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發布日期:2018/07/13
資料來源:工研院IEK
東協2015年年底成立共同市場(AEC)後,各國對於國內基礎建設的提升積極開發,其中鄉村與島嶼電氣化為ㄧ重要議題。由於多數離網鄉村交通不便,各國國家政策及國際組織的輔導皆鼓勵應用分散式再生能源電力系統進行鄉村電氣化作業。以菲律賓為例,離島現有電廠多為柴油發電,發電成本與售電價格之差額由全國電網覆蓋地區用電戶之電費中徵收提供補助。為降低國家補助離島電廠的財務壓力,菲國現正探討再生能源微電網的應用可行性。 2016年菲律賓國家電力公司邀請IEK及綠能所計畫團隊前往勘查菲國巴丹群島(Batanes)現有電力系統,進行再生能源微電網系統的評估。後續促成我國電力業者組成團隊,擬於巴丹群島投資建置離島再生能源微電網系統。2017年台菲業者簽屬合作備忘錄,確認以巴丹群島「冷凍庫+自備電力」試點計畫為第一階段合作項目。期透過電力與產業投資刺激當地經濟活動,提升民眾電力需求及電費支付的意願,後續逐步擴大再生能源電力系統的設置。
發布日期:2018/07/09
資料來源:工研院IEK
電網級儲能系統在電力系統應用價值廣泛,除可強化需求面管理外,亦可提供系統即時運轉輔助服務及降低輸配電系統設備容量投資。針對再生能源的不穩定性發電特性,可利用儲能系統及智慧換流器的調控來穩定與平滑功率之變動,解決局部線路壅塞及電壓控制問題,提高供電可靠性。 在晚近政策與產業發展目標上,行政院也於2017年11月針對短期供電緊張問題,提出工商業發展所需供電穩定保證、非核家園與建置再生能源目標三大主軸,並列明以儲能系統作為解決方案之一;在2017年12月針對空汙/紅害問題解決方案設計上,也規劃研擬以儲能系統作為降低火力發電負載選項之一,可說儲能系統無論在能源政策制訂與解決各項產業、能源環境問題時,都成為可能之選項。(完整簡報檔請參照文末附件檔案)
發布日期:2018/02/14
資料來源:臺灣物聯網協會
根據市場產業研究機構IDC研究,到2020年全球物聯網終端產品(包含:汽車、智慧冰箱、智慧電燈、智慧鎖等物聯網內的一切上網設備)數量,將成長至2950萬個以上。設備、連接與IT服務將構成全球物聯網市場的主要市場,將囊括高達三分之二的物聯網市場佔有率。至於比例最高的則是設備,預估就將佔據整個市場總規模的31.8%。 以地區別來看,IDC預計到2020年亞太地區物聯網市場營收,將佔全球的市場佔有率達51.2%,是全球第一的區域。主要原因在於中國大陸之行動裝置用戶數不斷增多,以及政府為了提高製造業效率而進行的一連串措施,造成刺激大量新裝置和物聯網新標準的出現。至於韓國和新加坡等網路較為普及的國家,則將加快發展智慧城市的建設,進而強化物聯網的未來發展機會。此外,國際知名的麥肯錫顧問公司(Mckinsey)分析,物聯網的應用場域包括個人、城市、工廠、汽車、家庭、零售、辦公室等,估計到2025年,物聯網對全球的經濟貢獻最高可能超過驚人的11兆美元。 另外,半導體是電子產業的主要成分,而半導體產業也是台灣的核心產業,以物聯網應用在半導體產值的分布來觀察物聯網市場將會更了解物聯網在各領域的應用依賴程度。如果以半導體產值看物聯網的核心應用領域,前三大分別為消費性市場、汽車市場及工業用市場,到2020年前各領域產值都直線上升。 在物聯網產業快速發展過程中,如何引入合適的戰略合作夥伴和打造全新的技術資產甚至標準,是相為關企業先行先試的核心命題之一。標準之爭常常也就是市場之爭。誰掌握了標準,就意味著先行拿到市場的入場券,甚至成為該行業的定義者。目前物聯網的標準百家爭鳴,因此常讓設備商、消費者無所適從。如果每家企業都遵循同樣的產業標準,消費者應該也會更容易選擇。但現實往往不是這樣,每家企業都想以本身開發的標準為產業標準,每個標準也都有優缺點,而市場的規律是逐漸選擇使用最多、布建方便、相容性最強的一個標準。 物聯網科技的運用挾其軟硬整合的威力將無所不在,也將全面滲透現代人的生活。但是也因為其涵蓋層面廣,技術整合的進度較慢,物聯網概念提出已有二十餘年,但由於受技術、產業碎片化、應用碎片化及產業標準欠缺等問題的制約,物聯網產業的整合發展較緩慢。除此之外,安全問題、龐大的技術支持以及數據運用實力往大數據及人工智慧領域延伸都是物聯網發展過程中的挑戰,需多方協力共同克服。技術的整合若有共同的標準將可事半功倍,因此世界各國、產業各界、技術陣營都使盡全力參與標準的制訂。縱觀以往各類技術的共同標準形成,不外是透國際標準組織、標準陣營合縱連橫、技術本身的效益勝出、大品牌以用戶數取勝等策略選擇決定標準的成敗。如今亞洲市場的崛起及中國、印度兩個國家的人口數形成的市場規模經濟也有了標準的話語權,因此整合為「標準形成的策略選擇模型」如圖2,並加以說明如下: 先有國際標準組織的背書後,產業內的廠商再來發展相關設備、技術是最理想的科技整合模式。第三代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)是一個成立於1998年12月的標準化機構。目前其成員包括歐洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、中國的CCSA、韓國的TTA、北美洲的ATIS和印度電信標準開發協會(tsdsi)。雖然3GPP的原始目標是在國際電信聯盟的IMT-2000計劃範圍內製訂和實現全球性的(第三代)行動電話系統規範。但在3G時代成為國際間無線通信的主要標準制訂組織後,其主導的角色延續到4G、5G時代。 2017/12/20在3GPP第78次全體會議上,關於無線通信5G的技術標準正式完成,全球共有47個電信營運商及設備商簽署合作,這將是全球第一個可以商用的5G技術標準,比原計劃提前六個月完成。比起過去的無線通信3G技術有三大平行的技術標準,而4G技術有兩大技術標準的競爭,而這個新的5G技術標準,全球將採用統一的技術標準。經歷過3G、4G時代的技術標準競爭,能在5G時代一開始就制訂全球技術標準,這一難得的標準整合,使得設備製造廠商可以開始按照這一標準製造5G相關的儀器設備、節省以往的標準押寶賭注,將可為全球的通訊科技躍進開創新局。 而物聯網的標準涵蓋面更廣,目前較具影響力的國際標準組織是oneM2M,是由歐洲、美國、中國、日本、韓國各地區之標準組織,仿效3GPP夥伴計畫(Partnership Program)聯合在2012 年7 月正式成立。這些標準組織為第一類夥伴,包含了原先3GPP 夥伴計畫的所有成員如歐洲標準組織ETSI、美國標準組織ATIS 和TIA、中國標準組織CCSA(China Communications Standards Association)、日本標準組織TTC(Telecommunication Technology Committee)和ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)及韓國標準組織TTA(Telecommunications Technology Association),臺灣地區目前是透過ETSI會員的身份來參與。oneM2M 共成立了五個工作小組,來制訂M2M物聯網國際規格的標準。 產業記取SONY在錄影帶技術標準爭奪戰的落敗的教訓,除肇因於其影帶容量的大不如人,還在於嚴重低估爭取盟友的重要性。JVC的做法讓其他錄影機製造商用很低的授權費就可以使用VHS標準,藉以吸引同業加入陣營,而SONY的Beta標準則自始至終採取不相容的政策,因盟友數太少而落敗。因此我國物聯網廠商多半根據本身的供應鏈關係及技術特性,選擇加入不同的標準聯盟陣營,以期早日接觸相關標準制訂之資訊,並廣結盟友。 在物聯網相關組織中相對比較活躍的原有三大組織,成立之時間最早為AllSeen Alliance(2013年底),旗下的Framework group Alljoyn在2011年就開始有活動,而Open Interconnect Consortium(OIC)及Thread Group大約同一個時間點成立(2014年7月)。 Open Connectivity Foundation (OCF) 原名OIC,於2016年合併AllSeen Alliance後更名為OCF。OIC定義的架構為IoTivity,使用的介面未有強制約束,大致仍以NFC/Wi-Fi/BT/LTE等為主;主要成員為Samsung與Dell、IBM、Microsoft、Cisco,一樣涵蓋了晶片及系統商。Thread Group的主要成員為Nest (Google)、Samsung與ARM,同樣涵蓋軟體晶片及系統商,架構(Frame work)上並沒有特別規劃及定義,比較特別的是,使用的傳輸介面主要應用於ZigBee (IEEE802.15.4)。相對於Wi-Fi,IEEE802.15.4具備了低能耗及網狀網路(Mesh)可自動修復連結的優勢,但因Data Rate (250K)只能達到250Kpbs,也限制此技術只能在低網路流量應用。 物聯網技術早就存在,只是過去是以有線連接為主,後來不斷將無線聯網技術加進來。現在有多種無線技術,特別是低功耗無線連接、低功耗運算與處理以及雲端儲存、雲端運算技術成熟以後,物聯網迎來了最好的發展時機、乘浪而起。由於不同的無線技術能在不同的應用場景和產品上發揮作用,例如在穿戴式產品上,藍牙技術佔有統治性的地位,但是在智慧家庭領域,Wi-Fi、ZigBee和Thread技術標準仍然在不斷演進中,各自有著強大生態系的衍化能力。 另外在手機通訊領域,現在出現的LTE和即將到來的5G通訊,將會成為戶外通訊的最主要方式。技術標準百花齊放,常讓業者眼花潦亂。但其實從工程的角度來看,維持技術中立、盡量評估結合自家產品後,技術/成本效益優勢最佳的技術自然會勝出,而開發的技術標準常常在成本上突出。不過證諸Wi-Fi通訊標準的歷程,也許最終開放的技術標準會勝出。最早在Wi-Fi還沒有普及的時候,那個年代中其實也有各式各樣的標準,提供多樣化的方案,但是到現在來看,它們已經都不見了,Wi-Fi仍屹立不倒。歷史的明訓告訴我們,封閉系統可以形成單純的生態圈,但是要擴張跨域(在物聯網時代尤其是橫跨多個技術領域),沒有眾人支持的力量,不管是開發者,或是使用者,都很難達成集體開發的綜效。 大品牌廠擁有人才及技術開發優勢,進入物聯網市場如果掌握了對的殺手級應用並開發出受消費者歡迎的產品,挾其廣大用戶數,將有可能形成產業的標準。以物聯網的智慧家庭運用為例,Amazon Echo猶如平地一聲雷,用「藍牙聲控喇叭」的姿態橫空出世後刮起一股風潮,轉眼間成為熱門的IoT裝置。Amazon Echo生態系的核心為Alexa語音助理開發平台,亞馬遜廣邀開發者社群、硬體裝置廠、網路服務業者及汽車品牌等不同類型的第三方合作夥伴,擴大Amazon Echo生態系。 其他大品牌廠如Apple及Google也積極挾其優勢加入此一戰場,蘋果以 iPhone 為核心,將 iOS 裝置作為控制中樞,釋出 HomeKit 智慧居家開發工具,號召第三方廠商生產支援產品,諸如電子鎖、環境偵測、溫度調控器、監視器、智慧插座等等,使用者除了可用 App 監控裝置外,亦能用 Siri 進行聲控。Google 以 Android 為基礎推 Brillo 物聯網平台,Google 在大手筆收購 Nest 恆溫控制品牌之後,發表了 Brillo 物聯網開發平台。站在 Android 的基礎上,讓硬體裝置能夠聯網、溝通、回傳資料。Android 裝置本就眾多,廠商可在既有 Android 開發基礎上,輕鬆進入物聯網產業。Google 還與第三方廠商推出 OnHub 路由器,被視為進入智慧家庭的第一步。 以上三大品牌大廠的智慧家庭戰爭正開始,相信也各有相當粉絲擁護,最後用戶數最多者,也有可能就變成智慧家庭的產業標準。台灣廠商與不同大品牌大廠的供應鏈關係,也能在大品牌大廠的競爭供貨中獲利,壓對寶成為智慧家庭產業標準的供應商者,日後將可有更大的勝利。 大市場的特性會刺激你有很不一樣的想像,像中國、印度等具有10幾億人口的國家,必然是非常重要的 IoT 應用市場。中國、印度的基礎建設仍然在成長中,並且在許多領域直接躍過傳統應用而蛙跳前進(如跳過有線市場直接走向 3G/4G 以上),這些都是新標準新應用在導入時最好的條件。中國、印度還可憑藉自己龐大的市場換取各類新科技和新標準的發言權。也許物聯網最重要的終究不是技術,技術需要的是舞台,而中國、印度恰恰可以提供多元的舞台給IoT。對照目前網際網路與行動通訊在中國、印度有這麼多的玩法(如WeChat在中國及Paytm在印度),不管是與世界接軌的,或者後來演化的獨特中國、印度特色,抑或開始獨步全球的,這都是擁有大市場的優勢所獨有的潛在標準環境,而使得連國際標準組織也不得不傾聽來自大市場的提案。 2016年12月,中國主導的物聯網六域模型參考架構國際標準獲國際標準組織ISO/IEC 34個成員國投票通過。六域模型主要涉及物聯網使用者域、目標物件域、感知控制、服務提供域、運維管控域及資源交換域,域和域之間按照業務邏輯建立網路化連接,從而形成單個物聯網行業生態體系。 印度的物聯網標準策略也是以大國人口優勢向國際標準組織靠攏,物聯網國際標準組織oneM2M與印度電信標準開發協會(tsdsi)於2017年9月20日於印度矽谷班加羅爾舉辦第3場oneM2M Industry Days,前2場分別在中國及美國,由此可知印度在oneM2M的地位。該會議中tsdsi秘書長Pamela Kumar女士提到:物聯網技術是印度許多國家政策如「數位印度」、「智慧城市」、「智慧村鎮」的重要基礎,採用以標準為基礎的方式開發,將有利於規模經濟、跨平台整合及包容性創新之生態系建立。 以上五種參與標準形成的策略,台灣也都可以採用。在國際標準組織策略中,需由各國的標準組織加入,台灣因為國際地位特殊,此一管道不見得特別暢通。但反觀各國的標準推動組織並不一定具備官方身份,可由法人或協會來推動。因此台灣因應其特殊的國際地位應該比其他各國更廣泛設立不同產業的標準推動組織,並以民間的身份積極加入國際標準組織或與其會員國多方交流。 技術/成本效益優勢策略選擇,是台灣大多數以技術本位廠商的當然選項。但往往標準並非只以技術優勝者勝出,因此與外在環境的網絡連結顯得更為重要。標準聯盟陣營策略因為是國際性的聯盟,因此我國較國際化的廠商就其供應鏈廠商加入哪一陣營就加入此陣營也是一種選擇。也有廠商因為廣結善緣而加入多個陣營來全面了解物聯網標準的發展趨勢,更是面面具到的作法。在具有自主選擇性下,不失為一個好方法。而大品牌廠用戶數目競爭策略,是更從商業角度切入 ,已是大品牌廠供應鏈的台灣廠商,當然會充份利用。至於尚未打入相關大品牌廠供應鏈的廠商恐怕就沒有此一選項。 廣大人口經濟規模市場策略選擇值得國內各廠商利用物聯網相關的聯盟組織加入積極與中國、印度兩大市場的物聯網標準互動。例如台灣物聯網協會透過長期經營印度市場的資策會「台灣印度產業合作平台」的引介,在2017年10月12日於台北舉行之「台灣印度產業鏈結高峰論壇」,台灣物聯網協會(TIOTA) 和印度電子暨半導體協會(IESA)簽訂MOU締結雙方在物聯網及智慧城市合作平台,促成台灣物聯網產業解決方案進軍印度智慧城市及物聯網市場的兩國公協會對公協會的對接合作平台,有利兩國物聯網技術擴散的長期合作。 同時於2017/12/18,台灣物聯網協會與印度電子暨半導體協會於台北共同舉辦「2017全球物聯網與智慧服務論壇暨全球物聯網與智慧服務典範評選」,會中亦有許多來自中國的物聯網協會共同交流,並由中國物聯網標準核心人士於大會中介紹中國主導的物聯網六域模型參考架構國際標準。中國與印度也許不合,但台灣可以其靈活身段,穿梭於兩國之間的物聯網標準參與。此外,透過資策會台灣印度產業合作平台的撮合,台灣資通產業標準協會(Taiwan Association of Information and Communication Standards ,TAICS)與印度通訊標準協會(tsdsi)於2017年11月在印度首都新德里辦理首屆台印通訊標準論壇,雙方專家介紹彼此在第5代通訊(5G)標準、台灣物聯網(IoT)技術發展、印度產業4.0的機器人標準化,及物聯網、行動裝置和資訊通信等安全防護技術的發展。台灣強項在硬體,印度則擅長軟體,雙方決定在5G場域測試、互聯網、資訊通訊安全等各領域合作,甚至在5G標準一起推動通訊協定標準的測試,發展解決方案,將有助於台灣印度兩國在通訊、物聯網各類標準的合作,將為台灣相關物聯網產業擴大出海口及發展符合國際標準的產品、解決方案。 [1] https://www.gartner.com/newsroom/id/2895917
發布日期:2018/01/05
資料來源:國立中央大學 化學與材料工程學系
隨著科技與人類生活越來越進步,我們對於能源的仰賴也就與日俱增。民眾目前過度依賴石化燃料,但石油終將消耗殆盡且過多的溫室氣體(例如二氧化碳)排放將造成無法挽回的各類汙染,而核能發電也存在著輻射安全疑慮的問題;因此,尋找相對綠色環保的再生能源是目前重要的課題之一。永續再生能源包括了太陽能、風能、生質能、水力、地熱、潮汐能等等,其中太陽能發電是最具發展潛能的再生能源之一。 近十年來,以有機小分子或高分子為主的太陽能電池吸引了眾多科學家的目光,並投入了大量的人力與經費在此領域上。有機分子相較於傳統的矽晶圓太陽能元件具有眾多的優點:例如,較低廉的製造成本、靈活的分子設計、利用化學合成可輕易地做官能基轉換等等。其中,染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs)是第三代太陽能電池中最具發展潛力的技術之一。1991年,瑞士知名的科學家Grtzel的研究團隊利用具有透光性的多孔性TiO2工作電極 / 釕金屬錯合物N3染料 / 電解液(I-/I3-溶液) / 鍍上鈀金屬(Platinum, Pt)的導電玻璃組成如以上所示的染料敏化太陽能電池元件,得到相當不錯的光電轉換效率(7.1~7.9%)。[1] 之後許多相關領域科學家投入研究,目前,DSSCs的光電轉換效率已突破12%。 碳氫鍵活化反應在有機合成化學領域相當熱門,論文發表數量眾多,但將此高效率省步驟的合成策略應用在有機太陽能電池領域卻相當罕見。反過來說,有機太陽能電池在能源材料領域的地位及重要性與日俱增,但是製備相關有機分子的合成方法卻總是依賴步驟繁鎖的傳統交叉耦合反應,這些反應通常會需要接觸或處理毒性較高的有機錫化合物。 目前已有研究團隊提出其新研究成果,係以跨領域結合上述兩大重點研究方向,這項創舉是將高效率且相對環保的碳氫鍵活化/芳香環化反應,應用在合成染料敏化太陽能電池(DSSCs)所需的有機小分子,把傳統上至少需要六個合成步驟的方法,大幅地縮減為兩個步驟(反應式一),而且避開使用昂貴的有機硼或是具有毒性的有機錫試劑,對於使用者與環境是相當友善的。此新方法所合成之化合物產率最高可達優良以上(85%),應用端的太陽能電池元件效能也展現了此步驟經濟合成策略在能源材料領域的實用性,染敏電池(DSSCs)的光電轉換效率達6%以上。有專家認為將綠色合成化學概念跨領域連結到有機能源材料領域,兼具學術與產業應用價值,應該是未來研究發展重要的趨勢之一。[2]-[5] 除了染料敏化太陽能電池(DSSCs)之外,以鈣鈦礦為主的太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)近年來受到科學家相當多的矚目,因為其光電轉換效率已可達20%以上。[6] 其中,該元件的電洞傳輸層主要在於幫助電洞遷移以及防止電子與電洞未經過外部電路傳輸並產生電流前,即發生再結合的現象,因此設計與合成新型的有機小分子電洞傳輸材料為當今重要的研究方向。 而前段提到的創新作法,亦是同樣以綠色合成化學的概念出發,融入原子與步驟經濟的合成概念,進行分子設計並開發出有別於傳統的新合成途徑,目前的成果也已達成可有效地減少合成步驟與化學廢棄物產生的目的。同時,以此類有機小分子做為電洞傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池其光電轉換效率已可達17%以上(反應式二)。[7] 目前國內學術界已經有這類的綠色合成技術,也有相當高意願與產業界合作,對於配合政府正在發展太陽能發電的廠商相信會更有吸引力,同時,推廣此類相對環保的合成技術也能提高民眾對綠色能源的接受度。 [1] B. Oregan, M. Grtzel, Nature 1991, 353, 737740 [2] P.-H. Lin, T.-J. Lu, D.-J. Cai, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* ChemSusChem 2015, 8, 32223227. [3] P.-H. Lin, K.-T. Liu, and C.-Y. Liu* Chem. Eur. J. 2015, 21, 87548757. [4] Huang, P.-H. Lin, W.-M. Li, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* ChemSusChem 2017, 10, 22842290. [5] Y.-S. Ciou, P.-H. Lin, W.-M. Li, K.-M. Lee, and C.-Y. Liu* J. Org. Chem. 2017, 82, 35383551. [6] W. S. Yang, J. H. Noh, N. J. Jeon, Y. C. Kim, S. Ryu, J. Seo, S. I. Seok, Science 2015, 348, 6240.
