科技與工程學院
Permanent URI for this communityhttp://rportal.lib.ntnu.edu.tw/handle/20.500.12235/5
沿革
科技與工程學院（原名為科技學院）於87學年度成立，其目標除致力於科技與工程教育師資培育外，亦積極培育與科技產業有關之工程及管理專業人才。學院成立之初在原有之工業教育學系、工業科技教育學系、圖文傳播學系等三系下，自91學年度增設「機電科技研究所」，該所於93學年度起設立學士班並更名為「機電科技學系」。本學院於93學年度亦增設「應用電子科技研究所」，並於96學年度合併工教系電機電子組成立「應用電子科技學系」。此外，「工業科技教育學系」於98學年度更名為「科技應用與人力資源發展學系」朝向培育科技產業之人力資源專才。之後，本院為配合本校轉型之規劃，增加學生於科技與工程產業職場的競爭，本院之「機電科技學系」與「應用電子科技學系」逐漸朝工程技術發展，兩系並於103學年度起分別更名為「機電工程學系」及「電機工程學系」。同年，本學院名稱亦由原「科技學院」更名為「科技與工程學院」。至此，本院發展之重點涵蓋教育（技職教育/科技教育/工程教育）、科技及工程等三大領域，並定位為以技術為本位之應用型學院。
107學年度，為配合本校轉型規劃，「光電科技研究所」由原隸屬於理學院改為隸屬本（科技與工程）學院，另增設2學程，分別為「車輛與能源工程學士學位學程」及「光電工程學士學位學程」。
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Item 石墨烯與二氧化鈦複合奈米機油應用於機車之性能研究(2024) 陳英彰; Chen, Ying-Chang本研究使用優異熱傳遞性奈米石墨烯（Gr）與耐磨耗性奈米二氧化鈦（TiO2），添加入SAE10W-40機油中以二階合成法製成（Graphene / Titanium dioxide hybrid nano-engine oil, GTHNO），期望複合奈米機油能夠具備兩種奈米材料特性。為確定GTHNO之性能是否達到優化效果，分別進行「基礎實驗」和「實車實驗」，其中基礎實驗：磨潤、黏度、導熱、比熱和沉降實驗等五項；實車實驗：ECE-40、定速、平路及爬坡實驗，並紀錄燃油消耗、廢氣排放和PM粒狀汙染物。本研究GTHNO備製比例固定Gr濃度0.03 wt.%，TiO2濃度分為0.01、0.05、0.1、0.3及0.5 wt.%，經過基礎實驗評比0.3 wt.%為最佳濃度；磨潤實驗0.3 wt.%表現最為優異，驗證了添加過多或過少TiO2濃度有極大的影響。黏度實驗0.5 wt.%擁有較高的黏度，表示增加TiO2將會導致黏度升高。熱傳導實驗0.3 wt.%擁有最佳的熱穩定性質。比熱實驗0.5 wt.%最易受溫度變化。沉降實驗0.3 wt.%趨進於最不容易沉澱的濃度。GTHNO實車實驗中能夠有效改善CO 16 %和HC 35 %，最大程度降低有害氣體汙染；而行駛於市區下PM粒徑改善率約4.4 ~ 27.5 %之間。燃油消耗率各行車型態測試之間改善率約0 ~ 3 %之間。Item 石墨烯奈米冷卻液應用於熱交換模擬平台與機車引擎性能之研究(2022) 羅煌傑; LUO, Huang-Jie使用市售用改質親水性石墨烯添加到機車原廠冷卻液製備成不同重量百分濃度之石墨烯奈米冷卻液(GrNC)，並加入羧甲基纖維素(CMC)作為流體分散劑增加穩定性。分別進行沉降、黏度、比熱、導熱與磨潤等基礎性質實驗，依據實驗數據進行綜合性能分析評比並選出最佳濃度之GrNC後續進行熱交換模擬平台與實車性能之實驗。以原廠冷卻液為對照組與GrNC進行比較，沉降試驗為0.01 wt.%與0.07 wt.% GrNC表現較佳，可穩定至10天；黏度試驗0.09 wt.% GrNC改善了20.93 %；比熱試驗0.01 wt.