第一章 奈米科技簡介 1.1 前言 1.2 什麼是奈米? 什麼是奈米科技? 1.3 工業革命與奈米科技 1.4 國內奈米科技相關動態簡報

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第一章 奈米科技簡介 1.1 前言 1.2 什麼是奈米? 什麼是奈米科技? 1.3 工業革命與奈米科技 1.4 國內奈米科技相關動態簡報 1.5 奈米國家型科技計畫

1.1 前言 近來流行的奈米科技(nanotechnology),其實不是什麼新發明的技術或事物,而是指研究奈米級大小的技術與產品,而統稱為奈米科技。奈米(nanometer)是尺寸大小的單位名詞。奈米是nano(十億分之一)加上meter(公尺),直譯就是「十億分之一公尺,也就是十的負九次方公尺」。在日常生活中,公尺大小的東西例如居家的動物貓、狗,百分之一公尺的東西例如是昆蟲、真空管來想像。而進入到毫米(千分之一米,十的負三次方公尺)階段,則有半導體元件、微機電及大腸菌。尺寸再縮小到微米(百萬分之一米,十的負六次方公尺)階段,則有病毒、基因鏈、記憶體(DRAM)、單電子元件等。而進階到奈米尺寸大小,則有氨基酸、奈米碳管等產品。如再小下去,則到分子及原子的階段,他們是物質最基礎的結構成分。

尺寸表 Peta- Tera- Giga- Mega- Kilo- 1015 1012 109 106 103 quadrillion trillion billion million thousand Pm Tm Gm Mm km Milli- Micro- Nano- Pico- 10-3 10-6 10-9 10-12 thousandth millionth billionth trillionth mm μ m nm pm

奈米科技之所以在近期崛起竄紅,主要是半導體進入微米階段後,在0 奈米科技之所以在近期崛起竄紅,主要是半導體進入微米階段後,在0.13 微米以下製程研發,則會遇到製程的技術瓶頸,而奈米科技乃是針對更細微的元件製程的研發,對現在半導體業提供一突破的可能性。對其他產業,奈米科技不僅把東西變小而已,更改變了其物理特性,產生許多新結構及新用途。 最近在電子、機械與其他相關工業,所發展出來的微細精密製造技術,可以製造出微米,甚至次微米的零件和結構。微細精密製造方法,使機械加工範圍縮到微觀的微米大小,利用光蝕刻微影 (photo-lithography)、X光深刻模造 (LIGA)、微放電加工、鑽石刀加工和離子束加工 (focused ion beam)等方法,可以製造出任意的微型結構,如微型感測器、微型馬達、微型冷卻器、微型機械人等,來應用於汽車工業、航太工業、民生工業、生物醫學與國防工業等。

1.2 什麼是奈米?什麼是奈米科技? 在奈米尺度下,物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。所謂的奈米科技便是運用這些知識,將原子或分子組合成新的奈米結構,並以此基礎來設計、製作、組裝成新的材料、元件或系統。奈米科技由小作大(Bottom-Up),與半導體等傳統精密產業由大作小(Top-Down)的製程,在觀念上相當不同。

奈米科技的三個領域 奈米元件 以分子、原子為起點,製造具特殊功能的元件。為製造具特殊功能的元件,大體有兩種方法:〝由上而下〞(Top-Down)或〝由下而上〞(Bottom-Up)。 奈米材料 奈米材料是指材料的幾何形狀,至少有一個維度達到奈米尺度,並具有特殊功能的材料 。 奈米檢測與表徵技術 為了在奈米尺度上研究元件和材料的結構與性質,必須建立奈米檢測與表徵技術,以研究各種奈米結構的力、光、電、磁等性質。

奈米技術的應用(1/7) 材料與製造 奈米技術,改變未來在製作材料與裝置的方法。挑戰包括:設計材料之合成、生物和生物活化材料的發展,低成本之量產技術的發展,以及確認奈米尺度材料功能失靈之原因。其應用包括: (A) 不需機械加工的方式下,製作實際形狀之金屬、陶瓷及高分子奈米結構材料。 (B) 使用具有最佳染料及顏料特性之奈米尺度粒子,以改善印刷。 (C) 利用奈米接合及電鍍之碳化物,以及奈米塗層,作為切割工具,供電子、化學及結構等之應用。 (D) 奈米尺寸量測之標準。 (E) 在單晶片上,進行複雜多功能高層次之奈米加工。