發布日期:2018/01/05
資料來源:台灣大學生化科技系
阿茲海默症(Alzheimers Disease, 以下簡稱AD)是一種進行性的神經變性疾病。特點是神經性功能損傷和神經元喪失,故導致記憶和其他認知能力逐漸衰退,最終引起癡呆。隨著世界人口老齡化加劇與平均壽命增加,不可避免地將面對AD和相關疾病盛行。目前,全球大約有3600萬AD患者,到2050年,該數字將增至11500萬。台灣、中國、日本、西歐國家,和美國將成為受影響人數最多的地區。 早期的研究已確定了AD的兩個最關鍵且典型的神經病理學特徵:(1) 神經炎性斑塊 (2) 神經纖維纏結。這兩者的主要成分已確定為:由40多個氨基酸序列組成的短肽-澱粉樣物(A),形成斑塊的主要成分;tau蛋白形成神經纖維纏結的主要成分。因此,過去的研究學者推論,只要解決神經炎性斑塊和神經纖維纏結即可治癒AD,但始終無法開發出有效的治療方式。 但近期的研究卻指出,與斑塊或單體相比,病人實際臨床表現與A的寡聚體形式之間的關係更為密切。由於單體A通常在細胞外產生並具有調節膽固醇等功能,所以A寡聚物的形成必定有一個或多個機制,不幸的是,神經毒性可能就由此產生。此外,目前已有研究指出,標定螢光物質的A的確可以進入大單室脂質體(LUV)內部,而神經元細胞的死亡涉及抗去垢劑膜(DRM)片段或脂筏。然而,如何減少膜完整性,以及脂筏的參數如何調節A寡聚物向神經元細胞轉運仍有待研究。 故學者推論,未來也許可以假設高結構化的功能性膜結構、脂筏在以下方面起重要作用:(1) 積聚A分子,以小聚物形式或影響單體的寡聚化 (2) 破壞膜完整性,以促進滲透不平衡和/或A寡聚體在膜間轉運。若能證實這個假設,則調節膜筏結構的成分就可防止蛋白質複合物對膜進行攻擊,並可提供預防早期AD的治療手段。 故從相關研究的目標趨勢可分為:(1) 找出在A分子的生物相關濃度(nM)存續期間,喪失膜完整性所必需的膜的最小基本成分(脂質、糖脂、膽固醇和膜蛋白)。(2) 尋找膜組成成分,能通過上調或下調來有效調節膜完整性的結合、積聚和破壞。(3) 將這些調製因子應用於通過擠壓毛孔獲得而後分離的真實神經元膜。在A1-40, A1-42 和 A3p-45存在的情況下研究還原的神經元膜結構。 AD遍及全球,影響了許多不同種族、國籍和信仰的老年人。該疾病至今仍為不治之症。眾所周知,AD患者有細胞外-澱粉樣蛋白(A)原纖維,形成斑塊和細胞內的tau-纏結,研究人員仍在試圖了解蛋白質轉換成分子斑塊的組合機制與AD患病率之間的因果關係。最近,美國國立衛生研究院(National Institutes of Health, NIH)和基因泰克公司(Genentech)宣佈了一項針對哥倫比亞特定人群的國際藥物測試,這些人似乎更容易感染這種使人衰弱的疾病。他們的研究目的是測試一種新的藥物以降低A合成原纖維的能力,儘管眾所周知A的原纖維聚合體與AD造成的神經元喪失相關,但更多近期研究表明,極小的聚集體,稱為寡聚體,可能與神經元細胞的毒性有更強的關聯性,而非原纖維。事實上,大量的AD研究團體目前認為,神經元死亡的過程更像是紊亂的自我免疫。涉及膜蛋白上A寡聚體和tau-蛋白二者的故障信號過程,稱為突觸后緻密(PSD),可能觸發了下游信號路徑,進而破壞細胞。 研究發現,A寡聚體而非成熟纖維在AD中發揮主要作用,並且認為引發疾病的途徑可能只與A的寡聚形式有關,而不是原纖維,例如:研究已經證實,在AD發病期間形成的細胞質里,A寡聚體的存在與反應性氧化物(ROS)的形成密切相關。細胞膜完整性的喪失,既能使分子湧入細胞和細胞溶質湧出,進而破壞神經元細胞的細微分子平衡;進一步研究表明,脂筏域能夠保護膜免受A寡聚物的破壞。另一個研究小組也發現了一種不同的A寡聚體,叫做環狀原纖維,其似乎能在膜表面形成孔狀。總之,這些新發現指出感染AD的特殊途徑,並表明細胞膜內脂筏結構的動態組合是分子機制的關鍵過程,從而導致感染發病。 在此發現下,脂質膜的作用引起了廣泛而重要的研究浪潮。使用單分子螢光顯微鏡檢測POPC表面上一小部分A0分子的自我組合。研究指出,此過程延遲期很長,甚至需要數天的時間。根據可能存在的平面組合,研究亦指出,如果大的單層囊泡與A單體或寡聚物接觸,則表面會因溶液中的染料分子形成多孔。他們檢查了神經節苷脂(GM1)存在和缺失產生的影響,以表明GM1是形成膜孔的重要組分。在一系列研究中,存在A衍生的可擴散配體(ADDL)的情況下,在顯微鏡下研究神經母細胞瘤細胞,結果顯示,反應性氧化物在下游形成,表明ADDLs的存在確實會破壞細胞。此外,研究人員也進行了膜分離研究,以表明筏結構域增強了將ADDLs聚集到細胞表面的能力。研究人員指出,那些提高了細胞外膽固醇含量的筏結構似乎可以阻止A誘發的氧化。 根據以上研究,假設A以其基本單體形式可以輕易地分解和形成幾個不同的寡聚物。其中包括ADDLs,環狀原纖維和原纖維。這些不同物質的形成主要依賴於A單體所在的環境。 目前許多實驗室在膜表面由膜誘導形成聚合物的成果證明,脂質似乎對A有很高的親和力,並通過實驗指出可能存在的早期寡聚物的形狀,並暗示其具有環狀形態。有研究團隊指出,如果環境中含有被稱為脂筏的DRM結構域,那麼這些ADDLs確實會變得有毒性,因為筏通常含有約33%的膽固醇,並且他們發現調整膽固醇含量可以改變ADDLs向細胞的擴散。儘管也有其他團隊表明,A最低限度地吸附和聚集在高流動性的膜上,但一般認為筏在聚集A方面能力超群,可能引起表面締合,驅使細胞內下游反應性氧化物的形成。為證明A與脂質表面結合時確實發生了膜滲透,已有實驗證實螢光團滲透到DMPC囊泡內部,尤其是那些帶有GM1的螢光團。 根據這一系列的研究,確切的治療方式許多研究團隊仍在努力建構中。但可以歸納,在生物相關濃度下,已經可以探究A二聚體/三聚體形成的早期階段,及其對膜結合和退化的影響,但需要進行更多的實驗來了解膜穿透物質的具體組成,如環狀原纖維為何物。因此,一種能定量測量不受探針(標記)擾動影響的量測系統與我們的確切目標至關重要;同時,需要量化諸如GM1,sphygomylein(SM)和膽固醇等因素的參數化水平,這些因子可以調節環形原纖維的水平或其他膜蛋白複合物的形成以及膜的分解。 由於相關研究仍在進行中,因此若能有超靈敏技術將有助於相關團隊成為領先族群,做出早期的治療手段。目前國內的主要研究團隊已經達成了對富筏域的鞏固,也開始用產生還原細胞的方式,在減少創傷的條件下捕獲具有不同性質的膜域,而還原細胞可通過光學捕獲,運用無標記鐳射捕獲拉曼光譜來檢測分子成分,來達到檢測的目的。 可溶解的A是沒有毒性,主要構造為阿法螺旋的變形(-helical variant),基本上是在正常的新陳代謝機制下分泌。目前的研究相信A蛋白聚集而形成纖維束(fibril),主要構造已轉換為貝他摺片(-sheet),而這個變化是早期阿茲海默症發展過程中最關鍵的階段。最近被提出的說法是與細胞膜上的GM1緊緊結合之A是種子化A纖維束形成的前驅物,然而A蛋白聚集和構造轉換的分子機制目前並沒有辦法完全了解。 因此,在越來越多學者投入A蛋白造成細胞毒性的「早期分子機制研究」後,已經有學者開始將研究主題聚焦在以下三個課題:(1) 利用支撐式磷脂質脂雙層結構,在生理濃度(0.5-3mol%)的情況下,探討在含有膽固醇/神經磷脂或沒有膽固醇的脂雙層架構中,比較A和GM1結合的親和力。(2) 找出並瞭解A是跟GM1結合進入了類筏狀微環境(raft-like micro-environment),還是改變了原始脂筏的成分。(3) 探索是否從外界加入含有高親和性的GM1微環境的微脂體,可以將A類澱粉蛋白轉向遠離主要的支撐式脂雙層。透過這些研究課題的成果,便可以為阿茲海默症開發治療的基礎。
發布日期:2018/01/05
資料來源:台灣大學 生化科技系
近年來,世界各國主要投入的研發領域除了物聯網外,非生物科技領域莫屬了。其中新藥領域更是許多專家積極投入研究的課題,因此除了傳統大藥廠之外,許多中小型研發公司的興起,更是說明了生技領域的蓬勃發展情況。然而,新藥開發從基礎探索研究到上市通常約需耗費10-15年期間,投入的平均成本更是高達26億美元(2015年統計),為了能夠更有效的開發出新藥,「精準」成為這些研究團隊的重要考量因素。 根據2017年的統計,全球正在研發中的新藥約有1.4萬件,其中以抗癌用藥佔最大比例(約5千件),若是以產品類別來看,生技藥品及改良新藥是主要的開發方向。而為了能夠針對癌症、腫瘤開發出有效治療用藥,在臨床試驗階段就必須仰賴精準的生物標誌技術來進行實驗設計及患者篩選,如此才能節省實驗的時間與數量,也才能夠降低成本的耗費,特別是許多研究團隊正在積極開發的癌症用藥,就更加迫切的需要新的生物標記技術。 微小核醣核酸(microRNA, miRNA)為內生型的小片段單股RNA,長度約為18 - 24個核苷酸,屬於DNA轉錄後不會轉譯成蛋白質的非編碼RNA(non-coding RNA),至今已有超過4,000個人類的miRNA被鑑定出來。 miRNA序列具有高度保留性,相同編碼的miRNA可以在不同物種間發現。miRNA的生成首先經RNA聚合酶在核內轉錄產生長度約幾百個核苷酸的primary miRNA,透過核糖核酸梅Dorsha剪切形成70個核苷酸的precursor miRNA,並由細胞核送到細胞質。接著RNA內切酶Dicer剪切掉髮夾結構之迴旋處,形成18 - 24個核苷酸的miRNA/miRNA*雙股,藉由解旋酶打開雙股,其中一股能鑲嵌入蛋白質複合體(RNA-induced silencing complex, RISC)中,可以與目標信使核糖核酸(messenger RNA, mRNA)的3非轉譯區(3 untranslated regions, 3 UTR)互補,使mRNA被降解或抑制蛋白質轉譯作用,進而影響細胞發育、增生、分化及細胞凋亡。miRNA不僅存在於細胞內,文獻指出miRNA也會存在於血清、血漿、尿液、唾液等體液中,並且體液內miRNA的異常表現,經常與癌症、心血管疾病、神經退化性疾病有關。此外,目前的研究發現:miRNA可以藉由調控致癌或抑癌的基因表現來影響癌症的進程;甚至是當人體受到病源體感染時,我們還可藉由偵測體液中病源體的miRNA來做出診斷。由於miRNA可以在高溫、極端的酸鹼環境及反覆的凍乾循環中依然保持穩定,故其非常有潛力作為非侵入性疾病檢測的生物標記。 北方墨點法首先利用電泳分開各種長度的RNA,再將其轉置到膜上與miRNA的偵測探針雜交反應,最後利用化學冷光或其他方式讀取訊號。一般來說,北方墨點法的缺點是:(a) 實驗工序繁瑣 (b) 實驗耗時過長 (c) 偵測靈敏度不夠高,但在許多文獻中,北方墨點法仍被當成miRNA偵測的黃金準則。 2. 定量反轉錄聚合酶鏈式反應 (quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction, qRT-PCR) 由於miRNA的長度僅18 - 24個核苷酸,原本並不合適利用PCR技術偵測,因為miRNA序列過短,使引子(probe)設計的難度大大增加;但近年來PCR技術突飛猛進,已有幾種方式可突破引子設計的障礙。就筆者所知,目前有兩種試劑在仿間販售,挾著其卓越的靈敏度(pM - fM),qRT-PCR儼然成為偵測miRNA新的黃金準則。不過利用qRT-PCR來偵測miRNA依然有其不利之處:(a) 試劑價格昂貴 (b) 需熟練的技術人來操作 (c) qRT-PCR的讀取儀器亦不便宜。 MiRNA的微陣列分析是在晶片上進行反應最後讀取螢光報導引子的訊號,此技術有絕佳的高通量能力,雖然在捕捉引子的設計及螢光分子的修飾上有其難處,不過最致命的缺點還是專一性欠佳,以致於無法大規模普及。 目前尚在實驗室階段或才剛有產品問世,但常見於文獻報導的miRNA偵測技術可區分成以下幾大類: 1. 以電化學為基礎的miRNA偵測技術 (Electrochemical biosensors developed for miRNA detection) 電化學miRNA偵測平台,是利用引子捕捉miRNA或其產物,並將此事件以電化學的訊號輸出,如電流(amperometric biosensors)、電壓(voltammetric biosensors)或阻抗(Impedimetric biosensors)。電化學偵測技術挾著:(a) 相對便宜的價格 (b) 其量測平台具微型化的潛力,早已被廣泛應用於食品、植物、環境、生醫分析等領域中。因此,在發展相對成熟的優勢下,利用電化學偵測技術來檢測miRNA的研究常擁有:(a) 極高靈敏度,有些研究甚至達到aM (b) 實驗操作簡單 (c) 分析時間短 (d) 有潛力實現重點照護檢驗(point-of care test, POCT注1) 等優點。目前,國內外許多研究室或公司已將自己的技術商品化,只是就筆者所知,尚未有老牌大型生技公司如GE、Thermo Fisher、BioRad、Agilent等將其併入麾下產品線販售。 2. 以光學為基礎的miRNA偵測技術 (Optical biosensors developed for miRNA detection) 與電化學miRNA偵測平台類似,以光學為基礎的miRNA偵測技術,需設計捕捉引子和標定光學活性報導分子標記的核酸探針,待與miRNA或其產物雜交後產生光學信號。主要可分為下列幾類: 發光型的光學miRNA偵測技術常將光學活性報導分子標記在核酸探針上,待與miRNA或其產物雜交後,即可產生發光信號(signal-on)或是使原本的光訊號猝滅(signal quenching)。常見的光學活性報導分子有:(I) 螢光分子(fluorescence dye) (II) 量子點(quantum dot)。 金屬薄膜的表面電漿子共振是一種存在於金屬與介電質界面的物理現象,入射光必須藉由耦合器來增加沿著界面傳播的波向量大小,如此才能激發出金屬層及介電物質層界面間之表面電漿子,使其沿縱向(longitudinal)共振運動。利用此技術偵測miRNA不須要標定其他分子,因此可以做到即時量測訊號;但一般生物檢體的樣本中,含有大量的蛋白質等其他非目標miRNA的干擾物,會造成量測誤差增加。所以目前利用金屬薄膜表面電漿子共振來偵測miRNA的研究,大多須結合其他核酸增幅技術或是訊號放大的手段才行。 (b) 奈米金屬粒子的侷域表面電漿子(localized surface plasmon): 侷域表面電漿子是奈米尺度(100 nm)下的金屬粒子,其自由電子受到外加電磁場驅動而產生的集體震盪,我們可將之簡化成電偶極與外加電場作用,故會在某些波段有很強的消光現象(extinction)產生。此類侷域表面電漿子的miRNA偵測平台通常也會配合其他核酸增幅的手段,先增幅核酸再進行量測,主要是因為侷域表面電漿子產生的消光現象或侷域電場的增強,對於折射率變化的響應不是非常敏感所致。此外,合成奈米金屬粒子雖然不困難,但每批合成粒徑大小的均一化卻十分不易控制,因此利用此技術做定性分析容易,但要做到高靈敏度的定量分析就十分困難了。 以目前較多研究團隊或廠商使用的miRNA偵測技術有:(1) qRT-PCR (2) 微陣列分析 (3) 次世代定序法(next generation miRNA sequencing)。前兩項技術的概要已在前面簡述過,而第三個商用技術-次世代定序法,則是目前唯一可以偵測未知miRNA序列的技術,但其實驗、時間,與儀器成本比qRT-PCR還要高,要真的普及還有一段很長的路要走。 考量近年政府投入大量資源鼓勵進行生醫領域的研發,加上精準醫療 (precision medicine)的發展趨勢,故液體活檢在這波浪潮中已成為全球各大藥廠或生技公司爭相發展的新興領域。由於液體活檢不須透過侵入性高的組織切片,只要採取如血液、唾液、尿液等體液來檢測其中的特定生物標記,就能做為癌症診斷、藥物治療選擇或預後評估的參考依據,若再配合基因檢測,預期可以作為促進精準醫療發展的重要基石,也建議未來可以鼓勵相關學研單位進行合作,加速完成新藥的開發。 注1:point-of care test, POCT尚無確切的中文名稱,泛指一種由非實驗室或臨床工作人員,且不在傳統的實驗室內進行的診斷檢驗。
發布日期:2018/01/05
資料來源:工研院產經中心
循環經濟講求的是「再生恢復」,使用可再生能源、拒絕使用妨礙再利用的有毒化學物質,並藉由重新設計材料、產品、及商業模式,以消除廢棄物並使得資源能夠更有效率地被利用,有利於經濟的可持續發展。因此,生質塑膠打破傳統線性經濟「製造、使用、丟棄(處置)」的局面,完美的體現了這個迴圈。(如圖一) 生質塑膠成為循環經濟下可以達到完全循環的夢幻材料,究竟生質塑膠如何滿足既有對塑膠製品的需求與兼顧循環經濟的優點,本文將自國際大廠的發展現況與最新生質塑膠材料的發展方向,呈現生質塑膠未來發展的機會與可能面臨的難題。 壹、生質塑膠產業概況 根據歐洲生質塑膠及生質複合材料研究中心統計及預測(如圖二),全球生質塑膠產能將由2014年的1.7萬噸成長至2019年的7.8萬噸,成長最為快速的為包裝應用,其中又以硬質包裝成長最為顯著,預估至2019年,將占總產能的75%,軟質包裝則為第二,占7.5%。 生質塑膠可概分為:(1)以可生物分解為主,是指可以進行堆肥但不必是來自可再生資源的塑膠;(2)以來源為生物基,如由蔗糖而來的Bio-PET和Bio-PE以及可耐高溫的PLA;目前發展最快、應用層面最廣的以Bio-PET與PLA為主,因此以下將針對開發此兩產品的廠商介紹。 貳、國際大廠發展趨勢 Nature works 總部位於美國明尼蘇達州,為泰國最大化學工廠與美國穀物公司Cargill於2011年成立的合資公司,為全球第一個商業化生產PLA的廠商,Ingeo(PLA產品名稱)年產量約15萬噸;身為全球發展PLA的龍頭廠商,Nature works多年來一直尋找第二個擴廠的據點。因亞洲為其第二大市場,且加上泰國擁有豐富的天然原料,因此選定泰國作為第二個生產據點,預計在此增設產線。除了使用玉米、甘蔗等天然作物作為PLA的原料外,Nature works與CALYSTA 進行技術合作,研發將甲烷直接合成為PLA;2014年更獲得美國能源部250萬美元專案開發金,預計2018年設立試量廠工廠,2026前建設出全球第一座量產甲烷發酵乳酸的工廠。 自2009年以來,Coca-cola一直致力於生產100%的生質塑膠瓶,直至2015年和Virent宣布,已成功開發可商業化100%的生質塑膠瓶,為生質塑膠的發展注入一股強心針;與此同時,荷蘭的新創公司Avantium是全球主要開發FDCA商業化製程的公司,希望經由「FDCA」與「生質乙二醇」聚合得到PEF瓶,因為PEF瓶比是PET瓶(寶特瓶)具有更好的阻氣性能,更適合盛裝氣泡飲料產品。 參、結論 根據EMF在2016、2017年提出的The New Plastics Economy,針對建立塑膠循環使用體系提出幾點建議: 1. 創造循環的塑膠使用環境:建立完善回收機制來提升塑膠二次回收後的使用機率;在產品設計階段加強強度使塑膠可以重複使用一次以上。 生質塑膠發展最主要的驅動力量原先為原油枯竭所造成的原油價格不斷上漲的情勢,再加上全球暖化的迫切危機,促使簽署京都議定書的各國政府以政策補助或限制方式大力推動生質塑膠的使用,長久以來市場應用與開發成本即為生質塑膠發展的兩大困境;儘管近來油價下跌,生質塑膠與石化塑膠的成本再次拉大,但站在永續發展的角度上,各國政府無不以政策顯示開發生質塑膠的決心,加上全球生質塑膠在硬/軟質包材的應用逐漸擴大,顯示生質塑膠已逐漸在包裝應用市場找到定位,奠定生質塑膠發展的基礎。
