啟動物聯網-從專利看薄膜電池發展近況

導讀
科技大廠Cisco預估物聯網在未來十年中將帶來超過14兆美金的產值,而薄膜電池更是萬物聯網的場景中能讓聯網物件輕薄短小的不可或缺的要素。本文透過美國專利的閱讀與歸納,分析了薄膜電池的技術發展。結果顯示,台灣的廠商在薄膜電池技術的發展上已有非常豐碩的成果,台灣在充滿龐大商機的物聯網世界中必定能佔有一席之地。
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一、前言

物聯網(internet of things, IOT)是2015年最熱門的議題之一,當大家還搞不清楚物聯網是什麼意思的時候,一則社會新聞 (吳瑞興, 2015)則說明了我們已身處物聯網時代:「電影《賭神》…詐賭…的情節在現實生活中發生…用的是國外引進的科技撲克牌,由於撲克牌都塗上感應膜,手機也植入特殊晶片,能清楚知道每一張牌是什麼,算出從第幾張開始發牌,對莊家最有利,就以這樣的方式,詐賭上千萬元。」從上述新聞我們可以看到,手機和撲克牌分別利用了晶片及感應膜相互聯網,以達成算牌的功效,這真實地呈現了物聯網的定義 (Miragliotta, G., Perego, A., Tumino, A., 2012):「物聯網代表了智慧物件與智慧溝通網路之間的交互作用。」已存在我們生活中的應用還包括悠遊卡、高速公路e-Tag等;科技大廠Cisco預估物聯網在未來十年之中將帶來超過14兆美金的產值 (J. Bradley, J. Barbier, and D. Handler, 2013),但邁向物聯網世界的路途上還有許多技術上的挑戰要克服,這些挑戰包括:(1)智慧物件電力來源、(2)智慧物件節能續航性、(3)低成本或免費而無所不在的無線網路、(4)資訊安全性、(5)低成本的智慧型感測系統、(6)微型元件運算能力、(7)可擴充性、(8)錯誤訊號容忍度 (S. C. Mukhopadhyay and N. K. Suryadevara, 2014),其中電力來源及節能續航性就帶出本文的主題:薄膜電池。

物聯網中成千上萬,甚至上兆種類的智慧物件都需要用到電;還未進入物聯網世代的現在,各種電器的電線或延長線已經讓人感到厭煩,遑論萬物聯網時的景象。所以將來光是跟信用卡一樣大、甚至更小的射頻輻射標籤(radio frequency identification, RFID)無線感測器就必須包括:(1)電池、(2)能量吸收裝置、(3)感測器、(4)感測訊號處理器、(5)無線訊號收發器 (S. C. Mukhopadhyay and N. K. Suryadevara, 2014)。這使得智慧物件電池的發展將著重於薄膜電池,其所要考慮到的參數包括:(1)電池種類(如鋰電池或鋰離子電池)、(2)使用年限、(3)供電量(安培.小時)、(4)適用環境、(5)成本、(6)尺寸、(7)安全性等 (O. Vermesan, P. Friess, P. Guillemin, S. Gusmeroli, H. Sundmaeker, A. Bassi, I. S. Jubert, M. Mazura, M. Harrison, M. Eisenhauer, and P. Doody, 2009)。穿戴式裝置亦包含在近期實現物聯網世界的第一波浪潮之中,瑞士信貸集團預估未來三到五年穿戴式裝置的總市值將從目前約五十億成長到五百億美金 (J. W. Pitzer, K. Garcha, C. Buss, S. Ju, and R. Carver, 2013)。薄膜電池除了可用在無線感測器,對穿戴式裝置而言,若要達到低成本、可彎折、輕薄到感覺不到它的存在,薄膜電池亦是必備要素 (A. M. Gaikwad, A. C. Arias, and D. A. Steingart, 2015)。

本文透過歷年來薄膜電池相關專利的閱讀與歸納,提供讀者薄膜電池發展的近況。

二、研究方法

美國專利不論在內容或數量對一個技術的發展而言,皆具有指標性意義,故本文指對美國專利進行分析。已有許多技術可以直接利用CPC檢索相關專利,例如染料敏化太陽能電池的CPC分類為Y02E 10/542;然而薄膜電池尚沒有專門分類,所以必須混合運用CPC與關鍵字檢索,再以人工閱讀的方式,找出研究標的。關鍵字的運用則仰賴試誤(trial and error)及經驗的累積。經過多次嘗試後,我們找到以下的檢索條件來進行薄膜電池相關專利的分析:(1)從美國專利局資料庫中篩出CPC為H01M 2010/0495(奈米電池)之專利;(2)使用檢索式「ttl/(print$ and batter$)」搜尋列印式電池相關專利;(3)使用檢索式「ttl/(flex$ and batter$)」搜尋可撓式電池相關專利;(4)使用檢索式「ttl/(("thin film" or micro$) and batter$)」搜尋薄膜電池相關專利。

