No. 199∣2024年2月刊 國科會 工程技術研究發展處 航太暨熱流|電力|能源|光電 學門

國科會新聞

蝦皮蟹殼救地球-環保材質薄膜實現不插電冷氣機

合影左起為國科會工程處郭箐副處長、國科會林廣宏主任秘書、國立清華大學動力機械工程學系陳玉彬教授及國立陽明交通大學機械系張瑞永助理教授

為降低我國能源消耗，協助臺灣解決能源問題，國科會積極推動節能減碳技術研發。在國科會長期支持下，國立清華大學動力機械工程學系陳玉彬教授及其團隊開發出「環保材質輻射散熱薄膜及鍍膜製程」，幫助金屬儲存槽、鐵皮屋頂、大型車箱、貨櫃集裝箱等曝露在室外之金屬製品散熱。此鍍膜技術散熱功能與冷氣機相同，但無需消耗任何電力，且在工作原理上利用特定波段的紅外光，讓熱量直接穿透大氣層到低溫宇宙，大幅降低能源消耗與冷卻成本。

先驅科研

航太暨熱流學門∣施聖洋 國立中央大學 機械工程學系教授

戮力不懈紊流燃燒研究 實踐躬行助力氫能應用

本人近5年針對能源轉型不可或缺的無碳燃料（氫、氨）、新世代生質燃料和汽油替代燃料等，進行高壓貧油預混紊流引燃和火焰速度之定量量測實驗，持續產出領先國際相關領域之學術成果。氫能（含「高壓預混紊流氫燃燒」）是各先進國家淨零碳排放政策和能源轉型不可或缺的選項。目前先進國家均積極研發以氫為燃料之內燃機、燃氣輪機和鍋爐等，以於未來能減少或甚至取代目前海陸空運輸、電力和工業部門仍使用之大規模化石能源（最主要碳排放來源）。氫燃燒有安全性問題，尤其是在引擎高壓預混紊流條件下，目前國際上僅有少數研究機構能進行高壓預混紊流氫燃燒實驗量測，而本實驗室是其中之一。如何加速開發ultraclean and highly efficient「高壓貧油預混紊流氫燃燒」科技，對能源轉型的成功與否將有重要影響。

電力工程學門∣吳元康 國立中正大學 電機工程學系教授

聚焦再生能源併網研究 探討潛在問題並提出解方

吳元康教授研究主題示意圖

本人近年主要從事有關大規模再生能源併網理論與技術分析，探討潛在面臨的問題並提出解決的方法。相關的研發技術包含再生能源發電預測、電力系統慣量評估、風力發電機調頻調壓控制技術、含高壓直流傳輸系統之離岸風場規劃與併網技術、高占比再生能源系統之防禦技術與系統平臺建立、風機與大型風場等效模型開發、電力市場傳輸系統壅塞管理策略、以及國際再生能源併網準則研究等，這些主題都與國家能源發展及國際能源研發趨勢一致。本人積極參與國際學術組織與服務工作，並針對再生能源併網技術議題進行跨國與跨領域的合作與研究。

能源工程學門∣陳玉彬 國立清華大學 動力機械工程學系教授

深耕輻射熱傳與能源利用 推升能源效率及促進節能

陳玉彬教授研究主題示意圖

本人過往研究主題以「熱輻射性質」為基礎，係光學、熱學與電磁學等基礎科學交集。調變性質過程中則成功結合微奈米製程、建立理論模型、撰寫程式、實驗設計等多項工程技術，因此在「結合優化方法與電磁理論」、「利用特殊物理機制」、「設計與製作次波長結構或材料」、「架設儀器與量測性質」、「開發前瞻應用」皆有豐碩成果，更衍伸「雷射積層製造」、「廢熱創能」、「住商節能」、「機器視覺」等具產業價值研究。本人也憑藉輻射熱傳、光學、能源等領域專業知識，輔導廠商開發客製化設備，或優化現有製程參數或設備，建立長久合作關係。