發布日期:2018/01/05
資料來源:工研院產經中心
聯合國(United Nation, UN)於1992年通過「氣候變化綱要公約」(Framework Convention On Climate Change, FCCC),期望全球共同努力抑制溫室氣體的排放,目標為「將大氣中溫室氣體的濃度,穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾水準上」。1997年氣候變化綱要公約第3次締約國大會中通過的「京都議定書」,明訂針對6種溫室氣體進行削減,包括二氧化碳(carbon dioxide, CO2)、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物及六氟化硫,其中二氧化碳含量較多,對全球升溫的貢獻占比約為55%。 2015年底在法國巴黎召開第21次UNFCCC締約國大會(簡稱COP 21)通過「巴黎協定」(Paris Agreement),首度將所有國家將共同努力保持本世紀中全球氣溫升高不超過工業化前水準的2℃,並驅動工作努力以進一步限制不超過1.5℃。巴黎協定於2016年11月4日正式生效(生效門檻為55個締約國批准,溫室氣體排放占比超過55%);目前UNFCCC的197個締約國中有194個締約國簽署巴黎協定,批准者已有132個,約占全球溫室氣體排放量的82%。 因應COP21與我國2015年通過的「溫室氣體減量及管理法」,環保署2017年11月公布我國第一期溫室氣體階段管制目標(草案),每五年為一期訂定溫室氣體階段管制目標,漸進式減少碳排放,設定我國2020年溫室氣體排放量較2005年基準年減量2%、2025年減量10%,即2020年我國溫室氣體淨排放總量降為260,717千公噸碳當量,並以2030年較2005年減量20%為目標,且我國電力排放係數在新能源政策推動下,將由2016年的0.529公斤CO2/度降至2020年的0.492公斤CO2/度,朝向2025年的0.394公斤CO2/度邁進。   CO2為化學鈍性之物質,傳統上很少作為其它化學品之原料。CO2被視為造成全球暖化的元凶,在工業生產過程中佔很大的比重,如何將工業排放之CO2循環利用,是未來國內外科技發展必須掌握的商機;減少碳排放逐漸由不具約束力的趨勢演變成具有約束力的公約,將CO2再利用作為生產其他化學品之料源,也漸漸成為廠商新技術開發方向。 荷蘭塗料大廠AkzoNobel為替公司塗料產品創造環保與減碳的形象,積極應用CO2為原料發展塗料產品,如:低VOC的溶劑產品碳酸二甲酯(dimethyl carbonate, DMC),以CO2與氫氣(生產氯氣之副產物)為原料,透過新觸媒催化合成甲醇,再用此甲醇與CO2透過觸媒催化反應合成DMC;AkzoNobel也透過與比利時研究機構VITO、挪威研究機構SINTEF、公司內部之技術整合以及歐盟與荷蘭官方之補助,進行開發合成DMC製程中所需要的新觸媒與新反應器。2015年底已進入試量產,DMC產能約0.1千公噸/年,未來若進入量產,產能將達50~100千公噸/年,目前全球市場需求約400千公噸/年。 BASF為全球丙烯酸及其衍生化學品之領導廠商,丙烯酸可應用至塗料、接著劑與各種民生產品中;近年民生用品逐漸走向綠色環保,BASF計畫透過應用CO2等廢棄物作為原料,為產品創造綠色環保形象。2011年開始,BASF與Catalysis Research Laboratory(CaRLa)、TUM in Munich與the University of Stuttgart在德國聯邦教育研究部(BMBF)補助下執行ACER計畫(crylates ex Renewables),用工業排放CO2與生質乙醇作原料,開發新觸媒以工業化生產丙烯酸與其下游衍生物,並導入民生產品如紙尿布中;2011~2014年間,BMBF共贊助ACER計畫220萬歐元,BASF也投入170萬歐元,BASF開發反應用所需新觸媒已有初步成果。 聚氨酯(polyurethane, PU)在化學結構上具備"-O=C-O-"的鏈段,與CO2之化學結構相似,因此利用CO2作為PU之料源已成為許多國際PU大廠朝向綠色低碳之產品發展方向,下文將分析Covestro、Ube、Asahi Kasei與Dow Chemical等公司之產品發展概況。 德國化學品公司Covestro主要產品為PU與聚碳酸酯(polycarbonate, PC)樹脂,兩者結構皆有導入CO2作為原料之潛力,因此長期投入CO2料源化學原料之開發,並透過與Rheinisch-Westflische Technische Hochschule Aachen(RWTH Aachen) University催化劑研究中心合作,參與BMBF的夢想製造專案(dream production),開發以CO2為原料的低成本、環保型且高性能化學品生產技術。 2014年Covestro應用德國工業排放之CO2、化學合成之環氧烷類(epoxide)與可再生能源電解水所產生的氫氣作為原料生產DMC,再搭配公司自行開發的觸媒與化學合成的二醇類反應生產聚醚碳酸酯型的多元醇(polyol)化學品,進而生產聚醚碳酸酯型PU,應用在彈性床墊等產品之彈性材料,以往彈性體的生產完全以石油為原料,Covestro的新彈性體產品約25%成分由CO2取代,且經測試證明新彈性體與完全用石油原料生產之產品性能相同。 DMC除了可應用作為合成多元醇與PU的原料,Covestro也積極開發CO2合成之DMC進一步合成PC。2016年6月Covestro在德國Dormagen生產基地正式商業化首套使用CO2為原料生產多元醇的設備,將使用20%的CO2原料,產能為5千公噸/年,短期內以供應德國與歐洲業者為主。 Covestro亦與德國教育部及Gottfried Wilhelm Leibniz Universitt Hannover(LUH)合作,持續研發將CO2運用在化工製程當中,讓聚合物使用的CO2原料比例提升至40%。2016年12月Covestro正式將該公司位於Dormagen的聚醚碳酸酯型多元醇產品出貨作為床墊填充物使用。 Dow Chemical沒有投入PC多元醇的開發,而是將其資源投入發展應用CO2與環氧烷類合成環碳酸酯進而與二胺類反應合成非異氰酸酯聚氨酯(non-isocyanate polyurethane, NIPU)。Dow Chemical在NIPU領域目前鎖定在發展合成路徑中各化學反應所需要之觸媒,並布局專利。 除了PU樹脂,用CO2作為PC樹脂是另一重要開發領域。PC主要分為芳香族(aromatic)與脂肪族(aliphatic);芳香族PC傳統上須以光氣(phosgene, COCl2)做為原料進行合成,由於光氣是劇烈窒息性毒氣,使用上十分危險,因此多數芳香族PC製造商已投入非光氣法或CO2法芳香族PC製程之發展。 目前只有Asahi Kasei實現商業化生產CO2法芳香族PC,將技術技轉給與臺灣奇美實業合資的旭美化成,並在台南建有140千公噸/年之產能;此外,Asahi Kasei也將此套技術技轉給俄羅斯的OAO Kazanorgsintez與韓國的Lotte Chemical,兩者產能皆為65千公噸/年。2015年1月Asahi Kasei發表新的二氧化碳芳香族PC製程技術,開發應用CO2合成二烷基碳酸酯(dialkyl carbonate, DRC)的製程,取代舊有較複雜之DMC原料合成並降低製程之成本。 旭美化成在生產芳香族PC產品上主要是與位於高雄的東聯化工進行合作,東聯應用旭美化成生產環氧乙烷(ethylene oxide, EO)製程的副產物CO2生產碳酸乙烯酯(ethylene carbonate, EC),並將此EC販售給奇美,奇美應用EC生產DMC再用DMC與酚反應合成雙酚碳酸酯(diphenyl carbonate, DPC),最後由旭美化成應用DPC與BPA聚合成PC樹脂。 奇美在生產DMC的過程中,會產生乙二醇(ethylene glycol, EG)副產品,奇美將此副產物EG,再銷售給以EG作為主要營業項目的東聯,雙方除了消耗了製程中所產的CO2廢棄物,且產物還可以供給對方使用,達成循環利用之成果。 雖然工業排放CO2量龐大,但比交通工具及生物排放容易收集、純化與再利用,不僅可自行循環利用,重塑化學公司形象,也成為火力發電廠等CO2排放的回收者。以CO2為料源生產化學品的技術仍在研發階段,許多應用CO2料源技術之成本高於非二氧化碳料源,須改善效率並降低成本。 全球各廠商不斷精進以CO2為料源生產化學品的技術,新的觸媒、設備、程序工藝設計及新的商業模式,除了需要資金補助發展外,如何聯結公共政策、外部研究能量、CO2排廢者與下游化學品或衍生物,也是推動二氧化碳料源化學品商業化之關鍵。發展以CO2為原料之PU或PC樹脂,不僅要開發自有的專利觸媒技術,還需與環氧烷類之料源進行反應;目前我國已具備環氧乙烷的製造能力,但環氧丙烷仍仰賴進口,進口量在70~90千公噸/年;若國內廠商想以CO2為原料生產化學品,需投入CO2收集與純化以及觸媒研發並確保環氧烷類料源之供應無虞,才能創造二氧化碳作為化學原料之生產競爭力。
發布日期:2018/01/05
資料來源:長庚大學 光電工程研究所
隨著科技演進,越來越多產品需要透過新材料的開發才有可能進一步升級,薄膜材料正是其中之一。所謂的薄膜材料是指厚度介於單原子到幾毫米間的薄金屬或有機物層,最淺顯易懂的應用就是家用鏡子,這就是在透明玻璃的背面鍍上一層金屬(若是將鍍層縮減至奈米以下,就可成為雙面鏡),而目前的電腦配備、醫療用品與太陽能電池都是薄膜技術的應用範圍。 然而在開發新材料或新應用的同時,如何確保成果的品質與成效,可以將「淺薄」塗佈成果成功檢驗的技術也同樣重要。目前在材料的分析主要是針對靜態量測,透過相關檢驗技術,才能確認薄膜材料本身物理特性的均勻性或是空間分佈,檢測成果無論是對於基礎研究或是應用皆是同樣重要。然而,若是量測系統能夠具有動態量測厚度細微改變的能力,那麼將會有更多用應用性,例如在製作薄膜材料的成膜(film growth)過程可從觀測薄膜製作過程中的表面均勻性是否一直都很良好以做為薄膜製備流程的改善。 由於目前這方面的量測技術皆是侷限於單點量測,並無法達到二維量測。有鑑於薄膜材料物理特性的空間分佈量測與分析在目前科學發展的需求日益重要,國內已有研究團隊提出一個能夠快速且精準的量測薄膜材料橢偏參數二維分佈的相移影像式橢圓儀(phase shift imaging ellipsometer),相移影像式橢圓儀係利用一向列式液晶(nematic liquid crystal)材料所製成的液晶相位可調延遲器(liquid crystal variable retarder, LCVR)可以透過外加電壓改變LCVR的相位延遲來調控入射光的偏振態,由於是使用電光調制(electro-optic modulation)的機制,其量測速度和量測系統穩定性皆優於採用機械式進行偏振調制的機制。同時在整個量測過程中,只需改變四個相位延遲(亦即是給予四個不同的入射偏振態),即可量測到待測樣本橢偏參數的二維分佈。因此可以應用材料的靜態和動態量測。 橢圓偏光術(ellipsometry)即為利用偏振光射入到待測樣本表面,並分析反射光偏振態的一種精密量測技術。橢圓儀的量測方法是量測待測樣本表面的橢偏參數(ellipsometric parameter): 和 ,這兩個參數與反射光的水平偏振與垂直偏振分量的振幅反射係數(amplitude reflection coefficients)比值有關。在使用橢圓儀去測得材料的橢偏參數之後,依據材料特性所預先建立好的物理模型,即可推算出材料的光學特性。 相移影像式橢圓儀的光學架設如圖二所示,所使用的光源為632.8 nm波長的穩頻氦氖雷射,雷射光束經過一片穿透軸與實驗室座標x軸夾角為45的偏振片,因此入射光為沿著45方向振動的線性偏振光。之後再經過一可以經由外加電壓控制條件改變相位延遲的液晶可調相位延遲片(LCVR),且在可調相位延遲片後方置放一個擴束器(beam expander, BX)將光束擴大並照射到待測樣本上,從樣本表面反射的光束經過一片析光片,最後由CCD照相機接收反射光強度訊號。在此光學架設中,可調相位延遲片的快軸(fast axis)和析光片的穿透軸(transmission axis)角度分別設定在0與45,CCD照像機所接收到的光強度訊號為: 為了能夠驗證相移影像式橢圓儀的量測精準度,待測樣本目前常用於商用橢圓儀做為量測精準度校正的測試標準片(calibrated step wafer),其材質係在矽(silicon)晶圓上有成長一特定厚度的氧化層(silicon dioxide, SiO2),因其標準片所記載的量測數據:如橢偏參數y和,以及折射率和膜層厚度皆是使用量測精準度最高的歸零式橢圓儀所測得,經由量測此一測試標準片,圖三為測試標準片的二氧化矽薄膜厚度二維分佈,如表一所示,此樣本的物理特性的分佈的平均值與標準片的量測數據相當接近。 就科學研究發展而言,新穎材料或是元件的表面物理特性研究皆是一個很重要的課題,目前亦有很多基礎研究是以影像式橢圓儀做為分析表面物理特性的主要檢測工具。目前生產影像式橢圓儀的廠商,例如德國的 Accurion,是採用歸零式橢圓儀的光學架設,因是採用高精度機械旋轉平台控制光學元件的方位角以進行偏振調制和偏振分析,因此造價不低;而本文所提出的相移影像式橢圓儀,因所使用的是目前國內生產技術相當成熟且價格低廉的向列式液晶元件,再加上系統架設和量測方法皆是相當簡易,未來亦有可能自行架設以做為一簡易且精確之表面物理特性之光學檢測平台。而量測系統中,成本最高的雷射光源亦可以使用白光光源配合不同窄帶濾光片,或是使用藍光和紅光LED做為準單色光源以降低成本。 就產業價值來看,很多電子或是光學元件皆是屬於薄膜結構,相移式橢圓儀具有動態量測厚度細微改變的能力,因此可以應用於觀測製作薄膜材料的成膜(film growth)過程以了解在薄膜製程中的表面均勻性是否一直都很良好,亦可以從中得知分析整個厚度的成膜速率。這有助於提高元件製造過程中的良率改善。 參考文獻 M. Poksinski and H. Arwin, Protein monolayers monitored by internal reflection ellipsometry, Thin Solid Films 455456,716712 (2004). C. Chou, H. K. Teng, C. J. Yu and H. S. Huang, Polarization modulation imaging ellipsometry for thin film thickness measurement, Opt. Commun. 273, 7483 (2007). C. Y. Han and Y. F. Chiao, Photoelastic modulated imaging ellipsometry by stroboscopic illumination technique, Rev. Sci. Instrum. 77, 023107 (2006). S. Otsuki, K. Tamada, and S. Wakida, Two-dimensional thickness measurements based on internal reflection ellipsometry, Appl. Opt. 44, 14101415 (2005). G. Jin, R. Jansson, and H. Arwin, Imaging ellipsometry revisited: Developments for visualization of thin transparent layers on silicon substrates Rev. Sci. Instrum. 67 (8), 2930-2936 (1996). Step wafer ID 0153 from Mikropack GmbH, Germany. The calibration data sheet of step wafer SiO2 on Si serial number ID0153, by Dipl-Ing (FH) Michael Kaiser, Labor fr Mikrosystemtechnik FH-Mnchen, Germany.