% 與0.07 wt.% GrNC增加1.2 %與3.1 %；導熱試驗GrNC導熱值優於原廠冷卻液，0.01 wt.% 和0.09 wt.% GrNC導熱係數增加28.22 %和36.18 %；磨潤試驗結果GrNC可以減少磨耗量，0.01 wt.%和0.07 wt.% GrNC為最佳，分別改善6.89 %和7.34 %。由前述基礎實驗數據結果進行綜合分數評比，最終選定0.01 wt.%和0.07 wt.% GrNC作為後續熱交換模擬平台與實車性能實驗流體。使用GrNC為熱交換模擬平台工作流體來試驗水箱散熱性能與引擎暖車試驗中，與原廠冷卻液進行比較。得到在60 ℃時0.01 wt.%與0.07 wt.% GrNC散熱量提升5.19 %和8.01 %；80 ℃時散熱量分別改善8.42 %與19.51 %。且GrNC能加速流體加熱時間，0.01 wt.%與0.07 wt.% GrNC在60 ℃分別改善6.12 % 和8.74 %；80 ℃時改善7.56 %與8.68 %。而在實車性能ECE-40、定速、平路與爬坡試驗中，GrNC與原廠冷卻液比較，在溫度、扭矩、廢氣與PM排放各方面均有改善趨勢。0.01 wt.%與0.07 wt.% GrNC在散熱水溫差平均改善7 % 和16.18 %；機油溫度平均提升5.35 % 和3.52 %；齒輪油溫度平均提升7.8 % 和17 %；平路與爬坡瞬間扭矩GrNC平均提升87 % 和122 %。廢氣排放實驗，與原廠冷卻液比較0.01 wt.%與0.07 wt.% GrNC在HC排放中分別減少15.64 % 和14.46 %；CO減少53.9 % 與50.6 %；CO2增加23.59 % 與34.8 %。在PM總量排放方面，定速時分別減少31.45 % 和8.22 %；平路時分別減少29.76 % 和49.37 %；爬坡時分別減少38.57 % 和45.96 %。Item Z掃描系統量測大面積異質結構二維材料之非線性光學特性(2023) 黃瀚民; Huang, Han-Min本研究利用Z掃描系統研究石墨烯轉印到氧化銦錫薄膜上的異質結構飽和吸收體(saturable absorber)之非線性光學效應，過去已有諸多文獻表明，飽和吸收體對於超快脈衝雷射的鎖模與脈衝塑形皆有很大的幫助，但也對飽和吸收器樣品表面的品質有極高的要求，所以我們將單點的Z掃描量測系統改良，透過電控元件將Z掃描系統架設成可自動量測大面積二維材料或薄膜的自動Z掃描系統。實驗使用飛秒級超快脈衝雷射、波長為800 nm的Ti-sapphire雷射入射至氧化銦錫薄膜及轉印上單層石墨烯的飽和吸收體，並透過固定式的衰減片改變雷射脈衝的能量來進行實驗，觀察樣品在不同光強度下的光學非線性效應。由實驗結果分析上述樣品的飽和強度(I_s)、雙光子吸收(β)與非線性折射率(n_2)等非線性參數值，尖鋒功率在1到26 GW/cm2的光強度下輸入至樣品，氧化銦錫薄膜的飽和強度的範圍在3到60 GW/cm2，在轉印上單層石墨烯後減少至0.3到7 GW/cm2，相較於氧化銦錫薄膜的飽和強度小了約一個級距，並發現雙光子吸收的影響極小，範圍約在10-14 cm/W左右。因此，達到飽和吸收大部份是由單光子吸收主導，而非線性折射率會隨著入射能量的增強而逐漸減小，範圍在10-12 到10-14 cm2/W。確認單點的非線性效應後，我們對石墨烯/氧化銦錫進行二維的大面積抽測(4*4 mm)及每點間隔75 um的二維掃描實驗，在尖峰強度7.84 GW/cm2的光強度下，飽和強度約落在1.2到50 GW/cm2，之所以會比單點量測的飽和強度大，是因為石墨烯在轉印過程中出現的破損或皺褶所導致的，非線性折射率在10-13 到10-14 cm2/W，與單點量測的係數在相同範圍內，顯示出樣品的均勻度對折射率的影響較小，藉由此方法能夠精確的定位掃描的範圍，有助於大面積且系統性地研究其光學特性。