材料與人日常生活息息相關，食衣住行育樂皆與材料密切相關。科學家持續找尋、開發次世代的材料，希望賦予產品更佳的性能，提供人們更優質的生活環境。終端產品輕量化、薄型化、節能化、可回收…已成為現今材料的重要開發趨勢。本文將針對大環境變化下，介紹讀者未來十年十大潛力材料的發展趨勢。

Materials are highly related to daily life, including dieting, clothing, accommodation, transportation, education, and recreation. Scientists keep discovering and developing the next generation materials to provide the products better performance and upgrade our living environment. Nowadays, making the end products lighter, thinner, more efficient, and recyclable is the vital developing trend of materials. This article is going to introduce the trend of the top 10 potential materials in the following decade under the environmental change.

關鍵字：材料、功能性、高值化；Materials、Performance、High Value Added

一、全球大環境變革，提供材料發展機會

都市化、大都市化的發展將越趨明顯，根據聯合國報告指出，目前，全球70億人口有超過半數住在都市地區，2045年以前，估計全球將有超過60億人生活在都市地區；隨著都市化的發展、新興國家的成長以及中產階級的增加，多樣化的生活型態因而興起；因為醫療技術的發達，人口老化、高齡化逐漸被重視，另一方面又要面臨少子化的問題；由於人口增加快速，又形成資源爭奪、糧食戰爭、金字塔底層貧困人口的問題；此外，氣候變遷、環境問題日益嚴重、水資源缺乏等無疑是現今重大發展趨勢，也是人們最重視的議題(圖1)。

在上述趨勢、議題的發展之下，人們也開始找尋解決問題的方式，希望能削減二氧化碳的排放、提升環境保護、升級醫療服務、提高生活品質、重視水資源管理、節約資源、再利用資源等。在這些解決方案中，材料扮演關鍵的角色，透過新材料的開發，在解決社會課題中發揮重要作用。

圖1、重大趨勢下對大環境的影響

舉例來說，人口成長與極端氣候的環境，增加高性能與環境友善材料的需求。人口成長與都市化的發展，對於水、資源需求大幅增加，對於居住環境的需求也增加，此外，對於能源需求也增加。為了解決前述問題，提供水資源管理材料、可回收材料、節能材料、輕量化材料、耐候材料、防蝕材料等發展機會；面對極端氣候的現象，開發低碳材料、綠色材料、生質材料、低毒性材料或環境友善材料成為熱門的議題(圖2)。

圖2、人口成長與極端氣候增加高性能與環境友善材料的需求

許多國家都投入大量資源，開發先進的材料，足以見之材料的重要性。美國政府主導成立創新研究院發展重點領域。美國仿效德國Fraunhofer及台灣工研院(ITRI)，在相關製造技術領域設立實體研究院，負責技術研發與進行產業應用連結，以銜接美國在基礎研究與商業化發展間的鴻溝。計畫在全國成立製造創新研究院，在設置規劃上重視區域優勢，以形成地方網絡群聚，發展獨特的重點領域。各研究院將匯集企業、大學和社區學院資源，與政府合資，開發世界領先的製造技術和能力。目前已成立9個研究院，重點材料包括：3D列印、輕量化材料、複合材料、機能性紡織品、軟性電子…等

《中國製造2025》是中國大陸提出的製造戰略計畫，也是中國大陸實施製造強國戰略第一個十年的行動綱領。根據計畫，預計到2025年，中國大陸將達成從「製造大國」變身為「製造強國」的目標，而到2035年，中國大陸的製造業將達成趕超德國和日本的目標。規劃的十大發展領域中，「新材料」是發展重點之一。中國大陸新材料可分成三大類：先進基礎材料、關鍵戰略材料、前瞻新材料(圖3)。

圖3、《中國製造2025》新材料領域重點項目

日本政府則是頒布五大政策支援發展功能材料(圖4)，包含：金屬材料、非金屬材料、陶瓷材料、稀土材料、熱電材料、碳纖維、石墨烯…等

圖4、日本五大政策支援發展功能材料

二、十大潛力發展材料

前瞻、新穎、功能性的材料種類眾多，包含：液態金屬、量子點、超導材料、3D/4D列印材料、奈米材料、軟性材料、輕量化材料、複合材料、抗腐蝕材料…等。本文參考國際研究機構報告以及本團隊研究成果，挑選十項材料，分析其應用面與市場前景。