發布日期:2018/01/05
資料來源:國立成功大學 地球科學系
由於健康意識的抬頭,使民眾對於生活食衣住行的要求日益增加,特別是可以導致「病從口入」的食物,就是一個容易引起民眾劇烈反應的重要課題。是以,近年諸如三聚氰胺毒奶粉、毒澱粉、塑化劑及黑心油等接二連三的重大食品安全事件,都可以說明民眾對於生活已從追求量轉變為追求質的趨勢。 故行政院從2014年起設立食品安全辦公室,跨部會整合及協調中央與地方機關進行預防及處理重大食品安全事件,以防止違法業者的惡意摻偽或故意使用低價偽劣品影響交易市場,傷害國民健康與福祉。「食安五環」政策(如圖一)是我國政府從2016年起開始推動之重要「食安」政策,其目的主要在保護國民福祉與健康,包含加強源頭控管、重建生產管理履歷、提高查驗能、鼓勵與創造監督平臺,並推動建置各類食品生產履歷的雲端系統。 由食安五環的政策中,不難發現落實食品安全的繁雜程度。以流程來看,食物到進入消費者口中需經歷生產源頭、收集、加工、儲放、運送到料理;從廣度來看,除了食物主體,還有加工/料理設備、調味醬料或包裝等等的干擾,任何一個環節的疏失都會有可能影響消費者的食品安全,是以需要更多的專業人員投入才有可能達成。 其中,在「源頭控管:重建生產管理履歷」,是標示且可追溯各項農產品或食品之生產流程、生產者和經銷商等完整而透明的履歷資訊。目前農委會所推動的「四章一Q」為目前我國主要的國產可溯源農產品系統,包括:有機、產銷履歷、CAS優良農產品、吉園圃安全蔬果標章或具有臺灣農產品生產追溯QR-code標示。 然而在這樣的生產履歷中,卻有一個相關單位的問題,也就是來源的檢測部分。以2017年6月爆發的「越南茶冒充台灣凍頂茶葉參賽得獎」為例,目前的檢測技術是用檢驗產品DNA(Deoxyribonucleic acid)的方式進行,但是若茶商改將臺灣茶樹種苗拿去越南種植,則DNA的手法就無法成功完成辨識,又如同「福島食品換包裝及標籤」、「越南米充臺灣米」等等事件,都是當前檢測技術所難以處理的問題。 同樣的,站在保護國內手法-農民優良MIT(Made In Taiwan)農特產品的角度來看,對國際推銷臺灣特有農產品,也需要搭配具說服力的證明,才能夠真正有效將MIT的產品與精神推廣至國際市場。 「同位素溯源」技術是目前國際上應用追溯不同來源食品和建立產地履歷的科學證據中,最有效與公信力的科學工具。穩定同位素鑑識技術-「碳、氮、氫、氧、硫」,主要是以當地環境、氣候、地質條件之特殊性,雖然物質具相同之化學組成,若來源不同或經不同物理/化學過程所產生,其穩定同位素比值會因同位素分餾作用而有改變,並在當地自然生態系中反覆循環至平衡穩態。因此,當地之特殊環境、氣候、地質條件等穩定同位素特徵值,將會被記錄在水、空氣、植物、土壤之中,就如同每個人的身分證號碼獨一無二,亦難以複製。此外,其同位素特徵值除可作為農產品或食品「源頭控管」以外,亦可應用於鑑識科學之重要科學佐證,協助鑑識人員重建案發現場的人、事、時、地、物。 目前「同位素溯源」技術已廣泛地應用在各種農產品產地鑑識工作上,其中以歐盟與日本最為積極開發與建立相關技術,包括:肉品(牛肉、豬肉、雞肉等)、乳製品(牛乳、乳酪、發酵乳等)。其中已較為明確的鑑別農產物為「蜂蜜」;即透過二氧化碳在不同類別植物行光合作用之生理特性而造成碳同位素(13C)之分餾差異,使C3植物比C4植物具有更輕的13C值(13C/12C比值)有所區別。2017年11月食藥署參考AOAC 998.12標準方法,公告「蜂蜜中C4植物糖之檢驗方法,編號:TFDAO0027.00」 即是利用穩定同位素分析技術,鑑識蜂蜜中C4植物糖含量之檢驗。 以歐美常見的葡萄酒為例,為了防範葡萄酒被不法商人惡意摻偽,維護優良葡萄酒品牌與保障消費者權益,歐盟多年前即委由西班牙農糧部「農產食品仲裁實驗室」,開始逐年建立各國重要產區的葡萄酒-穩定同位素資料庫,利用分析主成分之二氧化碳(CO2)碳同位素值是否來自天然或人工填充,即可判別葡萄酒是否受到人為添加或不當製程。此外,利用其穩定同位素分析結果比對當地葡萄酒莊園之土壤型態、種植位置、整枝與修剪系統、葡萄品種、樹齡,及栽培技術等相關環境條件與科學數據是否相符,來確認為不同年份不同產區(莊園)的葡萄酒。另一方面,紐西蘭政府為了維護麥盧卡(manuka)蜂蜜特有品牌,亦請紐西蘭國家同位素中心於多年前開始建立麥盧卡(manuka)蜂蜜穩定同位素資料庫,除了可以防範麥盧卡(manuka)蜂蜜被惡意摻偽或添加人工香料以外,更可在簽訂區域經濟協定上,制定相關商品進出口規範與標準,保護其國家特有且重要資產。甚至,日本政府近年來利用穩定同位素技術,鑑識中國與台灣農產品(鰻魚、蔥、蘿蔔等)之差異,並了解是否有標示不實或產地偽造之情形。 至於我國,在2013年和紐西蘭簽定經濟合作協定(ANZTEC),主要是因我國與紐西蘭雙邊的貿易具有高度互補性,我國以工業品見長,紐西蘭則在農產品具優勢。我國因ANZTEC關稅調降而受益的主要為工業產品,例如:消費手機等資通訊產品、自行車與其零附件、運動用品及臺灣特色農產品(例如:無酒精飲料、香蕉、芒果)等。然而,因ANZTEC關稅調降,而受到衝擊最大的則為我國的農業畜產品,包括:乳製品(牛乳、奶粉、調味乳)、各式肉品(牛、羊)、穀類調製食品(玉米片)等。其中,以國人每日飲用的國產鮮乳衝擊最為巨大,因ANZTEC免關稅後紐西蘭進口牛乳成本將大幅降低,而國產鮮乳長久以來產量就較為稀少(每年約35萬噸),且因國內飼養成本較高於國外進口牛乳,當免關稅紐西蘭牛奶進口我國後,將會直接衝擊國內酪農產業。2016)年起農委會畜牧處為提高國人對於MIT國產鮮乳的信心,開始以『同位素溯源』技術建立國產鮮乳產地履歷,並可依碳氮同位素之結果明顯區分台灣與紐西蘭牛乳(如圖二),未來將可作為鑑識國產鮮乳與紐西蘭進口牛乳的重要科學證據,並可防範不法商人以進口低價牛乳混充國產鮮乳之食品安全問題。 過去「微笑品質MIT」曾是讓台灣驕傲的標誌,但受到近年來嚴重的食安事件打擊後,使國人降低對MIT的信心,再加上全球化的浪潮下,對台灣的經濟產生一致化的壓力,此一壓力特別反映在貨物商品價格與利率的一致上。此外,不法商人對農產品或食品惡意摻偽,與產源標示不實的現象日益增加,均造成我國優質MIT商品無法與其他國家劣質商品之明顯區隔情形,間接造成我國外銷市場逐年消退的現象。 穩定同位素研究過去50年已被廣泛應用於地質、海洋、環境變遷、環境汙染、醫藥及藥檢、農業、生態及鑑識科學等領域。「同位素溯源」技術在近10年來由於「同位素質譜儀」的簡化與改良後,成為「產區識別」既快速又可靠的檢測分析方法,個人相信在未來10年內,「產區識別」衍伸的新型態區域經貿關係,將會成為「同位素溯源」技術最直接應用之領域,也將成為國際間針對民生物資之產區鑑定的主要工作,以維護各國人民的健康福祉與進出口貿易政策。 事實上,在國內應用穩定同位素之研究的團隊仍局限於特殊領域,如:地質、海洋、氣候等,乃因穩定同位素易受到環境氣候、緯度、高度等不同條件之影響,造成其分析結果之差異,在農產品與食品的複雜基質背景中,對特定微量成分進行篩選與鑑定,避免偽陽性的誤判,是目前「同位素溯源」技術的最大挑戰與關鍵。 參考歐洲相關商業與研究實驗室及紐西蘭國家同位素中心的近期發展,許多先進國家已經出現「同位素溯源」應用研究趨勢(歐盟、日本、紐西蘭等),除了持續建立長期的背景資訊調查分析以建立同位素鑑識資料庫,也透過跨領域(檢測分析、食品化學、環境地質、水文氣候、經貿)的合作,才能更有效的將這些數據轉化成為具有商業價值的資訊。 因此,建議可由國家先進行不同部會整合,甚至可成立一個具有統一事權之「國家農產品與食品鑑識與仲裁中心」(如圖三),結合產、官、學、研各界的能量,方可事半功倍。重新擦亮MIT微笑招牌,恢復國人對MIT信心與榮譽感,並可在簽訂區域經濟協定上,制定MIT商品進出口規範與標準,保護我國特有且重要資產,協助將台灣優良MIT商品推廣至全世界。 [參考文獻] 行政院農業委員會 https://www.coa.gov.tw/ 行政院食品安全辦公室 https://www.ey.gov.tw/ofs/Content_List.aspx?n=4A490AF42B3D2483 行政院農業委員會四章1Q https://www.coa.gov.tw/4b1q/ 行政院衛服部食藥署https://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx AOAC, https://www.aoac.org 台灣ECA/FDA總入口 http://fta.trade.gov.tw/index.asp 康綾珍、李傳斌、潘春花、徐濟泰、林松筠、吳銘志,應用穩定同位素分析技術探討產源特性--以牛乳為例。105年AOAC年會暨研討會,105年11月9日,台北輔仁大學。 李傳斌、康綾珍、潘春花、吳銘志,應用「碳、氮、硫」同位素分析探討臺灣與中國大蒜之產區特性的研究。106年AOAC年會暨研討會,106年11月3日,台北輔仁大學。 吳銘志、李傳斌、林松筠、徐濟泰、康綾珍、潘春花,應用穩定同位素為分析臺灣產與國外進口牛乳產源辨識之研究。106年AOAC年會暨研討會,106年11月3日,台北輔仁大學。 Lee, C.P.;M.C. 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發布日期:2017/10/16
資料來源:工業技術研究院 電光系統所
隨著智慧型手機的普及,消費者對於智慧型手機之功能要求也越來越高,因此在高階的智慧型手機上也越來越講究處理效能以及照相品質,於此同時也要求智慧型手機功耗需降低,以獲取更高之電池續航力。因應此需求,封裝技術發展逐漸由二維封裝如晶圓級封裝(Wafer Level Package) 進入將異質晶片堆疊整合之三維封裝(Three Dimensional Integrated Circuit),利用矽導通孔 (Through Silicon via) 降低 RC 延遲,並透過晶片堆疊技術進一步縮小封裝體積,整體晶片封裝尺寸減小後,能夠置入更大的電池,亦可設計出更輕薄的手機。 在消費性電子產品中,最早利用矽導通孔來封裝的是 SONY 的影像感測器,以往影像感測器透過打線方式連接,連接路線較長,除了封裝尺寸較大之外,也容易受雜訊干擾影響成像品質,利用矽導通孔封裝之影像感測器除了上述優點之外,還能與處理晶片或是記憶體進行堆疊而大幅增加效能,SONY 利用此技術在今年推出了 960 fps 之手機相機模組。除了影像感測器之外,利用矽導通孔將記憶體堆疊之需求也因人工智慧之發展而逐漸升溫,TSMC 也利用 CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) 技術進行相關產品之量產。 異質整合封裝技術製程流程如下圖 1 所示,可概略分為矽導通孔模組以及晶圓接合模組。矽導通孔模組主要進行矽導通孔之製作,重要步驟包含黃光、乾蝕刻製程、絕緣層製程、晶種層物理氣象沉積、電鍍填孔,以及化學機械研磨等步驟。其中絕緣層沉積一般利用電將輔助化學氣象沉積完成,需要注意整體在矽導通孔內部的沉積厚度均勻性,若有未覆蓋或是覆蓋厚度過薄的部分,將造成漏電流而產生良率下降的問題;此外,在晶種層物理氣象沉積製程步驟也需要注意沉積之深寬比,一般為填滿矽導通孔設計之物理氣象沉積都必須具有深寬比大於 10 的填孔能力,完美的晶種層才能夠確保電鍍時不會包覆氣泡,造成後續可靠度之問題發生。 異質整合封裝技術之特點為利用矽導通孔進行晶片之堆疊,因此必須將晶片減薄以降低封裝後之厚度;以 12 晶圓來說,原始厚度是 775 m 左右,通常會將其減薄到 50 m 以下再進行晶片堆疊,以目前技術直接在 50 m 厚度之 12 晶圓上進行製程是有困難的,因此需要藉由薄晶圓處理技術將晶圓貼附在乘載晶圓上,再將其研磨至 50 m 以下並繼續進行後續製程,如背面的重佈導線以及微凸塊製程等等。當所有製程完成之後,目前有兩種後續做法:現下大部分公司是先將晶圓切割成晶片後,再將不同晶片加以堆疊;另外也能將晶圓直接與晶圓接合,接合後切割即完成所有製程步驟。 圖 2 說明異質整合封裝技術之關鍵技術,包含細線寬線距黃光技術,使用之機台包含用光罩對位曝光機、步進曝光機或是雷射直寫曝光機等,左上圖為利用光罩對位曝光機達到線寬 3 m,線距 3 m 之線路製作結果;左方中間為利用乾蝕刻製程製作之矽導通孔,孔徑為 3 m,深寬比接近 15;右上方為薄晶圓處理技術之展示,暫時接合之膠材大致可以分為熱塑性材料或是熱固性材料,熱塑性材料由於在接合時以加熱加壓進行,通常會有較佳的平整性,但是在後續有高溫製程時膠材會有流動之風險,而熱固性膠材是在接合之後再施以高溫固化膠材,因此其平整性稍差,但是在後續高溫晶圓製程有相當優良之穩定性,不會發生膠材流動之問題。而在晶圓分離技術趨勢上,最早是以加熱滑開的方式將兩片晶圓分離,目前較常見的是以機械力直接將晶圓拉開,雷射分離由於能夠自動化並應用在大尺寸面板上,有越來越受歡迎之趨勢;另外一個比較特別的分離方式是利用高壓空氣吹入兩片晶圓之間藉以將兩片晶圓分離,此方式也能夠應用於大尺寸面板應用上。右方中間顯示微凸塊製程,未來的趨勢是越來越高的 I/O 數量,因此微凸塊尺寸也越來越小,甚至必須利用無凸塊的直接接合技術。左下方為 10 片厚度 50 m 晶片堆疊結果,而右下方為晶圓與晶圓接合結果。 由於異質整合封裝技術中的矽導通孔製造成本仍高,因此僅有高端晶片/影像感測器或是大容量記憶體採用相關技術,不過未來由於人工智慧蓬勃發展,利用矽導通孔進行晶片連接之異質整合封裝技術將越來越趨普遍。目前國內除了台積電以外雖然有公司持續在異質整合封裝技術研發,但是較多公司投入的是 2.1 D 的晶圓級扇出型封裝 (Wafer Level Fan-out Package)。由於晶圓級扇出型封裝技術沒有矽導通孔製程,因此製作成本將大幅下降,以往提升晶片效能的一個方式是利用系統單晶片 (System on Chip) 將不同功能之晶片整合在同一個晶片上,目前能夠以扇出型封裝技術將數個晶片藉由細線寬線距技術封裝在同一基板上,將晶片靠近擺放能夠使其效能接近系統單晶片,通常晶片擺放間距小於 300 m。 圖 3 為一般之扇出型封裝技術製程流程圖,先在承載機板上製作分離層以利製程完成後脫離承載基板,若是採用雷射分離系統則此承載基板需採用能夠透過雷射光之玻璃,接下來進行線路製作,一般此線路製作之方式是利用黃光製程定義線路以及開孔位置,以電鍍製程進行電鍍銅線路,只要也是因為電鍍銅之導電率較高之緣故,目前在成本趨勢下也有廠商利用雷射直寫取代光罩曝光或是步進機曝光,甚至有利用噴墨技術直接噴印出導電線路,能夠取代黃光、底電極濺鍍以及電鍍銅、去光阻、底電極蝕刻等製程,能夠大幅降低線路製作成本及時間,不過在解析度部分則仍有很大的改善空間。線路完成之後即可進行晶片組裝,通常晶片都已先減薄至 150 m 以下,以利後續的模封及研磨製程,最後將承載機板分離後植球即完成整個扇出型封裝製程。 國內在扇出型封裝技術未來發展趨勢是將晶圓級進一步推展至面板級之封裝,藉由國內 LCD 面板以及電路板製程之經驗能夠很快地將相關製程經驗應用於面板級扇出封裝技術上,由於面板級扇出封裝沒有像晶圓在邊緣有無效晶片的問題,因此與晶圓級扇出封裝比較起來能夠大幅降低製作成本。 晶圓級扇出封裝之成果如圖 4 所示,左方為在玻璃承載基板上完成線路之結果,玻璃上方已有製作雷射分離層,第二張圖片顯示將晶片組裝至晶圓上的結果,晶圓厚度 150 m,第三張圖片為模封後之狀態,模封以壓合進行,模封材料厚度 200 m,能夠完全將晶片包覆,右方超音波檢查結果能夠檢測模封後是否有包覆氣泡等缺陷存在,若包覆氣泡則在後續可靠度測試上會產生問題。 具有矽導通孔之異質整合封裝技術因成本問題尚未全面普及,但是在人工智慧潮流之下應用將越來越廣,而 2.1 D 扇出型封裝現已成為市場主流,其應用當然也包含物聯網領域,物聯網應用成本仍是最終考量,但是部分物聯網應用還是需靠具矽導通孔之異質整合來達成,例如指紋辨識晶片、需要超小封裝尺寸之領域、需要低功耗應用等等,物聯網應用比較偏向少量多樣,因此通常以8 晶圓製作即可滿足需求,製程一般來說會在 45 nm 以上,因此晶圓級的異質整合封裝技術未來在人工智慧以及物聯網等領域都值得持續關注。 [1] https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/201702/17-013E/index.html [2] W. W. Shen, et. Al., Process Development and Material Characteristics of TSV-less Interconnection Technology for FOWLP, in Electronic Components and Technology Conference, May 30-Jun. 2, Florida, US, 2017. [3] H. H. Chang, et. al., Process integration and 3D chip stacking for low cost backside illuminated CMOS image sensor, VLSI-TSA, Apr. 27-29, Hsin Chu, Taiwan, 2015.
發布日期:2017/10/16
資料來源:臺灣物聯網協會
