一、前言
中國大陸的IC製造業近年來蓬勃發展，2000年前後是重要分水嶺，過去當地企業以IDM(整合元件製造)的經營型態為主，發展速度緩慢；之後陸續從台灣、南韓、美國引入全球頂級的晶圓代工、記憶體製造、以及IDM經營典範型企業陸續投資。中國大陸半導體產業在這麼短的時間內不斷進行內部勢力或資源的交替、轉化、與重組等過程，在年產值穩定成長的表面之下，產業的變動可說是暗潮洶湧。在時間點上，2001年以台灣專業垂直分工體系為師導入晶圓代工的經營型態，這包括中芯國際、和艦科技、宏力、台積電(上海)等具備台灣色彩的企業。2006年南韓大廠Hynix與歐洲大廠STM合資在無錫設立第一座專業DRAM製造的12吋晶圓廠，2007年已成為中國大陸12吋晶圓廠產能第一大，產值躍居中國大陸IC製造業第二大。而2009年全球第一大廠IDM經營模範生Intel在大連的12吋晶圓廠也將完工量產。也就是說全球半導體公司預估2012年第一波跨入18吋晶圓廠世代的廠商(包括Intel、Samsung、TSMC)中，有二家在中國大陸佈局產能，這使得中國大陸儼然成為全球晶圓廠產能的重要佈局地。中國大陸不僅IC製造業經營型態版圖產生變動，目前主力型晶圓代工產業內部版圖也發生巧妙的變動，本文即針對這兩方面的變化進行分析。
二、中國大陸IC製造業經營型態版圖的變動
中國大陸IC製造公司的排名在新興晶圓代工公司及專業記憶體製造公司的加入後產生顯著的變化，表一為2007年中國大陸IC製造業前十大排名。2000~2005年間成立的新興晶圓代工公司快速擠進前十大，這包括了第一大的中芯國際，第四、第五、第七的和艦科技、宏力半導體、以及台積電(上海)，而第二波進入的專業記憶體公司則有海力士—意法半導體，2006年底12吋晶圓廠進入量產，2007年即擠入中國大陸IC製造業排名的第二大，顯見DRAM等具備少樣多量特性的記憶體產品，在衝量時具有相當大的爆發力。海力士—意法半導體2007年的營收達到93.6億人民幣，較2006年大幅成長292.1%，成為中國大陸IC製造業前十大中成長幅度最大的公司。單一產品大量投產、12吋晶圓廠產能的規模效益、來自母公司Hynix的全球DRAM出貨通路的支持，成就海力士—意法半導體2007年的驚人成長力道，隨著海力士—意法半導體出售無錫Fab 1的8吋晶圓廠設備給中國大陸另一家晶圓代工公司華潤上華，並積極將Fab 1升級為12吋晶圓廠，若能配合全球DRAM價格跌勢趨緩的話，則2008年中國大陸IC製造業第一大公司的地位將從中芯國際轉移到海力士—意法半導體。
表一 2007年中國大陸IC製造業前十大排名
排名
公司
營收(億人民幣)
成長率
1
中芯國際
111.4
-1.8%
2
海力士—意法半導體
93.6
292.1%
3
華虹NEC
24.3
-14.7%
4
和艦科技
19.7
-16.2%
5
宏力半導體
15.3
25.2%
6
首鋼日電
14.0
-24.2%
7
台積電(上海)
13.4
4.1%
8
上海先進
11.8
-12.5%
9
華潤上華
10.9
19.3%
10
華潤華晶微電子
8.4
-20.0%
資料來源：CCID；工研院IEK整理(2008/08)
圖一為中國大陸IC製造業第一大的中芯國際總產能，和第二大海力士—意法半導體12吋晶圓廠Fab 2 的產能比較，海力士—意法半導體在無錫的12吋晶圓廠Woxi Fab 2自2006年第二季產能持續提升，2007年第四季已達到月產8萬片12吋晶圓的產能，約當18萬片8吋晶圓，與SMIC的18.5萬片8吋晶圓接近，預計2008年Fab 2的月產能將提升至10萬片12吋晶圓。加上中芯國際淡出DRAM製造後，需積極以邏輯產品去化北京12吋晶圓廠產能，短期內不會大幅擴充產能。消長之間，海力士—意法半導體在2008年將成為中國大陸半導體總產能及12吋晶圓廠產能的第一大。
圖一 中芯國際 v.s. 海力士—意法半導體產能成長趨勢比較
三、中國大陸晶圓代工業公司版圖的變動
晶圓代工業現今仍為中國大陸IC製造業發展的主軸，佔有最大的產值比重，從2000年以後也成為中國大陸IC製造業主要的成長動力，並在全球專業晶圓代工市場佔有率的表現上有顯著而亮眼的成績，成功的取代新加坡成為僅次於台灣的全球第二大晶圓代工產業。中國大陸晶圓代工業的全球市場佔有率從2000年的1.0%，短短四年的時間就在2004年搶佔了全球專業晶圓代工業11.5%的市場比重。2005年經歷全球晶圓代工產業的一次回檔後，中國大陸的晶圓代工業似乎也呈現了換檔的情形，2005~2007年中國大陸晶圓代工業成長率表現與整體市場同步，過去快速搶佔市場佔有率的動能已不復見。圖二為2000~2007年中國大陸晶圓代工業全球市場佔有率變動趨勢。
圖二 中國大陸晶圓代工業全球市場佔有率變動趨勢
而中芯國際為中國大陸專業晶圓代工業的第一大，也是這一波新興晶圓代工公司快速搶佔市場佔有率的顯著案例，在提升中國大陸晶圓代工業全球市場佔有率方面貢獻了一半的比重。而中芯國際面臨的成長瓶頸也突顯出過去當地同類型發展模式的晶圓代工業者，也走到了要調整公司策略的時候。過去的策略簡而言之就是交換策略，包括用產能、股權來換技術、訂單這類的情況。但相較於中芯國際把交換策略發揮到極致而過度虛胖，當地的其他晶圓代工公司諸如：和艦科技、宏力半導體等則顯得穩紮穩打，而在2005年以後市場比重開始穩健上揚。
中芯國際在中國大陸晶圓代工業的市場地位也有自2005年高點下滑的傾向，2002~2007年中國大陸晶圓代工公司市場版圖變動趨勢如圖三所示。中芯國際自2002年快速擠壓當地的華虹NEC以及上海先進等公司，2005年之後則因成長力道不如其他公司諸如：宏力、華潤上華等而呈現下滑的現象。
圖三 中國大陸晶圓代工公司市場版圖變動趨勢
晶圓代工四強製程營收分佈如圖四所示，TSMC、UMC在2008年第二季相較於去年同期(2007年第二季)，在90奈米以下製程營收佔公司整體營收比重都有顯著的增長。新加坡的Chartered則呈現90奈米製程訂單轉進到65奈米製程的情形，但整體90奈米以下的比重與去年同期相較並沒有顯著增加，這顯示Chartered在客戶群以及產品線方面都不如台灣的TSMC及UMC。而SMIC的情況則顯示出不僅在65奈米先進製程市場的發展上落後其他三家公司外，在90奈米製程市場則缺乏新客戶、新產品線的情形。SMIC在製程發展及客戶訂單掌握度的劣勢，使得其12吋晶圓廠產能成長的空間受限，90及65奈米都屬12吋晶圓廠採用的製程。SMIC在2008年第二季12吋晶圓廠月產能低於2萬片，這也使得其後續所謂菱形佈局(北京、上海、武漢、深圳都要建12吋晶圓廠)，顯得十分飄渺。
圖四 晶圓代工四強製程營收分佈
四、IEK專業意見
中國大陸IC製造業在這麼短的時間內不斷進行內部勢力的轉化與變動，包括從本土走向國際、從傳統IDM走向晶圓代工，以及在當地晶圓代工成長趨緩後，專業記憶體大廠Hynix結合STM大舉投入12吋晶圓廠的建置(Elpida近期也宣布結合當地廠商及地方政府投入12吋晶圓廠的建置)，加上2009年CPU大廠Intel的12吋晶圓廠投產都將墊高整體產值。面對國際大廠相繼在中國大陸佈局12吋晶圓廠，台灣廠商反倒在政策釋出有意開放12吋晶圓廠投資大陸之際顯得保留。其實，從SMIC近年來的12吋晶圓廠產能發展不如預期也能看到一些端倪。不同於DRAM、CPU這類型的廠商只要建廠即能大量利用自身的品牌、通路銷貨，晶圓代工公司的成功來自於對廣大委外代工的客戶群提供最佳的服務(技術、成本、交期、品質、彈性…..)等整體的助益。相較於SMIC為迎合地方政府而做的菱形佈局(累死自己以及客戶的工程師)也較不具規模經濟效益；台灣廠商選擇以廠房集中、產業群聚、單一廠規模經濟的成本利益以及便利性來提供客戶優勢，因此產能規劃走向月產6~10萬片12吋晶圓的規模發展。
政府的12吋晶圓廠開放政策能提供廠商更佳的佈局彈性，若能與：
客運常態直航：方便國際、及對岸客戶來台灣生產據點洽商。
貨運常態直航：方便台灣IC製造廠商出貨大陸。
投資、併購等行為能在兩岸法令上全然開放：方便台灣廠商用最有效率、成本效益、及彈性的方式進行兩岸分工佈局。
人才來台工作條件的鬆綁：擴大台灣廠商人才庫，即便將產能集中台灣也能有充裕的人才吸納進來為我所用。
等與對岸一起談，既有助於提升台灣IC製造業的優勢，也能降低台灣廠商赴大陸設12吋晶圓廠的誘因，甚至有助於吸引國外廠商擴大在台設立12吋晶圓廠。
而面對中國大陸IC製造業顯性(產值)或隱性(產業結構)的變動趨勢，台灣廠商持續保持高度的關注以及彈性的態度，並積極提升公司的整體競爭力，必能常保台灣晶圓代工業的長久發展優勢。
2008年12月1日 星期一
半導體技術推動次世代PC的出現
以往PC的微型化主要是靠半導體製程的進步，藉由製程不斷微縮以降低單一晶片的功耗與體積，如此可縮小PC晶片的體積、耗能以及散熱。但就一台完整的PC主機來看，內部包含了CPU、南北橋晶片組、繪圖晶片、音效晶片、通訊晶片、擴充槽、儲存裝置及許多被動元件，單單降低單一晶片的體積對整個系統的微型化助益不大。針對此問題，半導體產業界逐漸採用晶片整合技術，例如SiP系統級封裝、SoC單晶片設計或是晶片3D堆疊技術，將多顆晶片進行整合，進一步縮小多晶片的佔用面積、功耗與成本，讓傳統PC多晶片架構透過一個單一晶片即可達成。
各半導體元件製程導入趨勢
若要找出在過去十年受晶圓代工產業興起衝擊最大的IDM公司以及半導體元件市場，可從各元件在不同時期採行的製程技術看出來。圖為1990、1997、2004、及2008年各元件導入製程技術的平均值。
我國奈米電子發展現況及推動策略
彙總摘要
本文首先從美國、日本、南韓…等國家檢視全球奈米電子的發展現況，然後檢視我國在奈米電子元件、奈米顯示元件、奈米機電技術…等各技術研究群的發展現況，於是指出未來全球特別值得注意之奈米電子(包括：奈米碳管材料、電子元件及應用、場發射顯示器、掃描探針顯微術…等四方面)的發展趨勢，最後從我國奈米電子的優劣勢分析、推動架構、發展策略…等方面說明推動策略，並於結論中建議我國奈米電子應該搭配的推動方案，其中特別提出「百億元經費經費從何而來？該如何分配？」、「獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果」、「我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基」、「建議政府應該開放大陸科技人士來台」、「亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配」…等諸多面向的思考議題，最後在我國奈米電子發展推動方案中，除了建議成立「奈米製程模擬中心」「奈米元件設計中心」「奈米系統技術人才」之外，特別呼籲促進「奈米社會研究社群」「奈米創意投資社群」的形成，從中激盪出適合奈米技術的Business Model，甚至輔導研發人員提出創業計劃，進而注意奈米對國家競爭力、產業演進、消費市場…等的影響。
目 錄
第一章 緒 論 1一、研究緣起及範圍 1
第二章 全球奈米電子的發展現況 4一、美國奈米電子技術的研發現況 4二、日本奈米電子技術的研發現況 51.以能源、奈米IT、生命科學、環境為四大發展目標 52.日本新設奈米電子相關研究所 5三、南韓奈米電子技術的研發現況 7四、綜 整 8
第三章 我國奈米電子的發展現況 11一、工研院電子所發展的奈米電子元件 11二、工研院電子所發展的奈米顯示元件 12三、工研院材料所應用奈米材料於各型顯示器 13四、工研院機械所發展的奈米加工及顯微技術 141.奈米加工及微製造技術 152.奈米設備技術 153.奈米元件與系統技術 15五、工研院光電所奈米級儲存光碟 19六、工研院光電所∕化工所共同投入開發奈米光通訊 19七、DNAIC公司發展DNA分子IC 21八、綜 整：我國奈米電子技術研究群 23
第四章 全球奈米電子的發展趨勢 24一、何謂「奈米碳管」(CARBON NANOTUBE) (CNT) 24二、奈米電子元件及應用 251.各取所需：數位電腦∕類比電腦 252.奈米雷射：廣泛應用在3C 263.混合應用∕直接競爭、各取所需∕零和競爭 26三、奈米碳管場發射顯示器 (CNT-FED) 271.CNT-FED的優點 272.場發射顯示器(FED)技術原理 283.全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商 284.半導體薄膜製程製作FED的發展限制：中∕小尺寸 305.大尺寸的CNT-FED 316.CNT的製備…運用於厚膜式FED 327.CNT-FED的競爭廠商 328.掃描探針顯微術 (SPM) 34四、全球奈米電子的產值 37
第五章 我國奈米電子的推動策略 38一、我國奈米電子競爭優劣勢分析 381.優勢 382.劣勢 39二、我國奈米電子推動架構 40三、我國奈米電子發展策略 41
第六章 結論與建議 42一、結 論 421.跨出國門並朝向「次世代電腦」架構發展 422.「數位電腦∕類比電腦」應朝混合應用∕各取所需的方式演進 423.有足夠的時間追上「量子電腦」的新時代 43二、建 議 431.百億元經費經費從何而來？該如何分配？ 432.獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果 453.我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基 454.建議政府應該開放大陸科技人士來台 455.亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配 466.建議我國奈米(電子)發展推動方案 46
圖表目錄
圖一 工研院電子所的CNT-FED效果及截面 13圖二 超精密基板延性加工技術關鍵技術與製程設備 17圖三 微放電加工機 17圖四 微放電加工元件 18圖五 AFM加工機 18圖六 用DNA奈米生物技術製程的IC 21圖七 單層奈米碳管(SWNT)與多層奈米碳管(MWNT) 25圖八 美國PIXTECH∕友達光電代工的薄膜式FED 29圖九 SONY/CANDESCENT公司的薄膜式FED 30圖十 SAMSUNG SDI公司的CNT-FED 33圖十一 我國奈米技術發展架構(以ITRI為例) 40圖十二 我國奈米技術發展策略 41表一 本文研究架構 3表二 日本新設立奈米研究所據點及其研究內容 7表三 各國奈米電子的研究發展動向 9表四 DNAIC公司 22表五 我國奈米電子技術研究群 23表六 探針型儲存技術之記錄密度 36表七 台灣目前的競爭優劣勢分析 39表八 我國奈米(電子)發展推動方案 47
第一章
緒 論 一、研究緣起及範圍
全球科技產業正面臨有史以來最嚴重的不景氣，業者最直接的反應就是投資縮減，但是卻有一個十分先端的技術吸引美國、日本、歐盟…等科技強國，加碼十億美元以上的資金。是什麼技術這麼有魅力？…它就是被視為半導體下一代技術有關的「奈米科技 (Nano-Technology)。
由於奈米科技這個領域在1990年以後才趨於明顯，所以它仍是相當新的領域，加上奈米(10-9m)可以廣泛應用在電子、材料、生物…等眾多科技領域，各國為提升研發效率，儘管投入的資金龐大，分散在不同的領域當中，但是各國卻可各自在所擅長的領域發展所特殊應用。
由於傳統IC細微化即將達到極限，要想將這個前鋒邊緣推得更遠，以尋求更快且省能源的電晶體，我們不但要探索操作原理跟傳統相當不同的新型的IC－例如：製作只用一個共振穿隧電晶體的邏輯閘、用一個共振電晶體來做記憶單元的記憶體…等－甚至必須觸及背後所蘊藏奇異詭譎的量子效應問題。未來奈米科技所發展出的量子電晶體其應用重點不只是降低元件的尺寸，或者增加單一元件的速率而已，而是利用這些新元件從事特殊的功能。
本文所探討的奈米電子技術之研究範圍包括以下三部分：1. 奈米電子元件(Nano Electronics)：包括SiGe量子元件、自旋電子(Spintronics)元件、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件(CNT Devices)、量子元件 (Quantum Devices)、單電子電晶體(Single Electron Transistor, SET)、SiGe 光電元件/IC、SiGe 共振穿隧二極體/HFET、奈米構裝技術。2. 奈米機電技術(NEMS)：包括奈米探針/奈米操控系統 (Nano Probe/Manipulation)、奈米製造技術 (Nano Fabrication)。3. 奈米光電技術(Nano Photonics)：例如Quantum Dots (III-V)、T-bit data storage、Nano-electronic Display。
本文首先從美國、日本、南韓…等國家檢視全球奈米電子的發展現況，然後檢視我國在奈米電子元件、奈米顯示元件、奈米機電技術…等各技術研究群的發展現況，於是指出未來全球特別值得注意之奈米電子(包括：奈米碳管、電子元件及應用、場發射顯示器、掃描探針顯微術…等四方面)的發展趨勢，最後從我國奈米電子的優劣勢分析、推動架構、發展策略…等方面說明推動策略，並於結論中建議我國奈米電子應該搭配的推動方案。
表一 本文研究架構資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2002/01)
第二章 全球奈米電子的發展現況
一、美國奈米電子技術的研發現況
2000年1月美國前總統柯林頓推動 「國家奈米技術策略(NNI)」讓資訊技術(IT)革命興盛而帶動美國的景氣，當時被認為是柯林頓政府的一大得意政績。在2000年底舉行的國際電子裝置博覽會(IEDM)中，包含IBM、朗訊、英特爾、美國加利福尼亞大學…等機構相繼表示將開發出僅分子或原子般大小的奈米級半導體，正式為奈米級半導體時代揭開序幕。美國2000年更已編列4.23億美元經費，進行奈米技術開發。美國目前在奈米技術方面的研究中，是以合成、化學品、生物…等方面處於全球領先地位，而在奈米裝置∕設備的生產、陶瓷及其它結構材料方面則略遜於日本。但是美國仍將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域，以其具壓倒性優勢的「資訊」與「生物技術」與奈米技術融合；2001年美國更投入約5億美元加速奈米技術的研究，其600件研發計畫經費中大學和民間分佔七成和三成。另外在產業界方面，2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造！雖然該公司已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是對於商品化的時間初步認為大約是在2010年。
二、日本奈米電子技術的研發現況
1. 以能源、奈米IT、生命科學、環境為四大發展目標日本在奈米技術的基礎研究方面較晚於歐美國家，但在應用技術方面卻凌駕歐美。2000年日本成立「奈米技術發展戰略推進會議」組織，制訂出國家奈米技術研發策略，並N奈米技術列為新五年科技基本計畫的研發重點。在日本國家奈米技術研發策略中，訂定有能源、奈米IT、生命科學、環境四大發展目標，在這四大領域中，總計有147個研發項目。過去日本在超微細加工方面表現得相當突出，基礎研究也做得不錯，目前則是在奈米設備和強化奈米結構領域坐擁全球優勢。日本已在2001年5月初成立一個名為「奈米技術推進會」的官方組織，整合產、官、學界，將分為DNA晶片、奈米碳管(Carbon Nanotube) IC、無機奈米材料等獨立計畫。日本該項研究基地位於關西，除有多所一流大學及產業研究單位投入外，還吸引包括松下電器、武田藥品、住友化學、三菱電機、NEC…等91家業者參與，規模相當大。
2. 日本新設奈米電子相關研究所受到美國將奈米研發工程列為國家重點計畫的刺激，日本各國立大學、政府研究機構等紛採取產學合作模式，設立奈米研究所(如下表二所示)以對抗美國的研發攻勢。設立奈米研究所的學術機構，包括東京大學、大阪大學、東京工業大學、東北大學、隸屬文部科學省的獨立法人「物質材料研究機構」等，投入研究計畫的學術人員總計約數百人。東京大學的「Nano Material Center」於2001年成立，製作高分子、金屬等材料物質的資料庫，以進行新材料的研發工程。大阪大學將於2002年4月成立「產業科學Nano-technology Center」，旗下分材料、生化等10個研發部門，未來重點將置於產業應用，研發可植入人體的:奈米生物晶片。東京工業大學的「量子Nano-electronics Center」，將進行量子計算機用基礎元件開發，量子計算機可在瞬間完成超級電腦需時1年的演算作業。為此，東京工業大學將斥資40億日圓，在2003年於筑波市建設相關材料的研發設施。東北大學則與夏普等9家民間企業合作，進行半導體生產用:奈米技術研發。此外，在日本總合科學技術會議即將開會決定的「次期科學技術基本計畫」中，已將:奈米技術列為重點戰略研發計畫。企業界則有奈米技術產業化計畫，富士通亦自行成立研發超高速電腦的奈米研究所。
表二 日本新設立奈米研究所據點及其研究內容
學術機構
研究單位
設立時間
研究計劃內容
東京大學
2001年
製作高分子、金屬等材料物質的資料庫，以進行新材料的研發工程。
大阪大學
產業科學Nano-technology Center
2002年4月
旗下分材料、生化等10個研發部門；未來重點將置於產業應用，研發可植入人體的奈米生物晶片。
東京工業大學
量子Nano-electronics Center
2002年4月
將進行量子計算機用基礎元件開發，量子計算機可在瞬間完成超級電腦需時1年的演算作業。將斥資40億日圓，在2003年於筑波市建設相關材料的研發設施。
東北大學
未來情報社會研究館
2001年10月
與夏普等9家民間企業合作進行半導體生產用奈米技術研發。
物質材料研究機構
Nano材料實驗
2003年完工
高性能材料
理化學研究所
考慮設立大型研究機構
-
-
富士通
Nano-technology Research Center
2000年12月
研發超高速電腦的奈米研究所資料來源：日本經濟新聞 (2001/03) ；工研院經資中心ITIS計畫 (2002/02)
三、南韓奈米電子技術的研發現況
南韓科學技術部宣佈2001年將投入230億韓元(約1,821萬美元)發展奈米技術，尤其對於Tera級半導體元件，爾後10年每年還要追加154億韓元發展。此外，2001年將挹注52億韓元，成立4座研究中心，藉以培育人力。
南韓政府亦已在日前勾勒出研發願景，希望能夠在2010年前發展成為全球10大握有奈米技術的國家之一。為實現該項願景，南韓政府2001年也正式敲定將投注1.37兆韓元，進行奈米相關技術研發、扶植人力，並進行基礎設施。南韓的計劃中想要發展出34項關鍵技術，並培育出1.3萬名技術人才。
南韓在2000年4月與美國的學術界就已攜手開發出奈米碳管電晶體(Carbon Nano-Tube Transistor)，這在國際合作上特別值得我國借鏡與參考。
四、綜 整
此外，歐洲方面對奈米技術的投入也已達數億美元之譜，更將奈米技術列入歐盟2002~2006年科技研發計畫重要項目。目前歐洲在塗層和新儀器應用方面處於領先地位。
中國大陸在80年代就著手於奈米技術的基礎與應用研究，更將奈米技術研究列入為國家「攀登計畫」「863計畫」和「火炬計畫」項目，投注總經費約達700萬，參與的企業有100多家。未來，中國大陸每年將投入約5億人民幣在奈米科技領域。
表三 各國奈米電子的研究發展動向
項 目
說 明
備 註
美國：?政府
2000年1月美國前總統柯林頓推動「國家奈米技術策略(NNI)」，讓資訊技術(IT)革命的興盛能帶動美國的景氣。
當時被認為是柯林頓政府的一大得意政績。
?優勢
雖然在奈米裝置、奈米設備、陶瓷、其它結構材料方面略嫌遜色。
但其合成、化學品、生物方面則處於全球領先地位。
?策略
將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域。
以其具壓倒性優勢的「資訊」與「生物技術」與奈米技術融合。
?經費
2001年美國更投入約 5億美元加速奈米技術的研究。
其600件研發計畫經費中大學佔七成∕民間研究佔三成。
?IBM
2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造；
雖然IBM已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是業界對於商品化的時間初步認為大約是在2010年。
日本：?政府
2000年日本成立「奈米技術發展戰略推進會議」組織，制訂出國家奈米技術研發策略。
並將奈米技術列為新五年科技基本計畫的研發重點。
?優勢
日本在奈米技術的基礎研究方面較晚於歐美國家。
但在應用技術方面卻凌駕歐美。
日本在超微細加工方面表現得相當突出，基礎研究也做得不錯，據推估5~10年後就能和美國相抗衡。
目前則是在奈米設備和強化奈米結構領域坐擁全球優勢。
?目標
訂定有能源、奈米IT、生命科學和環境四大發展目標。
在這四大領域中，總計有147個研發項目。
?經費
2001年度獨立行政法人的分配研究預算為295億日圓。
指定以奈米技術為核心的「材料」領域為四大新科學技術重點領域之一。
?政府
希望能夠在2010年前發展成為全球10大握有奈米技術的國家之一。
2001年正式敲定將投注1.37兆韓元，計劃發展出34項關鍵技術，並培育出1.3萬名技術人才。
?國際合作
2000年4月南韓與美國的學術界已攜手開發出奈米碳管電晶體(Carbon Nano-Tube Transistor)。
歐洲：?經費
對奈米技術的投入也已達數億美元之譜。
更將奈米技術列入歐盟2002~2006年科技研發計畫重要項目。
?優勢
在塗層和新儀器應用處於領先地位。
中國：?計劃
在80年代就著手於奈米技術的基礎與應用研究。
更將奈米技術研究列入為國家「攀登計畫」「863計畫」和「火炬計畫」項目。
?經費
投注總經費約達700萬，參與的企業有100多家，未來每年將投入約5億人民幣。
中國大陸之後又在「奈米論壇」中宣稱預計五年內投入150億人民幣！
資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2001/08)
第三章 我國奈米電子的發展現況
一、工研院電子所發展的奈米電子元件
工研院電子所整合全院的前瞻計畫，將以自旋電子(Spintronics)、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件(CNT Devices)、量子元件 (Quantum Devices)等4個主題切入，期望未來能利用奈米技術大幅提升晶片密度與速度、降低消耗功率，並結合台灣完整的半導體產業基礎朝3C的應用上發展。?自旋電子元件與製程技術除了在磁性記憶體方面，建立大面積磁性薄膜成長技術、磁性記憶元件與CMOS整合技術和讀∕寫機制驗證外，亦發展室溫操作、高注入效率之自旋電晶體元件設計與開發。?新介電材料方面則開發高介電材料將取代傳統的二氧化矽(SiO2)而大幅縮小漏電流，並符合未來奈米元件基本電性的需求。奈米碳管元件乃利用奈米碳管小尺寸、高導通電流密度、高導熱度…等先天材料特性，將可突破現有電子元件限制而達到更好效能與元件密度。?量子元件研發可分為矽鍺元件(SiGe Devices)和單電子電晶體元件(Single Electron Transistor；SET)兩類，前者主要利用其異質介面、晶格不匹配的特性，形成奈米尺寸的量子點與量子井結構，製作新的相關光電元件，增加矽半導體之新應用領域；後者主要開發室溫下能夠操作的單電子電晶體，並製成具低消耗功率、高集積密度與低漏電流之積體電路。
二、工研院電子所發展的奈米顯示元件
從1992年經濟部科專計畫支持的FED基礎技術研發開始，電子所已陸續開發出高亮度3吋FED實驗樣品和4吋商品規格樣品。隨著全球相關技術的進步與元件特性被證實，數年前研發團隊在尚無標準化製程及材料可資依循的情況下，即對奈米材料及製程進行評估與技術改良，也因此電子所FED技術由1999年的薄膜式(Spindt) FED製程精進至CNT-FED的厚膜網印製程，朝無視角限制、高亮度、低成本以及省電的大尺寸平面顯示器邁進。從奈米碳管材料的配製、陰陽極板的製成、網印、陰陽極板的封裝到CNT-FED的產生，完全由研發團隊於工研院的實驗室內完成。工研院電子所(ERSO/ITRI)於1999年初，開始將FED的陰極技術由薄膜製程轉換到厚膜製程，並於同年的7月於IVMC'99提出二極CNT-FED，隔年5月於SID'00展示7-segment之CNT-FED，及一全新結構之reflective CNT-FED，並於今年SID'01展示運用於車用顯示器之4吋CNT-FED (如下圖一所示)，另將於2001年底完成10吋QVGA彩色CNT-FED，至目前為止，電子所之CNT-FED計畫已完成8篇國際論文發表，以及16項國內外專利之產出，並已有廠商參與研發。CNT-FED此項前瞻性技術目前在國際上僅有Samsung、ISE電子、NEC…等廠商進行研發中。電子所正與工研院化工所、材料所合作發展，朝10吋厚膜全彩FED技術前進。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖一 工研院電子所的CNT-FED效果及截面
三、工研院材料所應用奈米材料於各型顯示器
目前顯示器主流技術仍以液晶顯示器為主，有機電激發光顯示器及電槳顯示器為輔，另正興起的場發射顯示器亦將因技術精進而朝高精細及大型化的趨勢發展。其中有機電激發光顯示器所需材料在近幾年已逐步應用奈米材料科技，使得此項顯示技術有所突破；目前多彩OLED顯示器已商品化，正邁向全彩OLED量產技術開發中。另外液晶顯示器及場發射顯示器相關材料領域在未來五年內，也將因奈米科技應用而有技術突破，材料趨勢朝複合化、輕型化、薄型化、大型化及低成本發展，以提升LCD及FED產業創新性及競爭力。
預計工研院未來五年將藉奈米科技結合現有技術，將平面顯示器研發方向鎖定在厚膜網印型場發射源技術與整合型可撓式TFT-LCD基板技術。
?前者製程技術採用厚膜網印方式，將使FED不但具有薄型、高亮度、高對比、廣視角、反應速度快、低功率消耗等性能，且能以大面積及低成本製造；其開發重點包括奈米碳管的量產技術、新穎模板型場發射源材料及製程、奈米材料場發射源元件製作…等，可望解決現存 CNT-FED均勻性不良、高成本、壽命…等問題。
?至於整合型可撓式透明基板技術則是以奈米混成基材為主軸，再整合偏光、廣角、高彩、配向…等特性技術，使LCD面板厚度可降至0.5毫米，具輕、薄及低成本等優勢，未來更可朝大量整捲式連續生產製程技術(Roll-to-Roll)發展，藉著奈米科技的應用，將使得FED與LCD材料有跳躍式創新。
四、工研院機械所發展的奈米加工及顯微技術
為配合未來國內半導體產業、精密機械產業、資訊電子產業之需求與技術發展趨勢，工研院機械所乃規劃研提「奈米工程及設備技術研究四年計畫」(1998~2001)以建立微元件製造∕設備∕檢測技術、微組件∕微系統組裝及檢驗技術、機∕光∕電∕磁之微系統整合與設計技術…等以應用在未來精密微小多功能之產品，進而協助國內廠商建立奈米加工技術及微機電系統技術，並提升產業整體的國際競爭力。包括：
1. 奈米加工及微製造技術?發展矽晶圓和陶瓷基板之延性加工技術及拋光技術(如下圖二所示)。
2. 奈米設備技術?發展微放電加工機器設備之硬體設計及軟體開發能力。?發展複合微機械元件加工機器設備之硬體設計及軟體開發能力(包括：微電鍍、能量東加工、AFM加工…等)，並建立微元件組裝及檢測技術。
3. 奈米元件與系統技術?發展微機電系統關鍵零組件之設計及微元件積體化特殊製程技術?整合微致動器、微感測器、微控制器…等以發展智能化、積體化之微機電系統。
首先根據年度計劃目標的需求進行設計規劃，並在通過審查定案後成為本工作項目的執行藍本；另外將與計劃相關之基礎研究，以學校委託合作計劃方式，請具備相關研究能力之國內學術單位進行研究。
接著針對定案的設計方案提出所需的設備功能之驗證方法，即所謂的驗證規劃，並於通過審查定案後成為各項設備功能之驗證依據。然後根據定案的設計規劃方案開始執行各項設備之相關設計。
在各項設備之設計初步定案後，提出設計報告並進行審查與修改，而定案之設計報告成為設備細部執行之依據，而計畫內將進行研製的各項設備之詳細說明如下所示：(1)複合微放電加工機(如下圖三所示)：開發完成之微放電加工機定位精度達1um，電極修整達φ20um，除可加工一般金屬材料外，亦從事非金屬材料之加工研究(如下圖四所示)。(2)原子力顯微加工機(如下圖五所示)：研究重點在於奈米定位技術、加工探針技術、系統整合技術…等，目前已完成雛型機之開發並驗證功能中。(3)近場光學加工機：本項研究重點在於近場光學加工機制之建立、光纖針頭試製、精密定位裝置之研製…等，預計未來可應用於資料儲存。
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖二 超精密基板延性加工技術關鍵技術與製程設備
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖三 微放電加工機
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖四 微放電加工元件
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖五 AFM加工機
五、工研院光電所奈米級儲存光碟
以光儲存的觀點來看，光點大小決定了儲存容量的大小，也就是較小的光點才能讀寫較小的訊號點，也才能有較大的儲存容量。以一片12公分的光碟片而言，CD的儲存容量為650MB，DVD單面單層的儲存容量為4.7GB，而未來進入到奈米科技時代，以一個次奈米級(Sub-Terabyte)來說，存容量約100GB，而奈米級(Terabyte)可能的儲存容量將大於1000GB，所以未來如發展到奈米級儲存光碟片，其容量將是現在的DVD光碟片的數百倍。
目前世界上有多項積極開發達到奈米級儲存的技術，例如：近場儲存技術、光寫磁讀技術、光碟刻版技術、超解析近場光碟片技術、3D儲存技術…等；工研院光電所已結合院內相關科所組成奈米存儲研發團隊，並與國內研究單位如中研院、台大…等，定期開會研究，積極朝次奈米及奈米級的技術努力，預計在五年內會有成果呈現。
六、工研院光電所∕化工所共同投入開發奈米光通訊
「光纖到家」絕對是解決頻寬問題的最終方案，但始終窒礙難行，根本問題在於光通訊元件的成本昂貴，其中，最主要原因在於處理元件的體積相當大，尚無法像電子元件一樣，被整合於其一，也導致光通訊元件的生產成本無法降低。現階段工研院的奈米光通訊計畫係已整合光電所與化工所兩方的研發團隊，共同投入奈米光通訊技術的研發，該計畫將著重在光子晶體、量子點長波長雷射、非線性光學材料技術上，並開發具自排性質的奈米材料及奈米製程技術，使光通訊元件所製出的特殊奈米結構有突破性的發展，奈米光通訊技術可將原來體積很大的光通訊元件縮小約100倍，同時亦可將不同功能的光通訊元件集結在單一的基板上，因此光通訊元件可以使用與IC一樣的製程，用積體電路的方法來製作，大量生產而巨幅降低製造成本，同時縮小光通訊元件的體積。?在光通訊系統中如何穩定光源是光通訊傳輸的必備條件，其中長波長面射型雷射(VCSEL)是備受重視的雷射光源，而量子點長波長雷射最大的優點為高溫度穩定性及低運作電流，是製作光通訊用雷射的熱門材料，光電所以MBE(分子束磊晶法)成長InAs量子點長波長雷射，目前已經完成連續發光邊射型雷射，將提昇國內在關鍵光電元件的技術水準，為台灣光通訊產業建立製作長波長面射型雷射的自主能力跨出重要的一步。?為能達到光通訊元件微小化及低成本的目標，另一項重要之關鍵在開發自排性質之奈米材料，尤其運用有機材料之加工方便的性質，可達到高性能與低成本的雙重優點。化工所將與光電所密切合作，投入有機非線性材料之開發，並以化工所已建立之分子設計技術，建立自排性高分子的合成，排列、製程技術，應用到光通訊系統所需的光開關等多項關鍵元件上。
七、DNAIC公司發展DNA分子IC
DNA作為相關半導體運用是可行的，以DNA為半導體的觀念在全球並非沒有人想到；但是將DNA由半導體轉變為IC元件(如下圖六所示)則尚未出現。DNAIC公司(如下表四所示)選擇用直徑只有2nm的DNA分子做半導體材料，不但有別於目前高污染的酸洗光蝕刻製程，更直接跳脫0.1um (微米)製程的極限，一舉跳躍到0.002um製程，加上DNA分子三度空間的接合能力，讓IC基板上所容納的電子元件數目不斷倍增而達到更高的運算效率。DNA材料不但取得容易，製作過程也符合環保，況且成本低廉；然而目前此技術尚在實驗室階段，面臨量產時的穩定性將是真正的考驗；若果真成功則將是生物與半導體前所未有的跨領域突破。
資料來源：DANIC (2001/06)圖六 用DNA奈米生物技術製程的IC
表四 DNAIC公司
項 目
說 明
備 註
公司資金
2000年9月成立之後的初期實收資本為新台幣3000萬元
核心團隊
張春金 (董事長)
陳柏瑞 (總經理)(26歲擔任)
擁有五位西屋科學獎得主的年輕團隊，成功研發出第一片「DNA Inside」的IC晶片。
發展進度
籌資建置自有的合成實驗室，並預期在2?3年內(近程目標)完成市場化產品開發。
快則2年內即可進入量產，慢則甚至需要5年時間才會成熟。
公司定位
DNAIC為生物技術基礎研究的公司，營業項目包括：建立DNA材料電性數據資料庫、
DNA導線及電子電路元件技術研發、DNA半導體材料製造技術轉移。
核心技術
以DNA作為IC的材料，主要是利用DNA染色技術、抗癌藥物與DNA之間的鑲嵌原理，以及不同的摻質處理與DNA序列的設計。
以此改變DNA雙股螺旋分子間的能隙，控制其導電性，以取代現在的光蝕刻技術。
自有專利
利用染色技術、已發現至少300種可控制並改變DNA能隙與導電性的摻雜材料。
另外，在全球13國的專利申請作業亦已同步展開。
授權專利
未來希望與產業界的合作，採取專利授權及共同開發的方式。
DNAIC將可專注核心IP的基礎研究
目前已取得台灣DNA-Based Integrated Circuit專利，在美國也獲得專利申請的優先權。
已在全球13國同步展開專利申請作業
合作廠商?崇仁科技
為一心室半導管製造商，目前是DNAIC唯一的法人股東。
提供廠房、部分實驗室與器材，出資3億元加蓋無塵室。
?其它廠商
電性測量委外(德儀、海洋大學、交通大學)認證
投資廠商
包括中華開發、台積電、英特爾及威盛在內，均對以DNA作為IC材料在半導體製程應用興趣濃厚。
目標客戶
初期將客戶群鎖定IC設計公司。
提供電路設計所需的電子元件電性參數及製程整合設計。
未來將技術漸次推展至IC製程設備製造商，以及晶圓代工業者。
分別提供製造機台所需參數及關鍵技術，以及DNA電子元件生產技術服務。
競爭廠商
目前英國、以色列都有團隊在進行DNA-IC的奈米生物技術。
(英國甚至還將相關技術列為國家機密加以特別保護)
競合方式
積極與具有互補性的以色列公司尋求合作機會。
資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2001/08)
八、綜 整：我國奈米電子技術研究群
以下將我國奈米電子技術相關研究群綜合整理成如下表五所示：
表五 我國奈米電子技術研究群
年度
研究主題
單位∕學校
計畫主持人
1999-2000
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
林本勝
1998-1999
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
章少衡、 林本勝
1997-1998
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
鄭泗東、林盈熙
2000-2003
雷射及同步輻射在自由基尖端研究之應用
清華大學
陳益佳、李遠鵬
1999-2000
子計畫二:二元C－N材料場效發射顯示技術
台北科技大學機電整合技術
林啟瑞
1999-2000
奈米級三次元量測儀研製---子計畫III
台灣大學機械工程系
張所鋐
1999-2000
奈米級三次元量測儀研製---總計畫
台灣大學機械工程系
范光照
1999-2000
原子力顯微鏡奈米加工技術研究
成功大學機械工程系
翁政義
1998-1999
奈米級三次元量測儀---子計畫II：超精
台灣大學機械工程系
范光照
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫III
台灣大學機械工程系
張所鋐
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫I：奈
台灣大學機械工程系
鍾添東
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫I：奈
台灣大學機械工程系
鍾添東
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---總計畫(I)
台灣大學機械工程系
范光照、鍾添東、張所鋐
1998-1999
原子力顯微鏡奈米加工技術研究(I)
成功大學機械工程系
翁政義
1997-1998
單電子三極體之電荷效應(一∕二)
中央研究院物理研究所
陳啟東
-
利用MBE成長自組裝半導體奈米結構
清大物理系
果尚志
-
STM Observation of B
中山化學所
陳俊顯
資料來源：工業材料 (2001/09)；工研院經資中心ITIS計畫 (2002/02)
第四章 全球奈米電子的發展趨勢
一、何謂「奈米碳管」(Carbon Nanotube) (CNT)
1991年飯島澄男教授(Prof. S. Iijima)在研究碳簇時偶然發現奈米碳管 (Carbon Nanotube) (CNT)，其為直徑只有數個到數十奈米(nm)的多層管狀碳材(圖七)。此後國際上許多的單位投入成長CNT及研究其特性，至於CNT的場發射電子特性，在1995年由A.G. Rinzler…等人首先確立，並被各研究單位持續改善(起始導通電場~1 V/mm，場發射電流密度~mA/cm2-A/cm2)。
依據不同之成長方式，CNT的型態一般可分為單層奈米碳管(SWNT)(直徑為數個奈米)，或多層奈米碳管(MWNT)(直徑為數十個奈米)，且由於碳原子於CNT中的排列結構的不同(包括：Zig-Zag、Armchair、Chiral三種)，可使得CNT成為半導體或導體，造成CNT不僅可使用於FED，更可運用在AFM、儲氫材料、二次離電池、生物醫學、電晶體…等。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖七 單層奈米碳管(SWNT)與多層奈米碳管(MWNT)
二、奈米電子元件及應用
1. 各取所需：數位電腦∕類比電腦數位電腦最重要的特徵是「數據」即使經過數千次的運算也不能有歪曲或是退化的情形，要達到這一點則必須在計算的每一步都能夠絕對確認一個數位的值，這個元件還必須能夠容忍相當大的雜訊。許多研究群正在探討使用這些元件來製作類比電腦的可能性，希望能夠做出來一部機器，這部機器可以做許多數位電腦不適合做的工作(例如：辨識形狀)。除了計算以外，也還有許多其他的應用領域，例如；可以用共振穿隧電晶體做放大器，放大的信號頻率可達到每秒振動4000億次；另外，調制摻雜電晶體也已經商品化了，在衛星接受機上放大高頻信號。
2. 奈米雷射：廣泛應用在3C 在最近的未來，奈米技術當中影響最大的可能是半導體雷射。雙異質結雷射和量子阱雷射都可以做得很小而且效率很高(只需要很低的功率)；又因為它們可以很容易與普通的電路整合，因此生產起來也很便宜，也已經可以製作出超過一百萬個微小雷射的特殊晶片。雖然這些仍在發展的階段，這樣的結構在廣大領域都有許多可能的應用(例如3C：光碟機、雷射印表機、光纖通訊、可攜式的小型高鑑別率電視螢幕、手錶裡的電腦顯示器)。另外，將半導體質粒製成奈米尺度便會閃耀不同波長顏色光，這些奈米質粒稱之為量子點 (Quantum Dots)，由於受量子效應使彩色光波長可藉由奈米質粒尺寸來調控，1.2nm 直徑 Cadmium Selenide 量子點發綠光，而 2.1nm 量子點則發橙黃色光。目前此一現象已用於研製高度靈敏生物晶片，理論上這類發光奈米質粒將可提供不同頻率範圍之雷射及放大器而成為光網路之關鍵元件。
3. 混合應用∕直接競爭、各取所需∕零和競爭然而回顧IC演進的歷史可以發現，開發超越現有矽技術發展慣性的新技術經常需要大量的時間和金錢，幾乎不是一家公司所能單獨負擔，現有的矽技術目前仍然以很快的速率在發展，在發展新技術所需要的時間內，它很可能已經追上來了，甚至功能還可能會超過這個預期的新技術。所以，最可能是能與現存技術混合應用而非直接競爭，例如：在一個普通電路上引進一些量子效應電晶體，在這個晶片上使用幾個速度非常快的元件來做一些特殊的功用。對於未來的微電子技術，環顧許多不同的製作基本元件的方法都發現共同具有的特色，就是它們都調制電信號，依照元件是在「開」或者「關」的狀態(決定元件會不會有電流流過)，可是有愈來愈多的研究者開始懷疑，最適合做這項工作的是不是電子，已經開始嘗試用光束來取代電子流而製作光腦(光學電腦) (或稱光學計算機)－以半導體為基礎的光學開關，製作出具有邏輯閘功能的元件，整合成能進行光學計算的新型電腦。
此外，晶片上元件之間聯繫的問題則可用引進光學連線或者超導連線的辦法來解決，在最近的未來商場上最可能出現的完全使用新技術的應用，很可能就是光學計算機，利用這種系統所具有的大量平行處理能力，可以把它用到像是影像處理之類的問題，這樣就不會與傳統以矽為主的數位計算機進行直接的競爭；況且並不是所有的元件都適合做為數位電腦的基本單元，未來所需要的比一個只會做開關轉換的元件要多得多，有必要同時思考如何在數位∕類比之中各取所需而非零和競爭。
三、奈米碳管場發射顯示器 (CNT-FED)
1. CNT-FED的優點奈米碳管場發射顯示器(Carbon Nanotube Field Emission Display) (CNT-FED)是利用厚膜網印製程及FED技術實現CRT平面化的可能性，不僅保留了CRT的影像品質，並具有省電及體積薄小之優點；同時結合奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度、高穩定性…等特性，成為兼具低驅動電壓、高發光效率、無視角問題、省電的大尺寸、低成本…等優點的全新平面顯示器。
2. 場發射顯示器(FED)技術原理傳統的場發射顯示器(FED)之三極結構，由真空封裝 (Vacuum Sealing) 技術將薄膜式的場發射陣列(FEA)所構成之陰極板(Cathode Plate)，與利用厚膜網印法製作成螢光粉層之陽極板(anode plate)，組合於高真空(10-6~10-7 Torr)的環境下，利用FEA所產生的電子源，於陽極電壓(3000-8000V)的加速下撞擊螢光粉使其發光，因此FED為一自發光顯示器，且具備高亮度、高效率、無視角、省電…等優點。其中薄膜式的FEA是由C. A. Spindt所發明的元件結構，可利用半導體薄膜製程，在一玻璃基板上製作出二維分佈(X-Y Matrix)的FEA，為了提高場發射電流的密度，在每個像素(pixel)中排列數以千計的發射尖端(tips)，這些發射尖端的材料一般以鉬(Mo)金屬為主，當施加足夠之電壓於閘極與陰極時，因量子穿隧效應(Quantum Tunneling)，電子即由發射尖端穿越金屬表面之位能障壁進入真空區。
