塑膠專欄
導電性聚合物材料的新商機
高分子材料
前言
傳統聚合物材料以射出成型的便利性與石油化學的低價性，自二次世界大戰後已經取代掉大多數的金屬外殼市場，目前更是朝著車輛應用的領域不斷邁進，至2010年的估計，就連汽車也有超過40%的重量是來自於聚合物材料，但是聚合物材料目前大多數的應用在於外殼或者是內部絕緣等用途，對於關鍵性的功能零組件仍然是繳了白卷，在這些應用隨著使用市場的推移，產量雖然增加，價格卻不斷下跌，必須移至整體消費力豐沛的開發中國家，不利於本土產業紮根的方向，觀察美日德等已開發國家的技術趨勢，在導熱材料因為LED等散熱用途的進展後，可用於接地、遮蔽等具備導電導磁特性的聚合物材料，是下一波聚合物材料的競技場。
無線充電的系統發展，吹響了導電性聚合物材料發展的號角
以冷次定律為基礎的無線電力傳輸，儘管有著便利性，在過去以50/60Hz交流電力來源情況下，效率一直無法突破30%的門檻，然而在2006年起，美國麻省理工學院 (Massachusetts, Institute of Technology, MIT)的研究團隊，發現了在特定頻率的磁共振的現象，能夠將電力傳輸效率提升到90%以上，有效電力傳輸的極限距離也達到了線圈直徑的兩倍長，一舉振奮了全球的電子電機產業!!
自2008年底WPC (Wireless Power Consortium) 聯盟的創立至今，無線充電系統已經邁入第五年，全球會員數突破了200大關，認證的商品也將近500項，在A4WP (Alliance for Wireless Power)與PMA (Power Matters Alliance) 強勁的追趕與競爭下，市場熱度不斷增加，新技術也不斷地問世。
2008年，Powermat即推出了第一代的配套產品，透過帶著USB介面的接受器與帶著變壓器的發射器，解決了界面搭配的問題，但是一套裝置價格超過台幣4000元，除了價格本身逼近手機價格外，如圖一，現在的無線充電系統事實上產生更多的電線與更多的連接介面(USB至接收器、發射器至變壓器)，又行動電源產品在價格與容量都逐年突破的優勢下，顯得力不從心。
圖一：必須搭配變壓器的手機無線充電傳輸器
面臨龐大的行動電源兵團，無線充電系統模式也開始了轉變，無線充電牙刷的老觀念發揮了作用，開始有埋入於行動裝置內的二代技術，將裝置分離成為終端與發射端的兩大專業陣營，取得了第一波的爆炸性成長。
無線充電的成長，有賴於無感體驗的達成
PMA聯盟在2012年成軍時重要創始成員STARBUCKS的加入，產生了與其他聯盟關鍵的差異。STARBUCKS在2013年波士頓的分店中，展示了埋入於桌上無線充電示範系統，長得像小火鍋店桌面一樣的熱點，告知了使用者可以充電的熱點位置。
Toyota也發表了內埋於車內的無線充電概念，在2013年末的車展上，新款的Avalon車款，將無線充電熱點內埋在排檔與手剎車之間的平坦區，實現了另一個人類親密環境的無線充電化。
A4WP聯盟，嘗試利用磁共振技術的長距傳輸優勢，放大發射線圈的尺寸，讓接收裝置不再需要與熱點緊密的接觸，也採取了一機多充的模式，但是大小差異過大的主線圈與次線圈設計，雖然兼顧了使用的範圍與裝置的數量，但也不免造成了傳輸效率低落的風險。
WPC也推出了大面積多線圈的新設計，透過廣布的小型線圈與發射器矩陣，以侷限磁通量的設計，達到定位的目的，減少傳輸能量的浪費。