(一) 碳纖維(Carbon Fibers)

碳纖維具有輕質、高強、高模、耐化學腐蝕（耐有機溶劑、酸、鹼，不溶脹）、熱膨脹係數小，強度高等特性，具有取代金屬材料的潛力，能提升運輸產品超過10%以上的性能與效率。碳纖維未來最大的應用市場集中於汽車、航太、國防等重工業(圖5)，主要是將碳纖維與其他聚合物形成複合材料。

圖5、碳纖維應用市場

2015年碳纖維市場規模為97.1億美元，市場成長率：9.1%，預計2019年達到130億美元以上的市場規模(圖6)。

圖6、碳纖維市場規模變化

全球最大碳纖維製造商─東麗(Toray)(占33%)，目前已開發CFRF（碳纖維強化發泡體）的新材料。該材料可製造具有厚度的零部件，強度與傳統碳纖維相同，與鋼鐵相比，重量有望減輕約80％，與CFRP相比減輕約40％。

台塑是全球第五大的碳纖維製造商，台塑的碳纖維產品，主要由旗下的台麗朗事業部負責，產能佔全世界6.9%，其產品是PAN-based(聚丙烯腈基碳纖維)碳纖維。台塑的碳纖維除了與我國自行車商、高爾夫球球具製造商合作之外，也跨足新能源產業。台塑與國內葉片製造商將成立合資公司，生產熱塑型碳纖材料、碳纖風電材料及輕量化車用碳纖材料為主等產品。

(二) 石墨烯(Graphene)

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；還具備導熱係數高達5300 W/m·K(高於碳奈米管)，常溫下其電子遷移率超過15000 cm2/V·s(比奈米碳管或矽晶體高)，而電阻率只約10-6 Ω·cm，為目前世上電阻率最小的材料。石墨烯將在光電顯示、半導體、電子器件、儲能電池、顯示器、航天、國防、複合材料、生物醫藥等領域有良好的發展前景(圖7)。

圖7、石墨烯應用市場

2015年石墨烯市場規模為1.7億美元，市場成長率：42.8%，預計2019年達到7億美元的市場規模(圖8)。

圖8、石墨烯市場規模變化

目前石墨烯多是由研發單位所衍生的小型新公司投入發展，美國著重於CMOS與半導體，歐洲著重於RF射頻器、電池與油墨，韓國則集中於顯示器應用。國內石墨烯近年也有少數廠商開始投入，台灣最早生產石墨烯的公司是位於宜蘭的安炬科技，該公司採用氧化還原法製造石墨烯，目前其產品有以漿料、噴漆、薄膜等方式銷售。此外，位在台南的藍石科技、久元電子轉投資的久宏鑫公司則是發展石墨烯CVD成長技術；而台苯公司將展開新一波營運改善計畫，子公司亞洲碳素股份有限公司預計投入石墨烯的量產，同時生產石墨紙與石墨負極材料，該兩項產品將可望使用在智慧型手機和電動車鋰電池市場。

(三) 智慧包裝(Smart Packaging)

氧氣清除和新鮮度監測量的智慧包裝產品是主導市場的關鍵領域，目的在防止食物變質以及避免人類吃到不新鮮的食物。個人護理和食品飲料行業也是未來智慧包裝的潛在應用領域(圖9)。

圖9、智慧包裝應用市場

2015年智慧包裝市場規模為49.2億美元，市場成長率：8.0%，預計2019年達到66.9億美元的市場規模(圖10)。

圖10、智慧包裝市場規模變化

國內造紙大廠正隆公司與全球RFID領導廠商HP惠普科技，開發了RFID智慧型紙箱，透過該技術，可讓貨物快速精準的交貨，可優化配送程序達45%，透過進出貨、庫存與運籌有效管理，可有效降低3~5%的供應鏈成本。