透過上述的檢索式,筆者一共找到超過兩百件的薄膜電池相關專利,接著透過一篇篇的重點閱讀,最後歸納出薄膜電池的發展趨勢,並挑選出主要廠商(key players)的實際產品進行比較。

三、結果與討論

分析的結果顯示,在薄膜電池相關專利中,拋棄式的一次電池與可充電的二次電池在專利數量的比例上大約3:7,暗示物聯網架構下的智慧物件中,約有三成會是便宜、可拋棄式的;其實從近幾年來零售業的發展就可嗅出端倪。Prada在紐約的旗艦店從2001年起就在店內服飾的標籤中加入RFID,記錄顧客試穿的行為模式 (Grünsteidl, 2001);很多人一定也有過在誠品買的書中發現RFID的經驗。一旦這些拋棄式的RFID加裝薄膜電池、晶片等而成為主動式的物聯網智慧物件,廠商能從眾多顧客行為中得到的大數據(big data)就會將行銷學提升到一種新的境界。

總體專利數量上,則是以元件整合相關的專利最多。如Blue Spark的US8734980B2號等數件專利揭露一種包含列印式電池、天線等要素的可撓式電子元件架構;Cymbet的US8761842B2號專利揭露一種不需高溫退火的積體電路與薄膜電池整合元件,US8228023B2則揭露與薄膜電池做在同一基板上的充電線路;Infinite Power Solutions的US8599572B2揭露一種夾入電子元件之間的薄膜電池,此種做法使得包圍電池的電子元件可作為該電池的封裝材,US2014/0295246B2號專利申請案揭露一種透過粘合層粘於積體電路上的可撓式薄膜電池,其中該粘合層依需要埋設有傳導電流的電線,US2014/0076622A1揭露一種印刷電路板與薄膜電池整合的架構;…等等。Cymbet則進一步在其網站展示實際的相關產品:一種無線訊號收發元件、太陽能電池、感測訊號轉換元件、處理器、記憶體、薄膜電池、壓力感測元件層層堆疊所形成的「零耗能無線感測器(Zero Power Wireless Sensors)」 (Zero Power Wireless Sensors, 2014)。

專利數量第二名的屬於運用成熟半導體製程製造薄膜電池的技術,如台積電的US2014/0199597A1號專利申請案揭露一種微型電池的製程,包括將矽基板蝕刻出鰭狀結構,在該鰭狀結構上形成陰或陽極,將分別具有陰與陽極的矽基板貼合使兩者的鰭狀結構交叉,最後灌入膠態電解質;Apple的US2014/0272560揭露一種改良鋰鈷氧化物形態(morphology)、提升其中鋰離子傳導速率而不易碎裂的濺鍍製程;Nitto Denko的US2014/0308580A1揭露一種消除薄膜電池障壁層內應力的方法,包括在沈積障壁層時週期性地靠近、遠離電漿源,使得障壁層由密度週期性改變的多層膜所構成;Trustees of Tufts College的US6982132B1揭露以低溫離子束輔助沈積(ion beam assisted deposition)所製造的薄膜電池,其中形成的電極層為具有鋰離子傳導方向性的無孔洞結晶層;Midwest Research Institute的US6805999號專利揭露一種自發產生陽極的薄膜鋰離子電池,其先濺鍍LiPON固態電解質於不銹鋼陽極集電體上,再蒸鍍五氧化二釩陰極於固態電解質上,再蒸鍍純鋰層於陰極上,此時鋰原子會擴散進入陰極中,再蒸鍍鋁陰極集電體於陰極上,最後通電電鍍,使部分原本蒸鍍的鋰被電鍍而生成陽極於陽極集電體與固態電解質之間;…等等。值得注意的是,半導體設備大廠Applied Materials有許多薄膜電池生產設備相關專利。

專利數量第三名的屬於雷射相關專利,如Applied Materials, Inc.的US2015/0293371A1號專利申請案揭露一種以免光罩雷射燒蝕(ablating)電池形狀的方法,其中透過繞射光學元件(diffractive optical elements)照射於電池上的每一單發雷射就能切出整面圖形,而不需要傳統的高成本光罩(physical shadow mask)設備,也不會面臨光蝕刻法(photolithography)所帶來的光阻劑對電池的汙染;Cymbet的 US2015/0102530A1等多件申請案揭露一種利用雷射燒蝕形成串或並聯薄膜電池單位的方法,其中的間隔片與封裝材料可為LiPON,此法相較於傳統製程省去許多步驟;Mamoru Baba等發明人的US2014/0011067A1揭露一種利用雷射加熱將薄膜電池的各層材料進行結晶的方法;…等等。