奈米技術的應用(2/7) 奈米電子及電腦技術 由於新巨磁阻現象的發現,在未來十年內,奈米技術將完全取代舊有的電腦磁紀錄磁頭技術。其他有潛力的突破包括: (A) 奈米結構的微處理元件,將持續低能量使用與低成本的發展趨勢,因此將提高電腦之效率達百萬倍。 (B) 具高傳輸頻率及高效用之光譜的通訊系統,增加提供至少十倍以上之頻寬,可應用於商業、教育、娛樂及國防。 (C) 1,000 GB容量的小而輕的儲存元件,其功能將超過目前達千倍。 (D) 具體積小、質量輕、省能源特性之奈米結構感測器系統,具有收集、處理、通訊大量資訊的功能。

奈米技術的應用(3/7) 醫藥與健康 生命系統係由奈米尺寸的分子行為所控制,而目前化學、物理、生物及電腦模擬等學門,皆匯流在奈米尺度上的發展,其具潛力的應用包括: (A) 快速有效的基因序列,可在診斷與治療產生革命性的影響。 (B) 使用遙控或即時活體元件,有效且更便宜的醫療照顧。 (C) 新藥物的配方或輸送途徑。 (D) 更耐久之人工組織或器官。 (E) 視力或聽力輔助。 (F) 偵測新興人體疾病之感測系統。

奈米技術的應用(4/7) 航空與太空探測 奈米結構材料可應用在設計及製造重量輕、強度高、熱穩定性高的飛機、火箭、太空站及太空探測基地等,此外低重力、高真空之太空環境,可以幫助發展在地球上無法製造之奈米結構或系統。這些應用包括: (A) 低動力、高輻射抵抗之高性能電腦。 (B) 微太空船之奈米設備。 (C) 奈米結構感測器及奈米電子儀器,可促進航空電子學的發展。 (D) 絕熱及耐磨耗之耐米結構塗層。

奈米技術的應用(5/7) 環境與能源 奈米科技在能源效率、儲存及生產上,具有巨大的潛能,例如: (A) 奈米催化劑的使用,可大幅提昇化學工業的產能。 (B) 介孔性材料其孔隙大小約為10 ~ 100 nm,廣泛的應用在石油工業上,以移除微細之污染物。 (C) 以奈米粒子強化高分子材料,可取代結構金屬元件在汽車工業之應用。 (D) 奈米尺度之無機黏土或高分子材料,可製造更環保、更耐磨的輪胎。

奈米技術的應用(6/7) 生物科技與農業 生命的基本元素,如蛋白質、核酸、脂,質醣等,皆因其在奈米尺度上之大小、型態的不同具有獨特的性質。生物合成與生物製程,提供新的方法製造新的化合物及藥物。而奈米技術對農業發展上的直接幫助有:奈米分子工程化合物,可滋養農作物及防蟲、動植物的基因改質工程、動物體內基因及藥物的傳送,奈米陣列的DNA檢測科技。

奈米技術的應用(7/7) 國家安全 奈米技術在國家安全的關鍵應用上包括: (A) 經由奈米電子技術,提供各種持續之資訊。 (B) 利用奈米電子電腦技術,設計更複雜的虛擬實境模擬系統,以提供更有效的訓練。 (C) 大量使用進步的自動化和機器人,降低部隊所需人力、危險性以及改善車輛的性能。 (D) 達到軍事平台所要求的更高性能,同時降低失敗率及生命循環成本。 (E) 提昇化學、生物、核子感測能力以及災難防護。 (F) 設計改良的系統,用來核子擴散的監督及管理。 (G) 連結奈米及微機械元件,控制核子防衛系統。