為連結全球先進科技研發能量,搶進下一世代產業,政府規劃「亞洲矽谷計畫」(Asia Silicon Valley Development Agency, ASVDA),「亞洲ž矽谷推動方案」的兩大主軸在於推動物聯網(Internet of Things, IoT)、產業創新研發及健全創新創業生態系,輔以連結國際、連結未來及連結在地的三大連結,並透過四大推動策略來推動,希望能讓臺灣連結矽谷等全球科技核心聚落,並成為亞太青年創新與創業發展基地,以搶進下一世代的未來產業。台灣要發展成為亞洲矽谷,首先要先了解美國矽谷(Silicon Valley)的發展源起,美國矽谷創業投資額占全美總投資額三分之一,並不是美國任何一座單一城市,它坐落美國西岸加州的北部,是由多個縣市組成的一塊狹長地帶,原本稱作聖塔克拉拉谷(Santa Clara Valley),因為當地企業多數從事以矽為基礎的半導體晶片行業和電腦工業,才獲得矽谷的別稱。矽谷的誕生要感謝史丹佛大學的特曼教授(Frederick Terman),他發現當地名校畢業生都選擇往紐約東岸發展,因此在校內找了些空間鼓勵學生留下來創業,是一種育成中心的概念。1951 年他進一步設立史丹佛研究園區,將工業空間便宜租給新創科技公司,消息一傳十,十傳百,連諾貝爾獎得主肖克利(William Shockley)都來此創立半導體實驗室,而從這個團隊離開的工程師和技術員,又陸陸續續創立上百家科技公司,包含快捷半導體、美國國家半導體、AMD 和 Intel 等,帶動了矽谷的興起。日後美國矽谷的發展已脫離了「矽」產業,持續在網際網路、電子商務及電動車等領域都持續引領風騷。由美國矽谷的案例發展可知,並非集中在某一特定技術的發展就可以成為矽谷,矽谷的更上位精神是在於創業精神與環境對創業團隊有友善程度,並且是有要國際化的視野,而非侷限在某一國的境內市場,才有可能成就更新興的「矽谷城市」。總而言之,成就「矽谷城市」的最重要因素就是其「創業生態系統」之完善。 在台灣倡議要成為亞洲矽谷之際,同時也要了解世界上其他國家或城市在逐漸成為新興的「矽谷城市」時,做了那一類的努力、達到了什麼樣的成果,才不會在政策上有錯誤的引導。為了能客觀了解世界各大城市在成為新興的「矽谷城市」的努力,一份將全球各城市每年評比的「全球創業生態環境報告」(Global Startup Ecosystem Report)中,詳列了有益城市創業生態環境的幾項指標就非常值得台灣借鏡。其中共有4項上位指標,每項指標下各有2~3個子指標來評比。這4項上位指標分別是:績效(主要是以新創公司的上市價值來評估)、市場探求(包括全球及當地市場)、人才(包括取得容易與否、素質、成本)及創業經驗(包括創業生態系及團隊)。 「2017全球創業生態環境報告」中指出,全球創業生態環境排名的前20名城市中,以美國矽谷、紐約及英國倫敦分列前3名。而亞洲城市中列入前20排名者有:中國北京(4)、中國上海(8)、新加坡(12)、印度班加羅爾(20)。 由此可知,台灣要成為亞洲矽谷,至少與以上各亞洲城市是競爭關係,應該在上述的指標尋求整體創業生態環境的改善,以免見樹不見林,不知全球的矽谷創新競賽早已風起雲湧,而應積極擬定有效政策,與亞洲鄰近矽谷城市儘早交流學習。 由以上的矽谷形成歷史,及世界上各城市都積極發揮創意想成為新矽谷的努力中,我們可以試想日後以物聯網引領風潮的矽谷樣貌。矽谷一直是三位一體的融合:勇於創新的文化加上技術商業化的便利,及不怕失敗再重來的創業氛圍。相信這種根本的創業生態體系之風氣將會持續,從矽的時代到網路時代,到目前物聯網時代都是如此。 而關於日後全球IoT市場樣貌,相信是利用感知層、通訊層及應用層三層物聯網技術的融合,融入世人的日常生活中,創造出智慧生活的科技便利感,更進一步成為科技融入生活的藝術。所謂藝術,就是融入生活中的美感,以往與科技是截然不同的領域,但一旦最後所服務的領域是人類的生活時,跨界的整合就水到渠成。IoT 的真正價值是在「軟硬整合為服務,既可去中心化,又可以堆積木方式整合成大系統」。台灣的優勢在於硬體製造有堅實基礎、系統整合的彈性(如工業電腦業者)、合作無間的電子生態系統,但若要發揮IoT 的整合綜效,台灣在軟體及服務及大市場需求發掘這幾方面的能力則有待加強。在物聯網時代台灣的硬體優勢是否是真的優勢?還是反而限制了往物聯網整合時代的框架?物聯網時代,只有一個優勢是不夠的,基本要求是軟硬整合,全世界眾多人口之市場的各種情境的軟體、應用是台灣IoT業者一定要補足的優勢。 資料科學、雲端科技及人工智慧AI,對於IoT的價值是在基礎的感知層(主要是感測器)及通信層(主要是將感測器遠端蒐集的資料傳到雲端)逐漸普及,輔以應用層(主要是服務人們生活的各類運用軟體或APP)的串接,所得的數據量越來越快、越複雜、彼此間越具關聯性後,我們必需正視的進一步科技發展。對於IoT的價值是具有加值化的科技提升與市場延伸,雖然是物聯網應用層的業者較易發揮的領域,但是既有的硬體業者也不能忽視。硬體業者怎樣透過創新來滿足IoT價值鏈中更高價值的一端?應該從產業方向的多樣化開始修正,心態上不必自我限縮只做硬體生意,而是要有「我是一片雲」的自我期許,先建立雲端思維來軟硬整合,即便是從一朵小雲開始做起也行。開始蒐集眾多人口市場的各種情境的資料來分析市場需求的衍化,才能往IoT價值鏈中更高價值的一端前進;同時也可利用公司內部創業或對外廣泛投資物聯網新創公司來擴張觸角。 若是從情境端思考, 給台灣從事IoT創新業者的建議是:從不同市場導向來擬定不同的發展策略,廣為連結尋找高階市場需求、創新興挖掘新興市場需求。我國業者與歐美先進國家的品牌廠商的代工合作歷史已久,透過企業內部研發的提升更廣連結、尋找高階市場需求相信已不是問題,但是對於新興市場要求的破壞式創新通常是功能的簡化、價格的降低,以求更多使用人口的思維則有待加強,尤其物聯網去中心化的效用容易讓新興市場的物聯網應用能快速成長,成為日後全球廠商都不得不正視的市場。相較於日本、韓國廠商在中國以外的新興市場的布局速度,台灣廠商應該急起直追。如印度與印尼等人口大國,其經濟進展雖較台灣慢發展,但其政治與經濟正被新一代受西方文化影響的人帶領著,這些人有宏觀的國際觀、創新的思考能力,再加上其人口結構是青壯年占絕大多數,比起許多有人口結構老化的已開發國家,印度與印尼的經濟爆發力與國家前景實在不容小覷。 臺灣雖在物聯網的軟體應用擴張至廣大使用者數量的布局稍微落後歐美大國,但在創新與資訊應用能力不容小覷,且以地緣關係及近年來主要往來國家對於資訊應用開放的程度與接受度,得以關注印度、中國大陸及其他新興亞洲國家,除了瞭解該區域的物聯網發展狀況,並可評估臺灣業者適合進入之物聯網應用領域。而在開發新興市場物聯網產業之時,更需要一套紮實的規劃;新興市場的進入策略一直是許多策略管理學者有興趣的重要研究議題,但新興市場維持極端動態與高度的不確定性,在這些新興市場內,機會與風險對於這些跨國企業是同時存在的。「但很多跨國大企業在進新興市場時因策略未修正,常常導致失敗。而成熟企業進軍新興市場,更因當地脈絡的差異,需要更大程度的策略修正。建立與新興市場當地廠商的聯盟關係,有利於當地市場的進入障礙的消除;與本土市場廠商的聯盟關係共同進軍新興市場,有助於企業談判實力、商業實力的壯大。而原先在本土市場的商業策略,如純製造為主的企業,在進軍新興市場之後,因掌握了更多的經驗與競爭資源,可以轉型為其他型式的服務,不再只侷限於製造領域,而可以進軍通路、服務,同時也可以強化原來母公司的品牌效益。適當的設立新興市場子公司,並搭配恰當的企業全球策略,是強化進軍新興市場績效的要素」[1] 。 我國欲發展物聯網為基礎核心建立亞洲矽谷的目標,應以建立物聯網創新生態系統為主軸策略,並以啟利基(Niche Positioning)、創新興(Emerging Markets)、廣連結(Wide Networking)、開新局(Ecosystem for Startups)四大方向為核心之「物聯網創新生態系模型」(NEW-Eco Model)為藍圖來發展,茲將此模型之內容詳述如下: 以感測器、工業電腦、通訊設備為基礎,往半導體、雲端的兩極整合台灣目前暨有利基及未來軟硬整合商機。 以台灣為物聯網解決方案試驗場域,融合大市場當地文化,創新商業模式。大市場應關注亞洲崛起的趨勢,並以台灣鄰近之亞洲大市場如中國、印度、印尼為重點。 不止美國矽谷,其他目前已成功的「創新應許地」也應交流學習:以色列、愛爾蘭、深圳(從山寨機發展成為硬體矽谷)、新加坡(區域運籌中心矽谷、智慧城市矽谷)、印度(班加羅爾:軟體服務矽谷)。以建立物聯網為基礎的「亞洲ž矽谷」平台為核心,經營台灣串連各地矽谷的網絡連結。 國際四大會計事務所之一的 PwC 估計,2040 年印度就有望超越美國,成為世界第二大經濟體;屆2050年時,全球前4大經濟體依序為:中國、印度、美國及印尼[2]。其中,中國、印度及印尼都位於亞洲也都是人口大國,勢必需要許多物聯網解決方案,並可以堆積木的方式建構智慧城市,台灣已發展、驗證的智慧城市的解決方案將成可這些亞洲新興市場解決方案提供最佳實證。目前最重要的是要能將台灣智慧城市解決方案分拆為物聯網模組的方式與新興市場需求對接,當然這個過程也需對各個新興市場的需求做出分析,同時也要思考在不同文化下的商業模式之重新設計。 同時針對印度市場的商業模式分析也可參考我國分析印度市場商業模式的第一本專書《前進印度當老闆─50位清華大學生的新南向政策》[3]之詳細內容。此外,關於熟悉印度市場之人才培養,有賴匯聚各方資源,在大學開設常設的課程,才能系統化培養熟悉新興市場之人才。清華大學印度研究中心邀請各界熟知印度的專家,首開風氣之先,於2017年暑假開設「印度文化經貿人才專班」[4]就是一個集合學術界與產業界共同培訓人才的鮮明案例。惟有結合新興市場當地的需求及與當地文化相契合之商業模式,輔以台灣的物聯網技術創新思維及快速軟硬體整合能力,才能成功將台灣物聯網應用的成功經驗移植海外、成功輸出亞洲新興市場國家。 [1]何明豐、林博文,2015年,「移地邏輯:進入新興市場的商業模式演進(The Logic of Relocation: The Evolving Business Models for Entering Emerging Markets)」,中山管理評論,23卷1期:91~135。 [2] Pwc,2017年,The long view: how will the global economic order change by 2050? [3] 清華大學通識教育中心方天賜教授與「印度文明與當代社會」課程的50位學生之共同著作。 [4] http://cis.web.nthu.edu.tw/files/13-1964-221-1.php?Lang=zh-tw
發布日期:2017/10/16
資料來源:臺灣物聯網協會
隨著物聯網技術的興起與日漸普及,傳統工廠轉型智慧化工廠的許多自動化技術已日漸成熟,得以運用到機器與人的共同協作、智慧互通,讓企業能夠藉此提升生產力與提高產品品質、在生產線管理上能更精準掌控作業流程,使製造業演化為「智造業」,即是現今世界各製造大國倡議的工業4.0浪潮。然而每一次的工業革命都有其引爆的核心技術,回顧以往的工業革命歷程及其核心技術將有助於掌握第四次工業革命的核心脈絡及發展趨勢。 第一次工業革命是指18世紀從英國發起的技術革命,是技術發展史上的一次巨大革命,它開創了以機器代替手工勞動的時代,其核心技術是機械自動化的革命。這不僅只是一次技術改革,更是一場深刻的社會變革。第一次工業革命革命是從工作機器的誕生開始展開序幕,以蒸汽機作為動力機被廣泛使用為時代標誌。這一次技術革命和與之相關的社會關係的變革,被稱為第一次工業革命。第一次工業革命使工廠制代替了手工工廠,用機器代替了手工勞動。 第二次工業革命是指19世紀中期,歐洲國家和美國、日本的資產階級革命或改革的完成,促進了經濟的發展。19世紀70年代,開始第二次工業革命;人類進入了「電氣時代」,其核心技術是電力技術革命,讓生產線得以充分利用電力全年無休地工作、大量生產,造就工業家成為大資本家。第二次工業革命極大的推動了社會生產力的發展,對人類社會的經濟、政治、文化、軍事,科技、和生產力產生了深遠的影響。資本主義生產的社會化大大加強,壟斷組織應運而生。 第三次科技革命時間點約在1970年代,是人類文明史上繼蒸汽技術革命和電力技術革命之後,科技領域裡的又一次重大飛躍,其核心技術是資通訊技術革命帶來的運算能力大幅改善,而對各類不同的科技領域帶來長足的進步。第三次科技革命以原子能、電腦、網際網路和生物工程的發明和應用為主要標誌,涉及資通訊技術、新能源技術、新材料技術、生物技術等諸多領域的一場資通訊控制技術革命。 第四次工業革命時間點約2010年至今,「工業 4.0」指的是以智慧製造為主導的第四次工業革命,其核心技術是物聯網技術革命成就了物聯網服務。「工業 4.0」最早出現在 2011 年德國漢諾威工業展開幕典禮時,梅克爾總理宣布德國將進入「工業 4.0」時代,其後由博世(Bosch)於 2013年 4 月 8 日向德國政府提出「工業 4.0」發展建議之最終報告而正式面世。核心概念是利用虛實整合系統,將製造業、甚至整個產業供應鏈物聯網服務化。讓工業、工業產品和服務全面交叉滲透,借助系統、網際網路和其他網路上實現產品及服務的網絡化的物聯網服務。以機器物聯網為基礎蒐集而得的大數據構成新一代智能工廠,由智慧設備進行分析、決策、調整控制並繼續開展智慧生產,產出高品質的客製化產品,實現生產智慧化、設備智慧化、能源管理智慧化、供應鏈管理智慧化的目標。 工業4.0的核心概念是將物聯網(Internet of Things)及物聯網服務(Internet of Service)導入製造業。在此概念下的智慧工廠除了整合內部所有機器的製造資訊以利彈性製造外,尚可與上下游供應鏈或客戶交換訊息,日後可實現依個別客戶需求下單後再製造的完全訂製化生產境界。為了實現此一願景,所有製造元素如機器、儲存系統、廠房設施都必須能分享訊息及自動控制;這類需要人機協作、實體資訊與網路資訊整合的系統,叫作「網絡實體系統」(cyber-physical system, CPS)。CPS系統的本質就是人、機、物的融合計算。所以又稱為「人機物融合系統」。 由以上的工業革命歷史得知,任何一波的革命都會成就順應趨勢的新強者,同時也會給輕忽此革命的大眾帶來巨大的社會衝擊,因此每一場革命都有兩個重要的領域要探討:技術端與社會端:工業4.0下的技術端,本文將以製造面來探討生產端的趨勢;而工業4.0下的社會端,本文將以人才面來探討個人的因應之道。由於CPS系統的本質就是人、機、物的融合計算(目前大多數在雲端)。因此製造面與人才面兩者,都可以物聯網為基礎之智慧製造演進模式----「人機雲雨人」的循環演進模式來詮釋。 以往工業2.0, 3.0年代,為了將工廠內的機器設備運作狀況反應給不進工廠的決策管理者,就普遍安裝了製造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)。但由於不是所有機器設備都能自動化連線,因此仰賴工廠的作業員就實地觀察,將機器設備的現況及生產情形,藉由MES輸入以讓管理者間接了解工廠實況,是「人+MES」時代的人機一體模式。但難免有時間落差及人員回報錯誤或不實的問題。進到了物聯網時代,有些先進設備在原廠設計之初就加了許多的感測器(Sensor),在進廠整合後就能自動將機器設備的現況及生產情形回饋到MES中,稱為「Sensor +MES」的時代來臨。即便機器設備在原廠設計之初未加入感測器,工廠端也可透過自行外加感測器來取得訊息,再藉由作業員提升為感測資料蒐集員而達到「Sensor +人+MES」的人機合一進階境界。 機器設備的現況及生產情形最終都必須傳到資料庫中進行雲計算,以利決策者下判斷,再透過雲端決策中心下達工廠端進行變更指令。然而有些顯而易見、工廠端就必須處理的機台異常情形如緊急停機等的機器連鎖反應,上傳到雲端再回傳現場時,有可能傷害已大。因此不上傳雲端而在機器對機器(物對物)的即時計算,相對於雲計算稱為霧計算(Fog Computing),可以達到縮短處理資料時間 (Time-Sensitive Networking, TSN)的目的,在智慧工廠中越來越重要。無論是雲計算或是霧計算,都是為了達到「機雲合一」的機器現場訊息同步分享之目的。 智慧工廠其中一項關鍵就在於「預測」,也是工業4.0往前進步為4.x的發展大趨勢。透過物聯網感測器的安裝,判斷機器設備是否偏離品質標準而需保養是最簡單的預測。而利用大數據在不同機器、製程間的總體運作監控來提升良率更是精密製程產業如晶圓製造的台積電早已實施的模式。日後,一旦各行各業累積了足夠的大數據,將可制訂其經驗法則及邏輯來透過人工智慧AI來分析及執行智慧工廠的運作。 更進一步可以使機器自動學習,繼而自動預測、判斷、分類、決策。有人甚至已經把結合人工智慧AI的智慧製造直接稱為「工業5.0」,但吾人相信,工業4.0剛開始,仍需經歷多次工業4.x的修正及演化才可進階到工業5.0。無論如何,從雲端的大腦運作決策下達智慧工廠的諸多機器設備之「雲行雨施」歷程正是目前智慧製造的重要議題。 智慧製造的最終目的是要能讓工廠的管理者透過隨身查詢工具如APP就能了解整個工廠狀況,或者客戶透過各類雲端報表(Reports)就能了解產品的進度而達到虛擬工廠的訊息透明管理。如此一來不只是有利於智慧製造的管理者,同時也能提早實現客戶智慧下單、個性化生產的時代早日來臨。各類的智慧製造應用層最終實現澤被世人的嘉惠大眾之理想。 關於智慧製造時代來臨,人力被機器完全取代的恐懼之說法四起。然而觀諸以往各次工業革命時,有舊工作的消失,同時也有更高階的新工作伴隨著新科技而興起。因此工作並非有完全被機器取代的可能,其核心問題反而是智慧製造的從業人員是否能跟上這個浪潮,而轉型為更高階的工作人員。 首先,以往工廠作業員需自行操作機器設備,因此能管理的機器數量及產能有限。但在物聯網的智慧製造時代,可利用機器的自動化減少人員的例行性操作,人員可升級為監控管理的工作,監控多個機器手臂加上整個流程的流水線,可提升數倍的產能並升級為更高階的工作;甚至在複雜的生產線無法全部自動化時,深入了解自動化機器手臂的智慧工廠人員可與機器手臂同步協同作業。 類比以上一人管理一個流水線的人員升級原理,可以將多個流水線資料傳上雲端,將可使人員由一人管理一機,更進一步透過中控中心可升級為一人網作多機或多流水線。準此,智慧製造的從業人員又更進一步升級為整個工廠的管理者。 類比以上一人管理一個工廠的人員升級原理,就不僅限於只能管理一個工廠,而是能升級為中央工廠中控中心,可以一次控制多個不同地區的廠區。技術發展到此階段、智慧製造人員升級到此地步,整個工廠也將不再需要有人在內操作,此時關燈工廠的運作模式就成熟;同時,智慧製造企業將可不受國界的限制,在母國總部即可遙控在世界各國的所有遠端工廠。我國製造業大廠鴻海集團將積極朝此方向發展,且布局全球。 在物聯網的智慧製造時代,製造端的資訊及權力將逐漸釋放到消費者端。客戶在下單前將可自行選擇設計,製造端將可完全實現接單後生產的零庫存境界。嘉惠全體消費者的客戶面思考製造模式將進一步實現客製化生產、差異化(個性化)生產的澤被世人之嘉惠大眾理想。 參 、智慧製造的新興市場發展趨勢 臺灣的智慧製造有以往工具機產業發展的堅實基礎,加上物聯網相關的軟硬體廠商具有異業整合的彈性,且台商布局全球的遠端工廠數量不少,都有利於在台灣先整合為智慧製造系統的原型,再推廣到台商的全球遠端工廠,日後可以輸出經驗到新興市場國家。例如人口已超過13億的印度市場,其製造業的基礎較薄弱,但積極推廣「印度製造(Make in India)」,挾其人口紅利及廣大市場,日後成為世界工廠的潛力雄厚。印度製造業前景可期,未來10年可望突破1兆美元大關,創造9,000萬個工作機會,但印度製造業必須先做好數位化的準備,為了壓低營運成本,製造業必須朝著智慧工廠邁進,以提升每個製造環節的效率。 雖然目前印度智慧製造的環境仍落後,但新興國家利用新科技蛙跳的速度,在電信固網相對於無線通信網路及傳統能源相對太陽能的華麗轉身都讓先進國家有目共睹。印度透過物聯網科技發展智慧製造的潛力不可小覷,物聯網將為印度下個世代的產品及服務帶來最大的變革,而製造業、汽車工業、運輸及物流業為推動印度物聯網最主要的驅動力,雖產業仍處在應用早期階段,但到2020年印度物聯網將有巨大的成長。諮詢公司顧能(Gartner)指出至2020年,全球物聯網裝置將達260億台,為2009年的30倍;同時印度軟體協會(Nasscom)及德勤(Deloitte)的報告預測[3],2020年印度物聯網市場將上看150億美元(2016年為56億美元)。印度軟體協會及德勤的共同報告稱公共事業、製造業、汽車工業、運輸及物流業為印度物聯網主要發展部門,帶來印度物聯網龐大的發展機會。而根據市調公司6Wresearch的報告,印度物聯網市場的年複合成長率(CAGR)在2016年至2022年間為28.2%,生產力的增加帶動物聯網整體成長,產業部門佔物聯網市場主要成分,其次則為消費性物聯網應用。由此可知以物聯網為基礎之智慧製造市場,在印度將隨著其經濟體的逐年高成長而快速發展。 總結以上觀點,台灣廠商挾以往製造業的深厚基礎、ICT技術的彈性整合能力,應及早布局印度市場;且印度是像中國一樣大的下一個世界工廠,積極發展製造業但缺乏技術能力,並與台灣的產業關係友好。基於以上種種台灣的利基,台灣廠商應在台灣本土修鍊以上以物聯網為基礎之智慧製造「人機雲雨人」循環演進模式,以同時提升製造面及人才面的智慧製造水準,進一步將調整後的綜合效益視為整體解決方案,外擴到如印度一樣的大規模新興市場中,將有助於掌握第四次工業革命的核心脈絡及發展趨勢,並讓台灣的智慧製造更國際化及布局全球。 [1] Thoben, K. D., Wiesner, S., Wuest, T. (2017). Industrie 4.0 and Smart ManufacturingA Review of Research Issues and Application Examples. Int. J. of Automation Technology Vol, 11(1). [2] Thoben, K. D., Wiesner, S., Wuest, T. (2017). Industrie 4.0 and Smart ManufacturingA Review of Research Issues and Application Examples. Int. J. of Automation Technology Vol, 11(1).
