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1、第三篇 第四章 第四節 奈米材料科技 一、緒言 奈米科技是經由奈米尺度下對原子、分子、超分子等級物質的操控，以創造及有效地製造材料、結構、裝置或系統，使其產生新穎的特性且具有應用價值。材料在奈米尺度下產生之新穎現象與特性主要基於奈米量子尺寸效應及表面效應所造成；這使得物質的熔點、磁性、熱阻、電學位能、光學性能、化學活性、表面能和催化性等等皆改變，因而產生了奇特的性質，引發新的應用契機。簡單地說奈米科技發展的極致在於創造人為定義的新性能材料。 根據 西元2002年八月二日資訊世界上顯示，世界上從事奈米碳材生產者近60家公司所生產的碳奈米管價格因純度、種類而不同，每公克價格自幾十美元至幾
2、百(~800)美元間不等；碳奈米管目前正應用於場發射顯示器、單電子元件、導熱材料、電池電極材料、複合材料等的開發；其世界市場，根據Business Communications Company(BCC, Connecticut, USA)的預估，至西元2005年可達4億美元。 國內投入奈米科技研發的公司已超過百家以上。針對奈米技術之製造業與服務業，行政院正在審議一項新興重要策略性產業獎勵辦法，推動奈米標章，成立國家新竹奈米應用研發中心，其總部即設於工業技術研究院九十一年一月十六日成立之奈米科技研發中心，並宣告中部科學園區以發展奈米科技產業為主。九十二年度起為期六年的奈米國家型科技計畫政府各部
3、會共投入215億元新台幣，其產業化部份佔61%經費中約一半投入奈米材料之研發；學術卓越方面亦有大幅經費投入。 二、現況 國科會在奈米材料方面計畫內容與成果如下所陳述。中研院／台大團隊開展了各種一維奈米半導體，或導體奈米線並應用於光電上。清大材料所發展了高硬度的多元奈米合金，並與工研院合作開發用途。台大/中研院團隊合作研發單電子電晶體及發光二極體。清大材料所開發了許多奈米碳材製程及應用。 在教育卓越研究計畫內的奈米科技，主要集中在台灣大學及清華大學。台灣大學團隊執行了奈米科技相關的五個子計畫，其研究主持人／共同主持人有三十人左右，因此有相當成果。曾於本年三月舉行成果發表會。主要成果有:
4、合成金屬串金屬線，並量測它們相對之導電度。發現氮化銦鎵之奇特光電現象，並藉之提出發光機制，利用該機制成功合成高發光效率之四元化合物。研製出2.38微米氮砷化銦雷射，此為全世界波長最長之氮化物雷射，可用於醫療與軍事用途。發現鉍奈米薄膜的光學非線性效應，比鉍的奈米顆粒超過一萬倍大。 以中孔洞分子篩MCM-41作為支撐物之奈米催化劑，以增加反應活性。領先成長矽碳氮半導體材料，製成奈米柱狀結構具有優異的電子場發射特性。並首次將奈米碳管成長在薄膜電晶體上，有平面顯示器的應用潛能。成功地製作出高效率以及高直流操作亮度（80000 cd/m2）之藍光元件，是有機藍光元件少見的紀錄。 清華大學方面進行
5、奈米薄膜材料之研究 包含：利用介電共振腔，測量出奈米材料之介電常數。成功地利用電漿輔助式分子束晶成長法在矽基板上成功地製作出高品質的第三代氮化鎵、氮化鋁及氮化銦等半導體薄膜。成功地製備介電常數小於2之中孔洞二氧化矽薄膜，此材料在次微米電子元件中可扮演重要的角色，用來降低訊號傳遞的時間延遲。 工研院應用奈米科技於材料/加工以至於元件/產品技術開發，其中科技專案已完成多項具國際水準之技術研發成果以及商品化奈米技術之開發，共有十六項奈米材料技術相關成果。 三、公民營企業或民間部門之研發活動現況 1.我國奈米技術產業化近況與展望 首波的應用最可能來自於基礎(傳統)產業的應用。若將奈米材料技