光電工程學門∣林宗賢 國立中山大學 光電工程學系教授

開發前瞻顯示技術 致力智慧型窗戶創新創業

林宗賢教授與研究團隊

本人於2007年起任教於中山大學，主要研究領域為液晶光學、光電元件及前瞻顯示技術。在液態光子晶體研究方面有許多突破性的成果，做出可調能隙範圍最大、最大單晶結構、穩定非立方晶型之光子晶體。研究發表於Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials（highlight by Nature Photonics）、Optica等頂尖期刊，並獲多家媒體刊登。成果亦被全球液晶大師Prof. Slobodan Zumer在Nature Materials另以專文highlight，本成果讓光子能隙的客製化變為可能，為光子晶體應用開啟新視野。

除了學術研究，本人亦帶領學生共同創新創業，團隊主要專注於新型智慧型窗戶薄膜的設計、研發與生產，並已突破傳統智慧玻璃的思維，成功開發出具有可自由裁剪、直接黏貼的智慧窗戶「薄膜」技術，利用各種液晶操作模式，研發出可任意切換高透光率、隱私保護、做為影像顯示的多功能智慧型窗戶。團隊這兩年獲得包含「第十五屆國家創新獎」、「經濟部新創事業獎」、「科技部FITI創業傑出獎」、「光寶創新金獎」等多項政府與企業授予新創公司之最大獎肯定，並於2018、2019、2022 年連續獲選CES臺灣新創館代表隊，2019年獲得CES Innovation Award。

本人確實地將校園技術推向產業，並成功讓世界百大跨國企業千萬入股暨技術投資本團隊新創公司。本人與學校共同努力，建立了「實驗室－新創公司－學校」的共同合作平臺，創造出三方共贏的局勢，締造資源、人才、技術的正循環，讓國家教育、研究資源，發揮最大效益。

光電工程學門∣武東星 國立暨南國際大學 應用材料及光電工程學系教授

開發多功能鈍化結構修補缺陷 提升微型LED顯示器效能

武東星教授研究成果應用示意圖

為降低材料缺陷對於深紫外光發光二極體發光的影響，本人提出一種無光罩式的磊晶方法，以重覆性高低V/III 族比與細部調控成長機制，在有機金屬化學沉積法（MOCVD）磊晶InAlN與AlN 兩種材料技術上持續精進，使用二十對超晶格結構（superlattice），不僅可提升氮化鋁磊晶層的結晶品質，並可將經表面蝕刻之缺陷密度由1.8×106降低至1×105 cm^-2。用此技術在發光波長為280 nm發光二極體驗證，其內部量子效率（internal quantum efficiency）可以具體提升近四倍（由22.4%提升至85%），促進國內產業對深紫外線發光二極體的商品化。

在微型發光二極體（micro light-emitting diode） 研究方面，本人結合原子層沉積系統 （atomic layer deposition） 沉積之Al₂O₃與電漿輔助化學氣相沉積系統（plasma-enhanced chemical vapor deposition）沉積SiO₂ 薄膜作為鈍化層（passivation layer），成功製作出5微米尺寸之微型發光二極體，在-10 V的偏壓下，漏電流可降低為7.3×10^-10 A，而外部量子效率在輸入電流為0.2 mA時可提升42%，由此所開發之多功能鈍化結構來修補缺陷，能具體提升微型發光二極體顯示器效能，水準與國際同步。

同時本人也是全球最早提出在氧化鎵（Ga₂O₃）材料中摻雜微量鋁（trace aluminum）可解決深紫外光感測器光響應度衰減（Responsivity Drop）現象，實驗成果證實係因薄膜內異質介面處存有內建電場協助光生電子傳輸，其外部電壓僅需5V，即可使光感測器光響度達到1.38 A/W。本人在2021年進一步發表寬能隙氧化鎵鋅（ZnGa₂O₄）薄膜之特性，此材料具有5.05 eV的寬帶隙，其光電感測器的最佳性能如光響度可提升至3.01 A/W @220 nm，在遠紫外光應用中比習知的氧化鎵材料更有優勢。