發布日期:2017/08/07
資料來源:臺灣物聯網協會
為連結全球先進科技研發能量,搶進下一世代產業,政府規劃亞洲矽谷計畫(Asia Silicon Valley Development Agency, ASVDA),「亞洲矽谷推動方案」的兩大主軸在於推動物聯網(Internet of Things, IoT)產業創新研發及健全創新創業生態系,輔以連結國際、連結未來及連結在地的三大連結,並透過四大推動策略來推動,希望能讓臺灣連結矽谷等全球科技核心聚落,並成為亞太青年創新與創業發展基地,以搶進下一世代的未來產業。台灣要發展成為亞洲矽谷,首先要先了解美國矽谷(Silicon Valley)的發展源起,美國矽谷創業投資額占全美總投資額三分之一,並不是美國任何一座單一城市,它坐落美國西岸加州的北部,是由多個縣市組成的一塊狹長地帶,原本稱作聖塔克拉拉谷(Santa Clara Valley),因為當地企業多數從事以矽為基礎的半導體晶片行業和電腦工業,才獲得矽谷的別稱。矽谷的誕生要感謝史丹佛大學的特曼教授(Frederick Terman),他發現當地名校畢業生都選擇往紐約東岸發展,因此在校內找了些空間鼓勵學生留下來創業,是一種育成中心的概念。1951 年他進一步設立史丹佛研究園區,將工業空間便宜租給新創科技公司,消息一傳十,十傳百,連諾貝爾獎得主肖克利(William Shockley)都來此創立半導體實驗室,而從這個團隊離開的工程師和技術員,又陸陸續續創立上百家科技公司,包含快捷半導體、美國國家半導體、AMD 和 Intel 等,帶動了矽谷的興起。日後美國矽谷的發展已脫離了「矽」產業,持續在網際網路、電子商務及電動車等領域都持續引領風騷。由美國矽谷的案例發展可知,並非集中在某一特定技術的發展就可以成為矽谷,矽谷的更上位精神是在於創業精神與環境對創業團隊有友善程度,並且是有要國際化的視野而非侷限在某一國的境內市場,才有可能成就更新興的「矽谷城市」。總而言之,成就「矽谷城市」的最重要因素就是其「創業生態系統」之完善。 在台灣倡議要成為亞洲矽谷之際,同時也要了解世界上其他國家或城市在逐漸成為新興的「矽谷城市」時做了那一類的努力、達到了什麼樣的成果,才不會在政策上有錯誤的引導。為了能客觀了解世界各大城市在成為新興的「矽谷城市」的努力,一份將全球各城市每年評比的「全球創業生態環境報告」(Global Startup Ecosystem Report)中,詳列了有益城市創業生態環境的幾項指標就非常值得台灣借鏡。其中共有4項上位指標,每項指標下各有2~3個子指標來評比。這4項上位指標分別是:績效(主要是以新創公司的上市價值來評估)、市場探求(包括全球及當地市場)、人才(包括取得容易與否、素質、成本)及創業經驗(包括創業生態系及團隊)。 「2017全球創業生態環境報告」中指出,全球創業生態環境排名的前20名城市中,以美國矽谷、紐約及英國倫敦分列前3名。而亞洲城市中列入前20排名者有:中國北京(4)、中國上海(8)、新加坡(12)、印度班加羅爾(20)。 由此可知,台灣要成為亞洲矽谷,至少與以上各亞洲城市是競爭關係,應該在上述的指標尋求整體創業生態環境的改善,以免見樹不見林而不知全球的矽谷創新競賽早已風起雲湧,而應積極擬定有效政策、與亞洲鄰近矽谷城市儘早交流學習。 由以上的矽谷形成歷史及世界上各城市都積極發揮創意想成為新的矽谷的努力中,我們可以試想日後以物聯網引領風潮的矽谷樣貌。矽谷一直是三位一體的融合:勇於創新的文化加上技術商業化的便利及不怕失敗再重來的創業氛圍。相信這種根本的創業生態體系之風氣將會持續,從矽的時代到網路時代到目前物聯網時代都是如此。 而關於日後全球IoT市場樣貌,相信是利用感知層、通訊層及應用層三層物聯網技術的融合,融入世人的日常生活中創造出智慧生活的科技便利感,更進一步成為科技融入生活的藝術。所謂藝術,就是融入生活中的美感,以往與科技是截然不同的領域,但一旦最後所服務的領域是人類的生活時,跨界的整合就水到渠成。IoT 的真正價值是在「軟硬整合為服務,既可去中心化,又可以堆積木方式整合成大系統」。台灣的優勢在於硬體製造有堅實基礎、系統整合的彈性(如工業電腦業者)、合作無間的電子生態系統,但若要發揮IoT 的整合綜效,台灣在軟體及服務及大市場需求發掘這幾方面的能力則有待加強。在物聯網時代台灣的硬體優勢是否是真的優勢?還是反而限制了往物聯網整合時代的框架?物聯網時代,只有一個優勢是不夠的,基本要求是軟硬整合,全世界眾多人口之市場的各種情境的軟體、應用是台灣IoT業者一定要補足的優勢。 資料科學、雲端科技及人工智慧AI,對於IoT的價值,是在基礎的感知層(主要是感測器)及通信層(主要是將感測器遠端蒐集的資料傳到雲端)逐漸普及後,輔以應用層(主要是服務人們生活的各類運用軟體或APP)的串接後,所得的數據量越來越快、越複雜、彼此間越具關聯性後,我們必需正視的進一步科技發展。對於IoT的價值是具有加值化的科技提升與市場延伸,雖然是物聯網應用層的業者較易發揮的領域,但是既有的硬體業者也不能忽視。硬體業者怎樣透過創新來滿足IoT價值鏈中更高價值的一端?應該從產業方向的多樣化開始修正,心態上不必自我限縮只做硬體生意,而是要有「我是一片雲」的自我期許,先建立雲端思維來軟硬整合,即便是從一朵小雲開始做起也行。開始蒐集眾多人口市場的各種情境的資料來分析市場需求的衍化才能往IoT價值鏈中更高價值的一端前進。同時也可利用公司內部創業或對外廣泛投資物聯網新創公司來擴張觸角。 若是從情境端思考, 給台灣從事IoT創新的業者的建議是從不同市場導向來擬定不同的發展策略。廣連結尋找高階市場需求、創新興挖掘新興市場需求。我國業者與歐美先進國家的品牌廠商的代工合作歷史已久,透過企業內部研發的提升更廣連結尋找高階市場需求相信已不是問題,但是對於新興市場要求的破壞式創新通常是功能的簡化、價格的降低,以求更多使用人口的思維則有待加強,尤其物聯網去中心化的效用容易讓新興市場的物聯網應用能快速成長,成為日後全球廠商都不得不正視的市場。相較於日本、韓國廠商在中國以外的新興市場的布局速度,台灣廠商應該急起直追。如印度與印尼等人口大國,其經濟進展雖較台灣慢發展,但其政治與經濟正被新一代受西方文化影響的人帶領著,這些人有宏觀的國際觀、有創新的思考能力,再加上其人口結構是青壯年占絕大多數,比起許多有人口結構老化的已開發國家,印度與印尼的經濟爆發力與國家前景實在不容小覷。 臺灣雖在物聯網的軟體應用擴廣至廣大使用者數量的布局稍微落後歐美大國,但在創新與資訊應用能力不容小覷,且以地緣關係及近年來主要往來國家對於資訊應用開放的程度與接受度,得以關注印度、中國大陸及其他新興亞洲國家,除了瞭解該區域的物聯網發展狀況,並可評估臺灣業者適合進入之物聯網應用領域。而在開發新興市場物聯網產業之時,更需要一套紮實的規劃。新興市場的進入策略一直是許多策略管理學者有興趣的重要研究議題,但新興市場維持極端動態與高度的不確定性,在這些新興市場內,機會與風險對於這些跨國企業是同時存在的。「但很多跨國大企業在進新興市場時因策略未修正,常常導致失敗。而成熟企業進軍新興市場,更因當地脈絡的差異,需要更大程度的策略修正。建立與新興市場當地廠商的聯盟關係,有利於當地市場的進入障礙的消除;與本土市場廠商的聯盟關係共同進軍新興市場,有助於企業談判實力、商業實力的壯大。而原先在本土市場的商業策略,如純製造為主的企業,在進軍新興市場之後,因掌握了更多的經驗與競爭資源,可以轉型為其他型式的服務,不再只侷限於製造領域,而可以進軍通路、服務,同時也可以強化原來母公司的品牌效益。適當的設立新興市場子公司,並搭配恰當的企業全球策略,是強化進軍新興市場績效的要素」[1] 。 我國欲發展物聯網為基礎核心建立亞洲矽谷的目標,應以建立物聯網創新生態系統為主軸策略,並以啟利基(Niche Positioning)、創新興(Emerging Markets)、廣連結(Wide Networking)、開新局(Ecosystem for Startups)四大方向為核心之「物聯網創新生態系模型」(NEW-Eco Model)為藍圖來發展,茲將此模型之內容詳述如下: 以感測器、工業電腦、通訊設備為基礎,往半導體、雲端的兩極整合台灣目前暨有利基及未來軟硬整合商機。 創新興(Emerging Markets) 以台灣為物聯網解決方案在台灣為試驗場域,融合大市場當地文化,創新商業模式。大市場應關注亞洲崛起的趨勢,並以台灣鄰近之亞洲大市場如中國、印度、印尼為重點。 廣連結(Wide Networking) 不止美國矽谷,其他目前已成功的「創新應許地」也應交流學習:以色列、愛爾蘭、深圳(從山寨機發展成為硬體矽谷)、新加坡(區域運籌中心矽谷、智慧城市矽谷)、印度(班加羅爾:軟體服務矽谷)。以建立物聯網為基礎的「亞洲.矽谷」平台為核心,經營台灣串連各地矽谷的網絡連結。 開新局(Ecosystem for Startups) 國際四大會計事務所之一的 PwC 估計,2040 年印度就有望超越美國,成為世界第二大經濟體。屆2050年時,全球前4大經濟體依序為:中國、印度、美國及印尼[2]。其中中國、印度及印尼都位於亞洲也都是人口大國,勢必需要許多物聯網解決方案,並可以堆積木的方式建構智慧城市,台灣已發展、驗證的智慧城市的解決方案將成可這些亞洲新興市場解決方案提供最佳實證。目前最重要的是要能將台灣智慧城市解決方案分拆為物聯網模組的方式與新興市場需求對接。當然這個過程也需對各個新興市場的需求做出分析,同時也要思考在不同文化下的商業模式之重新設計。 同時針對印度市場的商業模式分析也可參考我國分析印度市場商業模式的第一本專書《前進印度當老闆─50位清華大學生的新南向政策》[3]之詳細內容。此外,關於熟悉印度市場之人才培養,有賴匯聚各方資源,在大學開設常設的課程,才能系統化培養熟悉新興市場之人才。清華大學印度研究中心邀請各界熟知印度的專家,首開風氣之先,於2017年暑假開設「印度文化經貿人才專班」[4]就是一個集合學術界與產業界共同培訓人才的鮮明案例。惟有結合新興市場當地的需求及與當地文化相契合之商業模式,輔以台灣的物聯網技術創新思維及快速軟硬體整合能力,才能成功將台灣物聯網應用的成功經驗移植海外、成功輸出亞洲新興市場國家。 [1]何明豐、林博文,2015年,「移地邏輯:進入新興市場的商業模式演進(The Logic of Relocation: The Evolving Business Models for Entering Emerging Markets)」,中山管理評論,23卷1期:91~135。 [2] Pwc,2017年,The long view: how will the global economic order change by 2050? [3] 清華大學通識教育中心方天賜教授與「印度文明與當代社會」課程的50位學生之共同著作。 [4] http://cis.web.nthu.edu.tw/files/13-1964-221-1.php?Lang=zh-tw
發布日期:2017/05/02
資料來源:臺灣物聯網協會
資訊化、全球化與都市化一起被稱為重塑現代社會的三大力量[1],而這三大力量於當今匯集而成為智慧城市之普世議題。有賴於科技應用使得人類生活得以進步,而都市化趨勢使得全球各地人口大量往都市集中,但也造成管理與生活困難,人口愈多的城市需善用科技以成為智慧城市,才能解決大量居住人口的食、衣、住、行等生活需求。在都市化議題持續發酵下,聯合國預估2050年全球都市人口將增加到63億人,約占全球70%人口,將衍生出交通、安全、健康醫療、能源、環境永續等城市治理挑戰,全球智慧城市商機龐大,工研院IEK預估至2020年將達6600億美元規模,世界銀行正在關注美國及德國等歐美智慧城市發展進度,並認為亞洲國家包含韓國、新加坡,及台灣具有智慧城市發展潛力。關於智慧城市的具體定義比較廣泛,目前在國際上被廣泛認同的定義是,智慧城市是新一代資訊科技支撐、知識社會下一代創新(創新2.0)環境下的城市形態,強調智慧城市不僅僅是物聯網、雲端運算等新一代資訊科技的應用,更重要的是通過面向知識社會的創新2.0的方法論應用,構建用戶創新、開放創新、大眾創新、協同創新為特徵的城市可持續創新生態。這種可持續創新生態賦予了智慧城市的有機生命體。一些智慧城市建設的先行城市也越來越突出以人為本的可持續創新,比如歐盟啟動了面向知識社會創新2.0的Living Lab計劃,致力於圍繞市民需求將城市建設為各方共同參與的開放創新空間,比如維也納大學對城市體系評價的六個指標,包括智慧的經濟、智慧的運輸業、智慧的環境、智慧的居民、智慧的生活和智慧的管理等六個方面。[2] 國際智慧城市論壇(Intelligent Community Forum, ICF)是由非營利性組織─世界通訊端協會( World Teleport Association,WTA )所成立,總部設於美國紐約,研究宗旨以寬頻建設為主體的經濟體系,以加強國際合作,並創造工作機會以及促進經濟發展。ICF每年辦理全球智慧城市評比,分就寬頻連接、知識工作力、數位內涵、創新、行銷,及年度主題6大構面進行評比。 而我國各城市歷年來在國際智慧城市論壇頗有佳績,分別於不同年份入選不同程度之國際智慧城市評比等級。 然而全世界並沒有一個烏托邦式的智慧城市原型,可以套用到世界各個城市上。相反的,每個城市所面臨的問題不一,理想的智慧城市管理方式是基於居住在其中的市民為本體的需求之解決,了解該城市的難題而訂出優先解決的順序,再善用目前物聯網科技容易讓訊息透明的技術,使管理眾人之事的城市治理更合理、資源達到最佳利用。以物聯網解決方案的模組積木,透過開放式的創新,容易與不同來源的積木堆疊,組合成為因應不同城市的智慧城市整體解決方案。此智慧城市的整體解決方案最終還是為這個城市的主體文化而服務,讓城市的鮮明特色文化更彰顯於全球中而成為有機體。惟有以城市文化為底蘊之智慧城市有機體,才能讓這個城市有特色地永續發展。從以人為本到發展成為智慧城市有機體的循序過程,可稱為「人市物開文」智慧城市模型。 臺灣雖在全球基礎建設能量上稍微落後,但在創新與資訊應用能力不容小覷,且以地緣關係及近年來主要往來國家對於資訊應用開放的程度與接受度,得以關注印度、中國大陸及其他新興亞洲國家,除了瞭解該區域的智慧城市發展狀況,並可評估臺灣業者適合進入之智慧城市建設領域。而在開發新興市場智慧城市產業之時,更需要一套紮實的規劃。新興市場的進入策略一直是許多策略管理學者有興趣的重要研究議題,但新興市場維持極端動態與高度的不確定性,在這些新興市場內,機會與風險對於這些跨國企業是同時存在的。「但很多跨國大企業在進新興市場時因策略未修正,常常導致失敗。而成熟企業進軍新興市場,更因當地脈絡的差異,需要更大程度的策略修正。建立與新興市場當地廠商的聯盟關係,有利於當地市場的進入障礙的消除;與本土市場廠商的聯盟關係共同進軍新興市場,有助於企業談判實力、商業實力的壯大。而原先在本土市場的商業策略,如純製造為主的企業,在進軍新興市場之後,因掌握了更多的經驗與競爭資源,可以轉型為其他型式的服務,不再只侷限於製造領域,而可以進軍通路、服務,同時也可以強化原來母公司的品牌效益。適當的設立新興市場子公司,並搭配恰當的企業全球策略,是強化進軍新興市場績效的要素」[3] 。 我國發展智慧城市宜以物聯網為基礎核心逐漸向外擴散,以同心圓方向漸次輻射向外發展,可稱為發展智慧城市的「三環三化」策略,詳述如下: 台灣的ICT產業客製化能力強,在物聯網時代,若能好好發揮軟硬體整合的彈性,發展以物聯網科技不同功能的模組,以堆積木的方式架構每個智慧城市不同的需求,可培養台灣廠商成為智慧城市客製化設計、整合的堅實產業族群。 普及化策略:以模組積木在台灣普及智慧城市建設。 台灣各城市歷年來在國際智慧城市論壇頗有佳績,各城市也都積極以其運用ICT物聯網科技加上城市特色的智慧解決方案,參與國際智慧城市論壇的每年評比。台灣入選城市的範圍也逐漸擴大,以物聯網模組積木在台灣普及智慧城市建設的趨勢正健康成長,日後將可以台灣普及、多樣化的智慧城市建設解決方案作為其他各國發展智慧城市的借鏡。 國際化策略:將智慧城市解決方案輸出亞洲新興國家。 國際四大會計事務所之一的 PwC 估計,2040 年印度就有望超越美國,成為世界第二大經濟體;屆2050年時,全球前4大經濟體依序為:中國、印度、美國及印尼[4]。其中中國、印度及印尼都位於亞洲,也都是人口大國,勢必需要許多智慧城市的解決方案,台灣已發展、驗證的智慧城市解決方案將可為這些亞洲新興市場解決方案提供最佳實證。當然也需對各個新興市場的需求做出分析,同時也要思考在不同文化下的商業模式之重新設計。例如針對印度智慧城市的需求,印度第一批20座智慧城市所選出最需要的解決方案前三名分別是:交通控制中心、智慧交通及智慧停車場,與我國的優先順序並不盡相同。 同時針對印度市場的商業模式分析也可參考我國討論此面向的第一本專書《前進印度當老闆─50位清華大學生的新南向政策》[5]之詳細內容。惟有結合新興市場當地的需求及與當地文化相契合之商業模式,才能成功將台灣智慧城市的成功經驗移植海外、成功輸出亞洲新興市場國家。 [1] Borja, J., Belil, M., Castells, M., Benner, C. (1997). Local and global: the management of cities in the information age. Earthscan. [2] 黃天航,劉瑞霖,黨安榮. 智慧城市發展與低碳經濟. 北京規劃建設. 2011, 2: 3944. [3]何明豐、林博文,2015年,「移地邏輯:進入新興市場的商業模式演進(The Logic of Relocation: The Evolving Business Models for Entering Emerging Markets)」,中山管理評論,23卷1期:91~135。 [4] Pwc,2017年,The long view: how will the global economic order change by 2050? [5] 清華大學通識教育中心方天賜教授與「印度文明與當代社會」課程的50位學生之共同著作。
發布日期:2017/03/06
資料來源:台灣大學材料系
西元1765年蒸汽機的發明,帶領人類進入工業時代,大量使用石化能源。十八世紀時煤的使用,許多工業大城如英國的曼徹斯特、美國的匹茲堡,因為煤燃燒不完全,硫雜質的存在,造成不見天日的空氣汙染及呼吸的疾病。十九世紀以後,改用石油、天然氣,燃燒完全,沒有碳懸浮粒,人們又可以看到藍天白雲。但是石油、天然氣燃燒後所產生的二氧化碳造成地球暖化、北極冰溶化,大量的水帶來許多天災,如2011年日本福島的大海嘯引起核電廠的大災難及在台灣2015年的蘇迪勒颱風,造成台北市無數的樹木吹倒,烏來區嚴重土石流,成孤島,斷水斷電17天,2016年莫蘭蒂颱風重創南台灣等等大災難屢屢發生。世界各國領袖已經開始重視這個問題,已於2015年在巴黎簽署約定,要控制地球升溫小於2℃,此代表在2050年要降低CO2的排放至目前20%的量,2100年的排放量為0%。為達到此目標就需從節省能源及增進使用效率,並發展替代能源及可再生能源等方面著手。最近台灣政府將非核家園立法,要在2020年達到20%的電力由可再生能源供應。這些問題及衍生的策略,引導綠色科技的產生。 綠色科技是新興的科技,其會改善人的生活,但對人類生活的環境不會造成不好的影響,其主要包含(1)新的動力的開發如太陽能、熱能、風能、海洋能;(2)替代燃料的開發,如生質燃料、氫燃料;(3)能量的儲存,如電池、電容等。在發展這些新科技,奈米材料及低溫製程的開發為此新技術發展的關鍵及趨勢。 在綠色科技需求下所發展出來的材料,其產生的重大影響包含(1)節省物資,因為材料奈米化用量少;(2)短小輕薄產品出現,因為使用物資少,成品佔空間小;(3)功能增加,因為材料奈米化,新的表面能、作用力、量子侷限等新現象產生,在同一個空間,同時可以容納多項功能物質、結構;(4)節省能源,因為材料用量減少,成品加工及運輸成品所需的能源降低。以下就以一些實例來解釋其重大影響。 奈米材料1,2,3是因為原子力顯微鏡在西元1982年的發明,使得微觀的物質尺寸在100奈米以下,可以很容易在大氣環境下檢測的到,而加速開發的新科技。其是一種永續的科技,使用很少的物資,善用材料中每一個原子,增加其表面的活性,而增進其功效。催化劑是一項重要的科技,如白金是非常好的催化劑材料,普遍用在石化業、汽車工業。目前汽車排氣處理器(catalytic converter)所用的白金量,因奈米化技術發展,用量減至百分之一,效果卻增加十倍以上。奈米半導體量子點是另外一個例子,其發光效率是塊材的百倍、千倍以上,已被應用在照明、檢測等等的用途。 材料的奈米化可促使表面能增加、降低加工溫度1,例如石英微米粉末需要攝氏一千度以上溫度加工,但奈米粉末只需九百度就可加工成型。很多精緻、耐高溫的陶瓷產品因而產生,如晶片電容、電阻等,甚至精密的引擎都可以用陶瓷做成,用在高速的戰鬥機上。 碳是世界上最豐富的元素,石油、天然氣、煤、石墨等都是碳的衍生物。合乎綠色科技材料需求的原則。奈米碳材,是在西元1985年,由Kroto、Curl及Smalley三位學者發現C60、C70、C80等奈米碳球所發展出來新興的奈米材料,其為零維的奈米材料,特性為半導體,具有很好傳送電子的能力,在軟質電子元件上顯示傑出的應用潛力,如太陽能電池4、單電子電晶體5。由於是球狀的形態,可做為潤滑劑,另外可將其表面改質,化學接枝生物的抗體、抗原,已應用到治癌的藥物上。奈米碳球廣泛的應用,使得發現的三位學者榮獲1996年的諾貝爾化學獎。西元1991年Ijima發明奈米碳管,是為一維的奈米材料6,依其結構的不同,可為半導體或導體,已與高分子混摻製作成高機械性的複材,應用在飛機的機身7、網球拍、高爾夫球桿等運動器材。其半導體特性與導電高分子摻合可以製作軟性太陽能電池,利用其高導電性與導電高分子摻合可以製作電池、電容器。另外也如奈米碳球表面可改質,利用電性的改變,發展出光電或生物檢測器等。 西元2004年,Geim及Novoselov發明了以膠帶黏貼的方法將石墨的單層膜石墨烯製作出來,而獲得了2010年諾貝爾的物理獎。石墨烯是二維的奈米碳材,具有金屬的導電性,可以是導體,製作光電元件如太陽能電池8、導電膠等,又有原子的緻密性,可是很好的封裝材料。最近有學者以理論計算,如果可以將石墨烯一片片的分散,連續性的接起來,分散在高分子中,重量是鋼的5%,強度為鋼的10倍,將可製作出世界最輕最強的材料用於高強度需求的飛機、橋樑、建築物應用上9(圖1)。 有機無機混成材料是新興的奈米材料,材料內有機無機組成可以原子態或奈米尺寸組合。