如圖二，2013年加入PMA陣營的Dupont，則是透過商品名為Corian的人造大理石建材系統，宣稱其能夠內埋感應器與線圈，達到廚具桌面與地板面材均可作為無線充電基地台的目的。由賓州大學畢業生所發展的uBeam技術，則號稱可以透過天花板提供無線充電的能量來源。
圖二：可內含無線充電裝置的地板材料
Source: http://www.digitaltrends.com/mobile/dupont-and-pma-aims-to-make-everything-a-wireless-charging-surface-even-kitchen-tops/
2014年初，在眾多無線充電介面與系統發展中，相對低調的Apple，也宣布了目標傳輸距離超過3公尺的系統，長距離的傳輸有賴於廣布的發射線圈與通訊器矩陣，達到定向與提高功率的目標。
成也感應，敗也感應，該怎麼辦？
然而自2008年至今，無線充電系統的滲透率其實還是很低，大多數人以為智慧化通訊界面的統一是主要關鍵時，其實接收端的電磁波防護才是真正的挑戰。2014年初聯發科 (Mediatek) 也已經宣布將生產能夠兼容多種模式的多模式兼容多核晶片組，所以通訊協定問題可以繳給晶片組業者解決，但是接收端系統的抗電磁干擾問題，就不是能夠透過程式設計解決的事。
表一：三大無線充電系統陣營的關鍵比較
電磁波造成的干擾問題，其實來自無線充電的本身產生的感應電動勢。交流電所產生的變動電磁場，會對附近的導體產生感應，如果導體線路的投影成為封閉的幾何多邊形，導體的兩側就會產生感應的電動勢，如果該導體是用於電力傳輸，該線路的電壓可能就會因此產生偏移，如果是用於數位訊號傳輸，傳輸的訊號就會失真。因此只要沒有受到屏蔽的電子電機設備，都有可能因此受到干擾，造成電力品質問題或者干擾數據運算，如果使金屬材料產生渦電流而產生熱的問題，都有可能會導致設備不正常運作，而產生觸電或火災的危險！
目前醫療器材進行的EMS測試場強度為1V/m，家電產品為3V/m，工業設備為10V/m，車用電子為20V/m，目前的低功率無線充電設備看來雖然可以符合一般的EMC的要求，但是如果在無線充電傳輸距離不到1cm的情況下時，無線充電輻射源電場強度其實遠高於抗干擾測試設定的強度。
遮蔽電磁場的方式目前有幾種，一種是透過超低介質常數的材料，也就是不會受到電磁場感應而帶電的材料，可以不讓電磁場穿過，另一種則是透過導電性材料的接地，也可以達到屏蔽電磁場的效果。超低介質常數的材料，除了價格不斐以外，能夠屏蔽的波段與效果也與材料的厚度有關，也必須考慮射出成型條件與抗衝擊、耐燃與絕緣等特性。相反地，具有導電特性的聚合物材料，因為導熱性較好，耐燃性質也較佳，另外因為必須接地才能夠達到遮蔽功能，因此也不用太煩惱絕緣的問題。目前可使聚合物材料達到導電性的技術如下：
透過添加金屬粉末至聚合物中，透過優良的分散而達到導電性改善的效果。但是要達到這樣的導電效果，導電粉體的粒徑必須要小，分散也要非常均勻，成本相對高昂，比較合適的方式是採用塗佈的方式進行。
透過與金屬網共同射出成型而達成。複合材料射出成型已經不是新技術，但是金屬網的材質、線徑、密度、層數等等都尚未有技術資料，另外金屬網與複合材料因為熱膨脹係數的差異可能會導致長期使用下的變形或是分層問題，甚至裸露而造成觸電或者短路等等，都是必須考慮的設計問題。
透過與導電聚合纖維的混合射出成型。雖然碳奈管有優異的導電性，目前價格太高，因此具有導電性的碳纖維織品，與聚合物材料的混合射出成型，在材質相容性上會比較容易達成。但是如同金屬網布的問題一樣，適當的線徑、密度、層數等等，都還沒有技術資料的問世。