1.3 工業革命與奈米科技 工業革命(1840年)實際性質上是技術的革命,它表現以機器替代人力,以大規模的機器製造生產,於是工廠替代以手工生產的方式,不但大大降低了生產成本,更提高了勞動效率。十八世紀初到十九世紀中,被稱之為第一次工業革命,是以蒸汽機為主要標誌。 由於熱力學與電磁學的物理理論發展完備,十九世紀末期的工業革命,主要以內燃機與發電機代替蒸汽機,稱為第二次工業革命。 進入二十世紀中後期,人類開始使用電子計算機(Calculator),第一台電子計算機是由美國賓州大學於1945研製成功,又稱電腦(Computer),文明演變的速度更加猛烈,自此為第三波的工業革命。 而奈米科技這就是二十一世紀的工業革命,也是第四波工業革命。全球視奈米科技為下一波產業技術革命,為製造工業下一階段的核心領域,也將會重劃未來全世界高科技競爭的版圖,更可能替人類生活帶來不可避免之衝擊。 全新奈米公司

1.4 國內奈米科技相關動態簡報 2002/01 工研院指出,奈米科技具有量子與表面的新物理效應,對傳統產業轉型及科技產業技術,都將產生革命性改變。工研院光電所宣佈,將投入奈米級儲存行列,未來將有容量高於現行DVD光碟數百倍的奈米級光碟片。另外,工研院電子所則發表利用奈米電子技術,提升現有晶片的密度與速度、降低消耗功率等。尋求更快、更低耗能及更微小的元件,是國際上 IC 發展的共同目標。工研院電子所指出目前奈米電子技術發展包括:自旋電子 (Spintronics)、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件 (CNT Devices) 及量子元件 (Quantum Devices) 等四個主題。

2002/02 經濟部工業局,為配合奈米國家型科技計畫,落實產業應用奈米科技,將協助產傳統產業培育更多奈米技術精兵,促使傳統產業搶搭奈米科技飛快車。駐加拿大代表處科學組表示,加拿大有前瞻性的奈米材料、IC設計及奈米醫療儀器開發能力,台灣則有強大的製造業及快速產業化的生產能力,並以積極投入奈米科技研發。台灣積體電路公司指出,台灣在半導體奈米技術,有機會領先全球。

2002/03 工研院能資所指出,「染料敏化太陽能電池」發電技術,主要是透過奈米染料層吸收太陽光,轉換成電能,由於發電效能提高、成本低,未來如能與建築物的外牆、窗材建材結合,可使建築物自備電能,極具開發價值。「染料敏化太陽能電池」是以玻璃為承載基材,利用多孔性的奈米結構電極層表面積的特性,大幅提升光電轉換效率。工研院經資中心表示,奈米技術在新世代產業的應用,粒子化可運用在電子、磁性材料與光電工業,應用種類如化學機械研磨液(CMP)、磁紀錄媒體、光學纖維、導電性塗料、磁性流體油封、多層陶瓷電容器、螢光物質、太陽電子、量子光學裝置等九項。

2002/04 中研院物理所指出,為使學術研究和產業發展有效結合,將及早確認成熟科技產業升級,所需的奈米科技研發技術,未來學術研究團隊和產品研發團隊,將定期召開雙向討論會,對創新研究成果產業化,進行可行性評估與技術轉移。工研院化工所指出,奈米科技應用在塑膠產業上,可使全表面能量大幅提升;而奈米高分子材料,能提升耐熱性、剛性,具阻氣、低吸濕、難燃性等特性,目前較成熟、已商業化的是「奈米尼龍6」聚合技術。經濟部技術處表示,奈米技術能將傳統工業製品功能予以提升,革命性地應用在新興產業,或提供給技術層次更高的產品應用,為傳統產業升級找到新契機。奈米技術的前瞻研發,在美、日、歐等國,已較台灣早了十餘年,專家均認為,台灣所幸已在此時此刻了解奈米的重要性。工研院奈米技術中心,對於展望未來的分析,有二項重要切入點,其一在於技術平台水準的維持,其二是材料發掘和檢測開發要跟上,對核心技術的培養將具有關鍵作用。