國際科研趨勢

以色列理工學院研發垂直軸式渦輪風力機，無需電力的海水淡化系統有希望實現嗎？

渦輪機和泵浦的概念圖(Illustration by David Keisar)

現今海水淡化過程中所需消耗電力約為每立方公尺3.5度 (kwh/m³)，舉例來說，2015年以色列生產的電力總量約有4%用於海水淡化。除了這樣巨量能源消耗所帶來的高昂環境成本之外 (因為以色列主要是以化石燃料來產生電力)，由於淡化與淨化水所需的高能源損耗，導致這個技術難以推廣到世界上數十億需要乾淨飲用水卻無法取得的人群所處的地區。

這項新發明的核心技術是一種新式的渦輪風力機－垂直軸式渦輪風力機 (vertical axis wind turbine, VAWT)，此渦輪風力機環繞著垂直軸旋轉 (如同打蛋器一般)。以色列理工學院機械工程學院David Keisar博士在Greenblatt教授指導下完成這個研究，他表示：「普通渦輪風力機葉片尖端旋轉速度會比推動它的風快7倍，而我們設計的渦輪風力機的葉片旋轉速度約與風速一致，也就是比傳統渦輪風力機慢了7倍。因此我們設計的垂直軸式渦輪風力機即使在低風速的情況下，也能運作良好。就它的尺寸與轉速而言，它產生能量的效率非常高。」

Keisar博士表示，垂直軸式渦輪風力機的緩慢旋轉特性使其比水平軸式渦輪風力機安靜許多，且相對於鳥類而言，更加安全，因為鳥類可以看到葉片而不至於飛入旋轉葉片之中。

目前此系統正在申請專利中，並且打算商業化。他們希望能夠向有需要的社區提供此套海水淡化系統，並且在數年內開始啟動運轉。根據Keisar的說法，海水淡化並不是這套系統的唯一應用，它還可以用來改善一般飲用水水質，因為其也可以用來連接到清除各種水污染物的設備上，藉此淨化水質。他們的想法是開發不同的系統，並且將垂直軸式渦輪風力機與水處理設備結合，形成一套簡單價格實惠且便於管理維運的系統。

Keisar表示，使用垂直軸式渦輪風力機的另一個好處是，旋轉葉片直接連接到橫跨發電機的軸上，這樣不論是發電機或是其它需要使用到其轉速的設備，皆可以靠近地面放置，而不是像水平軸式渦輪風力機一樣，需要放置在其頂部。

英國驅動英國電池產業

英國研究創新局(UKRI)於2022年10月21日公布法拉第電池挑戰計畫(Faraday Battery Challenge)的2億1100萬英鎊(約新台幣78億1544萬)新資金，使得其可運用英國自2017年起所產出的動能、國內學識與業界支助，並運用此基金來進一步發展英國高科技、高價值與高技術的電池科技產業。法拉第電池挑戰計畫結合：

1. 法拉第機構(Faraday Institution)的研究與能力發展，以減輕電池重量與成本、提升能量與功率，並確保可靠性(reliability)與可回收性(recyclability)。

2. 以英國創新局為媒介，英國電池產業中以企業導向的合作創新、拓展連結網絡，並發展製造電池所需的技術。

3. 英國電池工業化中心(UK Battery Industrialisation Centre, UKBIC)的工業製造規模化與技術發展，以及英國國家電池製造開發設施。

此挑戰計畫已經支助超過140多個在英國各地運作的組織，並吸引超過4億英鎊(約新台幣148億1600萬)合資，來製造更為永續、彈性、安全、輕型、低成本與高效能的電池。於2021年前，此計畫已在科芬特里(Coventry)打造並啟用世界頂尖的英國電池工業化中心(UKBIC)，比最近的歐洲競爭者早了三年，並已支助超過140位英國電池開發商，進行超過80項研究創新計畫，成功將他們的產品規模化推向市場。預計於2040年前，電池生產大廠(gigafactories)將需要100,000份新工作，且將打造更廣闊的電池供應鏈，此挑戰計畫正幫助英國滿足汽車產業對電池逐漸增長的需求。