本質導電性的聚合物。聚乙炔、聚苯胺的導電性相當良好，具有陽離子末端或側基(如NH4)改質的聚合物材料可以協助電荷的傳導，已經大量應用於抗靜電地板或纖維的原料，也是可協助電磁遮蔽的候選材料。
除此以外，也有利用鋁箔、銅箔乃至於銀膠或是其他導電材料，也都可能作為防護技術，如圖三的行動電源，就將線圈與控制電路分離，中間以導電的鋰電池分離，也能夠減少電磁輻射的干擾，不過針對大面積的感應線圈。
安全要把握，技術才可靠 - ANSI/UL 2738 + UL 1310/UL1012 + IEC/UL 62368 + IEC/UL 60335 電氣安全的守護屏障
為了因應無線電力傳輸的發展，身任產品安全標準發展及測試認證組織的UL也隨之配合進行電氣安全的發展工作。UL 2738 是全球首部針對小型無線充電設備傳輸端與接受端的相容性安全測試標準，在 2010 年 10 月 14 日由 UL首次提出，並於 2011 年 3 月 11 日生效，也能夠搭配攜帶式資訊產品安全標準 (IEC/UL 62368) 或電源供應設備安全標準(UL 1310/UL1012)，作為一體化電子電機產品的電氣安全標準。
圖三：採用無線充電系統的行動電源設備
革命尚未成功，同志仍須努力
2014年，Toyota與Nissan將個別採用約4KW的固定式地面內埋無線電力傳輸系統，提供停置於車庫中電動車進行無接點的充電，另外為了感應距離不斷增加的需求，甚至有開始利用負折射率材料達到磁場透鏡效果的技術問世。導電聚合物材料將是未來無線充電系統的關鍵技術，同時掌握導電聚合物材料技術兼顧安全性，才能在未來的無線充電系統勝出！！
關於UL
UL 是全球首屈一指且獨立的安全科學公司，享譽一百多年歷史。全球擁有逾 10,000 名專業員工，秉持 UL 使命為人類推動安全的工作與生活環境。 UL 持續研究發展和制定標準，以滿足不斷演繹的安全需求，同時亦與企業、製造商、產業協會和國際法規機構合作，以因應日益複雜的全球供應鏈。更多關於我們認證、測試、檢驗、諮詢和教育服務，請瀏覽 UL 網站：www.UL.com。
傳統聚合物材料以射出成型的便利性與石油化學的低價性，自二次世界大戰後已經取代掉大多數的金屬外殼市場，目前更是朝著車輛應用的領域不斷邁進，至2010年的估計，就連汽車也有超過40%的重量是來自於聚合物材料，但是聚合物材料目前大多數的應用在於外殼或者是內部絕緣等用途，對於關鍵性的功能零組件仍然是繳了白卷，在這些應用隨著使用市場的推移，產量雖然增加，價格卻不斷下跌，必須移至整體消費力豐沛的開發中國家，不利於本土產業紮根的方向，觀察美日德等已開發國家的技術趨勢，在導熱材料因為LED等散熱用途的進展後，可用於接地、遮蔽等具備導電導磁特性的聚合物材料，是下一波聚合物材料的競技場。
無線充電的系統發展，吹響了導電性聚合物材料發展的號角
以冷次定律為基礎的無線電力傳輸，儘管有著便利性，在過去以50/60Hz交流電力來源情況下，效率一直無法突破30%的門檻，然而在2006年起，美國麻省理工學院 (Massachusetts, Institute of Technology, MIT)的研究團隊，發現了在特定頻率的磁共振的現象，能夠將電力傳輸效率提升到90%以上，有效電力傳輸的極限距離也達到了線圈直徑的兩倍長，一舉振奮了全球的電子電機產業!!