Item 石墨烯與高熵合金薄膜於表面電漿高反射結構及生物感測之應用(2022) 陳友華; Chen, Yu-Hua近幾年以來，表面電漿在光學元件設計應方面逐漸受到矚目，其強光場侷限性、較小的模態體積及打破繞射極限的能力，為它在微奈米元件領域中占有一席之地。本論文主要分為兩個部分，第一部分為使用高熵合金薄膜製成的表面電漿高對比度光柵高反射結構，使用有限元素法進行模擬。利用表面電漿的強光場侷限性，以及高對比度光柵利用環境的低折射率與光柵的高折射產生與一般光柵不同的效果，產生針對於兆赫波的高反射率。高對比度光柵本身是一種亞波長結構，利用高折射率材料做週期性的排列，再以相對低折射率的環境包覆光柵形成的光學元件，雖然結構與一般光柵相似，但能夠利用guided-mode resonance的理論產生所謂的橫向傳播，產生高反射的效果。第二部分為使用紅外增強吸收光譜結合石墨烯的表面電漿可調變生醫感測器，我們同樣使用有限元素法進行模擬。利用表面電漿的強光場侷限性及打破繞射的能力，將光場侷限於我們設計的石墨烯表面微奈米結構以增強紅外光與待測物質間的交互作用。而石墨烯在元件中所扮演的角色還有另一個作用，除了提供取代傳統金屬層與介電質層產生表面電漿的交互作用以外，也提供了元件的電性可調變之能力，能夠在不改變元件設計的情況下增加其量測範圍，提升其對於不同待測物的感測能力。我們所設計的兩種元件皆利用表面電漿在材料表面的高度侷限能力，並使用兩種不同材料對其進行設計，此研究結果預期對於為奈米尺度的表面電漿光學元件是有益的。Item 飛秒雷射製作可撓性聚醯亞胺異質結構元件於氣體檢測之研究(2022) 葉力維; Yeh, Li-Wei本研究是利用超快飛秒雷射(Ultrafast femtosecond laser)之超短脈衝(Ultrashortpulses)的特性，在聚醯亞胺(Polyimide, PI)薄膜基材，製作指叉狀電極結構(Interdigitated electrode structures)元件於氣體檢測(Gas detection)，該超快雷射製程具較小熱影響區(Heat-affected zone)，以能進行可撓性基材之結構製作。為增加此元件感測之靈敏度，本研究亦利用水熱法製成氧化鋅(Zinc oxide)奈米線結構(Nanowires)，在飛秒雷射製程製作之石墨烯PI電極元件上，以成型新穎複合結構元件於氣體檢測，以增加感測響應值。本研究顯示該可撓性元件可避免受力而導致斷裂、破壞的現象，且當彎曲曲率半徑小於6 mm響應值仍屬穩定(誤差值±3%)。元件設計的微型加熱器方面顯示，在一氧化碳(Carbon monoxide, CO)氣體從室溫到85.6°C可縮短恢復時間為86.2sec；甲烷(Methane, CH4)氣體則從室溫到約86.8°C可縮短恢復時間為117.2 sec。因此，在氣體感測元件方面顯示，一氧化碳和甲烷氣體檢測於200濃度200 ppm，其元件在甲烷與一氧化碳氣之電性響應值會分別為20.7 %和120.8 %。藉此，本研究證明氧化鋅/石墨烯可撓性微性加熱元件於一氧化碳和甲烷氣體濃度具有良好的恢復性，分別在1000 sec和1600 sec可恢復至初始電阻值，且該元件靈敏度則在加熱升溫環境會別為0.6728與0.0434為最佳。透過此研究，將可提供飛秒雷射製程於氣體檢測元件之應用參考。 關鍵詞: 飛秒雷射、可撓性元件、石墨烯、奈米線、氣體檢測Item 以超快雷射製作石墨烯/二硫化鉬元件結構於氣體檢測(2021) 韓同耀; Han, Tong-Yao本研究利用超快雷射製程 (Ultrafast laser processing technique)進行製作設計的微型加熱感測元件及其特性探討，同時整合二硫化鉬(Molybdenum disulfide, MoS2)材料，以開發異質結構(Heterostructure)元件於氣體檢測(Gas detection)應用。