3. 全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商目前全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商中，以美國的PixTech及Sony/Candescent為主，於是可由以下之數據可證實：薄膜式FED之元件與顯示特性，確實可達到保留CRT的影像品質並具有省電、體積薄小…等優點。(1)美國PixTechPixTech擁有場發射顯示器相關之製程技術，委由國內的友達光電代工，推出的產品以5.2吋QVGA (320×240) (1 pixel≒0.33×0.33mm)單色為主(w/o 64 gray scale) (如圖八)，依不同產品規格亮度為120~800nits，功率消耗約為2~5W，目前正研發7吋彩色FED (16:9) (480×234)，將運用於汽車之Video DIsplay。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖八 美國PixTech∕友達光電代工的薄膜式FED
(2)Sony/CandescentSony/Candescent於SID'01展示了兩款顯像品質極佳之FED (如圖九)，一為5.3吋QVGA彩色FED，亮度達1,000 nits且lifetime可達30,000小時以上，另一為13.2吋SVGA (800X600)之彩色FED，亮度為800nits且對比為800:1，因採用特殊製程製作FEA中之閘極洞 (直徑~ 0.15mm)，因此驅動電壓可低於35V。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖九 Sony/Candescent公司的薄膜式FED
4. 半導體薄膜製程製作FED的發展限制：中∕小尺寸然而若利用半導體薄膜製程來製作FED，其建廠的投資額大且受限於製程技術，因此市場將定位於中∕小尺寸，更何況此市場之競爭者已經不少(例如：STN-LCD、TFT-LCD、AMOLED…等)。雖然FED之高亮度、無視角且對環境的容忍度高，可用於軍事、儀器、汽車…等用途，但其屬於利基市場佔有率低，因此若想將FED之市場定位不受侷限於中、小尺寸，甚至朝大尺寸家用TV發展，利用不同的材料與製程方式製作FED勢必才是解決方法。
5. 大尺寸的CNT-FED在大尺寸(30~60吋)之顯示器市場中，CRT雖具備良好的顯像品質，但體積卻過於笨重，投影電視雖可改善體積問題，但顯像品質並不良好，因此整體而言，電漿顯示器(PDP)「似乎」是目前不錯的選擇。PDP的發光原理為利用加電壓方式，使氣體產生電漿而放出紫外線(UV Light)，在經由UV激發螢光粉後放出紅、藍、綠三原色可見光。至於PDP之面板製程，主要是利用網印法搭配薄膜製程製作上下板，最後再利用與FED相同的真空封裝技術，將氖(Ne)與氙(Xe)的混合氣體封入顯示器中。然而雖然大部分的PDP之製程是採用網印法製作，確實可達到大尺寸的目的，但由於基本的元件結構及發光原理特性，造成PDP具有耗電量過大(>200W)，驅動電壓偏高(>100V)，顯像系統複雜、發光效率極低(~1 lm/W)…等缺點。因此若能夠開發出一個全新的自發光平面顯示器，使其不僅將保有薄膜式FED的低驅動電壓(<50v)、高發光效率(>10 lm/W)、高亮度(>500nits)、驅動系統簡單…等特性，同時使用全厚膜網印製程，又可輕易達到大尺寸及低成本的製程優勢。然而受限於厚膜製程之解析度，所能製作出的閘極洞(gate-holes)直徑為20~100mm，若仍使用導通電場高的材料(例：Mo~80V/mm)製作電子發射源，將使得厚膜式FED之驅動電壓為800~4000V，因此尋找並研究具備低操作電場(<3>10 mA/cm2)之電子發射源材料與製程，即成為製作厚膜式FED的關鍵。
6. CNT的製備…運用於厚膜式FED製備CNT方法一般可分為三種：電漿法(Plasma Discharging)，雷射激發法(Laser Ablation Method)，金屬催化熱裂解法(Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method)。但是若要將CNT運用於厚膜式FED中，則可將成長獲得之CNT粉末調成漿料，再利用網印法塗佈成具圖案化的電子發射源；或先將觸媒塗佈在陰極電極上，再利用CVD直接於電極之觸媒上成長出CNT，而此CVD法不僅可運用於厚膜式FED，也可取代鉬金屬微尖端，運用於薄膜式場FED，在FED顯示元件中，局部的真空度變差將引發氣體游離，進而轟擊鉬金屬微尖端，使得尖端形狀改變，也可能由於封裝過程中之污染與氧化，使得鉬金屬表面位能障改變，而影響電子發射能力，若改用CNT將可改善此現象。
7. CNT-FED的競爭廠商至1995年之後，許多的單位研發CNT-FED，並且於各國際會議中，發表其先進的製程技術及元件特性，以下僅列舉其中幾個單位之結果。(1)Samsung SDI Co., LtdSamsung SDI Co., Ltd於1999年5月之SID'99，首次發表4.5吋單色且亮度為450nits之二極結構CNT-FED後，即投入大量的能量於研發CNT-FED，並於同年之IDW發表9吋彩色且解析度為240X576之二極結構CNT-FED (圖十)，於驗證CNT之特性後，在SID'00展示15吋VGA之三極結構CNT-FED，也提出一新的under-gate三極結構，並朝大尺寸面板研發。根據SDI最新的計畫，將於2002年展示1280x768之32吋CNT-FED，2005年為1920X1080之38吋CNT-FED，2006年為1280x768之24吋及1920x1080之42吋CNT-FED。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖十 Samsung SDI公司的CNT-FED
(3)NECNEC於2000年之IDW'00發表三極結構之CNT-FED，由於先前NEC並未發表相關的文章，因此特別引起注意，其CNT-FED之解析度為32X32，Pitch為700mm，一個pixel內有4個閘極，每個閘極洞直徑為100mm，在此三極結構中之導通電場為25V，當操作電壓為100V時，場發射電流密度可達14mA/cm2。
8. 掃描探針顯微術 (SPM)由於微電子元件日趨精密微小，量測的精確度變得相當重要。掃描探針顯微術 (Scanning Probe Microscopes) (SPM)因為可提供適當的奈米級量測，因而確保製造部門嚴格的品質控制與成本的降低。因此，預期未來SPM的市場需求仍會不斷擴大，綜觀其市場與技術趨勢之特色，描述如下：(1)SPM市場成長最快 在顯微技術的應用領域中，SPM正逐漸取代SEM、TEM在許多場合的應用，特別是IBM一直鼓吹半導體廠以SPM替代SEM成為標準的檢測工具；此外，SPM應用在資料儲存系統的技術將愈趨成熟，未來半導體與資料儲存業相信是促使SPM市場快速成長之主要動力。(2)SPM的技術仍在不斷延伸中自STM發明後，各式的掃描探針顯微技術亦蓬勃發展起來，廠商不斷開發具有特定用途的顯微技術，例如在探針上一層磁性材料，以磁力顯微術(MFM)來量測電子結構；其他的後續研發尚包括：磨擦力顯微術(FFM)、靜電力顯微術(EFM)、近場光學顯微術(SNOM或NSOM)、及磁力共振顯微術(Magnetic Resonance Force Microscopes, MRFM)等。這些顯微術均是藉偵測微小探針與樣品表面間的交互作用力，如：穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波、核子磁性動能(Nuclear Magnetic Moments)等來描述樣品表面之特性，均可應用於記錄資料。目前，STM與AFM為顯微技術領域中較成熟之產品，而近年SNOM亦逐漸受到重視。(3)SPM等探針型儲存技術將促進超高密度儲存系統之發展利用探針型顯微術記錄資料，選擇不同交互作用方式會影響資料密度，因此各國研究單位均投入大量的R&D，希望利用探針微小的尖端儲存資料，以期把儲存系統的密度推進到原子級的世界。列出各探針型儲存技術之方法與記錄密度(如下表六所示)：這種奈米級的資料儲存技術應用在高密度高容量儲存系統之市場潛力頗大，根據工研院機械所資料顯示，預期到公元2001年全球高密度、高容量資訊儲存系統之銷售值約210億美元。美國Terastor利用近場光學顯微術(SNOM)將磁光讀寫頭予以改進成近場光學讀寫飛行頭，而發展出近場光碟機。這個新產品較目前市場上的一般光碟機儲存容量大，單面記錄容量超過20Gbytes，且記錄密度可達12Gbits/inch2，但價格較相同容量之光碟機便宜；並且這個近場光碟機擁有讀取速度快，信賴度高之優點。
表六 探針型儲存技術之記錄密度
方法
顯微鏡種類
記錄材料
記錄密度(G bits/in2)
移動原子或分子
STM
Xe/Ni(110)
550,000
加熱寫入
AFM
PMMA
17
化學結合
STM
石墨
18,000
機械加工
STM
矽
2,000
金屬蒸發
STM
金
1,000
電荷儲存
AFM
SiNx/SiO2/p-Si
27
磁氣記錄
MFM
CoCr/NiFe
7
近場光學
SNOM
(Co/Pt)n
45
相變化記錄
AFM
GeTeSb
1,000
資料來源：工研院機械所 (2000/12)
(4)SPM技術將朝更高解析系統發展SPM在作為晶圓檢測工具時可提供達到水平或垂直尺寸1nm之解析度；IBM一直致力於這方面的研發，希望能將SPM解析度提高到2pm，此外藉助電腦影像法則亦可改善解析度之表現。(5)SPM的功能與效能將愈來愈強AFM技術不論是在懸樑尖端(Cantilever Tips)之製造，或是在探針尖端與樣品間定位技術方面，均有長足的進步。這些技術的改善，令工程師能更輕易地量測樣品的3-D結構，從而使製程品質得以持續地精進。(6)SPM在生物材料方面之應用深具潛力SPM用在分子奈米技術之研究上，特別注重可用來控制化學交互作用的反應尖端(Reactive Tips)之特性。藉著探針尖端的適當組合，研究者可促成分子達到所設計的化學結合(Chemical Bonding)。它的最終目標是要建造一個一般用途的握爪(gripper)或接受器(receptor)，當微小尖端安置在顯微探針上時，這個握爪或接受器可以依不同的反應選取不同的探針尖端，使這套系統就如標準化的chuck一樣。這項技術的研發成功，將使奈米技術應用在生物材料(Biological Materials)之市場潛力無窮。
四、全球奈米電子的產值
根據美國白宮國家科技委員會等單位對奈米技術的期許，估計未來10~15年間奈米技術的相關產品市場價值每年有機會達到一兆美元，如果將材料、電子、醫藥品、化學工業、航太、量測工具等分開計算，材料方面產值每年約3400億美元而居各類之冠；屬於電子方面的半導體工業則每年產值將達3000億美元，產值之大使奈米科技已成為各國爭相投入研究的領域。
第五章 我國奈米電子的推動策略
一、我國奈米電子競爭優劣勢分析
發展奈米電子優劣勢幾乎很多取決於我國IC產業國際競爭力，綜合分析歸納如下(如下表七所示)：
1. 優勢(1)人才：國內高等理工教育普及發達，素質整齊，而且成本相對低了許多，員工又願意全力投入，不太計較工時長短。在國內半導體工業已具備國際競爭力及獲利頗豐、地位受重視的情形下，被吸引而投入的人才日增，形成良性循環。(2)資金：雖然新廠投資額日益龐大，不過在獲利頗豐的狀況下，加上投資界十分看好IC工業的前途，所以大廠較無後顧之憂，但小公司則可能受到排擠。(3)公司實力：經營階層具備極靈活彈性、有殺傷力之策略運用能力，成本控制力十分強，代工地位他國難以搖撼。(4)相關與支援產業：高度專業分工體系，地理群聚效果顯著，可相互在最短時間內取得協調及配合。上下游均可集中資源，投注於本身熟悉之領域。(5)政府政策：持續的政策支持與賦稅優惠，營造很好的產業環境。
2. 劣勢(1)人才：尖端產品設計人才不足，欠缺創新能力。(2)技術：關鍵技術及產品發展趨勢無法掌握，除了製程及封裝能力不錯外，其他部份仍有待加強，尤其是產品設計研發技術十分薄弱，又欠缺專利談判籌碼，智財問題已日漸顯現中。(3)公司實力：大多數公司規模仍小，缺少經濟規模，風險承擔力弱。縱使是大公司，在行銷、通路方面，也仍有很多要努力的地方，國際化經營實力目前仍嫌不足。
表七 台灣目前的競爭優劣勢分析
項 目
優 勢
劣 勢
人 才
國內高等理工教育普及發達，素質整齊，而且成本相對低了許多，員工又願意全力投入，不太計較工時長短。
尖端產品設計人才不足，欠缺創新能力。
資 金
雖然新廠投資額日益龐大，不過在獲利頗豐的狀況下，加上投資界十分看好IC工業的前途，所以大廠較無後顧之憂，
但小公司則可能受到排擠。
技 術
除了製程及封裝能力不錯外，
關鍵技術及產品發展趨勢無法掌握；其他部份仍有待加強，尤其是產品設計研發技術十分薄弱，又欠缺專利談判籌碼，智財問題已日漸顯現中。
公司實力
經營階層具備極靈活彈性、有殺傷力之策略運用能力，成本控制力十分強，代工地位他國難以搖撼。
大多數公司規模仍小，缺少經濟規模，風險承擔力弱。縱使是大公司，在行銷、通路方面，也仍有很多要努力的地方，國際化經營實力目前仍嫌不足。
相關與支援產業
高度專業分工體系，地理群聚效果顯著，可相互在最短時間內取得協調及配合。上下游均可集中資源，投注於本身熟悉之領域。
欠缺奈米製程模擬及元件設計所需要的軟體程式。
政府政策
持續的政策支持與賦稅優惠，營造很好的產業環境。
資料來源：工研院經資中心 (2001/08)
二、我國奈米電子推動架構
國內目前為止只有工研院在經濟部科專計畫長期支持下有累積相當足夠之材料/化工/量測/微機電/光電/電子/資訊/通訊等奈米技術所需的基本研發能量，也有奈米碳管、量子點…等之初步研發成果。
工研院已組成跨領域團隊(如下圖十一所示)，積極規劃包含奈米材料、奈米電子、奈米加工、奈米量測…等技術，以建構完整之奈米技術研發藍圖，開創我國奈米技術發展之契機。規劃中之國際級奈米技術研發中心，包括技術團隊與研發場所，將可有效協助國內相關之產學合作研發與產業育成，並吸引國際大廠與人才進駐研發。
資料來源：工研院電子所 (2001/08)圖十一 我國奈米技術發展架構(以ITRI為例)
三、我國奈米電子發展策略
為了使我國的奈米技術具有自主性的發展，在初期應以人才培訓(技術論壇、國際研討會、國內外受訓)為重點，充分結合國科會∕學術界(分工整合、爭取時效)、產業界 (育成創業、先期參與) 進行合作，從IP策略(原創、應用、設計)做思考核心，等到發展方向更加確立之後，再充分實力進行國際合作(對等、互補、共享) (如下圖十二所示)。
資料來源：工研院電子所∕經資中心ITIS計畫 (2001/08)圖十二 我國奈米技術發展策略
第六章 結論與建議
一、結 論
1. 跨出國門並朝向「次世代電腦」架構發展美國以其具壓倒性優勢的資訊、生物技術與奈米技術融合，日本則訂定有能源、奈米IT、生命科學、環境…等四大發展目標，所設立的奈米研究所更大膽朝向可植入人體的奈米生物晶片、量子計算機用基礎元件開發，業者(如：富士通)甚至也成立研發超高速電腦的奈米研究所共襄盛舉，而後起的南韓也在2000年4月與美國的學術界攜手開發出奈米碳管電晶體。總總跡象顯示，奈米電子技術的發展必須「跨出國門」並朝向「次世代電腦」架構發展才有機會列入全球主流之列。例如，在前瞻創新科技與工研院結盟的MIT媒體實驗室研究的廣度從非常「軟」的人機介面與網路代理人(Agent)，到非常「硬」的奈米感測(Nano Sensing)與分子機器(Molecular Machines)，從「軟硬兼施」的三次元立體影像(Spatial Imaging)，到情緒運算(Affective Computing)與可觸式媒體(Tangible Media)，結合科技、人文社會、藝術的人才，尋求無疆界的創新，則可為我國研發創新的標竿。
2. 「數位電腦∕類比電腦」應朝混合應用∕各取所需的方式演進未來奈米科技所發展出的量子電晶體其應用重點不只是降低元件的尺寸，或者增加單一元件的速率而已，而是利用這些新元件從事特殊的功能(這些功能需要很多個一般電晶體才做得到)。另外，未來在奈米電子元件及應用方面，應該會朝向如前所述的「數位電腦∕類比電腦」的「混合應用∕各取所需」方式演進，而非「直接∕零和」競爭。
3. 有足夠的時間追上「量子電腦」的新時代矽晶片在短短幾十年間走過一條高速成長之路。30奈米晶體管技術將使矽晶片可以容納4億個晶體管，但這種增長不可能永遠持續下去，因為矽晶片將很快走向終結！誰會成為傳統的矽晶片電腦的終結者？目前科學家看好光電腦、生物電腦、量子電腦，其中又以量子電腦呼聲最高。
2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造！雖然該公司已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是對於商品化的時間初步認為大約是在2010年，從積極面來說：我們可能還有足夠的時間追上此波「量子電腦」的新時代。
二、建 議
1. 百億元經費經費從何而來？該如何分配？雖然行政院召開的科技顧問會議中預定將奈米科技納入國家型計畫，根據初步規劃的奈米科技發展策略最快在92年度可以正式整合國科會、工研院、經濟部三方資源，經濟部也研議在5年之內投入100億元的經費，但是百億元經費從何而來？該如何分配？將是非常值得思考的問題。若大致將總經費分成「既有」與「新增」兩部分，則其無中既有的部分是指主管部會內部科專計畫的調整，而新增部分則是立法院每年通過的科技預算。若再將經費其中80億應用在奈米科技產業化，則剩下只有20億元在奈米基礎科學的研究與應用，然而目前相關單位這對種類似「80∕20法則」的觀點見解不一，例如：國科會則認為奈米科技方處萌芽階段，所以應該等基礎科學的研究與應用漸次有成果後，再逐漸調整經費分配比例，提高商業應用方面的比重；但是反觀經濟部則認為經費分配是策略性問題，基礎研究不足的部分可透過國際合作方式移轉他方資源，等到業界的奈米商品推展成功之後，業界有錢則可以回饋給學界而補強基礎研究工作之不足。除了台灣要發展奈米科技除了資源配置尚無共識外，在觀念、人才、制度等層面亦亟改進，其無中台灣整個社會普遍缺乏科學、高科技、創造…等各方面的熱忱將是最令人隱憂，以此觀之則國家型奈米科技計畫在基礎研究和應用部分的經費分配比率實在偏低，至少應該提高至30%，著眼於長遠上的人才、心態、制度、企圖心…等面向來看，奈米科技的人才培育應該要趁早。以美國為例：他將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域，以其具壓倒性優勢的「資訊科技」與「生物技術」與奈米技術融合；2001年美國更投入約5億美元加速奈米技術的研究，其600件研發計畫經費中大學(基礎研究)∕民間(商業應用)比例就是「70∕30法則」了。
2. 獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果目前最迫切的難題應該是注意相關主管單位「心胸」是否足夠開放，否則只是一天到晚為自己在搶錢而已；其次審核計畫時獎優汰劣應分明，因為台灣實在太小了，人情派系包袱何其沉重，要想達到公正評判實在很困難，但是最起碼不要讓計畫主持人「在結案前換將(其實是繞跑)」才能確實檢驗計畫成果並記取教訓，磨練出未來堪當大型計畫重責大任的科技棟樑。
3. 我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基奈米科技是一個相當前端的技術，在1990年以前這個領域還不存在，所以奈米科技是剛興起的領域，最多也不過10幾年，有些東西甚至只有5年，由於這個領域很新又具前瞻性，落後差距則視所應用之各個不同領域的個別情況而定。以材料方面為例，台灣的奈米碳管約落後國際間3~5年，半導體微粒部分差距就不大，落後最多的應該是奈米生物科技，所以建議我國應先從半導體材料開始發展奈米科技比較有利基，台灣廠商比較擅長採購材料，據此然後發展共商業化的製程及應用。
4. 建議政府應該開放大陸科技人士來台大陸在奈米科技論文發表居全球第三位，特別是最近三年大陸留美、留歐的人才大量回籠，這些人出國的時間點又剛好是國外奈米科技萌芽的起步階段，回大陸以後剛好可以貢獻所學。反觀台灣的留學潮約在1980年代開始已經陸續回籠，現在也回來得差不多了，但是年輕一輩學生出國留學的意願不高(例如：寧願到台積電、聯電工作)，很多教授這5年已經沒有機會幫學生寫推薦信了，學生不願意出國留學是一個非常明顯的大問題。然而人才的問題著急也沒有用。台灣目前在人才的「質」與「量」都不夠，所以建議政府應該開放大陸科技人士來台，短期的措施是鼓勵其他領域的人才轉行加入奈米科技領域，長期則要訂定人才的培育計畫。
5. 亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配除了經費問題費思量之外，在研究人員的企圖心和創意方面，奈米科技計畫在規劃上也存在幾項盲點：有些計畫整合性不足…有點像是「湊合」出來的；有些則是計畫創意、創新性不夠；有些子計畫主持人較弱；有些看起來就像儀器採購清單；有些似乎只是「微米」也號稱「奈米」(甚至美國也同樣有此現象)。國內目前著手進行的奈米基礎研究，多著重應用層面，能發揮的創意有限，加上從材料觀點切入者多，亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配。
6. 建議我國奈米(電子)發展推動方案(1)亟待促成「奈米社會研究社群」從社會學的角度評量奈米對人類生活方式的影響，中研院社會所、(台,清,交)各大學人文社會學院，注意奈米對國家競爭力、產業演進、消費市場…等的影響。資源有限，自然衍生分配課題，亦如跨領域計畫一樣免不了有整合的老問題，在各國積極朝向奈米科技發展的同時，台灣能否搭上這班列車？以上所述將是重要關鍵。(2)奈米創意投資社群藉由「奈米創意投資社群」可激盪出適合奈米技術的Business Model，甚至輔導研發人員提出創業計劃。
本文首先從美國、日本、南韓…等國家檢視全球奈米電子的發展現況，然後檢視我國在奈米電子元件、奈米顯示元件、奈米機電技術…等各技術研究群的發展現況，於是指出未來全球特別值得注意之奈米電子(包括：奈米碳管材料、電子元件及應用、場發射顯示器、掃描探針顯微術…等四方面)的發展趨勢，最後從我國奈米電子的優劣勢分析、推動架構、發展策略…等方面說明推動策略，並於結論中建議我國奈米電子應該搭配的推動方案，其中特別提出「百億元經費經費從何而來？該如何分配？」、「獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果」、「我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基」、「建議政府應該開放大陸科技人士來台」、「亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配」…等諸多面向的思考議題，最後在我國奈米電子發展推動方案中，除了建議成立「奈米製程模擬中心」「奈米元件設計中心」「奈米系統技術人才」之外，特別呼籲促進「奈米社會研究社群」「奈米創意投資社群」的形成，從中激盪出適合奈米技術的Business Model，甚至輔導研發人員提出創業計劃，進而注意奈米對國家競爭力、產業演進、消費市場…等的影響。
目 錄
第一章 緒 論 1一、研究緣起及範圍 1
第二章 全球奈米電子的發展現況 4一、美國奈米電子技術的研發現況 4二、日本奈米電子技術的研發現況 51.以能源、奈米IT、生命科學、環境為四大發展目標 52.日本新設奈米電子相關研究所 5三、南韓奈米電子技術的研發現況 7四、綜 整 8
第三章 我國奈米電子的發展現況 11一、工研院電子所發展的奈米電子元件 11二、工研院電子所發展的奈米顯示元件 12三、工研院材料所應用奈米材料於各型顯示器 13四、工研院機械所發展的奈米加工及顯微技術 141.奈米加工及微製造技術 152.奈米設備技術 153.奈米元件與系統技術 15五、工研院光電所奈米級儲存光碟 19六、工研院光電所∕化工所共同投入開發奈米光通訊 19七、DNAIC公司發展DNA分子IC 21八、綜 整：我國奈米電子技術研究群 23
第四章 全球奈米電子的發展趨勢 24一、何謂「奈米碳管」(CARBON NANOTUBE) (CNT) 24二、奈米電子元件及應用 251.各取所需：數位電腦∕類比電腦 252.奈米雷射：廣泛應用在3C 263.混合應用∕直接競爭、各取所需∕零和競爭 26三、奈米碳管場發射顯示器 (CNT-FED) 271.CNT-FED的優點 272.場發射顯示器(FED)技術原理 283.全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商 284.半導體薄膜製程製作FED的發展限制：中∕小尺寸 305.大尺寸的CNT-FED 316.CNT的製備…運用於厚膜式FED 327.CNT-FED的競爭廠商 328.掃描探針顯微術 (SPM) 34四、全球奈米電子的產值 37
第五章 我國奈米電子的推動策略 38一、我國奈米電子競爭優劣勢分析 381.優勢 382.劣勢 39二、我國奈米電子推動架構 40三、我國奈米電子發展策略 41
第六章 結論與建議 42一、結 論 421.跨出國門並朝向「次世代電腦」架構發展 422.「數位電腦∕類比電腦」應朝混合應用∕各取所需的方式演進 423.有足夠的時間追上「量子電腦」的新時代 43二、建 議 431.百億元經費經費從何而來？該如何分配？ 432.獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果 453.我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基 454.建議政府應該開放大陸科技人士來台 455.亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配 466.建議我國奈米(電子)發展推動方案 46
圖表目錄
圖一 工研院電子所的CNT-FED效果及截面 13圖二 超精密基板延性加工技術關鍵技術與製程設備 17圖三 微放電加工機 17圖四 微放電加工元件 18圖五 AFM加工機 18圖六 用DNA奈米生物技術製程的IC 21圖七 單層奈米碳管(SWNT)與多層奈米碳管(MWNT) 25圖八 美國PIXTECH∕友達光電代工的薄膜式FED 29圖九 SONY/CANDESCENT公司的薄膜式FED 30圖十 SAMSUNG SDI公司的CNT-FED 33圖十一 我國奈米技術發展架構(以ITRI為例) 40圖十二 我國奈米技術發展策略 41表一 本文研究架構 3表二 日本新設立奈米研究所據點及其研究內容 7表三 各國奈米電子的研究發展動向 9表四 DNAIC公司 22表五 我國奈米電子技術研究群 23表六 探針型儲存技術之記錄密度 36表七 台灣目前的競爭優劣勢分析 39表八 我國奈米(電子)發展推動方案 47
第一章
緒 論 一、研究緣起及範圍
全球科技產業正面臨有史以來最嚴重的不景氣，業者最直接的反應就是投資縮減，但是卻有一個十分先端的技術吸引美國、日本、歐盟…等科技強國，加碼十億美元以上的資金。是什麼技術這麼有魅力？…它就是被視為半導體下一代技術有關的「奈米科技 (Nano-Technology)。
由於奈米科技這個領域在1990年以後才趨於明顯，所以它仍是相當新的領域，加上奈米(10-9m)可以廣泛應用在電子、材料、生物…等眾多科技領域，各國為提升研發效率，儘管投入的資金龐大，分散在不同的領域當中，但是各國卻可各自在所擅長的領域發展所特殊應用。
由於傳統IC細微化即將達到極限，要想將這個前鋒邊緣推得更遠，以尋求更快且省能源的電晶體，我們不但要探索操作原理跟傳統相當不同的新型的IC－例如：製作只用一個共振穿隧電晶體的邏輯閘、用一個共振電晶體來做記憶單元的記憶體…等－甚至必須觸及背後所蘊藏奇異詭譎的量子效應問題。未來奈米科技所發展出的量子電晶體其應用重點不只是降低元件的尺寸，或者增加單一元件的速率而已，而是利用這些新元件從事特殊的功能。
本文所探討的奈米電子技術之研究範圍包括以下三部分：1. 奈米電子元件(Nano Electronics)：包括SiGe量子元件、自旋電子(Spintronics)元件、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件(CNT Devices)、量子元件 (Quantum Devices)、單電子電晶體(Single Electron Transistor, SET)、SiGe 光電元件/IC、SiGe 共振穿隧二極體/HFET、奈米構裝技術。2. 奈米機電技術(NEMS)：包括奈米探針/奈米操控系統 (Nano Probe/Manipulation)、奈米製造技術 (Nano Fabrication)。3. 奈米光電技術(Nano Photonics)：例如Quantum Dots (III-V)、T-bit data storage、Nano-electronic Display。
本文首先從美國、日本、南韓…等國家檢視全球奈米電子的發展現況，然後檢視我國在奈米電子元件、奈米顯示元件、奈米機電技術…等各技術研究群的發展現況，於是指出未來全球特別值得注意之奈米電子(包括：奈米碳管、電子元件及應用、場發射顯示器、掃描探針顯微術…等四方面)的發展趨勢，最後從我國奈米電子的優劣勢分析、推動架構、發展策略…等方面說明推動策略，並於結論中建議我國奈米電子應該搭配的推動方案。
表一 本文研究架構資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2002/01)
第二章 全球奈米電子的發展現況
一、美國奈米電子技術的研發現況
2000年1月美國前總統柯林頓推動 「國家奈米技術策略(NNI)」讓資訊技術(IT)革命興盛而帶動美國的景氣，當時被認為是柯林頓政府的一大得意政績。在2000年底舉行的國際電子裝置博覽會(IEDM)中，包含IBM、朗訊、英特爾、美國加利福尼亞大學…等機構相繼表示將開發出僅分子或原子般大小的奈米級半導體，正式為奈米級半導體時代揭開序幕。美國2000年更已編列4.23億美元經費，進行奈米技術開發。美國目前在奈米技術方面的研究中，是以合成、化學品、生物…等方面處於全球領先地位，而在奈米裝置∕設備的生產、陶瓷及其它結構材料方面則略遜於日本。但是美國仍將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域，以其具壓倒性優勢的「資訊」與「生物技術」與奈米技術融合；2001年美國更投入約5億美元加速奈米技術的研究，其600件研發計畫經費中大學和民間分佔七成和三成。另外在產業界方面，2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造！雖然該公司已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是對於商品化的時間初步認為大約是在2010年。
二、日本奈米電子技術的研發現況
1. 以能源、奈米IT、生命科學、環境為四大發展目標日本在奈米技術的基礎研究方面較晚於歐美國家，但在應用技術方面卻凌駕歐美。2000年日本成立「奈米技術發展戰略推進會議」組織，制訂出國家奈米技術研發策略，並N奈米技術列為新五年科技基本計畫的研發重點。在日本國家奈米技術研發策略中，訂定有能源、奈米IT、生命科學、環境四大發展目標，在這四大領域中，總計有147個研發項目。過去日本在超微細加工方面表現得相當突出，基礎研究也做得不錯，目前則是在奈米設備和強化奈米結構領域坐擁全球優勢。日本已在2001年5月初成立一個名為「奈米技術推進會」的官方組織，整合產、官、學界，將分為DNA晶片、奈米碳管(Carbon Nanotube) IC、無機奈米材料等獨立計畫。日本該項研究基地位於關西，除有多所一流大學及產業研究單位投入外，還吸引包括松下電器、武田藥品、住友化學、三菱電機、NEC…等91家業者參與，規模相當大。
2. 日本新設奈米電子相關研究所受到美國將奈米研發工程列為國家重點計畫的刺激，日本各國立大學、政府研究機構等紛採取產學合作模式，設立奈米研究所(如下表二所示)以對抗美國的研發攻勢。設立奈米研究所的學術機構，包括東京大學、大阪大學、東京工業大學、東北大學、隸屬文部科學省的獨立法人「物質材料研究機構」等，投入研究計畫的學術人員總計約數百人。東京大學的「Nano Material Center」於2001年成立，製作高分子、金屬等材料物質的資料庫，以進行新材料的研發工程。大阪大學將於2002年4月成立「產業科學Nano-technology Center」，旗下分材料、生化等10個研發部門，未來重點將置於產業應用，研發可植入人體的:奈米生物晶片。東京工業大學的「量子Nano-electronics Center」，將進行量子計算機用基礎元件開發，量子計算機可在瞬間完成超級電腦需時1年的演算作業。為此，東京工業大學將斥資40億日圓，在2003年於筑波市建設相關材料的研發設施。東北大學則與夏普等9家民間企業合作，進行半導體生產用:奈米技術研發。此外，在日本總合科學技術會議即將開會決定的「次期科學技術基本計畫」中，已將:奈米技術列為重點戰略研發計畫。企業界則有奈米技術產業化計畫，富士通亦自行成立研發超高速電腦的奈米研究所。
表二 日本新設立奈米研究所據點及其研究內容
學術機構
研究單位
設立時間
研究計劃內容
東京大學
2001年
製作高分子、金屬等材料物質的資料庫，以進行新材料的研發工程。
大阪大學
產業科學Nano-technology Center
2002年4月
旗下分材料、生化等10個研發部門；未來重點將置於產業應用，研發可植入人體的奈米生物晶片。
東京工業大學
量子Nano-electronics Center
2002年4月
將進行量子計算機用基礎元件開發，量子計算機可在瞬間完成超級電腦需時1年的演算作業。將斥資40億日圓，在2003年於筑波市建設相關材料的研發設施。
東北大學
未來情報社會研究館
2001年10月
與夏普等9家民間企業合作進行半導體生產用奈米技術研發。
物質材料研究機構
Nano材料實驗
2003年完工
高性能材料
理化學研究所
考慮設立大型研究機構
-
-
富士通
Nano-technology Research Center
2000年12月
研發超高速電腦的奈米研究所資料來源：日本經濟新聞 (2001/03) ；工研院經資中心ITIS計畫 (2002/02)
三、南韓奈米電子技術的研發現況
南韓科學技術部宣佈2001年將投入230億韓元(約1,821萬美元)發展奈米技術，尤其對於Tera級半導體元件，爾後10年每年還要追加154億韓元發展。此外，2001年將挹注52億韓元，成立4座研究中心，藉以培育人力。
南韓政府亦已在日前勾勒出研發願景，希望能夠在2010年前發展成為全球10大握有奈米技術的國家之一。為實現該項願景，南韓政府2001年也正式敲定將投注1.37兆韓元，進行奈米相關技術研發、扶植人力，並進行基礎設施。南韓的計劃中想要發展出34項關鍵技術，並培育出1.3萬名技術人才。
南韓在2000年4月與美國的學術界就已攜手開發出奈米碳管電晶體(Carbon Nano-Tube Transistor)，這在國際合作上特別值得我國借鏡與參考。
四、綜 整
此外，歐洲方面對奈米技術的投入也已達數億美元之譜，更將奈米技術列入歐盟2002~2006年科技研發計畫重要項目。目前歐洲在塗層和新儀器應用方面處於領先地位。
中國大陸在80年代就著手於奈米技術的基礎與應用研究，更將奈米技術研究列入為國家「攀登計畫」「863計畫」和「火炬計畫」項目，投注總經費約達700萬，參與的企業有100多家。未來，中國大陸每年將投入約5億人民幣在奈米科技領域。
表三 各國奈米電子的研究發展動向
項 目
說 明
備 註
美國：?政府
2000年1月美國前總統柯林頓推動「國家奈米技術策略(NNI)」，讓資訊技術(IT)革命的興盛能帶動美國的景氣。
當時被認為是柯林頓政府的一大得意政績。
?優勢
雖然在奈米裝置、奈米設備、陶瓷、其它結構材料方面略嫌遜色。
但其合成、化學品、生物方面則處於全球領先地位。
?策略
將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域。
以其具壓倒性優勢的「資訊」與「生物技術」與奈米技術融合。
?經費
2001年美國更投入約 5億美元加速奈米技術的研究。
其600件研發計畫經費中大學佔七成∕民間研究佔三成。
?IBM
2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造；
雖然IBM已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是業界對於商品化的時間初步認為大約是在2010年。
日本：?政府
2000年日本成立「奈米技術發展戰略推進會議」組織，制訂出國家奈米技術研發策略。
並將奈米技術列為新五年科技基本計畫的研發重點。
?優勢
日本在奈米技術的基礎研究方面較晚於歐美國家。
但在應用技術方面卻凌駕歐美。
日本在超微細加工方面表現得相當突出，基礎研究也做得不錯，據推估5~10年後就能和美國相抗衡。
目前則是在奈米設備和強化奈米結構領域坐擁全球優勢。
?目標
訂定有能源、奈米IT、生命科學和環境四大發展目標。
在這四大領域中，總計有147個研發項目。
?經費
2001年度獨立行政法人的分配研究預算為295億日圓。
指定以奈米技術為核心的「材料」領域為四大新科學技術重點領域之一。
?政府
希望能夠在2010年前發展成為全球10大握有奈米技術的國家之一。
2001年正式敲定將投注1.37兆韓元，計劃發展出34項關鍵技術，並培育出1.3萬名技術人才。
?國際合作
2000年4月南韓與美國的學術界已攜手開發出奈米碳管電晶體(Carbon Nano-Tube Transistor)。
歐洲：?經費
對奈米技術的投入也已達數億美元之譜。
更將奈米技術列入歐盟2002~2006年科技研發計畫重要項目。
?優勢
在塗層和新儀器應用處於領先地位。
中國：?計劃
在80年代就著手於奈米技術的基礎與應用研究。
更將奈米技術研究列入為國家「攀登計畫」「863計畫」和「火炬計畫」項目。
?經費
投注總經費約達700萬，參與的企業有100多家，未來每年將投入約5億人民幣。
中國大陸之後又在「奈米論壇」中宣稱預計五年內投入150億人民幣！
資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2001/08)
第三章 我國奈米電子的發展現況
一、工研院電子所發展的奈米電子元件
工研院電子所整合全院的前瞻計畫，將以自旋電子(Spintronics)、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件(CNT Devices)、量子元件 (Quantum Devices)等4個主題切入，期望未來能利用奈米技術大幅提升晶片密度與速度、降低消耗功率，並結合台灣完整的半導體產業基礎朝3C的應用上發展。?自旋電子元件與製程技術除了在磁性記憶體方面，建立大面積磁性薄膜成長技術、磁性記憶元件與CMOS整合技術和讀∕寫機制驗證外，亦發展室溫操作、高注入效率之自旋電晶體元件設計與開發。?新介電材料方面則開發高介電材料將取代傳統的二氧化矽(SiO2)而大幅縮小漏電流，並符合未來奈米元件基本電性的需求。奈米碳管元件乃利用奈米碳管小尺寸、高導通電流密度、高導熱度…等先天材料特性，將可突破現有電子元件限制而達到更好效能與元件密度。?量子元件研發可分為矽鍺元件(SiGe Devices)和單電子電晶體元件(Single Electron Transistor；SET)兩類，前者主要利用其異質介面、晶格不匹配的特性，形成奈米尺寸的量子點與量子井結構，製作新的相關光電元件，增加矽半導體之新應用領域；後者主要開發室溫下能夠操作的單電子電晶體，並製成具低消耗功率、高集積密度與低漏電流之積體電路。
二、工研院電子所發展的奈米顯示元件
從1992年經濟部科專計畫支持的FED基礎技術研發開始，電子所已陸續開發出高亮度3吋FED實驗樣品和4吋商品規格樣品。隨著全球相關技術的進步與元件特性被證實，數年前研發團隊在尚無標準化製程及材料可資依循的情況下，即對奈米材料及製程進行評估與技術改良，也因此電子所FED技術由1999年的薄膜式(Spindt) FED製程精進至CNT-FED的厚膜網印製程，朝無視角限制、高亮度、低成本以及省電的大尺寸平面顯示器邁進。從奈米碳管材料的配製、陰陽極板的製成、網印、陰陽極板的封裝到CNT-FED的產生，完全由研發團隊於工研院的實驗室內完成。工研院電子所(ERSO/ITRI)於1999年初，開始將FED的陰極技術由薄膜製程轉換到厚膜製程，並於同年的7月於IVMC'99提出二極CNT-FED，隔年5月於SID'00展示7-segment之CNT-FED，及一全新結構之reflective CNT-FED，並於今年SID'01展示運用於車用顯示器之4吋CNT-FED (如下圖一所示)，另將於2001年底完成10吋QVGA彩色CNT-FED，至目前為止，電子所之CNT-FED計畫已完成8篇國際論文發表，以及16項國內外專利之產出，並已有廠商參與研發。CNT-FED此項前瞻性技術目前在國際上僅有Samsung、ISE電子、NEC…等廠商進行研發中。電子所正與工研院化工所、材料所合作發展，朝10吋厚膜全彩FED技術前進。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖一 工研院電子所的CNT-FED效果及截面
三、工研院材料所應用奈米材料於各型顯示器
目前顯示器主流技術仍以液晶顯示器為主，有機電激發光顯示器及電槳顯示器為輔，另正興起的場發射顯示器亦將因技術精進而朝高精細及大型化的趨勢發展。其中有機電激發光顯示器所需材料在近幾年已逐步應用奈米材料科技，使得此項顯示技術有所突破；目前多彩OLED顯示器已商品化，正邁向全彩OLED量產技術開發中。另外液晶顯示器及場發射顯示器相關材料領域在未來五年內，也將因奈米科技應用而有技術突破，材料趨勢朝複合化、輕型化、薄型化、大型化及低成本發展，以提升LCD及FED產業創新性及競爭力。
預計工研院未來五年將藉奈米科技結合現有技術，將平面顯示器研發方向鎖定在厚膜網印型場發射源技術與整合型可撓式TFT-LCD基板技術。
?前者製程技術採用厚膜網印方式，將使FED不但具有薄型、高亮度、高對比、廣視角、反應速度快、低功率消耗等性能，且能以大面積及低成本製造；其開發重點包括奈米碳管的量產技術、新穎模板型場發射源材料及製程、奈米材料場發射源元件製作…等，可望解決現存 CNT-FED均勻性不良、高成本、壽命…等問題。
?至於整合型可撓式透明基板技術則是以奈米混成基材為主軸，再整合偏光、廣角、高彩、配向…等特性技術，使LCD面板厚度可降至0.5毫米，具輕、薄及低成本等優勢，未來更可朝大量整捲式連續生產製程技術(Roll-to-Roll)發展，藉著奈米科技的應用，將使得FED與LCD材料有跳躍式創新。
四、工研院機械所發展的奈米加工及顯微技術
為配合未來國內半導體產業、精密機械產業、資訊電子產業之需求與技術發展趨勢，工研院機械所乃規劃研提「奈米工程及設備技術研究四年計畫」(1998~2001)以建立微元件製造∕設備∕檢測技術、微組件∕微系統組裝及檢驗技術、機∕光∕電∕磁之微系統整合與設計技術…等以應用在未來精密微小多功能之產品，進而協助國內廠商建立奈米加工技術及微機電系統技術，並提升產業整體的國際競爭力。包括：
1. 奈米加工及微製造技術?發展矽晶圓和陶瓷基板之延性加工技術及拋光技術(如下圖二所示)。
2. 奈米設備技術?發展微放電加工機器設備之硬體設計及軟體開發能力。?發展複合微機械元件加工機器設備之硬體設計及軟體開發能力(包括：微電鍍、能量東加工、AFM加工…等)，並建立微元件組裝及檢測技術。
3. 奈米元件與系統技術?發展微機電系統關鍵零組件之設計及微元件積體化特殊製程技術?整合微致動器、微感測器、微控制器…等以發展智能化、積體化之微機電系統。
首先根據年度計劃目標的需求進行設計規劃，並在通過審查定案後成為本工作項目的執行藍本；另外將與計劃相關之基礎研究，以學校委託合作計劃方式，請具備相關研究能力之國內學術單位進行研究。
接著針對定案的設計方案提出所需的設備功能之驗證方法，即所謂的驗證規劃，並於通過審查定案後成為各項設備功能之驗證依據。然後根據定案的設計規劃方案開始執行各項設備之相關設計。
在各項設備之設計初步定案後，提出設計報告並進行審查與修改，而定案之設計報告成為設備細部執行之依據，而計畫內將進行研製的各項設備之詳細說明如下所示：(1)複合微放電加工機(如下圖三所示)：開發完成之微放電加工機定位精度達1um，電極修整達φ20um，除可加工一般金屬材料外，亦從事非金屬材料之加工研究(如下圖四所示)。(2)原子力顯微加工機(如下圖五所示)：研究重點在於奈米定位技術、加工探針技術、系統整合技術…等，目前已完成雛型機之開發並驗證功能中。(3)近場光學加工機：本項研究重點在於近場光學加工機制之建立、光纖針頭試製、精密定位裝置之研製…等，預計未來可應用於資料儲存。
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖二 超精密基板延性加工技術關鍵技術與製程設備
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖三 微放電加工機
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖四 微放電加工元件
資料來源：工研院機械所 (2002/02)圖五 AFM加工機
五、工研院光電所奈米級儲存光碟
以光儲存的觀點來看，光點大小決定了儲存容量的大小，也就是較小的光點才能讀寫較小的訊號點，也才能有較大的儲存容量。以一片12公分的光碟片而言，CD的儲存容量為650MB，DVD單面單層的儲存容量為4.7GB，而未來進入到奈米科技時代，以一個次奈米級(Sub-Terabyte)來說，存容量約100GB，而奈米級(Terabyte)可能的儲存容量將大於1000GB，所以未來如發展到奈米級儲存光碟片，其容量將是現在的DVD光碟片的數百倍。
目前世界上有多項積極開發達到奈米級儲存的技術，例如：近場儲存技術、光寫磁讀技術、光碟刻版技術、超解析近場光碟片技術、3D儲存技術…等；工研院光電所已結合院內相關科所組成奈米存儲研發團隊，並與國內研究單位如中研院、台大…等，定期開會研究，積極朝次奈米及奈米級的技術努力，預計在五年內會有成果呈現。
六、工研院光電所∕化工所共同投入開發奈米光通訊
「光纖到家」絕對是解決頻寬問題的最終方案，但始終窒礙難行，根本問題在於光通訊元件的成本昂貴，其中，最主要原因在於處理元件的體積相當大，尚無法像電子元件一樣，被整合於其一，也導致光通訊元件的生產成本無法降低。現階段工研院的奈米光通訊計畫係已整合光電所與化工所兩方的研發團隊，共同投入奈米光通訊技術的研發，該計畫將著重在光子晶體、量子點長波長雷射、非線性光學材料技術上，並開發具自排性質的奈米材料及奈米製程技術，使光通訊元件所製出的特殊奈米結構有突破性的發展，奈米光通訊技術可將原來體積很大的光通訊元件縮小約100倍，同時亦可將不同功能的光通訊元件集結在單一的基板上，因此光通訊元件可以使用與IC一樣的製程，用積體電路的方法來製作，大量生產而巨幅降低製造成本，同時縮小光通訊元件的體積。?在光通訊系統中如何穩定光源是光通訊傳輸的必備條件，其中長波長面射型雷射(VCSEL)是備受重視的雷射光源，而量子點長波長雷射最大的優點為高溫度穩定性及低運作電流，是製作光通訊用雷射的熱門材料，光電所以MBE(分子束磊晶法)成長InAs量子點長波長雷射，目前已經完成連續發光邊射型雷射，將提昇國內在關鍵光電元件的技術水準，為台灣光通訊產業建立製作長波長面射型雷射的自主能力跨出重要的一步。?為能達到光通訊元件微小化及低成本的目標，另一項重要之關鍵在開發自排性質之奈米材料，尤其運用有機材料之加工方便的性質，可達到高性能與低成本的雙重優點。化工所將與光電所密切合作，投入有機非線性材料之開發，並以化工所已建立之分子設計技術，建立自排性高分子的合成，排列、製程技術，應用到光通訊系統所需的光開關等多項關鍵元件上。
