前就提供客戶全方位的技術服務,如圖2所示。透過EVI的執行,不僅能將最適合客戶應用需求的材料設計導入(Design-in),甚至可做到規範導入(Spec.-in),進而與客戶建立起難分難捨的伙伴關係。此外,EVI可針對創造終端產品高值化的需求,從上游原材料,下游二、三次加工等多元的層面,找出最佳生產製程與可行方案,且亦可將研發導入行銷,藉由提供產品開發與應用等研發服務,同時提供量產與銷售之成本與性能優化的解決方案,所以也是提升產品價值以及市場競爭優勢的一種手段,可協助傳統的製造業脫胎換骨,成為服務及研發加值型的製造業。

產業的競爭是無止盡的,面對全球化的競爭,過去單打獨鬥各自為政的研發,很難有效拉開與後進者的優勢差距,中鋼透過成立「聯合實驗室」,及推動創新的EVI技術服務活動,運作上下游間協同研發之機制,已有效營造客我雙方整體的競爭優勢。

圖2.中鋼推動 EVI創新服務的執行流程

 

執行「產學大聯盟」計畫,提升鋼鐵產業整體競爭力

產學大聯盟計畫乃由科技部提出,是以提升產業價值及競爭力為出發點,採用「業界出題,學界解題」方式執行的前瞻性產學合作計畫,其計畫研究主題的形成機制如圖3所示,即〝始於企業,終於產業,學研扮演中間基礎理論及核心技術研發之骨幹〞。中鋼與成功大學共提之「次世代鋼及其綠色製程與產品創新應用」產學大聯盟計畫,已於102年7月獲得科技部核准,該計畫係依〝產業升級材料先行〞的概念,為協助國內用鋼產業,掌握前瞻發展的機會而規劃,故以〝研發其所需之次世代鋼材、綠色製程、以及先進用鋼技術〞為主軸,並以〝先進節能汽車〞及〝離岸風電與海洋結構〞為研究載具,投入〝次世代鋼材〞、〝潔淨冶煉與精敏軋延製程〞及〝先進二、三次加工製程與高值終端產品〞等三個研究領域,預計可達成〝鋼材性能倍增〞、〝服役效能倍增〞、〝節能效益倍增〞及〝產業附價倍增〞等四重效益。中鋼有信心在五年計畫結束後,在海域風機鋼材開發及純電動車發展平台建構等兩項工作,能有具體成果。

圖3 產學大聯盟計畫研究主題的形成機制

 

Ⅵ、結語

展望未來,除環保與節能減碳需求日趨嚴格外,由於大陸嚴重的產供失衡,使鋼鐵產業的經營環境更加嚴峻,面對全球化的競爭,唯有不斷的技術創新,才能維持競爭力,有效拉開與後進者的優勢差距。中鋼透過多元化的開放式創新,已成功連結外部廣大的研發資源,達成加大研發格局,加快研發速度,以及提升研發品質的目標。今後我們將在既有的基礎上,持續進行各項開放式創新,投入更具前瞻性的研發工作,為中鋼公司的成長與台灣下游用鋼產業的升級,做出更多、更大的貢獻!

 



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