本研究是採以有限元素法(Finite element method, FEM)，在設計的串/並聯電路之微加熱結構元件，進行熱性能和電路的電流密度之預測。在實驗方面，是利用超快雷射直寫技術於石墨烯(Graphene)薄膜，其固定重複率為 300 kHz，在振鏡掃描速度為 300 mm/s及雷射能量密度為 2.19 J/cm2，進行製程路徑次數 2 次後，完成不同寬度的薄膜電極元件製作及其檢測元件特性分析。研究結果顯示：在施加相同電壓條件下，串聯電路結構的微加熱器穩態溫度較低，且穩態溫度受電路形狀的影響較大，其原因是串聯電路結構的電阻會明顯大於並聯電路結構，因此該元件通過的電流較小，產生的焦耳熱也較小。此外，本研究於石墨烯感測元件搭配MoS2溶液，以滴鍍(Drop casting)技術，開發MoS2/石墨烯微型加熱感測元件，並比較石墨烯微型加熱感測元件，進一步進行氣體檢測之靈敏度探討。本研究結果在石墨烯微型加熱感測元件方面，顯示在溫度於92 oC時，該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時，氣體響應值(Response)會分別為1.4 %、7.2 %和17.7 %。本研究結果在MoS2/石墨烯微型加熱感測元件方面，顯示在溫度於92 oC時，該元件偵測氣體濃度於100、300和500 ppm時，氣體響應值分會別為1.7 %、4.9 %和12.3 %。因此，本研究證明MoS2/石墨烯微型加熱感測元件具有良好的恢復性，在50 s內該元件的檢測電阻可以恢復至原始電阻。Item 碳基高性價比散熱塗料之製備技術開發(2021) 洪大正; Hong, Da-Jheng隨著技術的進步，電子元件的效能不斷的增加，而體積亦朝向小型化發展，無可避免地，如何的幫助元件有效地散熱將構成挑戰。散熱塗層( Heat dissipating coat)由高分子材料構成基底，添加高熱輻射係數與高導熱性質的填料，能夠快速將所塗佈物體所產生的熱傳導至高熱輻射係數的塗層中，使得物體藉由熱輻射傳導至環境中的熱能大幅提升，屬於被動散熱的一種，設計散熱系統時也能與散熱鰭片搭配而獲得更好的效果，提供設計人員更多樣化的選擇。而目前的文獻較常見為使用通稱為奈米碳材的石墨烯以及奈米碳管作為填料，再藉由添加陶瓷粉末形成協同效應(Synergetic effect)來促進輻射散熱的效果。雖被證實有效，但受限於奈米碳材的成本高昂且不易大量生產，使得散熱塗料的推廣使用不易。此研究為奠基於本實驗室之前的成果，將原本的陶瓷添加物改為氧化鋁粉末，並改以常見且成本較低廉的碳黑、石墨粉和活性碳粉作為促進散熱的填料製備壓克力散熱塗料，再將完成的塗料噴塗於鋁片之上做為10 W的LED模組之散熱片，經實驗觀察在適當的添加量下最高能達到13.2 °C的降溫，而相比之下以1:1之重量比的石墨烯和多壁奈米碳管混合物做為填料的散熱塗料的試片最高降溫為13.7 °C，相差僅為0.5 °C，由此實驗結果可知本研究成功開發了一種高性價比的散熱塗料，並在成本上能滿足消費級產品的需求。Item 石墨烯於混合光聲生物感測器和太赫茲電漿波導之應用(2021) 許永周; Hsu, Young-Chou隨著科技發展進步，人類對電磁頻譜上最後一塊拼圖「太赫茲」越來越受重視，因此太赫茲的元件發展也顯得非常重要，本篇論文結合二維材料石墨烯的費米能階具有調變性的特點，利用有限元素法進行二維的石墨烯表面電漿子的元件設計與應用，並且分成兩個部分進行研究:第一部分石墨烯表面電漿波導設計。