(四) 奈米塗料(Nanocoatings)

奈米塗料指的是Thin nano-films或是nano-scale的塗料系統，透過塗料提供材料表面所需的多功能性，如：防蝕、自潔、疏水、耐熱、隔熱等。塗料在航太、國防、船舶和石油工業等應用，因其長期成本效益顯著，已驅使製造商在產品或服務中導入更多功能型塗料(圖11)。

圖11、奈米塗料應用市場

2015年奈米塗料市場規模為22.5億美元，市場成長率：15.7%，預計2019年達到40.3億美元的市場規模(圖12)。

圖12、奈米塗料市場規模變化

奈米塗料在我國已發展多年，長興化工、永光化學、永記造漆皆有開發奈米塗料，應用層面廣泛，包含了防水、防油、抗污等。此外我國奈米自潔塗料發展相當成熟，許多衛浴公司皆已生產販售奈米自潔馬桶，並領有政府核發的奈米標章，如：隆昌窯業、電光企業、凱薩衛浴、國寶窯業等。

(五) 抗腐蝕塗料(Anti- Corrosive Coatings)

抗腐蝕塗料是一個關鍵的表面處理材料，廣泛的使用在各個領域，特別是鋼材與其他基底材料，防止基底材料受到腐蝕損害(圖13)。抗腐蝕塗料被認為是「第一線防禦」，以保護基材表面防止由於水分、鹽份、氧化或暴露於各種環境或工業化學品而引起的腐蝕、損壞，並延長基材的整體壽命。

圖13、抗腐蝕塗料應用市場

2015年(五)      抗腐蝕塗料市場規模為223億美元，市場成長率：4.5%，預計2019年達到266億美元的市場規模(圖14)。

圖14、抗腐蝕塗料市場規模變化

挪威北海地區因為其海域腐蝕環境與其他區域相比更為嚴重，也因此發展出具全球抗腐蝕塗料領先地位的廠商AkzoNobel(總部位於荷蘭)，生產高性能抗腐蝕塗料。

(六) 輕量化材料(Lightweight materials)

輕量化材料是包含軟鋼(mild steel)、高強度((high-strength, HS)和先進高強度(advanced high-strength, AHS)之鋼、鋁與鎂，也包含各種高強度纖維與樹脂之複合材料(fiber-reinforced plastics,FRP)，應用在車體、電子產品外殼、航太、建材等領域(圖15)。

圖15、輕量化材料應用市場

2015年輕量化材料市場規模為1,166億美元，市場成長率：13%，預計2019年超過兩千億美元的市場規模(圖16)。

圖16、輕量化材料市場規模變化

為了達到輕量化的效果，BMW i3是全球第一台以碳纖維輕量化複合材料作為車體結構之汽車。我國中鋼公司生產的HS前已陸續導入國內各車廠，並持續往更高強度鋼材來進行研發，且同步在汽車鋼板成形、結構設計等應用領域投入研發。

(七) 生物質材料(Bio-based Materials)

生物質材料係指以農作物、農業廢棄物或者海藻等生物資源作為最上游原物料所合成之化學材料。相較於傳統以化石原料作為上游之化學材料，生物質材料被認為是「可再生(renewable)」的材料，此類物質在環境中較容易被回收再重新組造。目前在包裝、農業、衣物織品乃至於醫療器材都是生物質材料的應用領域(圖17)。

圖17、生物質材料應用市場

2015年生物質材料市場規模為282億美元，預估市場成長率：4.1%，預計2019年達到336億美元的市場規模(圖18)。我國有許多業者開發生物質材料，包括：遠東新(bio-EG、bio-PET)、中纖(bio-EG)、允友成(PLA)、瑞興(PLA)、漢達(PLA，神基科技之子公司)等。

圖18、生物質材料市場規模變化

(八) 自我修復材料(Self Healing Materials)

自修復材料是一類擁有結構上自癒合能力的智能材料，這種能力能修復由於長期的使用所造成的損害。發明這種材料的靈感源於在受傷後能自我修復的生物系統。自我修復材料可廣泛的應用於各項產品表面、汽車烤漆與內裝等各個領域。未來更有機會使用在建築、軍事與能源應用上(圖19)。