七、DNAIC公司發展DNA分子IC
DNA作為相關半導體運用是可行的，以DNA為半導體的觀念在全球並非沒有人想到；但是將DNA由半導體轉變為IC元件(如下圖六所示)則尚未出現。DNAIC公司(如下表四所示)選擇用直徑只有2nm的DNA分子做半導體材料，不但有別於目前高污染的酸洗光蝕刻製程，更直接跳脫0.1um (微米)製程的極限，一舉跳躍到0.002um製程，加上DNA分子三度空間的接合能力，讓IC基板上所容納的電子元件數目不斷倍增而達到更高的運算效率。DNA材料不但取得容易，製作過程也符合環保，況且成本低廉；然而目前此技術尚在實驗室階段，面臨量產時的穩定性將是真正的考驗；若果真成功則將是生物與半導體前所未有的跨領域突破。
資料來源：DANIC (2001/06)圖六 用DNA奈米生物技術製程的IC
表四 DNAIC公司
項 目
說 明
備 註
公司資金
2000年9月成立之後的初期實收資本為新台幣3000萬元
核心團隊
張春金 (董事長)
陳柏瑞 (總經理)(26歲擔任)
擁有五位西屋科學獎得主的年輕團隊，成功研發出第一片「DNA Inside」的IC晶片。
發展進度
籌資建置自有的合成實驗室，並預期在2?3年內(近程目標)完成市場化產品開發。
快則2年內即可進入量產，慢則甚至需要5年時間才會成熟。
公司定位
DNAIC為生物技術基礎研究的公司，營業項目包括：建立DNA材料電性數據資料庫、
DNA導線及電子電路元件技術研發、DNA半導體材料製造技術轉移。
核心技術
以DNA作為IC的材料，主要是利用DNA染色技術、抗癌藥物與DNA之間的鑲嵌原理，以及不同的摻質處理與DNA序列的設計。
以此改變DNA雙股螺旋分子間的能隙，控制其導電性，以取代現在的光蝕刻技術。
自有專利
利用染色技術、已發現至少300種可控制並改變DNA能隙與導電性的摻雜材料。
另外，在全球13國的專利申請作業亦已同步展開。
授權專利
未來希望與產業界的合作，採取專利授權及共同開發的方式。
DNAIC將可專注核心IP的基礎研究
目前已取得台灣DNA-Based Integrated Circuit專利，在美國也獲得專利申請的優先權。
已在全球13國同步展開專利申請作業
合作廠商?崇仁科技
為一心室半導管製造商，目前是DNAIC唯一的法人股東。
提供廠房、部分實驗室與器材，出資3億元加蓋無塵室。
?其它廠商
電性測量委外(德儀、海洋大學、交通大學)認證
投資廠商
包括中華開發、台積電、英特爾及威盛在內，均對以DNA作為IC材料在半導體製程應用興趣濃厚。
目標客戶
初期將客戶群鎖定IC設計公司。
提供電路設計所需的電子元件電性參數及製程整合設計。
未來將技術漸次推展至IC製程設備製造商，以及晶圓代工業者。
分別提供製造機台所需參數及關鍵技術，以及DNA電子元件生產技術服務。
競爭廠商
目前英國、以色列都有團隊在進行DNA-IC的奈米生物技術。
(英國甚至還將相關技術列為國家機密加以特別保護)
競合方式
積極與具有互補性的以色列公司尋求合作機會。
資料來源：工研院經資中心ITIS計畫 (2001/08)
八、綜 整：我國奈米電子技術研究群
以下將我國奈米電子技術相關研究群綜合整理成如下表五所示：
表五 我國奈米電子技術研究群
年度
研究主題
單位∕學校
計畫主持人
1999-2000
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
林本勝
1998-1999
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
章少衡、 林本勝
1997-1998
奈米工程及設備技術研究四年計畫
工業技術研究院機械工業研究所
鄭泗東、林盈熙
2000-2003
雷射及同步輻射在自由基尖端研究之應用
清華大學
陳益佳、李遠鵬
1999-2000
子計畫二:二元C－N材料場效發射顯示技術
台北科技大學機電整合技術
林啟瑞
1999-2000
奈米級三次元量測儀研製---子計畫III
台灣大學機械工程系
張所鋐
1999-2000
奈米級三次元量測儀研製---總計畫
台灣大學機械工程系
范光照
1999-2000
原子力顯微鏡奈米加工技術研究
成功大學機械工程系
翁政義
1998-1999
奈米級三次元量測儀---子計畫II：超精
台灣大學機械工程系
范光照
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫III
台灣大學機械工程系
張所鋐
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫I：奈
台灣大學機械工程系
鍾添東
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---子計畫I：奈
台灣大學機械工程系
鍾添東
1998-1999
奈米級三次元量測儀研製---總計畫(I)
台灣大學機械工程系
范光照、鍾添東、張所鋐
1998-1999
原子力顯微鏡奈米加工技術研究(I)
成功大學機械工程系
翁政義
1997-1998
單電子三極體之電荷效應(一∕二)
中央研究院物理研究所
陳啟東
-
利用MBE成長自組裝半導體奈米結構
清大物理系
果尚志
-
STM Observation of B
中山化學所
陳俊顯
資料來源：工業材料 (2001/09)；工研院經資中心ITIS計畫 (2002/02)
第四章 全球奈米電子的發展趨勢
一、何謂「奈米碳管」(Carbon Nanotube) (CNT)
1991年飯島澄男教授(Prof. S. Iijima)在研究碳簇時偶然發現奈米碳管 (Carbon Nanotube) (CNT)，其為直徑只有數個到數十奈米(nm)的多層管狀碳材(圖七)。此後國際上許多的單位投入成長CNT及研究其特性，至於CNT的場發射電子特性，在1995年由A.G. Rinzler…等人首先確立，並被各研究單位持續改善(起始導通電場~1 V/mm，場發射電流密度~mA/cm2-A/cm2)。
依據不同之成長方式，CNT的型態一般可分為單層奈米碳管(SWNT)(直徑為數個奈米)，或多層奈米碳管(MWNT)(直徑為數十個奈米)，且由於碳原子於CNT中的排列結構的不同(包括：Zig-Zag、Armchair、Chiral三種)，可使得CNT成為半導體或導體，造成CNT不僅可使用於FED，更可運用在AFM、儲氫材料、二次離電池、生物醫學、電晶體…等。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖七 單層奈米碳管(SWNT)與多層奈米碳管(MWNT)
二、奈米電子元件及應用
1. 各取所需：數位電腦∕類比電腦數位電腦最重要的特徵是「數據」即使經過數千次的運算也不能有歪曲或是退化的情形，要達到這一點則必須在計算的每一步都能夠絕對確認一個數位的值，這個元件還必須能夠容忍相當大的雜訊。許多研究群正在探討使用這些元件來製作類比電腦的可能性，希望能夠做出來一部機器，這部機器可以做許多數位電腦不適合做的工作(例如：辨識形狀)。除了計算以外，也還有許多其他的應用領域，例如；可以用共振穿隧電晶體做放大器，放大的信號頻率可達到每秒振動4000億次；另外，調制摻雜電晶體也已經商品化了，在衛星接受機上放大高頻信號。
2. 奈米雷射：廣泛應用在3C 在最近的未來，奈米技術當中影響最大的可能是半導體雷射。雙異質結雷射和量子阱雷射都可以做得很小而且效率很高(只需要很低的功率)；又因為它們可以很容易與普通的電路整合，因此生產起來也很便宜，也已經可以製作出超過一百萬個微小雷射的特殊晶片。雖然這些仍在發展的階段，這樣的結構在廣大領域都有許多可能的應用(例如3C：光碟機、雷射印表機、光纖通訊、可攜式的小型高鑑別率電視螢幕、手錶裡的電腦顯示器)。另外，將半導體質粒製成奈米尺度便會閃耀不同波長顏色光，這些奈米質粒稱之為量子點 (Quantum Dots)，由於受量子效應使彩色光波長可藉由奈米質粒尺寸來調控，1.2nm 直徑 Cadmium Selenide 量子點發綠光，而 2.1nm 量子點則發橙黃色光。目前此一現象已用於研製高度靈敏生物晶片，理論上這類發光奈米質粒將可提供不同頻率範圍之雷射及放大器而成為光網路之關鍵元件。
3. 混合應用∕直接競爭、各取所需∕零和競爭然而回顧IC演進的歷史可以發現，開發超越現有矽技術發展慣性的新技術經常需要大量的時間和金錢，幾乎不是一家公司所能單獨負擔，現有的矽技術目前仍然以很快的速率在發展，在發展新技術所需要的時間內，它很可能已經追上來了，甚至功能還可能會超過這個預期的新技術。所以，最可能是能與現存技術混合應用而非直接競爭，例如：在一個普通電路上引進一些量子效應電晶體，在這個晶片上使用幾個速度非常快的元件來做一些特殊的功用。對於未來的微電子技術，環顧許多不同的製作基本元件的方法都發現共同具有的特色，就是它們都調制電信號，依照元件是在「開」或者「關」的狀態(決定元件會不會有電流流過)，可是有愈來愈多的研究者開始懷疑，最適合做這項工作的是不是電子，已經開始嘗試用光束來取代電子流而製作光腦(光學電腦) (或稱光學計算機)－以半導體為基礎的光學開關，製作出具有邏輯閘功能的元件，整合成能進行光學計算的新型電腦。
此外，晶片上元件之間聯繫的問題則可用引進光學連線或者超導連線的辦法來解決，在最近的未來商場上最可能出現的完全使用新技術的應用，很可能就是光學計算機，利用這種系統所具有的大量平行處理能力，可以把它用到像是影像處理之類的問題，這樣就不會與傳統以矽為主的數位計算機進行直接的競爭；況且並不是所有的元件都適合做為數位電腦的基本單元，未來所需要的比一個只會做開關轉換的元件要多得多，有必要同時思考如何在數位∕類比之中各取所需而非零和競爭。
三、奈米碳管場發射顯示器 (CNT-FED)
1. CNT-FED的優點奈米碳管場發射顯示器(Carbon Nanotube Field Emission Display) (CNT-FED)是利用厚膜網印製程及FED技術實現CRT平面化的可能性，不僅保留了CRT的影像品質，並具有省電及體積薄小之優點；同時結合奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度、高穩定性…等特性，成為兼具低驅動電壓、高發光效率、無視角問題、省電的大尺寸、低成本…等優點的全新平面顯示器。
2. 場發射顯示器(FED)技術原理傳統的場發射顯示器(FED)之三極結構，由真空封裝 (Vacuum Sealing) 技術將薄膜式的場發射陣列(FEA)所構成之陰極板(Cathode Plate)，與利用厚膜網印法製作成螢光粉層之陽極板(anode plate)，組合於高真空(10-6~10-7 Torr)的環境下，利用FEA所產生的電子源，於陽極電壓(3000-8000V)的加速下撞擊螢光粉使其發光，因此FED為一自發光顯示器，且具備高亮度、高效率、無視角、省電…等優點。其中薄膜式的FEA是由C. A. Spindt所發明的元件結構，可利用半導體薄膜製程，在一玻璃基板上製作出二維分佈(X-Y Matrix)的FEA，為了提高場發射電流的密度，在每個像素(pixel)中排列數以千計的發射尖端(tips)，這些發射尖端的材料一般以鉬(Mo)金屬為主，當施加足夠之電壓於閘極與陰極時，因量子穿隧效應(Quantum Tunneling)，電子即由發射尖端穿越金屬表面之位能障壁進入真空區。
3. 全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商目前全世界仍致力於研究或製造薄膜式FED的廠商中，以美國的PixTech及Sony/Candescent為主，於是可由以下之數據可證實：薄膜式FED之元件與顯示特性，確實可達到保留CRT的影像品質並具有省電、體積薄小…等優點。(1)美國PixTechPixTech擁有場發射顯示器相關之製程技術，委由國內的友達光電代工，推出的產品以5.2吋QVGA (320×240) (1 pixel≒0.33×0.33mm)單色為主(w/o 64 gray scale) (如圖八)，依不同產品規格亮度為120~800nits，功率消耗約為2~5W，目前正研發7吋彩色FED (16:9) (480×234)，將運用於汽車之Video DIsplay。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖八 美國PixTech∕友達光電代工的薄膜式FED
(2)Sony/CandescentSony/Candescent於SID'01展示了兩款顯像品質極佳之FED (如圖九)，一為5.3吋QVGA彩色FED，亮度達1,000 nits且lifetime可達30,000小時以上，另一為13.2吋SVGA (800X600)之彩色FED，亮度為800nits且對比為800:1，因採用特殊製程製作FEA中之閘極洞 (直徑~ 0.15mm)，因此驅動電壓可低於35V。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖九 Sony/Candescent公司的薄膜式FED
4. 半導體薄膜製程製作FED的發展限制：中∕小尺寸然而若利用半導體薄膜製程來製作FED，其建廠的投資額大且受限於製程技術，因此市場將定位於中∕小尺寸，更何況此市場之競爭者已經不少(例如：STN-LCD、TFT-LCD、AMOLED…等)。雖然FED之高亮度、無視角且對環境的容忍度高，可用於軍事、儀器、汽車…等用途，但其屬於利基市場佔有率低，因此若想將FED之市場定位不受侷限於中、小尺寸，甚至朝大尺寸家用TV發展，利用不同的材料與製程方式製作FED勢必才是解決方法。
5. 大尺寸的CNT-FED在大尺寸(30~60吋)之顯示器市場中，CRT雖具備良好的顯像品質，但體積卻過於笨重，投影電視雖可改善體積問題，但顯像品質並不良好，因此整體而言，電漿顯示器(PDP)「似乎」是目前不錯的選擇。PDP的發光原理為利用加電壓方式，使氣體產生電漿而放出紫外線(UV Light)，在經由UV激發螢光粉後放出紅、藍、綠三原色可見光。至於PDP之面板製程，主要是利用網印法搭配薄膜製程製作上下板，最後再利用與FED相同的真空封裝技術，將氖(Ne)與氙(Xe)的混合氣體封入顯示器中。然而雖然大部分的PDP之製程是採用網印法製作，確實可達到大尺寸的目的，但由於基本的元件結構及發光原理特性，造成PDP具有耗電量過大(>200W)，驅動電壓偏高(>100V)，顯像系統複雜、發光效率極低(~1 lm/W)…等缺點。因此若能夠開發出一個全新的自發光平面顯示器，使其不僅將保有薄膜式FED的低驅動電壓(<50v)、高發光效率(>10 lm/W)、高亮度(>500nits)、驅動系統簡單…等特性，同時使用全厚膜網印製程，又可輕易達到大尺寸及低成本的製程優勢。然而受限於厚膜製程之解析度，所能製作出的閘極洞(gate-holes)直徑為20~100mm，若仍使用導通電場高的材料(例：Mo~80V/mm)製作電子發射源，將使得厚膜式FED之驅動電壓為800~4000V，因此尋找並研究具備低操作電場(<3>10 mA/cm2)之電子發射源材料與製程，即成為製作厚膜式FED的關鍵。
6. CNT的製備…運用於厚膜式FED製備CNT方法一般可分為三種：電漿法(Plasma Discharging)，雷射激發法(Laser Ablation Method)，金屬催化熱裂解法(Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method)。但是若要將CNT運用於厚膜式FED中，則可將成長獲得之CNT粉末調成漿料，再利用網印法塗佈成具圖案化的電子發射源；或先將觸媒塗佈在陰極電極上，再利用CVD直接於電極之觸媒上成長出CNT，而此CVD法不僅可運用於厚膜式FED，也可取代鉬金屬微尖端，運用於薄膜式場FED，在FED顯示元件中，局部的真空度變差將引發氣體游離，進而轟擊鉬金屬微尖端，使得尖端形狀改變，也可能由於封裝過程中之污染與氧化，使得鉬金屬表面位能障改變，而影響電子發射能力，若改用CNT將可改善此現象。
7. CNT-FED的競爭廠商至1995年之後，許多的單位研發CNT-FED，並且於各國際會議中，發表其先進的製程技術及元件特性，以下僅列舉其中幾個單位之結果。(1)Samsung SDI Co., LtdSamsung SDI Co., Ltd於1999年5月之SID'99，首次發表4.5吋單色且亮度為450nits之二極結構CNT-FED後，即投入大量的能量於研發CNT-FED，並於同年之IDW發表9吋彩色且解析度為240X576之二極結構CNT-FED (圖十)，於驗證CNT之特性後，在SID'00展示15吋VGA之三極結構CNT-FED，也提出一新的under-gate三極結構，並朝大尺寸面板研發。根據SDI最新的計畫，將於2002年展示1280x768之32吋CNT-FED，2005年為1920X1080之38吋CNT-FED，2006年為1280x768之24吋及1920x1080之42吋CNT-FED。
資料來源：電子與材料 (2001/11)圖十 Samsung SDI公司的CNT-FED
(3)NECNEC於2000年之IDW'00發表三極結構之CNT-FED，由於先前NEC並未發表相關的文章，因此特別引起注意，其CNT-FED之解析度為32X32，Pitch為700mm，一個pixel內有4個閘極，每個閘極洞直徑為100mm，在此三極結構中之導通電場為25V，當操作電壓為100V時，場發射電流密度可達14mA/cm2。
8. 掃描探針顯微術 (SPM)由於微電子元件日趨精密微小，量測的精確度變得相當重要。掃描探針顯微術 (Scanning Probe Microscopes) (SPM)因為可提供適當的奈米級量測，因而確保製造部門嚴格的品質控制與成本的降低。因此，預期未來SPM的市場需求仍會不斷擴大，綜觀其市場與技術趨勢之特色，描述如下：(1)SPM市場成長最快 在顯微技術的應用領域中，SPM正逐漸取代SEM、TEM在許多場合的應用，特別是IBM一直鼓吹半導體廠以SPM替代SEM成為標準的檢測工具；此外，SPM應用在資料儲存系統的技術將愈趨成熟，未來半導體與資料儲存業相信是促使SPM市場快速成長之主要動力。(2)SPM的技術仍在不斷延伸中自STM發明後，各式的掃描探針顯微技術亦蓬勃發展起來，廠商不斷開發具有特定用途的顯微技術，例如在探針上一層磁性材料，以磁力顯微術(MFM)來量測電子結構；其他的後續研發尚包括：磨擦力顯微術(FFM)、靜電力顯微術(EFM)、近場光學顯微術(SNOM或NSOM)、及磁力共振顯微術(Magnetic Resonance Force Microscopes, MRFM)等。這些顯微術均是藉偵測微小探針與樣品表面間的交互作用力，如：穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波、核子磁性動能(Nuclear Magnetic Moments)等來描述樣品表面之特性，均可應用於記錄資料。目前，STM與AFM為顯微技術領域中較成熟之產品，而近年SNOM亦逐漸受到重視。(3)SPM等探針型儲存技術將促進超高密度儲存系統之發展利用探針型顯微術記錄資料，選擇不同交互作用方式會影響資料密度，因此各國研究單位均投入大量的R&D，希望利用探針微小的尖端儲存資料，以期把儲存系統的密度推進到原子級的世界。列出各探針型儲存技術之方法與記錄密度(如下表六所示)：這種奈米級的資料儲存技術應用在高密度高容量儲存系統之市場潛力頗大，根據工研院機械所資料顯示，預期到公元2001年全球高密度、高容量資訊儲存系統之銷售值約210億美元。美國Terastor利用近場光學顯微術(SNOM)將磁光讀寫頭予以改進成近場光學讀寫飛行頭，而發展出近場光碟機。這個新產品較目前市場上的一般光碟機儲存容量大，單面記錄容量超過20Gbytes，且記錄密度可達12Gbits/inch2，但價格較相同容量之光碟機便宜；並且這個近場光碟機擁有讀取速度快，信賴度高之優點。
表六 探針型儲存技術之記錄密度
方法
顯微鏡種類
記錄材料
記錄密度(G bits/in2)
移動原子或分子
STM
Xe/Ni(110)
550,000
加熱寫入
AFM
PMMA
17
化學結合
STM
石墨
18,000
機械加工
STM
矽
2,000
金屬蒸發
STM
金
1,000
電荷儲存
AFM
SiNx/SiO2/p-Si
27
磁氣記錄
MFM
CoCr/NiFe
7
近場光學
SNOM
(Co/Pt)n
45
相變化記錄
AFM
GeTeSb
1,000
資料來源：工研院機械所 (2000/12)
(4)SPM技術將朝更高解析系統發展SPM在作為晶圓檢測工具時可提供達到水平或垂直尺寸1nm之解析度；IBM一直致力於這方面的研發，希望能將SPM解析度提高到2pm，此外藉助電腦影像法則亦可改善解析度之表現。(5)SPM的功能與效能將愈來愈強AFM技術不論是在懸樑尖端(Cantilever Tips)之製造，或是在探針尖端與樣品間定位技術方面，均有長足的進步。這些技術的改善，令工程師能更輕易地量測樣品的3-D結構，從而使製程品質得以持續地精進。(6)SPM在生物材料方面之應用深具潛力SPM用在分子奈米技術之研究上，特別注重可用來控制化學交互作用的反應尖端(Reactive Tips)之特性。藉著探針尖端的適當組合，研究者可促成分子達到所設計的化學結合(Chemical Bonding)。它的最終目標是要建造一個一般用途的握爪(gripper)或接受器(receptor)，當微小尖端安置在顯微探針上時，這個握爪或接受器可以依不同的反應選取不同的探針尖端，使這套系統就如標準化的chuck一樣。這項技術的研發成功，將使奈米技術應用在生物材料(Biological Materials)之市場潛力無窮。
四、全球奈米電子的產值
根據美國白宮國家科技委員會等單位對奈米技術的期許，估計未來10~15年間奈米技術的相關產品市場價值每年有機會達到一兆美元，如果將材料、電子、醫藥品、化學工業、航太、量測工具等分開計算，材料方面產值每年約3400億美元而居各類之冠；屬於電子方面的半導體工業則每年產值將達3000億美元，產值之大使奈米科技已成為各國爭相投入研究的領域。
第五章 我國奈米電子的推動策略
一、我國奈米電子競爭優劣勢分析
發展奈米電子優劣勢幾乎很多取決於我國IC產業國際競爭力，綜合分析歸納如下(如下表七所示)：
1. 優勢(1)人才：國內高等理工教育普及發達，素質整齊，而且成本相對低了許多，員工又願意全力投入，不太計較工時長短。在國內半導體工業已具備國際競爭力及獲利頗豐、地位受重視的情形下，被吸引而投入的人才日增，形成良性循環。(2)資金：雖然新廠投資額日益龐大，不過在獲利頗豐的狀況下，加上投資界十分看好IC工業的前途，所以大廠較無後顧之憂，但小公司則可能受到排擠。(3)公司實力：經營階層具備極靈活彈性、有殺傷力之策略運用能力，成本控制力十分強，代工地位他國難以搖撼。(4)相關與支援產業：高度專業分工體系，地理群聚效果顯著，可相互在最短時間內取得協調及配合。上下游均可集中資源，投注於本身熟悉之領域。(5)政府政策：持續的政策支持與賦稅優惠，營造很好的產業環境。
2. 劣勢(1)人才：尖端產品設計人才不足，欠缺創新能力。(2)技術：關鍵技術及產品發展趨勢無法掌握，除了製程及封裝能力不錯外，其他部份仍有待加強，尤其是產品設計研發技術十分薄弱，又欠缺專利談判籌碼，智財問題已日漸顯現中。(3)公司實力：大多數公司規模仍小，缺少經濟規模，風險承擔力弱。縱使是大公司，在行銷、通路方面，也仍有很多要努力的地方，國際化經營實力目前仍嫌不足。
表七 台灣目前的競爭優劣勢分析
項 目
優 勢
劣 勢
人 才
國內高等理工教育普及發達，素質整齊，而且成本相對低了許多，員工又願意全力投入，不太計較工時長短。
尖端產品設計人才不足，欠缺創新能力。
資 金
雖然新廠投資額日益龐大，不過在獲利頗豐的狀況下，加上投資界十分看好IC工業的前途，所以大廠較無後顧之憂，
但小公司則可能受到排擠。
技 術
除了製程及封裝能力不錯外，
關鍵技術及產品發展趨勢無法掌握；其他部份仍有待加強，尤其是產品設計研發技術十分薄弱，又欠缺專利談判籌碼，智財問題已日漸顯現中。
公司實力
經營階層具備極靈活彈性、有殺傷力之策略運用能力，成本控制力十分強，代工地位他國難以搖撼。
大多數公司規模仍小，缺少經濟規模，風險承擔力弱。縱使是大公司，在行銷、通路方面，也仍有很多要努力的地方，國際化經營實力目前仍嫌不足。
相關與支援產業
高度專業分工體系，地理群聚效果顯著，可相互在最短時間內取得協調及配合。上下游均可集中資源，投注於本身熟悉之領域。
欠缺奈米製程模擬及元件設計所需要的軟體程式。
政府政策
持續的政策支持與賦稅優惠，營造很好的產業環境。
資料來源：工研院經資中心 (2001/08)
二、我國奈米電子推動架構
國內目前為止只有工研院在經濟部科專計畫長期支持下有累積相當足夠之材料/化工/量測/微機電/光電/電子/資訊/通訊等奈米技術所需的基本研發能量，也有奈米碳管、量子點…等之初步研發成果。
工研院已組成跨領域團隊(如下圖十一所示)，積極規劃包含奈米材料、奈米電子、奈米加工、奈米量測…等技術，以建構完整之奈米技術研發藍圖，開創我國奈米技術發展之契機。規劃中之國際級奈米技術研發中心，包括技術團隊與研發場所，將可有效協助國內相關之產學合作研發與產業育成，並吸引國際大廠與人才進駐研發。
資料來源：工研院電子所 (2001/08)圖十一 我國奈米技術發展架構(以ITRI為例)
三、我國奈米電子發展策略
為了使我國的奈米技術具有自主性的發展，在初期應以人才培訓(技術論壇、國際研討會、國內外受訓)為重點，充分結合國科會∕學術界(分工整合、爭取時效)、產業界 (育成創業、先期參與) 進行合作，從IP策略(原創、應用、設計)做思考核心，等到發展方向更加確立之後，再充分實力進行國際合作(對等、互補、共享) (如下圖十二所示)。
資料來源：工研院電子所∕經資中心ITIS計畫 (2001/08)圖十二 我國奈米技術發展策略
第六章 結論與建議
一、結 論
1. 跨出國門並朝向「次世代電腦」架構發展美國以其具壓倒性優勢的資訊、生物技術與奈米技術融合，日本則訂定有能源、奈米IT、生命科學、環境…等四大發展目標，所設立的奈米研究所更大膽朝向可植入人體的奈米生物晶片、量子計算機用基礎元件開發，業者(如：富士通)甚至也成立研發超高速電腦的奈米研究所共襄盛舉，而後起的南韓也在2000年4月與美國的學術界攜手開發出奈米碳管電晶體。總總跡象顯示，奈米電子技術的發展必須「跨出國門」並朝向「次世代電腦」架構發展才有機會列入全球主流之列。例如，在前瞻創新科技與工研院結盟的MIT媒體實驗室研究的廣度從非常「軟」的人機介面與網路代理人(Agent)，到非常「硬」的奈米感測(Nano Sensing)與分子機器(Molecular Machines)，從「軟硬兼施」的三次元立體影像(Spatial Imaging)，到情緒運算(Affective Computing)與可觸式媒體(Tangible Media)，結合科技、人文社會、藝術的人才，尋求無疆界的創新，則可為我國研發創新的標竿。
2. 「數位電腦∕類比電腦」應朝混合應用∕各取所需的方式演進未來奈米科技所發展出的量子電晶體其應用重點不只是降低元件的尺寸，或者增加單一元件的速率而已，而是利用這些新元件從事特殊的功能(這些功能需要很多個一般電晶體才做得到)。另外，未來在奈米電子元件及應用方面，應該會朝向如前所述的「數位電腦∕類比電腦」的「混合應用∕各取所需」方式演進，而非「直接∕零和」競爭。
3. 有足夠的時間追上「量子電腦」的新時代矽晶片在短短幾十年間走過一條高速成長之路。30奈米晶體管技術將使矽晶片可以容納4億個晶體管，但這種增長不可能永遠持續下去，因為矽晶片將很快走向終結！誰會成為傳統的矽晶片電腦的終結者？目前科學家看好光電腦、生物電腦、量子電腦，其中又以量子電腦呼聲最高。
2001年4月底IBM也宣佈未來晶圓不見得要用矽製造！雖然該公司已有能力讓奈米碳管(Nanotube)來擔任電晶體的角色，但是對於商品化的時間初步認為大約是在2010年，從積極面來說：我們可能還有足夠的時間追上此波「量子電腦」的新時代。
二、建 議
1. 百億元經費經費從何而來？該如何分配？雖然行政院召開的科技顧問會議中預定將奈米科技納入國家型計畫，根據初步規劃的奈米科技發展策略最快在92年度可以正式整合國科會、工研院、經濟部三方資源，經濟部也研議在5年之內投入100億元的經費，但是百億元經費從何而來？該如何分配？將是非常值得思考的問題。若大致將總經費分成「既有」與「新增」兩部分，則其無中既有的部分是指主管部會內部科專計畫的調整，而新增部分則是立法院每年通過的科技預算。若再將經費其中80億應用在奈米科技產業化，則剩下只有20億元在奈米基礎科學的研究與應用，然而目前相關單位這對種類似「80∕20法則」的觀點見解不一，例如：國科會則認為奈米科技方處萌芽階段，所以應該等基礎科學的研究與應用漸次有成果後，再逐漸調整經費分配比例，提高商業應用方面的比重；但是反觀經濟部則認為經費分配是策略性問題，基礎研究不足的部分可透過國際合作方式移轉他方資源，等到業界的奈米商品推展成功之後，業界有錢則可以回饋給學界而補強基礎研究工作之不足。除了台灣要發展奈米科技除了資源配置尚無共識外，在觀念、人才、制度等層面亦亟改進，其無中台灣整個社會普遍缺乏科學、高科技、創造…等各方面的熱忱將是最令人隱憂，以此觀之則國家型奈米科技計畫在基礎研究和應用部分的經費分配比率實在偏低，至少應該提高至30%，著眼於長遠上的人才、心態、制度、企圖心…等面向來看，奈米科技的人才培育應該要趁早。以美國為例：他將奈米技術視為下一波產業革命的戰略領域，以其具壓倒性優勢的「資訊科技」與「生物技術」與奈米技術融合；2001年美國更投入約5億美元加速奈米技術的研究，其600件研發計畫經費中大學(基礎研究)∕民間(商業應用)比例就是「70∕30法則」了。
2. 獎優汰劣應分明、確實檢驗計畫成果目前最迫切的難題應該是注意相關主管單位「心胸」是否足夠開放，否則只是一天到晚為自己在搶錢而已；其次審核計畫時獎優汰劣應分明，因為台灣實在太小了，人情派系包袱何其沉重，要想達到公正評判實在很困難，但是最起碼不要讓計畫主持人「在結案前換將(其實是繞跑)」才能確實檢驗計畫成果並記取教訓，磨練出未來堪當大型計畫重責大任的科技棟樑。
3. 我國應先從半導體材料開始發展奈米電子比較有利基奈米科技是一個相當前端的技術，在1990年以前這個領域還不存在，所以奈米科技是剛興起的領域，最多也不過10幾年，有些東西甚至只有5年，由於這個領域很新又具前瞻性，落後差距則視所應用之各個不同領域的個別情況而定。以材料方面為例，台灣的奈米碳管約落後國際間3~5年，半導體微粒部分差距就不大，落後最多的應該是奈米生物科技，所以建議我國應先從半導體材料開始發展奈米科技比較有利基，台灣廠商比較擅長採購材料，據此然後發展共商業化的製程及應用。
4. 建議政府應該開放大陸科技人士來台大陸在奈米科技論文發表居全球第三位，特別是最近三年大陸留美、留歐的人才大量回籠，這些人出國的時間點又剛好是國外奈米科技萌芽的起步階段，回大陸以後剛好可以貢獻所學。反觀台灣的留學潮約在1980年代開始已經陸續回籠，現在也回來得差不多了，但是年輕一輩學生出國留學的意願不高(例如：寧願到台積電、聯電工作)，很多教授這5年已經沒有機會幫學生寫推薦信了，學生不願意出國留學是一個非常明顯的大問題。然而人才的問題著急也沒有用。台灣目前在人才的「質」與「量」都不夠，所以建議政府應該開放大陸科技人士來台，短期的措施是鼓勵其他領域的人才轉行加入奈米科技領域，長期則要訂定人才的培育計畫。
5. 亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配除了經費問題費思量之外，在研究人員的企圖心和創意方面，奈米科技計畫在規劃上也存在幾項盲點：有些計畫整合性不足…有點像是「湊合」出來的；有些則是計畫創意、創新性不夠；有些子計畫主持人較弱；有些看起來就像儀器採購清單；有些似乎只是「微米」也號稱「奈米」(甚至美國也同樣有此現象)。國內目前著手進行的奈米基礎研究，多著重應用層面，能發揮的創意有限，加上從材料觀點切入者多，亟待物理、化學、生物…等領域的創新投入並相互搭配。
6. 建議我國奈米(電子)發展推動方案(1)亟待促成「奈米社會研究社群」從社會學的角度評量奈米對人類生活方式的影響，中研院社會所、(台,清,交)各大學人文社會學院，注意奈米對國家競爭力、產業演進、消費市場…等的影響。資源有限，自然衍生分配課題，亦如跨領域計畫一樣免不了有整合的老問題，在各國積極朝向奈米科技發展的同時，台灣能否搭上這班列車？以上所述將是重要關鍵。(2)奈米創意投資社群藉由「奈米創意投資社群」可激盪出適合奈米技術的Business Model，甚至輔導研發人員提出創業計劃。
2008年11月27日 星期四
奈米技術研究
奈米技術研究
奈米材料
如在「奈米尺度的性質」一節中討論的，材料的性質──電學、光學、磁學、力學和化學性質──與它們確切的尺寸有關。這也開闢了以操控奈米結構來發展新型和改良型材料的新方式。將奈米工程生成的材料經過分級組合成更大的結構或裝配成設備，可提供製作全新材料和機器的基礎。
自然界的物體組合指出了改進結構材料的方式。經常被人提到的鮑魚貝殼，為堅硬易碎的奈米結構無機物如何與柔「韌」的有機物結合產生強硬耐久的奈米複合材料，提供一個完美的例證。從本質上說，這些奈米複合材料是由被糖蛋白「膠」黏在一起的碳酸鈣「磚」而構成。諸如黏土奈米複合材料(polymer-clay nanocomposite)的新工程材料不斷出現，它們不僅堅硬有韌性，而且重量輕，比傳統強化塑膠更易於回收利用。這些在結構材料上的改進對運輸工業特別重要，減少重量使燃料經濟得到直接的改善。其他改良可以提高安全性，或減少製造和回收的環境影響。進一步的改良，例如可以預示將發生的錯誤甚至自己修復缺失的真正聰明的材料，可能實現於未來的複合材料上。
感測器是幾乎所有現代控制系統的重要環節。例如，多重感測器用在汽車的各項任務上──引擎管理、點火控制、可靠性、安全性、舒適性、車輛監測和判斷。這類物理感測器的傳統應用一般依賴微尺度的感測元件，奈米材料及其結構的發展則導致新的電、光和磁奈米感測器的出現，這類感測器有時被稱為「智慧塵」(smart dust)。由於體積小，奈米感測器顯示出前所未聞的速度和靈敏度，在某些情況下甚至可以用來探測單分子。例如，由奈米碳管、矽或其他半導體材料製成的奈米線(nanowire)對化學物種或生物製劑格外靈敏。使分子附著於奈米線表面，局部的電子能帶結構會發生擾動，可造成通過奈米線的電流發生變化。依靠表面覆蓋著能選擇性地附著於特定物種的感測器分子的奈米線，就可以用電荷引起的電流變化來探測該物種是否存在。同樣的方法已被採用於許多種類的感測系統中。具有超高靈敏度和特異性的新型感測器將會有多種應用；例如，可以在癌腫瘤僅由一些細胞組成時即將其探測出來的感測器，會是非常重要的進步。
奈米材料還是優良的濾器，可以分離工業廢水中的重金屬和其他污染物。奈米技術對於地球上多數人類生活的最大潛在影響之一是經濟實惠的水淡化和淨化。奈米材料極可能在以下方面發現重要用途：燃料電池、能量的生物轉換(bioconversion)、食品的生物加工(bioprocessing)、廢棄物整治和污染控制系統。
關於奈米粒子，近來引起關注的是它們的微小尺寸和新奇性質是否可能引發重大的健康和環境風險。一般來說，諸如影印機的碳粉或者內燃機和工廠產生的煙塵等這類超細微粒，對人類和動物的呼吸和心血管有不良影響。對於某些奈米尺度粒子是否會引發較高風險乃至需要特別立法加以限制，相關研究正在進行中。要特別關注的是吸入粒子的潛在致癌風險，以及極小的奈米粒子穿過血-腦屏障將造成的未知效應。目前引起衛生官員注意的奈米材料有奈米碳管、布基球和硒化鎘量子點。經由皮膚吸收氧化鈦奈米粒子(用於防曬劑)的研究亦在計畫之中。就毒性、傳遞和奈米粒子在生態系統和環境方面的全面結果進行更廣泛的研究至今還未開展。一些早期的動物研究備受爭議，例如涉及導入極高水準的奈米粒子，這會導致許多個體迅速死亡。
生物醫學和保健
藥物投遞
奈米技術將以多種方式影響醫學治療。首先，奈米粒子在設計和製造上的進步為藥物投遞和藥物療法提供新的選擇。每年開發出的新藥有一半以上是非水溶性的，這使藥物投遞變得困難。然而，以奈米粒子形式，這些藥物會更容易地被傳遞至目的地，而且可以用藥丸的傳統形式投遞。
更重要的，奈米技術可以使藥物精確地投遞至身體的正確部位，並按最佳治療預定的時間方案釋放藥劑。常用的方式是把藥物依附於奈米尺寸的載體上，載體將在經過一段時間後在體內釋放藥物，或者在受到特定誘發時釋放。此外，可以對這些載體的表面加以處理，使其可尋找並局限於患部，例如附著於癌腫瘤上。這種應用中特別受到關注的一種分子類型是有機樹枝狀聚合物(dendrimer)。樹枝狀聚合物是一種特殊種類的聚合物分子，從一個空心中央區域穿進穿出。這些球形的「毛球」大約是典型蛋白質分子的大小，但不能像蛋白質一樣釋放。對樹枝狀聚合物的研究興趣出於它可以變換空腔的大小和化學性質以攜帶不同的治療劑。研究人員希望設計出不同的樹枝狀聚合物，當它們接觸到指明疾病標的的特定分子時能夠增強和釋放其攜帶的藥物。目前人們正在探討將這種奈米粒子引導藥物投遞的方法作為一種常規手段用於其他類型的奈米粒子
另一種方式採用覆金的奈米殼(nanoshell)，它的大小可以調整以吸收不同波長的光能。尤其是紅外線可以穿透人體組織數公分，能夠精巧地加熱這種囊狀物，從而釋放其中的治療物質。進一步地，抗體可以附著於殼的塗金外層表面，以便與特定腫瘤細胞結合，減少對周圍健康細胞的損傷。
生物鑑定
奈米醫學中第2個研究重點是開發新的診斷工具。該領域的研究興趣從單基因或單細胞水準的基礎生物醫學研究到保健服務的定點照護(point-of-care)應用。隨著分子生物學的發展，許多診斷工作現都集中於檢測特定的生物學「表徵」。這些分析被稱為生物鑑定。例如，確定何種基因與特定疾病或治療藥物有活性反應的研究。一個常用的方法是將螢光染料分子附著於標的生物分子上，以顯示出其濃度。
另一種生物鑑定的方法是利用半導體奈米粒子(例如硒化鎘)，它會依尺寸大小而發射特定波長的光。不同大小的粒子可以標記為不同的受器，比起利用染料分子來識別，這樣做能有更多不同的色標可利用。染料中螢光因重覆發射而減弱的缺點也可以避免。此外，各種大小的粒子，可以封入乳膠粒子，它們產生的波長解讀起來就像條碼。這個仍然在探索階段的方法將可以為生物鑑定提供大量的鑑別標籤。
在生物鑑定中的另一個奈米技術是將要檢測的基因序列中的半個單鏈互補DNA片段附著於一組金粒子，而另一半附著於另一組金粒子。當目標物質出現於溶液中時，兩個附著物會導致金球聚集，使光學性質發生巨大變化，其變化可在溶液的顏色中看出。如果序列的兩半不能匹配，將不會發生聚集也看不到變化。
不涉及光學探測技術的奈米粒子方法也在研究中。例如，磁奈米粒子可以附著於抗體上，再由抗體識別和附著於特定的生物分子。此時的磁粒子則起到標籤和「把手」的作用，磁場可以藉此在微升(microlitre)或奈升(nanolitre)尺度的樣品中混合、提取或者識別被附著的生物分子。例如，磁奈米粒子在一段時間內保持單一區域磁化，使之能夠在磁場中被校準和探測。尤其是被附著的抗體-磁奈米粒子結合體會緩慢旋轉並發出一個可識別的磁信號。與此相反，沒有附著於被探測到的生物材料上的磁標籤抗體，旋轉較為快速因而不會發出同樣的識別信號。
微流體系統(microfluidic system, 或稱「晶片上的實驗室」)已發展供微小樣品的生物化學鑑定之用。大量電子和力學元件通常被塞進不超過信用卡大小的可攜單位中，它們對處理生化領域中的快速分析特別有用。雖然微流體系統最早在微尺度(即1公尺的百萬分之一)中操作，但奈米技術已帶來新的概念，在未來將可能發揮更大作用。例如，DNA分離對於熵效應特別敏感，就如釋放給定長度的DNA片段所需的熵(entropy)。一種分離DNA的新方法是利用經由通過一個奈米尺度的端子或通道陣列，從而使不同長度的DNA分子以不同的速率展開。
其他研究人員則關注於探測奈米寬度的DNA鏈穿過奈米尺度的細孔時的信號變化。早期研究用的是病毒在膜上鑽的孔，人工加工的奈米孔亦在試驗中。藉由在液態電池中對膜的一側施加電位能以推動DNA通過，當分子的不同基本單元重覆通過孔時，可以測出離子流的改變。奈米技術在整個生物鑑定領域中實現的進展，將以多種途徑對保健產生明確的衝擊，從早期探測、快速臨床分析和居家監測到對分子生物學和對抗疾病的基因治療的新理解。
輔助裝置和組織工程
奈米技術的另一個生物醫學應用是為喪失或缺少特定自然功能的人們提供輔助裝置。例如，研究人員希望為視力受損者設計視網膜植入物。其設計思想是植入具有光電偵測器陣列的晶片，將信號從視網膜經由視神經傳送到大腦。有意義的空間資訊，即使是處於尚未完全發展的水準，對盲人來說也有很大的幫助。這樣的研究展示出要設計在無機裝置和生物系統之間介面工作的混合式系統會面臨的巨大挑戰。
密切相關的研究包括在腦組織中植入奈米尺度的神經探針以啟動和控制運動功能。這需要許多作用於神經元的有效且穩定的電極「線路」。這是令人興奮的，因為有可能使運動神經受損的人恢復控制。已有研究顯示使用電信號刺激脊髓受損者的神經可恢復些許運動功能。研究人員正在尋求可能的途徑以協助骨、皮膚和軟骨的再生和治療。例如，發展具有奈米尺寸孔隙的生物相容或生物降解合成結構，作為施放化學物質輔助修復過程時再生特定組織的模版。在更複雜精細的水平上，研究人員希望有朝一日能製造奈米尺度或微尺度的機器，用於修理、輔助或替換更複雜的器官。
資訊科技
半導體專家認為，「常規」電子裝置的不斷小型化將不可避免地達到根本的極限，原因在於諸如「隧道效應」的量子效應。隧道效應使電子跳出預設的電路，在設備間產生原子量級的干擾。就這點來說，想進一步發展資料儲存和資訊處理需要全新的方法。例如，已經想像出以量子計算或生物分子計算為基礎的全新系統。
分子電子學
將分子用於電子設備的構想最早於1970年代由西北大學的拉特納(Mark Ratner)和IBM的阿維朗(Avi Aviram)所提出，但是直到進入21世紀才出現合適的奈米技術工具。連接約寬0.5奈米、長數奈米的分子仍為一個大難題，對於經由單個分子的電傳輸的認識也才剛興起。例如，一些研究小組已能夠演示分子開關(molecular switch)，可想像將它用於電腦記憶體或邏輯陣列。當前的研究領域包括引導分子選擇的機制；把分子組裝成奈米門的結構布局；以及類似電晶體性質的三端分子。更基本的一些研究包括DNA計算，在矽晶片上的單鏈DNA可以將所有可能的變數值編碼，而互補鏈的相互作用將用於求解的並行處理(parallel processing)。與分子電子學相關的是有機薄膜電晶體和發光體領域，其中可能的新應用包括可以像壁紙一樣捲起的顯示器和可彎曲的電子報紙。
奈米管和奈米線
奈米碳管有顯著的電學、力學和化學性質。依據它們特定的直徑和碳原子的鍵結排列，奈米管顯現出金屬或半導體兩者擇一的性質。完美的奈米管內電的傳導呈衝擊型(散射可以忽略)，熱消耗非常低。因而，奈米管做的導線(或稱奈米線)可以承載的電流比同等粗細的一般金屬線大得多。直徑1.4奈米的奈米管大約是矽半導體元件閘極寬度的百分之一。除了用於傳導的奈米線外，已展示出結合金屬和半導體奈米碳管的電晶體、二極體和簡單的邏輯電路。同樣，矽奈米線也已被用於建造實驗元件，如場效應電晶體、二極電晶體、換流器、發光二極體(LED)、感測器乃至簡單的記憶元件。同分子電子學一樣，奈米導線電路面臨的最大挑戰是如何把這些元件連結整合成一個可使用的高密度結構。理想的狀況是使結構能在適當的位置生長組合。兼具導線和元件功能的縱橫結構最引人關注。
單電子電晶體
在奈米尺度裡，增加一個附加的電子到「小島」(孤立的物理區域)──例如通過隧道能障(tunneling barrier)──所需的能量變得很重要。這個能量變化提供設計單電子電晶體的基礎。在低溫環境下，熱的波動幅度小，各種單電子元件的奈米結構可以手到擒來，對僅有有限電流的結構也已開展廣泛的研究。然而，室溫下的應用還要求結構尺寸顯著減小至1奈米範圍以達成穩定運轉。對於數百萬個元件的大規模應用，如同在當前的積體電路中那樣，需要尺寸非常一致的結構以維持不變的元件特性，這個需求帶來相當大的挑戰。而且，在這個和許多正在探索的新奈米元件中，缺乏效益是限制在大尺度電子電路中實際採用的一大障礙。
自旋電子學
自旋電子學適用於不僅根據載流子的電荷而且基於其自旋進行邏輯運算的電子元件。例如，訊息可以透過電子的自旋向上態或自旋向下態進行傳輸和儲存。這是一個新的研究領域，研究課題包括極性自旋載流子的注入、傳輸和探測。人們感興趣的課題還有在自旋注入(spin injection)過程中奈米結構的作用和鐵磁半導體介面的電子性質；在奈米尺度控制下新鐵磁半導體的生長；以及利用奈米結構特點來操控自旋的可能性等。
資訊儲存
當前資訊儲存和檢索方法包括高密度、高速度、固態的電子記憶體，以及較慢的(但一般容量更大的)磁片和光碟(參閱電腦記憶體〔computer memory〕條)。隨著用於電子處理的最小形體尺寸接近100奈米，奈米技術提供了進一步減少資訊儲存空間的可能，由此增加密度和減小互連距離，以獲得還要更高的速度。例如，目前一代磁片的基礎是巨磁電阻效應(giant magnetoresistance effect)，透過確定在奈米厚度金屬層(在鐵磁性和不具鐵磁性兩者間變化)的磁場方向，磁讀寫頭儲存資訊。同自旋相關的電子散射在介面層的差異而導致的電阻差可以被磁頭讀出。力學性質──特別是摩擦學(tribology, 運動表面的摩擦力和磨損)──在硬磁碟機中也扮演著重要角色，因為磁頭僅僅懸在旋轉的磁片上約10奈米處。
另一個依賴於奈米厚度磁層設計的資訊存儲方法正處於商業開發階段，稱為磁性隨機記憶體(magnetic random access memory, MRAM)，一排可用電開關控制的磁性材料被非磁性奈米夾層自永磁性層分離出來。從通過橫穿這些線的大型導線陣列可以電信號方式讀取出與相應磁場排列有關的電阻變化。MRAM將需要傳統半導體製造工藝中的一些小變革，它還具有產生非揮發性記憶體(nonvolatile memory, 不需電源或電池即可維持儲存的記憶狀態)的附加效益。
雖還處於探索狀態，通過分子的電傳導研究已經因其可以當作記憶體使用的可能性而廣受關注。雖然還僅僅是純理論性質，分子和奈米線的儲存方法仍很誘人，因為很小的空間裡就可以儲存資訊，生物系統使用這種方式能夠有效地儲存大量資訊。
通訊
光學裝置中的奈米尺度結構，如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)、量子點雷射(quantum dot laser)和光子晶體材料等引領著通訊技術的額外進展。
VCSEL有外延進腔壁的化合物半導體奈米塗層，將介電層依次作為反射鏡和量子阱。量子阱使得帶電載流子被限定在特定區域，可提供能量轉換成所要波長的光。量子阱被放置於雷射腔裡，限制載流子處於駐波波節處，改變能帶結構以適應更高效率的幅射複合(radiative recombination)。與精確生長出極薄的外延半導體塗層有關的一維奈米技術發展於1990年代。這種奈米結構提高了VCSEL的效率，並且減低啟動雷射所需的電流(稱為閾電流)。由於改善了效能和相容於平面製造技術，VCSEL很快地成為各種通訊應用優先考慮的雷射源。
