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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1 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

2 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。

3 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

4 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。

5 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。

6 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。

7 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。

8 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。

9 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。

10 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。

11 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。

12 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。

13 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。

14 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

15 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。

16 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。

17 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。

18 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。

19 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。

20 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。

21 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。

22 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。

23 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。

24 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」。

25 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。

26 規劃範圍

27 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。

28 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。

29 （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。

30 （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。

31 （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。