圖19、自修復材料應用市場

自修復材料預估市場成長率：88.0%，預計2019年達到125億美元的市場規模(圖20)。

圖20、自修復材料市場規模變化

(九) 量子點材料(Quantum Dot)

量子點材料指的是三維空間尺寸均為奈米級的微小顆粒，由於尺寸極小其特性與其為大塊材狀態時的性質不同。調整粒徑的大小即可調整輸出光波的波長，量子點材料可以用於LCD中以提高色彩飽和度，也可以取代現有各式LED照明的螢光粉，其光譜品質優於一般的螢光材料。

量子點材料可廣泛的應用於生醫、化工、照明及顯示技術等各個領域(圖21)，近年來相關的研究非常蓬勃。目前最熱切且預估最龐大的市場應用在於液晶顯示器產業。

圖21、量子點材料應用市場

目前量子點材料已製作薄膜應用在LCD領域以提高色彩。市場成長率為13%，預估2019年，薄膜需求量達到8.2K 平方公里(圖22)。國內有台灣奈晶、優美特創新材料在做量子點材料，皆為新創公司屬於剛起步募資階段；華宏、迎輝在做QD Film，2016年Q4送樣驗證中。

圖22、量子點材料市場規模變化

(十) 水處理膜(Water Treatment Films)

RO膜(逆滲透膜)主要應用在海水淡化及工業處理，UF(Ultra Filtration)膜對於飲用水及都市化淨水與廢水處理工程應用上。

新興的正滲透(Forward Osmosis, FO)技術是由以含有特定溶質作為高濃度的提取液(Draw Solution)，直利用溶液相對之滲透壓（由低至高）來驅動水的傳輸，稀釋高濃度的提取液，再將提取液進行分離就可以獲得清水。FO不僅可用於海水淡化，也可以用在急難救助、廢水處理與發電(圖23)。

圖23、水處理膜應用市場

水處理膜以UF與RO為主，自來水淨化、工廠用純水與廢水處理等都需要水處理膜。氣候變遷下，海水淡化成為另一水源；所使用的RO與FO膜將成為另一具發展空間的項目。2015年水處理膜市場為45.2億美元，市場成長率為10.7%，預估2019年市場規模達到68.0億美元(圖24)。

圖24、水處理膜市場規模變化

三、IEKView

材料可以賦予終端產品新的能量，面對大環境的變化，市場需求的改變，高功能性、綠色環保的材料已成為發展趨勢。水資源管理材料、可回收材料、節能材料、輕量化材料、耐候材料、防蝕材料、低碳材料、綠色材料、生質材料、低毒性材料以及環境友善材料都是材料開發的重點項目。

發展高值化石化產品已成為我國政府施政重要方針，在政策支援下，業者、法人與學界持續增加研發比重，開發高值化石化產品，期望能國產化高功能、新穎的材料，與國內下游應用業者結合，達到產業鏈整合的綜效；新政府上任後，提到「未來台灣石化業發展，應設立可以體現循環經濟精神的專區」、「園區內的污染及廢棄物，必須再轉化為經濟的產值，朝零廢棄、零排放、零事故的目標來邁進。」因此發展綠色、循環的材料也成為我國業者發展的標的之一。

本文介紹的10項材料皆符合「高值化」的準則，因為能賦予終端產品更優異的性能，所以擁有更高的價值；此外，生物質材料更是符合綠色、循環的特性，從原料端開始發展循環經濟，降低廢棄物排放總量。開發上述材料對我國產業、環境多有助益。以抗腐蝕塗料為例，台灣地處全球極端特殊的腐蝕環境,石化廠或船舶對於抗腐蝕塗料的需求更為要求。若國內石化業者可以塗料業者合作開發高性能塗料，並與下游應用產業結合，不僅可以協助國內石化業朝向高值化發展，亦可以提供國內下游較低成本的高性能抗腐蝕塗料。

本文同步刊載於2017年2月【工業材料雜誌】
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