最近，針對量子點(區域小到可以給於一個單電荷)用於半導體雷射進行了研究，並且發現其所帶來的附加效益──進一步減小閾電流和縮小頻帶寬度。量子點把光發射波型限制在一個極窄的光譜，並且提供迄今為止在VCSEL內發射雷射所需的最低閾電流密度。量子點在應變層的生長過程中，透過史特蘭斯基-克拉塔諾維(Stransky-Krastanov)生長模式被引入雷射。這個生長來源於晶格失配(lattice mismatch)的應力和生長薄膜的表面張力。目前還在尋求能夠精確控制產生的量子點使其大小更加一致的改良方法。
光子晶體提供操控光子的一個新手段，它建基於週期性排列的電介質晶格，週期類似於光的波長。這些材料具有非常奇異的性質，諸如在具有特定週期結構的材料中不允許特定波長的光通過。光子晶格可以用作完美的波長選擇鏡，把所有方向的入射光反射回去。它們在前所未有的小尺度內為光學開關、操控和波長分隔提供基礎。這些人工晶體所需要的週期結構可以構造成二維或三維的晶格。由於更容易製作，光源、開關和路由器正在考慮開發中，尤以具有二維平面幾何特點者受到最多關注。
奈米技術在通訊中的另一個潛在重要應用是微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)，其元件大小在微米尺度(1公尺的百萬分之一)。微機電系統目前經由光開關對通訊帶來巨大影響。未來，機電裝置將縮小到奈米尺度，利用較小質量帶來更高的機械振動頻率。小機械束振動的自然(共振)頻率隨尺寸的縮小而增大，因此驅動它們作為振盪器所需的動力就很小。其效率以品質因子Q來評等，Q是每個週期儲存的能量與消耗的能量之比值。Q值越高，振盪器的絕對頻率就越精確。微米和奈米尺度的機械振盪器具有很高的Q值，這些裝置可以達到極高的頻率(高達微波頻率)，可能作為電子振蕩器和濾波器的低能耗替代品。
達到10×100奈米面積的機械振盪器已經由矽製成，其中有超過10％的原子距表面不足1個原子的距離。在此類大小範圍內可以製成高度均勻材料(例如單晶矽棒)的同時，表面在奈米尺度中的作用越來越大，而能量損失也增加，大概是因為表面缺陷和表面分子樣品的吸收所致。
或許可以想像，透過將奈米機械結構移到分子系統而帶來的更高頻率，會出現在可能被視為奈米機械系統的極限中。例如，正在探討多壁層奈米碳管的力學性質。當奈米管的外層底部被移動，內層的管就會被拉離開外層一些，兩個管之間的凡得瓦耳力將提供一個恢復力。內管因此在外管裡面來回滑動振蕩起來。這種結構的振蕩的共振頻率預計超過1個十億赫茲(gigahertz, 每秒10億次)。若把這個系統推至宏觀世界並消除表面效應，還不知道是否可行。
奈米材料
如在「奈米尺度的性質」一節中討論的，材料的性質──電學、光學、磁學、力學和化學性質──與它們確切的尺寸有關。這也開闢了以操控奈米結構來發展新型和改良型材料的新方式。將奈米工程生成的材料經過分級組合成更大的結構或裝配成設備，可提供製作全新材料和機器的基礎。
自然界的物體組合指出了改進結構材料的方式。經常被人提到的鮑魚貝殼，為堅硬易碎的奈米結構無機物如何與柔「韌」的有機物結合產生強硬耐久的奈米複合材料，提供一個完美的例證。從本質上說，這些奈米複合材料是由被糖蛋白「膠」黏在一起的碳酸鈣「磚」而構成。諸如黏土奈米複合材料(polymer-clay nanocomposite)的新工程材料不斷出現，它們不僅堅硬有韌性，而且重量輕，比傳統強化塑膠更易於回收利用。這些在結構材料上的改進對運輸工業特別重要，減少重量使燃料經濟得到直接的改善。其他改良可以提高安全性，或減少製造和回收的環境影響。進一步的改良，例如可以預示將發生的錯誤甚至自己修復缺失的真正聰明的材料，可能實現於未來的複合材料上。
感測器是幾乎所有現代控制系統的重要環節。例如，多重感測器用在汽車的各項任務上──引擎管理、點火控制、可靠性、安全性、舒適性、車輛監測和判斷。這類物理感測器的傳統應用一般依賴微尺度的感測元件，奈米材料及其結構的發展則導致新的電、光和磁奈米感測器的出現，這類感測器有時被稱為「智慧塵」(smart dust)。由於體積小，奈米感測器顯示出前所未聞的速度和靈敏度，在某些情況下甚至可以用來探測單分子。例如，由奈米碳管、矽或其他半導體材料製成的奈米線(nanowire)對化學物種或生物製劑格外靈敏。使分子附著於奈米線表面，局部的電子能帶結構會發生擾動，可造成通過奈米線的電流發生變化。依靠表面覆蓋著能選擇性地附著於特定物種的感測器分子的奈米線，就可以用電荷引起的電流變化來探測該物種是否存在。同樣的方法已被採用於許多種類的感測系統中。具有超高靈敏度和特異性的新型感測器將會有多種應用；例如，可以在癌腫瘤僅由一些細胞組成時即將其探測出來的感測器，會是非常重要的進步。
奈米材料還是優良的濾器，可以分離工業廢水中的重金屬和其他污染物。奈米技術對於地球上多數人類生活的最大潛在影響之一是經濟實惠的水淡化和淨化。奈米材料極可能在以下方面發現重要用途：燃料電池、能量的生物轉換(bioconversion)、食品的生物加工(bioprocessing)、廢棄物整治和污染控制系統。
關於奈米粒子，近來引起關注的是它們的微小尺寸和新奇性質是否可能引發重大的健康和環境風險。一般來說，諸如影印機的碳粉或者內燃機和工廠產生的煙塵等這類超細微粒，對人類和動物的呼吸和心血管有不良影響。對於某些奈米尺度粒子是否會引發較高風險乃至需要特別立法加以限制，相關研究正在進行中。要特別關注的是吸入粒子的潛在致癌風險，以及極小的奈米粒子穿過血-腦屏障將造成的未知效應。目前引起衛生官員注意的奈米材料有奈米碳管、布基球和硒化鎘量子點。經由皮膚吸收氧化鈦奈米粒子(用於防曬劑)的研究亦在計畫之中。就毒性、傳遞和奈米粒子在生態系統和環境方面的全面結果進行更廣泛的研究至今還未開展。一些早期的動物研究備受爭議，例如涉及導入極高水準的奈米粒子，這會導致許多個體迅速死亡。
生物醫學和保健
藥物投遞
奈米技術將以多種方式影響醫學治療。首先，奈米粒子在設計和製造上的進步為藥物投遞和藥物療法提供新的選擇。每年開發出的新藥有一半以上是非水溶性的，這使藥物投遞變得困難。然而，以奈米粒子形式，這些藥物會更容易地被傳遞至目的地，而且可以用藥丸的傳統形式投遞。
更重要的，奈米技術可以使藥物精確地投遞至身體的正確部位，並按最佳治療預定的時間方案釋放藥劑。常用的方式是把藥物依附於奈米尺寸的載體上，載體將在經過一段時間後在體內釋放藥物，或者在受到特定誘發時釋放。此外，可以對這些載體的表面加以處理，使其可尋找並局限於患部，例如附著於癌腫瘤上。這種應用中特別受到關注的一種分子類型是有機樹枝狀聚合物(dendrimer)。樹枝狀聚合物是一種特殊種類的聚合物分子，從一個空心中央區域穿進穿出。這些球形的「毛球」大約是典型蛋白質分子的大小，但不能像蛋白質一樣釋放。對樹枝狀聚合物的研究興趣出於它可以變換空腔的大小和化學性質以攜帶不同的治療劑。研究人員希望設計出不同的樹枝狀聚合物，當它們接觸到指明疾病標的的特定分子時能夠增強和釋放其攜帶的藥物。目前人們正在探討將這種奈米粒子引導藥物投遞的方法作為一種常規手段用於其他類型的奈米粒子
另一種方式採用覆金的奈米殼(nanoshell)，它的大小可以調整以吸收不同波長的光能。尤其是紅外線可以穿透人體組織數公分，能夠精巧地加熱這種囊狀物，從而釋放其中的治療物質。進一步地，抗體可以附著於殼的塗金外層表面，以便與特定腫瘤細胞結合，減少對周圍健康細胞的損傷。
生物鑑定
奈米醫學中第2個研究重點是開發新的診斷工具。該領域的研究興趣從單基因或單細胞水準的基礎生物醫學研究到保健服務的定點照護(point-of-care)應用。隨著分子生物學的發展，許多診斷工作現都集中於檢測特定的生物學「表徵」。這些分析被稱為生物鑑定。例如，確定何種基因與特定疾病或治療藥物有活性反應的研究。一個常用的方法是將螢光染料分子附著於標的生物分子上，以顯示出其濃度。
另一種生物鑑定的方法是利用半導體奈米粒子(例如硒化鎘)，它會依尺寸大小而發射特定波長的光。不同大小的粒子可以標記為不同的受器，比起利用染料分子來識別，這樣做能有更多不同的色標可利用。染料中螢光因重覆發射而減弱的缺點也可以避免。此外，各種大小的粒子，可以封入乳膠粒子，它們產生的波長解讀起來就像條碼。這個仍然在探索階段的方法將可以為生物鑑定提供大量的鑑別標籤。
在生物鑑定中的另一個奈米技術是將要檢測的基因序列中的半個單鏈互補DNA片段附著於一組金粒子，而另一半附著於另一組金粒子。當目標物質出現於溶液中時，兩個附著物會導致金球聚集，使光學性質發生巨大變化，其變化可在溶液的顏色中看出。如果序列的兩半不能匹配，將不會發生聚集也看不到變化。
不涉及光學探測技術的奈米粒子方法也在研究中。例如，磁奈米粒子可以附著於抗體上，再由抗體識別和附著於特定的生物分子。此時的磁粒子則起到標籤和「把手」的作用，磁場可以藉此在微升(microlitre)或奈升(nanolitre)尺度的樣品中混合、提取或者識別被附著的生物分子。例如，磁奈米粒子在一段時間內保持單一區域磁化，使之能夠在磁場中被校準和探測。尤其是被附著的抗體-磁奈米粒子結合體會緩慢旋轉並發出一個可識別的磁信號。與此相反，沒有附著於被探測到的生物材料上的磁標籤抗體，旋轉較為快速因而不會發出同樣的識別信號。
微流體系統(microfluidic system, 或稱「晶片上的實驗室」)已發展供微小樣品的生物化學鑑定之用。大量電子和力學元件通常被塞進不超過信用卡大小的可攜單位中，它們對處理生化領域中的快速分析特別有用。雖然微流體系統最早在微尺度(即1公尺的百萬分之一)中操作，但奈米技術已帶來新的概念，在未來將可能發揮更大作用。例如，DNA分離對於熵效應特別敏感，就如釋放給定長度的DNA片段所需的熵(entropy)。一種分離DNA的新方法是利用經由通過一個奈米尺度的端子或通道陣列，從而使不同長度的DNA分子以不同的速率展開。
其他研究人員則關注於探測奈米寬度的DNA鏈穿過奈米尺度的細孔時的信號變化。早期研究用的是病毒在膜上鑽的孔，人工加工的奈米孔亦在試驗中。藉由在液態電池中對膜的一側施加電位能以推動DNA通過，當分子的不同基本單元重覆通過孔時，可以測出離子流的改變。奈米技術在整個生物鑑定領域中實現的進展，將以多種途徑對保健產生明確的衝擊，從早期探測、快速臨床分析和居家監測到對分子生物學和對抗疾病的基因治療的新理解。
輔助裝置和組織工程
奈米技術的另一個生物醫學應用是為喪失或缺少特定自然功能的人們提供輔助裝置。例如，研究人員希望為視力受損者設計視網膜植入物。其設計思想是植入具有光電偵測器陣列的晶片，將信號從視網膜經由視神經傳送到大腦。有意義的空間資訊，即使是處於尚未完全發展的水準，對盲人來說也有很大的幫助。這樣的研究展示出要設計在無機裝置和生物系統之間介面工作的混合式系統會面臨的巨大挑戰。
密切相關的研究包括在腦組織中植入奈米尺度的神經探針以啟動和控制運動功能。這需要許多作用於神經元的有效且穩定的電極「線路」。這是令人興奮的，因為有可能使運動神經受損的人恢復控制。已有研究顯示使用電信號刺激脊髓受損者的神經可恢復些許運動功能。研究人員正在尋求可能的途徑以協助骨、皮膚和軟骨的再生和治療。例如，發展具有奈米尺寸孔隙的生物相容或生物降解合成結構，作為施放化學物質輔助修復過程時再生特定組織的模版。在更複雜精細的水平上，研究人員希望有朝一日能製造奈米尺度或微尺度的機器，用於修理、輔助或替換更複雜的器官。
資訊科技
半導體專家認為，「常規」電子裝置的不斷小型化將不可避免地達到根本的極限，原因在於諸如「隧道效應」的量子效應。隧道效應使電子跳出預設的電路，在設備間產生原子量級的干擾。就這點來說，想進一步發展資料儲存和資訊處理需要全新的方法。例如，已經想像出以量子計算或生物分子計算為基礎的全新系統。
分子電子學
將分子用於電子設備的構想最早於1970年代由西北大學的拉特納(Mark Ratner)和IBM的阿維朗(Avi Aviram)所提出，但是直到進入21世紀才出現合適的奈米技術工具。連接約寬0.5奈米、長數奈米的分子仍為一個大難題，對於經由單個分子的電傳輸的認識也才剛興起。例如，一些研究小組已能夠演示分子開關(molecular switch)，可想像將它用於電腦記憶體或邏輯陣列。當前的研究領域包括引導分子選擇的機制；把分子組裝成奈米門的結構布局；以及類似電晶體性質的三端分子。更基本的一些研究包括DNA計算，在矽晶片上的單鏈DNA可以將所有可能的變數值編碼，而互補鏈的相互作用將用於求解的並行處理(parallel processing)。與分子電子學相關的是有機薄膜電晶體和發光體領域，其中可能的新應用包括可以像壁紙一樣捲起的顯示器和可彎曲的電子報紙。
奈米管和奈米線
奈米碳管有顯著的電學、力學和化學性質。依據它們特定的直徑和碳原子的鍵結排列，奈米管顯現出金屬或半導體兩者擇一的性質。完美的奈米管內電的傳導呈衝擊型(散射可以忽略)，熱消耗非常低。因而，奈米管做的導線(或稱奈米線)可以承載的電流比同等粗細的一般金屬線大得多。直徑1.4奈米的奈米管大約是矽半導體元件閘極寬度的百分之一。除了用於傳導的奈米線外，已展示出結合金屬和半導體奈米碳管的電晶體、二極體和簡單的邏輯電路。同樣，矽奈米線也已被用於建造實驗元件，如場效應電晶體、二極電晶體、換流器、發光二極體(LED)、感測器乃至簡單的記憶元件。同分子電子學一樣，奈米導線電路面臨的最大挑戰是如何把這些元件連結整合成一個可使用的高密度結構。理想的狀況是使結構能在適當的位置生長組合。兼具導線和元件功能的縱橫結構最引人關注。
單電子電晶體
在奈米尺度裡，增加一個附加的電子到「小島」(孤立的物理區域)──例如通過隧道能障(tunneling barrier)──所需的能量變得很重要。這個能量變化提供設計單電子電晶體的基礎。在低溫環境下，熱的波動幅度小，各種單電子元件的奈米結構可以手到擒來，對僅有有限電流的結構也已開展廣泛的研究。然而，室溫下的應用還要求結構尺寸顯著減小至1奈米範圍以達成穩定運轉。對於數百萬個元件的大規模應用，如同在當前的積體電路中那樣，需要尺寸非常一致的結構以維持不變的元件特性，這個需求帶來相當大的挑戰。而且，在這個和許多正在探索的新奈米元件中，缺乏效益是限制在大尺度電子電路中實際採用的一大障礙。
自旋電子學
自旋電子學適用於不僅根據載流子的電荷而且基於其自旋進行邏輯運算的電子元件。例如，訊息可以透過電子的自旋向上態或自旋向下態進行傳輸和儲存。這是一個新的研究領域，研究課題包括極性自旋載流子的注入、傳輸和探測。人們感興趣的課題還有在自旋注入(spin injection)過程中奈米結構的作用和鐵磁半導體介面的電子性質；在奈米尺度控制下新鐵磁半導體的生長；以及利用奈米結構特點來操控自旋的可能性等。
資訊儲存
當前資訊儲存和檢索方法包括高密度、高速度、固態的電子記憶體，以及較慢的(但一般容量更大的)磁片和光碟(參閱電腦記憶體〔computer memory〕條)。隨著用於電子處理的最小形體尺寸接近100奈米，奈米技術提供了進一步減少資訊儲存空間的可能，由此增加密度和減小互連距離，以獲得還要更高的速度。例如，目前一代磁片的基礎是巨磁電阻效應(giant magnetoresistance effect)，透過確定在奈米厚度金屬層(在鐵磁性和不具鐵磁性兩者間變化)的磁場方向，磁讀寫頭儲存資訊。同自旋相關的電子散射在介面層的差異而導致的電阻差可以被磁頭讀出。力學性質──特別是摩擦學(tribology, 運動表面的摩擦力和磨損)──在硬磁碟機中也扮演著重要角色，因為磁頭僅僅懸在旋轉的磁片上約10奈米處。
另一個依賴於奈米厚度磁層設計的資訊存儲方法正處於商業開發階段，稱為磁性隨機記憶體(magnetic random access memory, MRAM)，一排可用電開關控制的磁性材料被非磁性奈米夾層自永磁性層分離出來。從通過橫穿這些線的大型導線陣列可以電信號方式讀取出與相應磁場排列有關的電阻變化。MRAM將需要傳統半導體製造工藝中的一些小變革，它還具有產生非揮發性記憶體(nonvolatile memory, 不需電源或電池即可維持儲存的記憶狀態)的附加效益。
雖還處於探索狀態，通過分子的電傳導研究已經因其可以當作記憶體使用的可能性而廣受關注。雖然還僅僅是純理論性質，分子和奈米線的儲存方法仍很誘人，因為很小的空間裡就可以儲存資訊，生物系統使用這種方式能夠有效地儲存大量資訊。
通訊
光學裝置中的奈米尺度結構，如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)、量子點雷射(quantum dot laser)和光子晶體材料等引領著通訊技術的額外進展。
VCSEL有外延進腔壁的化合物半導體奈米塗層，將介電層依次作為反射鏡和量子阱。量子阱使得帶電載流子被限定在特定區域，可提供能量轉換成所要波長的光。量子阱被放置於雷射腔裡，限制載流子處於駐波波節處，改變能帶結構以適應更高效率的幅射複合(radiative recombination)。與精確生長出極薄的外延半導體塗層有關的一維奈米技術發展於1990年代。這種奈米結構提高了VCSEL的效率，並且減低啟動雷射所需的電流(稱為閾電流)。由於改善了效能和相容於平面製造技術，VCSEL很快地成為各種通訊應用優先考慮的雷射源。
最近，針對量子點(區域小到可以給於一個單電荷)用於半導體雷射進行了研究，並且發現其所帶來的附加效益──進一步減小閾電流和縮小頻帶寬度。量子點把光發射波型限制在一個極窄的光譜，並且提供迄今為止在VCSEL內發射雷射所需的最低閾電流密度。量子點在應變層的生長過程中，透過史特蘭斯基-克拉塔諾維(Stransky-Krastanov)生長模式被引入雷射。這個生長來源於晶格失配(lattice mismatch)的應力和生長薄膜的表面張力。目前還在尋求能夠精確控制產生的量子點使其大小更加一致的改良方法。
光子晶體提供操控光子的一個新手段，它建基於週期性排列的電介質晶格，週期類似於光的波長。這些材料具有非常奇異的性質，諸如在具有特定週期結構的材料中不允許特定波長的光通過。光子晶格可以用作完美的波長選擇鏡，把所有方向的入射光反射回去。它們在前所未有的小尺度內為光學開關、操控和波長分隔提供基礎。這些人工晶體所需要的週期結構可以構造成二維或三維的晶格。由於更容易製作，光源、開關和路由器正在考慮開發中，尤以具有二維平面幾何特點者受到最多關注。
奈米技術在通訊中的另一個潛在重要應用是微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)，其元件大小在微米尺度(1公尺的百萬分之一)。微機電系統目前經由光開關對通訊帶來巨大影響。未來，機電裝置將縮小到奈米尺度，利用較小質量帶來更高的機械振動頻率。小機械束振動的自然(共振)頻率隨尺寸的縮小而增大，因此驅動它們作為振盪器所需的動力就很小。其效率以品質因子Q來評等，Q是每個週期儲存的能量與消耗的能量之比值。Q值越高，振盪器的絕對頻率就越精確。微米和奈米尺度的機械振盪器具有很高的Q值，這些裝置可以達到極高的頻率(高達微波頻率)，可能作為電子振蕩器和濾波器的低能耗替代品。
達到10×100奈米面積的機械振盪器已經由矽製成，其中有超過10％的原子距表面不足1個原子的距離。在此類大小範圍內可以製成高度均勻材料(例如單晶矽棒)的同時，表面在奈米尺度中的作用越來越大，而能量損失也增加，大概是因為表面缺陷和表面分子樣品的吸收所致。
或許可以想像，透過將奈米機械結構移到分子系統而帶來的更高頻率，會出現在可能被視為奈米機械系統的極限中。例如，正在探討多壁層奈米碳管的力學性質。當奈米管的外層底部被移動，內層的管就會被拉離開外層一些，兩個管之間的凡得瓦耳力將提供一個恢復力。內管因此在外管裡面來回滑動振蕩起來。這種結構的振蕩的共振頻率預計超過1個十億赫茲(gigahertz, 每秒10億次)。若把這個系統推至宏觀世界並消除表面效應，還不知道是否可行。
奈米科技
前述提到的碳奈米管(CNT)因其長度遠比直徑大，我們可利用碳奈米管尖端施加一個微小的電壓，便能將電子放射出來，這行為會做成一種超理想的特別微小場發射器，目前將之應用到平面顯示器(FDP)、碳奈米管場發射燈、奈米級單電子電晶體(SET)的開發項目。若使奈米碳管電晶體取代了傳統的矽晶體，它的能隙(Energy Gap)僅是矽晶體材料的1%以下，相信未來的電腦將更輕小、更快捷、更省電的商業產品。單層碳奈米管(SWNT)在室溫時可吸附大量的氫氣，汽車與航太工業可做為燃料電池的氫氣儲存媒介，現有許多研究人員正極力探討碳奈米管如何吸附大量氫氣的物理機制。奈米碳管可供應殺手級的商用應用(Killer App)如電腦及電視顯示器、雷達無法偵測的隱形飛機機殼、可運用於手機、筆記型電腦、PDA的防電磁干擾材料。美國的Molecular Electronics公司所設計的記憶晶片組開關速度是傳統電晶體的100萬倍。奈米碳管電池比傳統電池持久力增長一倍，重量僅有原來的一半。
另外，吾人可以利用CNT本身細長與彈性的優點，做為掃瞄穿隧式顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)微探針或微電極，以解決ㄧ般使用的尖細探針的脆弱問題，而使用碳奈米管做為探針，不僅耐用且可提昇其解析度。當然，我們面臨碳奈米管的根部與界面間容易斷裂的挑戰，如何假以強化該界面的強度，是目前大家努力的目標。許多的實驗結果指出碳奈米管具有超級的彈性，即使將它彎曲90度也不會折斷，在未來開發超強輕質材料有無窮之潛力。雖然碳奈米管的發展空間特大；但目前大家所遭遇的難題是如何製造大量高純度、高均勻性的碳奈米管，如何操控碳奈米管的螺旋性，與如何在IC上順利地成長碳奈米管。以上這些問題亟待我們去突破。
最近的奈米生物技術在開發人造胰臟已經有些美妙的研究成果。利用現今的奈微機電(MEMS/NEMS)技術裡的光蝕刻技術製作穿透膜，其中布滿了18 nm孔徑的均勻微孔洞。若是將胰腺細胞裝入奈米多孔膜中，可使得埋藏其中的胰腺細胞所分泌的胰島素與其他的小分子(如氧和葡萄糖)能夠順利穿透薄膜；但人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白G (Immunoglobulin G)卻無法穿透進入，來破壞胰腺細胞。人造胰臟的成功開發將會為糖尿病患帶來光明與希望。目前本校癌症標靶藥物治療研究團隊正研發具有螢光作用的CdSe量子點(Quantum Dots)，可以用於藥物釋放檢測。未來當人體有心臟病、中風、感染等現象，易可利用體內奈米量子點就會像嘉年華會中的閃閃發亮燈光一樣，而且持續數天。加上染色劑，醫療人員便能觀察哪些蛋白質和哪些疾病有關，以及藥物在人體中是如何運作的過程。
奈米生物科技將可製造極精細的治療儀器透過程式規範分子的行為，達到控制生物體的目途，如進入癌細胞並誘發T細胞去釋出殺死癌細胞的酵素，或催動噬菌搜尋並殺死癌細胞，甚而造成癌細胞「自我毀滅」，呈現了完全不同的醫療概念。加拿大的奈米生技公司C-Sixty利用奈米生物科技也可能帶來愛滋病治療方面的一線曙光。碳簇(C60)的足球狀化學結構恰巧可讓它快速地和導致愛滋病的HIV病毒和相關化學物質結合，以阻止HIV病毒擴散，已成功研發出治療愛滋病的藥物。
在此我們談談奈米產品安全的疑慮，因為奈米微粒由於體積特別小，可能會穿透肺泡到血液中危害健康。首先，我們環境中的空氣裡含有許多顆粒狀物質，粒徑小於 10 微米的顆粒物稱做懸浮微粒(Particulate Matter, PM)，它們來自道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、二次污染物等，小懸浮微粒較能深入肺部，對呼吸系統危害頗大。美國環保署常以 PM10、PM2.5 及 PM0.1 代表空氣中不同粒徑範圍的濃度，藉以此標準檢視空氣品質的優劣程度。目前國際分類法則把粒徑低於100 nm的奈米微粒以PM0.1 與 PM0.02表示之，而 PM0.2 與 PM2.5 則屬於另一等級。過去由於受到量測儀器的限制，對於這種奈米微粒子並未太予重視。隨著奈米科技的迅速發展，此安全議題也引發各界廣泛的討論。我們以掃描式電移動微粒分析儀（SMPS）與電子低壓衝擊器（ELPI）量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS 主要利用各種粒徑的微粒有不同電移動性的原理，使微粒帶電後，加以分離再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒計數，以得到微粒之數目濃度。 ELPI 的原理是使微粒通過一電暈充電器將之充電，再進入絕緣的低壓衝擊儀，用電子計量測電量，得道微粒數目濃度。
目前世界上奈米產品超過300種，如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪，以及氧化鋅、氧化鈦的奈米粉體等應用於儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化工等產業。添加奈米物質的商品可發揮其原有的效能，並達到節省能源及促進環保的效果。但足以令人憂心的是，奈米微粒除粒徑小會影響人體健康，也因含有有機物質、碳元素及重金屬成分而提高其毒性。雖然奈米微粒尺寸小，但仍可利用防塵口罩截除、擴散、與有效過濾，最近商用口罩濾材經靜電處理，也可有效提高濾材的防護效果。依美國毒管法的規定，製造新化學物質如奈米銀或氧化鈦必須在製造前 90 天提出充分毒理資料申請核准才能生產，使用奈米材料也必須符合毒管法的規定。目前各國都在加速研究各種奈米粉體，包含奈米產品是否釋放出奈米微粒等的毒物病理資料，一旦賞握充分科學證據，方能做適度的立法管制。
另外，吾人可以利用CNT本身細長與彈性的優點，做為掃瞄穿隧式顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)微探針或微電極，以解決ㄧ般使用的尖細探針的脆弱問題，而使用碳奈米管做為探針，不僅耐用且可提昇其解析度。當然，我們面臨碳奈米管的根部與界面間容易斷裂的挑戰，如何假以強化該界面的強度，是目前大家努力的目標。許多的實驗結果指出碳奈米管具有超級的彈性，即使將它彎曲90度也不會折斷，在未來開發超強輕質材料有無窮之潛力。雖然碳奈米管的發展空間特大；但目前大家所遭遇的難題是如何製造大量高純度、高均勻性的碳奈米管，如何操控碳奈米管的螺旋性，與如何在IC上順利地成長碳奈米管。以上這些問題亟待我們去突破。
最近的奈米生物技術在開發人造胰臟已經有些美妙的研究成果。利用現今的奈微機電(MEMS/NEMS)技術裡的光蝕刻技術製作穿透膜，其中布滿了18 nm孔徑的均勻微孔洞。若是將胰腺細胞裝入奈米多孔膜中，可使得埋藏其中的胰腺細胞所分泌的胰島素與其他的小分子(如氧和葡萄糖)能夠順利穿透薄膜；但人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白G (Immunoglobulin G)卻無法穿透進入，來破壞胰腺細胞。人造胰臟的成功開發將會為糖尿病患帶來光明與希望。目前本校癌症標靶藥物治療研究團隊正研發具有螢光作用的CdSe量子點(Quantum Dots)，可以用於藥物釋放檢測。未來當人體有心臟病、中風、感染等現象，易可利用體內奈米量子點就會像嘉年華會中的閃閃發亮燈光一樣，而且持續數天。加上染色劑，醫療人員便能觀察哪些蛋白質和哪些疾病有關，以及藥物在人體中是如何運作的過程。
奈米生物科技將可製造極精細的治療儀器透過程式規範分子的行為，達到控制生物體的目途，如進入癌細胞並誘發T細胞去釋出殺死癌細胞的酵素，或催動噬菌搜尋並殺死癌細胞，甚而造成癌細胞「自我毀滅」，呈現了完全不同的醫療概念。加拿大的奈米生技公司C-Sixty利用奈米生物科技也可能帶來愛滋病治療方面的一線曙光。碳簇(C60)的足球狀化學結構恰巧可讓它快速地和導致愛滋病的HIV病毒和相關化學物質結合，以阻止HIV病毒擴散，已成功研發出治療愛滋病的藥物。
在此我們談談奈米產品安全的疑慮，因為奈米微粒由於體積特別小，可能會穿透肺泡到血液中危害健康。首先，我們環境中的空氣裡含有許多顆粒狀物質，粒徑小於 10 微米的顆粒物稱做懸浮微粒(Particulate Matter, PM)，它們來自道路揚塵、車輛排放廢氣、露天燃燒、工廠排放、二次污染物等，小懸浮微粒較能深入肺部，對呼吸系統危害頗大。美國環保署常以 PM10、PM2.5 及 PM0.1 代表空氣中不同粒徑範圍的濃度，藉以此標準檢視空氣品質的優劣程度。目前國際分類法則把粒徑低於100 nm的奈米微粒以PM0.1 與 PM0.02表示之，而 PM0.2 與 PM2.5 則屬於另一等級。過去由於受到量測儀器的限制，對於這種奈米微粒子並未太予重視。隨著奈米科技的迅速發展，此安全議題也引發各界廣泛的討論。我們以掃描式電移動微粒分析儀（SMPS）與電子低壓衝擊器（ELPI）量測環境中奈米微粒的濃度。SMPS 主要利用各種粒徑的微粒有不同電移動性的原理，使微粒帶電後，加以分離再進入超細粉體核凝計數器中進行顆粒計數，以得到微粒之數目濃度。 ELPI 的原理是使微粒通過一電暈充電器將之充電，再進入絕緣的低壓衝擊儀，用電子計量測電量，得道微粒數目濃度。
目前世界上奈米產品超過300種，如奈米化妝品、奈米日光燈、奈米鞋襪，以及氧化鋅、氧化鈦的奈米粉體等應用於儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械、醫藥、基因工程 、環境資源、化工等產業。添加奈米物質的商品可發揮其原有的效能，並達到節省能源及促進環保的效果。但足以令人憂心的是，奈米微粒除粒徑小會影響人體健康，也因含有有機物質、碳元素及重金屬成分而提高其毒性。雖然奈米微粒尺寸小，但仍可利用防塵口罩截除、擴散、與有效過濾，最近商用口罩濾材經靜電處理，也可有效提高濾材的防護效果。依美國毒管法的規定，製造新化學物質如奈米銀或氧化鈦必須在製造前 90 天提出充分毒理資料申請核准才能生產，使用奈米材料也必須符合毒管法的規定。目前各國都在加速研究各種奈米粉體，包含奈米產品是否釋放出奈米微粒等的毒物病理資料，一旦賞握充分科學證據，方能做適度的立法管制。
奈米與化妝品
奈米防曬劑
紫外線是造成皮膚老化的頭號殺手，防曬可分為物理性及化學性兩種機制。傳統的物理性防曬產品多以氧化鋅及二氧化鈦微粒做為隔絕紫外線的主成份，不過缺點是擦上後膚色容易偏白，因為這些成份會散射可見光。然而若將粉體粒徑縮小至可見光能穿透的尺度（以氧化鋅而言，約25奈米），防曬劑便呈現透明，但阻隔紫外線的效果不變，適於添加在有色化妝品中。 奈米粉底霜
日本的化妝品公司在雲母粉表面包覆一層厚約90～100奈米的二氧化鈦，形成珠光粉體，添加於粉底霜內。在陽光照射下，會反射出帶有紅色效果的漫射光，使皮膚看起來透明有光澤。
另外，為解決夏季臉上泛油光的困擾，業者將直徑30～70奈米的短柱狀氧化鋅覆蓋在粉底霜內的珠光粉體表面。因為氧化鋅吸附油脂後會變成粉末狀，所以皮脂不會吸附在珠光粉體上，能常保肌膚的透明感。另外還有其他廠商開發出奈米級的矽粉，對角質層上導致肌膚乾燥的酵素具有抑制效果。奈米保養品
皮膚的結構由外而內可分為三層：表皮、真皮和皮下組織。表皮最外層是角質細胞，還有一層不透水的油脂膜，所以皮膚基本上是不透水的。由於皮膚的疏水性，且角質細胞間隙不到100奈米，所以外界的物質很難進入皮膚內。像是膠原蛋白、胎盤素、彈力素、玻尿酸等大分子是無法滲透至皮膚裡層的，充其量僅能提高角質層的含水量，達到保濕的效果。
真皮層的狀態決定了皮膚的彈性與張力，如果其結構因老化而日趨鬆散，肌膚便會顯得鬆弛有皺紋。所以凡是宣稱能抗老化和除皺的成份，都必須進入真皮層才能發揮作用。目前已有多家化妝品公司成功將有效成份縮小化，並以微脂粒（liposomes）做為載體，推出奈米級產品。
微脂粒係由磷脂質（phospholipids）或卵磷脂（lecithin）聚集而成的微膠囊空心球，其雙層膜的結構與細胞膜極為接近，可同時運送水溶性及油溶性物質。目前的技術能製造出20~100奈米的粒徑。微脂粒的包覆作用不但可防止易被氧化的保養成份（例如維他命C及E）遭到破壞，還可輕易穿越表皮細胞間隙、毛囊或汗腺，將養分帶到肌膚裡層。例如比較包在微脂粒內及不包在微脂粒內的維他命C，會發現包在微脂粒內的維他命C進入皮膚細胞內的量明顯較多。學者亦證實，小於30奈米的微脂粒能穿越皮膚進入人體的循環系統，粒徑大於60奈米時，則可在真皮層有效釋出活性成份。 奈米化妝品之影響
採用奈米載體的化妝品有五種優點：可以控制活性成份的釋放、更有效的輸送系統、提高成份的穿透率、減少活性成份的浪費、活性成份較穩定。
然而並非所有產品均適合奈米化。例如大分子（約數百個奈米）的膠原蛋白是表皮細胞的良好保濕成份，不過若欲進入真皮層以發揮填補、修復的作用，需將其分子切小。有些化妝品級膠原蛋白只是將分子切得更小，卻破壞了原有的立體結構，以致影響其生物活性，保養效果自然大打折扣。另外像是奈米化的清潔用品，有可能讓不該進入皮膚的成份滲透到肌膚裡層，造成不良反應或副作用。故化妝品的奈米化須依使用目的及對象有所區別，才可有效發揮其奈米化之功用。
紫外線是造成皮膚老化的頭號殺手，防曬可分為物理性及化學性兩種機制。傳統的物理性防曬產品多以氧化鋅及二氧化鈦微粒做為隔絕紫外線的主成份，不過缺點是擦上後膚色容易偏白，因為這些成份會散射可見光。然而若將粉體粒徑縮小至可見光能穿透的尺度（以氧化鋅而言，約25奈米），防曬劑便呈現透明，但阻隔紫外線的效果不變，適於添加在有色化妝品中。 奈米粉底霜
日本的化妝品公司在雲母粉表面包覆一層厚約90～100奈米的二氧化鈦，形成珠光粉體，添加於粉底霜內。在陽光照射下，會反射出帶有紅色效果的漫射光，使皮膚看起來透明有光澤。
另外，為解決夏季臉上泛油光的困擾，業者將直徑30～70奈米的短柱狀氧化鋅覆蓋在粉底霜內的珠光粉體表面。因為氧化鋅吸附油脂後會變成粉末狀，所以皮脂不會吸附在珠光粉體上，能常保肌膚的透明感。另外還有其他廠商開發出奈米級的矽粉，對角質層上導致肌膚乾燥的酵素具有抑制效果。奈米保養品
皮膚的結構由外而內可分為三層：表皮、真皮和皮下組織。表皮最外層是角質細胞，還有一層不透水的油脂膜，所以皮膚基本上是不透水的。由於皮膚的疏水性，且角質細胞間隙不到100奈米，所以外界的物質很難進入皮膚內。像是膠原蛋白、胎盤素、彈力素、玻尿酸等大分子是無法滲透至皮膚裡層的，充其量僅能提高角質層的含水量，達到保濕的效果。
真皮層的狀態決定了皮膚的彈性與張力，如果其結構因老化而日趨鬆散，肌膚便會顯得鬆弛有皺紋。所以凡是宣稱能抗老化和除皺的成份，都必須進入真皮層才能發揮作用。目前已有多家化妝品公司成功將有效成份縮小化，並以微脂粒（liposomes）做為載體，推出奈米級產品。
微脂粒係由磷脂質（phospholipids）或卵磷脂（lecithin）聚集而成的微膠囊空心球，其雙層膜的結構與細胞膜極為接近，可同時運送水溶性及油溶性物質。目前的技術能製造出20~100奈米的粒徑。微脂粒的包覆作用不但可防止易被氧化的保養成份（例如維他命C及E）遭到破壞，還可輕易穿越表皮細胞間隙、毛囊或汗腺，將養分帶到肌膚裡層。例如比較包在微脂粒內及不包在微脂粒內的維他命C，會發現包在微脂粒內的維他命C進入皮膚細胞內的量明顯較多。學者亦證實，小於30奈米的微脂粒能穿越皮膚進入人體的循環系統，粒徑大於60奈米時，則可在真皮層有效釋出活性成份。 奈米化妝品之影響
採用奈米載體的化妝品有五種優點：可以控制活性成份的釋放、更有效的輸送系統、提高成份的穿透率、減少活性成份的浪費、活性成份較穩定。
然而並非所有產品均適合奈米化。例如大分子（約數百個奈米）的膠原蛋白是表皮細胞的良好保濕成份，不過若欲進入真皮層以發揮填補、修復的作用，需將其分子切小。有些化妝品級膠原蛋白只是將分子切得更小，卻破壞了原有的立體結構，以致影響其生物活性，保養效果自然大打折扣。另外像是奈米化的清潔用品，有可能讓不該進入皮膚的成份滲透到肌膚裡層，造成不良反應或副作用。故化妝品的奈米化須依使用目的及對象有所區別，才可有效發揮其奈米化之功用。
奈米化妝品之奈米技術
摘要：
很多人都相信年輕、美麗的人在擇偶、事業及人際關係上佔有優勢，所以一般人在追求美麗或避免老化的花費上越來越高，根據英國經濟學人周刊引述Goldman Sachs所做的市場分析發現，全球美容產業每年以7%的比例成長，總產值達950億美元
▃全文：
現在消費者的美容概念比以前複雜，化妝品的使用不僅僅侷限於塗抹胭脂等讓女人更美麗，男人也有追求美麗的權利；消費者對化妝品的需求心理，除了積極地追求美麗之外，阻止外表老化、變醜也是求助化妝品的原因之一，因此市面上也有各種除皺、抗老、活膚、塑身的美容產品；近年來消費者甚至願意花大筆銀子去塑身、SPA、做整體造型；而整形外科手術的價格下滑，讓許多人也願意挨刀去抽脂、拉皮、豐胸、隆鼻，快速有效地改變自己的外表。 如何求新、求變、開發新的技術、配方，是考驗化妝品公司研發部門的一大課題，目前全球在化妝品的研發技術上大抵有三個趨勢，即開發與膠原蛋白有關的生物醫學化妝品、以天然草藥為成分的自然化妝品、以及使用現在當紅之奈米技術的奈米化妝品。本文要討論的是奈米化妝品。 奈米化妝品指的是，利用奈米技術研發、生產出來的化妝品，目前就筆者所蒐集到的有限資料顯示，市面上的奈米化妝品依所使用的奈米技術區分大概有四類：
1. 奈米碳球(Nanocapsule) 奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅130到600奈米左右的奈米球，它就像一個容器，可以填入保養品的成分例如維生素A、beta胡蘿蔔素等，由於奈米球的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層，而奈米碳球本身的材料是生物相容性的聚合物，例如卵磷脂(Lecithin)、微脂體(Liposome)，當它接觸到皮膚時，皮膚本身的?會將奈米球的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺，讓化妝品的保養不再只是做單純的表面工作。 L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心(French National Center for Scientific Research)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，到1995年才正式推出奈米碳球化妝品上市。像L’Oreal公司的Plenitude系列、Future E、或L’Oreal所屬之Lancome公司的Re-Surface除皺柔膚霜(anti-wrinkle cream)、Lancee公司的Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。
利用奈米碳球製作化妝品的原理看似簡單，但是在實務製作上仍有技術上的困難，首先，並非所有的保養品成分都適合以奈米技術包覆；其次是成本效益的問題，以L’Oreal為例，她每年投入大約等於3%銷售金額的預算與5%的人力資源從事研發，L’Oreal公司認為他們所研發出來的奈米新產品必須能達到每小時可以生產1000公升的水準時，才值得將該項奈米化妝品商品化。目前L’Oreal將它的奈米技術申請專利，其他化妝品公司要不就是購買L’Oreal的技術或成品加以改裝，或者自行成立實驗室研發新的奈米化妝品，例如化妝品界的另一梟雄—德國的Beiersdorf，她成立一個Forschungslabor fuer Analytische Mikroskopie (相當於Research Laboratory for Analytical Microscopy)來從事高科技化妝品的研發。
2. 奈米粒子(Nanoparitcle) 當金屬或化學原料的大小改變時，有時候原料的性質也會改變，例如，用金屬作為觸媒，當金屬本身被分割成奈米大小時，每一克金屬大概可以擁有50平方公尺的面積，大約為一般微米大小金屬的十倍，當表面積越大，金屬作為觸媒的化學作用會更有效率。化妝品業者使用奈米粒子目前將過氧化鋅ZnO2或二氧化鈦TiO2製成80-100奈米大小用於製作防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同的是，奈米防曬乳液的ZnO2或TiO2奈米粒子很緊密地連接在一起，他們不會沉入皮膚的皺褶中，除了可以有效隔離紫外線之外，也不會對敏感性皮膚造成過敏；況且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液之後，乳液本身是透明的，消費者更容易接受。奈米粒子越小，防曬效果越好，目前正試著發展直徑15-20奈米的奈米粒子，不過這個大小就是奈米防曬乳液的極限了，更小的奈米粒子連紫外線都可以穿透，就失去防曬功能了。 目前在市面上有由美國Argonne National Laboratory spin-off出來的Nanophase Technologies公司所製造的Zinc Oxide奈米粒子、在歐洲則有由牛津大學spin-off出來的Oxonica公司所推出的Optisol產品；保養品則例如資生堂公司的Elixir系列等。
3. 微機電系統(Micro ElectroMechanical Systems, MEMS) MEMSCAP公司位於法國Grenoble的分公司與法國的La Licorne Laboratories SA合作發展一種以MEMS技術為基礎、奈米大小的皮膚偵測系統。這個綽號為Skin Station的皮膚偵測系統包含偵測儀、機電系統與含醫學資訊的軟體。經由Skin Station與手腕皮膚的接觸，它會很快地分析出適合該皮膚使用的保養品；當然它也可以作為皮膚科醫生診斷建議之用。該公司於2003年第三季生產12個皮膚科診斷用及20個用於美容建議的Skin Station原型，預計2004年進行量產。
4. 奈米機器人(Nanorobotor) 另外一個很有趣、但據筆者了解目前還沒有產品出現的奈米化妝品研發方向是，利用奈米機器人Naniten製作成染髮劑、洗髮精，消費者使用這樣的洗髮精或染髮劑之後，幾秒鐘之後就可以擁有新的髮色，甚至奈米機器人可以深入髮根操縱細胞，讓未來一定時間內只長出所希望顏色的頭髮，不必常常染髮；Naniten也可以操作頭髮生長的快慢，甚至完全破壞髮根細胞，達到去除毛髮的效果。Naniten也可以放入唇膏或植入嘴唇皮膚，它會影響嘴唇的顏色，或只反映特定幾種頻率的光，而造成特定唇色的效果。
憑藉奈米技術讓化妝品不再只做表面功夫，奈米技術甚至在未來可以量身訂做配合個人需求的美髮美容品，但是奇怪的是，消費者在面對這些化妝品時卻通常不會理會它到底用了哪些高科技技術或材料製成，效果、使用的舒適與否及安全往往是消費者在購買化妝品時的主要考量。不過對於奈米化妝品的安全性問題，至今筆者還沒有發現任何可靠、有系統的報告。
很多人都相信年輕、美麗的人在擇偶、事業及人際關係上佔有優勢，所以一般人在追求美麗或避免老化的花費上越來越高，根據英國經濟學人周刊引述Goldman Sachs所做的市場分析發現，全球美容產業每年以7%的比例成長，總產值達950億美元
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現在消費者的美容概念比以前複雜，化妝品的使用不僅僅侷限於塗抹胭脂等讓女人更美麗，男人也有追求美麗的權利；消費者對化妝品的需求心理，除了積極地追求美麗之外，阻止外表老化、變醜也是求助化妝品的原因之一，因此市面上也有各種除皺、抗老、活膚、塑身的美容產品；近年來消費者甚至願意花大筆銀子去塑身、SPA、做整體造型；而整形外科手術的價格下滑，讓許多人也願意挨刀去抽脂、拉皮、豐胸、隆鼻，快速有效地改變自己的外表。 如何求新、求變、開發新的技術、配方，是考驗化妝品公司研發部門的一大課題，目前全球在化妝品的研發技術上大抵有三個趨勢，即開發與膠原蛋白有關的生物醫學化妝品、以天然草藥為成分的自然化妝品、以及使用現在當紅之奈米技術的奈米化妝品。本文要討論的是奈米化妝品。 奈米化妝品指的是，利用奈米技術研發、生產出來的化妝品，目前就筆者所蒐集到的有限資料顯示，市面上的奈米化妝品依所使用的奈米技術區分大概有四類：
1. 奈米碳球(Nanocapsule) 奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅130到600奈米左右的奈米球，它就像一個容器，可以填入保養品的成分例如維生素A、beta胡蘿蔔素等，由於奈米球的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層，而奈米碳球本身的材料是生物相容性的聚合物，例如卵磷脂(Lecithin)、微脂體(Liposome)，當它接觸到皮膚時，皮膚本身的?會將奈米球的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺，讓化妝品的保養不再只是做單純的表面工作。 L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心(French National Center for Scientific Research)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，到1995年才正式推出奈米碳球化妝品上市。像L’Oreal公司的Plenitude系列、Future E、或L’Oreal所屬之Lancome公司的Re-Surface除皺柔膚霜(anti-wrinkle cream)、Lancee公司的Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。
利用奈米碳球製作化妝品的原理看似簡單，但是在實務製作上仍有技術上的困難，首先，並非所有的保養品成分都適合以奈米技術包覆；其次是成本效益的問題，以L’Oreal為例，她每年投入大約等於3%銷售金額的預算與5%的人力資源從事研發，L’Oreal公司認為他們所研發出來的奈米新產品必須能達到每小時可以生產1000公升的水準時，才值得將該項奈米化妝品商品化。目前L’Oreal將它的奈米技術申請專利，其他化妝品公司要不就是購買L’Oreal的技術或成品加以改裝，或者自行成立實驗室研發新的奈米化妝品，例如化妝品界的另一梟雄—德國的Beiersdorf，她成立一個Forschungslabor fuer Analytische Mikroskopie (相當於Research Laboratory for Analytical Microscopy)來從事高科技化妝品的研發。
2. 奈米粒子(Nanoparitcle) 當金屬或化學原料的大小改變時，有時候原料的性質也會改變，例如，用金屬作為觸媒，當金屬本身被分割成奈米大小時，每一克金屬大概可以擁有50平方公尺的面積，大約為一般微米大小金屬的十倍，當表面積越大，金屬作為觸媒的化學作用會更有效率。化妝品業者使用奈米粒子目前將過氧化鋅ZnO2或二氧化鈦TiO2製成80-100奈米大小用於製作防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同的是，奈米防曬乳液的ZnO2或TiO2奈米粒子很緊密地連接在一起，他們不會沉入皮膚的皺褶中，除了可以有效隔離紫外線之外，也不會對敏感性皮膚造成過敏；況且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液之後，乳液本身是透明的，消費者更容易接受。奈米粒子越小，防曬效果越好，目前正試著發展直徑15-20奈米的奈米粒子，不過這個大小就是奈米防曬乳液的極限了，更小的奈米粒子連紫外線都可以穿透，就失去防曬功能了。 目前在市面上有由美國Argonne National Laboratory spin-off出來的Nanophase Technologies公司所製造的Zinc Oxide奈米粒子、在歐洲則有由牛津大學spin-off出來的Oxonica公司所推出的Optisol產品；保養品則例如資生堂公司的Elixir系列等。
