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學術發展1

高分子材料在生醫及光電科技之應用

文/謝國煌(高分子科學與工程學研究所所長)

圖/王宏仁

 

筆者所從事之研究大致可分為下列幾項:

  • (1) 聚胺酯生醫材料,開發人工心臟、血管及左心室輔助器等與血液相容之材料。
  • (2) 半導體製程材料(光阻劑)。
  • (3) 導電高分子材料,以聚苯胺為主配合其他高分子基材,開發可撓式導電薄膜、天然氣分離膜、微波吸收材料等。
  • (4) 互穿型網狀結構體之合成及其複合材料。
  • (5) 奈米複合材料與光電高分子材料。

在接下來的內容中,筆者將針對研究領域中的各部份更深入的說明。

 

聚胺酯

    本人在底特律大學研究主要是以聚胺酯(Polyurethane, PU)為主,PU是由聚醇(Polyol)和異氰酸鹽(Isocyanate)及鏈延長劑(Chain extender)經由化學反應所形成之高分子材料,由於它是由多種成份組成,只要適當的調整不同的比例與反應條件,可以開發出多種的用途和性質,因此,它的用途相當廣泛可以做為硬質、軟質泡棉、彈性體、熱可塑性PU(TPU)等等。

    在生醫材料方面,如上述之簡介,PU材料的性質可以藉由聚醇和異氰酸鹽的配方調整,PU除了可以提供適當的機械性質以外,更重要的一點是PU的生物相容性是十分優異的,而且PU材料本身可以形成微相分離,可以提高抗凝血的效果,因此可以應用在人工心臟、血管和左心室輔助器等生醫材料,筆者與朱樹勳教授、王水深教授、周迺寬醫師在此一領域有長期的配合與研發,成功發開台大一號左心室輔助器,並且有新型專利的申請,目前也有新的生醫材料在進行研究。

 

光電材料

    近來光電產品如顯示器及通訊產品在全球有急速使用成長之趨勢,世界各國亦積極投入大量人力與財力發展光電相關領域之材料與產品開發。而我國早亦已將光電產業列為十大新興產業。例如以光電產品中之導電膜元件而言,其中之一為應用於觸控面板產業,根據工研院產業經濟中心之資料,單就觸控面板之市場規模在2001年時已為新台幣72億元,2005年預估將成長至新台幣123.2億元,其年成長率高達15%,而其他各類光電材料、元件及產品,其經濟效應更是十分龐大。然而光電產業所需之上游特化品及原材料仍大部份仰賴進口,有鑑於此,本計畫乃為配合國家發展光電產業之方向,結合台灣大學工學院前瞻性高分子研究中心多位光電高分子研發人員,開發相關光電及化工產業所需之關鍵技術,並提供諮詢服務及人才培育。

    本人主持學界科專計畫中,以開發可撓式透明導電高分子薄膜以及高分子場效應電晶體為目的。傳統透明導電膜乃利用將一無機材料(indium tin oxide或簡稱ITO)置於玻璃基板上作為導電膜,由於玻璃基板重量重、易破裂及厚度操作有限制等諸多缺點,因此為產業界急待解決之問題。另外,ITO雖為目前光電產品主要使用之透明導電膜材料,其製程方法多以真空蒸鍍或濺鍍法將ITO鍍於玻璃基板或是高分子基材上,由於使用真空方法,其製程較為複雜且昂貴。如為ITO/高分子基材系統,其導電膜亦可能出現無機材料與有機材料相容性不佳導致介面接著不足等問題。近來有機導電高分子材料有長足之突破,因此利用此類功能性之高分子取代ITO已是先進技術發展之重點。將導電膜模組製備成含高分子之多層薄膜,具備下列之優點: 除符合輕薄短小之要求,高分子主體可捲曲、易攜帶、耐摔,可製成不規則狀,生產亦可以使用捲對捲(roll-to-roll)的連續製造方式,進而大幅降低生產成本。在這一部分,本人主要是在研究新型微影自合成可撓式導電性薄膜,高分子一直以來都是被視為絕緣體來使用,一直到導電高分子的發現,,將整個高分子科學領域帶入一個展新的里程。導電高分子一般而言是利用其高分子鏈中之共軛結構以傳導電子,文獻中常見之導電高分子如聚苯胺(polyaniline)、聚比咯(polypyrrole)、聚塞吩(polythiophene)、聚乙炔(polyacetylene)、聚苯硫(polyphenylene sulfide)等高分子。由於高分子具有易加工之性質,因此導電高分子可成為重要之光電工業應用材料。自合成技術(如圖一所示)是利用Bottum-up的奈米技術建構多層的發光或導電元件,設計材料時讓每一層的材料具有可以反應的官能基,利用正負電荷的吸引或是化學鍵結可使層與層之介面更加穩定,可以提高穩定性與加工方便性。亦可以應用於發光二極體的元件製造開發,如圖二所示。

 

聚苯胺/PU共聚物

    另外,聚苯胺/PU之摻合物、共聚物可以作為天然氣之分離膜及具有電磁波吸收性質,筆者在這二個領域亦有探討研究。在天然氣的分離中,由於CO2中的氧原子會和聚苯胺及PU中的amine、urea或是urethane中之氫原子產生氫鍵而吸附,而甲烷分子並不會有此性質,因此可以用來分離天然氣中甲烷和二氧化碳氣體,在此一部份聚苯胺/PU共聚物之分離CO2效果可達400倍,效果十分顯著。

 

謝國煌教授小檔案

學歷:

國立台灣大學    化工學士,民國61年

國立台灣大學    化工碩士,民國65年

美國底特律大學  化工博士,民國70年

近年著作:

1.          S.C. Fu, K.H. Hsieh and L.A. Wang, 2001, “The Negative-Tone Cycloolefin Photoresist for 193nm Lithography”, Proc. SPIE Vol. 4345 p.751-760, (NSC-88-CPC-E-002-007) (EI)

2.          S.C. Fu, H.W. Lin, W.Y. Chou, L.A. Wang, and K.H. Hsieh, 2002, “Study on Synthesis and Characterization of Methacrylate Photoresists”, J. Appl. Polym. Sci., 83, p.1860-1869.(NSC-88-CPC-E-002-007) (SCI, EI)

3.          C. C. Yang, K. H. Hsieh, and W. C. Chen, (2003), “A New Interpretation of The Kinetic Model for The Imidization Reaction of PMDA-ODA and BPDA-PDA Poly(amic acids)”,  Polyimides and Other High Temperature Polymers, Ed. By K. L. Mittal., 37-45. (SCI,EI)

4.          C. A. Dai, T. C. Peng, C. H. Kuo, and K. H. Hsieh, 2003,”Synthesis and Kinetic Studies of UV-curable Urethane-Acrylate”, J. Appl. Polym. Sci.

5.          Y. Z. Wang, Y. C. Hsu, L. C. Chou and K. H. Hsieh, “Study on Blends of Polyurethane and Aniline-containing Poly(urethane-urea) Copolymer with Different Protonic Acid Dopants”, J. Polym. Res.

6.          Y. Z. Wang, C. H. Lin, B. W. Chan and K. H. Hsieh, “Synthesis and properties of thio-containing poly(ether ether ketone)s”, Polym. Int.

 

(本期本欄策劃:機械學系黃漢邦教授)

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