6、術，如：奈米表面改質、界面處理、自組裝、空孔結構、晶格控制等溶入基礎(傳統)產業，如：人纖、金屬／機械、塑膠、化工、塗料、造紙、建材等之領域知識，並結合創新應用，則可能創造技術加值的新產品。國外已實用的例子及可能應用的方向如下： 塑膠工業方面 - 高強度、抗菌、耐磨、導電、阻氣、環保包裝材 人纖工業方面 - 保暖、抗UV、殺菌、色彩鮮明高牢度染料 塗料工業方面 - 耐磨、抗菌、UV、耐溫、防火、奈米色膏／油墨、高導熱 建材工業方面 - 自清潔、絕熱、防霧 造紙工業方面 - 保鮮袋、高級銅版紙、高韌挺性薄膜 金屬/機械工業方面 - 高強度鋼鋁合金、耐磨、表面處理 化工工業方面 -
7、奈米觸媒、感測器 基礎(傳統)產業的應用可能產生的產值經政府相關單位會同產業界預估：2008年奈米相關產值為3000億新台幣，涉及約800家廠商；可順利商品化的原創智慧財產權達25%，而在西元2012年時，產值將為1兆新台幣，投入廠家達1,500家以上，原創智財權則達60％。以大幅提升智慧財產權擁有比率，為市場攻防之主力。 國內工研院過去五、六年奈米技術開發成果包括：碳奈米管(CNT)應用於場發射顯示器(FED)之製程與產品；顯示器配向膜材料；噴墨印刷材料(<30 nm)；無機材料記錄媒體(ARMI, 2-20nm膜厚)；自組裝平坦化陶瓷基板(1-5nm building block)；
8、高潤濕性電池隔離膜(2-5 nm結構)；高儲能電容材料(2-50 nm 孔徑)；奈米電極／觸媒；奈米黏土複合材料；生物奈米材料(金膠體<20 nm)等等其製程及可能之應用產品列於表一。 表一、工研院奈米技術開發成果表 產業別 材料 加工技術 可應用之元件/產品 顯示器 碳奈米管(CNT) 配向膜材料 噴墨材料(<30 nm) 可網印之場發射顯示器(FED)製程 CNT-FED(10吋彩色雛型，車用) LED 藍/白光LED用藍寶石晶圓 SiGe/Si量子點 光儲存 無機材料記錄媒體(ARMI, 2-20nm膜厚) 母模技術(Mastering, 70n
9、m) DVD-R碟片 構裝基板 自組裝平坦化陶瓷基板(1-5nm building block) 積體被動元件/裝置 儲能 高潤濕性電池隔離膜(2-5 nm結構) 奈米電極/觸媒 高儲能電容材料(2-50 nm 孔徑) 電漿表面處理 鎳氫電池(已佔7%世界市場)；鋰電池(開發中) DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) 化工 奈米黏土複合材料 金觸媒 化學機械研磨液 插層、剝離、押出聚合反應(介孔洞，mesoporous) 奈米級二氧化矽膠體粒 超高分子量聚合物(分子量>100萬) 口罩 晶圓拋光 生技 生物奈米材
10、料(金膠體<20 nm) 生物晶片 標的給藥微脂粒(100 nm) 資料來源：本研究整理 為了建置世界水準之奈米科技研發環境，培育尖端應用研究人才，奠定奈米科技基礎，促使我國成為奈米科技創新研發中心。工研院奈米科技研發中心即國家新竹奈米應用研發中心之總部；此中心正設置奈米科技核心設施，並整合工研院各單位提供網絡化服務，服務項目包含：設備使用、代工服務、共同研究、人員訓練等。期望藉由精密儀器共享與開放實驗室經營，提供國內外產學研各界卓越研究交流機制，促成奈米科技研發成果迅速擴散，帶動產業創新研發，促成新興產業投資與傳統產業轉型。 由於技術移轉的案例與產業商機有極大的關係，因此目前已
11、經可以公開的資料，僅限於已經準備將技術產品化階段的實例。目前與工研院合作的計有：台積電的90奈米SRAM﹔友達的場發射式顯示器﹔錸德的儲存光碟﹔東元應用奈米材料的碳奈米管場發射式顯示器的應用生產等。已經可以進入技術產業化的奈米技術多為利用奈米材料之應用，如奈米碳管、奈米黏土、奈米光觸媒、奈米碳酸鈣、奈米透明氧化鐵、奈米氧化鋯等。至於已經商品化的奈米產品則有：利用太陽可以自行清潔的玻璃、自潔陶瓷板、衛浴設備、塗料、隔熱板、輪胎、寶特瓶、包裝薄膜、汽車腳踏板及零件、電磁波遮蔽薄膜、空氣清靜機、奈米材料冰箱、熱水瓶、光觸媒涼風扇、防水透氣卡其布、奈米領帶、殺菌除臭布料、遠紅外線保暖布料、防曬化妝品、