3. 微機電系統(Micro ElectroMechanical Systems, MEMS) MEMSCAP公司位於法國Grenoble的分公司與法國的La Licorne Laboratories SA合作發展一種以MEMS技術為基礎、奈米大小的皮膚偵測系統。這個綽號為Skin Station的皮膚偵測系統包含偵測儀、機電系統與含醫學資訊的軟體。經由Skin Station與手腕皮膚的接觸，它會很快地分析出適合該皮膚使用的保養品；當然它也可以作為皮膚科醫生診斷建議之用。該公司於2003年第三季生產12個皮膚科診斷用及20個用於美容建議的Skin Station原型，預計2004年進行量產。
4. 奈米機器人(Nanorobotor) 另外一個很有趣、但據筆者了解目前還沒有產品出現的奈米化妝品研發方向是，利用奈米機器人Naniten製作成染髮劑、洗髮精，消費者使用這樣的洗髮精或染髮劑之後，幾秒鐘之後就可以擁有新的髮色，甚至奈米機器人可以深入髮根操縱細胞，讓未來一定時間內只長出所希望顏色的頭髮，不必常常染髮；Naniten也可以操作頭髮生長的快慢，甚至完全破壞髮根細胞，達到去除毛髮的效果。Naniten也可以放入唇膏或植入嘴唇皮膚，它會影響嘴唇的顏色，或只反映特定幾種頻率的光，而造成特定唇色的效果。
憑藉奈米技術讓化妝品不再只做表面功夫，奈米技術甚至在未來可以量身訂做配合個人需求的美髮美容品，但是奇怪的是，消費者在面對這些化妝品時卻通常不會理會它到底用了哪些高科技技術或材料製成，效果、使用的舒適與否及安全往往是消費者在購買化妝品時的主要考量。不過對於奈米化妝品的安全性問題，至今筆者還沒有發現任何可靠、有系統的報告。
奈米化妝品
近年來，奈米化妝品如雨後春筍般出現，到底什麼是奈米化妝品？奈米化妝品指的就是利用奈米技術研發、生產出來的化妝品。常見的奈米化妝品有奈米防曬劑、奈米保養品。
二氧化鈦是常見防曬乳液的主要成分之一，擦在臉上可形成保護膜，當陽光照在臉上時，紫外線會被這層保護膜吸收、反射或散射到空中，不過因為一般二氧化鈦粉體是微米或次微米級尺寸，呈現出白色化合物，擦在皮膚上會使皮膚變白，如果將粉體奈米化後，奈米二氧化鈦更緊密地連接在一起，除了可以有效隔離紫外線外，奈米粒子可以讓可見光通過，因此臉上的保護膜呈現透明無色，不用擔心變成大白臉。
奈米保養品種類很多，較常見的有奈米膠原蛋白、奈米珍珠粉等。奈米保養品一般是將保養品的成分奈米化，因為保養品很難被皮膚吸收，真正能夠滲透進入皮膚裡的有效成份不到實際的萬分之一。如果將化妝品奈米化，就能夠滲透進入皮膚內層，加強護膚的效果。目前已有幾家化妝品公司成功的將成分縮小化，並且將保養品包覆在如奈米碳球這種微小的空心膠囊中，奈米碳球可使包覆在裡面的保養成分（如維它命C及E）不受氧化，還可將保養品帶到真皮層。
奈米化妝品的原理
奈米防曬劑：
紫外線是波長100 ~ 400奈米的光線，與比可見光相比，紫外線能量較強。若是人體長期曝曬在這高能量下，對人體的眼睛、皮膚會有傷害，甚至會引起白內障、皮膚癌等病變。紫外線依其波長的不同，可以分為UVA（315 ~ 400奈米）、UVB（280 ~ 315奈米）及UVC（100 ~ 280奈米），其中UVC波長最短，能量最強，相對的對人體傷害也最大。而二氧化鈦（TiO2）防晒用品則是可以將光線吸收或反射，徹底隔離紫外線傷害。化妝品業者將二氧化鈦TiO2製成80 ~ 100奈米大小的防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同，奈米二氧化鈦防曬乳液中的奈米粒子可以緊密地連接在一起，它們不會沉入皮膚的皺褶中，除可以有效隔離紫外線之外，也可以避免皮膚產生產生過敏；而且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液後，並不會看出乳液的顏色。
利用微脂體提高保養品功效：
微脂體製作的保養品，是直徑僅80 ~ 100奈米左右的奈米粒子，它就像一個容器，可填入保養品的成分（例如維生素A、beta胡蘿蔔素等），由於微脂體的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層。而微脂體本身可以由黃豆或卵磷脂取得，是生物相容性的聚合物，當它接觸到皮膚時，皮膚會將奈米粒子的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺。
二氧化鈦是常見防曬乳液的主要成分之一，擦在臉上可形成保護膜，當陽光照在臉上時，紫外線會被這層保護膜吸收、反射或散射到空中，不過因為一般二氧化鈦粉體是微米或次微米級尺寸，呈現出白色化合物，擦在皮膚上會使皮膚變白，如果將粉體奈米化後，奈米二氧化鈦更緊密地連接在一起，除了可以有效隔離紫外線外，奈米粒子可以讓可見光通過，因此臉上的保護膜呈現透明無色，不用擔心變成大白臉。
奈米保養品種類很多，較常見的有奈米膠原蛋白、奈米珍珠粉等。奈米保養品一般是將保養品的成分奈米化，因為保養品很難被皮膚吸收，真正能夠滲透進入皮膚裡的有效成份不到實際的萬分之一。如果將化妝品奈米化，就能夠滲透進入皮膚內層，加強護膚的效果。目前已有幾家化妝品公司成功的將成分縮小化，並且將保養品包覆在如奈米碳球這種微小的空心膠囊中，奈米碳球可使包覆在裡面的保養成分（如維它命C及E）不受氧化，還可將保養品帶到真皮層。
奈米化妝品的原理
奈米防曬劑：
紫外線是波長100 ~ 400奈米的光線，與比可見光相比，紫外線能量較強。若是人體長期曝曬在這高能量下，對人體的眼睛、皮膚會有傷害，甚至會引起白內障、皮膚癌等病變。紫外線依其波長的不同，可以分為UVA（315 ~ 400奈米）、UVB（280 ~ 315奈米）及UVC（100 ~ 280奈米），其中UVC波長最短，能量最強，相對的對人體傷害也最大。而二氧化鈦（TiO2）防晒用品則是可以將光線吸收或反射，徹底隔離紫外線傷害。化妝品業者將二氧化鈦TiO2製成80 ~ 100奈米大小的防曬乳液，和一般利用有機分子形成紫外線隔離層之防曬乳液不同，奈米二氧化鈦防曬乳液中的奈米粒子可以緊密地連接在一起，它們不會沉入皮膚的皺褶中，除可以有效隔離紫外線之外，也可以避免皮膚產生產生過敏；而且奈米粒子可以讓可見光通過，因此抹上奈米防曬乳液後，並不會看出乳液的顏色。
利用微脂體提高保養品功效：
微脂體製作的保養品，是直徑僅80 ~ 100奈米左右的奈米粒子，它就像一個容器，可填入保養品的成分（例如維生素A、beta胡蘿蔔素等），由於微脂體的結構非常微小，所以可以很快滲透進入皮膚內層。而微脂體本身可以由黃豆或卵磷脂取得，是生物相容性的聚合物，當它接觸到皮膚時，皮膚會將奈米粒子的表皮結構分解，而釋放出維生素A等保養品以抗老、除皺。
美研發出走走.風吹就發電的奈米纖維
美研發出走走.風吹就發電的奈米纖維
更新日期:2008-03-04
活動日期:0000-00-00 ~ 0000-00-00
美國研發出會自己發電的奈米纖維，發電量足夠替手機和MP3充電。未來如果運用在成衣上，對通訊娛樂電子產品不離身的現代人，不啻是一大便利。 這種奈米纖維是喬治亞理工學院的（王中林）領導的研究團隊研發出來的，奈米發電機有能力在微小的尺度內，產生電力，科學家把比髮絲細一千倍的矽材料絲線，植入纖維，每對絲線中的其中一根加以鍍金，當作電極，它就可以利用隨機的震動或是移動、溫度變化或是外來能源發電。這種奈米纖維將來如果做成衣服，只要穿著四處走，或是讓風吹一吹，就可以發電。
更新日期:2008-03-04
活動日期:0000-00-00 ~ 0000-00-00
美國研發出會自己發電的奈米纖維，發電量足夠替手機和MP3充電。未來如果運用在成衣上，對通訊娛樂電子產品不離身的現代人，不啻是一大便利。 這種奈米纖維是喬治亞理工學院的（王中林）領導的研究團隊研發出來的，奈米發電機有能力在微小的尺度內，產生電力，科學家把比髮絲細一千倍的矽材料絲線，植入纖維，每對絲線中的其中一根加以鍍金，當作電極，它就可以利用隨機的震動或是移動、溫度變化或是外來能源發電。這種奈米纖維將來如果做成衣服，只要穿著四處走，或是讓風吹一吹，就可以發電。
奈米線能嗅出毒氣
奈米電子週報
奈米線能嗅出毒氣 2008/11/23
美國科學家根據實驗發現，條狀的黃-聚合物-金奈米線(nanowire)可以用來製作靈敏的「電子鼻」(electronic nose, e-nose)。電子鼻含有氣味偵測器陣列，可用於臨床檢驗、爆裂物偵測、監控工作環境的危險物質等，不過它的發展尚未成熟。上述由賓州大學研發出來的導電性PEDOT/PSS奈米線與金電極的組合，能在30秒內偵測出多種氣體及化學物質，其中包括乙醇跟丙酮。 賓大的Yaping Dan等人利用電化學的方式，在奈米級模板上長出條紋狀的PEDOT/PSS導線，再將導線組合在預先製作的金電極對上，上方再覆蓋一層導電高分子做為感應區。當氣體分子穿過高分子時，會使高分子鍊變粗或改變高分子的載子濃度(carrier concentration)，導致其電阻產生變化。 Dan等人測試了上述元件對於幾種有機化合物的響應，其中包含了乙醇、甲醇還有丙酮。領導該研究團隊的Charlie Johnson表示，相較於以相同材料製成的薄膜，該元件的靈敏度同樣可達到ppm等級，但響應速率快了十倍，約只需30秒。 Johnson表示，這類導電高分子感應器可以與其他材料製成的感應器整合，組成對於各種分析物都有反應的大型陣列，為電子鼻打頭陣。這種元件將望使用在國土安全防衛、食品與藥物安全、藥物診斷以及治療上。 科學家現在計畫發展新的方法，在同一塊晶片上，以電化學方式在預先以微影術處理過的電極基板上，沉積製造出不同材料的奈米線。相關研究詳見arxiv.org/abs/0808.3199。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36396譯者:陳泓軒(逢甲大學光電學系)
奈米線能嗅出毒氣 2008/11/23
美國科學家根據實驗發現，條狀的黃-聚合物-金奈米線(nanowire)可以用來製作靈敏的「電子鼻」(electronic nose, e-nose)。電子鼻含有氣味偵測器陣列，可用於臨床檢驗、爆裂物偵測、監控工作環境的危險物質等，不過它的發展尚未成熟。上述由賓州大學研發出來的導電性PEDOT/PSS奈米線與金電極的組合，能在30秒內偵測出多種氣體及化學物質，其中包括乙醇跟丙酮。 賓大的Yaping Dan等人利用電化學的方式，在奈米級模板上長出條紋狀的PEDOT/PSS導線，再將導線組合在預先製作的金電極對上，上方再覆蓋一層導電高分子做為感應區。當氣體分子穿過高分子時，會使高分子鍊變粗或改變高分子的載子濃度(carrier concentration)，導致其電阻產生變化。 Dan等人測試了上述元件對於幾種有機化合物的響應，其中包含了乙醇、甲醇還有丙酮。領導該研究團隊的Charlie Johnson表示，相較於以相同材料製成的薄膜，該元件的靈敏度同樣可達到ppm等級，但響應速率快了十倍，約只需30秒。 Johnson表示，這類導電高分子感應器可以與其他材料製成的感應器整合，組成對於各種分析物都有反應的大型陣列，為電子鼻打頭陣。這種元件將望使用在國土安全防衛、食品與藥物安全、藥物診斷以及治療上。 科學家現在計畫發展新的方法，在同一塊晶片上，以電化學方式在預先以微影術處理過的電極基板上，沉積製造出不同材料的奈米線。相關研究詳見arxiv.org/abs/0808.3199。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36396譯者:陳泓軒(逢甲大學光電學系)
2008年11月24日 星期一
奈米免洗布料 日光殺菌免下水
懶得洗床單，又不想負擔高級衣物不低的乾洗費？常作如是想的人有福了，因為科學家已開發出一種採用奈米科技的特殊塗層，能夠使各式天然纖維在陽光照射下自行潔淨，分解髒污。 運用二氧化鈦氧化原理 英國每日郵報十一日報導，這種由澳洲蒙那許大學及香港理工大學研究人員開發的塗層，可以塗在棉花、絲絹、羊毛或其他天然纖維的表面上，然後製成永遠不必清洗的床單、墊子及枕頭套；而由於這種塗層可以自行分解頑強食物污漬，未來採用這種技術製成的絲質領帶及羊毛襯衫將可常保如新，若不小心沾到紅酒或咖啡，只要晾曬在陽光下就能自行潔淨，再也不必送到洗衣店乾洗了。 報導中說，這種科技是利用比人類髮絲寬度還要小兩千五百倍的二氧化鈦奈米粒子來形成布料纖維的表層，經陽光照射後，會引發一種特殊反應，使這種奈米粒子與空氣中的氧產生作用，然後便能自行分解纖維上的髒污。在一項發表於美國化學學會期刊的研究中，塗上這種塗層的羊毛衣料經光線照射幾分鐘後，上面遺留的紅酒污漬便開始逐漸消散，一天內就幾乎完全消失。 值得一提的是，這種奈米塗層並不會改變纖維的質地或觸感。類似科技已經應用在能自行潔淨的窗戶，不過要普遍應用在各種布料上，仍須改進相關技術，預計採用這種高科技的免洗衣物五年之後才會上市。
來源:
http://www.tanida.org.tw/Service/market_more.asp?id=172
連結:
http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/080213/78/tda6.html
來源:
http://www.tanida.org.tw/Service/market_more.asp?id=172
連結:
http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/080213/78/tda6.html
羽毛光子晶體登場
奈米電子週報
羽毛光子晶體登場 2008/11/06
孔雀羽毛中的微小光學空腔可將白光轉換成藍、綠、紅、黃等顏色，造就了孔雀的鮮豔外觀，可說是大自然在光子晶體(photonic crystal)領域最令人驚豔的作品之一，但要能成為未來光電子元件的建構單元，還需要科學家的巧思加以改造，上海交通大學的Huilan Su等人正致力於開發這項能力。 Su表示，人造的光子晶體結構成本高，圖案的選擇也有限，因此他們轉而採用天然光子晶體。研究人員將氧化鋅(ZnO)奈米微粒嵌進孔雀羽毛中，希望能製造出價格在合理範圍內的可調式光致發光(photoluminescent)元件。 當奈米級的氧化鋅被波長360 nm的紫外光激發後，通常會發出兩種波長的光─波長約420 nm的紫光和中心波長550 nm的冷綠光。這兩種發光波長與孔雀羽毛的光學特性相當匹配，但困難之處在於如何讓氧化鋅材料滲透進入孔雀羽毛中。 為了解決這個問題，交大團隊決定把孔雀羽毛的部份浸泡於一系列的化學藥品中，直接定址(in situ)成長ZnO微粒，他們認為孔雀羽毛的內外角質層可提供形成氧化鋅的適當場所。掃描式電子顯微鏡照片顯示，羽毛上確實覆蓋了直徑8.5至13.5 nm的微粒。這種ZnO-羽毛複合材料在360 nm的紫外光激發下，會發出波長範圍在500到650 nm的光，相對的，未經處理的羽毛發光峰值在400到450 nm之間，而氧化鋅的波長則在420及550 nm附近。 Su表示，大自然的奧秘啟發了以多層次結構發展奈米功能性材料的靈感，目前該研究小組正在測試其他如蛋殼膜、蠶絲纖維、蝶翼等自然生物材料，是否能應用在光觸媒、氣體感測器、可延展陶瓷和半導體科技上。詳見Nanotechnology 19, 365602 (2008)。
原始網站: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/36244譯者:劉丞彬(逢甲大學光電學系)
2008年11月21日 星期五
奈米結構化儲存領域 抒解IT儲存瓶頸新希望
唐鴻／台北
2008/11/17
資訊科技影響力已經遍及各個領域，其運算基礎或輸出成果很大一部份將成為數位資料，雖然理論上數位資料不會佔用實體空間，但在數位資料有著快速複製特性，同樣1筆資料可能拷貝千百萬份，加上數位資料體積也隨著多媒體化不斷膨脹、加大，使得數位資料儲存反而成為相當棘手的問題。儲存數位資料的媒介，通常會依儲存基礎架構不同分為2大類，即磁性類(磁碟或磁帶)、光碟類(磁光型與反射型)，直到近年快閃記憶體加入新加入第3大類，不過，無論是何種基礎架構，分析原理都大略相同，儲存介面的表面的每個儲存格(storage cell)都有位址，可以變化成0與1的訊號，成為IT處理裝置能判讀的基礎。以最主流的硬碟深入討論，即是利用磁性介質的正/負極性變化表示0或1，為增加容量，每個儲存格即磁域(magnetic domains)必須愈做愈小，但過小的磁域卻會使得材質在常溫下也無法保持良好磁性，稱為超順磁性(superparamagnetism)，雖可利用垂直寫錄技術(PMR)改善，但這也只是治標方式。1個由德國與義大利科學家組成的研究團隊，正研究利用奈米結構化儲存域(nano structured storage domains)徹底改變IT儲存的基礎架構！其原理是在矽氧化物晶片製造出自旋轉變(spin-transition)的奈米圖案(nanopattern)。0或1的二進位資料以電子自旋翻轉交換(flipping switching)進行儲存，整個架構目前暫時稱為交換奈米條紋(Switchable Nanostripes)。此團隊將中性鐵(II)複合物以奈米尺寸壓印在矽晶圓上，並將材質依其組織形成1個線性的方向性，而這些材質可利用其高或低的自旋型態儲存資訊，而控制方式可利用溫度、壓力或電磁輻射，研究者已將原本利用CD儲存的數位資訊轉移至此種儲存裝置中，證明此複合物已可產生具有可判讀的IT儲存裝置特性。此項新科技雖已證明實用化基礎、且實際可行，不過仍有許多技術瓶頸尚待克服，例如，必須讓此儲存架構於常溫下操作、及證明其安全性與穩定性，並找出可供量產的模式，最終目標必須讓此架構擁有一定程度的價格/儲存比，才有可能讓整個IT儲存架構改觀，不過有了目前研究成果，至少已讓科學家掌握了未來發展方向。
2008/11/17
資訊科技影響力已經遍及各個領域，其運算基礎或輸出成果很大一部份將成為數位資料，雖然理論上數位資料不會佔用實體空間，但在數位資料有著快速複製特性，同樣1筆資料可能拷貝千百萬份，加上數位資料體積也隨著多媒體化不斷膨脹、加大，使得數位資料儲存反而成為相當棘手的問題。儲存數位資料的媒介，通常會依儲存基礎架構不同分為2大類，即磁性類(磁碟或磁帶)、光碟類(磁光型與反射型)，直到近年快閃記憶體加入新加入第3大類，不過，無論是何種基礎架構，分析原理都大略相同，儲存介面的表面的每個儲存格(storage cell)都有位址，可以變化成0與1的訊號，成為IT處理裝置能判讀的基礎。以最主流的硬碟深入討論，即是利用磁性介質的正/負極性變化表示0或1，為增加容量，每個儲存格即磁域(magnetic domains)必須愈做愈小，但過小的磁域卻會使得材質在常溫下也無法保持良好磁性，稱為超順磁性(superparamagnetism)，雖可利用垂直寫錄技術(PMR)改善，但這也只是治標方式。1個由德國與義大利科學家組成的研究團隊，正研究利用奈米結構化儲存域(nano structured storage domains)徹底改變IT儲存的基礎架構！其原理是在矽氧化物晶片製造出自旋轉變(spin-transition)的奈米圖案(nanopattern)。0或1的二進位資料以電子自旋翻轉交換(flipping switching)進行儲存，整個架構目前暫時稱為交換奈米條紋(Switchable Nanostripes)。此團隊將中性鐵(II)複合物以奈米尺寸壓印在矽晶圓上，並將材質依其組織形成1個線性的方向性，而這些材質可利用其高或低的自旋型態儲存資訊，而控制方式可利用溫度、壓力或電磁輻射，研究者已將原本利用CD儲存的數位資訊轉移至此種儲存裝置中，證明此複合物已可產生具有可判讀的IT儲存裝置特性。此項新科技雖已證明實用化基礎、且實際可行，不過仍有許多技術瓶頸尚待克服，例如，必須讓此儲存架構於常溫下操作、及證明其安全性與穩定性，並找出可供量產的模式，最終目標必須讓此架構擁有一定程度的價格/儲存比，才有可能讓整個IT儲存架構改觀，不過有了目前研究成果，至少已讓科學家掌握了未來發展方向。
2008年11月19日 星期三
國科會：奈米計畫2期經費擬投入230億元
（中央社記者何宏儒台北2008年2月16日電）行政院國家科學委員會表示，為延續「奈米國家型科技計畫」第1期研究成果，刻正進行第2期構想規劃，預定自2009至2014年，投入230億元經費；重點領域則包括前瞻研究、奈米電子╱光電技術、奈米儀器研發、能源與環境技術、奈米生技，以及傳統產業等。「奈米國家型科技計畫」第1期已自2003年起執行，將於2008年12月結案。計畫總主持人、中央研究院物理研究所院士兼任所長吳茂昆指出，第1期投入經費約178億元，相當於每年約投入30億元，係所有國家型計畫中，年平均投入最多者。他表示，為延續第1期研究成果，「奈米國家型科技計畫」辦公室刻正進行第2期計畫之構想規劃，預計2009至2014年間，投入總經費230億元；重點研究領域將包括前瞻研究、奈米電子╱光電技術、奈米儀器研發、能源與環境技術、奈米生技，以及傳統產業等。至於第1期計畫已完成產品量產╱試量產者包括鋰鎳鈷正極材料、捲繞型鋁固態電容、擴散暨增亮光學膜、高壓均質機、研磨機、原子力顯微鏡、奈米金觸媒攜帶式逃生面罩、透明易潔防污塗料、奈米碳球防鏽耐蝕模具、奈米光觸媒（燈具、陶板、濾材）、UV交聯型墨水、奈米汽車蠟、奈米複合機能處理劑。部分研究成果帶動之商機十分可觀；國科會舉例鐵研公司為全世界第1家量產鋰鎳鈷正極材料廠商，去年年產值逾15億元，2009年更估逾30億元。
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2008年11月13日 星期四
奈米科技對台灣晶圓代工業的影響與衝擊－SWOT分析之應用
奈米科技對台灣晶圓代工業的影響與衝擊－SWOT分析之應用
The Influence and Trend of Nanotechnology to the Taiwan’s Foundry Industry- The Application of SWOT Analysis
林文恭
Wen-Kung Lin
摘要
隨著大陸和東南亞國家晶圓代工業者的加入，如何提昇產能利用率與生產良率將會是各家廠商致力改善的重點，且隨著材料科學的發展，晶圓元件的細微化是未來的研發方向之一。唯有依賴奈米科技的應用研發才有可能突破。本研究希望藉由了解奈米科技對台灣晶圓代工業之影響與衝擊，協助政府研擬「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策時應留意之事項，並提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。本文一方面藉由文獻回顧法：針對研究主題進行靜態性與比較性的分析研究；另一方面以SWOT分析法：針對奈米科技與晶圓代工業之間的關係進行深入剖析。研究結果顯示，晶圓代工業者若能充分掌握奈米科技帶來的機會並利用本身已具備的優勢，為台灣高科技產業另創新一波的世界領先地位是可以預期的。
關鍵字:奈米科技、晶圓代工、SWOT分析法
Abstract
According the entrance of foundry in Mainland Chain and Southeast Asia, how to improve capacity efficiency and product would be the key points which attend to deal with and by the development of technology, the ultra structure of the foundry component is the necessary dimension of in science technology. The paper hopes to provide some helpful idea for government to set up policy about how to using nanotechnology in foundry industry, and give some suggestions about production process by comprehending how nanotechnology affect to High-Technology industry in Taiwan. On the one side, this paper has the analysis of static and comparative search for the research topic by literature review; On the other side, this paper also discuss the Nanotechnology and foundry industry’s relation. The results show that the leadership of the foundry of Taiwan in the world is possible if the opportunity brought by nanotechnology could be controlled and make use of the advantage of itself.
Keyword: Nanotechnology、Foundry Industry、SWOT Analysis
一、前言
台灣產業結構變遷由農業、輕工業、重化工業、到現在的高科技產業，工業的重心也由傳統的食品加工業、石化、汽車等產業轉移到以晶圓代工業為核心的高科技產業，自1993年開始晶圓代工業已成了台灣的主流產業。由行政院主計處民國91年6月4日之國情統計通報中可知，台灣晶圓代工全球佔有率的百分比，由1998年的52％逐年升高，到了2001年，己達73％的佔有率，對台灣經濟之重要性足以見得。全球三大晶圓代工廠，分別為：台灣積體電路(簡稱台積電)、聯華電子(簡稱聯電)和新加坡的特許半導體，台灣即擁有二家。
台灣在進入高科技產業後，晶圓代工業以其高效率的專業分工，完整的產業群聚、豐富的管理經驗及優越的數位設計技術，在世界上排名第一。但因成本考量，台灣晶圓代工廠紛紛外移至中國大陸生產。隨著中國大陸及東南亞新興地區半導體產業勢力的崛起，對我國晶圓代工有所影響與衝擊。因此，台灣晶圓代工廠為提昇自身之競爭力，競相投入奈米科技的研發，希望能在元件微小化時，利用奈米科技解決所面臨的材料及技術瓶頸。
本研究的目的，希望藉由SWOT分析了解奈米科技應用在台灣晶圓代工業後的影響與衝擊，以供政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策與注意事項，及提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。
二、文獻探討
(一)奈米科技的意義
奈米科技為奈米尺寸下的科學技術。基本上奈米是一種度量單位，1奈米(nanometer)是十億分之一米。在這個刻度之下的元件，它的物理性質與普通尺寸的物理性質是截然不同的，一旦物質尺寸小到一奈米至一百奈米範圍，常會產生新的特性與現象，例如蓮花表面之奈米結構使污泥無法沾附、金的顆粒大小在五奈米時熔點大幅下降。(馬遠榮，2002)
近年來由於電子產品追求輕薄短小又精緻的趨勢，使得人類對微小化材料的需求變得重要且必須，也使得電子元件已由微米(10-6m)範圍邁入奈米(nanometer = 10-9m)範圍。誠如龔建華博士(2002)所言，奈米科技不只是小尺寸的延伸，亦不只是以製造奈米尺度或材料的機器為限，應是技術創新及認知上的革命。透過材料及零件細微化，電子與資訊工業可以發展出更省電、體積更小、更節約能源的材料與元件，這對促進現有科技有很大的影響，是永續發展的革命性科技。
(二)奈米科技的應用
繼「第三波」資訊革命之後，奈米科技預計將帶來第四波工業革命，各種的奈米產品，陸續開發應用在我們日常生活及產業中，例如：保暖殺菌的奈米服裝、防污染的奈米塗料、長期保鮮的奈米冰箱、潔淨的奈米馬桶、超薄的奈米碳管顯示器、超大容量的奈米光碟、乃至奈米抗癌藥物等。奈米科技的應用可說是全面性的，因為它的技術不僅可以用在尖端科技的研發，也可以讓傳統產業開發出新產品，而科學家及產業運用奈米科技所研發的各種產品潛力無限。當物質微縮到奈米尺寸時，由於物理與化學特性迥然改變，連帶創造出無數全新的應用可能，不僅使資訊、光電等高科技產業，向前躍進一大步，也為傳統產業帶來起死回生的契機。根據預測，奈米科技在2010年不論在半導體或生物科技產業上將有突破性發展。(黃惠娟，2002)
由於奈米科技範圍過於廣泛，而且範疇的定義及領域的劃分也極為困難，目前只有日立總研對全球應用奈米科技之市場做分項預估，如表1所示，其中最被關心的資訊電子分項，預計到2010 年時將具有每年671,884億日圓市場(佔50.6%)的可能，之中最大的是半導體市場(每年267,097億日圓) (佔20.1%)。而全球應用奈米科技市場中，預估在2005到2010年間，資訊電子類產品所佔比率將由27.1%增加到50.6%，成長將近一倍。而在資訊電子類中，半導體產品的比率也由原本只有10%大幅成長到40%。可見未來半導體產業需要應用奈米科技的範圍非常的大。
表1 全球奈米科技市場之分項預估
單位：億日圓/年
類別
世界
日本
2005年
％
2010年
％
2005年
％
2010年
％
資訊電子
26,483
27.1
671,884
50.6
9,144
38.8
138,649
50.7
‧半導體
2,615
2.7
267,097
20.1
934
4.0
58,956
21.6
‧網路器件
23,868
24.4
107,188
8.1
8,210
34.8
23,233
8.5
‧資訊儲存
0
-
51,593
3.9
0
-
30,323
11.1
‧生物奈米感測器
0
-
1,986
0.1
0
-
392
0.1
‧其它
0
-
244,020
18.4
0
-
25,745
9.4
製程、材料
15,896
16.3
415,924
31.3
4,717
20.0
89,079
32.6
航空、宇宙
29,281
30.1
88,220
6.6
1,316
5.6
3,965
1.5
環境、能源
5,619
5.7
61,309
4.6
1,131
4.8
15,932
5.8
量測、加工、模擬
12,827
13.1
52,202
3.9
6,282
26.7
21,311
7.8
生命科學
6,968
7.1
37,951
2.9
883
3.7
4,150
1.5
農畜產業
600
0.6
1,725
0.1
88
0.4
210
0.1
合計
97,674
100
1,329,215
100
23,561
100
273,296
100
資料來源：日立總研；工研院經資中心ITIS計劃整理(2002/08)
(三)晶圓代工之種類
晶圓片的由來，是先將二氧化矽經過純化、融解、蒸餾之後，製成矽晶棒，晶圓廠再拿這些矽晶棒研磨、拋光和切片成為晶圓母片。晶圓代工是台灣IC產業中最具特色的一環，因此讓我國半導體在世界半導體工業中佔有重要地位。
目前晶圓代工的主要供應商分為二類，分述如下：(王建華，2002)
1. 整合元件製造廠兼營代工（IDM；Integrated Device Manufacturer）：
以自有產品生產為主，但大部份IDM廠為了提高產能利用率，會使用剩餘產能從事晶圓代工服務，例如：IBM、三星等。IDM廠吸引客戶的主要因素則是憑藉其優越的設計能力、智慧產權（IP；Intellectual Property）或特殊製程技術的條件。
2. 專業晶圓代工（Pure Foundry）：
只負責幫客戶生產產品，不設計、行銷自我品牌產品。其吸引客戶的主要原因為本身不從事自有品牌IC的生產與銷售，不會與客戶形成競爭，使下單的客戶沒有設計外洩或遭到抄襲的顧慮，並可提供製程之選擇。
1986年以前的世界半導體產業體系，是以整合製造為主；例如德州儀器(TI)、Intel、NEC、摩托羅拉（Motorola）、Fujitsu等，這些大廠的業務囊括半導體的設計、製造、測試封裝與銷售。然而在1986年之後，半導體產業體系漸漸地邁向解構(Dis-integration)階段，即每家廠商專精於產業的某一專業分工領域，例如CLI、S3、Altera等是無晶圓IC設計廠商；Anam、ASE等則是半導體封裝廠如圖一所示。
晶圓製造、封裝、測試
代 工
T1 , NEC , Fujitsu , Motorola
1996
封裝代工
華泰，日月光
測試代工
茂測，聯測
封裝、測試
代工
日月光,Anam
設
計
/
銷
售
CLI,
Altera,
S3
晶圓製造
代 工
台積電,
Chartered,
Tower
晶圓製造 、 封裝 、 測試
代 工
Alphatech QPL
設計 / 銷售
晶圓製造
封裝
測試
T1,Motorola,
NEC,Fujitsu
1986
分工製造
整合製造
圖一 半導體產業體系的解構趨勢
資料來源：劉常勇(1997)
(四)奈米科技在晶圓代工業上之應用
2002年半導體製程跨入奈米 (nm)競爭時代，摩托羅拉、飛利浦和意法半導體宣布與台積電共同研發的90奈米設計平台將提前問市，並將於2003年初問世，台積電領先全球發表將奈米技術帶入晶圓製程的代工廠。
由於晶圓代工業，對產品的尺寸要求非常嚴格，為了節省空間，電子路徑的橫切寬度愈小愈好，因為電線的寬度愈小，在一定單位面積下的空間內就能容納更多的電路。然而，電路做得細，就愈容易斷，一旦在晶片的電路有一個地方斷掉，電路不通，這個晶片也就報廢了，因此必須利用技術把電路的線寬做得更細，奈米技術具有的將材料及零件細微化特性，正符合晶圓代工的未來趨勢。
三、研究方法
本研究主要針對奈米科技對台灣晶圓代工之影響與衝擊作分析，以閱讀相關文獻及進行SWOT分析，進而達成研究之目的。本研究方法如下：
(一)文獻回顧法
蒐集與研究主題相關的著作、期刊文章、研究報告、報章雜誌報導等文件，進行靜態性與比較性的分析研究，以達到本研究目的。
(二)SWOT分析法
S（Strength）優勢：組織或個體所擁有的長處與專才；W（Weakness）劣勢：組織或個體所缺乏之短處與缺憾；O（Opportunity）機會：外部環境所提供的機會與未來發展；T（Threat）威脅：外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。
SWOT分析，是一個相當經典且常用的分析構面，常用以分析組織或個體所處現狀的優勝劣敗，以提供清晰的組織現狀，供經營者做當下決策、現狀分析或未來進展的思考基礎。對於快速釐清狀況而言，SWOT是一個很有效率的工具，它的結構雖然簡單，但是可以用來處理非常複雜的事務。
四、實例分析
(一)台灣晶圓代工業之概況：台灣半導體產業的發展，起始於60年代外資投資設立封裝廠開始，而產業發展歷程可分為1966至1973年的萌芽期、1974至1979年的引進期、1980至1995年的成長期，並在1996年以後進入產業的擴張期如圖二所示。經歷近三十年的發展，目前台灣在半導體晶圓材料、光罩製作、電路設計、製造、封裝、及測試等相關領域，已逐漸建立自主之技術能力。(阮世昌，1998)
(二)由於晶圓代工業之產值佔台灣半導體產業產值一半以上，如此專業製造事業，使我國晶圓代工在國際奠定一定之地位。從全球半導體的垂直分工移轉到國際分工合作，台灣的專業晶圓代工扮演著推波助瀾的角色，對大企業而言，下單給晶圓代工廠，除了可減輕投資風險，更能提高效益。有關台灣未來半導體設備投資計畫如表2所示。(江素雲，1999)
台灣半導體發展進程
年代
世界半導體發展進程
1948
貝爾實驗室發明電晶體
1952
快捷半導體創立
1958
Kilby發明IC
1965
摩爾發表摩爾定律
高雄電子從事積體電路封裝
1967
國民半導體創立
飛利浦建元從事積體電路封裝
1968
英代爾、超微半導體創立
華泰電子從事積體電路封裝
1971
全球第一顆微處理器(Intel)
1972
第一顆8位元微處理器並開始走進0.1微米製程研發
工研院電子所成立
1974
引進期自RCA引進7微米製程技術
開始電子工業第一期發展計劃
1975
1976
4吋晶圓製程
電子所IC示範工廠落成
1977
SIA(半導體產業協會)成立
1978
16位元微處理器
聯華電子公司成立
1979
開始電子工業第二期發展計劃
新竹科學園區成立
1980
1.5微米製程技術
1982
1.2微米製程技術
開始超大型積體電路計劃
1983
6吋晶圓製程
成長期成功開發1.5微米256K DRAM
IC設計公司接連成立
1985
32位元微處理器、1.0微米製程技術
台灣積體電路公司成立
1987
SIA設定三階段目標
1988
八吋晶圓製程0.8微米製程技術
台灣光罩公司成立
1989
120萬顆電晶體
開始次微米製程發展計劃
1.0微米製程技術
1990
0.5微米製程技術
半導體列入我國未來10大新興產業
0.6微米製程技術投入量產
1992
次微米8吋廠實驗室落成
1993
Pentium微處理器
4M SRAM、16M DRAM設計生產能力
聯電、華邦開發完成0.5微米製程技術
1994
世界先進積體電路公司成立
1995
P6微處理器(Intel)
開始深次微米計劃
1996
0.35微米製程技術
1997
0.2微米製程技術
聯電、台積電進入0.13微米製程技術
2001
並開始走進0.1微米製程研發
聯電、台積電90奈米製程試產
2004
圖二 台灣與世界半導體產業演進過程
資料來源：本研究
表2 台灣半導體廠商之設備投資計畫
公司
投資額(美元)
晶圓廠
地點
備註
旺宏
7.2B 10年內
1 12" Fab.
2~3 12" Fabs.
竹科
南科
· System on a chip
茂矽
3.6B
1 12" Fab.
Packaging + Testing
南科
南科
南亞
3.6B
1 8" Fab.
2 12" Fab.
林口
力晶
1.2B
1 12" Fabs.
竹科
· 0.18mm 64M DRAM
德基
9.0B10年內
3 12" Fabs.
南科
· 擴張8 " Fab,至2000年，每月產值達100K/M
台積電
14.5B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
· 7/1997建廠8 "晶圓廠
聯華
18.8B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
·策略聯盟
華邦
5.8B10年內
1 8" Fab.
2 12" Fabs.
南科
· 2000年8 "廠量產
世大
3.6B
2 12" Fabs.
南科
· 1999年進入南科
日月光
11.9B13年內
Assembly House
Test House
南科
· BGA ,CSP封裝
· Logic測試
合計
79.2B
24-25 12" Fabs.
4 8" Fabs.
資料來源：日刊半導體產業新聞/MOEA (經濟部)，1999年2月
(三)SWOT分析
有關奈米科技與晶圓代工業之間的關係，本研究以SWOT分析為基礎，探討台灣晶圓代工業本身產業內的優勢與劣勢，以及運用奈米科技時產生的機會與威脅，以作為往後晶圓代工業者經營方式策略研擬的參考。如表3所示。
表3 晶圓代工業應用奈米科技之SWOT分析
優 勢（Strength）
劣 勢（Weakness）
1. 產業體系完整，專業分工
2. 製程領先，已導入90奈米
3. 專業晶圓代工製造實力強
1. 奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少
2. 研究發展人才不足，創新不足
3. 發展成本高，研發預算相對較少
機 會（Opportunity）
威 脅（Threat）
1. 與國外廠商策略聯盟
2. 產業型態轉型
3. 發展生物技術晶片
1. 競爭者日益增加
2. 微利時代來臨
3. 人才外移嚴重
資料來源：本研究
1. 優勢分析
SWOT分析中所指優勢分析，即組織或個體所擁有的長處與專才。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的優勢有三點，分述如下。
(1)產業體系完整，專業分工：台灣晶圓代工產業完整的垂直分工體系，以及以科學園區為核心之產業供應鏈和產業群聚效應所產生的整體效率，是台灣晶圓代工業能夠保有強大競爭力的重要原因之一。未來的趨勢是發展系統單晶片 (System on Chip)為主，所以晶圓代工的客戶種類會非常廣，不同的客戶將會要求不同的技術，即使是同一技術，內涵也多所改變，所以擁有製程技術、量產技術、管理行銷技術的台灣晶圓廠商將佔有非常大之優勢。
(2)製程領先，已導入90奈米：台灣的台積電在2003初導入90奈米製程試產，預計於2003年底量產。而聯電也正進行90奈米的製程研究。這二家最大的晶圓代工廠，無不致力於奈米級製程的研究，為的正是要藉由奈米級的製程，提昇自己的競爭力，以爭取更多高階訂單。值得驕傲的是，二家的製程能力，都比國際半導體技術預估的提前二年，因此台積電及聯電可以成為全球前二大晶圓代工廠。美商Xilinx（智霖）於2003年4月中宣布，推出以90奈米製程生產的可程式晶片，預估明年量產；此製程技術是由IBM提供，並由聯電的12吋晶圓廠負責生產，而Xliinx的頭號競爭對手、同時也是台積電大客戶的Altera也將在2004年下半年推出90奈米製程的產品，晶圓雙雄將往90奈米的領域挺進。
(3)專業晶圓代工製造實力強：台灣目前IC產業的主力產業，以晶圓代工為中心，上游有IC設計、下游有封裝與測試，2000年時IC產業總產值超過七千億台幣，就業人口超過十萬人，帶動台灣的經濟發展。為了因應電子產品的微小化及降低成本，一方面，各晶圓代工廠若不是自行興建12吋晶圓廠，就是和其它廠商策略聯盟。據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長。
2. 劣勢分析
SWOT分析中之劣勢分析是組織或個體所缺乏之短處與缺憾。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的劣勢有三點，分述如下。
(1)奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少：過去相較於美日等國，我國的起步較晚，技術算是比較落後，缺乏基本專利，現在，我國已在國際市場嶄露頭角，逐漸佔有一席之地，對其他國家構成威脅後，智慧財產權問題日益凸顯，在系統整合、設計及晶圓相關專利等高附加價值的部分經常掌握在先進國家手上，使用時則必需支付龐大的權利金。
(2)研究發展人才不足，創新不足：隨著產業升級及知識經濟的潮流，業界普遍面臨專業技術人才以及高階管理人才不足的問題；反之，以勞力為主的基層人力則有過剩的現象。可預見的是，未來人才的爭奪將是科技廠商所必須面對的課題。以最近推動的國家矽導計畫為例，據調查台灣IC設計人員至2005年約需9,500人，而現階段國內能供應的相關人才，每年亦僅800人，供需之間差了十倍多。我國相較於美國、日本，在奈米相關科技基礎的研發明顯不足。由於我們已站在技術最前端，與最先進的技術並駕齊驅，很難再從別人那裡學習到什麼了，因此應持續培育奈米科技相關人才，做基礎研究。
(3)發展成本高，研發預算相對較少：技術創新已是晶圓廠的生存之道，然而不斷追求創新，換來的卻是高研發成本，以及處於克服製程障礙的處境，光罩價格的飆升及銅製程技術的困難，就是製程提升的成本之一。無論是晶圓代工產業的12吋晶圓製程，或者是奈米科技之研究，都必須花費相當大的成本與時間去研發。相較於歐美日各國，奈米國家型計劃預計在2002至2007年內投入新台幣231億元(約6.7億美元)，而美國光是2002年就投入超過5億美元，日本2002年的獨立法人研究經費也高達350億日元(約2.9億美元)。台灣投入的經費，相形見拙，又無法得到金融業的金援。
3. 機會分析
機會分析是指外部環境所提供的機會與未來發展。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的機會有三點，分述如下。
(1) 與國外廠商策略聯盟：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。由於投資金額龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，還必須和IDM廠進行合作，以期能達到產能飽和。由於我國晶圓代工產業在全球市場佔有率高達四分之三，對全球半導體產業具有強大磁吸效應。美國、日本的IDM大廠，已競相縮減自身的晶圓製造，與台灣晶圓專工業者建立分工合作的策略聯盟，極有利於我國半導體產業的全球佈局，而我國晶圓代工業者仍可加強與一流大廠合作聯盟以加速技術面之提昇。
(2) 產業型態轉型：結合奈米技術的發展，將產業角色從單純的製造服務，轉型成與客戶建立伙伴關係，並運用策略性合作，創造綜合效果與附加價值。由於晶片競爭激烈，客戶不但要求創新，更要求價格低廉，因此當與客人研究如何節省成本，例如原本交由台灣晶圓代工業代工好之產品，以前需送到東南亞去測試，台灣晶圓代工業者便可主動為其介紹本地的優良廠商，並與客戶一起合作研發以期縮短工作天數，使得客戶成本降低，如此一來，客戶有競爭力，廠商才有競爭力。
(3) 發展生物技術晶片：奈米技術與晶圓代工的製程發展成熟時，亦可結合生技產業發展出生物晶片，生物科技也將是未來的明星產業，結合兩大明星產業發展將形成更佳的機會。
4. 威脅分析
威脅分析係指外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的威脅有三點，分述如下。
(1) 競爭者日益增加：由於晶圓代工獲利豐厚，全球不斷有新晶圓廠進入代工市場，市場上的競爭已越來越激烈，台灣廠商面臨了來自韓國、東南亞等地區的競爭。在亞太地區的競爭對手有新加坡─特許半導體、泰國─Sub-Micron、馬來西亞─Wafer Technology NLSI、大陸─中芯、華虹等、韓國有三星，在美國有IBM、日本、以及歐洲都有廠商積極籌畫進入晶圓代工產業，競爭者大幅增加，爭相分食晶圓代工這塊大餅。
(2) 微利時代來臨：因為競爭對手相繼投入晶圓代工生產，使得原本的高獲利，逐漸降低。聯電董事長曹興誠先生說晶圓代工高毛利時代已結束，是因為所有的電子業都進入微利時代，這使得許多廠商不斷的被淘汰與合併，這每一次的變動都對供應商有莫大的衝擊。一方面是利潤的減少，一方面是高研發成本及設廠資金，使得晶圓代工廠在投資設廠前更須謹慎的考量。
(3) 人才外移嚴重：大陸中芯以及宏力半導體的成立從台灣吸走400名科技人才，從建廠、製程設備的調整、量產流程等相關環環相扣的關鍵人才，都是由台灣輸出，大陸在吸收核心技術後，挾其高科技人才充裕、土地成本低廉及擁有龐大腹地等優勢，隨著中國大陸半導體業日趨成熟，及其所投入之奈米科技相關研究，極有可能成為我國晶圓代工業者強大的競爭對手。(林延昆，2000)
五、結論與建議
(一) 結論
奈米科技在1990年後，逐漸成為世人注目焦點，奈米科技是截止至目前為止基礎科學發展工程之方法理論，且以奈米技術為基楚，可展開甚廣，從電子工程到生物等多樣領域，但是奈米科技其實是奈米科學移行至實用工程商品之中間階段，其實亦是產業界所迫切需要的。
台灣是半導體製造的大國，全世界最大的晶圓代工製造在台灣，但是台灣即使是在生產製造方面有過人的技術，在生產輔助應用的工具研發之能力卻乏善可陳，重要技術多掌握在國外大廠手上，造成我國IC產業產值2000年雖高達7000億台幣，僅次於美國、日本、韓國，為全球第四大生產國，但大部份的設備及製造技術等有較高利潤的部份卻讓外國所賺走。再加上近年來產業西進的熱潮，政府是否能擬出更好的策略，以提昇半導體產業的附加價值是門重要的功課。
綜觀本研究結果，奈米勢必為下一明星產業，亦可能為地小、物資缺乏的台灣帶來另一波經濟奇蹟，在此給政府及企業一些建議，希望能在政府研擬相關產業政策及企業擬定經營方針時，應特別留意之事項參考。.