2002/05 中央研究院物理研究所指出,奈米科技能協助產業發展,再造台灣經濟奇蹟,在基礎(傳統)產業方面,奈米科技可開創材料、化工、機械、能源等產業新穎的應用技術與新產品研發;在資訊科技產業方面,奈米科技可協助半導體、顯示器、資訊儲存及儲能等突破發展瓶頸;在生醫科技產業方面,配合基因體計畫,發展奈米生物技術,可建立創新的生醫科技產業。經濟部工業局表示,透過奈米技術產業化能力的建立,相關獎勵措施及週邊環境的建構,預期在2008年奈米技術衍生與應用產值達新台幣3000億元,生產與投入應用廠商達800家以上,將奠立台灣奈米技術產業化的基礎。

台大物理系表示,有關光碟片容量提升,多在縮短讀寫光源的波長,以及增加讀寫頭聚焦透鏡孔徑的光學方法,縮小讀寫光點達成增加記錄密度與容量的目的。台灣師範大學化學系表示,奈米元件還要五至廿年的時間,才能落實在產業界,如在化學領域中用DNA來計算,那還只是理想,距離實現還很久;但奈米材料、偵測儀器等早已展開應用,油漆粉裡都已有奈米材料,台積電研發亦已進入奈米化,能為台灣在國際間佔到競爭優勢的地位。

工研院表示,與成大合作的「微奈米技術研發中心」,將扮演與南部學術界合作的窗口,南部各大學都將透過這個機制,與工研院進行合作交流。成功大學指出,中部以南,包括中興大學以內的廿六個大學和技術學院,已經都加入這個團隊,近日即將有十六個計畫,將向微奈米研發中心提出,審核通過後,會推展更多技術發展。工研院微機電系統技術組指出,該研發中心,未來將會有大型的計畫,主要方向是朝向「光、聲音、通信資訊」的合作研發。工研院進駐南科分部,研發領域含括光電所、機械所、電通所、電子所、能資所及環安中心等相關技術,同時也將推動研發的奈米列車開進南科。

2002/06 工研院工業材料所指出,台灣奈米技術五年內,可讓手機電池待機50到100天,充電只需數秒鐘,手機普及率全球居冠的台灣,民眾未來使用行動電話,不必再為不來「電」而煩惱!工研院經資中心指出,醫療儀器相關技術日新月異,奈米機械元件、隨身佩戴式化學感測器、居家保健應用醫療器材等前瞻產品,已成為未來醫療儀器的代表產品,將為醫療單位、醫師、護理人員以及病患創造雙贏互惠。

2002/07 工研院化工所指出,奈米碳球具有特殊的光、電、磁性質,應用涵括光電、奈米、生醫領域,極可能成為21世紀最重要的材料之一,因此這項技術除了可製備高純度奈米碳球外,也可用來開發分子級元件的”短奈米碳管”。中研院數理科學組表示,台灣不乏優秀的科技人才,但是奈米世代,更需要具備創造力的人才,有必要從現階段開始,自基礎教育推動改革。政府大力支持,重金提撥的奈米國家型計畫,經由各界的齊力合作,台灣在未來十五年,成為奈米產業的製造王國,不是一項很困難的目標,而我們也不該自限於此,應該是把眼光放在,成為世界級創新領導、全球奈米的創造源頭。

2002/08 經濟部表示,產業科技研發,是促進產業結構升級的重要因素,科技專案就是我國推動產業技術研發的最重要的政策工具,長期以來學術界缺乏與產業界長期、大規模互動,希望藉由學界科專固定的研發團隊,促成從事主題式研發的研究中心,使學界的成果能落實在產業界。經濟部指出,行政院推動的「挑戰二○○八─國家發展重點計畫」將整合台灣研發資源,設立多個研發中心等,並且特別為中小企業規劃、發展為中小型科技產業,希望在六年內,讓台灣在特殊領域中,成為「亞洲最好的創新研發基地」。

1.5 奈米國家型科技計畫 奈米國家型科技計劃目的,就是要整合產學研力量,建立我國發展學術卓越和相關應用產業,所需要之奈米技術平台,同時加速培育奈米科技人才,奠定我國奈米科技厚實之基礎;並且全力推動「創新」和「整合」,善用奈米科技帶來創新的機會,結合我國在高科技製造業的優勢,以及在學/研機構長期建立之研發能量,著重在奈米技術創新前瞻之研究,結合既有的快速產業化能力,期待奈米技術引領各相關產業新技術及新產品之創新,開創我國以技術創新、智權創造為核心之高附加價值知識型產業。