其可以溶液態組成加工、快速、低溫、材料用量少,非常符合綠色科技節省物資、節能的需求。有機無機鈣鈦礦混成材料最近被發掘出來具有很好的光電性質10,以溶液製作成膜厚僅300-400nm之太陽能電池,光電轉換效率已達22%,超過現今矽晶太陽能電池11。我們實驗室以150℃的製程溫度12,效率也超過18%,如今正在開發放大製程,要製作大面積(1m*1.6m)及量產,促成低於目前市電的太陽能電力,而達到廉價、再生、無汙染的目標(圖2)。此新興太陽能電池材料用量成本及加工費用僅為Si太陽能電池的十分之一,是非常有潛力成為下世代廉價的太陽能電池。 每一項綠色科技所需的材料及技術需求將依其產品及用途來決定。今以兩個例子做說明:(1)大面積的鈣鈦礦太陽能電池;(2)奈米碳材的大量製造與分散。 目前效率最高的鈣鈦礦太陽能電池的材料為MAPbI3,其活化能低 (Ea 100KJ/mole),很容易形成,但相對來說也很不穩定,在高溫度(85℃)及高濕度(40%RH)下都會使其裂解。現在全世界此領域的科學家都在競爭發展穩定度高於150℃,不怕濕的鈣鈦礦RMX3,R為有機分子,M為金屬,X為鹵元素,最後的組成,還沒有定案。另外大面積的加工技術也需要發展,我們目前的18%高效率太陽能電池,都是面積小於1cm2,我們發展出來的25cm2的電池模組,效率則降至12%,如何以創新有效的加工技術控制鈣鈦礦薄膜的組成、形態、長晶將是這項科技的成敗關鍵。 在奈米碳材的大量製造與分散方面,還有很多生產的技術需求。目前奈米碳球及奈米碳管都是用高壓、高溫的方法以CH4、H2為原料來大量製作,但生產出來的產品皆為混合物,純化費時耗能。奈米碳球可以管柱分離法分出純的產品。但是奈米碳管在分批式的製造中,如何控制每一批次的碳管長度一致、導電性一致,目前的技術皆無法達成,需要在製作上有突破性的發展,才可使其應用落實。石墨烯單層膜大面積的製作,如今都是在Cu片上,如何將膜從Cu片上分開,轉置到應用的產品,目前很困難,還有高分子的殘留物也不易清除。這些製造問題均需解決,才具有產品化的價值。另外奈米碳材,因為尺寸微小,彼此之間的凡德瓦爾力非常的強,不易分散,如今以化學法、機械法都無法達到分散均一,沒有團聚的溶液,因此要製造成產品達到理論的高功能,這方面也需要創新的分散技術來解決。 參考資料 A. S. Edelstein and R. C. Cammarata Ed. Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1996 G. Timp Ed., Nanotechnology, AIP Press, Springer 1998 C. P. Poole, Jr. and F. J. Owens, Introduction of Nanotechnology, Wiley 2003 Chun-Chih Ho, Chien-An Chen, Chun-Yu Chang, Michael Sternberg, Seth B. Darling, and Wei-Fang Su , Isoindigo-Based Copolymers for Polymer Solar Cells with Efficiency Over 7%, 2014, Journal of Materials Chemistry A, 2 (21), 8026-8032. Sheng-Ming Shih, Wei-Fang Su, Yuh-Jiuan Lin, Cen-Shawn Wu and Chii-Dong Chen, Two-Dimensional Arrays of Self-Assembled Gold and Sulfur-Containing Fullerene Nanoparticles, 2002, Langmuir, 18(8), 3332-3335; C-S Wu, C-D Chen, S-M Shih and Wei-Fang Su, Single-electron transistors and memory cells with Au colloidal islands, 2002, Applied Physics Letters, 81(24), 4595-4597; US Pat 6586787, Taiwan Patent 179570 H. W. Zhu , C. L. Xu , D. H. Wu , B. Q. Wei , R . Vajtai , P. M. Ajayan , Direct synthesis of long single-walled carbon nanotube strands, 2002, Science 296, 884 Sheng-Hao Hsu, Ming-Chung Wu, Sharon Chen, Chih-Min Chuang, Shih-Hsiang Lin and Wei-Fang Su, Synthesis, morphology and physical properties of multi-walled carbon nanotube/biphenyl liquid crystalline epoxy composites, 2012, Carbon 50(3), 896-905. Yun-Ming Sung, Fang-Chi Hsu, Di-Yan Wang, I.-Sheng Wang, Chia-Chun Chen, Hsueh-Chung Liao, Wei-Fang Su and Yang-Fang Chen, Enhanced charge extraction in inverted hybrid photovoltaic cells assisted by graphene nanoflakes, 2011, Journal of Materials Chemistry 21(43) 17462-17467. Z. Qin, G.S. Jung, M. J. Kang, M. J. Buehler, The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly, 2017, Science Advances , 3(1), e1601536 B. Saparov and D. B. Mitzi, Organic-Inorganic Perovskites: Structural Versatility for Functional Materials Design, 2016, Chemical Reviews, 116, 4558-4596. 張峻瑜, 李沛寰, 林唯芳, 太陽能光電技術發展趨勢探討,2015中技社,第7章, 鈣鈦礦太陽能電池. Chun-Yu Chang, Yu-Ching Huang, Cheng-Si Tsao, and Wei-Fang Su,Formation mechanism and control of perovskite films from solution to crystalline phase studied by in-situ synchrotron scattering,2016, ACS Applied Materials and Interfaces, 8, 26712-26721.; 林唯芳, 張峻瑜, 朱澄亞, 鈣鈦礦結構基太陽能電池, 中華民國專利申請 (2014年09月17日, 案號:103132034)
發布日期:2017/03/06
資料來源:上騰生技顧問公司
一個海納百川的理念,「精準醫學」(Precision Medicine)為何能在眾多創新生醫名詞中聲名赫奕,且在近年內風潮席捲全球? 精準醫學在各主要國家紛紛以政策及經費的高度推動下成為顯學,即使定義與目標稍有不同,都期望可以透過了解個體間之基因型態、社會環境和生活方式等差異性,來提供保健預防與疾病診療的最佳醫療策略;但在冀望以精準醫學解決國人健康醫療及經濟問題的同時,將需要建立何種精準醫學生態系 (Ecosystems)與生醫健康產業價值鏈(Value Chains),帶動那些科技研究與產業發展之需求與機會? 雖然精準醫學是國際生技醫療的主流研發趨勢,也是各界對健康、醫材、醫藥與醫療之創新投注及策略方向最熱門的願景,但當今跨領域科技日新月異,產學醫研百家爭鳴,不同設計不同系統的結果如何整合比較? 精準或不精準如何決定? 而生物體系的複雜度及異質性,與基因突變的自主性及多樣性,在在都仍挑釁醫療功效的極限,考驗醫療大數據巨量分析與整合,種種挑戰將如何持續驅動生醫跨領域科技與產業之推層出新? 雖然一般引述2015年初美國歐巴馬總統在國情咨文演講中提出的「精準醫學倡議」(Precision Medicine Initiative, PMI),經他登高一呼世界各國接續響應跟進;其實在美國國家學院(United States National Academies)、世界經濟論壇(World Economic Forum, WEF) 以及一些跨國學會專家都已經做了好幾年的深廣探討與準備,再由美國總統充滿熱情希望的宣稱正好是水到渠成,旋即可以宣布執行方向與藍圖,同時以拋磚引玉的預算啟動各部會之規劃與責任,激勵廣泛生技醫療與資通訊ICT各行各業更大規模的投資與合作。 美國國家科學研究委員會(The National Research Council, NRC)在2011年「邁向精準醫學」 (Toward Precision Medicine) 的報告中論述以生醫及分子科學不斷累積之知識網絡創建新的疾病分類系統,並提議以「精準醫學」釐清且擴大「個人化醫療」(Personalized Medicine)的加值。 而世界經濟合作組織諮詢「2011-2012精準醫學全球議程理事會」(The Precision Medicine Global Agenda Council),發表「為精準醫學做好準備」(Preparing for Precision Medicine)詳細討論發展精準醫學尚需建置更多其他方面的支撐條件,爾後認定的重點目標仍是今日與未來必須持續努力的執行項目,除了有效解決政策、法規、醫療給付、個資保護、資訊安全等方面的現實問題,還包括以實證科學由科研、醫學、經濟、社會等各層面落實精準醫學之願景,強化數據管理、共享及與更廣泛的資通訊領域之合作,尤其是數據庫系統之間信息的橫向與縱向比對分析、互動及釋義。 綜觀結合多年來建立在藥物基因體學(Pharmacogenomics)、分子診斷(Molecular Diagnostics)、標靶治療 (Targeted Therapy)、臨床研究、與資通訊創新等基礎上的科技躍進,個人化醫療已經對疾病,尤其是對癌症更精確的診療發揮了顯著的績效與價值,而精準醫學再考慮環境與生活型態等因素,改善生物數據之巨資分析,強化有效正確的解讀與有用的臨床決策支援(Clinical Decision Support, DDS),所以NRC在闡述邁向精準醫學時也特別強調定義,說明Precision Medicine之「Precision」對醫療層面需要兼顧Precision (精密度)和Accuracy (準確度)。 以當今精準醫學的詮釋,生醫健康產業鏈不僅包括以基因體、多體學(Multi-Omics)、分子醫學及新藥開發為主的「量體裁藥」之診斷與治療,也包括各式量測、分析、追蹤、彙集、解讀、運用人體生物資訊數據之生技醫材與醫療服務;除了各式生物感測器(Biosensors)與奈米科技(Nanotechnology)在生醫檢測的運用,更廣義的行動和數位醫療健康科技(mHealth、Digital Health)、各類穿戴式裝置 (Wearables)、生醫影像技術(Biomedical Imaging)、分子影像技術(Molecular Imaging)、人工智慧(Artificial Intelligence)、互聯網 (Internet of Things, IoT) 等都愈來愈被歸納入精準醫學的發展機會。 而造就今日精準醫學基礎的首推各式體學科技的進展、臨床連結與訊息轉譯,舉凡基因體、轉錄體、蛋白質體、代謝體、醣體學等的研究分析及高通量技術發展,都貢獻於對疾病分子生物資訊的探索、了解、識別,協助定位其相關病變之基因表達、訊息通路(Signaling pathways)、及演化方式與臨床表徵,並探討將分析演繹之生物資訊運用於新藥與診斷產品之開發。 因此,在精準醫學的發展趨勢下,分子醫學、各式基因定序、表觀遺傳學 (Epigenetics)、微生物菌叢 (Microbiome)、生物資訊學(Bioinformatics)、大數據與巨量分析(Big Data Analytics)、統計工具開發、創新軟體程式、高通量分析、軟硬整合、與雲端運算(Cloud Computing)等領域都預期持續成長。 基因檢測之科技發展及價格下滑的速度超越了半導體產業中的摩爾定律,是精準醫學的重要基石。已經發展十餘年的次世代基因定序(Next Generation Sequencing,NGS) 仍積極開創新運用與新方案,雖然第三代基因定序之商業化方興未艾,但第三代與第四代之定序技術都仍需克服準確率等挑戰。整體而言基因定序技術運用廣泛,在臨床診斷應用的可行性範疇與日俱增,促發更多專注在定序分析服務的生技公司,也帶動基因檢測產業鏈的投資熱潮。 分子診斷是許多疾病臨床決策的重要依據,而伴同式診斷(Companion Diagnostics) 已是大多數標靶做適藥性評估及指導用藥之先決條件,也成為新藥開發及臨床試驗設計的一環;最近發展的互補式診斷(Complementary Diagnostics)雖可應用於免疫檢查點(Immune Checkpoints)等免疫治療(Immunotherapy)之臨床決策,但其應用目前是「建議」而非先決條件。 在分子醫學與多體學方面,探尋真正精準有價值的生物標記(Biomarkers) 是探勘新診療標的之關鍵,也是長久以來生醫各界積極努力的目標,研發熱絡帶動許多實驗技術的發展,包括各式微陣列晶片(Microarrays, Chips)與質譜儀等生化精密儀器的運用;而更多創新技術與應用,例如液體活檢或液態切片(Liquid Biopsy)、產業鏈初步形成的基因編輯技術(Gene Editing)等也將繼續被發明、被優化、邁向商業化、擴增臨床應用、促進產業茁壯。 全球在液體活檢之科研甚為活躍,開發檢測人體血液中的循環腫瘤細胞(Circulating Tumor Cells, CTC)、循環游離核酸(Circulating cell free nucleic acid)、胞外泌體(exosomes)等,為無法進行組織切片的病人帶來福音,更被寄予大幅改善癌症管理的厚望,近來各式臨床試驗與商業投資熱絡,希望對癌症之偵測、治療跟監、復發預測(prognosis)或轉移 (metastasis) 診療有重要臨床價值。 結合先進基因定序、甚至單細胞分析工具,液體活檢之運用已大幅擴充,例如血液檢測之伴同式診斷可偵測多種特定突變,提升對癌症分子亞型的診斷、標靶治療與抗藥性研究,並可於療程中動態監視癌症基因突變狀況而調整用藥。除了複雜疾病,液體活檢在非侵入性產前檢測 (Non-Invasive Prenatal Testing,NIPT)、輔助診斷、生育健康服務之科技進化與市場擴展正相輔相成,大幅成長。 精準醫療精髓的實現仰賴正確有效的治療,而針對特異基因變異、蛋白質體表徵、或特定的受體或訊息通路,探索開發高選擇性特異標靶藥物,近二十年來為新藥研發帶動蓬勃創新,但仍有許多臨床未滿足需求,驅動新穎藥物設計與傳輸研發,包括抗體藥物共軛(Antibody-drug conjugates, ADC)、小分子共軛藥物、雙特異性抗體 (Bispecific antibody),以及針對「抗藥性基因」研發的次世代標靶藥物,例如最新非小細胞肺癌第三代藥物又發現新的抗藥突變點,促動第四代藥物之研發。 近幾年備受矚目的免疫療法,尤其是免疫檢查點抑制劑,雖把癌症的治療推向嶄新紀元,但真正能受益的病患比例仍有限,且尚有許多有待解決或突破的問題,需要更深入探索、瞭解驅動免疫反應作為治療方法的分子動態機制,包括如何與其他的治療策略合併以提升治療效果,目前正有大量整合療法(Combination therapy)的臨床試驗進行中。 細胞治療 (Cell therapy)也是不斷創新的熱門議題,再生醫學例如幹細胞(Stem Cell)的臨床應用涵蓋了各種適應症,用以治療基因缺陷、神經疾病、心臟病等;而免疫細胞療法(Immune Cell Therapy)是利用自體免疫細胞來對抗癌症與病毒感染等疾病的先進醫療技術,包括結合各式基因操控技術的Adoptive Cell Transfer、CAR (Chimeric Antigen Receptor)-based cell therapy等;綜觀全球產學研醫界正大量投入前瞻探索與前臨床研究,提升對疾病發生的理解,希望洞悉病變細胞如何以新的基因突變產生抗藥性,企圖更瞭解癌症或感染症如何智勝免疫系統,藉以大幅度提升治療的成功率。 以精準醫學標籤期望之博大精深,加上多國政府以各式公共倡議或專案的推動,許多研發計畫、跨域合作、與臨床試驗正如風起雲湧般的熱烈進行;近期行政院生技產業策略諮議委員亦建議「應加強聚焦重大研究議題,如癌症精準醫療,以發揮我國研究量能,提升癌症檢測、醫療與照護水準」。不但生醫相關之國內外研討會紛紛以精準醫學當會議主題或議題之一,全球市調與商業研究公司出版的市場報告也琳瑯滿目,不斷更新。 近期的市場報告大都集中在基因定序、伴同式診斷、生物標誌、生物資訊學、藥物基因學和分子診斷的市場,參考七家國際出版社的市場報告,2016年估計的全球精準醫學市場價值約在$390億到$560億美金之範圍,各家市場報告針對 2016至 2023 (+/-2) 年預測的年複合增長率則約在10.3%到14.0%之間。 跨產業或產學研之間的合作聯盟是精準醫學前進的生力軍,例如生醫影像公司將長期累積的影像大數據搬上微軟的雲端系統;又如英特爾等三家大公司之精準醫學應用雲端平台合作計畫,希望由基因數據導入臨床應用並形成一個雲端運算的生態鏈;事實上全球所有資通訊產業大咖投入醫療相關的合作案不勝枚舉,以其財力與規模對精準醫學之未來將有深遠影響。 或承先啟後、或跳躍式創新、或顛覆性技術,分子醫學及檢測與相關新興技術一直是精準醫學產業鏈的重要基石,在分子檢測與基因定序的醫療服務產業隨著精準醫學的驅動正大量擴充服務項目與其深度、廣度。目前許多家公司或醫學中心提供分析項目廣泛的腫瘤分子譜 (Tumor Molecular Profiling),篩檢的基因數量種類眾多,漸漸成為癌症精準醫學愈來愈熱門的選擇,但給付模式也跟著多樣化,由分子檢測與基因定序公司直接與保險公司合作是逐漸吸引注意的商業模式。 觀察美國自Precision Medicine Initiative啟動以來的進展,對全球與台灣都是展望精準醫學趨勢的借鏡。其中國家癌症研究所(National Cancer Institute,NCI)除了擴大精準醫學臨床試驗,亦發展國家癌症知識系統(National Cancer Knowledge System)。一方面開發新的人類癌症實驗室模型,例如各式細胞培養和人源性腫瘤組織異種移殖(Patient Derived tumor Xenografts, PDX),另方面與英國及荷蘭等一些機構共同推動Human Cancer Models Initiative (HCMI),希望由全世界專家共襄盛舉,建立1000個癌細胞模型。 美國國家衛生研究院(National Institute of Health, NIH)原先要收集百萬的志願者健康數據,預期建立基因資訊庫,並促進以數據為基礎的、更精準的醫療服務新時代。而這「PMI Cohort Program」已經換了新名字叫做 「The All of Us Research Program」,希望藉由「All of Us」群體努力改變未來的健康照護,鼓吹更多人參與將有更多數據可供研究,增加創造醫學突破的機會。 美國食品藥物管理局則架設了「PrecisionFDA」共享平台,提供NGS檢測的評價和法規科學的探索社區平臺(Community platform),鼓勵大眾提供數據及運用、上載檔案、分享軟體、以及雲端運作。FDA持續面臨更多審查鬆綁相對安全有效的制衡,例如對診斷產業、臨床實驗室產業與精準醫學都有深刻影響的Guidance on Regulating Laboratory Developed Tests (LDT)最終版目前正處於暫停階段。 政策支持度仍將主導精準醫學,美國繼PMI倡議宣布的預算後已經挹注更多經費,尤其是癌症研究有登月或射月計畫(The Cancer Moonshot)的加持,經由世界多個國家,包括台灣的加入,運用蛋白基因體學(Proteogenomics)策略探討疾病發生機制、檢測及治療的線索,是與精準醫學相輔相成的寶貴資源。而在白宮總統之政權交替前定案的「21世紀治癒法案」(21st Century Cures Act)更加入了十八億美金新資源予射月計畫,以及十年共計三十億美金支援大腦與精準醫學倡議(The BRAIN and Precision Medicine Initiatives)。 綜觀精準醫學是一個以人之健康福祉為中心、與時俱進、並不斷啟動創新的醫學求知、認知、以大數據的探勘分析擷取精華落實臨床效益之過程。透過種種4P(Public-Private-People Partnership) 資源整合佈局與開放式創新平台,探索識別和驗證明確之疾病機理,可以帶來更多4P(Predictive, Preventive, Personalized, Participatory) 醫學策略,提升病患最佳的醫療Outcome,同時帶動相關產業鏈的經濟價值;然而生物體系的複雜及動態多變,將持續挑戰我們對奧妙生物的洞察力(Biology Insights)與解決之道,不斷驅動跨領域跨產業科技之推層出新。
發布日期:2017/03/06
資料來源:中衛中心