1. 予政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策，應留意之事項
面對國內外政經環境改變，科技產業發展日新月異，業者在經歷國際經營環境惡化，及大陸發揮磁吸作用下，產業優勢逐漸有鬆動的趨勢，加上高科技人才活躍於大陸，我們應注意「台灣人優勢仍在，但台灣的優勢卻在不經意間流失」的情況產生。
(1) 營造奈米優質投資環境，吸引相關外商投資：由於奈米科技與IC產業是屬於高資本密集與技術密集的產業，因此，擁有一個能穩定製造的環境是相當重要的。但是我國卻有水、電供應不足的情況，造成科學圓區的高科技產業不必要的損失，而奈米科技在研發與引進的過程當中，也需要政府政策的全力支持與鼓勵，例如稅務的減免、土地的協助取得、本土高技術人才的供給等等。但當前的相關政府單位並不積極，使得擁有前端研究能力的外資廠商裹足不前甚或投入對岸，對政府、對廠商甚至對整個台灣都會造成影響。
(2) 開放IC低階製程西進大陸，整合台灣優勢：IC晶圓產業走向全球化分工趨勢愈加明顯，現大陸挾著資源豐富的生產要素，與廣大市場的重要性，逐漸衍生出其優勢所在。反觀台灣的製造優勢不在，伴隨著我國國民所得的提高，內部生產要素、基礎設施等條件逐日惡化，再加上競爭者仿效，我國瞬間攻守易位。因此，包括晶圓代工產業在內的全球電子業，未來赴大陸投資已經是無法抵擋的趨勢，台灣如何在這股潮流中，掌握關鍵的價值與角色，才應是政府決策思考的核心。本研究建議，相關政策制定者應該鼓勵業者，將IC晶圓低階製程轉移至大陸生產，以保持低成本之生產優勢，再者將台灣所留下來的高技術人才整合，將之投入奈米製程之研究發展上面，為下一代的65奈米新製程技術而努力。
(3) 奈米級技術、研發根留台灣，強化本地的角色：在全面開放高科技廠商赴大陸投資的同時，台灣也必須強化本地的角色，讓來自矽谷的技術與資源，先流經台灣，再流進大陸。未來我國在產業活動上，應該仍可掌握創新型產品與系統型產品，例如資訊家電、可攜式電子產品、晶圓代工、半導體設計、高附加價值的軟體與專案管理等，藉此產生高產值並具有高附加價值、快速回應市場需求等特質，以確保台灣本土產業的國際槓桿力量。
(4) 善用美、日技術與台灣產業優勢，建立跨國合作機制：美國加州矽谷仍是全球科技產業龍頭，舊金山與台灣間合作的重要性不亞於兩岸交流。台灣如能善用目前的產業製造的優勢，將其發揮到最高的科技仲介效用，將使台灣在全球最具生產價值的奈米級IC晶圓產業鏈中不致脫鉤。
(5) 定期舉辦相關奈米級科技展覽：在未來的全球電子業中，華人仍是不可忽視的關鍵力量。以華人在全球電子業的影響力為基礎，積極舉辦全球奈米高科技展覽會，讓全球的奈米高科技資訊流經台灣，以有助於創新的奈米技術與觀念在台灣產業界流通，也有助於國外的新觀念與新技術在台灣生根。
(6) 高科技人才問題：奈米研發首重人才的問題，但台灣在僵化的填鴨式教育制度下，研究人員普遍缺乏創新、想像的能力，雖培育出優質工程師，數十年深耕於半導體產業，但是較上層且更為重要的研發創新人才卻相當欠缺，對需要利用大膽思維，找出應用與研究方向的奈米科技非常不利．如何從小學到大學的課程重新規劃，到達適合奈米世代所需的人才標準，是一項急待推動的思想改造工程．
2. 予晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議
IC半導體技術已進入奈米的時代，就產業前景而言，會使得研發費用和建廠成本大幅增加，已到非單一業者可以獨自承擔其風險的地步，而晶圓代工產業的成長來自於IC設計業者快速成長，及IDM產能外包趨勢確立。因此全球業者莫不競相合作，聯合開發或相互投資以降低成本與風險。
(1) 策略聯盟，降低風險：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。在投資金額日益龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，建議須和IDM廠進行合作，以期能達到產能高度利用率，並達到人力及設備不閒置的境界。
(2) 設廠成本高，投資更要謹慎：IC半導體景氣波動愈來愈大，使得產業的變化很難去預測的，固業者在面對其投資時更需謹慎評估，並須持續保持技術領先，以免遭競爭對手迎頭趕上，尤其是建置新廠的必要性必須重新評估。
(3) 維持住晶圓代工業之決戰點--技術層次、人力資源、成本結構、成品良率、資金調度能力
a. 技術層次：製程技術相對於半導體廠商而言，與爭取顧客的信賴與認是同樣重要的。技術的遲滯不前會導致客戶的流失與損失，也唯有不斷的開發新製程才能避免此一情況發生，並拉開與競爭者的技術優勢，如台積電在2003年推出90奈米新製程。且65奈米聯盟已成立運作多時，由台積電技術長胡正明所領導的各個研發小組，現更提出包括了65、55、35，甚至15奈米的製程。由此可見製程技術之於晶圓代工業的重要性。
b. 人力資源：目前研發人員，超過70％都是碩士以上學歷，面對如此多高學歷的菁英份子，如何將人才留住確保製程技術的安全不外流，也是刻不容緩的事情，在管理雜誌91年4月號的報導中提到現今的商業機密外洩是最不容易防範的，以及最容易被竊取的，就屬人才的挖角了，模糊的認定以及難以防範的發生令企業頭疼萬分，因此如何留住員工，就成了企業的新隱憂了。
c. 成本結構。半導體用電子材料市場規模逐年成長，但所需之材料仍多數自國外進口，國內除少數項目自有生產外，自給率偏低。使得在終端產品價格日趨低價化的情況下，業者利潤空間逐漸變小，原物料掌控及成本控制成為重要致勝關鍵。尤其是現今跨入奈米級生產的廠商不多，擁有技術優勢的台灣IC半導體廠商們，更應該把握住這一個難得的時間差，帶領客戶們將此一優勢充分展現出來，進行市場上的占有率競爭。
d. 成品良率：由IC晶圓的良率可看出一個工廠的管理智慧與獲利能力，據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，建廠成本增加高出2倍，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長，可見得半導體廠商在提升良率方面用了多少的心力。 但在進入奈米級IC生產上所會碰到的良率問題，並不是那麼容易克服的，面對更小、更精密、更有效能的奈米級IC晶圓，所會碰到的困境相對的會更加的嚴峻，如何解決這一個難題，更是考驗著廠商的研發功力。
e. 資金調度能力：IC半導體產業是高技術、高資本的行業，在面對眾多競爭對手的低價競爭中，如何確保資金部位的充足，相對的也是非常重要的一環。由於專業晶圓代工業是沒有產品的製造公司，故須清楚知道要做到設備使用率高、晶圓廠本身的良率要高、產品的良率要高、交期必須準確、交貨速度要縮短、研發能力要強。尤其是研發，在研究奈米級IC晶圓時必須投入大量的人力、物力、資金、如何確保這三項必要的生產要素，也是廠商們所必須要考慮到的一環。
(二) 建議
由於晶圓代工業的競爭激烈，故晶圓代工業者皆將自身的研發內容計畫視為公司機密，故本研究在資料搜集上，並未能取得來自業者研發的第一手資料，只能從業者已發佈的新聞資訊，得知其發展狀況並加入本研究內容予以討論分析。此外由於高科技產業能否成功發展的關鍵將繫於科技人力資源的量與質，質量充足才會有潛力，本研究觀察近一年來，發現台灣科技人才的確相當缺乏，尤其在中國大陸急起直追下，對政府是否開放自大陸引進高科人才的策略擬定，為搶得世界之優勢，實不應再拖延。
由於晶圓代工業兼具技術與資本密集的特性，倘若發生兩岸資金的排擠作用，或技術移轉過速，可能使台灣喪失高科技產業發展的相對優勢，是故政府在「有效管理」措施上預作安排，實屬重要。
有鑑於以上因素，本研究有限於時點因素，未能繼續將議題納入分析內容中，建議若以相關議題為研究，可持續將晶圓代工業者的技術研發內容、政府對人才的培訓與引進政策及對已移往中國大陸生產的台灣晶圓代工業之現況，作持續的追蹤研究，以作為政府政策研擬與業者經營策略訂定之參考資料。
參考文獻
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7. 劉常勇：《台灣積體電路公司─晶圓代工的領導者》，（1997年。）
8. 龔建華：《你不可不知的奈米科技》，（台北：世茂出版社，2002年。）
The Influence and Trend of Nanotechnology to the Taiwan’s Foundry Industry- The Application of SWOT Analysis
林文恭
Wen-Kung Lin
摘要
隨著大陸和東南亞國家晶圓代工業者的加入，如何提昇產能利用率與生產良率將會是各家廠商致力改善的重點，且隨著材料科學的發展，晶圓元件的細微化是未來的研發方向之一。唯有依賴奈米科技的應用研發才有可能突破。本研究希望藉由了解奈米科技對台灣晶圓代工業之影響與衝擊，協助政府研擬「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策時應留意之事項，並提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。本文一方面藉由文獻回顧法：針對研究主題進行靜態性與比較性的分析研究；另一方面以SWOT分析法：針對奈米科技與晶圓代工業之間的關係進行深入剖析。研究結果顯示，晶圓代工業者若能充分掌握奈米科技帶來的機會並利用本身已具備的優勢，為台灣高科技產業另創新一波的世界領先地位是可以預期的。
關鍵字:奈米科技、晶圓代工、SWOT分析法
Abstract
According the entrance of foundry in Mainland Chain and Southeast Asia, how to improve capacity efficiency and product would be the key points which attend to deal with and by the development of technology, the ultra structure of the foundry component is the necessary dimension of in science technology. The paper hopes to provide some helpful idea for government to set up policy about how to using nanotechnology in foundry industry, and give some suggestions about production process by comprehending how nanotechnology affect to High-Technology industry in Taiwan. On the one side, this paper has the analysis of static and comparative search for the research topic by literature review; On the other side, this paper also discuss the Nanotechnology and foundry industry’s relation. The results show that the leadership of the foundry of Taiwan in the world is possible if the opportunity brought by nanotechnology could be controlled and make use of the advantage of itself.
Keyword: Nanotechnology、Foundry Industry、SWOT Analysis
一、前言
台灣產業結構變遷由農業、輕工業、重化工業、到現在的高科技產業，工業的重心也由傳統的食品加工業、石化、汽車等產業轉移到以晶圓代工業為核心的高科技產業，自1993年開始晶圓代工業已成了台灣的主流產業。由行政院主計處民國91年6月4日之國情統計通報中可知，台灣晶圓代工全球佔有率的百分比，由1998年的52％逐年升高，到了2001年，己達73％的佔有率，對台灣經濟之重要性足以見得。全球三大晶圓代工廠，分別為：台灣積體電路(簡稱台積電)、聯華電子(簡稱聯電)和新加坡的特許半導體，台灣即擁有二家。
台灣在進入高科技產業後，晶圓代工業以其高效率的專業分工，完整的產業群聚、豐富的管理經驗及優越的數位設計技術，在世界上排名第一。但因成本考量，台灣晶圓代工廠紛紛外移至中國大陸生產。隨著中國大陸及東南亞新興地區半導體產業勢力的崛起，對我國晶圓代工有所影響與衝擊。因此，台灣晶圓代工廠為提昇自身之競爭力，競相投入奈米科技的研發，希望能在元件微小化時，利用奈米科技解決所面臨的材料及技術瓶頸。
本研究的目的，希望藉由SWOT分析了解奈米科技應用在台灣晶圓代工業後的影響與衝擊，以供政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策與注意事項，及提供晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議。
二、文獻探討
(一)奈米科技的意義
奈米科技為奈米尺寸下的科學技術。基本上奈米是一種度量單位，1奈米(nanometer)是十億分之一米。在這個刻度之下的元件，它的物理性質與普通尺寸的物理性質是截然不同的，一旦物質尺寸小到一奈米至一百奈米範圍，常會產生新的特性與現象，例如蓮花表面之奈米結構使污泥無法沾附、金的顆粒大小在五奈米時熔點大幅下降。(馬遠榮，2002)
近年來由於電子產品追求輕薄短小又精緻的趨勢，使得人類對微小化材料的需求變得重要且必須，也使得電子元件已由微米(10-6m)範圍邁入奈米(nanometer = 10-9m)範圍。誠如龔建華博士(2002)所言，奈米科技不只是小尺寸的延伸，亦不只是以製造奈米尺度或材料的機器為限，應是技術創新及認知上的革命。透過材料及零件細微化，電子與資訊工業可以發展出更省電、體積更小、更節約能源的材料與元件，這對促進現有科技有很大的影響，是永續發展的革命性科技。
(二)奈米科技的應用
繼「第三波」資訊革命之後，奈米科技預計將帶來第四波工業革命，各種的奈米產品，陸續開發應用在我們日常生活及產業中，例如：保暖殺菌的奈米服裝、防污染的奈米塗料、長期保鮮的奈米冰箱、潔淨的奈米馬桶、超薄的奈米碳管顯示器、超大容量的奈米光碟、乃至奈米抗癌藥物等。奈米科技的應用可說是全面性的，因為它的技術不僅可以用在尖端科技的研發，也可以讓傳統產業開發出新產品，而科學家及產業運用奈米科技所研發的各種產品潛力無限。當物質微縮到奈米尺寸時，由於物理與化學特性迥然改變，連帶創造出無數全新的應用可能，不僅使資訊、光電等高科技產業，向前躍進一大步，也為傳統產業帶來起死回生的契機。根據預測，奈米科技在2010年不論在半導體或生物科技產業上將有突破性發展。(黃惠娟，2002)
由於奈米科技範圍過於廣泛，而且範疇的定義及領域的劃分也極為困難，目前只有日立總研對全球應用奈米科技之市場做分項預估，如表1所示，其中最被關心的資訊電子分項，預計到2010 年時將具有每年671,884億日圓市場(佔50.6%)的可能，之中最大的是半導體市場(每年267,097億日圓) (佔20.1%)。而全球應用奈米科技市場中，預估在2005到2010年間，資訊電子類產品所佔比率將由27.1%增加到50.6%，成長將近一倍。而在資訊電子類中，半導體產品的比率也由原本只有10%大幅成長到40%。可見未來半導體產業需要應用奈米科技的範圍非常的大。
表1 全球奈米科技市場之分項預估
單位：億日圓/年
類別
世界
日本
2005年
％
2010年
％
2005年
％
2010年
％
資訊電子
26,483
27.1
671,884
50.6
9,144
38.8
138,649
50.7
‧半導體
2,615
2.7
267,097
20.1
934
4.0
58,956
21.6
‧網路器件
23,868
24.4
107,188
8.1
8,210
34.8
23,233
8.5
‧資訊儲存
0
-
51,593
3.9
0
-
30,323
11.1
‧生物奈米感測器
0
-
1,986
0.1
0
-
392
0.1
‧其它
0
-
244,020
18.4
0
-
25,745
9.4
製程、材料
15,896
16.3
415,924
31.3
4,717
20.0
89,079
32.6
航空、宇宙
29,281
30.1
88,220
6.6
1,316
5.6
3,965
1.5
環境、能源
5,619
5.7
61,309
4.6
1,131
4.8
15,932
5.8
量測、加工、模擬
12,827
13.1
52,202
3.9
6,282
26.7
21,311
7.8
生命科學
6,968
7.1
37,951
2.9
883
3.7
4,150
1.5
農畜產業
600
0.6
1,725
0.1
88
0.4
210
0.1
合計
97,674
100
1,329,215
100
23,561
100
273,296
100
資料來源：日立總研；工研院經資中心ITIS計劃整理(2002/08)
(三)晶圓代工之種類
晶圓片的由來，是先將二氧化矽經過純化、融解、蒸餾之後，製成矽晶棒，晶圓廠再拿這些矽晶棒研磨、拋光和切片成為晶圓母片。晶圓代工是台灣IC產業中最具特色的一環，因此讓我國半導體在世界半導體工業中佔有重要地位。
目前晶圓代工的主要供應商分為二類，分述如下：(王建華，2002)
1. 整合元件製造廠兼營代工（IDM；Integrated Device Manufacturer）：
以自有產品生產為主，但大部份IDM廠為了提高產能利用率，會使用剩餘產能從事晶圓代工服務，例如：IBM、三星等。IDM廠吸引客戶的主要因素則是憑藉其優越的設計能力、智慧產權（IP；Intellectual Property）或特殊製程技術的條件。
2. 專業晶圓代工（Pure Foundry）：
只負責幫客戶生產產品，不設計、行銷自我品牌產品。其吸引客戶的主要原因為本身不從事自有品牌IC的生產與銷售，不會與客戶形成競爭，使下單的客戶沒有設計外洩或遭到抄襲的顧慮，並可提供製程之選擇。
1986年以前的世界半導體產業體系，是以整合製造為主；例如德州儀器(TI)、Intel、NEC、摩托羅拉（Motorola）、Fujitsu等，這些大廠的業務囊括半導體的設計、製造、測試封裝與銷售。然而在1986年之後，半導體產業體系漸漸地邁向解構(Dis-integration)階段，即每家廠商專精於產業的某一專業分工領域，例如CLI、S3、Altera等是無晶圓IC設計廠商；Anam、ASE等則是半導體封裝廠如圖一所示。
晶圓製造、封裝、測試
代 工
T1 , NEC , Fujitsu , Motorola
1996
封裝代工
華泰，日月光
測試代工
茂測，聯測
封裝、測試
代工
日月光,Anam
設
計
/
銷
售
CLI,
Altera,
S3
晶圓製造
代 工
台積電,
Chartered,
Tower
晶圓製造 、 封裝 、 測試
代 工
Alphatech QPL
設計 / 銷售
晶圓製造
封裝
測試
T1,Motorola,
NEC,Fujitsu
1986
分工製造
整合製造
圖一 半導體產業體系的解構趨勢
資料來源：劉常勇(1997)
(四)奈米科技在晶圓代工業上之應用
2002年半導體製程跨入奈米 (nm)競爭時代，摩托羅拉、飛利浦和意法半導體宣布與台積電共同研發的90奈米設計平台將提前問市，並將於2003年初問世，台積電領先全球發表將奈米技術帶入晶圓製程的代工廠。
由於晶圓代工業，對產品的尺寸要求非常嚴格，為了節省空間，電子路徑的橫切寬度愈小愈好，因為電線的寬度愈小，在一定單位面積下的空間內就能容納更多的電路。然而，電路做得細，就愈容易斷，一旦在晶片的電路有一個地方斷掉，電路不通，這個晶片也就報廢了，因此必須利用技術把電路的線寬做得更細，奈米技術具有的將材料及零件細微化特性，正符合晶圓代工的未來趨勢。
三、研究方法
本研究主要針對奈米科技對台灣晶圓代工之影響與衝擊作分析，以閱讀相關文獻及進行SWOT分析，進而達成研究之目的。本研究方法如下：
(一)文獻回顧法
蒐集與研究主題相關的著作、期刊文章、研究報告、報章雜誌報導等文件，進行靜態性與比較性的分析研究，以達到本研究目的。
(二)SWOT分析法
S（Strength）優勢：組織或個體所擁有的長處與專才；W（Weakness）劣勢：組織或個體所缺乏之短處與缺憾；O（Opportunity）機會：外部環境所提供的機會與未來發展；T（Threat）威脅：外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。
SWOT分析，是一個相當經典且常用的分析構面，常用以分析組織或個體所處現狀的優勝劣敗，以提供清晰的組織現狀，供經營者做當下決策、現狀分析或未來進展的思考基礎。對於快速釐清狀況而言，SWOT是一個很有效率的工具，它的結構雖然簡單，但是可以用來處理非常複雜的事務。
四、實例分析
(一)台灣晶圓代工業之概況：台灣半導體產業的發展，起始於60年代外資投資設立封裝廠開始，而產業發展歷程可分為1966至1973年的萌芽期、1974至1979年的引進期、1980至1995年的成長期，並在1996年以後進入產業的擴張期如圖二所示。經歷近三十年的發展，目前台灣在半導體晶圓材料、光罩製作、電路設計、製造、封裝、及測試等相關領域，已逐漸建立自主之技術能力。(阮世昌，1998)
(二)由於晶圓代工業之產值佔台灣半導體產業產值一半以上，如此專業製造事業，使我國晶圓代工在國際奠定一定之地位。從全球半導體的垂直分工移轉到國際分工合作，台灣的專業晶圓代工扮演著推波助瀾的角色，對大企業而言，下單給晶圓代工廠，除了可減輕投資風險，更能提高效益。有關台灣未來半導體設備投資計畫如表2所示。(江素雲，1999)
台灣半導體發展進程
年代
世界半導體發展進程
1948
貝爾實驗室發明電晶體
1952
快捷半導體創立
1958
Kilby發明IC
1965
摩爾發表摩爾定律
高雄電子從事積體電路封裝
1967
國民半導體創立
飛利浦建元從事積體電路封裝
1968
英代爾、超微半導體創立
華泰電子從事積體電路封裝
1971
全球第一顆微處理器(Intel)
1972
第一顆8位元微處理器並開始走進0.1微米製程研發
工研院電子所成立
1974
引進期自RCA引進7微米製程技術
開始電子工業第一期發展計劃
1975
1976
4吋晶圓製程
電子所IC示範工廠落成
1977
SIA(半導體產業協會)成立
1978
16位元微處理器
聯華電子公司成立
1979
開始電子工業第二期發展計劃
新竹科學園區成立
1980
1.5微米製程技術
1982
1.2微米製程技術
開始超大型積體電路計劃
1983
6吋晶圓製程
成長期成功開發1.5微米256K DRAM
IC設計公司接連成立
1985
32位元微處理器、1.0微米製程技術
台灣積體電路公司成立
1987
SIA設定三階段目標
1988
八吋晶圓製程0.8微米製程技術
台灣光罩公司成立
1989
120萬顆電晶體
開始次微米製程發展計劃
1.0微米製程技術
1990
0.5微米製程技術
半導體列入我國未來10大新興產業
0.6微米製程技術投入量產
1992
次微米8吋廠實驗室落成
1993
Pentium微處理器
4M SRAM、16M DRAM設計生產能力
聯電、華邦開發完成0.5微米製程技術
1994
世界先進積體電路公司成立
1995
P6微處理器(Intel)
開始深次微米計劃
1996
0.35微米製程技術
1997
0.2微米製程技術
聯電、台積電進入0.13微米製程技術
2001
並開始走進0.1微米製程研發
聯電、台積電90奈米製程試產
2004
圖二 台灣與世界半導體產業演進過程
資料來源：本研究
表2 台灣半導體廠商之設備投資計畫
公司
投資額(美元)
晶圓廠
地點
備註
旺宏
7.2B 10年內
1 12" Fab.
2~3 12" Fabs.
竹科
南科
· System on a chip
茂矽
3.6B
1 12" Fab.
Packaging + Testing
南科
南科
南亞
3.6B
1 8" Fab.
2 12" Fab.
林口
力晶
1.2B
1 12" Fabs.
竹科
· 0.18mm 64M DRAM
德基
9.0B10年內
3 12" Fabs.
南科
· 擴張8 " Fab,至2000年，每月產值達100K/M
台積電
14.5B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
· 7/1997建廠8 "晶圓廠
聯華
18.8B10年內
1 8" Fab.
5 12" Fabs.
南科
·策略聯盟
華邦
5.8B10年內
1 8" Fab.
2 12" Fabs.
南科
· 2000年8 "廠量產
世大
3.6B
2 12" Fabs.
南科
· 1999年進入南科
日月光
11.9B13年內
Assembly House
Test House
南科
· BGA ,CSP封裝
· Logic測試
合計
79.2B
24-25 12" Fabs.
4 8" Fabs.
資料來源：日刊半導體產業新聞/MOEA (經濟部)，1999年2月
(三)SWOT分析
有關奈米科技與晶圓代工業之間的關係，本研究以SWOT分析為基礎，探討台灣晶圓代工業本身產業內的優勢與劣勢，以及運用奈米科技時產生的機會與威脅，以作為往後晶圓代工業者經營方式策略研擬的參考。如表3所示。
表3 晶圓代工業應用奈米科技之SWOT分析
優 勢（Strength）
劣 勢（Weakness）
1. 產業體系完整，專業分工
2. 製程領先，已導入90奈米
3. 專業晶圓代工製造實力強
1. 奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少
2. 研究發展人才不足，創新不足
3. 發展成本高，研發預算相對較少
機 會（Opportunity）
威 脅（Threat）
1. 與國外廠商策略聯盟
2. 產業型態轉型
3. 發展生物技術晶片
1. 競爭者日益增加
2. 微利時代來臨
3. 人才外移嚴重
資料來源：本研究
1. 優勢分析
SWOT分析中所指優勢分析，即組織或個體所擁有的長處與專才。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的優勢有三點，分述如下。
(1)產業體系完整，專業分工：台灣晶圓代工產業完整的垂直分工體系，以及以科學園區為核心之產業供應鏈和產業群聚效應所產生的整體效率，是台灣晶圓代工業能夠保有強大競爭力的重要原因之一。未來的趨勢是發展系統單晶片 (System on Chip)為主，所以晶圓代工的客戶種類會非常廣，不同的客戶將會要求不同的技術，即使是同一技術，內涵也多所改變，所以擁有製程技術、量產技術、管理行銷技術的台灣晶圓廠商將佔有非常大之優勢。
(2)製程領先，已導入90奈米：台灣的台積電在2003初導入90奈米製程試產，預計於2003年底量產。而聯電也正進行90奈米的製程研究。這二家最大的晶圓代工廠，無不致力於奈米級製程的研究，為的正是要藉由奈米級的製程，提昇自己的競爭力，以爭取更多高階訂單。值得驕傲的是，二家的製程能力，都比國際半導體技術預估的提前二年，因此台積電及聯電可以成為全球前二大晶圓代工廠。美商Xilinx（智霖）於2003年4月中宣布，推出以90奈米製程生產的可程式晶片，預估明年量產；此製程技術是由IBM提供，並由聯電的12吋晶圓廠負責生產，而Xliinx的頭號競爭對手、同時也是台積電大客戶的Altera也將在2004年下半年推出90奈米製程的產品，晶圓雙雄將往90奈米的領域挺進。
(3)專業晶圓代工製造實力強：台灣目前IC產業的主力產業，以晶圓代工為中心，上游有IC設計、下游有封裝與測試，2000年時IC產業總產值超過七千億台幣，就業人口超過十萬人，帶動台灣的經濟發展。為了因應電子產品的微小化及降低成本，一方面，各晶圓代工廠若不是自行興建12吋晶圓廠，就是和其它廠商策略聯盟。據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長。
2. 劣勢分析
SWOT分析中之劣勢分析是組織或個體所缺乏之短處與缺憾。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的劣勢有三點，分述如下。
(1)奈米科技發展落後，取得晶圓專利較少：過去相較於美日等國，我國的起步較晚，技術算是比較落後，缺乏基本專利，現在，我國已在國際市場嶄露頭角，逐漸佔有一席之地，對其他國家構成威脅後，智慧財產權問題日益凸顯，在系統整合、設計及晶圓相關專利等高附加價值的部分經常掌握在先進國家手上，使用時則必需支付龐大的權利金。
(2)研究發展人才不足，創新不足：隨著產業升級及知識經濟的潮流，業界普遍面臨專業技術人才以及高階管理人才不足的問題；反之，以勞力為主的基層人力則有過剩的現象。可預見的是，未來人才的爭奪將是科技廠商所必須面對的課題。以最近推動的國家矽導計畫為例，據調查台灣IC設計人員至2005年約需9,500人，而現階段國內能供應的相關人才，每年亦僅800人，供需之間差了十倍多。我國相較於美國、日本，在奈米相關科技基礎的研發明顯不足。由於我們已站在技術最前端，與最先進的技術並駕齊驅，很難再從別人那裡學習到什麼了，因此應持續培育奈米科技相關人才，做基礎研究。
(3)發展成本高，研發預算相對較少：技術創新已是晶圓廠的生存之道，然而不斷追求創新，換來的卻是高研發成本，以及處於克服製程障礙的處境，光罩價格的飆升及銅製程技術的困難，就是製程提升的成本之一。無論是晶圓代工產業的12吋晶圓製程，或者是奈米科技之研究，都必須花費相當大的成本與時間去研發。相較於歐美日各國，奈米國家型計劃預計在2002至2007年內投入新台幣231億元(約6.7億美元)，而美國光是2002年就投入超過5億美元，日本2002年的獨立法人研究經費也高達350億日元(約2.9億美元)。台灣投入的經費，相形見拙，又無法得到金融業的金援。
3. 機會分析
機會分析是指外部環境所提供的機會與未來發展。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的機會有三點，分述如下。
(1) 與國外廠商策略聯盟：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。由於投資金額龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，還必須和IDM廠進行合作，以期能達到產能飽和。由於我國晶圓代工產業在全球市場佔有率高達四分之三，對全球半導體產業具有強大磁吸效應。美國、日本的IDM大廠，已競相縮減自身的晶圓製造，與台灣晶圓專工業者建立分工合作的策略聯盟，極有利於我國半導體產業的全球佈局，而我國晶圓代工業者仍可加強與一流大廠合作聯盟以加速技術面之提昇。
(2) 產業型態轉型：結合奈米技術的發展，將產業角色從單純的製造服務，轉型成與客戶建立伙伴關係，並運用策略性合作，創造綜合效果與附加價值。由於晶片競爭激烈，客戶不但要求創新，更要求價格低廉，因此當與客人研究如何節省成本，例如原本交由台灣晶圓代工業代工好之產品，以前需送到東南亞去測試，台灣晶圓代工業者便可主動為其介紹本地的優良廠商，並與客戶一起合作研發以期縮短工作天數，使得客戶成本降低，如此一來，客戶有競爭力，廠商才有競爭力。
(3) 發展生物技術晶片：奈米技術與晶圓代工的製程發展成熟時，亦可結合生技產業發展出生物晶片，生物科技也將是未來的明星產業，結合兩大明星產業發展將形成更佳的機會。
4. 威脅分析
威脅分析係指外部環境所存在的威脅與未來生存壓力。本研究分析出晶圓代工業在發展奈米科技時所擁有的威脅有三點，分述如下。
(1) 競爭者日益增加：由於晶圓代工獲利豐厚，全球不斷有新晶圓廠進入代工市場，市場上的競爭已越來越激烈，台灣廠商面臨了來自韓國、東南亞等地區的競爭。在亞太地區的競爭對手有新加坡─特許半導體、泰國─Sub-Micron、馬來西亞─Wafer Technology NLSI、大陸─中芯、華虹等、韓國有三星，在美國有IBM、日本、以及歐洲都有廠商積極籌畫進入晶圓代工產業，競爭者大幅增加，爭相分食晶圓代工這塊大餅。
(2) 微利時代來臨：因為競爭對手相繼投入晶圓代工生產，使得原本的高獲利，逐漸降低。聯電董事長曹興誠先生說晶圓代工高毛利時代已結束，是因為所有的電子業都進入微利時代，這使得許多廠商不斷的被淘汰與合併，這每一次的變動都對供應商有莫大的衝擊。一方面是利潤的減少，一方面是高研發成本及設廠資金，使得晶圓代工廠在投資設廠前更須謹慎的考量。
(3) 人才外移嚴重：大陸中芯以及宏力半導體的成立從台灣吸走400名科技人才，從建廠、製程設備的調整、量產流程等相關環環相扣的關鍵人才，都是由台灣輸出，大陸在吸收核心技術後，挾其高科技人才充裕、土地成本低廉及擁有龐大腹地等優勢，隨著中國大陸半導體業日趨成熟，及其所投入之奈米科技相關研究，極有可能成為我國晶圓代工業者強大的競爭對手。(林延昆，2000)
五、結論與建議
(一) 結論
奈米科技在1990年後，逐漸成為世人注目焦點，奈米科技是截止至目前為止基礎科學發展工程之方法理論，且以奈米技術為基楚，可展開甚廣，從電子工程到生物等多樣領域，但是奈米科技其實是奈米科學移行至實用工程商品之中間階段，其實亦是產業界所迫切需要的。
台灣是半導體製造的大國，全世界最大的晶圓代工製造在台灣，但是台灣即使是在生產製造方面有過人的技術，在生產輔助應用的工具研發之能力卻乏善可陳，重要技術多掌握在國外大廠手上，造成我國IC產業產值2000年雖高達7000億台幣，僅次於美國、日本、韓國，為全球第四大生產國，但大部份的設備及製造技術等有較高利潤的部份卻讓外國所賺走。再加上近年來產業西進的熱潮，政府是否能擬出更好的策略，以提昇半導體產業的附加價值是門重要的功課。
綜觀本研究結果，奈米勢必為下一明星產業，亦可能為地小、物資缺乏的台灣帶來另一波經濟奇蹟，在此給政府及企業一些建議，希望能在政府研擬相關產業政策及企業擬定經營方針時，應特別留意之事項參考。.
1. 予政府研擬輔導「晶圓代工業應用奈米科技」相關政策，應留意之事項
面對國內外政經環境改變，科技產業發展日新月異，業者在經歷國際經營環境惡化，及大陸發揮磁吸作用下，產業優勢逐漸有鬆動的趨勢，加上高科技人才活躍於大陸，我們應注意「台灣人優勢仍在，但台灣的優勢卻在不經意間流失」的情況產生。
(1) 營造奈米優質投資環境，吸引相關外商投資：由於奈米科技與IC產業是屬於高資本密集與技術密集的產業，因此，擁有一個能穩定製造的環境是相當重要的。但是我國卻有水、電供應不足的情況，造成科學圓區的高科技產業不必要的損失，而奈米科技在研發與引進的過程當中，也需要政府政策的全力支持與鼓勵，例如稅務的減免、土地的協助取得、本土高技術人才的供給等等。但當前的相關政府單位並不積極，使得擁有前端研究能力的外資廠商裹足不前甚或投入對岸，對政府、對廠商甚至對整個台灣都會造成影響。
(2) 開放IC低階製程西進大陸，整合台灣優勢：IC晶圓產業走向全球化分工趨勢愈加明顯，現大陸挾著資源豐富的生產要素，與廣大市場的重要性，逐漸衍生出其優勢所在。反觀台灣的製造優勢不在，伴隨著我國國民所得的提高，內部生產要素、基礎設施等條件逐日惡化，再加上競爭者仿效，我國瞬間攻守易位。因此，包括晶圓代工產業在內的全球電子業，未來赴大陸投資已經是無法抵擋的趨勢，台灣如何在這股潮流中，掌握關鍵的價值與角色，才應是政府決策思考的核心。本研究建議，相關政策制定者應該鼓勵業者，將IC晶圓低階製程轉移至大陸生產，以保持低成本之生產優勢，再者將台灣所留下來的高技術人才整合，將之投入奈米製程之研究發展上面，為下一代的65奈米新製程技術而努力。
(3) 奈米級技術、研發根留台灣，強化本地的角色：在全面開放高科技廠商赴大陸投資的同時，台灣也必須強化本地的角色，讓來自矽谷的技術與資源，先流經台灣，再流進大陸。未來我國在產業活動上，應該仍可掌握創新型產品與系統型產品，例如資訊家電、可攜式電子產品、晶圓代工、半導體設計、高附加價值的軟體與專案管理等，藉此產生高產值並具有高附加價值、快速回應市場需求等特質，以確保台灣本土產業的國際槓桿力量。
(4) 善用美、日技術與台灣產業優勢，建立跨國合作機制：美國加州矽谷仍是全球科技產業龍頭，舊金山與台灣間合作的重要性不亞於兩岸交流。台灣如能善用目前的產業製造的優勢，將其發揮到最高的科技仲介效用，將使台灣在全球最具生產價值的奈米級IC晶圓產業鏈中不致脫鉤。
(5) 定期舉辦相關奈米級科技展覽：在未來的全球電子業中，華人仍是不可忽視的關鍵力量。以華人在全球電子業的影響力為基礎，積極舉辦全球奈米高科技展覽會，讓全球的奈米高科技資訊流經台灣，以有助於創新的奈米技術與觀念在台灣產業界流通，也有助於國外的新觀念與新技術在台灣生根。
(6) 高科技人才問題：奈米研發首重人才的問題，但台灣在僵化的填鴨式教育制度下，研究人員普遍缺乏創新、想像的能力，雖培育出優質工程師，數十年深耕於半導體產業，但是較上層且更為重要的研發創新人才卻相當欠缺，對需要利用大膽思維，找出應用與研究方向的奈米科技非常不利．如何從小學到大學的課程重新規劃，到達適合奈米世代所需的人才標準，是一項急待推動的思想改造工程．
2. 予晶圓代工業者在導入奈米科技製程之建議
IC半導體技術已進入奈米的時代，就產業前景而言，會使得研發費用和建廠成本大幅增加，已到非單一業者可以獨自承擔其風險的地步，而晶圓代工產業的成長來自於IC設計業者快速成長，及IDM產能外包趨勢確立。因此全球業者莫不競相合作，聯合開發或相互投資以降低成本與風險。
(1) 策略聯盟，降低風險：典型的8吋晶圓廠，建廠須耗用約10億美元的投資，但進入12吋晶圓的時代，每一座典型晶圓廠，卻需耗用到約30億美元。在投資金額日益龐大，技術變化日益快速，如何規避經營風險，已成為全球半導體業者必修課程。由於12吋晶圓廠產能太大，是一座8吋晶圓廠的兩倍半，不能只靠IC設計公司的訂單，建議須和IDM廠進行合作，以期能達到產能高度利用率，並達到人力及設備不閒置的境界。
(2) 設廠成本高，投資更要謹慎：IC半導體景氣波動愈來愈大，使得產業的變化很難去預測的，固業者在面對其投資時更需謹慎評估，並須持續保持技術領先，以免遭競爭對手迎頭趕上，尤其是建置新廠的必要性必須重新評估。
(3) 維持住晶圓代工業之決戰點--技術層次、人力資源、成本結構、成品良率、資金調度能力
a. 技術層次：製程技術相對於半導體廠商而言，與爭取顧客的信賴與認是同樣重要的。技術的遲滯不前會導致客戶的流失與損失，也唯有不斷的開發新製程才能避免此一情況發生，並拉開與競爭者的技術優勢，如台積電在2003年推出90奈米新製程。且65奈米聯盟已成立運作多時，由台積電技術長胡正明所領導的各個研發小組，現更提出包括了65、55、35，甚至15奈米的製程。由此可見製程技術之於晶圓代工業的重要性。
b. 人力資源：目前研發人員，超過70％都是碩士以上學歷，面對如此多高學歷的菁英份子，如何將人才留住確保製程技術的安全不外流，也是刻不容緩的事情，在管理雜誌91年4月號的報導中提到現今的商業機密外洩是最不容易防範的，以及最容易被竊取的，就屬人才的挖角了，模糊的認定以及難以防範的發生令企業頭疼萬分，因此如何留住員工，就成了企業的新隱憂了。
c. 成本結構。半導體用電子材料市場規模逐年成長，但所需之材料仍多數自國外進口，國內除少數項目自有生產外，自給率偏低。使得在終端產品價格日趨低價化的情況下，業者利潤空間逐漸變小，原物料掌控及成本控制成為重要致勝關鍵。尤其是現今跨入奈米級生產的廠商不多，擁有技術優勢的台灣IC半導體廠商們，更應該把握住這一個難得的時間差，帶領客戶們將此一優勢充分展現出來，進行市場上的占有率競爭。
d. 成品良率：由IC晶圓的良率可看出一個工廠的管理智慧與獲利能力，據半導體業者估算，利用12吋晶圓來生產晶片，成本將比8吋晶圓約增加3至4成，建廠成本增加高出2倍，但產能卻可達到8吋晶圓的兩倍半，而良率的提升更可讓晶圓的產出數量呈倍數的成長，可見得半導體廠商在提升良率方面用了多少的心力。 但在進入奈米級IC生產上所會碰到的良率問題，並不是那麼容易克服的，面對更小、更精密、更有效能的奈米級IC晶圓，所會碰到的困境相對的會更加的嚴峻，如何解決這一個難題，更是考驗著廠商的研發功力。
e. 資金調度能力：IC半導體產業是高技術、高資本的行業，在面對眾多競爭對手的低價競爭中，如何確保資金部位的充足，相對的也是非常重要的一環。由於專業晶圓代工業是沒有產品的製造公司，故須清楚知道要做到設備使用率高、晶圓廠本身的良率要高、產品的良率要高、交期必須準確、交貨速度要縮短、研發能力要強。尤其是研發，在研究奈米級IC晶圓時必須投入大量的人力、物力、資金、如何確保這三項必要的生產要素，也是廠商們所必須要考慮到的一環。
(二) 建議
由於晶圓代工業的競爭激烈，故晶圓代工業者皆將自身的研發內容計畫視為公司機密，故本研究在資料搜集上，並未能取得來自業者研發的第一手資料，只能從業者已發佈的新聞資訊，得知其發展狀況並加入本研究內容予以討論分析。此外由於高科技產業能否成功發展的關鍵將繫於科技人力資源的量與質，質量充足才會有潛力，本研究觀察近一年來，發現台灣科技人才的確相當缺乏，尤其在中國大陸急起直追下，對政府是否開放自大陸引進高科人才的策略擬定，為搶得世界之優勢，實不應再拖延。
由於晶圓代工業兼具技術與資本密集的特性，倘若發生兩岸資金的排擠作用，或技術移轉過速，可能使台灣喪失高科技產業發展的相對優勢，是故政府在「有效管理」措施上預作安排，實屬重要。
有鑑於以上因素，本研究有限於時點因素，未能繼續將議題納入分析內容中，建議若以相關議題為研究，可持續將晶圓代工業者的技術研發內容、政府對人才的培訓與引進政策及對已移往中國大陸生產的台灣晶圓代工業之現況，作持續的追蹤研究，以作為政府政策研擬與業者經營策略訂定之參考資料。
參考文獻
1. 王建華：《台灣IC製造業發展現況》，（工研院產業評析新聞，2002年8月。）
2. 江素雲：《台灣半導體產業投資計畫》，（工研院，1999年6月。）
3. 阮世昌：《晶圓代工業現況分析》，（晶圓代工業概論，1998年8月。）
4. 林延昆：《兩岸半導體產業的優勢與商機》，（投資半年刊，2000年12月。）
5. 馬遠榮：《奈米科技》，（台北：商周出版，2002年。）
6. 黃惠娟：《奈米入侵》，（商業周刊，2002年11月4日。）
7. 劉常勇：《台灣積體電路公司─晶圓代工的領導者》，（1997年。）
8. 龔建華：《你不可不知的奈米科技》，（台北：世茂出版社，2002年。）
2008年10月25日 星期六
奈米紡織品的發展與應用
奈米紡織品的發展與應用 引用 ( )
分類：新科學材料應用
2007/02/04 08:58
奈米紡織品的發展與應用
紡織產業綜合研究所 / 原料及紗線部 / 奈米材料組 梁乃允 副組長
一、前言
2002年5月由行政院提出『挑戰2008：國家發展重點計畫』中，明示政府推動的產業科技研究計畫中列入『奈米國家型科技計畫』，投入金額為192億元，期以核心技術建置與人才培育為基礎【1】。但相較於歐美與亞洲之日本、中國大陸及南韓，國內奈米研發起步稍晚，亟需政府投入資源與整合各界研發，方能加速奈米科技於台灣整體產業的注入。
我國紡織產業一直保有完整的上、中、下游產銷體系，但近年來面臨兩岸加入世界貿易組織(WTO)與紡織品配額取消等環境改變，身為創匯產業金雞母的紡織業已面臨前所未有的衝擊，為因應全球激烈的競爭，台灣紡織業必須加速轉變為以差異化、少量多樣高單價產品為主，跳脫出東南亞、中國大陸等國大宗化紡織品的低價競爭環境。但面對先進國家的技術優勢，我們又該如何急起直追，甚至迎頭趕上，已成為國內產官學研共同集思的問題。因而奈米科技在紡織領域，經濟部技術處所推動的『高科技紡織產業技術研究與發展』計畫中，已將奈米纖維紡絲技術、奈米級紡織品技術開發列為重要項目，並經先期參與，讓國內業界與研究機構共同合作開發。
二、奈米科技於紡織產業的應用
諾貝爾獎物理學得主Richard Feynman教授於1959年曾設想：There is plenty of room at the bottom，給予極微小科技發展無限地想像空間，這也是人類追求微小化的起點。但奈米科技絕非只是尺寸上的差異而已，而重點在於物質介於1~100nm尺度下展現了許多新而多樣的性質。物質上它可以是金屬、高分子、磁性材料、複合材料或是陶瓷，所展現的新穎特性包括光學、電學、熱、磁、力或催化等等的性質，使得科學家可以更廣泛地操作物質而找到更多新的應用價值。
整體而言，奈米尺度的調控依據操作的特性區分為兩種途徑：自組裝(Bottom up)與非自組裝(Top down)，前者係從分子或原子層面進行自排列或組裝而達到建構奈米材料與裝置的方法；後者即為利用外力方式建構奈米尺寸材料，如研磨、微影蝕刻技術。
在紡織領域中，奈米科技的應用已步入成長階段，其中以奈米微粉的應用來提升紡織品機能性最多，尤其在織物的抗菌消臭、遠紅外線、抗紫外線、導電與阻燃最為明顯。另外有關奈米薄膜或奈米塗佈貼合也是發展主流之一，以過濾、透濕防水與親/疏水介面為主要訴求。
表一、 奈米科技於纖維及紡織產業之應用【2】
應用市場
項 目
奈米尺寸纖維
智慧型及奈米纖維
高強力聚酯、聚醯胺纖維
高效能吸附過濾材
奈米碳管
生物凝態
奈米塗佈產品
電磁波吸收性
超雙疏、雙親介面
奈米塗佈產品
奈米複合材料纖維
抗菌、防臭、防塵
阻燃、低毒、低煙
UV或電磁波吸收性
F-IR、健康性
導電、制電、傳導
高效能染料、顏料
高牢度、高深色率
高增豔染料
透光度、穩定度
三、奈米纖維技術發展現況分析
一般來說，奈米纖維主要包含兩個概念，一是纖維尺寸直徑屬於奈米等級(小於100nm)；另一概念則是將奈米微粒填充到纖維中，對纖維進行改質或增進纖維的機能性。
(一)靜電紡絲技術 (Electrospinning Technology)
靜電紡絲用來製造奈米尺寸纖維並不是一種最新的技術，早在1934年Formhals即提出相關專利，但由於當時設備相關條件缺乏，因此一直未被重視，直到近年來全球奈米熱潮下，才又被學術界廣泛地討論與研究開發。 靜電紡絲設備並不複雜，主要有注射馬達、溶液導管、噴絲頭、電壓供應器及一個纖維金屬收集載體。技術特徵是將高分子聚合物溶液或熔體以馬達控制傳輸速度，將高分子溶液推至毛細管端，由於噴絲口處設置一高壓靜電場(10000~30000伏特電壓)，導致溶液形成Taylor錐頂狀，當高分子溶液因電荷吸引力克服溶液在針尖的表面張力，即噴射至空氣中，此時因高分子本身會產生靜電，纖維絲條因斥力而變成更細，期間溶劑於細流噴射過程中蒸發，最後高分子固體落在接收載體表面上，形成類似不織布狀的纖維氈【3】。
圖一、靜電紡絲技術示意圖【4】
圖二、靜電紡絲奈米纖維【5】
靜電紡絲技術製得的纖維確實比傳統紡絲方法細得多，纖維直徑在數十奈米至次微米範圍，但以目前技術仍無法像一般抽絲方法生產出直徑均一的纖維。就所使用的高分子材料而言，目前已知超過30多種，如Polystyrene、Polycarbonate、Polyaniline、Polyacrylonitrile、Nylon、Polyethylene、Polypropylene與膠原蛋白等。
