材料科技展望

第六章材料科技展望講授大綱：6.1燃料電池

燃料電池的重要性 燃料電池的發展及影響 燃料電池的應用6.2量子電腦

量子電腦的發展 量子電腦的應用及影響6.3有機發光二極體

有機發光二極體的發展 有機發光二極體的應用燃料電池參與反應的化學物質(氫、氧)，分別由燃料電池外部的單獨儲存系統提供，只要保證反應物的供給，就能連續不斷地產生電能；普通電池只能有限的電能輸出和儲存反應過程中不涉及燃燒故無二氧化碳產生，符何環保，且能量轉換率高達60%~80%按電解質劃分，大致可分為五類鹼性燃料電池(AFC)磷酸型燃料電池(PAFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)質子交換膜燃料電池(PEMFC)燃料電池的重要性鎳鎘電池(Ni-Cd) 具有「記憶效應」，需完全用盡才能再度充電，否則無法發揮最大限度鎳氫電池(Ni-Mh)

不具「記憶效應」，容量也較鎳鎘電池大鋰離子電池(Li-ion)

重量、體積都較鎳氫電池小，且充電速度快鋰聚合物電池(Li-Po)

實際上就是鋰離子電池，不同的是鋰離子電池的電解質呈液 狀，鋰聚合物電池為聚合物塑膠(或膠狀物)燃料電池

只要補充燃料就有源源不絕的電源燃料電池的發展及影響英國人威廉．葛洛夫爵士(SirWilliamGrove)提出氫元素與氧元素結合的方式產生電能，最早的氫-氧燃料電池1960年，開發了液氫和液氧的小型燃料電池應用於太空發行和潛水艇90年代，美國軍方將燃料電池縮小到可以隨身攜帶當前首選的不虞匱乏燃料-甲烷2001年，摩托羅拉公司已成功開發出以甲烷啟動的燃料電池應用於手機專家預測2004年~2005年，高容量燃料電池將達到實用水準燃料電池的應用在美國，廢水處理廠使用燃料電池設施，不僅能發電發熱，還能消除廢水處理所產生的污染燃料電池汽車，使用氧和高壓氫所產生動力，一桶氫氣可以跑300公里德得希望能在2015年之，使用燃料電池技術供應德國10%的電力需求燃料電池運用範疇從行動電話、筆記型電腦、V8到手提式資訊設備大有取代電池的可能量子電腦透過量子力學應用，將電晶體壓縮到原子般大小，進而讓資料近光速傳輸，也就是利用量子狀態進行資訊處理的電腦設備利用原子的能階代表0、1【基態為0(|0>)、激發態為1(|1>)】，再以0、1疊加(superposition)表示量子電腦中資訊最小單位「量子位元(quantumbit)」|0>和|1>在任何時候都同時存在，只是比例不同，從起始值開始同時代表了所有可能狀態，能夠一次計算所有可能狀況，也就是所謂的「量子平行處理(quantumparallelism)」量子電腦和一般電腦兩個最大不同點：計算和量子力學一樣，都是機率的處理，可同時處理許多不同的狀態每個量子程式在啟動之後都無法在中途做檢查，中途一受干擾，程式便必需重新再來量子電腦的發展由物理學家理查．費曼(RichardP.Feynman)提出索爾(P.W.Shor)：量子電腦可以做因數分解IBM及史丹佛大學成功使用量子電腦算出15的質因數(3和5)，是第一個證實索爾演算法(Shor’sAlgorithm)的實驗，另一重要意義在於如何減少因quantumdecoherence引起的誤差，提供了一個具體方法IBM已於2000年宣布研製出利用5個原子作為處理器和儲存器的量子電腦，並認為2010年前後就可能達到實用化階段量子電腦的應用及影響聖母大學(UniversityofNotreDawe)發表研發成果，認為2020年將是量子電腦時代，晶片上可置入的「類電晶體轉換器(transistor-likeswitches)」為現在的150,000倍，主要是量子電腦晶片，不依靠線路來處理資訊傳統電腦的平行計算要把工作平行規劃的輸入，量子電腦則即是一平行運算系統量子電腦質因數分解的計算能力，對傳統電腦的殺傷力最大，可以短時間內破解傳統電腦原須萬年才能破解的密碼有機發光二極體有機發光二極體（OrganicLight-EmittingDiode,OLED）為下一世代的平面顯示器新興應用技術OLED所使用的有機化合物材料會自行發光，不像LCD須加上背光源，其特點為廣視角、反應速度快、低耗電量、對比強、亮度高、厚度薄、可全彩化及動畫顯示等發光結構可分為底部發光(Bottonemission)與頂部發光(Topemission)兩種，目前大都採用底部發光結構有機發光二極體（圖）ＯＬＥＤ基本結構為在兩電極間置放有機發光層，由於必須使有機層所產生光線穿透，因此其中之一電極需為透明電極有機發光二極體的發展最早可溯及１９６３年時，由Pope教授等人在２０㎜的anthracene單晶體上，施加數百伏特的偏壓時，觀察到電致發光的現象依使用有機薄膜材料區分「小分子材料」

1987年，美國Kodak公司的Mr.C.W.Tang和Mr.SteveVanSlyke以真空蒸鍍的方式將Alq(Tris-(8-quinolinato)aluminum)和HTM-2製成多層式結構的OLED元件，大幅提高了發光效率「大分子材料」

1990年英國劍橋大學Burroughes等人以共軛高 分子PPV(p-phenylene

vinylene)做為發光層 之OLED元件，陽極為ITO，陰極為鋁 (aluminum)有機發光二極體的發展(cont’d)依驅動方式區分被動式矩陣

主要電路架構乃由多行的ITO陽極和多列的金屬陰極組成，分別負責資訊訊號和掃描訊號的輸入，架構較主動式簡單，但解析度提升有限主動式矩陣

以TFT驅動像素(pixel)，每一個畫素皆具記憶驅動信號的功能，因此可以連續且獨立驅動，具高解析度特質有機發光二極體的發展(cont’d)依彩色化的方式區分「3色發光層結構」：R.G.B.獨立發光，採用RGB三色各自獨立的 發光格 「色變換結構」：光色轉換法，採用藍光材料，配合紅、綠色螢光體 產生各種顏色「彩色濾光膜結構」：彩色濾光膜法，以白光發光層搭配彩色濾光片有機發光二極體的應用由於OLED的顯影性能優現有LCD產品，簡單的產品結構及自發光的特生，廠商發展策略傾向於以被動式矩陣驅動方式，切入原為小尺寸STN-LCD占據的市場，如PDA、車用顯示器、行動電話等，成為小型和可攜式電子設備的首選顯示技術日本業界