六級化是近年十分熱門與被搜尋的關鍵字,彰顯出在競爭環境中產業或企業對跨領域創新、生態系競爭網絡發展或價值鏈前後延伸的必要性。對農業六級化,個人看法簡言之是如何掌握農業在地性的特色,同時積極運用「創新思考」進行跨領域與跨產業的生態系競爭網絡的建構,進而轉型為新農業價值鏈的重組。 農業新價值鏈的重組大抵是指將農業的育種、生產、採收及倉儲與行銷或品牌建立的不同流程作業中,運用新構想、技術組合、新發明應用或商轉模式等,引發農業的既有流程的重新組合。在重新組合的過程中,使得農業以技術、產品或流程等,進而結合在地的人文地景的特定條件,突破原先農業的既定範疇,又跨領域及跨產業的結合相關二三級產業的業者,形成六級化不同特色的營運樣貌或樣態。所以,農業六級化基本上有1+2+3=6 的物理性變異及1*2*3=6的化學性變異。前者仍固守農業基本特性,但由耕種栽植的主體走向結合觀光休閒或樂活體驗,屏東美濃的白玉蘿蔔季的拔蘿蔔活動、股東招募會及秋冬美濃輕旅遊與美濃田園鐵人三項等即屬於本類型,可歸類為「樂活型農業的六級化」;化學性變異的農業六級化可列舉由專業養殖吳郭魚升級到「台灣鯛」品牌的貿易輸出及其尚青的膠原蛋白製造行銷與魚鱗發展成為眼角膜替代品的生技運用,這是以技術為基底的農業改造,屬於「技術型農業的六級化」。 農業六級化簡而言之可以「固一連二晉三」的口號加以說明。「固一」是堅守農業本質特性,以好好種植的心態、創新思考及技術配套等來鞏固生產(種植)品質,形成台灣各個在地的不同故事,如崑濱伯的無米樂或宜蘭三星蔥。「連二」則是在固一的基礎上,大力採用工業製程的品質與標準要求或互聯網+的技術運用等,讓胡蘿蔔(東勢生產合作社)或各種農作物種植的收成品能夠大小、尺寸及形狀等符合種植設計,並具有均一性,如方形的西瓜或在稻米田中的大地排字。這是十分困難的挑戰,但植物工廠已經邁出了第一步,且持續前進中。「晉三」意謂著要打破農業生產製造的OEM困局,至少要有農業ODM的能量,最好發展出農業OBM的形象,例如綠藤生機的芽菜種植與營運、京冠生技發展的智慧農業或良食究好的六級化營運與花田喜彘深根胡蘿蔔豬的品牌建立。 「固一連二晉三」的六級化推動涉及土地、人員、技術、流程、組織或資金融通與商轉營運模式等不同單項要素或是各別要素間相互綜合關聯的轉換,從而孕育成營運模式的創新。換言之,農業六級化是可視為諸多創新類別的代名詞,更是農業生產者、企業家或第三方洞悉到農業價值鏈上的需求、不足與潛在的市場商機,重新組織生產條件和要素,提高農業產銷的綜效,建立效能更強、成本更低和體驗更高的生產經營系統,具體的展現形式為,推出新材料(品種)、新產品、新製程、新流程、新服務、新市場或新的營運模式。農業六級化不只是重視科技或新產品的創新,更重要的是能由生活需求出發,洞悉農業新的生產概念,將現有的生產要素加以重組或整合,形成技術+產品+流程+品質+標準+服務等,展現出農業綠金的新風貌。以下再綜析對農業六級化策略構思與推動的觀點,並分述如下。 (一)農業六級化的樂活型與技術型是類如軸線上的左右兩個終極端點,基本上農業六級化可在這軸線上展現不同的樣貌型態,主要是樂活型與技術型兩者不同比重的綜合。同時,農業六級化是以市場開發為主軸思考,是指開發白地市場(新顧客或需求未經滿足的市場),將市場的餅做大做廣;另外,農業六級化基盤策略是將價值鏈盡量由生產向前後延伸至研發、行銷、服務與品牌建立,進以活化農業,更扮演經濟創新動能。 (二)農業六級化的內涵是創新,應該由未被滿足的需求或新需求思考出發,所以首重生活脈絡的掌握,次再結合運用聚合型技術(Convergence T係指結合在地的人文地景條件成為獨特性展現) 、生物技術(Bio T)、設計技術(Design T) 及互聯網技術(IoT)與特定農漁牧等產業技術,從而建構發展樂活類型與技術類型的農業六級化。倘若由農業的生產者扮演六級化的推動主體,最好能結合不同領域或產業別的業種業態或群眾外包,以非自身角度或立場來構思,這樣較具成功的可能性。所以,對農業六級化的推動,更會鼓勵原本屬於二三級的業者將營運範疇進行跨領域及跨產業的參與,例如很多主題餐廳推動由餐桌到農場(From table to Farm) 的農遊或農創,如金都餐廳菜單開發與農文創發展及新竹物流參與農業營運,諸多實例無異是印證農業六級化的營運能量,更是農業與跨領域及跨產業之間的融合創新。 (三)農業六級化應該要洞悉社會生活的變遷及消費趨勢下,要設定握目標族群的需求,提出「發展主題」或不同業界間的「合作主題」,進而提出六級化之產品或服務的「價值主張或定位」,並規畫相關配套的經營行動,期以在的價值主張或定位下,用更低成本、更高效率及更好服務來超越顧客的期望,並形成「特有特色和在地品牌」。在推動農業六級化常會受限於資源不足及各類外部性調適作業。為能因應這類問題,在發展農業六級化就必須建構合作網絡的產業群聚或生態網絡的互助系統,以提高內部與外部資源的綜效化。 (四)事實上,農業六級化要運用所屬地域的人文地產景及地域、企業與產品三者要素,營造出有特色主張的四生(生產、生態、生活與生命)與四風(風景、風土、風味及風格),創造出以地域展演的體驗感動。對「地域」而言,首在於建立區域特色,形成傳頌故事的伴手禮及特色尋訪的特色旅程,再建構實體或虛擬的通路服務,形成地域特色的傳送發報機制。對地域的代表性的特色「企業」,彼等不僅要從事農作生產,也需要兼顧旅遊導覽或餐飲服務等不同角色扮演,從一級產業的營運屬性橫跨到二三級產業的特性採用,形成六級化企業;六級化企業十分重視產品、場域、服務和活動的設計,由追求品質企業(Q品質、C成本、D交期、S安全、M管理)邁向感質企業(A吸引、B美感、C創意、D精緻、E工學)的蛻變;又為滿足六級化營運,勢必發展合作體系或建立新組織。「產品或服務」經常是地域特色與在地企業的具體表徵,如新社香菇即是平溪區域的代表性產品;這類有形產品或服務(無形產品),面對產品的六級化或許以單一專業規格或多元客製規格對應市場,重點仍是有形產品必須走向故事化,服務(無形產品)必須走向象徵化,以滿足消費者的需求。 上述的各點的說明可以圖1為列示參考。在前述農業六級化的建構,分別以地域、企業與產品三者為基本要素,創造出「大地的感動或大地展演舞台」。然而,農業立基於土地上,追求農業六級化必須有寬廣胸襟,更要心存關愛,關愛土地、人與生活,這是推動農業六級化的基本善念。在這個善念之下,農業六級化始能掌握在地性,才能創新體驗,積極創新農業價值鏈,符合體驗經濟與循環境的要求。在六級化下,農業綠金才可成為接續黃金與黑金的新熱潮。
發布日期:2017/03/06
資料來源:成大航太系
一般所謂先進製造技術(Advanced Manufacturing Technology, AMT)概括由微電子技術、自動化技術、資訊技術等給傳統製造技術帶來的種種變化與新型系統。具體地說,就是指整合機械工程技術、電子技術、自動化技術、資訊技術等多種技術為一體所產生的技術、設備和系統的總稱。主要包括:電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助製造(CAM)、整合製造系統等。 AMT是製造業企業取得競爭優勢的必要條件之一,但並非充分條件,其優勢還有賴於能充分發揮技術威力的組織管理,可以說是技術、管理和人力資源的有機協調和融合。 先進製造技術是製造技術的最新發展階段,是由傳統的製造技術發展而來,保持了過去製造技術中的有效要素; 並與現代高新技術結合而產生的一個完整的技術群, 具有明確範疇的新的技術領域,常針對某一具體的製造業(如汽車工業、電子工業)的需求而發展起來的適用的先進製造技術, 先進製造技術也是面向全球競爭的, 目前每一國家都處於全球化市場中。 積層製造(Additive Manufacturing, AM)是一種先進製造技術,以層狀材料自動堆疊的製程將來自三維電腦輔助設計模型(3D-CAD)的數據製作可比例縮放的三維實體工件而不藉助模具之方法。在1987年,積層製造技術第一次進入市場,當時被稱作快速原型(Rapid Prototyping, RP)或生成製造(Generative Manufacturing),或稱三維列印(3D Printing, 3DP),至今三維列印也幾乎是積層製造的同意詞。 積層製造是一個可以改變未來的製造方法,至2008年世界因經濟大海嘯影響,全世界的不景氣,同時歐美各國反思製造業的定位及重返美國的新思維,及早期3D列印專利到期等各種因素推波助瀾下,反而在2010年代初開始,以矽谷領導創新創業在內的Maker 崛起,如美國Chris Anderson在wire雜誌倡導3D列印為第三次工業革命,他自己也投入3D Robotics的新創產業,更激起以美國為主的許多產業改革。更在美國對歐洲金屬列印的超前,亦開始併購若干小公司,至今年,GE等大型航太公司,對3D列印的投入更是可觀,AM也漸漸成為一個普世的顯學,並開始在教育體系納入各級教學內容。在2012年McKenzie Global Institute發表未來12項顛覆性科技,積層製造排名前茅, 同時其未來產值預測將是硬體類最高的一個項目。故值得我國關注本項技術,並積極規劃各項關鍵技術之導入或研發。 相較於傳統的減法製程技術,積層製造是一種依需要給材料的疊層加法技術,因此,對各種需要大量加工切除材料的工作是一種大量材料的節省;另外,對高複雜度的工件絲毫未受影響,尤其愈複雜,愈顯出積層製造技術的高明;另外也無需要開模製造,即無模加工法,可節省大量生產模具的費用;可以高度客製化作少量製作;就製造系統而言,積層製造的原材料反而是異常的簡單,只是粉末材,線材或少量的液體,相對於傳統製造需要庫存大量的原材料,如金屬即有板材、棒材、錠材、管材等各種型式,更加上各種不同的材料品項及型號及熱處理等差異,光庫存材料即是一個很大的資源管理需求。加上前述的模具、刀具數量及管理,甚至最後成品的庫存及管理,在在都需要實體空間的配合及成本消耗。因此,在類似飛機或航太工業中,這些數以百萬計的零件及管理,若有積層製造的加入,亦將可大量簡化,甚至連同前置藍圖的建置與保存管理都可以更精簡其人力與空間,真正達到精實製造(Lean Manufacturing)。 然而,積層製造整體製造速度仍不及傳統射出成型或鍛造等專用製程,同時表面粗糙度仍無法做到高精密等級,以及受限的材料種類可生產需要產品等不利因素,因此在實際應用上仍不容易快速展開來。 台灣對3D列印技術的引入,大致以應用服務及材料設備研發為兩大面向。3D製造機器的引進應用於2000年之前即開始, 由於機器成本相當昂貴,選擇性不多及國外進口材料昂貴等因素, 多以產品開發初期之設計檢討原型為主(即快速原型, RP)的階段,此時,專業3D列印代工廠商有相當好的機會成為一個服務型的公司。然而大約在2010年後,拜第一波專利到期的影響, 多種廉價機器的生產上市及泛用, 以及雜誌及創客風氣等推波助瀾下, 讓3D列印漸進入基礎教學工具, 並對創新創業領域的發展, 投入相當大的變化。3D列印機器使用者常可擁有自己的機器,專業代工漸漸減少,僅有以金屬3D列印為主的廠商, 得以因高價維持這個服務優勢, 然而金屬粉末供應門檻高, 仍位居高價。 回顧這第二波的3D列印應用, 雖然名義上從過去的快速原型轉換為積層製造,是設定從製造的角度來達成產品生產製造的機器,但由於受限的材料種類及速度,精度的限制,所能夠成為製造的方式大多限制於間接製造而不是直接製造,故對基層製造方法的長程發展仍有相當的發展空間,同時也是相當的機會切入研究,值得我國作為邁向產業提升的一個重要途徑。 然而, 台灣產業過去一直對先進技術只是使用外來機器,偏重應用層面的發展,自行研發相對很少。故對3D列印技術的投入,民間的投入很有限,尤其金屬AM的製程。就3D列印製造系統的開發,本身就是一個多重領域的跨領域組合,包括領域有機械、電子、資訊、光電、化工、材料、製程等等領域,因此是一個系統整合的機器。因此未來如果要擺脫對國外機器及材料的依賴, 並成為製造王國, 未來這個3D列印領域的研發變得非常重要。 故這個3D列印領域幾個關鍵的技術包括 : (一)精密的移動平台及定位控制; (二)各種成型的噴頭或雷射等實施加法製程的重要關鍵元件; (三) 整合系統的控制介面和製程系統及切層軟體; (四) 建構工件的材料和機器耗材。尤其耗材的開發及應用成為下一波3D列印技術的主要獲利來源。雖然材料是這麼樣的重要,但是機器的研發才是真正的前鋒工業,沒有系統機器的研發,最好的材料也只能架構在別人的機器上,套用航太領域的觀點,機器設備是Tier 1的產業,那個材料廠商只能搭配Tier 1產業去設計或生產材料的Tier 2或Tier 3 廠商,誰才是真正帶領這個產業進步的主要動力不言自喻。   在系統化架構下,為了真正達成製造導向的機器研發,不同的機器設計和材料搭配的研發才剛剛開始,這即是本文一開始說明先進製造技術可由一特定領域的製造切入作為開始,如汽車或航太產業,誰先找到這把鑰匙,誰就先可以打開這個領域的大門,並通往另一個藍海產業。 由於3D列印技術是銜接數位科技的重要製造技術,其未來發展潛力無窮,但也需要對數位科技的基礎教育及機電資化材統整教育。3D列印製造系統本身就是一個多重領域的跨領域系統整合,包括領域有機械、電子、資訊、光電、化工、材料、製程等等領域,因此是一個系統性的產業。針對這些核心技術再輔予特定領域的應用切入,即可掌握這把鑰匙並通往另一個藍海產業。
發布日期:2017/03/06
資料來源:桓達科技(集團)
物聯網的興起,為一產業科技發展過程中的融合,因為經濟因素的變化,所推演出的風潮。從經濟學的觀點,每一次的經濟衰退,都會催生出某些新的技術融合,促成產業一種全新的使用價值,從而帶動新一輪的消費增長和高額的產業投資,形成新經濟週期。工業物聯網屬於物聯網的一個分支,其興起要素在於 (1)感測技術的成熟發展;(2) 無線通訊技術的高度整合;(3)資訊處理、分析能力、人工智慧躍升。 物聯網原先的發展,是朝向消費者未知的新穎功能性與便利性,故在過去的發展過程中,並沒有適當、嚴謹的建立各種規範準則,而是建立在市場的選擇價值(顧客偏好)。這樣的發展歷程導入工業化後,在工業物聯網的發展就受到箝制。工業領域在過去一百多年,早已經建立許多不可破除的規範、標準,以及習用的最佳實踐(Best Practices)。因此,本文企圖引領讀者,一窺切入工業物聯網的規範與限制,以進入工業物聯網的殿堂。 定義上,工業物聯網牽涉到國家競爭力、IT(Information Technology) / CT (Communication Technology) / OT(Operation Technology)三位一體化的策略層級發展,其牽動各輕工業 (智慧農業、環境監測、交通、智慧建築、公共安全/防災、水資源、智慧醫療)、重工業(智慧電網、工業4.0化、能源管理、石化、礦業、港口建設)的基礎建設。工業物聯網的技術特徵需求為,全面性的感測能力、動態可自組成/維護的無線網路、高度的可靠性連結,以及人工智慧運算的決策管理。 與現有的中控室管理相比,工業物聯網集成了監測、控制以及無線通訊的網路系統,節點數目更為龐大/密集(數千~數萬節點),通常在Infrastructure As A Service 的架構中出現,其存在幾個尚待克服的難點,包括:(1)由於環境影響和能量耗盡,節點更容易出現故障;(2)環境干擾(例如行動裝置切入網路)和節點故障容易造成網路拓撲結構的變化;(3) 通常情況下,大多數感測器節點是固定不動的,無法與行動裝置連結;(4) 感測器節點的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等十分有限;(5)傳統無線網路的首要設計目標,是提高服務品質和高效率頻寬利用,其次才考慮節約能源;工業物聯網的首要設計目標,則是簡約能源的高效使用,這是和傳統網路最重要的區別之一,因為必須廣域的布建。舉例來說,如果在未來的布建,真的達到300億個裝置,那麼首先面對的問題是電力資源,需要至少10-100座以上的台電公司發電能力,才能供應這些感測器(每個感測器以耗電10W計)的正常運作。物聯網從1999年起始的模糊定義,逐漸到2009年完整國際上的共識,歷經了四段的發展,整理如圖1。 大多數的社群、新聞已將各種具有網路行為的名詞相互混淆。下圖示意,整理工業物聯網(IIOT)、工業4.0與M2M (Machine to Machine)的價值範圍,使清楚產業全貌。以目前已知的網路發展區隔,最大的三個集合是(1)Internet 互聯網 (網際網路) PaaS (Platform As A Service),以服務作為與人的互動行為平台,典型的發展是消費性電商(購物、資訊查詢)、網路連結;(2)公共基礎建設IaaS (Infrastructure As A Service), 一般是以公共事務相關基礎建設的連結,例如交通、救災;(3)工業物聯網(IIOT),工業物聯網下包含單一產業的工業4.0 不經濟規模(作者註:意旨客製化即時生產之意,非大量標準批次製造)生產模式(工業4.0的精神),整合IT (Information Technology) / CT (Communication Technology) / OT(Operation Technology)。在工業4.0 下,又具有不同的M2M產業規範、標準門檻。 Telecommunication, Security Conversion 是上列三個集合(IIOT、Industry 4.0 Internet)的核心價值。三個集合的交集處,則衍生了各種的跨界、異業運用,例如互聯網與IIOT間,產生的應用為穿戴式裝置、虛擬實境(Visual Reality)、擴增實境(Augmented Reality)、混合實境(Mixed Reality)、Predictive Maintenance、Access Tracking等,結合應用事件、資產與機器的連結。而在互聯網與公共事務間,則產生了人與環境的連結,例如O2O (On Line to Off Line)的服務(例如Uber)、人工智慧、資源管理、商業模式的需求。在工業物聯網與公共事務間,則產生跨產業領域的經濟行為發展,例如跨領域循環經濟(供應鏈與使用者行為,在不同產業重疊交換)、無人化製造與服務等新商業模型。 圖2 工業物聯網(IIOT)、工業4.0與M2M (Machine to Machine)的價值範圍 工業4.0其實是一種侷限性的工業物聯網分支,工業4.0聚焦的部分在於(1) Factory Process Automation; (2)智慧型的裝置(Sensor Actuator);(3)Communication 的真實定義在工業4.0下為From Service to Service的流程串聯;(4)雲端計算只是一個可能選擇,非必要選項。工業4.0 是一種不規模經濟學,而非新的科技發展,所以它必須強化的觀點,都是在因為流程需要所產生的CPS(Cyber, Physics and System) 連結,包含Ad-hoc Service(點對點跳躍服務流程)、Scaleable Sensor Deployment(大規模感測布建)、Narrtive Operation (用敘事性將資訊解譯成工程資料或流程)、Information Model(對於流程的模擬預測)、OS Language Independence (跨作業系統與語言隔閡)。 如果從技術角度來看,所謂的IIOT與Industrial 4.0 下的M2M 最主要的差別,在於IIOT(綠色環圈)並不包含Chip Module 的設計概念,偏向整合應用層次。而M2M 則恰好相反,是從晶片模組、裝置整合、網路架構、服務組態建構到應用功能與資料的連結,但並不著墨太多的系統整合。依此M2M概念,在底層的工業4.0感測概念,應具有六個基石,才能形成感知能力的基礎,包括:(1)現場人工智慧的決策邏輯;(2)功能演化的實體繼承;(3)異質網路的連結轉化;(4)資訊安全;(5)多物理性輸入的使用者介面;(6)環境的感知能力與能源採集。以其中一個基石,資訊安全來舉例,工業4.0下的M2M 的感測網路Security Solution,未來可著墨發展的商機如:授權與鑑定的商機(Authoriztaion Authenticaction)、層級進出控制(Role Based Access Control)、資料驗證(Data Validation, Integrity and Confidentiality)、現場站區管理(Session Management)、稽核與監視(Auditing and Monitoring),以及環境代管(Trusted Environment)。 M2M的定義可以分為廣義和狹義兩種。廣義上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它是指是人與各種遠端設備之間的無線資料通信。狹義上的M2M是Machine-to-Machine的簡稱,指一方或雙方是機器且機器通過程式控制,能自動完成整個通信過程的通信形式,本文只闡述Machine-to-Machine在工業的觀點。 M2M是Machine-to-Machine的簡稱,是一種以機器終端智慧互動為核心的、網路化的應用與服務。工業M2M與物聯網M2M的核心理念一致,不同之處是物聯網M2M的概念、所採用的技術及應用場景更寬泛,聚焦在無線通信網路應用上,是物聯網應用的一種主要技術方式。而在工業領域,M2M 是以無人工廠運行為最終概念,結合設備間的通訊、流程、管理、監控、決策,實踐設備間的自主管理。M2M 共有六個概念基石:遠端監控、身分識別、感測網路、智能服務、無限數據通訊、遙測與機器組態。由這六個基石連結人、裝置與系統的完整一致性。 OneM2M 目前有200個會員,2012年開始由八個主要會員聯手成立(ARIB (Japan), ATIS (North America), CCSA (China), ETSI (Europe), TIA (North America), TSDSI (India), TTA (Korea), and TTC (Japan))。嘗試建立M2M的共通標準。包含ETSI、TSDSI、TTA、ARIB、ATIS、OMA、HGI 等組織共同參與。著名廠家則有SIERRA、HITACHI、ITRON、SONY、FUJITSU、HAIER、ST、BOSCH、NEC、VERIZON、ATT、ORACLE、QUALCOMM、SUMITOMO ELECTRIC、TMOBILE、CISCO、IBM等。目前這個組織參與者的背景,大多為通信業者、IT 相關領域、車用電子與智慧電表領域的廠商,在真正推動到重工業領域的M2M,將會面臨定的產業不一致性的發展瓶頸,例如EMERSON、SIEMENS、HONEYWELL、ROCKWELL等重工業巨擘,對M2M 的發展架構將會有不同的標準見解。 本文的觀點認為M2M的現況不可能只是一個全球統一的oneM2M架構,而是會逐漸分成兩個分支。一個較偏向消費性物聯網M2M(商業模式B2B2C)、一個偏向工業4.0 下的真正M2M 應用(商業模式B2B2B)。 在這樣的工業M2M發展下,它與傳統自動化習慣的中央控制方法,有下列的異同,可以做為業者思考策略變革時,技術開拓的參考。