具有高表面積的靜電紡絲奈米纖維以往應用多朝過濾材發展，近年來生物醫學領域中有關傷口敷材、組織工程支架與人造血管亦有不錯的成果。在美國田納西州之eSpin Technologies公司是目前全世界最大的靜電紡絲公司，也正朝人造器官與人造皮膚及運輸工具之煞車系統研究開發【6】。
(二)海島型複合紡絲技術 (Sea-Island Bi-component Spinning Technology)
海島型複合紡絲技術是日本東麗(Toray)公司於1970年代開發的一種超細纖維方法。該方法係兩種不同成份的聚合物通過雙螺桿輸送到經特殊設計的分配板和噴絲板，而得到海島型纖維，其中一組成份為島，另一種為海，島與海在纖維軸向上連續密集、均勻分佈的。目前日本東麗以此技術將奈米尼龍纖維開發出來，單絲纖度在20~100nm之間。而產品特性在於奈米尼龍纖維擁有優異的吸收與吸附功能，相較於以往常規的尼龍纖維，表面積足足大上一千倍，不僅能夠吸收臭味，其吸濕能、吸水性甚至超過棉花。這種奈米纖維可以用於高級服裝面料，還可以應用於高效除臭劑、過濾紙等產品中。未來東麗還要進一步將纖維原料擴及聚丙烯與聚乳酸。
圖三、240島、600島與900島之海島型複合纖維(由左至右)【7】
(三)新式聚合物混摻熔融紡絲法 (Polymer Blend Technique)
日本群馬大學(Gunma University)大谷教授(Asao Oya)於2000年提出利用『聚合物混摻結合熔融紡絲法』可以製造出極細碳纖維、奈米碳管與多孔式碳纖維，所製成碳纖維直徑在200~300nm的範圍；同樣地技術亦可製備出外徑約為10~20nm的奈米碳管【8-9】。
圖四、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備各式極細碳材
(左：多孔碳纖維；中：極細碳纖維；右：奈米碳管)
此技術構想最初發展是用來製備多孔活性碳纖維，因為現有商業生產方式多在900℃高溫下，以蒸氣或CO2氣體氧化碳纖維，因此超過一半以上的碳纖維燒成多孔結構，造成活性碳纖維成本過高的缺點。而本技術特徵為利用熱分解性高分子(Thermally decomposable polymer, TDP)與碳源高分子(Carbon precursor polymer, CPP)混摻形成聚合物微包，並利用傳統熔融紡絲法(melt-spinning)將聚合物微包紡絲成纖維，再經穩定化(Stabilization)、碳化(Carbonization)製成各式碳材(奈米碳管、奈米碳纖維與多孔碳纖維)。
圖五、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的多孔碳纖維(SEM影像)
圖六、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的極細碳纖維(SEM影像)
圖七、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的奈米碳管(TEM影像)
四、奈米複合材料纖維技術發展現況分析
所謂複合材料是指由兩種或兩種以上所結合而成的材料，不僅具備個別材料原本的特性，且具有更好的加成特性之新材料。過去十年來，奈米複合材料已被發現比傳統複合材料更具優異的性質。早在1987年日本豐田(TOYOTA)研究所便成功地開發出Nylon 6與Clay之奈米複合複材，並自1995年授權給Unitika量產，應用到汽車零組件、工程塑膠等。美國在1994年11月中旬召開了國際上第一次奈米材料商業性會議，會中以奈米複合材料的發展為討論重點；德國在制定21世紀新材料的發展策略中，亦把奈米複材作為重要方向，並提出多項的研究計畫。因此奈米複合材料已被譽為『21世紀的新材料』。
人造纖維在民生應用上已不單是保暖和美觀而已，隨著生活水準的提升，人們追求更高的生活品質與衛生保健，因此紡織品用途上有關抗菌、除臭、難燃、抗紫外線、抗靜電、遠紅外線與負離子等機能性纖維的開發更是迫切，相信奈米複合材料所展現特殊的電、磁、光、熱、力學特性的應用，能為紡織產業注入一股新的活力。
(一)奈米碳管
1991年日本NEC公司資深研究員Iijima博士以電弧法(Arc discharge)進行fullerenes合成實驗發現多層奈米碳管(Multi-walled Carbon Nanotube,簡稱MWNT)後，正式揭開相關研究熱潮【10】。而單壁奈米碳管(Single-walled Carbon Nanotube,簡稱SWNT)則在1993年同時分別由NEC與美國IBM公司發現並發表於知名期刊上。此後奈米碳管一直被奈米科技界視為最佳代名詞，主要因為其具有質量輕、高強度、高韌性、高表面積、高導熱、表面曲度大、導電性與可撓曲等特性，而在高強度複合材料、探針、場發射電子源、儲能元件、感測器與儲氫材料領域中扮演關鍵角色。
奈米碳管是由石墨層捲曲所構成的中空管狀結構，管徑介於0.4~100nm間，分成單層碳管與多層碳管兩種，由於外觀的長徑比(aspect ratio)型態，亦被紡織科技領域中視為最細小的纖維。
表二、現階段奈米碳管合成主要技術比較【11】
合成方法
化學氣相沉積法
(Chemical vapor deposition)
雷射剝離法
(Laser ablation)
電弧法
(Arc discharge)
技術特點
ò以碳氫化合物為原料
ò觸媒以Fe、Co、Ni為主
ò以石墨為原料
ò高溫合成(>2,500℃)並以爐管保溫(800~1,200℃)
ò以石墨為原料
ò不使用觸媒情況下，製備多壁奈米碳管
ò使用觸媒時，可合成單壁奈米碳管
技術優點
ò可大量生產(已商業化)
ò合成溫度較低(500~1,200℃)
ò非晶化碳較易去除
ò可製備單壁奈米碳管
ò高溫合成下，結構缺陷少
ò反應速率快
ò可合成單壁奈米碳管
ò高溫合成下，結構缺陷少
ò設備簡單
ò反應速率快
技術缺點
結構缺陷多
放大產量不易
ò批次生產，產能較小
ò非晶化碳不易去除
未來量產設備投資
中
高
中
目前美國Hyperion Catalysis International, Inc.開發了一系列多層奈米碳管與樹脂的複合材料(包含PET、PBT、Nylon、PP、EVA、PC、PS、PEI、PEEK、PPS、PVDF與ETFE)，可直接供應下游廠商進行混練加工，但終端產品應用仍以抗靜電、靜電逸散與導電塑膠為主【12】。
此外，2003年科學家便透過改良的紡織技術，成功地以奈米碳管為材料編織出超強韌奈米碳管纖維(super-tough carbon nanotube fibres)【13】。由於具有超強的力學特性，此纖維日後可望運用於防爆毯、 防彈背心或防彈盾牌等的製作上。這種史上已知強度最強的纖維是由德州大學的Ray Baughman等人利用凝集奈米碳管紡織技術(coagulation-based carbon nanotube spinning technique)製成。他們首先由旋轉的聚乙烯醇池中，將以介面活性劑分散(surfactant-dispersed)的單壁奈米碳管紡成膠狀纖維，接著以每分鐘至少70公分的速率將之固化成奈米碳管複合纖維。該研究小組在實驗室中已成功製造出直徑50微米、長達100米的碳奈米管纖維，其碳管比重約為60%，測得的拉伸強度為1.8GPa，斷裂能(energy-to-break value)為570J/g。研究人員將再進一步改良這些紡纖的性質，使其強度達到已知最強韌的蜘蛛絲的兩倍，或十七倍於作為防彈背心材料的Kevlar纖維。
圖八、超強韌奈米碳管纖維
另外，該小組也利用奈米碳管本身獨特的電子性質，以電解質材料包覆奈米碳管纖維，製做出超級電容器(super-capacitors)。若再利用紡織技術將這些電容器編織成紡織品，則這類紡織品將具有儲存電能的特性。這些電子紡織品可做成電子衣(electronic cloth)，並可應用於分散式偵測器(distributed sensors)、電子連接器(electronic interconnects)、電磁波防護衣(electromagnetic shielding)、天線和電池等。未來他們更將這種纖維做成人造肌肉，在相同的直徑下, 此人造肌肉可以產生100倍於人類肌肉的力量。 而美國德州大學達拉斯分校以及澳洲聯邦科學及工業研究組織(CSIRO)紡織與纖維科技的研究人員近來已經把多層奈米碳管抽成寬5公分、長1公尺的透明紗布(如圖九)。此紗布形成的陣列每單位重量所能承受的應力比高強度鋼還大，而且奈米碳管紗布是一種導電的氣凝膠(aerogel)，密度為0.0015 g/cm3，可以支撐質量約為接觸面積大小50000倍的毫米級液滴。為了提高密度，研究人員把紗布置於平面基板上，然後沿著碳管排列方向將紗布浸入乙醇中，藉由表面張力的改變，使紗布厚度降至約50 nm，密度則增加至0.5 g/cm3。此外，它還可以做為偏振輻射源(polarized-radiation sources)、可撓式有機發光二極體(flexible organic light-emitting diodes)、透明彈性電極、導電貼布等【14】。
圖九、透明奈米碳管紗布
(二)抗菌消臭纖維
台灣地處潮溼炎熱的亞熱帶地區，所以容易有微生物的滋生，而這些微生物很有可能是生物體的致病因素，因此抗菌市場在國內一直保有相當的規模。
通常抗菌劑的分類可以分為有機系抗菌劑與無機系抗菌劑，前者多以四級銨鹽為主；後者以金屬離子如Ag+、Zn2+為主。近年來無機抗菌劑的使用量有明顯增加，其中銀系統具有極佳的抗菌效果，而國內纖維用抗菌劑仍多以銀離子系統為主，但銀離子容易與氯離子產生氯化銀沉澱而引發人體皮膚過敏反應。因此國內財團法人紡織產業綜合研究所目前正積極投入奈米抗菌機能纖維的開發，主要以奈米銀、奈米紫外光/可見光應答型光觸媒與奈米氧化鋅等材料為方向，無論從纖維製備上或後處理加工應用均已建立相當能量，並申請新型/發明專利保護，相關技術亦持續向業界推廣中。
圖十、奈米銀抗菌聚酯纖維之SEM影像【15】
此外日本宇部興產(Ube Industries, Ltd.)於2002年在Nature期刊中發表以熔融紡絲技術(melt spinning technique)原位形成(in-situ formation)表面含奈米二氧化鈦陶瓷的抗菌機能複合纖維，纖維直徑約6μm(如圖十二)，強度高達2.5GPa。而此技術形成表面的二氧化鈦光觸媒與一般光觸媒(銳鈦礦相)在600℃會失去活性(銳鈦礦相轉換為金紅石相)有所不同，此纖維經1000℃煆燒仍可維持其活性。目前產品主要應用於水質淨化與空氣清淨，除有機污染物的分解外，針對退伍軍人菌與大腸桿菌亦呈現不錯的抗菌效果【16】。
圖十一、宇部興產新開發技術示意圖
圖十二、光觸媒抗菌消臭纖維(左)、不織布(右)
(三)無鹵阻燃纖維
人造聚合物所製造的纖維製品或是塑膠，早已經大量運用於人類生活之中。但由於相關製品幾乎多屬有機物質，特性就是燃點低且容易燃燒，所以對於人員維護及居家安全，具有阻燃性的纖維製品或工程塑膠的開發確實有其必要性。傳統阻燃纖維製品中，係以添加含磷或含鹵素阻燃劑為主，雖然阻燃效果佳，但仍有一些令人不滿意的缺點，如昂貴、添加量大、不環保和不合法規等。另外無機阻燃劑(如氫氧化鋁、氫氧化鎂)要達到良好的阻燃效果，在高分子體系中必須有良好的分散性和親和性，但此類物質顆粒因表面能較高而易團聚，在高添加量下會嚴重影響塑料的相關物性，甚至無法紡絲加工。
為了要解決上述複雜的問題，開發符合環保規定的阻燃製品，已是世界先進國家積極投入的重點工作。關於法規方面，歐盟2002年底通過「電機電子設備限用有害物質指令」 (RoHS)，規定自2006年起限制輸入歐盟產品使用鉛、鎘、汞、六價鉻、溴化耐燃劑 (多溴聯苯類、多溴聯苯醚類)等六項具危害性的化學品，因此未來若要將相關阻燃製品銷往歐盟地區，必須通過無鹵的標準。
粘土(Clay)是存在於自然界唯一的無機層狀材料，當它一片片的層狀結構被去層化後，單片厚度僅為1nm，因此常被引用來製備奈米複合材料的原料之一。部份研究亦證實粘土在改質前後具有遠紅外線、抗菌、抗紫外線、耐磨、尺寸安定性和阻燃性等功能。目前有關無鹵阻燃纖維的研究中，雖然粘土具有阻燃的特性，但單純使用下欲達阻燃效果仍不足，無法達到相關法規製品要求，因此阻燃劑的設計上仍搭配磷系物質，如此一來雖無法立即達成無鹵無磷的阻燃目標，但已達到降低對磷系阻燃劑的需求，減少對環境的衝擊，也是一項進步。
圖十三、粘土結構【17】
此外德國SŰD-CHEMIE公司目前已開發出一系列新型奈米粘土複材阻燃添加劑『Nanofil』，做為高分子難燃/阻燃的應用【18】。另外美國Hyperion Catalysis公司，最近兩項的研究成果表示多層奈米碳管也將會被應用為無鹵阻燃劑。結果顯示不管是在EVA中還是PP中添加2.4％到4.8％的奈米碳管將會達到比添加等量的奈米黏土有更好的放熱速度【12】。
(四)遠紅外線纖維
紅外線是屬於電磁波的一種，波長介於0.75~1000微米，依其能量的不同，又分為近紅外線(0.75~1.5微米)、中紅外線(1.5~5.6微米)與遠紅外線(5.6~1000微米)。具有吸收和發射遠紅外線功能的纖維稱為遠紅外線纖維，不僅可以吸收太陽光或人體輻射出的遠紅外線而使人體自身表面溫度升高，因此遠紅外線紡織品具有保溫和醫療保健雙重功能。
目前奈米技術應用上仍以奈米陶瓷微粉，如ZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、Fe2O3與黏土為主，添加量只需在1%以下，便可以在維持相同的保暖程度下，減輕衣物的重量約30%。另外研究證實，遠紅外線陶瓷粉末添加量愈多保暖性也愈好，但由於它們通常是高硬度的細微粒子，在後段延伸、假撚加工過程中，會因高速運轉而造成設備磨損，因此如何持續提升粉末於高分子中的分散性，已是技術突破的重點。
(五)電磁波吸收紡織品
電磁波輻射能量較低，不會使物質發生游離現象，也不會直接破壞環境物質，但在到處充滿3C配備的現代中，電磁波在人們的生活是無所不在，舉凡電視 (電磁波約在300 HMz左右) 、現在人手一機的手機(電磁波約在900MHz~1.8GHz左右)，以及上班族必備之電腦及各類資訊相關用品，皆使人們被不同程度的電磁波所環繞。電磁波的危害在長時間使用電腦之後，會感到身體疲勞、眼睛疲倦、肩痛、頭痛、想睡、不安，這些都是受了電磁波的影響。
目前坊間亦已有相關產品提供消費者來防護自己避免電磁波之危害，但這些產品不外乎是由下列三種材質作成：金屬箔、金屬網及金屬電鍍方式，其缺點在於不但抵擋率較低且含金屬之製品易於氧化，使用無法持久而時效短暫。目前美國在開發奈米電磁波吸收材上主要用於軍事隱蔽，技術特徵是將奈米磁性粉體(如奈米氧化鐵)與塗料併用，使其具有良好的吸收功能，電磁波吸收率大於90%。
(六)紫外線遮蔽紡織品
1985年英國科學家Farnan等人在Nature期刊上發表了臭氧層出現空洞的研究，扭轉了人類以往對太陽光需求的正面觀點，重點在於太陽光線中的紫外線因臭氧層的破裂後，對人體的傷害遠勝於幫助。醫學證實過度的紫外線曝曬與輻射易引發皮膚癌，因此如何避免過量的紫外線照射，除化妝品的塗抹外，紡織品的幫助也是不可缺少的。
表三、紫外線波段對人體的影響
紫外線
符號
波長(nm)
對皮膚的影響
長波紫外線
UVA
320~380
生成黑色素(melanin)和褐斑，使皮膚老化、乾燥與增加皺紋
中波紫外線
UVB
280~320
產生紅斑和色素沉澱，有致癌危險
短波紫外線
UVC
200~280
因大部份被大氣層中的雲霧或臭氧層吸收，因此到達地面的能量不多，但穿透力強，易造成白血球病變和致癌
一般瞭解紡織品的結構，如厚度、緊密度和纖維品種都對紡織品的紫外線防護有所影響。而在各式奈米微粒的紫外線屏蔽應用上，仍以二氧化鈦和氧化鋅效果最好。但其實兩者對紫外線的遮蔽效果亦有所不同，在350~380nm(屬於UVA)的範圍內，氧化鋅的遮蔽率就明顯高於二氧化鈦，且由於氧化鋅的折射率小於二氧化鈦，因而材料的透明度較佳，對織物後續的印染加工較為有利。
(七) 抗靜電及導電纖維
抗靜電纖維與導電纖維一直是工業生產和民生急需的紡織品。由於一般化學纖維之疏水性，乾燥時易因摩擦而累積靜電荷，若身處易燃易爆的危險環境中，纖維靜電還可能引起火花而引發爆炸等事故。欲避免上述的危險，抗靜電與導電纖維的發展為主要關鍵。
一般抗靜電纖維的比電阻為108~1012W×cm(一般合成纖維多在1013W×cm以上)，為了使織物具有抗靜電性，抗靜電纖維在織物中的混用量需達50%以上。
其次導電纖維的比電阻值需小於107W×cm，若以抗靜電織物的要求來看，導電纖維僅需混用量0.1~5%，即可使靜電消除，並且效力持久。以往多使用碳黑為導電材料，經混練紡絲後纖維成為黑色，雖纖維的比電阻為10-1~105W×cm，導電性良好，但無法進行染整加工處理是其缺點。因此近年來諸多研究以淺色無機導電粉末來開發導電纖維，如二氧化錫(摻雜三氧化二銻)、氧化鋅(摻雜三氧化二鋁)等金屬氧化物。另外先前奈米碳管的介紹亦提及多朝導電纖維/塑料方向開研究，期望能成功開發出低添加量、高導電性的導電纖維/塑膠製品。
五、結論
全球紡織產業技術發展經歷2002年將研發、生產與行銷等系統整合後，轉向為複合功能、智慧型、高性能的知識密集產業發展，進而衍生出高值化的創新型產業。故配合國內政府『奈米國家型科技計畫』之推行下，期望奈米科技對產業用紡織品、環保紡織品與家用紡織品三大未來紡織發展潮流方向，有更具突破性的發展。然而在我國積極推動奈米科技研發的同時，為保障優良廠商與消費者的權益，提昇奈米產品品質與形象，促成國內奈米產業之健全發展，因此由經濟部主導推動「奈米產品驗證體系」的建立，於2004年11
分類：新科學材料應用
2007/02/04 08:58
奈米紡織品的發展與應用
紡織產業綜合研究所 / 原料及紗線部 / 奈米材料組 梁乃允 副組長
一、前言
2002年5月由行政院提出『挑戰2008：國家發展重點計畫』中，明示政府推動的產業科技研究計畫中列入『奈米國家型科技計畫』，投入金額為192億元，期以核心技術建置與人才培育為基礎【1】。但相較於歐美與亞洲之日本、中國大陸及南韓，國內奈米研發起步稍晚，亟需政府投入資源與整合各界研發，方能加速奈米科技於台灣整體產業的注入。
我國紡織產業一直保有完整的上、中、下游產銷體系，但近年來面臨兩岸加入世界貿易組織(WTO)與紡織品配額取消等環境改變，身為創匯產業金雞母的紡織業已面臨前所未有的衝擊，為因應全球激烈的競爭，台灣紡織業必須加速轉變為以差異化、少量多樣高單價產品為主，跳脫出東南亞、中國大陸等國大宗化紡織品的低價競爭環境。但面對先進國家的技術優勢，我們又該如何急起直追，甚至迎頭趕上，已成為國內產官學研共同集思的問題。因而奈米科技在紡織領域，經濟部技術處所推動的『高科技紡織產業技術研究與發展』計畫中，已將奈米纖維紡絲技術、奈米級紡織品技術開發列為重要項目，並經先期參與，讓國內業界與研究機構共同合作開發。
二、奈米科技於紡織產業的應用
諾貝爾獎物理學得主Richard Feynman教授於1959年曾設想：There is plenty of room at the bottom，給予極微小科技發展無限地想像空間，這也是人類追求微小化的起點。但奈米科技絕非只是尺寸上的差異而已，而重點在於物質介於1~100nm尺度下展現了許多新而多樣的性質。物質上它可以是金屬、高分子、磁性材料、複合材料或是陶瓷，所展現的新穎特性包括光學、電學、熱、磁、力或催化等等的性質，使得科學家可以更廣泛地操作物質而找到更多新的應用價值。
整體而言，奈米尺度的調控依據操作的特性區分為兩種途徑：自組裝(Bottom up)與非自組裝(Top down)，前者係從分子或原子層面進行自排列或組裝而達到建構奈米材料與裝置的方法；後者即為利用外力方式建構奈米尺寸材料，如研磨、微影蝕刻技術。
在紡織領域中，奈米科技的應用已步入成長階段，其中以奈米微粉的應用來提升紡織品機能性最多，尤其在織物的抗菌消臭、遠紅外線、抗紫外線、導電與阻燃最為明顯。另外有關奈米薄膜或奈米塗佈貼合也是發展主流之一，以過濾、透濕防水與親/疏水介面為主要訴求。
表一、 奈米科技於纖維及紡織產業之應用【2】
應用市場
項 目
奈米尺寸纖維
智慧型及奈米纖維
高強力聚酯、聚醯胺纖維
高效能吸附過濾材
奈米碳管
生物凝態
奈米塗佈產品
電磁波吸收性
超雙疏、雙親介面
奈米塗佈產品
奈米複合材料纖維
抗菌、防臭、防塵
阻燃、低毒、低煙
UV或電磁波吸收性
F-IR、健康性
導電、制電、傳導
高效能染料、顏料
高牢度、高深色率
高增豔染料
透光度、穩定度
三、奈米纖維技術發展現況分析
一般來說，奈米纖維主要包含兩個概念，一是纖維尺寸直徑屬於奈米等級(小於100nm)；另一概念則是將奈米微粒填充到纖維中，對纖維進行改質或增進纖維的機能性。
(一)靜電紡絲技術 (Electrospinning Technology)
靜電紡絲用來製造奈米尺寸纖維並不是一種最新的技術，早在1934年Formhals即提出相關專利，但由於當時設備相關條件缺乏，因此一直未被重視，直到近年來全球奈米熱潮下，才又被學術界廣泛地討論與研究開發。 靜電紡絲設備並不複雜，主要有注射馬達、溶液導管、噴絲頭、電壓供應器及一個纖維金屬收集載體。技術特徵是將高分子聚合物溶液或熔體以馬達控制傳輸速度，將高分子溶液推至毛細管端，由於噴絲口處設置一高壓靜電場(10000~30000伏特電壓)，導致溶液形成Taylor錐頂狀，當高分子溶液因電荷吸引力克服溶液在針尖的表面張力，即噴射至空氣中，此時因高分子本身會產生靜電，纖維絲條因斥力而變成更細，期間溶劑於細流噴射過程中蒸發，最後高分子固體落在接收載體表面上，形成類似不織布狀的纖維氈【3】。
圖一、靜電紡絲技術示意圖【4】
圖二、靜電紡絲奈米纖維【5】
靜電紡絲技術製得的纖維確實比傳統紡絲方法細得多，纖維直徑在數十奈米至次微米範圍，但以目前技術仍無法像一般抽絲方法生產出直徑均一的纖維。就所使用的高分子材料而言，目前已知超過30多種，如Polystyrene、Polycarbonate、Polyaniline、Polyacrylonitrile、Nylon、Polyethylene、Polypropylene與膠原蛋白等。
具有高表面積的靜電紡絲奈米纖維以往應用多朝過濾材發展，近年來生物醫學領域中有關傷口敷材、組織工程支架與人造血管亦有不錯的成果。在美國田納西州之eSpin Technologies公司是目前全世界最大的靜電紡絲公司，也正朝人造器官與人造皮膚及運輸工具之煞車系統研究開發【6】。
(二)海島型複合紡絲技術 (Sea-Island Bi-component Spinning Technology)
海島型複合紡絲技術是日本東麗(Toray)公司於1970年代開發的一種超細纖維方法。該方法係兩種不同成份的聚合物通過雙螺桿輸送到經特殊設計的分配板和噴絲板，而得到海島型纖維，其中一組成份為島，另一種為海，島與海在纖維軸向上連續密集、均勻分佈的。目前日本東麗以此技術將奈米尼龍纖維開發出來，單絲纖度在20~100nm之間。而產品特性在於奈米尼龍纖維擁有優異的吸收與吸附功能，相較於以往常規的尼龍纖維，表面積足足大上一千倍，不僅能夠吸收臭味，其吸濕能、吸水性甚至超過棉花。這種奈米纖維可以用於高級服裝面料，還可以應用於高效除臭劑、過濾紙等產品中。未來東麗還要進一步將纖維原料擴及聚丙烯與聚乳酸。
圖三、240島、600島與900島之海島型複合纖維(由左至右)【7】
(三)新式聚合物混摻熔融紡絲法 (Polymer Blend Technique)
日本群馬大學(Gunma University)大谷教授(Asao Oya)於2000年提出利用『聚合物混摻結合熔融紡絲法』可以製造出極細碳纖維、奈米碳管與多孔式碳纖維，所製成碳纖維直徑在200~300nm的範圍；同樣地技術亦可製備出外徑約為10~20nm的奈米碳管【8-9】。
圖四、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備各式極細碳材
(左：多孔碳纖維；中：極細碳纖維；右：奈米碳管)
此技術構想最初發展是用來製備多孔活性碳纖維，因為現有商業生產方式多在900℃高溫下，以蒸氣或CO2氣體氧化碳纖維，因此超過一半以上的碳纖維燒成多孔結構，造成活性碳纖維成本過高的缺點。而本技術特徵為利用熱分解性高分子(Thermally decomposable polymer, TDP)與碳源高分子(Carbon precursor polymer, CPP)混摻形成聚合物微包，並利用傳統熔融紡絲法(melt-spinning)將聚合物微包紡絲成纖維，再經穩定化(Stabilization)、碳化(Carbonization)製成各式碳材(奈米碳管、奈米碳纖維與多孔碳纖維)。
圖五、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的多孔碳纖維(SEM影像)
圖六、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的極細碳纖維(SEM影像)
圖七、以聚合物混摻結合熔融紡絲法製備出的奈米碳管(TEM影像)
四、奈米複合材料纖維技術發展現況分析
所謂複合材料是指由兩種或兩種以上所結合而成的材料，不僅具備個別材料原本的特性，且具有更好的加成特性之新材料。過去十年來，奈米複合材料已被發現比傳統複合材料更具優異的性質。早在1987年日本豐田(TOYOTA)研究所便成功地開發出Nylon 6與Clay之奈米複合複材，並自1995年授權給Unitika量產，應用到汽車零組件、工程塑膠等。美國在1994年11月中旬召開了國際上第一次奈米材料商業性會議，會中以奈米複合材料的發展為討論重點；德國在制定21世紀新材料的發展策略中，亦把奈米複材作為重要方向，並提出多項的研究計畫。因此奈米複合材料已被譽為『21世紀的新材料』。
人造纖維在民生應用上已不單是保暖和美觀而已，隨著生活水準的提升，人們追求更高的生活品質與衛生保健，因此紡織品用途上有關抗菌、除臭、難燃、抗紫外線、抗靜電、遠紅外線與負離子等機能性纖維的開發更是迫切，相信奈米複合材料所展現特殊的電、磁、光、熱、力學特性的應用，能為紡織產業注入一股新的活力。
(一)奈米碳管
1991年日本NEC公司資深研究員Iijima博士以電弧法(Arc discharge)進行fullerenes合成實驗發現多層奈米碳管(Multi-walled Carbon Nanotube,簡稱MWNT)後，正式揭開相關研究熱潮【10】。而單壁奈米碳管(Single-walled Carbon Nanotube,簡稱SWNT)則在1993年同時分別由NEC與美國IBM公司發現並發表於知名期刊上。此後奈米碳管一直被奈米科技界視為最佳代名詞，主要因為其具有質量輕、高強度、高韌性、高表面積、高導熱、表面曲度大、導電性與可撓曲等特性，而在高強度複合材料、探針、場發射電子源、儲能元件、感測器與儲氫材料領域中扮演關鍵角色。
奈米碳管是由石墨層捲曲所構成的中空管狀結構，管徑介於0.4~100nm間，分成單層碳管與多層碳管兩種，由於外觀的長徑比(aspect ratio)型態，亦被紡織科技領域中視為最細小的纖維。
表二、現階段奈米碳管合成主要技術比較【11】
合成方法
化學氣相沉積法
(Chemical vapor deposition)
雷射剝離法
(Laser ablation)
電弧法
(Arc discharge)
技術特點
ò以碳氫化合物為原料
ò觸媒以Fe、Co、Ni為主
ò以石墨為原料
ò高溫合成(>2,500℃)並以爐管保溫(800~1,200℃)
ò以石墨為原料
ò不使用觸媒情況下，製備多壁奈米碳管
ò使用觸媒時，可合成單壁奈米碳管
技術優點
ò可大量生產(已商業化)
ò合成溫度較低(500~1,200℃)
ò非晶化碳較易去除
ò可製備單壁奈米碳管
ò高溫合成下，結構缺陷少
ò反應速率快
ò可合成單壁奈米碳管
ò高溫合成下，結構缺陷少
ò設備簡單
ò反應速率快
技術缺點
結構缺陷多
放大產量不易
ò批次生產，產能較小
ò非晶化碳不易去除
未來量產設備投資
中
高
中
目前美國Hyperion Catalysis International, Inc.開發了一系列多層奈米碳管與樹脂的複合材料(包含PET、PBT、Nylon、PP、EVA、PC、PS、PEI、PEEK、PPS、PVDF與ETFE)，可直接供應下游廠商進行混練加工，但終端產品應用仍以抗靜電、靜電逸散與導電塑膠為主【12】。
此外，2003年科學家便透過改良的紡織技術，成功地以奈米碳管為材料編織出超強韌奈米碳管纖維(super-tough carbon nanotube fibres)【13】。由於具有超強的力學特性，此纖維日後可望運用於防爆毯、 防彈背心或防彈盾牌等的製作上。這種史上已知強度最強的纖維是由德州大學的Ray Baughman等人利用凝集奈米碳管紡織技術(coagulation-based carbon nanotube spinning technique)製成。他們首先由旋轉的聚乙烯醇池中，將以介面活性劑分散(surfactant-dispersed)的單壁奈米碳管紡成膠狀纖維，接著以每分鐘至少70公分的速率將之固化成奈米碳管複合纖維。該研究小組在實驗室中已成功製造出直徑50微米、長達100米的碳奈米管纖維，其碳管比重約為60%，測得的拉伸強度為1.8GPa，斷裂能(energy-to-break value)為570J/g。研究人員將再進一步改良這些紡纖的性質，使其強度達到已知最強韌的蜘蛛絲的兩倍，或十七倍於作為防彈背心材料的Kevlar纖維。
圖八、超強韌奈米碳管纖維
另外，該小組也利用奈米碳管本身獨特的電子性質，以電解質材料包覆奈米碳管纖維，製做出超級電容器(super-capacitors)。若再利用紡織技術將這些電容器編織成紡織品，則這類紡織品將具有儲存電能的特性。這些電子紡織品可做成電子衣(electronic cloth)，並可應用於分散式偵測器(distributed sensors)、電子連接器(electronic interconnects)、電磁波防護衣(electromagnetic shielding)、天線和電池等。未來他們更將這種纖維做成人造肌肉，在相同的直徑下, 此人造肌肉可以產生100倍於人類肌肉的力量。 而美國德州大學達拉斯分校以及澳洲聯邦科學及工業研究組織(CSIRO)紡織與纖維科技的研究人員近來已經把多層奈米碳管抽成寬5公分、長1公尺的透明紗布(如圖九)。此紗布形成的陣列每單位重量所能承受的應力比高強度鋼還大，而且奈米碳管紗布是一種導電的氣凝膠(aerogel)，密度為0.0015 g/cm3，可以支撐質量約為接觸面積大小50000倍的毫米級液滴。為了提高密度，研究人員把紗布置於平面基板上，然後沿著碳管排列方向將紗布浸入乙醇中，藉由表面張力的改變，使紗布厚度降至約50 nm，密度則增加至0.5 g/cm3。此外，它還可以做為偏振輻射源(polarized-radiation sources)、可撓式有機發光二極體(flexible organic light-emitting diodes)、透明彈性電極、導電貼布等【14】。
圖九、透明奈米碳管紗布
(二)抗菌消臭纖維
台灣地處潮溼炎熱的亞熱帶地區，所以容易有微生物的滋生，而這些微生物很有可能是生物體的致病因素，因此抗菌市場在國內一直保有相當的規模。
通常抗菌劑的分類可以分為有機系抗菌劑與無機系抗菌劑，前者多以四級銨鹽為主；後者以金屬離子如Ag+、Zn2+為主。近年來無機抗菌劑的使用量有明顯增加，其中銀系統具有極佳的抗菌效果，而國內纖維用抗菌劑仍多以銀離子系統為主，但銀離子容易與氯離子產生氯化銀沉澱而引發人體皮膚過敏反應。因此國內財團法人紡織產業綜合研究所目前正積極投入奈米抗菌機能纖維的開發，主要以奈米銀、奈米紫外光/可見光應答型光觸媒與奈米氧化鋅等材料為方向，無論從纖維製備上或後處理加工應用均已建立相當能量，並申請新型/發明專利保護，相關技術亦持續向業界推廣中。
圖十、奈米銀抗菌聚酯纖維之SEM影像【15】
此外日本宇部興產(Ube Industries, Ltd.)於2002年在Nature期刊中發表以熔融紡絲技術(melt spinning technique)原位形成(in-situ formation)表面含奈米二氧化鈦陶瓷的抗菌機能複合纖維，纖維直徑約6μm(如圖十二)，強度高達2.5GPa。而此技術形成表面的二氧化鈦光觸媒與一般光觸媒(銳鈦礦相)在600℃會失去活性(銳鈦礦相轉換為金紅石相)有所不同，此纖維經1000℃煆燒仍可維持其活性。目前產品主要應用於水質淨化與空氣清淨，除有機污染物的分解外，針對退伍軍人菌與大腸桿菌亦呈現不錯的抗菌效果【16】。
圖十一、宇部興產新開發技術示意圖
圖十二、光觸媒抗菌消臭纖維(左)、不織布(右)
(三)無鹵阻燃纖維
人造聚合物所製造的纖維製品或是塑膠，早已經大量運用於人類生活之中。但由於相關製品幾乎多屬有機物質，特性就是燃點低且容易燃燒，所以對於人員維護及居家安全，具有阻燃性的纖維製品或工程塑膠的開發確實有其必要性。傳統阻燃纖維製品中，係以添加含磷或含鹵素阻燃劑為主，雖然阻燃效果佳，但仍有一些令人不滿意的缺點，如昂貴、添加量大、不環保和不合法規等。另外無機阻燃劑(如氫氧化鋁、氫氧化鎂)要達到良好的阻燃效果，在高分子體系中必須有良好的分散性和親和性，但此類物質顆粒因表面能較高而易團聚，在高添加量下會嚴重影響塑料的相關物性，甚至無法紡絲加工。
為了要解決上述複雜的問題，開發符合環保規定的阻燃製品，已是世界先進國家積極投入的重點工作。關於法規方面，歐盟2002年底通過「電機電子設備限用有害物質指令」 (RoHS)，規定自2006年起限制輸入歐盟產品使用鉛、鎘、汞、六價鉻、溴化耐燃劑 (多溴聯苯類、多溴聯苯醚類)等六項具危害性的化學品，因此未來若要將相關阻燃製品銷往歐盟地區，必須通過無鹵的標準。
粘土(Clay)是存在於自然界唯一的無機層狀材料，當它一片片的層狀結構被去層化後，單片厚度僅為1nm，因此常被引用來製備奈米複合材料的原料之一。部份研究亦證實粘土在改質前後具有遠紅外線、抗菌、抗紫外線、耐磨、尺寸安定性和阻燃性等功能。目前有關無鹵阻燃纖維的研究中，雖然粘土具有阻燃的特性，但單純使用下欲達阻燃效果仍不足，無法達到相關法規製品要求，因此阻燃劑的設計上仍搭配磷系物質，如此一來雖無法立即達成無鹵無磷的阻燃目標，但已達到降低對磷系阻燃劑的需求，減少對環境的衝擊，也是一項進步。
圖十三、粘土結構【17】
此外德國SŰD-CHEMIE公司目前已開發出一系列新型奈米粘土複材阻燃添加劑『Nanofil』，做為高分子難燃/阻燃的應用【18】。另外美國Hyperion Catalysis公司，最近兩項的研究成果表示多層奈米碳管也將會被應用為無鹵阻燃劑。結果顯示不管是在EVA中還是PP中添加2.4％到4.8％的奈米碳管將會達到比添加等量的奈米黏土有更好的放熱速度【12】。
(四)遠紅外線纖維
紅外線是屬於電磁波的一種，波長介於0.75~1000微米，依其能量的不同，又分為近紅外線(0.75~1.5微米)、中紅外線(1.5~5.6微米)與遠紅外線(5.6~1000微米)。具有吸收和發射遠紅外線功能的纖維稱為遠紅外線纖維，不僅可以吸收太陽光或人體輻射出的遠紅外線而使人體自身表面溫度升高，因此遠紅外線紡織品具有保溫和醫療保健雙重功能。
目前奈米技術應用上仍以奈米陶瓷微粉，如ZrO2、TiO2、SiO2、Al2O3、Fe2O3與黏土為主，添加量只需在1%以下，便可以在維持相同的保暖程度下，減輕衣物的重量約30%。另外研究證實，遠紅外線陶瓷粉末添加量愈多保暖性也愈好，但由於它們通常是高硬度的細微粒子，在後段延伸、假撚加工過程中，會因高速運轉而造成設備磨損，因此如何持續提升粉末於高分子中的分散性，已是技術突破的重點。
(五)電磁波吸收紡織品
電磁波輻射能量較低，不會使物質發生游離現象，也不會直接破壞環境物質，但在到處充滿3C配備的現代中，電磁波在人們的生活是無所不在，舉凡電視 (電磁波約在300 HMz左右) 、現在人手一機的手機(電磁波約在900MHz~1.8GHz左右)，以及上班族必備之電腦及各類資訊相關用品，皆使人們被不同程度的電磁波所環繞。電磁波的危害在長時間使用電腦之後，會感到身體疲勞、眼睛疲倦、肩痛、頭痛、想睡、不安，這些都是受了電磁波的影響。
目前坊間亦已有相關產品提供消費者來防護自己避免電磁波之危害，但這些產品不外乎是由下列三種材質作成：金屬箔、金屬網及金屬電鍍方式，其缺點在於不但抵擋率較低且含金屬之製品易於氧化，使用無法持久而時效短暫。目前美國在開發奈米電磁波吸收材上主要用於軍事隱蔽，技術特徵是將奈米磁性粉體(如奈米氧化鐵)與塗料併用，使其具有良好的吸收功能，電磁波吸收率大於90%。
(六)紫外線遮蔽紡織品
1985年英國科學家Farnan等人在Nature期刊上發表了臭氧層出現空洞的研究，扭轉了人類以往對太陽光需求的正面觀點，重點在於太陽光線中的紫外線因臭氧層的破裂後，對人體的傷害遠勝於幫助。醫學證實過度的紫外線曝曬與輻射易引發皮膚癌，因此如何避免過量的紫外線照射，除化妝品的塗抹外，紡織品的幫助也是不可缺少的。
表三、紫外線波段對人體的影響
紫外線
符號
波長(nm)
對皮膚的影響
長波紫外線
UVA
320~380
生成黑色素(melanin)和褐斑，使皮膚老化、乾燥與增加皺紋
中波紫外線
UVB
280~320
產生紅斑和色素沉澱，有致癌危險
短波紫外線
UVC
200~280
因大部份被大氣層中的雲霧或臭氧層吸收，因此到達地面的能量不多，但穿透力強，易造成白血球病變和致癌
一般瞭解紡織品的結構，如厚度、緊密度和纖維品種都對紡織品的紫外線防護有所影響。而在各式奈米微粒的紫外線屏蔽應用上，仍以二氧化鈦和氧化鋅效果最好。但其實兩者對紫外線的遮蔽效果亦有所不同，在350~380nm(屬於UVA)的範圍內，氧化鋅的遮蔽率就明顯高於二氧化鈦，且由於氧化鋅的折射率小於二氧化鈦，因而材料的透明度較佳，對織物後續的印染加工較為有利。
(七) 抗靜電及導電纖維
抗靜電纖維與導電纖維一直是工業生產和民生急需的紡織品。由於一般化學纖維之疏水性，乾燥時易因摩擦而累積靜電荷，若身處易燃易爆的危險環境中，纖維靜電還可能引起火花而引發爆炸等事故。欲避免上述的危險，抗靜電與導電纖維的發展為主要關鍵。
一般抗靜電纖維的比電阻為108~1012W×cm(一般合成纖維多在1013W×cm以上)，為了使織物具有抗靜電性，抗靜電纖維在織物中的混用量需達50%以上。
其次導電纖維的比電阻值需小於107W×cm，若以抗靜電織物的要求來看，導電纖維僅需混用量0.1~5%，即可使靜電消除，並且效力持久。以往多使用碳黑為導電材料，經混練紡絲後纖維成為黑色，雖纖維的比電阻為10-1~105W×cm，導電性良好，但無法進行染整加工處理是其缺點。因此近年來諸多研究以淺色無機導電粉末來開發導電纖維，如二氧化錫(摻雜三氧化二銻)、氧化鋅(摻雜三氧化二鋁)等金屬氧化物。另外先前奈米碳管的介紹亦提及多朝導電纖維/塑料方向開研究，期望能成功開發出低添加量、高導電性的導電纖維/塑膠製品。
五、結論
全球紡織產業技術發展經歷2002年將研發、生產與行銷等系統整合後，轉向為複合功能、智慧型、高性能的知識密集產業發展，進而衍生出高值化的創新型產業。故配合國內政府『奈米國家型科技計畫』之推行下，期望奈米科技對產業用紡織品、環保紡織品與家用紡織品三大未來紡織發展潮流方向，有更具突破性的發展。然而在我國積極推動奈米科技研發的同時，為保障優良廠商與消費者的權益，提昇奈米產品品質與形象，促成國內奈米產業之健全發展，因此由經濟部主導推動「奈米產品驗證體系」的建立，於2004年11
2008年10月24日 星期五
奈米技術於紡織產業之應用發展
奈米技術於紡織產業之應用發展
紡織產業綜合研究所 原料及紗線部
林俊宏
一、前言
美國《商業週刊》將奈米科技列為21世紀可能取得重要突破的三個領域之一。奈米科技發展，促進人類對客觀世界認知的革命，人類在介觀尺度上有許多新現象、新規律有待發現，這也是新技術發展的動力，奈米科技是多學科交叉融合性質的表現，充滿了原始創新的機會。
紡織產業是一種直接關係到國計民生的重要產業。其產業特性不時的隨著社會價值觀與消費者需求在變化著。為滿足市場上不斷求新求變之要求，各種新材料及新技術於紡織上的結合運用，已成為未來發展趨勢。而奈米材料因具有特異之物化性，對差異化產品之發展潛力引起了廣大的關注，是未來紡織產業的重要發展技術之一。
二、奈米材料/技術[1，2]
甚麼是奈米技術？從不同角度有不同提法，歸納起來有以下四種：把奈米技術定位為微加工技術的極限，也就是通過奈米精度的加工，人工形成奈米大小結構的技術。有人把通過超精細加工製作的微機電裝置也稱為奈米裝置。在材料領域，把奈米級顆粒的製備技術及由此引起的材料性能改變稱為奈米技術。由原子、分子出發來建構特殊的結構，製造具有所需功能的分子裝置，進而產生生產方式的革命。仿製生物體系的奈米結構，利用生物的自組裝，自複製的功能製造特定的奈米產品。奈米構造材料技術系統圖如圖1所示。當材料結構小到奈米尺寸時，材料中的原子大小部份都成為表面原子，這種材料結構的表面物理和化學性質會變得更加顯著，固體表面原子的熱與化學穩定性比裡面的原子要差得多，也因如此，表面原子才有觸媒作用，但從奈米結構的耐用性來考量，這種性質卻是十分棘手的問題，首先需要解決的是找到有高度熱與化學穩定性的新材料。現在我們對奈米尺寸材料結構的物化性質了解仍然有限，要研究它們，我們必須先尋找新材料，開發新製造技術，想出新的運用原理。而奈米材料由於其結構之特殊性，如大的比表面積及其他新的效應¾小尺寸效應、界面效應、量子效應等，決定了奈米材料出現許多不同於傳統材料的獨特性能。因此奈米材料在紡織領域上之應用其重點不只是材料尺度上的縮小，其更重要的涵意是在應用後，其產品與巨觀材料比較是否有新的現象及效應產生。
為製造具有特異機能的產品，其技術路線可分為「自上而下」（top down）和「自下而上」（bottom up）兩種方式。「自上而下」是指透過加工技術，不斷地在尺寸上將人類創造的功能產品微型化。而「自下而上」是指以原子、分子為單元，根據人們的意願進行設計和組裝，進而構築成具有特定功能的產品。
三、奈米紡織品[3,4]
奈米材料擁有優異的特性，吸引著人們在眾多的領域開發應用，紡織領域即為其中之一，奈米材料為多機能、高技術紡織品的開發提供了廣闊的構思和可行的方法。採用奈米材料/技術開發與生產紡織產品的途徑如圖2所示，分別為奈米複合材料纖維(nanocomposite fiber)、奈米尺寸纖維(nano scale fiber)、奈米塗佈紡織品及高效染顏料。為何要進行奈米紡織品開發？能為產品帶來何種價值？是很多人存疑之問題。對於奈米技術應用於紡織品可被期待的效果，可從幾方面來說明：
(1) 奈米纖維效果：纖維間奈米尺寸空隙、相對較大之比表面積及輕量化。
(2) 奈米複合材料效果：添加奈米添加劑可增大與基材間之比表面積，縮短材料應答時間達到高機能化效果。
(3) 奈米孔洞效果：奈米孔洞除輕量性與保溫性外亦不會降低發色性。
(4) 奈米塗佈效果：每根纖維進行奈米塗佈，除了機能性賦與外，對於基布纖維間之孔隙不會影響，進而維持基布手感。
3-1國外奈米紡織品發展現況[5,6,7,8]
根據TextileTrends 2006 會議中對於奈米相關技術應用於紡織品未來市場發展趨勢，其中在高科技紡織品主要應用重點為工業用、生醫用與交通用紡織品(圖 3)。預估在公元2010年奈米纖維製品產量可達1,160萬噸，相關產值600億美元。日本富士經濟亦預測日本國內奈米紡織品相關產值將由2005年255億日圓提升為2020年1000億日圓。其中日本在奈米紡織品商品化數量最多，圖4整理近年來日本各公司發表之奈米紡織品概況。由商品項目數量可發現早期以奈米纖維研發為主，近來則以奈米加工技術在紡織品應用居多。
自1998年美國NTC計畫中，即針對奈米級技術進行各種奈米級紡織品的研究，迄目前的項目包括電子紡絲(Electro-spinning)、可染型奈米級聚丙烯纖維研究、奈米複合纖維研究(含Clay的奈米纖維研究)及穿戴式服飾等；研究項目非常的多，投入的經費也多。又日本東京工業大學也進行國家級奈米級紡絲技術研究，同時日本東麗等五大合纖廠皆參與該項計畫，由此可見奈米技術在紡織領域中仍深受重視。
3-2奈米尺寸纖維[4,9]
奈米尺寸纖維，是指纖維直徑小於100nm的超細纖維。主要有五種方式可製造奈米尺寸纖維，分別為(1)氣相成長奈米纖維(如碳奈米管)、(2)超分子/自組裝誘導法(如膠原蛋白)、(3)複合紡絲法、(4)高分子摻合法與(5)靜電紡絲法。其中合成高分子之奈米纖維製造方法目前以(3)及(5)之方式為多，主要特徵比較如圖5。要由傳統熔融紡絲法製造平均直徑小於100nm之纖維，其最大優點當然是大量生產可能性大；但除了既存設備改善及高精度化外，如何控制高分子流動特性與異物去除等問題亦須克服。另依方面，靜電紡絲技術雖然發展已久，然而實用化之課題才正開始受重視開發。奈米尺寸纖維之應用領域可參考日本谷剛教授整理之圖6。主要應用方向如高吸濕纖維、高強度、超輕量、高發色等纖維、電池隔離膜、生物感測器及水處理濾材等。
3-2-1靜電紡絲技術[9,10]
目前可以製作奈米尺寸纖維方式以靜電紡絲(electro spinning)為主，而靜電紡絲技術早在1940年代已經被人開始製造奈米級的纖維，並且得到之纖維具有良好的物理性質，而其織物具有孔洞結構及很高的接觸表面積。然而靜電紡絲技術所生產的纖維異於一般傳統的生產方式，纖維及相關產品也不同於一般的紡織產品；但是由於當時的設備及相關條件的缺乏，以及對於靜電紡絲技術知識的缺乏，因此靜電紡絲技術在當時並沒有快速的發展。直到近年來Reneker 和他的工作同伴共同發現，靜電紡絲技術可以應用的材料及溶液種類相當的多，並且可以生產不同的纖維結構及型態；其中利用Poly(p-phenylene terethalamide)原料所生產的纖維，其纖維直徑可以達到40nm；此外Larrondo及Manley是第一個利用靜電紡絲技術成功的製造出聚乙烯及聚丙烯纖維。2000年諾貝爾化學獎得主艾倫．馬克迪爾米德教授於
2000.12.8在瑞典皇家科學院發表《合成金屬—有機聚合物的新作用》；利用直徑僅100nm聚苯胺纖維，將傳統導電材料與導電聚合物纖維靜電編織起來，生產奈米級纖維材料以及奈米電子迴路紡織品。
以目前而言，靜電紡絲技術無法像一般的抽絲技術，生產均一性的纖維，靜電紡絲技術所製造的纖維直徑大小涵蓋範圍從微米至奈米，而所產的纖維除了具有高度的比表面積之外，纖維的型態及材料特性也異於一般的纖維；靜電紡絲技術雖然可以製造出奈米級的纖維，但目前此類奈米級的纖維應用範圍並不廣泛，主要可以應用的產品為薄膜及過濾材方面，而應用於不織布織物則可以控制孔洞的大小。
靜電紡絲的主要原理為：首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管上的Taylor錐頂點被加速(見圖7)。當電場力足夠大時，聚合物液滴可克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。用靜電紡絲法製得的纖維比傳統的紡絲方法細得多，直徑一般在數十到上千奈米。靜電紡絲被期待最大的功能是，奈米級的纖維具有很高的比表面積，而利用靜電紡絲所生產的的纖維，經過收集後可以製程不織布，此類奈米級不織布可以應用於過濾材，可以過濾細微粒的顆粒，因此此類不織布過濾材可以應用於過濾工業。此外除了過濾材的應用外，此類奈米級的纖維也可以應用於生物醫學的領域上，如醫學的外傷包護材料、組織工程的支架、人造血管等，因此在醫學上的應用領域相當的廣泛。