由於石墨烯的能帶結構特殊因此又稱為半金屬，能夠產生表面電漿在石墨烯與介電質之間傳遞；又因為石墨烯的邊界條件使橫向電波(Transverse Electric Wave, TE)也能夠產生表面電漿在石墨烯表面，不同於傳統只有在橫向磁波(Transverse Magnetic Wave, TM)才能夠在金屬表面產生表面電漿；並探討其傳遞距離(Propagation Length)與衰減深度(Decay Length)與TM極化表面電漿比較。 第二部分混合光聲生物感測器。由於石墨烯混合電漿生物感測器只能針對樣品的折射率做測量，所以當兩個待測物的折射率相同時會無法分辨兩者待測物，因此結合聲波於感測器上，利用不同待測物所固有的應力係數區分待測物，以達到更有效率的辨識待測物來源。Item 石墨烯與光子晶體共振腔結構之表面電漿探討及其在生醫感測的應用(2021) 鄭宜陞; Cheng, Yi-Sheng近年來，光學感測器對於生醫相關檢測的應用逐漸受到重視，其快速、便利及其非破壞性的檢測方式是其一大優勢，此外，觀察物質的光學特性也為檢測提供了另一個判斷的依據，特別是藉由侷限表面電漿能量的奈米結構更是在生醫感測的領域被廣為應用。本論文以有限元素法針對光子晶體結構結合石墨烯的表面電漿的光學感測器進行設計與應用。所設計的感測器類型為擁有高度電可調性的混合電漿生物感測器，可用於辨識中紅外波段範圍內的蛋白質分子指紋。此類型元件設計由一個光子能隙結構和一個以缺陷形成的共振腔組成，以此將電漿能量限制在共振腔內，實現光與分析物之間的強交互作用，而單層的石墨烯佈置於腔體結構中，除了能夠增強表面電漿的效應之外，也提供了元件的電性可調能力，藉由在腔體中填滿欲分析之物質以進行感測。此外，也藉由不同材料特性的搭配及石墨烯所佈置的範圍作了兩種設計，文中也針對此兩種不同設計的結果深入探討。設計的元件具有很高的等效靈敏度，而等效靈敏度的定義為在將分析物添加到腔體中時共振頻率偏移對應於等效折射率所變化之比例，而等效折射率是同時考慮到腔體結構和分析物的光學特性所影響的參數，不同於其他感測器只考慮了物質折射率變化，為本文的特點之一。而此類型元件另一個優點就是透過向石墨烯施加不同的偏壓來實現廣範圍的電可調性，以此可以調整腔體的等效折射率來提高針對非預設目標分析物的靈敏度。此類型元件的結構概念是依據光子理論所設計，並可透過由下而上的生長的薄膜製程及蝕刻技術來完成元件的製作，此研究結果預期對於微奈米尺度生物樣品的識別和紅外光學感測器是有益的。Item 混合型石墨烯奈米結構於多工感測器之開發研究(2019) 高郁勝; Kao, Yu-Sheng可撓式與可穿戴式應變感測器對於人體運動檢測具有無限的潛力，並引起研究人員極大的興趣。在本論文中，我們提出一種以可撓的聚二甲基矽氧烷 (Polydimethyl Siloxane, PDMS) 為基板，加入低成本的石墨烯與石墨烯量子點奈米結構，開發出同時具備應變與光偵測之多工感測器。本研究共分為兩大類，第一部份為拉伸量測以及第二部份為照光量測。第一部份為加入不同次數 (濃度) 的石墨烯進行拉伸量測，在 SEM 拍攝下 20 次數 (濃度) 的石墨烯厚度為 50 μm 和 50 次的石墨烯厚度為 200 μm；在 50 次下所得到的應變因子 (Gauge Factor) 為 GF = 14，在 20 次下得到的應變因子為 GF = 76，並且形變量可以達到 30 % 以上。此外，我們也對該元件進行耐久性測量，以每拉伸 25 次數進行量測，經重複拉伸300次後，其電阻變化率從 4.5 變為 6.5，其改變量約為 14 %。第二部份為加入不同次數的石墨烯與石墨烯量子點進行照光量測，使用波長為 365 nm 的紫外光進行照光量測。發現隨著照光功率提升，電流會從 300 μA 提高至 410 μA，其提升約 30 %。我們預期本論文所開發之混合型石墨烯奈米結構多工感測器，在未來對人體運動檢測上，將能夠發揮重要作用。
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