12、遮陽眼鏡、抗菌紗布、驗孕劑、奈米中草藥粉、微脂粒藥物、生物晶片、網球拍、網球、排球、運動鞋充氣鞋墊、抗菌鞋、滑雪桿、滑雪板、奈米鐵釘和鑽頭等。 奈米科技對國內絕大部份的人來說，尚屬於剛接觸的起步階段，但對企業而言，則往往因為企業體的大小、研發能力、市場開拓能力、危機處理能力、資金能力等不同而呈現不同的現象與結果。 基本上，大部分的奈米技術目前只進入技術商品化的應用研發階段、試產階段，少數早已運用其特性卻不知其為「奈米科技」的產品則已經逐漸為消費者所熟悉，如利用遠紅外線保暖的衣物等，且因為其原料的取得較其他奈米技術來得容易，因此此類產品已進入量產階段，只是運用該技術之初並不了解其為奈米技術。
13、對於前者還在與技術單位做應用研發階段的廠商，對於其可能投入的資金、人力、市場皆語多保留。而後者已經進入量產階段的廠商，因為產品還處於產品生命週期的萌芽期，因此還在調整其產量與拓展市場的方式。因此，對於應用奈米技術真正能拓展出來的新商機，基本上，廠商都還在嘗試與調整的階段，對奈米技術所抱持的態度也處於「可能需要了解後，才能就廠商與其所處的產業、內外在環境評估」的觀望和不確定的心態。表二為根據工研院奈米科技研發中心所提供的名單，列出國內廠商已經利用奈米技術開發的產品。 表二 國內已經利用奈米技術開發的產品與公司一覽表 運用奈米技術之產品 公司 該產品適用之產業 鎳氫電池隔離膜 高銀化
14、學 能源產業 抗菌地磚 東陶 建材產業 衛浴設備、馬桶、洗手台 和成欣業 石材表面處理 華峰工業 抗菌、防臭、防紫外線功能性纖維 中華綠纖維科技 遠東紡織 中興紡織 力麗企業 紡織產業 機能性尼龍奈米新合纖 中石化 奈米口罩 元台山 奈米冰箱 東元電機 家電產業 空氣清靜燈管 台灣日光燈 空氣清淨機 大同 聲寶 三洋 超基因健康食品 超基因科技 生物科技產業 微脂粒藥物 台灣微脂體 東洋製品 奈米中草藥 九鼎生技 90奈米SRAM、MRAM、FinFET 台積電 半導體產業 90奈米技術 聯電 化學機械研磨液
15、長春石油 永光化學 長興化工 奈米軟式基板 國泰高科技 印刷電路板產業 奈米碳管場發射顯示器 翰立光電 光電產業 大尺寸電視用之奈米碳管 東元奈米應材 OLED 錸寶科技 LCD彩色濾光片光阻劑 永記造漆 長興化工 永光化學 噴墨印表機奈米顏料 尚志造漆 有機感光鼓 台鹽 高純度粒徑30奈米光導電材料 永信藥品 無機可錄式光碟 聯宥 資料來源：工研院奈米科技研發中心 工研院經資中心彙整製表（2002/11） 四、展望 另外根據1999年九月美國World Technology Evaluation Center(WTEC)報告：小型企業如A
16、erochem Research Laboratory, Nanodyne, Michigan Molecular Institute, and Particle Technology, Inc., 已在下列領域建立創新性競爭性的環境架構：分散、塗佈、結構性材料、過濾、奈米粒子製程、功能性奈米結構(感測器、電子裝置、等等)。兩個半導體製程聯盟：Semiconductor Manufacturing and Technology Institute(Sematech) and Semiconductor Research Corporation(SRC)在無機物表面功能性奈米結構方面已建立顯著的
17、研究活動。 WTEC報告中奈米技術被分為數領域，並列出每一領域目前已有的產業效益及未來可能造成的衝擊；詳見以下表三。 表三、奈米技術各領域目前已有的產業效益及未來可能造成的衝擊 Nanotechnology (奈米科技) Present Impact (目前衝擊) Potential Impact (潛在衝擊) Dispersion & coating Thermal barrier Optical(Visible & UV) barrier (multibillion-dollar business, Kodak) Imaging enhancement In