3-2-2奈米海島型複合紡絲技術[11]
海島型複合紡絲技術是日本東麗公司20世紀70年代開發的一種生產超細纖維的方法。該方法將兩種不同成份的聚合物通過雙螺桿輸送到經過特殊設計的分配板和噴絲板，紡絲得到海島型纖維，其中一組成份為“海”，另一種為“島”，“海”和“島”組分在纖維軸向上是連續密集、均勻分佈的。這種纖維在製造過程中經過紡絲、拉伸、製程非織造布或是各種織物以後，將“海” 的成份用溶劑溶解掉，便得到超細纖維。海島型複合紡絲技術的關鍵設備式噴絲頭元件，不同規格的噴絲頭元件，可得到不同纖度的纖維。一般用本技術生產的超細纖維的纖度在1000mm以上。據報導，日本東麗以此法將奈米耐隆纖維開發成功，此為世界上首次。如圖8所試製的奈米纖維總纖度為44dtex，由140萬根單絲組成，單絲纖度在20~100nm之間（經核算，上述纖維的直徑為59nm）。東麗在開發時，將特種纖維的生產技術與高分子的分子配列、奈米層級控制構造及最適化流動性等技術相結合，形成了這種製造極細纖維的新技術；它可用通常的聚酯、耐隆、聚丙烯原料，也可用現有的設備生產。東麗已將此技術申請了專利。奈米耐隆纖維擁有優異的吸收和吸附功能。新開發的奈米耐隆纖維表面面積要較常規耐隆纖維大一千倍，吸濕能力大為增強，約可提高2~3倍，等於或大於棉的吸濕能力。其他性能還有黏著性，此纖維在濕潤狀態下具有特異的粘著性。被期待之用途有外部應答材料、吸著材料及接著材料等。
3-3奈米複材纖維[12]
化學纖維中加入機能性添加劑是目前市場開發化學纖維新產品的主要方法，採用奈米添加劑可能會創造出新一代功/機能性更強的奈米複合材料纖維，主要理由為(1)比表面積增加效應：亦即同一添加劑使用量產生之效果増大或達到同一效果則添加劑之使用量減少（cost down、製造安定）。(2)透明化：比可見光線波長領域更微細故產品呈現透明化。(3)奈米尺寸化：有特異性能出現。
機能性化學纖維製造方法現階段以母粒法及聚合法較常被使用。在生產化學纖維時將上述方法製備之良好分散性高分子母粒利用熔融共混的方法製備紡絲液，奈米微粒子較容易分散到紡絲液中，並且較不會阻塞噴絲孔，經紡絲後製成高機能性的纖維。通常在纖維中摻合的添加物，其粒子的平均直徑必須控制在5μm以下，粒徑超過5μm就會造成紡絲困難，特別是要紡出1.1dtex左右的纖維，微粒子最好在1μm左右。而奈米粒子的粒徑一般小於100nm（1μm＝1000nm），因此，奈米粒子是製造機能性纖維（尤其是超細纖維）的理想原料。如何將奈米粒子摻合到紡絲液中，並使其機能效果充分發揮，這是人們需要研究的重要課題。此外將聚合物與添加劑用分子組裝法製成奈米級功能性纖維，此類方法較為複雜，與常見的化學纖維生產方法可能完全不同。利用奈米材料的各種特殊性能從根本上改變化學纖維原有的物理機械及化學性能，獲得一系列適合於不同用途的複合纖維，此為近期內奈米技術在紡織應用的主導方向。
例如添加有配向性之奈米尺寸添加劑製造複合強化繊維在過去多有研究。所使用之添加劑無機材料有talc、雲母、層狀矽酸鹽、clay、nanotube等，有機材料則有剛直性高分子等。主要特徴：(1)一般強化材1/10添加量，即可發揮補強強化性能(玻纖強化約20~30%，但奈米複材僅須2~4%），讓產品具軽量化及高性能化優點。(2)無機材強化後仍可能纖維化、薄膜化。(3)成形加工性優（高流動性、低Draw down性）。(4)回收再利用特性佳。關鍵技術重點為：強化材與基材料間之親和性、奈米材料在高分子中（聚合時）分散方法與纖維配向（延伸）時強化材配向化等。 具體例子如圖9之耐隆6與層狀矽酸鹽強化材料。
3-4奈米結構纖維[13]
帝人運用奈米科技開發完成「Morphotex」之奈米布料。該項産品是模仿蝴蝶羽翼(圖10)利用光干渉發出色彩的特性而開發完成。蝴蝶羽翼所具有之空氣層及蛋白質層可藉由光線相互干渉而發出色彩。Morphotex是將折射率相異之聚酯及耐隆以數十奈米序列為單位施以61層之積層結構，可絲毫不使用染料，就可利用光之屈折來發出色彩。由於可減少使用染料、顔料所帶來的汚染，是對於地球環保非常有助益的新奈米纖維。
由於是採用光的折射來發出色彩，因此，藉由所看的角度或是光線的強度會産生微妙的色澤差異，可做為高度流行性時裝之用料。
中國科學院開發雙疏布料，即利用物理和化學方法在PP纖維表面製造出20奈米左右凸凹結構形成纖維既疏水又疏油的新性能，使纖維不沾水、防污、防塵亦可應用於建築物表面可防霧、防霜、防污。
3-5奈米紡織品加工技術[14~20]
奈米紡織品加工技術可被概分為織物表面能量處理及表面塗層兩大類。織物表面能量處理係透過電子線加工、低温電漿加工或Excimer laser加工等手段，於纖維表面層作用、侵蝕、導入官能基或表面架橋等造成結果賦予纖維機能性。其中低溫電漿加工是於減壓下用radio波(13.56MHz)或micro波(2.45GHz)輝光(glow)放電加工，讓纖維表面蝕刻(微細凹凸效果)或導入官能基。若與機能性單體共存後進行電漿聚合則會於纖維表面形成高分子薄膜，提升耐久性、染色性、吸水性、
撥水性、防污性等性能。Excimer laser為激發狀態下被激發之2量體(Excited Dimer)形成的分子跳回基態時放出的紫外光。波長純度高之高能量plus laser撞擊高分子材料表面時，高分子化合物產生爆發性的ablation。常溫常壓下，以稀氣體／鹵素氣體高電壓放電產生的 laser光，常做為高分子樹脂及薄膜之表面改質；但有關纖維上之應用
研究較少，未來可進行纖維微細凹凸及微細孔形成相關之應用研究。
另外一種較為經濟之奈米紡織品製造方式是利用奈米顆粒所具有特性對紡織產品進行功能性整理加工。可先將奈米粉體均勻分散於整理基材中，通過含浸、噴灑及塗佈等技術使奈米顆粒附著在傳統的紡織品上，或透過植入技術將奈米顆粒分散和固定於織物中來提高或賦予紡織品一些性能，如抗靜電性、易去污性、抗菌性、抗皺性等。亦可利用將奈米顆粒嵌於薄膜中生成複合薄膜，再與紡織品貼合。複合薄膜的生產與紡織品的生產分開進行，可以人為地控制奈米粒子的組成、性能、加工條件、基材種類等參數的變化，從而控制奈米複合薄膜的特性。相對的複合貼合紡織品的生產亦具有了較大的彈性。
Nano-Tex公司改變布料表面分子排列的奈米技術，在棉或其他纖維上建立新特性，提高布料性能，讓布料能防水、不易沾油脂的同時也兼具觸感、透濕和快乾等功能；Burlington Industries採用奈米技術，購入Nano-Tex公司51%的股權；目前Burlington已將該技術授權給其他織布業者使用。其主要技術特徵為：不須使用黏著劑，可以現有染整場的設備加工，纖維表面的官能基直接反應機能性高分子化合物，使具有恒久性機能效果，如圖11。
主要產品系列有：Nano Care－棉、麻紡織品之耐皺、耐縮、防水、防污(耐洗濯50次以上)，棉褲類胚布(美國)、棉厚布、棉襯衫(東南亞)。Nano Pel－棉、麻、毛、蠶絲、聚酯、耐隆及亞克力之Interior基布、Mattress胚布及家庭服(美國)紡織品撥水‧撥油(天然纖維具有特殊的高機能性與耐久性)。Nano Dry－耐隆、聚酯等親水加工(耐洗濯性50次以上)、幾無手感及色相的變化，產品有聚酯、超細纖維外套、褲類(美國Burlington)、Levi,S褲類、運動衣料(香港 BWW)。Nano Touch－合成纖維表面被覆纖維素使具有親水性、帶電防止性、手感、光澤改良等褲類（美國 Burlington）。Nano Press－棉之強力保持形態安定加工。
鐘紡纖維於2003年發表奈米加工素材－“NANO DUE”。主要技術是以化妝品開發之高保濕性液晶(層狀)構造製劑原理在纖維上之應用（高級基礎化粧品「DUE」美容液）。液晶製劑加工是由含有Vitamin E之衍生物(抗氧化作用)、油分層與水分層於奈米尺寸狀態下以Sandwich構造重覆加工(圖12)。產生之效果為纖維表面形成奈米尺寸大小之多重保濕膜可安定的供給肌膚適度的水份達成抗老化效果（回復肌膚本來的保護機能）。
2003年帝人公司利用奈米科技，開發完成能除去汗臭、體臭的後加工素材「PermaFreshy」，計畫於2004年夏季開始推出上市。該項産品是在將構成聚酯編織物之每一根纖維表面接著消臭劑時，使用奈米層次控制接著技術。利用接著劑具有之適度的疎水性，以適切的消臭機能進行加工，於纖維表面形成均一之奈米次序薄膜，以最低限之接著劑接著纖維與消臭劑，以獲得高的消臭性與耐久性，控制編織物 之手感變化最小，如表1。
ParmaFreshyTM
一般接著劑產品
L0
L30
L0
L30
消臭性
異戊酸
酪酸
癸酸
＞99%
＞99%
＞99%
85%
90%
90%
70%
75%
70%
20%
20%
20%
手感
柔軟性
懸垂性
柔軟
良好
硬
不良
表1：帝人“ParmaFreshy”性能
日清紡的「Nano Science」奈米系列商品是與加工藥劑廠商共同開發完成奈米加工劑，再採用日清紡所獨家擁有之奈米加工技術所完成的。目前最受矚目的商品為：銀奈米加工之「AG Fresh」、型態安定加工之「SSP Ongusutoromu」、防汚加工之「DC(Dual Clean)Ⅲ」等三項。 其中「AG Fresh」是將4nm銀粒子，加工嵌入纖維内部之長效型抗菌防臭素材(圖13)。由於不使用黏著劑樹脂，可充份發揮素材原有手感，且擁有洗濯耐久性。
四、結論
1. 奈米科技係指將物質製造或加工至極超微尺寸之科技，此不僅促成材料微細化，也讓材料顯現新的特性來，此可為產業運用帶來新機會、新產品與新品質，整體而言對紡織產業的影響可說是既深且廣。
2. 奈米科技是製造科技（manufacturing technology）下一階段的核心領域，它將會重畫未來世界高科技競爭的版圖，但安全性及現況取代性將是進入市場之關鍵條件。
3. 朝向微觀世界的全球競爭已經開始，以奈米科技為基礎的紡織品，在「近期」已「大量」的出現，奈米單一機能產品已逐漸退出市場，奈米複合機能紡織品正面臨高競爭性。以紡織產業特性綜合考量，未來奈米紡織品應在安全及成本低之基礎下，結合微奈米複合化材料、奈米結構體材料及一維奈米材料(clay、管狀材料等)與紡織製程技術之應用。
4. 奈米技術於紡織產業發展之趨勢以奈米複合材料纖維、奈米尺寸纖維、奈米塗佈紡織品及高效能染、顏料等較具商業潛力。
5. 國內紡織產業應用奈米技術目前仍處於萌芽期，奈米粒子改質、機能性奈米分散及穩定性控制、有機/無機相容化等關鍵技術尚待突破。
五、參考文獻
1. 日本特許廳「nano構造材料技術相關技術動向調査」２００１年６月１５
2. 川合 知二著 Nanotechnology 入門
3. TTRI委託Toray研究計畫
4. 機能性纖維之技術動向 Toray研究中心 2005
5. TextileTrends 2006 會議
6. https://www.fuji-keizai.co.jp/index.html
7. https://www.NTCRESEARCH.org
8. Nanotechnology Program 精密高分子技術Project説明資料、NEDO
9. Nano Fiber Technology is Developing Advanced Industry, Tatsuya Hongu etc., CMC 2004
10. 紡織中心 ITIS 計畫整理 2002
11. 東麗 News release http://www.toray.co.jp/release/news
12. 繊維と工業、Vol.56,No.２（2000）
13. 繊維と工業 Vol.59, No.2,p55-58
14. 渡邊博佐、繊維学会「繊維基礎講座Ⅲ」講演要旨集2002年3月8日
15. https://www.nano-tex.com
16. U.S.Patent US 6,379,753 B1 Apr.30,2002
17. http://www.kanebotx.com.news/
18. 纖維TREND 2003年5月號p38
19. 帝人News Release http://www.teijin.co.jp
20. http://www.nisshinbo.co.jp/index.html
紡織產業綜合研究所 原料及紗線部
林俊宏
一、前言
美國《商業週刊》將奈米科技列為21世紀可能取得重要突破的三個領域之一。奈米科技發展，促進人類對客觀世界認知的革命，人類在介觀尺度上有許多新現象、新規律有待發現，這也是新技術發展的動力，奈米科技是多學科交叉融合性質的表現，充滿了原始創新的機會。
紡織產業是一種直接關係到國計民生的重要產業。其產業特性不時的隨著社會價值觀與消費者需求在變化著。為滿足市場上不斷求新求變之要求，各種新材料及新技術於紡織上的結合運用，已成為未來發展趨勢。而奈米材料因具有特異之物化性，對差異化產品之發展潛力引起了廣大的關注，是未來紡織產業的重要發展技術之一。
二、奈米材料/技術[1，2]
甚麼是奈米技術？從不同角度有不同提法，歸納起來有以下四種：把奈米技術定位為微加工技術的極限，也就是通過奈米精度的加工，人工形成奈米大小結構的技術。有人把通過超精細加工製作的微機電裝置也稱為奈米裝置。在材料領域，把奈米級顆粒的製備技術及由此引起的材料性能改變稱為奈米技術。由原子、分子出發來建構特殊的結構，製造具有所需功能的分子裝置，進而產生生產方式的革命。仿製生物體系的奈米結構，利用生物的自組裝，自複製的功能製造特定的奈米產品。奈米構造材料技術系統圖如圖1所示。當材料結構小到奈米尺寸時，材料中的原子大小部份都成為表面原子，這種材料結構的表面物理和化學性質會變得更加顯著，固體表面原子的熱與化學穩定性比裡面的原子要差得多，也因如此，表面原子才有觸媒作用，但從奈米結構的耐用性來考量，這種性質卻是十分棘手的問題，首先需要解決的是找到有高度熱與化學穩定性的新材料。現在我們對奈米尺寸材料結構的物化性質了解仍然有限，要研究它們，我們必須先尋找新材料，開發新製造技術，想出新的運用原理。而奈米材料由於其結構之特殊性，如大的比表面積及其他新的效應¾小尺寸效應、界面效應、量子效應等，決定了奈米材料出現許多不同於傳統材料的獨特性能。因此奈米材料在紡織領域上之應用其重點不只是材料尺度上的縮小，其更重要的涵意是在應用後，其產品與巨觀材料比較是否有新的現象及效應產生。
為製造具有特異機能的產品，其技術路線可分為「自上而下」（top down）和「自下而上」（bottom up）兩種方式。「自上而下」是指透過加工技術，不斷地在尺寸上將人類創造的功能產品微型化。而「自下而上」是指以原子、分子為單元，根據人們的意願進行設計和組裝，進而構築成具有特定功能的產品。
三、奈米紡織品[3,4]
奈米材料擁有優異的特性，吸引著人們在眾多的領域開發應用，紡織領域即為其中之一，奈米材料為多機能、高技術紡織品的開發提供了廣闊的構思和可行的方法。採用奈米材料/技術開發與生產紡織產品的途徑如圖2所示，分別為奈米複合材料纖維(nanocomposite fiber)、奈米尺寸纖維(nano scale fiber)、奈米塗佈紡織品及高效染顏料。為何要進行奈米紡織品開發？能為產品帶來何種價值？是很多人存疑之問題。對於奈米技術應用於紡織品可被期待的效果，可從幾方面來說明：
(1) 奈米纖維效果：纖維間奈米尺寸空隙、相對較大之比表面積及輕量化。
(2) 奈米複合材料效果：添加奈米添加劑可增大與基材間之比表面積，縮短材料應答時間達到高機能化效果。
(3) 奈米孔洞效果：奈米孔洞除輕量性與保溫性外亦不會降低發色性。
(4) 奈米塗佈效果：每根纖維進行奈米塗佈，除了機能性賦與外，對於基布纖維間之孔隙不會影響，進而維持基布手感。
3-1國外奈米紡織品發展現況[5,6,7,8]
根據TextileTrends 2006 會議中對於奈米相關技術應用於紡織品未來市場發展趨勢，其中在高科技紡織品主要應用重點為工業用、生醫用與交通用紡織品(圖 3)。預估在公元2010年奈米纖維製品產量可達1,160萬噸，相關產值600億美元。日本富士經濟亦預測日本國內奈米紡織品相關產值將由2005年255億日圓提升為2020年1000億日圓。其中日本在奈米紡織品商品化數量最多，圖4整理近年來日本各公司發表之奈米紡織品概況。由商品項目數量可發現早期以奈米纖維研發為主，近來則以奈米加工技術在紡織品應用居多。
自1998年美國NTC計畫中，即針對奈米級技術進行各種奈米級紡織品的研究，迄目前的項目包括電子紡絲(Electro-spinning)、可染型奈米級聚丙烯纖維研究、奈米複合纖維研究(含Clay的奈米纖維研究)及穿戴式服飾等；研究項目非常的多，投入的經費也多。又日本東京工業大學也進行國家級奈米級紡絲技術研究，同時日本東麗等五大合纖廠皆參與該項計畫，由此可見奈米技術在紡織領域中仍深受重視。
3-2奈米尺寸纖維[4,9]
奈米尺寸纖維，是指纖維直徑小於100nm的超細纖維。主要有五種方式可製造奈米尺寸纖維，分別為(1)氣相成長奈米纖維(如碳奈米管)、(2)超分子/自組裝誘導法(如膠原蛋白)、(3)複合紡絲法、(4)高分子摻合法與(5)靜電紡絲法。其中合成高分子之奈米纖維製造方法目前以(3)及(5)之方式為多，主要特徵比較如圖5。要由傳統熔融紡絲法製造平均直徑小於100nm之纖維，其最大優點當然是大量生產可能性大；但除了既存設備改善及高精度化外，如何控制高分子流動特性與異物去除等問題亦須克服。另依方面，靜電紡絲技術雖然發展已久，然而實用化之課題才正開始受重視開發。奈米尺寸纖維之應用領域可參考日本谷剛教授整理之圖6。主要應用方向如高吸濕纖維、高強度、超輕量、高發色等纖維、電池隔離膜、生物感測器及水處理濾材等。
3-2-1靜電紡絲技術[9,10]
目前可以製作奈米尺寸纖維方式以靜電紡絲(electro spinning)為主，而靜電紡絲技術早在1940年代已經被人開始製造奈米級的纖維，並且得到之纖維具有良好的物理性質，而其織物具有孔洞結構及很高的接觸表面積。然而靜電紡絲技術所生產的纖維異於一般傳統的生產方式，纖維及相關產品也不同於一般的紡織產品；但是由於當時的設備及相關條件的缺乏，以及對於靜電紡絲技術知識的缺乏，因此靜電紡絲技術在當時並沒有快速的發展。直到近年來Reneker 和他的工作同伴共同發現，靜電紡絲技術可以應用的材料及溶液種類相當的多，並且可以生產不同的纖維結構及型態；其中利用Poly(p-phenylene terethalamide)原料所生產的纖維，其纖維直徑可以達到40nm；此外Larrondo及Manley是第一個利用靜電紡絲技術成功的製造出聚乙烯及聚丙烯纖維。2000年諾貝爾化學獎得主艾倫．馬克迪爾米德教授於
2000.12.8在瑞典皇家科學院發表《合成金屬—有機聚合物的新作用》；利用直徑僅100nm聚苯胺纖維，將傳統導電材料與導電聚合物纖維靜電編織起來，生產奈米級纖維材料以及奈米電子迴路紡織品。
以目前而言，靜電紡絲技術無法像一般的抽絲技術，生產均一性的纖維，靜電紡絲技術所製造的纖維直徑大小涵蓋範圍從微米至奈米，而所產的纖維除了具有高度的比表面積之外，纖維的型態及材料特性也異於一般的纖維；靜電紡絲技術雖然可以製造出奈米級的纖維，但目前此類奈米級的纖維應用範圍並不廣泛，主要可以應用的產品為薄膜及過濾材方面，而應用於不織布織物則可以控制孔洞的大小。
靜電紡絲的主要原理為：首先將聚合物溶液或熔體帶上幾千至上萬伏高壓靜電，帶電的聚合物液滴在電場力的作用下在毛細管上的Taylor錐頂點被加速(見圖7)。當電場力足夠大時，聚合物液滴可克服表面張力形成噴射細流。細流在噴射過程中溶劑蒸發或固化，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。用靜電紡絲法製得的纖維比傳統的紡絲方法細得多，直徑一般在數十到上千奈米。靜電紡絲被期待最大的功能是，奈米級的纖維具有很高的比表面積，而利用靜電紡絲所生產的的纖維，經過收集後可以製程不織布，此類奈米級不織布可以應用於過濾材，可以過濾細微粒的顆粒，因此此類不織布過濾材可以應用於過濾工業。此外除了過濾材的應用外，此類奈米級的纖維也可以應用於生物醫學的領域上，如醫學的外傷包護材料、組織工程的支架、人造血管等，因此在醫學上的應用領域相當的廣泛。
3-2-2奈米海島型複合紡絲技術[11]
海島型複合紡絲技術是日本東麗公司20世紀70年代開發的一種生產超細纖維的方法。該方法將兩種不同成份的聚合物通過雙螺桿輸送到經過特殊設計的分配板和噴絲板，紡絲得到海島型纖維，其中一組成份為“海”，另一種為“島”，“海”和“島”組分在纖維軸向上是連續密集、均勻分佈的。這種纖維在製造過程中經過紡絲、拉伸、製程非織造布或是各種織物以後，將“海” 的成份用溶劑溶解掉，便得到超細纖維。海島型複合紡絲技術的關鍵設備式噴絲頭元件，不同規格的噴絲頭元件，可得到不同纖度的纖維。一般用本技術生產的超細纖維的纖度在1000mm以上。據報導，日本東麗以此法將奈米耐隆纖維開發成功，此為世界上首次。如圖8所試製的奈米纖維總纖度為44dtex，由140萬根單絲組成，單絲纖度在20~100nm之間（經核算，上述纖維的直徑為59nm）。東麗在開發時，將特種纖維的生產技術與高分子的分子配列、奈米層級控制構造及最適化流動性等技術相結合，形成了這種製造極細纖維的新技術；它可用通常的聚酯、耐隆、聚丙烯原料，也可用現有的設備生產。東麗已將此技術申請了專利。奈米耐隆纖維擁有優異的吸收和吸附功能。新開發的奈米耐隆纖維表面面積要較常規耐隆纖維大一千倍，吸濕能力大為增強，約可提高2~3倍，等於或大於棉的吸濕能力。其他性能還有黏著性，此纖維在濕潤狀態下具有特異的粘著性。被期待之用途有外部應答材料、吸著材料及接著材料等。
3-3奈米複材纖維[12]
化學纖維中加入機能性添加劑是目前市場開發化學纖維新產品的主要方法，採用奈米添加劑可能會創造出新一代功/機能性更強的奈米複合材料纖維，主要理由為(1)比表面積增加效應：亦即同一添加劑使用量產生之效果増大或達到同一效果則添加劑之使用量減少（cost down、製造安定）。(2)透明化：比可見光線波長領域更微細故產品呈現透明化。(3)奈米尺寸化：有特異性能出現。
機能性化學纖維製造方法現階段以母粒法及聚合法較常被使用。在生產化學纖維時將上述方法製備之良好分散性高分子母粒利用熔融共混的方法製備紡絲液，奈米微粒子較容易分散到紡絲液中，並且較不會阻塞噴絲孔，經紡絲後製成高機能性的纖維。通常在纖維中摻合的添加物，其粒子的平均直徑必須控制在5μm以下，粒徑超過5μm就會造成紡絲困難，特別是要紡出1.1dtex左右的纖維，微粒子最好在1μm左右。而奈米粒子的粒徑一般小於100nm（1μm＝1000nm），因此，奈米粒子是製造機能性纖維（尤其是超細纖維）的理想原料。如何將奈米粒子摻合到紡絲液中，並使其機能效果充分發揮，這是人們需要研究的重要課題。此外將聚合物與添加劑用分子組裝法製成奈米級功能性纖維，此類方法較為複雜，與常見的化學纖維生產方法可能完全不同。利用奈米材料的各種特殊性能從根本上改變化學纖維原有的物理機械及化學性能，獲得一系列適合於不同用途的複合纖維，此為近期內奈米技術在紡織應用的主導方向。
例如添加有配向性之奈米尺寸添加劑製造複合強化繊維在過去多有研究。所使用之添加劑無機材料有talc、雲母、層狀矽酸鹽、clay、nanotube等，有機材料則有剛直性高分子等。主要特徴：(1)一般強化材1/10添加量，即可發揮補強強化性能(玻纖強化約20~30%，但奈米複材僅須2~4%），讓產品具軽量化及高性能化優點。(2)無機材強化後仍可能纖維化、薄膜化。(3)成形加工性優（高流動性、低Draw down性）。(4)回收再利用特性佳。關鍵技術重點為：強化材與基材料間之親和性、奈米材料在高分子中（聚合時）分散方法與纖維配向（延伸）時強化材配向化等。 具體例子如圖9之耐隆6與層狀矽酸鹽強化材料。
3-4奈米結構纖維[13]
帝人運用奈米科技開發完成「Morphotex」之奈米布料。該項産品是模仿蝴蝶羽翼(圖10)利用光干渉發出色彩的特性而開發完成。蝴蝶羽翼所具有之空氣層及蛋白質層可藉由光線相互干渉而發出色彩。Morphotex是將折射率相異之聚酯及耐隆以數十奈米序列為單位施以61層之積層結構，可絲毫不使用染料，就可利用光之屈折來發出色彩。由於可減少使用染料、顔料所帶來的汚染，是對於地球環保非常有助益的新奈米纖維。
由於是採用光的折射來發出色彩，因此，藉由所看的角度或是光線的強度會産生微妙的色澤差異，可做為高度流行性時裝之用料。
中國科學院開發雙疏布料，即利用物理和化學方法在PP纖維表面製造出20奈米左右凸凹結構形成纖維既疏水又疏油的新性能，使纖維不沾水、防污、防塵亦可應用於建築物表面可防霧、防霜、防污。
3-5奈米紡織品加工技術[14~20]
奈米紡織品加工技術可被概分為織物表面能量處理及表面塗層兩大類。織物表面能量處理係透過電子線加工、低温電漿加工或Excimer laser加工等手段，於纖維表面層作用、侵蝕、導入官能基或表面架橋等造成結果賦予纖維機能性。其中低溫電漿加工是於減壓下用radio波(13.56MHz)或micro波(2.45GHz)輝光(glow)放電加工，讓纖維表面蝕刻(微細凹凸效果)或導入官能基。若與機能性單體共存後進行電漿聚合則會於纖維表面形成高分子薄膜，提升耐久性、染色性、吸水性、
撥水性、防污性等性能。Excimer laser為激發狀態下被激發之2量體(Excited Dimer)形成的分子跳回基態時放出的紫外光。波長純度高之高能量plus laser撞擊高分子材料表面時，高分子化合物產生爆發性的ablation。常溫常壓下，以稀氣體／鹵素氣體高電壓放電產生的 laser光，常做為高分子樹脂及薄膜之表面改質；但有關纖維上之應用
研究較少，未來可進行纖維微細凹凸及微細孔形成相關之應用研究。
另外一種較為經濟之奈米紡織品製造方式是利用奈米顆粒所具有特性對紡織產品進行功能性整理加工。可先將奈米粉體均勻分散於整理基材中，通過含浸、噴灑及塗佈等技術使奈米顆粒附著在傳統的紡織品上，或透過植入技術將奈米顆粒分散和固定於織物中來提高或賦予紡織品一些性能，如抗靜電性、易去污性、抗菌性、抗皺性等。亦可利用將奈米顆粒嵌於薄膜中生成複合薄膜，再與紡織品貼合。複合薄膜的生產與紡織品的生產分開進行，可以人為地控制奈米粒子的組成、性能、加工條件、基材種類等參數的變化，從而控制奈米複合薄膜的特性。相對的複合貼合紡織品的生產亦具有了較大的彈性。
Nano-Tex公司改變布料表面分子排列的奈米技術，在棉或其他纖維上建立新特性，提高布料性能，讓布料能防水、不易沾油脂的同時也兼具觸感、透濕和快乾等功能；Burlington Industries採用奈米技術，購入Nano-Tex公司51%的股權；目前Burlington已將該技術授權給其他織布業者使用。其主要技術特徵為：不須使用黏著劑，可以現有染整場的設備加工，纖維表面的官能基直接反應機能性高分子化合物，使具有恒久性機能效果，如圖11。
主要產品系列有：Nano Care－棉、麻紡織品之耐皺、耐縮、防水、防污(耐洗濯50次以上)，棉褲類胚布(美國)、棉厚布、棉襯衫(東南亞)。Nano Pel－棉、麻、毛、蠶絲、聚酯、耐隆及亞克力之Interior基布、Mattress胚布及家庭服(美國)紡織品撥水‧撥油(天然纖維具有特殊的高機能性與耐久性)。Nano Dry－耐隆、聚酯等親水加工(耐洗濯性50次以上)、幾無手感及色相的變化，產品有聚酯、超細纖維外套、褲類(美國Burlington)、Levi,S褲類、運動衣料(香港 BWW)。Nano Touch－合成纖維表面被覆纖維素使具有親水性、帶電防止性、手感、光澤改良等褲類（美國 Burlington）。Nano Press－棉之強力保持形態安定加工。
鐘紡纖維於2003年發表奈米加工素材－“NANO DUE”。主要技術是以化妝品開發之高保濕性液晶(層狀)構造製劑原理在纖維上之應用（高級基礎化粧品「DUE」美容液）。液晶製劑加工是由含有Vitamin E之衍生物(抗氧化作用)、油分層與水分層於奈米尺寸狀態下以Sandwich構造重覆加工(圖12)。產生之效果為纖維表面形成奈米尺寸大小之多重保濕膜可安定的供給肌膚適度的水份達成抗老化效果（回復肌膚本來的保護機能）。
2003年帝人公司利用奈米科技，開發完成能除去汗臭、體臭的後加工素材「PermaFreshy」，計畫於2004年夏季開始推出上市。該項産品是在將構成聚酯編織物之每一根纖維表面接著消臭劑時，使用奈米層次控制接著技術。利用接著劑具有之適度的疎水性，以適切的消臭機能進行加工，於纖維表面形成均一之奈米次序薄膜，以最低限之接著劑接著纖維與消臭劑，以獲得高的消臭性與耐久性，控制編織物 之手感變化最小，如表1。
ParmaFreshyTM
一般接著劑產品
L0
L30
L0
L30
消臭性
異戊酸
酪酸
癸酸
＞99%
＞99%
＞99%
85%
90%
90%
70%
75%
70%
20%
20%
20%
手感
柔軟性
懸垂性
柔軟
良好
硬
不良
表1：帝人“ParmaFreshy”性能
日清紡的「Nano Science」奈米系列商品是與加工藥劑廠商共同開發完成奈米加工劑，再採用日清紡所獨家擁有之奈米加工技術所完成的。目前最受矚目的商品為：銀奈米加工之「AG Fresh」、型態安定加工之「SSP Ongusutoromu」、防汚加工之「DC(Dual Clean)Ⅲ」等三項。 其中「AG Fresh」是將4nm銀粒子，加工嵌入纖維内部之長效型抗菌防臭素材(圖13)。由於不使用黏著劑樹脂，可充份發揮素材原有手感，且擁有洗濯耐久性。
四、結論
1. 奈米科技係指將物質製造或加工至極超微尺寸之科技，此不僅促成材料微細化，也讓材料顯現新的特性來，此可為產業運用帶來新機會、新產品與新品質，整體而言對紡織產業的影響可說是既深且廣。
2. 奈米科技是製造科技（manufacturing technology）下一階段的核心領域，它將會重畫未來世界高科技競爭的版圖，但安全性及現況取代性將是進入市場之關鍵條件。
3. 朝向微觀世界的全球競爭已經開始，以奈米科技為基礎的紡織品，在「近期」已「大量」的出現，奈米單一機能產品已逐漸退出市場，奈米複合機能紡織品正面臨高競爭性。以紡織產業特性綜合考量，未來奈米紡織品應在安全及成本低之基礎下，結合微奈米複合化材料、奈米結構體材料及一維奈米材料(clay、管狀材料等)與紡織製程技術之應用。
4. 奈米技術於紡織產業發展之趨勢以奈米複合材料纖維、奈米尺寸纖維、奈米塗佈紡織品及高效能染、顏料等較具商業潛力。
5. 國內紡織產業應用奈米技術目前仍處於萌芽期，奈米粒子改質、機能性奈米分散及穩定性控制、有機/無機相容化等關鍵技術尚待突破。
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奈米材料與技術在紡織產業上之應用
引用自﹝台灣科技大學 吳文演教授﹞
1.前言
首先於1984年德國Searlands大學之Gleiter教授利用惰性氣體蒸發加熱法製備出清潔用之奈米材料，開始受到國際矚目。1987年日本豐田研究所亦成功地開發出Nylon6與Clay之奈米高分子複合材，從此開啟研究風潮。於1990年7月舉辦第一屆國際奈米科技會議，並確立其為材料科學之一，且加強其技術與應用之研究。1991年後，美國將奈米技術列為關鍵與戰略之開發技術。德國亦於1993年提出爾後10年發展重點之9項領域中，奈米技術就涵蓋4項領域，可見重視之程度。歐盟於1995年之預測報告中，陳述奈米材料／技術之產業在未來10年間，可能成為世界僅次於晶片之第二產業。
台灣奈米技術之研究稍晚，除學術界作理論研究外，工研院化工所亦於1997年開始投入Clay純化改質技術，並作奈米複合材料之研製與應用，目前已與多家廠商配合開發中，顯示對奈米材料／技術之興趣與期待，或許能成為21世紀最有前景的技術之一。另，紡織中心亦成立奈米技術研究小組，專研奈米材料／技術在紡織產業之應用，雖是起步階段，然祈望能帶給紡織產業新希望與遠景。紡織業界中，則有力麗公司研製奈米尼龍纖維，目前正試製試銷中。
2.奈米材料之結構效應
奈米材料是由極細的晶粒和大量處於晶界／晶粒內部缺陷中心的原子所構成的奈米微粒的集合體，其粒徑尺寸約於1～100nm（1nm＝10 -9m，即10億之1米）之間的微粒物質。
奈米技術即在奈米尺度（1～100nm）內研究物質的特性與相互作用，並利用其特性研製出具有某些特定功能的新產品與新技術。
2.1 奈米材料的結構
奈米微粒是由數目較少的原子與小原子群／分子群所組成，其占大比例之表面原子為既無長程式亦無短程式的非晶層，在微粒內部則為結晶完好具週期性排列之原子，但與一般晶體完全長程式之有序結構有所不同，亦因奈米微粒之特殊結構，致使其特性與同組成之體相材料有顯著差異，具有奇特之表面效應與體積效應，因而產生不同之物化性。
2.2 奈米材料之表面效應
所謂奈米材料之表面效應為奈米微粒表面原子與總原子數之比，隨著微粒尺寸之減小而遽增，其粒子之表面能與表面張力亦隨之增加，進而引起奈米材料物化性之改變，其固體微粒表面積與粒徑之關係為
Sw＝K／（P×D）
式中，Sw為比表面積（㎡/g）；
P為微粒理論密度（比重）；
D為微粒平均直徑；
K為形狀參數。
由式中可知，當微粒直徑減至甚小時，其表面原子數大增，比表面積Sw亦大增；其表面原子所處之晶體環境和結合能，與內部原子不同，具有高度的不飽和性與化學反應活性，故極易與其他原子結合而呈穩定狀態。
2.3 奈米材料的體積效應
奈米材料之體積效應亦稱之為小尺寸或量子尺寸效應。所謂體積效應乃是指微粒尺寸減小，其體積縮小，粒子內部的原子數減小而外部的原子數增加之效應；亦即當微粒尺寸小到與光波波長、電子德布羅意波長或更小時，其周期性之邊界條件會被破壞，因而微粒之聲、光、電、磁、熱與化學性質將呈現新的邊界領域。
3.奈米材料之嶄新特性
當固體顆粒之粒徑逐漸減小，接近原子大小時，其凡得瓦爾力效應特別強，其微粒之聲、光、電、磁、熱及化學特性亦隨之改變，茲簡述如下。
3.1 聲音性質
表面原子對傳感作用上，可增加敏感度，由於粒徑小，孔隙度亦縮小，使訊號的傳遞能迅速而不受干擾，其信號與雜音比提高，其聲譜因而改變。
3.2 光學性質
微粒尺寸減小時，光吸收或微波吸收增加，並產生吸收峰等離子之共振頻移，故具有新的光學特性，如對紅外線的吸收和發射作用，或對紫外線有遮蔽作用等。
不同粒徑材料對光的不透明度，亦即對其遮蔽力將隨光的波長而異，如TiO2之粒徑在200～350nm時對可見光（400～700nm）之遮蔽力佳；若粒徑在15～50nm時，呈現透明狀，但對短波長之紫外線有較佳之遮蔽力。
3.3 電學性質
奈米微粒表面原子之特殊結構易引起表面電子自旋構象和電子能譜的變化，故亦具有新的電學特性。
金屬粒子之原子間距將隨粒徑減小而變小，金屬中自由電子的平均自由（半）徑會減小，其導電率會降低。
3.4 磁學性質
由前述微粒表面原子之特殊結構效應，由磁有序向磁無序狀態，超導相向正常相轉變而產生新的磁學特性；且當粒徑變小時，其磁化率隨著溫度之下降而減少，甚至為零，成為磁絕緣體。
如奈米微粒之鐵─鈷─鎳合金之強磁性材料，其信號與雜音比極高，可作為記錄器。
3.5 熱學性質
奈米微粒晶體表面原子之振幅約為內部之2倍，故隨著粒徑減小和表面原子比例之增加，其晶體的熔點將會降低，如混參0.1～0.5％之奈米鎢絲，其燒結（斷）溫度由3000℃下降至1300℃。
奈米微粒於低溫時，其熱阻趨近於零，熱導性極佳，可作為低溫導熱材料。
3.6 化學性質
微粒尺寸逐漸趨近奈米大小時，原離子型晶體會轉為趨向共價鍵性；反之，原共價鍵型晶體會呈現出離子鍵性質；而原金屬鍵型晶體亦會逐漸轉變為離子鍵或共價鍵之性質，故化學性質有所變化。
又由於表層原子數比例增加，具有非結合之電子與吸附作用，故加強了化學反應能力與催化特性。光催化效率與光效激發產生電子與正孔之時間有關，並與微粒直徑之平方成反比，故光觸媒粒徑愈小，其光催化活性愈強。
3.7 力學性質
奈米材料由於高比例表層原子之配位不足與極強之凡得瓦爾作用力，使奈米複合材之強度、韌性、耐磨性、抗老化性、耐壓性、緻密性與防水性大大提高，在複合材之力學物理上有革命性之改善。
4.奈米材料之研製
奈米材料之成形有微粒、薄膜與塊狀三種形狀，其中後二種皆以微粒為母材，再經直（接）間燒結成塊狀或製成薄膜狀，故奈米微粒之研製最為重要。一般而言，研製奈米微粒之方法有物理與化學方法兩種，然部份方法似乎含有前述兩者，不易分辨，大致上物理方法有物理粉碎法，機械球磨法，真空冷凝法，熱分解法，模板合成法，超臨界流體法；化學方法有氣相沉積法，溶膠─凝膠法，微乳液法，聚合物接枝共聚法，沈澱法，水熱合成法，電弧電漿法與聲化學方法。茲舉數例簡述如下。
4.1 球磨法
目前已有學者專家進行球磨法之改良，利用高能球磨法研磨製備奈米合金微粒、載體催化劑與通過球磨條件下固相反應之奈米微粒。
4.2 熱分解法
利用熱分解法自複合物中製備奈米複合材料，如在真空狀態300℃下熱分解複合物〔Si8O12H6．(C0CCO4)2〕，而得到含有Co2C奈米微粒之非晶體矽複合材料。
4.3 模板合成法
即利用含有奈米尺度空孔之基材來合成奈米微粒材料，通常泡沸石分子篩、多孔性玻璃、大孔離子交換樹脂與特殊多孔性薄膜之奈米尺寸結構中，生成吾人所須之奈米微粒。
4.4 超臨界流體法
藉超臨界流體（環保型溶劑）來製備奈米微粒材料，不僅有環保之優點，亦可製得高純度與無殘留有機溶劑之微粒，茲簡述三種製作法如後。
4.4.1 超臨界溶液急速膨脹法（Rapid Expansion of Supercritical Solution）
此法係將所須之微粒溶質溶於超臨界流體中形成超臨界溶液，復將溶液經由噴嘴噴出。雖此時超臨界流體之溶解力會急速下降，使溶質均勻地沈澱出來，且溶質不含溶劑，然大部份聚合物對超臨界流體之溶解度較低，此點疑慮宜先解決，才有實用化之價值。
4.4.2 超臨界反溶劑法（Supercritical Anti-Solvent）
先將溶質溶於有機溶劑形成溶液後，再將超臨界流體加入溶液中，作為反溶劑的超臨界流體在高壓下會增多，當混合入有機相後會導致溶液的溶解力下降，而使溶質沈澱出來，再經過濾，即可得奈米微粒材料（如藥物）。濾液經降溫減壓後，有機溶劑與超臨界流體可循環使用，達到環保之目的，如圖1所示。
4.4.3 氣體反溶劑法（Gas Anti-Solvent）
此法乃改良前法而得之，亦先將溶質溶解於適當的溶劑中，再將其溶液經由狹小的噴嘴急速噴注入超臨界流體中。因超臨界流體與有機溶劑完全互溶，故溶液中不溶於超臨界流體之溶質會沈澱成為極細小之微米或奈米粒子，如圖2所示。
4.5 溶凝膠法
首先於室溫，在水、溶劑（如乙醇）與酸催化的環境下水解低分子量有機先驅體（precursor）〔如Si(OCH3)4〕，使之生成Si-OH官能基；然後將前述官能基進行縮合反應形成Siloxane(Si-O-Si)高分子，當足夠Si-O-Si鍵在局部相互連結後，形成奈米微粒，並呈現膠體懸浮狀態，稱之為溶膠（Sol）；溶膠的高分子進一步作聚縮合反應，形成SiO2三度空間網狀結構，其黏度急劇上昇固化之，稱之為凝膠（gel），其製程之化學反應，如圖3與圖4所示。
此法係低溫反應製程，可參混無機物與有機物製作出高純度與高均勻度之材料，並可製作加工成任何形狀。其優點為製程初始階段即可在奈米尺度上控制設計材料結構，反應物種多，微粒均勻，開發產物種類選擇性大。
4.6 微乳液法
以O/W型微乳液作為微反應器，反應物於其中反應生成固相。微反應器控制反應物之成核、生長、聚結與團聚等過程，故形成外表被覆一層表面活性劑，且具一定凝聚形態結構之奈米微粒，而此表層可避免微粒間之相互再度凝結。此法可控制微粒之大小、結構與形態，且微粒之物化性較穩定，故頗受學者專家矚目。
4.7 聚合物接枝共聚法
首先將陰離子、陽離子或活性自由基之共聚物製成嵌段高分子〔如5(a)〕，再將其經過Annealing、化學吸附／導引，或利用結晶方法形成各種不同形態〔如5(b)〕，復將其中基材Matrix部份交聯固定，再將5(b)柱狀部份溶解，形成奈米空管（Nano-Channel）之組合陣列，如圖5所示。
如同前述方法，利用共聚高分子來製造1～3維結構之奈米材料，如1D奈米碳管、2D奈米陣列與3D奈米堆疊，如圖6所示。2D奈米陣列又可分為Nano-Wire Array、Nano-Porous或Nano-Channel等。3D奈米堆疊（Nano-Stack）較複雜，技術層次較高，目前研究者較少。
5.高分子奈米複合材料
5.1 黏土／高分子奈米複合材
奈米複合材料（Nanocomposite）乃是材料之補強材粒徑在1～100nm範圍時稱之。一般補強材以無機材料黏土、雲母與玻纖為主，但玻纖有界面問題，而雲母之外觀比（L/D）較小，故以高外觀比之黏土為較佳之補強材。黏土補強材以美國產之蒙脫土（Montmorillonite）為主，其結構是由兩個4面體層夾住一個八面體層，形成一個四面體─八面體─四面體之結構，如圖7所示。
無機補強材之純化改質技術為奈米複合材料最重要的先決技術條件。目前國內以化工所奈米組之技術較為成熟，並已建立黏土之純化製程，如利用離子交換法、酸鹼處理法、透析清洗法、共沈降收集法與噴霧乾燥法完成純化之，同時亦已轉移技術至多家廠商。
目前高分子奈米複合材料之製作有許多方法，如插層法、去層法、超微粒直接分散法……等。黏土／高分子奈米複合材之聚合反應，如圖8所示，在聚合反應前先加入改質劑，使黏土層間距離增加，甚至剝離，降低了層間之作用吸引力，再進行高分子聚合反應，當然補強材黏土之分散均勻性與材料之物化性有密切之關係。
5.2 生物模擬材料
高分子奈米複合材料未來之發展趨勢，主要有生物模擬材料與量子光學應用材料兩種，其中以模擬大自然界生物之結構與功能最受注目，包括軟質生物模擬材料，如肌腱階層構造；生物構造性發色結構，如蝶翼、蟲殼彩虹薄膜結構；DNA重組之生物科技，如開發蜘蛛絲、高強力、高模數與生物可分解性材料；模擬磁性細菌之胞內礦化反應以得到特定結晶結構大小之奈米無機微粒子等各項新技術。
6.紡織產業之應用
奈米材料與紡織材料之複合方法有混鍊紡絲、後整理加工與植入等技術，使纖維紡織品賦予各種功／機能性，如紫外線遮蔽、負離子／遠紅外線、抗菌防臭與導電纖維等。
6.1 紫外線遮蔽纖維
紫外線是一種電磁波，波長約為100～400nm，佔太陽光能源約6.1％，由紫外線UV-A、UV-B、UV-C與真空紫外線所組成。紫外線雖可促進維生素Ｄ之合成及抑制侷僂病與消毒殺菌之功能；但卻有增加皮膚病變，增加白內障，免疫機能降低，對海洋生物、魚貝類減少與影響植物光合作用之弊害；尤其是臭氧層遭破壞後，紫外線對皮膚之影響更大，如表1所示。
聚酯、尼龍等纖維，於聚合前混入TiO2、ZnO等微米／奈米微粒，使粒子均一地分散於紡絲液中，待抽絲後，即可得紫外線遮蔽纖維。通常TiO2粒子尺度約為紫外線波長一半（λ／2）時反射效果較佳，因此，TiO2等粒子在150～200nm時，可遮蔽（反射）UV-A與UV-B紫外線；若粒子為50～150nm時，則遮蔽（反射）紫外線UV-C與真空紫外線較佳。
紫外線遮蔽纖維之應用，除衣料用途外，運動／休閒服（滑雪裝、高爾夫球裝、釣魚裝）、制服、長襪、帽子、陽傘與帳蓬等用途正擴大使用中。
6.2 抗菌防臭纖維
奈米材料用於抗菌防臭纖維有兩項，為無機金屬系，光觸媒系兩種。
無機金屬系抗菌防臭劑，如銀、銅、鋅等金屬離子、氧化物或複合物。目前使用之銀系泡棉石，係採用物理吸附或離子交換之方法製得，但Ag系抗菌劑之微粒尺度大致在300～1000nm，並未真正達到奈米尺度。其抗菌機構係為活性氧及銀離子慢慢地溶出，然後朝細胞內進行擴散，破壞細胞內蛋白質的構造而引起代謝阻礙。然依實際經驗得知，Ag系抗菌纖維經漿紗、染整等加工處理後，其效果大打折扣，甚至喪失原有機能性，故宜審慎加工條件。
光觸媒系以TiO2與Zno為主。一般以奈米TiO2為抗菌防臭劑，如圖9所示為其反應機構。氧化鈦本身是一種半導體，其頻隙（Band Gap）為3.2ev，相等於波長390nm紫外線之Band Gap，故可利用日光紫外線令TiO2表面起氧化還原反應，如圖9所示；亦即TiO2吸收能量後形成電子（e-）與正孔（h+）兩種載流子，正孔會將吸附表面之水氧化形成氧化力強的羥基（．OH），瞬間溫度可高達36,000℃，可分解微生物細菌等有機物。另一方電子可還原空氣中的氧氣成過氧化物陰離子（．O2-），形成H2O2，最後成為H2O。由於正孔之高氧化力遠大於有機物分子之C-C、C-H、C-N、C-O、O-H、N-H等鍵能，如圖10所示，故可切斷破壞有機分子之結合，而達到除臭、抗菌之機能。
6.3 負離子──遠紅外線纖維
將含有微量之放射性物質的稀土族礦石粉微米或奈米微粒，混鍊入纖維內，同時混入遠紅外線放射礦石，如圖10所示，稀土族礦石所釋放出來的微弱放射線會將空氣中的微粒子離子化，製造負離子，同時使遠紅外線放射礦石激發產生4-14μm之生命波長的遠紅外線，故可活化細胞、安定精神、促進血液活絡，加速新陳代謝，達到保健之目的，故可作為健康素材。
6.4 紅外線反射纖維
奈米材料對紅外線有反射功能，其波長範圍大，亦可抗紫外線、可見光之功能，故可減少人體因紅外線輻射所引起之升溫或灼熱，還可用於製備涼爽纖維或織物，製作夏季服裝、運動／休閒服、野外工作服與帳蓬等。
6.5 導電纖維
現代工業進步神速，各項產業諸如電子、化工、石油、製礦、生醫、食品、電腦與精密儀器等行業，須要有抗靜電、防爆、防塵、防電磁波、輻射等功能性之紡織品來搭配使用，故導電纖維應運而生。
往昔導電纖維大多以碳黑為導電材料，然混鍊紡絲後之纖維帶有黑色，無法同一般纖維作後染加工，顏色無變化，較單調；但若使用MgO、ZnO與TiO2等微米／奈米微粒材料時，導電纖維不帶黑色，可作染色加工，增加服飾創意之設計空間。
工研院化工所則以苯胺、有機化處理黏土與具苯磺酸根之界面活性劑於甲苯／水乳化系統中低溫乳化聚合，得到去層化分散親油性導電奈米複合材料，亦應用於二次電池、抗靜電塗料……等。
6.6 PET/Clay奈米複合材
化工所亦開發適用之改質型黏土，使黏土在PET matrix中達到奈米級分散，可應用於耐熱、高阻氣寶特瓶之用途上，唯在吹瓶技術上遇到瓶頸，可能需從copolymer之方法來降低結晶速率，以解決因結晶速率過快而造成不透明性之缺點，目前正與長春人造樹脂公司、新光合纖與遠東紡織等公司配合研發中。
6.7 奈米材料之應用
奈米材料在工程塑膠、複合材料外，在工業用纖維上之應用可能有其發展空間，如添加入TiO2、ZnO、Pbi及Al2O3等無機奈米微粒後，使纖維之抗拉強度、耐磨性、韌性與模數之增加，可使纖維具有堅挺性、耐磨耗與反撥回復性等特性，故可應用於輪胎廉布、輸送帶、工業用毛刷與各種工業用品，如表2所示。
7.結論
奈米微粒之製造條件之控制、品質均勻穩定之控制，為奈米材料開發之首要重點。
奈米微粒製備後，仍須經過壓縮、燒結、複合與組裝等步驟才能製成固態可加工材料。然微細具有較大的表面能與活性，故易於相互吸引而有聚集之傾向。此類聚集之防止，宜於加工成獨立原生粒子或較小聚體時，應及時賦予表面處理，以利其穩定而不再發生凝聚。另，奈米材料之製備外，尚須注意保存與運輸之問題。
奈米微粒如何均勻地分散於基材中，亦是影響奈米複合材料之物化性的關鍵之一。
雖然奈米材料應用於光電、生醫、製藥與工業用各種複合材，已有某種程度之進展與實績，專家預言是21世紀革命性之技術，然應用於紡織纖維乃是起步階段，未來仍有很長的路要走。
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