規劃範圍

推動目標與策略 計劃之目標以人才培育和核心建置為基礎,達到『學術卓越研究』及『奈米科技產業化』目標,並秉持四項規劃原則: (1)學術研究設定高目標,達到卓越化和國際化。 (2)結合國內外學術界卓越研究成果和研發單位之「快速產業化」能力,將「介觀世界」的特殊現象與「市場機會」結合,建立我國以技術創新、智權創造為核心的高附加價值知識型產業。 (3)以我國「強勢產業」的比較優勢為切入點,逐步擴充至新興領域,開創新機會。 (4)強化創新研發人才培育養成,並建置核心設施,以提供分享運用機制,奠定長期競賽之基礎。

藉由奈米科技來引領我國知識經濟之發展,從而建立我國下一波產業之國家競爭優勢,在此原則下,提出我國奈米技術發展規劃的主要目標有四: (1)藉由「學術卓越」計劃,提昇我國奈米科技研究的原創性,確保我國在國際奈米科技舞台上佔有一席之地;激發物理、化學、材料、化工、電機、機械、生物、醫學等不同專業研究人員,投入奈米科技研發的意願,促成研發團隊之整合,進而帶動各種新興奈米科技相關產業的發展,並與國人分享奈米科技所孕育出豐碩的果實。

(2)藉由「產業化技術」計劃,建立我國所需要之奈米技術平台,促進奈米技術產業應用,落實核心技術持續養成,奠定我國奈米科技厚實之基礎。並與學術卓越、人才培育、核心設施建置與分享運用計劃,建立良好的互動機制,加強和產業應用領域知識之結合,建立快速擴散平台技術至產業界之模式。全力推動「創新」和「整合」,結合我國優勢產業及相關基礎學術研究,以期六年內成為奈米科技產業化的世界先導國之一。公元2008年,我國奈米技術應用影響產業值達新台幣3,000億元,投入研究及應用廠商家數達800家以上,奈米技術應用產品中自行研發IP佔10﹪以上。公元2012年,相關影響產業值則達新台幣1兆元,投入研究及應用商家數達1500家以上,奈米技術應用產品中自行研發的IP佔30﹪以上。

(3)藉由「核心設施建置與分享運用」計劃,建構國際級奈米共同實驗室,以知識化網路提供奈米檢測/製程服務。以奈米專長領域之Processing Technology、Domain Knowledge以及設備平台技術,發展奈米檢測/製程設備。整合國內學術界、產業應用奈米科技研發人才、資源和尖端設備,追求卓越的奈米科學研究與產業應用技術的研發,並提供國內學術研究、產業應用研究之技術及量測支援,以促進國內奈米產業的發展。再建立平台技術時,將依產品特性及平台適用性,分別以奈米電子、奈米光通訊、奈米平面顯示器、奈米儲存、奈米材料/加工製程、奈米生技、奈米儲存材料、奈米購裝、奈米傳統產業的研發為載具,於建立核心技術時,又可以開發前瞻性產品,縮短開發時程及擴大研究廣度。

(4)藉由「人才培育」計劃,配合奈米國家型科技計劃規劃之工作方向,結合學校、各專業學會、研究單位、產業、中小學教師等力量,迅速提供我國發展此一重要國家型計劃,所需之各種跨領域奈米人才,且配合教育部所擬定之科技教育發展策略目標,使我國持續保有競爭力。六年內建立自中小學、大學、研究所之我國企業所需跨領域奈米科技人才之數量。每年各大學及技職學校培養出1700至3300名奈米科技相關專長學生,在職教育每年訓練出2000至4000名專才,達成我國奈米國家型科技計劃之規劃。值得注意的是,奈米科技國家型計畫所要求之跨領域人才培育,乃基於奈米國家型計畫人才培育之兩大目標:(1)訓練可以從事或領導奈米科技研究工作之人員及(2)訓練可以認知奈米科技價值,並將其產業與商業化之人才。因此奈米科技領域之跨領域人才,絕對不僅是傳統所言各科技領域之跨領域整合,而是須具備包含工程應用、基礎科學、生技醫藥、智慧財產權、科技法律、人文社會、經營管理等領域之全方位知識整合人才。