自2008年底WPC (Wireless Power Consortium) 聯盟的創立至今，無線充電系統已經邁入第五年，全球會員數突破了200大關，認證的商品也將近500項，在A4WP (Alliance for Wireless Power)與PMA (Power Matters Alliance) 強勁的追趕與競爭下，市場熱度不斷增加，新技術也不斷地問世。
2008年，Powermat即推出了第一代的配套產品，透過帶著USB介面的接受器與帶著變壓器的發射器，解決了界面搭配的問題，但是一套裝置價格超過台幣4000元，除了價格本身逼近手機價格外，如圖一，現在的無線充電系統事實上產生更多的電線與更多的連接介面(USB至接收器、發射器至變壓器)，又行動電源產品在價格與容量都逐年突破的優勢下，顯得力不從心。
面臨龐大的行動電源兵團，無線充電系統模式也開始了轉變，無線充電牙刷的老觀念發揮了作用，開始有埋入於行動裝置內的二代技術，將裝置分離成為終端與發射端的兩大專業陣營，取得了第一波的爆炸性成長。
無線充電的成長，有賴於無感體驗的達成
PMA聯盟在2012年成軍時重要創始成員STARBUCKS的加入，產生了與其他聯盟關鍵的差異。STARBUCKS在2013年波士頓的分店中，展示了埋入於桌上無線充電示範系統，長得像小火鍋店桌面一樣的熱點，告知了使用者可以充電的熱點位置。
Toyota也發表了內埋於車內的無線充電概念，在2013年末的車展上，新款的Avalon車款，將無線充電熱點內埋在排檔與手剎車之間的平坦區，實現了另一個人類親密環境的無線充電化。
A4WP聯盟，嘗試利用磁共振技術的長距傳輸優勢，放大發射線圈的尺寸，讓接收裝置不再需要與熱點緊密的接觸，也採取了一機多充的模式，但是大小差異過大的主線圈與次線圈設計，雖然兼顧了使用的範圍與裝置的數量，但也不免造成了傳輸效率低落的風險。
WPC也推出了大面積多線圈的新設計，透過廣布的小型線圈與發射器矩陣，以侷限磁通量的設計，達到定位的目的，減少傳輸能量的浪費。
如圖二，2013年加入PMA陣營的Dupont，則是透過商品名為Corian的人造大理石建材系統，宣稱其能夠內埋感應器與線圈，達到廚具桌面與地板面材均可作為無線充電基地台的目的。由賓州大學畢業生所發展的uBeam技術，則號稱可以透過天花板提供無線充電的能量來源。
Source: http://www.digitaltrends.com/mobile/dupont-and-pma-aims-to-make-everything-a-wireless-charging-surface-even-kitchen-tops/
2014年初，在眾多無線充電介面與系統發展中，相對低調的Apple，也宣布了目標傳輸距離超過3公尺的系統，長距離的傳輸有賴於廣布的發射線圈與通訊器矩陣，達到定向與提高功率的目標。
成也感應，敗也感應，該怎麼辦？
然而自2008年至今，無線充電系統的滲透率其實還是很低，大多數人以為智慧化通訊界面的統一是主要關鍵時，其實接收端的電磁波防護才是真正的挑戰。2014年初聯發科 (Mediatek) 也已經宣布將生產能夠兼容多種模式的多模式兼容多核晶片組，所以通訊協定問題可以繳給晶片組業者解決，但是接收端系統的抗電磁干擾問題，就不是能夠透過程式設計解決的事。
表一：三大無線充電系統陣營的關鍵比較
目前醫療器材進行的EMS測試場強度為1V/m，家電產品為3V/m，工業設備為10V/m，車用電子為20V/m，目前的低功率無線充電設備看來雖然可以符合一般的EMC的要求，但是如果在無線充電傳輸距離不到1cm的情況下時，無線充電輻射源電場強度其實遠高於抗干擾測試設定的強度。