18、k-Jet materials Coated abrasive slurries Chemical-mechanical Polishing Slurries($~billion/yr) Information-recording layers Targeted drug delivery/gene Therapy Multifunctional nanocoatings High surface area materials Molecular sieves Drug delivery($13.8billion/yr) Tailored catalysts($210b
19、illion/yr) Absorption/desorption materials Molecule specific sensors Large hydrocarbon or bacterial Filters Energy storage Grautzel-type solar cells Consolidated materilas Low-loss soft magnetic Materials High hardness, tough WC/Co cutting tools Nanocomposite cements Superplastic formi
20、ng of Ceramics Ultrahigh-strength, tough structural materials Magnetic refrigerants Nanofilled polymer composites Ductile cements Nanodevices GMR read heads(within 3 years market increased to $20+billion, IBM & HP- main manufacturer) Terabit memory and microprocessing Single molecule DNA
21、sizing and sequencing Biomedical sensors Low noise, low threshold lasers Nanotubes for high brightness display Additional Biological aspects Biocatalysis Bioelectronics Bioinspired prostheses Single-molecule-sensitive Biosensors Designer molecules 奈米尺度下之新特性提供了新的應用契機；也因此將造成產業技術上的革命。掌
22、握住此新契機的國家才有希望在21世紀經濟佔一席之地。如何掌握住此奈米科技之新契機，並結合台灣的產業優勢，創新研發，開創新產業與產值，是未來幾年我國產業需面對的課題。由上市場分析可見美國與日本的市場預估差異不大：即2010至2015年間奈米技術市場規模約美金一兆元。台灣如能佔到3%市場即為1兆台幣的產值。以過去二、三十年台灣產品的表現，與產業界在產品創新上的活力，應有很好的機會可以攻佔幾個百分比率的世界市場產值。Zyvex公司Principle Fellow, Dr. Ralph Merkle在1990年美國國會聽證會上作證說明：「奈米科技將完全取代目前所有生產製程而開發出更新穎、更精準、更廉價、更具彈性之產品製造技術」。台灣的產業強勢以製造技術著稱，發展奈米科技無疑地將是我們產業生命力再造之新契機。11 《資料來源》 11.中華民國科學技術年鑑，九十二年版。 註：作者／蔡嬪嬪，工研院奈米中心
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