小小奈米,讓世界大不同!

2002.08.01 by
數位時代
小小奈米,讓世界大不同!
奈米是一公尺的十億分之一,也就是一根頭髮厚度的五萬分之一。因為它夠小,使得材料產生完全不同的特性,形成很多特殊功能。最有名例子荷葉效應(Lo...

奈米是一公尺的十億分之一,也就是一根頭髮厚度的五萬分之一。因為它夠小,使得材料產生完全不同的特性,形成很多特殊功能。最有名例子荷葉效應(Lotus effect),荷葉能出淤泥而不染、水珠不會分散的原因是荷葉表面有自然的微小奈米級顆粒,讓污泥、水粒子不容易沾附表面。奈米科技應用的超微小特性,彷如西遊記中孫悟空縮小去辦事無往不利(事實上,奈米生物科技會像電影《驚異大奇航》(Inner Space)一樣,讓微小機器在人體內檢測治療。)
奈米技術最驚人的,是透過對物質極微細尺寸的操縱,技術上已經能直接移動原子。這層技術的可怕之處在於:如果你可以隨意操縱組成物質的原子,就能任意改變、創造物質。換句話說,當人類完全掌握奈米技術時,就如同找到點石成金的「仙女棒」。
比方說,矽的特性易碎,奈米級的矽卻可以彎曲,未來電腦甚至可以捲起帶走;金是惰性金屬,不容易變化,奈米技術做成的金卻是防毒面具的絕佳活性劑。對傳統材料來說,奈米技術就像「味精」,添加奈米技術會讓物質材料有提味醒覺的全新效果,開啟非常龐大的運用空間。工研院副院長兼奈米科技研發中心主任楊日昌指出,「奈米材料的新特性,會讓傳統產業出現顛覆性的改變。」

**顛覆性的改變

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世界各國都投入奈米科技,聽起來像神話卻一一出現。德國研發奈米牙膏,利用微細黏膠顆粒能自動修補蛀牙裂縫;英國研發奈米氣喘警告手錶,透過奈米微量偵測技術提早警告有致喘物質;美國正發展間諜功能的智慧灰塵,灰塵中奈米偵測裝備可以收集資訊;日本的奈米玻璃照到太陽後,奈米微粒氧化會自動清洗窗戶髒污;韓國發展出奈米碳管顯示器,螢幕厚度不到一公分。
美國國家科技委員會估計未來10至15年,全球奈米技術產業產值每年將有一兆美元,其中奈米材料佔3400億美元,奈米電子佔3000億美元。國內方面,奈米國家型科技計畫估計2008年 相關產值會達3000億元,其中民生化工佔1200至1500億元,電子資訊有800至1200億元,預計投入研究應用廠家會超過800家,到2012年奈米相關產業產值將達1兆台幣,廠商會增到1500家。

**奈米應用的美麗新世界

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奈米電子是奈米科技裏最重要的分支,目前IC(積體電路)的微電子技術在過去40年,運算速度增加了3000倍,記憶體密度增加100萬倍,要再更快更小就得靠奈米技術。目前全球的半導體業即將從微米進入奈米級量產製程,奈米製程晶片擁有的運算更快(超過Pentium4速度百倍以上)、面積更小(約為現有0.13微米製程的一半)。著名的摩爾定律(每隔18個月,性能提升一倍)目前受限於矽的物理性質無法繼續提升性能。如果要讓摩爾定律仍有效,將來必須利用奈米技術突破。
位於新竹交大校區的國科會國家奈米元件實驗室日夜燈火通明進行研究,就是要落實這個目的。「奈米必須要發展,台灣資源很少,但是頭腦是我們很大資源,」國家奈米元件實驗室主任施敏說。無塵室忙碌的研究員有一部份來自各大學院博碩士學生,利用6吋晶圓實際生產設備作實習測試、合作研究。結合學術的尖端研究建立未來產業3至5年的發展基礎,目前技術已達50奈米水準。建置700坪各級無塵室的舊廠已不敷使用,今年7月新的實驗大樓又再動工,基地4100坪,無塵室共880坪。
台積電12廠是配合12吋晶圓的新廠,廠區還有小部份工程正在進行,研究人員、訪客、工人交錯走動,廠區很熱鬧。近400位的研究人員有一半已經投入90奈米製程的相關流程,0.13微米(130奈米)製程還在持續提升良率,90奈米製程又要趕快做下去。「手機要更小、要有彩色影音、要能上網、要有PDA,為了滿足這些需求,非得90奈米的高階晶片才能整合出這麼多功能來。」製程技術行銷處處長尉濟時指出。
如果說奈米電子技術是高科技產業的維他命,奈米材料就是傳統材料、製造產業的強心針。
楊日昌分析,奈米影響傳統產業以奈米材料為主,奈米材料從塗料、表面處理、粉體、複合材料、整體材料,從淺到深應用無窮。相對而言,奈米對傳統產業影響會遠大於高科技產業。
對傳統產業影響來自於原料素材特性的改變,陶瓷表面奈米處理可以防污抗菌、尼龍加入奈米微粒可以耐熱、紙張衣料加上奈米塗劑可以撥水撥油、金屬摻上奈米物質可以強度提升、玻璃經奈米觸媒可以自動清潔,改變之大、數量之多、用途之廣非常驚人。
永豐餘把可以防水、防油的奈米技術塗料使用在紙製容器,奈米技術紙容器可以當成塑膠容器使用,而且這層塗料也能自然分解,符合環保。長興化工研究所實驗室裡正進行防水布料測試,塗抹上奈米技術的衣服布料,放在水龍頭下沖水不但不濕,連水珠都不沾。