其次是使薄膜電池具有可彎折性的專利,如Palo Alto Research Center的US2012/0276434A1揭露一種將電池材料埋於網格(mesh)內的可撓性薄膜電池,網格可吸收彎折時的應力,使得電池具有可撓性;Excellatron Solid State的US6402796B1揭露一種捲對捲濺鍍法製成的可撓式薄膜電池,電池的基板最後被當作靶材以濺鍍相同原理進行移除,使得最終產品的厚度更薄;Panasonic的US8785030B2揭露一種預先做成波浪狀的可撓式電池,彎折時波浪狀電池僅在折痕位置受應力而大大減少了整個電池所受應力量;…等等。值得一提的,Solicore實際商品名為Flexion的非充電式鋰高分子電池(www.brightvolt.com/products/flexion-batteries),厚度0.37 ~0.45 mm,具有ISO7816認證可撓性,壽命為2~5年,操作電壓3 V,電容量可為10~28 mAh。

專利數量第五多的是利用增加電池材料表面積以提升電容量的專利,如Enovix的US8663730B2揭露一種柱狀陣列電極的3D微型電池,其含有電解質的電極間隔片是利用電泳沈積法(electrophoretic deposition)所形成的孔洞材料;The Regents of the University of California的US2015/0207171A1亦揭露一種柱狀陣列電極的3D微型電池,其所使用的電解質可為原子層沈積法(atomic layer deposition, ALD)所形成的無機固態電解質;The University of Tulsa的US8574744B2等專利揭露一種做在巢狀集電體上的鋰離子電池,該巢狀物係由鋁進行陽極處理而形成;Vanderbilt University的US8623555B2等專利揭露一種使用奈米碳管或奈米纖維形成奈米結構的集電體的電池,該奈米碳管或奈米纖維大大提升電池的活性表面積;…等等。

有關廠商的實際產品(表一),目前商品化薄膜電池的電容量約落在0.1~2 mAh/cm2之間,使用液態電解質的薄膜電池具有較高的電容量,但擺脫不了危險易燃、壽命較短的缺點。而與美國專利數量名列前茅的Cymbet、STMicroelectronics、Front Edge相比,台灣輝能不但能生產高效能薄膜電池,厚度與其他大廠電池落在同一個數量級,且輝能的薄膜電池早在2013年就已應用於HTC One Max手機的Power Flip Case可翻式電源擴充保護套,總電容量達1150 mAh,軟板鋰陶瓷電池更獲得台灣第23屆精品獎,預計2015年第三季開始大量生產,著實為國內薄膜電池發展注入一劑強心針。

表一、主要廠商產品電容量之比較

公司 產品名稱 厚度
(mm)
單位面積電容量 (mAh/cm2)
Cymbet EnerChip
CBC050-BDC
0.2 0.14
STMicroelectronics EFL700A39 0.22 0.1
Front Edge NanoEnergy 0.1 0.48
輝能 FLCB033034A 0.39 1.16
拓志光機電
(大同子公司)
- 0.45 2.07 (液態電解質)

四、結論

薄膜電池是啟動物聯網不可或缺的要素,本文透過美國專利的閱讀與歸納,分析了薄膜電池的技術發展。結果顯示:(1)歷年來超過30%的薄膜電池專利有關拋棄式的一次電池,這暗示將來有對應比例的物聯網智慧物件會是便宜、可拋棄式的;這可從目前零售業越來越多廠商在產品標籤上使用RFID的情況看出端倪。(2)經過多年發展,薄膜電池的基本架構已大致定形,技術較成熟的薄膜電池廠商逐漸將研發重心移向微小型元件與薄膜電池的整合,以期即早開發出薄膜電池市場。(3)利用成熟的半導體製程技術製造薄膜電池是目前的主流,已有Applied Materials等大型設備商投入相關的整廠輸出技術。(4)雷射可用於薄膜電池的切割、材料結晶等,用途廣泛,有許多相關專利被提出。(5)目前物聯網興起的第一波浪潮主要帶動了穿戴式裝置的發展,對穿戴式裝置而言,若要達到低成本、可彎折、輕薄到感覺不到它的存在,可撓式薄膜電池是其必備要素,所以有許多相關專利被提出。(6)薄膜電池市場成長速度尚受限於其電容量,如何藉由電池材料表面積的提升來獲得較高的電容量亦是研發重點。(7)除了上述專利數量所看到的薄膜電池技術發展方向,本文所歸納的專利技術功效矩陣亦顯示了產學研各界更從其他多種不同角度切入薄膜電池的研發。(8)台灣的廠商在薄膜電池技術的發展上已有非常豐碩的成果,相信台灣在充滿龐大商機的物聯網世界中必定能佔有一席之地。

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