遮蔽電磁場的方式目前有幾種，一種是透過超低介質常數的材料，也就是不會受到電磁場感應而帶電的材料，可以不讓電磁場穿過，另一種則是透過導電性材料的接地，也可以達到屏蔽電磁場的效果。超低介質常數的材料，除了價格不斐以外，能夠屏蔽的波段與效果也與材料的厚度有關，也必須考慮射出成型條件與抗衝擊、耐燃與絕緣等特性。相反地，具有導電特性的聚合物材料，因為導熱性較好，耐燃性質也較佳，另外因為必須接地才能夠達到遮蔽功能，因此也不用太煩惱絕緣的問題。目前可使聚合物材料達到導電性的技術如下：
透過添加金屬粉末至聚合物中，透過優良的分散而達到導電性改善的效果。但是要達到這樣的導電效果，導電粉體的粒徑必須要小，分散也要非常均勻，成本相對高昂，比較合適的方式是採用塗佈的方式進行。
透過與金屬網共同射出成型而達成。複合材料射出成型已經不是新技術，但是金屬網的材質、線徑、密度、層數等等都尚未有技術資料，另外金屬網與複合材料因為熱膨脹係數的差異可能會導致長期使用下的變形或是分層問題，甚至裸露而造成觸電或者短路等等，都是必須考慮的設計問題。
透過與導電聚合纖維的混合射出成型。雖然碳奈管有優異的導電性，目前價格太高，因此具有導電性的碳纖維織品，與聚合物材料的混合射出成型，在材質相容性上會比較容易達成。但是如同金屬網布的問題一樣，適當的線徑、密度、層數等等，都還沒有技術資料的問世。
本質導電性的聚合物。聚乙炔、聚苯胺的導電性相當良好，具有陽離子末端或側基(如NH4)改質的聚合物材料可以協助電荷的傳導，已經大量應用於抗靜電地板或纖維的原料，也是可協助電磁遮蔽的候選材料。
除此以外，也有利用鋁箔、銅箔乃至於銀膠或是其他導電材料，也都可能作為防護技術，如圖三的行動電源，就將線圈與控制電路分離，中間以導電的鋰電池分離，也能夠減少電磁輻射的干擾，不過針對大面積的感應線圈。
安全要把握，技術才可靠 - ANSI/UL 2738 + UL 1310/UL1012 + IEC/UL 62368 + IEC/UL 60335 電氣安全的守護屏障
為了因應無線電力傳輸的發展，身任產品安全標準發展及測試認證組織的UL也隨之配合進行電氣安全的發展工作。UL 2738 是全球首部針對小型無線充電設備傳輸端與接受端的相容性安全測試標準，在 2010 年 10 月 14 日由 UL首次提出，並於 2011 年 3 月 11 日生效，也能夠搭配攜帶式資訊產品安全標準 (IEC/UL 62368) 或電源供應設備安全標準(UL 1310/UL1012)，作為一體化電子電機產品的電氣安全標準。
革命尚未成功，同志仍須努力
2014年，Toyota與Nissan將個別採用約4KW的固定式地面內埋無線電力傳輸系統，提供停置於車庫中電動車進行無接點的充電，另外為了感應距離不斷增加的需求，甚至有開始利用負折射率材料達到磁場透鏡效果的技術問世。導電聚合物材料將是未來無線充電系統的關鍵技術，同時掌握導電聚合物材料技術兼顧安全性，才能在未來的無線充電系統勝出！！
關於UL
UL 是全球首屈一指且獨立的安全科學公司，享譽一百多年歷史。全球擁有逾 10,000 名專業員工，秉持 UL 使命為人類推動安全的工作與生活環境。 UL 持續研究發展和制定標準，以滿足不斷演繹的安全需求，同時亦與企業、製造商、產業協會和國際法規機構合作，以因應日益複雜的全球供應鏈。更多關於我們認證、測試、檢驗、諮詢和教育服務，請瀏覽 UL 網站：www.UL.com。