**能摧毀癌細胞的奈米炸彈

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奈米生技的發展,則是另一項市場新機會。奈米微小的特性創造出奈米醫用機器人,分子大小的奈米裝置,可以通暢無阻地進出人體去進行檢測、治療、給藥。
美國密西根大學研發可摧毀病毒和癌細胞的奈米炸彈,尺寸僅20奈米,可以在人體內辨識病毒、癌細胞然後準確摧毀,也可以改變成攻擊大腸桿菌。德國法蘭克福化療中心在研究愛滋病治方,將裝有遺傳蛋白的奈米級膠囊,故意讓免疫系統吞噬,遇到潛藏於免疫系統的愛滋病毒時,會打開膠囊封鎖病毒基因蛋白而控制病毒。國內的工研院也研發出指甲大小的發燒晶片,能找出發燒原因,利用奈米微小量檢測技術,憑著一滴血滴在晶片上,可以檢測出25種導致發燒的病毒。
工研院是推動傳統產業奈米技術升級的重要機構,國家奈米元件實驗室則專對高科技半導體產業,他們扮演的角色是望遠鏡也是橋樑。技術研發,有專業研究員與完整設備可以進行前端研究,產業合作則提供成熟技術轉移與合作開發產品技術。「技術不會是問題,」與國內產業互動緊密的工研院化工所所長鄭武順說。
技術不是問題,那麼問題是什麼?國家奈米元件實驗室主任施敏認為台灣走向奈米,人才是關鍵。奈米國家型科技計畫另一位主持人吳茂昆院士也指出奈米需要上層的創造人才,這也是他最憂心的事。
鄭武順認為發展奈米的人才需要積極地培訓,工研院與產業合作研發可以培訓部份產業人才。國家奈米元件實驗室也為半導體人才提供學術研究、產業訓練的機會,每年有170位碩博士接受訓練畢業。奈米國家型計劃把人才培育列為主要項目,希望透過教育體制來長期鼓勵、培育創造性人才。
產業是真正去寶山開礦的人。台積電、聯電為了保持在全球半導體的領先地位,發展奈米製程技術是最佳策略,既能夠持續高階技術的領先,又能搶佔未來轉向手機通訊的晶片市場。所以台積電宣佈年底前可以導入90奈米製程,聯電也宣佈它的90奈米製程規劃。

**讓傳統產業一夕翻轉

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至於傳統產業,奈米技術的「加持」能有返老還童之功。高雄的長興化工從傳統化工轉型,這幾年投入研發高科技產業使用的奈米級化學研磨液成功,奈米微粒有不沉積少刮傷的效果,受到國內外大廠矚目。負責產品研發的長興研究所位於高雄路竹,無塵室裡有幾個像太空人的研究員在忙,另間實驗室在做塗料測試,架上滿滿各種顏色、大小不一的瓶子,牆邊陳列數十種木板,長興研究所所長黃舜仁笑著介紹說,他們都忙著新研究。很難想像這是已經38年,原本生產樹脂起家的老公司。
國內衛浴龍頭和成欣業(HCG)採取則是提昇的策略,「你看,奈米處理過的這半邊畫不上去」,和成欣業研發人員陳世傑拿鉛筆在一片瓷板畫著,一邊解說。衛浴設備加上奈米級釉藥有防污抗菌功效,這是和成推出的新系列產品,看完現場實驗,外表普通的奈米馬桶還真的比較抗污。奈米技術並沒有創造一個飛天馬桶,但確實讓產品的功能提升,創造出附加價值。

**等待消費者和市場的青睞

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傳統產業的製造強但研發能力較貧乏,楊日昌認為,台灣製造導向要轉為創新導向,引入奈米技術會創造很多新的特性,不只做成本競爭。這樣的想法落實在鶯歌的百康陶瓷。原本只負責陶瓷原料生產的典型傳統產業,與工研院技術合作後能生產奈米級黏土,百康成功開發5種不同功能應用的奈米黏土。
但是百康的董事長黃森貴也說出了他的憂慮,上游企業投入很多研發經費,等成果出來要煩惱中下游產業沒有辦法接上,市場得靠自己開發。 HCG的研究開發處協理吳岳龍則表示,奈米技術的防污抗菌衛浴設備要推廣,等消費者會接受較高價位的東西。市場之外,研發經費也會是中小企業的顧慮。
經濟部最近宣佈資訊電子、金屬機電、民生化工產業,投入奈米技術研發,可以5年免稅或股東投資抵減租稅,屬於新興產業獎勵的範圍,對有意投入奈米研發的公司帶來一線曙光。
百康參與工研院的奈米技術研發,部份的研發經費也由經濟部科專補助負擔。
台灣以前種稻米,現在改種奈米。奈米可不能正月播種,6月收割,但等到它豐碩收穫時,有機會填滿整個台灣榖倉。「奈米技術能發展成功,台灣製造業就能上去,失敗,大概就完了,」楊日昌說。
奈米的全球世紀大賭局,台灣手上籌碼雖然不多,但進場的時機不錯。能不能一把全紅翻身,現在還很難說。起碼,先小贏個幾手,台灣產業正積極在做。

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